(57)【要約】【課題】起動時も起動後も外部からの水供給が不要な燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池システム１は、改質触媒を用いた部分酸化反応又は水蒸気改質反応により、原燃料ガスＧ１から水素を含む改質ガスＧ５を生成する改質ガス生成手段４と、改質ガス生成手段４で生成された改質ガスＧ５を燃料として用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）８と、ＳＯＦＣ８と改質ガス生成手段４とを接続し、ＳＯＦＣ８のアノード８ａから排気された水蒸気を含むアノードオフガスＧ７を改質ガス生成手段４に供給するアノードオフガス供給ラインＬ８及びＬ１１と、改質ガス生成手段４に酸素含有ガスＧ２を供給する酸素含有ガス供給手段３と、制御手段１３と、を備え、制御手段１３は、燃料電池システム１の起動時に酸素含有ガスＧ２の供給が始まり、所定の時点で酸素含有ガスＧ２の供給が終了するように、酸素含有ガス供給手段３を制御する。【選択図】図１
2014049256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を用いた部分酸化反応又は水蒸気改質反応により、原燃料ガスから水素を含む改質ガスを生成する改質ガス生成手段と、
前記改質ガス生成手段で生成された改質ガスを燃料として用いる固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池と前記改質ガス生成手段とを接続し、前記固体酸化物形燃料電池のアノードから排気された水蒸気を含むアノードオフガスを前記改質ガス生成手段に供給するアノードオフガス供給ラインと、
前記改質ガス生成手段に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
前記酸素含有ガス供給手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、燃料電池システムの起動時に酸素含有ガスの供給が始まり、所定の時点で酸素含有ガスの供給が終了するように、前記酸素含有ガス供給手段を制御する燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質ガス生成手段で生成された改質ガスから水素を分離する水素分離手段を更に備え、
前記固体酸化物形燃料電池は、前記水素分離手段によって分離された水素を燃料として用いる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
アノードオフガス中の水蒸気量を検出する水蒸気量検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記水蒸気量検出手段により検出された水蒸気量が所定量以上となった場合に、酸素含有ガスの供給が終了するように、前記酸素含有ガス供給手段を制御する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質ガス生成手段は、更に、シフト反応により、改質ガス中の水素濃度を上昇させる請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質触媒は、部分酸化反応を行う第１の改質触媒と、水蒸気改質反応を行う第２の改質触媒とを備え、
燃料電池システムは、前記改質ガス生成手段に供給されるアノードオフガスの供給先を前記第１及び第２の改質触媒の間で切り替えるアノードオフガス供給切替手段を更に備え、
前記制御手段は、燃料電池システムの起動時から、前記水蒸気量検出手段により検出された水蒸気量が所定量以上となる前までの間において、前記第１の改質触媒にアノードオフガスを供給し、かつ、前記第２の改質触媒にアノードオフガスを供給しないように、また、前記水蒸気量検出手段により検出された水蒸気量が所定量以上となった後において、前記第１の改質触媒にアノードオフガスを供給せず、かつ、前記第２の改質触媒にアノードオフガスを供給するように、前記アノードオフガス供給切替手段を制御する請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料投入型の固体酸化物形燃料電池では、水素を含む改質ガスが燃料として用いられる。改質ガスは、改質器において、原燃料ガスと水蒸気との混合ガスである未改質ガスを改質触媒と接触させることにより生成される。
【０００３】
近年、固体酸化物形燃料電池のアノードから排気されるアノードオフガスを系内で循環させ、アノードオフガスに含まれる水蒸気を用いて水蒸気改質反応を行う燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１の図６及び７）。このような燃料電池システムは、起動後に外部から水を供給しなくても運転することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１２３８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、これまでに提案されているこれらの燃料電池システムには、以下のような問題がある。起動時、燃料電池システム内の固体酸化物形燃料電池のアノードには水素が供給されていないため、アノードでは水蒸気が生成せず、アノードオフガス中に水蒸気は含まれない。水蒸気が含まれないこのようなアノードオフガスを系内で循環させても、水蒸気改質反応を行うことはできない。よって、起動時から水蒸気改質反応を進行させるには、起動時に外部から水を供給する必要がある。外部から供給された水は、水蒸気改質反応に用いることができるよう、水蒸発器により気化され、改質器に導入される。そのため、水蒸発器や各種ラインを設けなければならず、システムの簡略化、小型化、効率化を図ることが難しい。
【０００６】
