(57)【特許請求の範囲】
【請求項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を複数積層した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、
燃焼ガス又は燃焼排ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに昇温された前記酸化剤ガスを供給する空気予熱器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼排ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
前記排ガス燃焼器又は前記起動用燃焼器の一方のみを選択的に駆動する制御部と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記燃料電池モジュールは、前記起動用燃焼器に前記原燃料を供給する第１燃料供給流路と、
前記改質器に前記原燃料を供給する第２燃料供給流路と、
前記第１燃料供給流路又は前記第２燃料供給流路の一方のみに前記原燃料を供給するための流路切り替え部と、
前記改質器の温度を検出する改質器温度検出部と、
を備え、
前記流路切り替え部は、前記改質器温度検出部の検出温度が、前記改質器により水蒸気改質が可能な改質可能温度未満である際、前記第１燃料供給流路のみに前記原燃料を供給する一方、
前記改質器温度検出部の検出温度が、前記改質可能温度以上である際、前記第２燃料供給流路のみに前記原燃料を供給し、
前記第２燃料供給流路のみに前記原燃料が供給されているとき、前記改質器で前記原燃料が改質されて生成された前記燃料ガスは、前記燃料電池スタック及び前記排ガス燃焼器を介して前記起動用燃焼器に供給され、前記起動用燃焼器にて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが燃焼されて燃焼ガスが生成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
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を複数積層した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、
燃焼ガス又は燃焼排ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに昇温された前記酸化剤ガスを供給する空気予熱器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼排ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
前記排ガス燃焼器又は前記起動用燃焼器の一方のみを選択的に駆動する制御部と、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記燃料電池モジュールは、前記起動用燃焼器に前記原燃料を供給する第１燃料供給流路と、
前記改質器に前記原燃料を供給する第２燃料供給流路と、
前記第１燃料供給流路又は前記第２燃料供給流路の一方のみに前記原燃料を供給するための流路切り替え部と、
前記改質器の温度を検出する改質器温度検出部と、
前記燃料電池スタックの温度を検出する燃料電池スタック温度検出部と、
を備え、
前記流路切り替え部は、前記改質器温度検出部の検出温度が、前記改質器により水蒸気改質が可能な改質可能温度未満である際、前記第１燃料供給流路のみに前記原燃料を供給する一方、
前記改質器温度検出部の検出温度が、前記改質可能温度以上であり、且つ、前記燃料電池スタック温度検出部の検出温度が、前記燃料電池スタックの発電可能温度未満である所定の設定温度を上回る際、前記第２燃料供給流路のみに前記原燃料を供給し、
前記第２燃料供給流路のみに前記原燃料が供給されているとき、前記改質器で前記原燃料が改質されて生成された前記燃料ガスは、前記燃料電池スタック及び前記排ガス燃焼器を介して前記起動用燃焼器に供給され、前記起動用燃焼器にて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが燃焼されて燃焼ガスが生成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記改質器は、前記排ガス燃焼器に隣接して又は前記排ガス燃焼器を囲繞して配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項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を複数積層した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、
燃焼ガス又は燃焼排ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに昇温された前記酸化剤ガスを供給する空気予熱器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼排ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
前記排ガス燃焼器又は前記起動用燃焼器の一方のみを選択的に駆動する制御部と、
前記起動用燃焼器に前記原燃料を供給する第１燃料供給流路と、
前記改質器に前記原燃料を供給する第２燃料供給流路と、
前記第１燃料供給流路又は前記第２燃料供給流路の一方のみに前記原燃料を供給するための流路切り替え部と、
前記改質器の温度を検出する改質器温度検出部と、
を備える燃料電池モジュールの運転方法であって、
前記改質器温度検出部の検出温度が、前記改質器により水蒸気改質が可能な改質可能温度未満である際、前記第１燃料供給流路のみに前記原燃料を供給する工程と、
前記改質器温度検出部の検出温度が、前記改質可能温度以上である際、前記第２燃料供給流路のみに前記原燃料を供給する工程と、
を有し、
前記第２燃料供給流路のみに前記原燃料が供給されているとき、前記改質器で前記原燃料が改質されて生成された前記燃料ガスは、前記燃料電池スタック及び前記排ガス燃焼器を介して前記起動用燃焼器に供給され、前記起動用燃焼器にて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが燃焼されて燃焼ガスが生成されることを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。
【請求項５】
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を複数積