本発明は、起動後だけでなく起動時にも外部から水を供給する必要のない燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、改質触媒を用いた部分酸化反応又は水蒸気改質反応により、原燃料ガスから水素を含む改質ガスを生成する改質ガス生成手段と、上記改質ガス生成手段で生成された改質ガスを燃料として用いる固体酸化物形燃料電池と、上記固体酸化物形燃料電池と上記改質ガス生成手段とを接続し、上記固体酸化物形燃料電池のアノードから排気された水蒸気を含むアノードオフガスを上記改質ガス生成手段に供給するアノードオフガス供給ラインと、上記改質ガス生成手段に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、上記酸素含有ガス供給手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、上記制御手段は、燃料電池システムの起動時に酸素含有ガスの供給が始まり、所定の時点で酸素含有ガスの供給が終了するように、上記酸素含有ガス供給手段を制御する燃料電池システムに関する。
【０００８】
上記燃料電池システムは、上記改質ガス生成手段で生成された改質ガスから水素を分離する水素分離手段を更に備え、上記固体酸化物形燃料電池は、上記水素分離手段によって分離された水素を燃料として用いることが好ましい。
【０００９】
上記燃料電池システムは、アノードオフガス中の水蒸気量を検出する水蒸気量検出手段を更に備え、上記制御手段は、上記水蒸気量検出手段により検出された水蒸気量が所定量以上となった場合に、酸素含有ガスの供給が終了するように、上記酸素含有ガス供給手段を制御することが好ましい。
【００１０】
上記改質ガス生成手段は、更に、シフト反応により、改質ガス中の水素濃度を上昇させることが好ましい。
【００１１】
上記改質触媒は、部分酸化反応を行う第１の改質触媒と、水蒸気改質反応を行う第２の改質触媒とを備え、燃料電池システムは、上記改質ガス生成手段に供給されるアノードオフガスの供給先を上記第１及び第２の改質触媒の間で切り替えるアノードオフガス供給切替手段を更に備え、上記制御手段は、燃料電池システムの起動時から、上記水蒸気量検出手段により検出された水蒸気量が所定量以上となる前までの間において、上記第１の改質触媒にアノードオフガスを供給し、かつ、上記第２の改質触媒にアノードオフガスを供給しないように、また、上記水蒸気量検出手段により検出された水蒸気量が所定量以上となった後において、上記第１の改質触媒にアノードオフガスを供給せず、かつ、上記第２の改質触媒にアノードオフガスを供給するように、上記アノードオフガス供給切替手段を制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、起動後だけでなく起動時にも外部から水を供給する必要のない燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。
【図２】第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、原燃料ガス供給装置２と、酸素含有ガス供給装置３（酸素含有ガス供給手段）と、改質部５及びシフト反応部６を備える改質器４（改質ガス生成手段）と、水素分離膜７（水素分離手段）と、固体酸化物形燃料電池８と、空気供給装置９と、バルブ１０及び１１と、水蒸気量検出器１２（水蒸気量検出手段）と、制御装置１３（制御手段）と、を備える。また、燃料電池システム１は、原燃料ガス供給ラインＬ１と、酸素含有ガス供給ラインＬ２と、未改質ガス供給ラインＬ３と、改質ガス供給ラインＬ４及びＬ５と、水素供給ラインＬ６と、水素分離膜不透過ガス排気ラインＬ７と、アノードオフガス供給ラインＬ８及びＬ１１と、空気供給ラインＬ９と、カソードオフガス排気ラインＬ１０と、アノードオフガス排気ラインＬ１２と、を備える。本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。
燃料電池システム１には、外部から水を供給する装置やラインは存在しない。燃料電池システム１は、外部から水を供給することなく、起動することができ、その後も、系内で発生した水蒸気のみを用いて運転を継続することができる燃料電池システムである。
【００１６】
以下、燃料電池システム１の各部について詳しく説明する。
原燃料ガス供給装置２は、原燃料ガス供給ラインＬ１を通じて、改質器４に原燃料ガスＧ１を供給する。原燃料ガス供給装置２は、原燃料ガス供給ラインＬ１の上流側の端部に接続されている。原燃料ガスＧ１としては、例えば、分子中に炭素と水素とを含む化合物の気体及びそれら化合物からなる混合物の気体が挙げられ、より具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテルが挙げられる。
【００１７】
原燃料ガス供給ラインＬ１は、原燃料ガス供給装置２からの原燃料ガスＧ１を改質器４に供給するラインである。原燃料ガス供給ラインＬ１の上流側の端部は、原燃料ガス供給装置２に接続されている。原燃料ガス供給ラインＬ１の下流側の端部には、合流部Ｊ１が設けられている。原燃料ガス供給ラインＬ１の下流側の端部は、合流部Ｊ１において、後述の酸素含有ガス供給ラインＬ２、アノードオフガス供給ラインＬ１１、及び未改質ガス供給ラインＬ３に接続されている。
【００１８】
酸素含有ガス供給装置３は、酸素含有ガス供給ラインＬ２を通じて、改質器４に酸素含有ガスＧ２を供給する。酸素含有ガス供給装置３は、酸素含有ガス供給ラインＬ２の上流側の端部に接続されている。酸素含有ガスＧ２としては、酸素を含有するガスであれば特に限定されず、例えば、空気、酸素が挙げられる。
【００１９】
酸素含有ガス供給ラインＬ２は、酸素含有ガス供給装置３からの酸素含有ガスＧ２を改質器４に供給するラインである。酸素含有ガス供給ラインＬ２の上流側の端部は、酸素含有ガス供給装置３に接続されている。酸素含有ガス供給ラインＬ２の下流側の端部は、合流部Ｊ１において、原燃料ガス供給ラインＬ１、アノードオフガス供給ラインＬ１１、及び未改質ガス供給ラインＬ３に接続されている。
【００２０】
未改質ガス供給ラインＬ３は、原燃料ガス供給ラインＬ１を介して供給された原燃料ガスＧ１と、酸素含有ガス供給ラインＬ２を介して供給された酸素含有ガスＧ２と、アノードオフガス供給ラインＬ１１を介して供給されたアノードオフガスＧ７とが合流部Ｊ１において合流して生成した混合ガスである未改質ガスＧ３を、改質器４中の改質部５に供給するラインである。未改質ガス供給ラインＬ３の上流側の端部は、合流部Ｊ１において、原燃料ガス供給ラインＬ１、酸素含有ガス供給ラインＬ２、及びアノードオフガス供給ラインＬ１１に接続されている。未改質ガス供給ラインＬ３の下流側の端部は、改質部５に接続されている。
【００２１】
改質器４は、改質部５及びシフト反応部６を備える。改質器４は、改質部５に内臓された改質触媒を用いた部分酸化反応又は水蒸気改質反応により、原燃料ガスＧ１と、酸素含有ガスＧ２、アノードオフガスＧ７又はこれらの組み合わせとの混合ガスである未改質ガスＧ３から水素を含む改質ガスＧ４を生成し、シフト反応部６に内蔵されたシフト反応触媒を用いたシフト反応により、改質ガスＧ４から、改質ガスＧ４よりも水素濃度が上昇した改質ガスＧ５を生成する。改質器４の上流側には、原燃料ガス供給ラインＬ１と、酸素含有ガス供給ラインＬ２と、アノードオフガス供給ラインＬ１１とが接続されている。改質器４の下流側には、改質ガス供給ラインＬ５が接続されている。
【００２２】
改質部５は、改質触媒を内蔵しており、この改質触媒を用いた部分酸化反応又は水蒸気改質反応により、未改質ガスＧ３から改質ガスＧ４を生成する。改質部５は、未改質ガス供給ラインＬ３の下流側の端部に接続されている。改質部５の下流側には、改質ガス供給ラインＬ４が接続されている。改質ガス供給ラインＬ４の下流側の端部には、シフト反応部６が接続されている。改質ガス供給ラインＬ４は、シフト反応部６に改質ガスＧ４を供給する。
【００２３】
部分酸化反応及び水蒸気改質反応について、原燃料ガスとしてメタンを用いた場合を例として説明する。部分酸化反応は、下記化学反応式：
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→２Ｈ２＋ＣＯ
で表され、１８０〜１１００℃の温度範囲で進行する発熱反応である。部分酸化反応は、比較的低温でも進行させることができ、極めて速い反応であるため、固体酸化物形燃料電池を短時間で起動させるのに用いることができる。一方、水蒸気改質反応は、下記化学反応式：
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
で表され、７００〜８００℃の温度範囲で進行する吸熱反応である。水蒸気改質反応は、高温で起こる反応であるため、触媒の温度がこのような高温に達するまでに比較的長い時間を要する反応である。水蒸気改質反応は、部分酸化反応と比較して、モル数で１．５倍多い水素が生成するため、高効率である。部分酸化反応及び水蒸気改質反応に用いられる触媒としては、例えば、ニッケル系触媒が挙げられる。このように、部分酸化反応及び水蒸気改質反応では、いずれもニッケル系触媒を用いることができる。よって、部分酸化反応及び水蒸気改質反応を、同一の触媒で進行させてもよいし、それぞれ別々の触媒で進行させてもよい。本発明の第１実施形態では、図１に示すように、改質部５で部分酸化反応及び水蒸気改質反応を進行させる。
【００２４】
シフト反応部６は、シフト触媒を内蔵しており、このシフト触媒を用いたシフト反応により、改質ガスＧ４から、改質ガスＧ４よりも水素濃度が上昇した改質ガスＧ５を生成する。シフト反応部６は、改質ガス供給ラインＬ４の下流側の端部に接続されている。シフト反応部６の下流側には、改質ガス供給ラインＬ５が接続されている。改質ガス供給ラインＬ５の下流側の端部には、水素分離膜７が接続されている。改質ガス供給ラインＬ５は、水素分離膜７に改質ガスＧ５を供給する。
【００２５】
シフト反応は、下記化学反応式：
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
で表される発熱反応である。シフト反応触媒としては、例えば、鉄系触媒、銅−亜鉛系触媒が挙げられる。反応が進行する温度範囲は、鉄系触媒を用いた場合、３００〜５００℃であり、銅−亜鉛系触媒を用いた場合、２００℃前後である。
【００２６】
水素分離膜７は、改質ガスＧ５を水素Ｈ１と水素分離膜不透過ガスＧ６とに分離する。水素分離膜７は、水素選択透過性を有する金属を含む膜である。水素分離膜７は、上記金属のみからなる膜であってもよいし、セラミック等からなる多孔質支持体と、この多孔質支持体の細孔中に担持させた上記金属の粒子とを含む膜であってもよい。水素選択透過性を有する金属としては、例えば、パラジウム、パラジウムと銀との合金等のパラジウム合金、バナジウム合金が挙げられる。セラミックとしては、アルミナ、窒化ケイ素、シリカが挙げられる。また、水素分離膜７（水素分離手段）は、プロトン伝導性及び電子伝導性を有するプロトン−電子混合伝導性セラミックスを基材として形成されている水素ガス分離装置であってもよい。水素分離膜７は、改質ガス供給ラインＬ５の下流側の端部に接続されている。水素分離膜７の下流側には、水素供給ラインＬ６と、水素分離膜不透過ガス排気ラインＬ７とが接続されている。水素供給ラインＬ６の下流側の端部には、固体酸化物形燃料電池８のアノード８ａが接続されている。水素供給ラインＬ６は、固体酸化物形燃料電池８のアノード８ａに水素Ｈ１を供給する。水素分離膜不透過ガス排気ラインＬ７は、水素分離膜不透過ガスＧ６を燃料電池システム１の系外に排気する。水素分離膜不透過ガスＧ６には、未反応の原燃料ガスＧ１、未反応の酸素含有ガスＧ２、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素等が含まれる。
【００２７】
固体酸化物形燃料電池８は、アノード８ａと、カソード８ｂと、アノード８ａ及びカソード８ｂの間に設けられた電解質層８ｃと、を備える固体酸化物形燃料電池セルが複数積層された固体酸化物形燃料電池スタック（図示せず）を備える。アノード８ａは、水素供給ラインＬ６の下流側の端部に接続されている。アノード８ａの下流側には、アノードオフガス供給ラインＬ８が接続されている。カソード８ｂは、空気供給ラインＬ９の下流側の端部に接続されている。カソード８ｂの下流側には、カソードオフガス排気ラインＬ１０が接続されている。固体酸化物形燃料電池８は、水素供給ラインＬ６を通じて供給された水素Ｈ１を燃料として用い、空気供給ラインＬ９を通じて供給された空気Ａ１を酸化剤として用いて、固体酸化物形燃料電池スタックによって発電を行う。電解質層８ｃは、７００℃〜１０００℃の温度で酸化物イオンを伝導する。アノード８ａは、酸化物イオンと水素Ｈ１とを反応させて、電子及び水蒸気を発生させる。カソード８ｂは、電子と空気供給ラインＬ９を通じて供給された空気Ａ１中の酸素とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。なお、図１では、１組のアノード８ａ、カソード８ｂ、及び電解質層８ｃを備える固体酸化物形燃料電池セルを示しているが、実際には、固体酸化物形燃料電池８は、固体酸化物形燃料電池セルが複数積層された固体酸化物形燃料電池スタックを備える。
【００２８】
アノードオフガス供給ラインＬ８の上流側の端部は、アノード８ａに接続されている。アノードオフガス供給ラインＬ８の下流側の端部には、分岐部Ｊ２が設けられている。アノードオフガス供給ラインＬ８は、分岐部Ｊ２において、アノードオフガス供給ラインＬ１１及びアノードオフガス排気ラインＬ１２に分岐している。アノードオフガス供給ラインＬ８は、アノードオフガス供給ラインＬ１１とともに、改質器４にアノードオフガスＧ７を供給する。
【００２９】
空気供給装置９は、空気供給ラインＬ９を通じて、カソード８ｂに空気Ａ１を供給する。空気供給装置９は、空気供給ラインＬ９の上流側の端部に接続されている。
【００３０】
空気供給ラインＬ９は、カソード８ｂに空気Ａ１を供給する。空気供給ラインＬ９の上流側の端部は、空気供給装置９に接続されている。空気供給ラインＬ９の下流側の端部は、カソード８ｂに接続されている。
【００３１】
カソードオフガス排気ラインＬ１０の上流側の端部は、カソード８ｂに接続されている。カソードオフガス排気ラインＬ１０は、カソードオフガスＧ８を燃料電池システム１の系外に排気する。
【００３２】
アノードオフガス供給ラインＬ１１は、アノード８ａからのアノードオフガスＧ７の一部又は全部を、改質器４に供給するラインである。アノードオフガス供給ラインＬ１１の上流側の端部は、分岐部Ｊ２において、アノードオフガス供給ラインＬ８及びアノードオフガス排気ラインＬ１２に接続されている。アノードオフガス供給ラインＬ１１の下流側の端部は、合流部Ｊ１において、原燃料ガス供給ラインＬ１、酸素含有ガス供給ラインＬ２、及び未改質ガス供給ラインＬ３に接続されている。アノードオフガス供給ラインＬ１１には、バルブ１０が設けられている。バルブ１０は、アノードオフガス供給ラインＬ１１を開閉することができる。
【００３３】
アノードオフガス排気ラインＬ１２は、アノード８ａからのアノードオフガスＧ７の残部を燃料電池システム１の系外へ排気するラインである。アノードオフガス排気ラインＬ１２の上流側の端部は、分岐部Ｊ２においてアノードオフガス供給ラインＬ８及びアノードオフガス供給ラインＬ１１に接続されている。アノードオフガス排気ラインＬ１２には、バルブ１１が設けられている。バルブ１１は、アノードオフガス排気ラインＬ１２を開閉することができる。
【００３４】
水蒸気量検出器１２は、計測点Ｊ３においてアノードオフガス供給ラインＬ１１に接続されている。水蒸気量検出器１２は、アノードオフガスＧ７の水蒸気量を計測点Ｊ３において計測する。水蒸気量検出器１２は、制御装置１３と電気的に接続されている。水蒸気量検出器１２によって計測された信号は、制御装置１３に入力される。
【００３５】
制御装置１３は、燃料電池システム１の起動時に酸素含有ガスＧ２の供給が始まり、水蒸気量検出器１２により検出された水蒸気量が所定量以上となった場合に、酸素含有ガスＧ２の供給が終了するように、酸素含有ガス供給装置３を制御する。制御装置１３は、酸素含有ガス供給装置３及び水蒸気量検出器１２と電気的に接続されている。
【００３６】
ここで、水蒸気量検出器１２により検出された水蒸気量に関して「所定量」という用語を説明する。上記所定量は、酸素含有ガスＧ２の供給を終了するか否かの基準として用いられるものである。酸素含有ガスＧ２の供給が終了した後は、燃料電池システム１内に残存する水蒸気のみを用いて水蒸気改質反応を行い、得られた水素で固体酸化物形燃料電池８を運転する。よって、上記所定量としては、例えば、固体酸化物形燃料電池８に求められる発電量を確保できる最低限の量の水素を改質器４において生成することのできる水蒸気量が挙げられる。
【００３７】
次に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作について、図１を参照しながら説明する。
燃料電池システム１が起動すると、原燃料ガスＧ１は、原燃料ガス供給装置２から原燃料ガス供給ラインＬ１を通じて、改質器４に供給される。また、制御装置１３は、燃料電池システム１の起動時に酸素含有ガスＧ２の供給が始まるように、酸素含有ガス供給装置３を制御する。これにより、酸素含有ガスＧ２は、酸素含有ガス供給装置３から酸素含有ガス供給ラインＬ２を通じて、改質器４に供給される。改質器４に供給された原燃料ガスＧ１及び酸素含有ガスＧ２は、合流部Ｊ１において合流して、原燃料ガスＧ１と酸素含有ガスＧ２との混合ガスである未改質ガスＧ３が生成する。未改質ガスＧ３は、未改質ガス供給ラインＬ３を通じて、改質部５に供給される。
【００３８】
改質部５に供給された未改質ガスＧ３からは、改質部５における部分酸化反応により、改質ガスＧ４が生成する。起動直後のこの段階では、未改質ガスＧ３に水蒸気は含まれていないため、改質部５では、部分酸化反応のみが進行する。この改質ガスＧ４には、水素、一酸化炭素、未反応の原燃料ガスＧ１、未反応の酸素含有ガスＧ２等が含まれるが、水蒸気は含まれない。改質ガスＧ４は、改質ガス供給ラインＬ４を通じて、シフト反応部６に供給される。
【００３９】
シフト反応部６に供給された改質ガスＧ４は水蒸気を含まないため、シフト反応部６においてシフト反応は進行しない。改質ガスＧ４は、そのままシフト反応部６を通過し、改質ガスＧ５として改質ガス供給ラインＬ５を通じて、水素分離膜７に供給される。
【００４０】
水素分離膜７に供給された改質ガスＧ５は、水素分離膜７により、水素Ｈ１と水素分離膜不透過ガスＧ６とに分離される。水素Ｈ１は、水素供給ラインＬ６を通じて、固体酸化物形燃料電池８のアノード８ａに供給される。一方、水素分離膜不透過ガスＧ６は、水素分離膜不透過ガス排気ラインＬ７を通じて、燃料電池システム１の系外に排気される。
【００４１】
固体酸化物形燃料電池８においては、水素Ｈ１が、水素供給ラインＬ６を通じて、固体酸化物形燃料電池８のアノード８ａに供給されるとともに、空気Ａ１が、空気供給装置９から空気供給ラインＬ９を通じて、固体酸化物形燃料電池８のカソード８ｂに供給される。カソード８ｂでは、電子と空気Ａ１中の酸素とが反応して、酸化物イオンが発生する。発生した酸化物イオンは、電解質層８ｃを通ってアノード８ａに到達する。アノード８ａでは、水素Ｈ１とアノード８ａに到達した酸化物イオンとが反応して、電子及び水蒸気が発生する。このように、固体酸化物形燃料電池８では、水素Ｈ１を燃料として用い、空気Ａ１を酸化剤として用いて、固体酸化物形燃料電池スタックによって発電が行われる。アノード８ａにおける反応の結果、アノード８ａからはアノードオフガスＧ７が生成する。一方、カソード８ｂにおける反応の結果、カソード８ｂからはカソードオフガスＧ８が生成する。
【００４２】
アノード８ａで生成したアノードオフガスＧ７の一部又は全部は、バルブ１０及び１１を適宜開閉することにより、アノードオフガス供給ラインＬ８、分岐部Ｊ２、及びアノードオフガス供給ラインＬ１１を通じて、改質器４に供給される。
【００４３】
アノード８ａで生成したアノードオフガスＧ７の残部は、バルブ１０及び１１を適宜開閉することにより、アノードオフガス供給ラインＬ８、分岐部Ｊ２、及びアノードオフガス排気ラインＬ１２を通じて、燃料電池システム１の系外へ排気される。
【００４４】
カソード８ｂで生成したカソードオフガスＧ８は、カソードオフガス排気ラインＬ１０を通じて、燃料電池システム１の系外へ排気される。
【００４５】
改質器４に供給されたアノードオフガスＧ７は、原燃料ガス供給装置２から改質器４に供給された原燃料ガスＧ１、及び、酸素含有ガス供給装置３から改質器４に供給された酸素含有ガスＧ２と、合流部Ｊ１において合流して、原燃料ガスＧ１と酸素含有ガスＧ２とアノードオフガスＧ７との混合ガスである未改質ガスＧ３が生成する。この未改質ガスＧ３は、未改質ガス供給ラインＬ３を通じて、改質部５に供給される。
【００４６】
改質部５に供給された未改質ガスＧ３からは、改質部５における部分酸化反応及び水蒸気改質反応により、改質ガスＧ４が生成する。アノードオフガスＧ７を含む未改質ガスＧ３には水蒸気が含まれているため、改質部５では、部分酸化反応とともに水蒸気改質反応が進行する。この改質ガスＧ４には、水素、一酸化炭素、未反応の原燃料ガスＧ１、未反応の酸素含有ガスＧ２等が含まれるとともに、水蒸気が含まれる。改質ガスＧ４は、改質ガス供給ラインＬ４を通じて、シフト反応部６に供給される。
【００４７】
シフト反応部６に供給された改質ガスＧ４は水蒸気を含むため、シフト反応部６においてシフト反応が進行し、改質ガスＧ４よりも水素濃度が上昇した改質ガスＧ５が生成する。改質ガスＧ５は、改質ガス供給ラインＬ５を通じて、水素分離膜７に供給される。
水素分離膜７以降の動作は、前述のとおりである。
【００４８】
上記の動作を繰り返す間、水蒸気量検出器１２は、アノードオフガスＧ７の水蒸気量を計測点Ｊ３において計測する。制御装置１３は、水蒸気量検出器１２で計測された水蒸気量が所定量以上となったか否かを判定する。制御装置１３により、上記水蒸気量が所定量以上となっていないと判定された場合には、引き続き上記の動作を繰り返す。制御装置１３により、上記水蒸気量が所定量以上となったと判定された場合には、制御装置１３は、酸素含有ガスＧ２の供給が終了するように、酸素含有ガス供給装置３を制御する。これにより、改質器４中の合流部Ｊ１において、原燃料ガス供給装置２から改質器４に供給された原燃料ガスＧ１、及び、改質器４に供給されたアノードオフガスＧ７のみが合流して、原燃料ガスＧ１とアノードオフガスＧ７との混合ガスである未改質ガスＧ３が生成する。この未改質ガスＧ３には酸素含有ガスＧ２が含まれていないため、この未改質ガスＧ３が、未改質ガス供給ラインＬ３を通じて、改質部５に供給されると、改質部５では、部分酸化反応は進行せず、より高効率な水蒸気改質反応のみが進行する。
【００４９】
上述した第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、例えば、以下のような効果が奏される。
燃料電池システム１では、起動時に、改質器４に原燃料ガスＧ１と酸素含有ガスＧ２とを供給することで、改質部５における部分酸化反応が進行する。部分酸化反応で生じた水素は、固体酸化物形燃料電池８のアノード８ａで酸化されて、水蒸気が生じる。水蒸気は、アノードオフガスＧ７に含まれた状態で、改質器４に供給され、改質部５では、部分酸化反応に加えて水蒸気改質反応が進行する。また、水蒸気は、シフト反応部６にも到達し、シフト反応が進行する。燃料電池システム１の運転が継続し、アノードオフガスＧ７中の水蒸気量が所定量以上となった場合には、酸素含有ガスＧ２の供給が終了し、改質器４では、水蒸気改質反応とシフト反応とが進行する。このように、燃料電池システム１は、外部から水を供給することなく、起動することができ、その後も、系内で発生した水蒸気のみを用いて運転を継続することができる。
【００５０】
シフト反応部６におけるシフト反応により、改質器４で生成される改質ガスＧ５中の水素濃度を上昇させることができる。
水素分離膜７により、改質ガスＧ５から水素Ｈ１を選択的に分離し、水素濃度を高めた状態で固体酸化物形燃料電池８のアノード８ａに供給するため、固体酸化物形燃料電池８における発電効率を上げることができる。
【００５１】
水蒸気量検出器１２を用いることで、アノードオフガスＧ７の水蒸気量を現実に測定しながら、酸素含有ガス供給装置３による酸素含有ガスＧ２の供給を終了させるか否かを判定することができる。よって、水蒸気量が不足しているにもかかわらず、酸素含有ガスＧ２の供給を終了させたり、水蒸気量が既に所定量以上であるにもかかわらず、酸素含有ガスＧ２の供給を継続したりしてしまうという不都合を解消することができる。
【００５２】
〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａについて、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａの全体構成図である。なお、第２実施形態では、主に第１実施形態との相違点について説明する。第２実施形態では、第１実施形態と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、第２実施形態では、第１実施形態と重複する説明を適宜に省略する。
【００５３】
図２に示すように、燃料電池システム１Ａは、原燃料ガス供給装置２と、酸素含有ガス供給装置３（酸素含有ガス供給手段）と、第１の改質部５ａ、第２の改質部５ｂ、及びシフト反応部６を備える改質器４Ａ（改質ガス生成手段）と、水素分離膜７（水素分離手段）と、固体酸化物形燃料電池８と、空気供給装置９と、バルブ１０及び１１と、水蒸気量検出器１２（水蒸気量検出手段）と、制御装置１３Ａ（制御手段）と、原燃料ガス供給切替器１４と、アノードオフガス供給切替器１５（アノードオフガス供給切替手段）と、を備える。また、燃料電池システム１Ａは、原燃料ガス供給ラインＬ１、Ｌ１３ａ及びＬ１３ｂと、酸素含有ガス供給ラインＬ２と、未改質ガス供給ラインＬ３及びＬ１５と、改質ガス供給ラインＬ１６、Ｌ１７、Ｌ１８、及びＬ５と、水素供給ラインＬ６と、水素分離膜不透過ガス排気ラインＬ７と、アノードオフガス供給ラインＬ８、Ｌ１１、Ｌ１４ａ、及びＬ１４ｂと、空気供給ラインＬ９と、カソードオフガス排気ラインＬ１０と、アノードオフガス排気ラインＬ１２と、を備える。即ち、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、第１実施形態に係る燃料電池システム１の改質器４に代えて、改質器４Ａを備え、第１実施形態に係る燃料電池システム１の改質部５に代えて、第１の改質部５ａ及び第２の改質部５ｂを備え、第１実施形態に係る燃料電池システム１の制御装置１３に代えて、制御装置１３Ａを備え、新たに原燃料ガス供給切替器１４及びアノードオフガス供給切替器１５を備える点が異なる。
燃料電池システム１Ａには、外部から水を供給する装置やラインは存在しない。燃料電池システム１Ａは、外部から水を供給することなく、起動することができ、その後も、系内で発生した水蒸気のみを用いて運転を継続することができる燃料電池システムである。
【００５４】
原燃料ガス供給切替器１４は、原燃料ガス供給装置２からの原燃料ガスＧ１の供給先を第１の改質部５ａ及び第２の改質部５ｂの間で切り替える。原燃料ガス供給切替器１４の上流側には、原燃料ガス供給ラインＬ１が接続されている。原燃料ガス供給切替器１４の下流側には、原燃料ガス供給ラインＬ１３ａ及びＬ１３ｂが接続されている。
【００５５】
原燃料ガス供給ラインＬ１３ａは、原燃料ガス供給装置２からの原燃料ガスＧ１を改質器４Ａに供給するラインである。原燃料ガス供給ラインＬ１３ａの上流側の端部は、原燃料ガス供給切替器１４に接続されている。原燃料ガス供給ラインＬ１３ａの下流側の端部には、合流部Ｊ１が設けられている。原燃料ガス供給ラインＬ１３ａの下流側の端部は、合流部Ｊ１において、酸素含有ガス供給ラインＬ２、アノードオフガス供給ラインＬ１４ａ、及び未改質ガス供給ラインＬ３に接続されている。
【００５６】
原燃料ガス供給ラインＬ１３ｂは、原燃料ガス供給装置２からの原燃料ガスＧ１を改質器４Ａに供給するラインである。原燃料ガス供給ラインＬ１３ｂの上流側の端部は、原燃料ガス供給切替器１４に接続されている。原燃料ガス供給ラインＬ１３ｂの下流側の端部には、合流部Ｊ４が設けられている。原燃料ガス供給ラインＬ１３ｂの下流側の端部は、合流部Ｊ４において、アノードオフガス供給ラインＬ１４ｂ及び未改質ガス供給ラインＬ１５に接続されている。
【００５７】
アノードオフガス供給切替器１５は、アノード８ａからのアノードオフガスＧ７の供給先を第１の改質部５ａ及び第２の改質部５ｂの間で切り替える。アノードオフガス供給切替器１５の上流側には、アノードオフガス供給ラインＬ１１が接続されている。アノードオフガス供給切替器１５の下流側には、アノードオフガス供給ラインＬ１４ａ及びＬ１４ｂが接続されている。
【００５８】
アノードオフガス供給ラインＬ１４ａは、アノード８ａからのアノードオフガスＧ７を改質器４Ａに供給するラインである。アノードオフガス供給ラインＬ１４ａの上流側の端部は、アノードオフガス供給切替器１５に接続されている。アノードオフガス供給ラインＬ１４ａの下流側の端部は、合流部Ｊ１において、原燃料ガス供給ラインＬ１３ａ、酸素含有ガス供給ラインＬ２、及び未改質ガス供給ラインＬ３に接続されている。
【００５９】
アノードオフガス供給ラインＬ１４ｂは、アノード８ａからのアノードオフガスＧ７を改質器４Ａに供給するラインである。アノードオフガス供給ラインＬ１４ｂの上流側の端部は、アノードオフガス供給切替器１５に接続されている。アノードオフガス供給ラインＬ１４ｂの下流側の端部は、合流部Ｊ４において、原燃料ガス供給ラインＬ１３ｂ及び未改質ガス供給ラインＬ１５に接続されている。
【００６０】
未改質ガス供給ラインＬ１５は、原燃料ガス供給ラインＬ１３ｂを介して供給された原燃料ガスＧ１と、アノードオフガス供給ラインＬ１４ｂを介して供給されたアノードオフガスＧ７とが合流部Ｊ４において合流して生成した混合ガスである未改質ガスＧ９を、改質器４Ａ中の第２の改質部５ｂに供給するラインである。未改質ガス供給ラインＬ１５の上流側の端部は、合流部Ｊ４において、原燃料ガス供給ラインＬ１３ｂ及びアノードオフガス供給ラインＬ１４ｂに接続されている。未改質ガス供給ラインＬ１５の下流側の端部は、第２の改質部５ｂに接続されている。
【００６１】
改質器４Ａは、第１の改質部５ａ、第２の改質部５ｂ、及びシフト反応部６を備える。改質器４Ａは、第１の改質部５ａに内臓された改質触媒を用いた部分酸化反応により、原燃料ガスＧ１と、酸素含有ガスＧ２、アノードオフガスＧ７又はこれらの組み合わせとの混合ガスである未改質ガスＧ３から水素を含む改質ガスＧ１０を生成し、又は、第２の改質部５ｂに内臓された改質触媒を用いた水蒸気改質反応により、原燃料ガスＧ１とアノードオフガスＧ７との混合ガスである未改質ガスＧ９から水素を含む改質ガスＧ１１を生成し、シフト反応部６に内蔵されたシフト反応触媒を用いたシフト反応により、改質ガスＧ１０又はＧ１１から、改質ガスＧ１０又はＧ１１よりも水素濃度が上昇した改質ガスＧ５を生成する。改質器４Ａの上流側には、原燃料ガス供給ラインＬ１３ａ及びＬ１３ｂと、酸素含有ガス供給ラインＬ２と、アノードオフガス供給ラインＬ１４ａ及びＬ１４ｂとが接続されている。改質器４Ａの下流側には、改質ガス供給ラインＬ５が接続されている。
【００６２】
第１の改質部５ａは、改質触媒を内蔵しており、この改質触媒を用いた部分酸化反応により、未改質ガスＧ３から改質ガスＧ１０を生成する。第１の改質部５ａは、未改質ガス供給ラインＬ３の下流側の端部に接続されている。第１の改質部５ａの下流側には、改質ガス供給ラインＬ１６が接続されている。
【００６３】
改質ガス供給ラインＬ１６は、改質ガス供給ラインＬ１８とともに、シフト反応部６に改質ガスＧ１０を供給する。改質ガス供給ラインＬ１６の上流側の端部は、第１の改質部５ａに接続されている。改質ガス供給ラインＬ１６の下流側の端部には、合流部Ｊ５が設けられている。改質ガス供給ラインＬ１６の下流側の端部は、合流部Ｊ５において、改質ガス供給ラインＬ１７及びＬ１８に接続されている。
【００６４】
第２の改質部５ｂは、改質触媒を内蔵しており、この改質触媒を用いた水蒸気改質反応により、未改質ガスＧ９から改質ガスＧ１１を生成する。第２の改質部５ｂは、未改質ガス供給ラインＬ１５の下流側の端部に接続されている。第２の改質部５ｂの下流側には、改質ガス供給ラインＬ１７が接続されている。
【００６５】
改質ガス供給ラインＬ１７は、改質ガス供給ラインＬ１８とともに、シフト反応部６に改質ガスＧ１１を供給する。改質ガス供給ラインＬ１７の上流側の端部は、第２の改質部５ｂに接続されている。改質ガス供給ラインＬ１７の下流側の端部は、合流部Ｊ５において、改質ガス供給ラインＬ１６及びＬ１８に接続されている。
【００６６】
改質ガス供給ラインＬ１８は、改質ガス供給ラインＬ１６を通じて供給された改質ガスＧ１０、又は、改質ガス供給ラインＬ１７を通じて供給された改質ガスＧ１１をシフト反応部６に供給する。改質ガス供給ラインＬ１８の上流側の端部は、合流部Ｊ５に接続されている。改質ガス供給ラインＬ１８の下流側の端部は、シフト反応部６に接続されている。
【００６７】
制御装置１３Ａは、燃料電池システム１Ａの起動時から、水蒸気量検出器１２により検出された水蒸気量が所定量以上となる前までの間において、第１の改質部５ａに原燃料ガスＧ１を供給し、かつ、第２の改質部５ｂに原燃料ガスＧ１を供給しないように、また、水蒸気量検出器１２により検出された水蒸気量が所定量以上となった後において、第１の改質部５ａに原燃料ガスＧ１を供給せず、かつ、第２の改質部５ｂに原燃料ガスＧ１を供給するように、原燃料ガス供給切替器１４を制御する。また、制御装置１３Ａは、燃料電池システム１Ａの起動時に酸素含有ガスＧ２の供給が始まり、水蒸気量検出器１２により検出された水蒸気量が所定量以上となった場合に、酸素含有ガスＧ２の供給が終了するように、酸素含有ガス供給装置３を制御する。更に、制御装置１３Ａは、燃料電池システム１Ａの起動時から、水蒸気量検出器１２により検出された水蒸気量が所定量以上となる前までの間において、第１の改質部５ａにアノードオフガスＧ７を供給し、かつ、第２の改質部５ｂにアノードオフガスＧ７を供給しないように、また、水蒸気量検出器１２により検出された水蒸気量が所定量以上となった後において、第１の改質部５ａにアノードオフガスＧ７を供給せず、かつ、第２の改質部５ｂにアノードオフガスＧ７を供給するように、アノードオフガス供給切替器１５を制御する。制御装置１３Ａは、原燃料ガス供給切替器１４、酸素含有ガス供給装置３、アノードオフガス供給切替器１５、及び水蒸気量検出器１２と電気的に接続されている。
【００６８】
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａの動作について、図２を参照しながら説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａの動作は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作とほぼ同様であり、第１実施形態に係る燃料電池システム１の改質器４に代えて、改質器４Ａを備え、第１実施形態に係る燃料電池システム１の改質部５に代えて、第１の改質部５ａ及び第２の改質部５ｂを備え、第１実施形態に係る燃料電池システム１の制御装置１３に代えて、制御装置１３Ａを備え、新たに原燃料ガス供給切替器１４及びアノードオフガス供給切替器１５を備える点が異なる。そのため、第１実施形態に係る燃料電池システム１による動作と同様の部分については重複説明を省略し、改質器４Ａ（特に、第１の改質部５ａ及び第２の改質部５ｂ）、原燃料ガス供給切替器１４、及びアノードオフガス供給切替器１５による動作について説明する。
【００６９】
燃料電池システム１Ａが起動すると、制御装置１３Ａは、第１の改質部５ａに原燃料ガスＧ１を供給し、かつ、第２の改質部５ｂに原燃料ガスＧ１を供給しないように、原燃料ガス供給切替器１４を制御するとともに、第１の改質部５ａにアノードオフガスＧ７を供給し、かつ、第２の改質部５ｂにアノードオフガスを供給しないように、アノードオフガス供給切替器１５を制御する。また、制御装置１３Ａは、燃料電池システム１Ａの起動時に酸素含有ガスＧ２の供給が始まるように、酸素含有ガス供給装置３を制御する。
【００７０】
第１の改質部５ａに供給された未改質ガスＧ３（原燃料ガスＧ１と酸素含有ガスＧ２との混合ガス）からは、第１の改質部５ａにおける部分酸化反応により、改質ガスＧ１０が生成する。起動直後のこの段階では、この改質ガスＧ１０には、水素、一酸化炭素、未反応の原燃料ガスＧ１、未反応の酸素含有ガスＧ２等が含まれるが、水蒸気は含まれない。改質ガスＧ１０は、改質ガス供給ラインＬ１６及びＬ１８を通じて、シフト反応部６に供給される。
シフト反応部６からアノードオフガス供給ラインＬ１１までの動作は、第１実施形態について述べたとおりである。
【００７１】
アノードオフガス供給ラインＬ１１を通じて供給されたアノードオフガスＧ７は、アノードオフガス供給切替器１５及びアノードオフガス供給ラインＬ１４ａを通じて、改質器４Ａに供給される。
【００７２】
改質器４Ａに供給されたアノードオフガスＧ７は、原燃料ガス供給装置２から改質器４Ａに供給された原燃料ガスＧ１、及び、酸素含有ガス供給装置３から改質器４Ａに供給された酸素含有ガスＧ２と、合流部Ｊ１において合流して、原燃料ガスＧ１と酸素含有ガスＧ２とアノードオフガスＧ７との混合ガスである未改質ガスＧ３が生成する。この未改質ガスＧ３は、未改質ガス供給ラインＬ３を通じて、第１の改質部５ａに供給される。
【００７３】
第１の改質部５ａに供給された未改質ガスＧ３からは、第１の改質部５ａにおける部分酸化反応により、改質ガスＧ１０が生成する。この改質ガスＧ１０には、水素、一酸化炭素、未反応の原燃料ガスＧ１、未反応の酸素含有ガスＧ２等が含まれるとともに、水蒸気が含まれる。改質ガスＧ１０は、改質ガス供給ラインＬ１６及びＬ１８を通じて、シフト反応部６に供給される。
シフト反応部６からアノードオフガス供給ラインＬ１１までの動作は、第１実施形態について述べたとおりである。
【００７４】
上記の動作を繰り返す間、水蒸気量検出器１２は、アノードオフガスＧ７の水蒸気量を計測点Ｊ３において計測する。制御装置１３Ａは、水蒸気量検出器１２で計測された水蒸気量が所定量以上となったか否かを判定する。制御装置１３Ａにより、上記水蒸気量が所定量以上となっていないと判定された場合には、引き続き上記の動作を繰り返す。制御装置１３Ａにより、上記水蒸気量が所定量以上となったと判定された場合には、制御装置１３Ａは、原燃料ガスＧ１及びアノードオフガスＧ７の供給先が切り替わるように、原燃料ガス供給切替器１４及びアノードオフガス供給切替器１５を制御する。即ち、制御装置１３Ａは、第１の改質部５ａに原燃料ガスＧ１を供給せず、かつ、第２の改質部５ｂに原燃料ガスＧ１を供給するように、原燃料ガス供給切替器１４を制御し、第１の改質部５ａにアノードオフガスＧ７を供給せず、かつ、第２の改質部５ｂにアノードオフガスＧ７を供給するように、アノードオフガス供給切替器１５を制御する。また、制御装置１３Ａは、酸素含有ガスＧ２の供給が終了するように、酸素含有ガス供給装置３を制御する。これにより、改質器４Ａ中の合流部Ｊ４において、原燃料ガス供給装置２から改質器４Ａに供給された原燃料ガスＧ１、及び、改質器４Ａに供給されたアノードオフガスＧ７が合流して、原燃料ガスＧ１とアノードオフガスＧ７との混合ガスである未改質ガスＧ９が生成する。この未改質ガスＧ９には酸素含有ガスＧ２が含まれていない。未改質ガスＧ９が、未改質ガス供給ラインＬ１５を通じて、第２の改質部５ｂに供給されると、第２の改質部５ｂでは、部分酸化反応よりも高効率な水蒸気改質反応が進行する。
【００７５】
上述した第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、例えば、以下のような効果が奏される。
燃料電池システム１では、改質部５を部分酸化反応及び水蒸気改質反応の両方に用いるが、燃料電池システム１Ａでは、部分酸化反応に第１の改質部５ａを用い、水蒸気改質反応に第２の改質部５ｂを用いる。そして、水蒸気量検出器１２の測定結果に基づき、制御装置１３Ａは、原燃料ガスＧ１及びアノードオフガスＧ７の供給先を、第１の改質部５ａと第２の改質部５ｂとの間で切り替えるように、原燃料ガス供給切替器１４とアノードオフガス供給切替器１５とを制御する。このように、燃料電池システム１Ａでは、部分酸化反応を進行させる時期と、水蒸気改質反応を進行させる時期とを正確に制御することができ、より効率的な運転を行うことができる。
その他の効果は、第１実施形態に係る燃料電池システム１により奏されるものと同様である。
【００７６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかし、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
【００７７】
例えば、第１実施形態及び第２実施形態において、シフト反応部６及び改質ガス供給ラインＬ５を省略し、改質ガス供給ラインＬ４又はＬ１８の下流側の端部を水素分離膜７に接続した構成としてもよい。この構成では、第１実施形態における改質ガスＧ４が、改質器４により生成された改質ガスとして、水素分離膜７に供給され、また、第２実施形態における改質ガスＧ１０又はＧ１１が、改質器４Ａにより生成された改質ガスとして、水素分離膜７に供給される。第１実施形態における改質部５又は第２実施形態における第１の改質部５ａもしくは第２の改質部５ｂにより、十分な量の水素が生成されるので、固体酸化物形燃料電池８における発電、アノード８ａにおける水蒸気の生成、及び改質器４又は４Ａにおける水蒸気改質反応は十分に行われる。
【００７８】
第１実施形態及び第２実施形態において、水素分離膜７、水素供給ラインＬ６、及び水素分離膜不透過ガス排気ラインＬ７を省略し、改質ガス供給ラインＬ５の下流側の端部を固体酸化物形燃料電池８のアノード８ａに接続した構成としてもよい。この構成では、改質器４又は４Ａで生成された改質ガスＧ５が固体酸化物形燃料電池８のアノード８ａに供給される。改質ガスＧ５に一酸化炭素、未反応の原燃料ガスＧ１等が含まれる場合、これらのガスも水素と同様、アノード８ａにおいて酸化され、固体酸化物形燃料電池８の発電に用いられる。系内のガスにおける水素濃度を十分高く維持するために、二酸化炭素等の、水素以外のガスの濃度が高まってきたら、バルブ１０及び１１を適宜開閉することにより、アノードオフガス供給ラインＬ８、分岐部Ｊ２、及びアノードオフガス排気ラインＬ１２を通じて、アノードオフガスＧ７の一部を燃料電池システム１の系外へ排気することが好ましい。
【００７９】
第１実施形態において、水蒸気量検出器１２を省略してもよい。この構成では、制御装置１３は、燃料電池システム１の起動時に酸素含有ガスＧ２の供給が始まり、所定の時点で酸素含有ガスＧ２の供給が終了するように、酸素含有ガス供給装置３を制御する。上記所定の時点としては、例えば、燃料電池システム１の起動時からの継続時間が時間ｔ０に達した時点が挙げられる。時間ｔ０は、例えば、アノードオフガスＧ７中の水蒸気量が所定量以上になるまでの平均時間が挙げられる。「所定量」としては、第１実施形態の説明中で例示したものが挙げられる。
【符号の説明】
【００８０】
１、１Ａ  燃料電池システム
２  原燃料ガス供給装置
３  酸素含有ガス供給装置（酸素含有ガス供給手段）
４、４Ａ  改質器（改質ガス生成手段）
５  改質部
５ａ  第１の改質部
５ｂ  第２の改質部
６  シフト反応部
７  水素分離膜（水素分離手段）
８  固体酸化物形燃料電池
８ａ  アノード
８ｂ  カソード
８ｃ  電解質層
９  空気供給装置
１０、１１  バルブ
１２  水蒸気量検出器（水蒸気量検出手段）
１３、１３Ａ  制御装置（制御手段）
１４  原燃料ガス供給切替器
１５  アノードオフガス供給切替器（アノードオフガス供給切替手段）
【図１】
2014049256.tif 000003
【図２】
2014049256.tif 000004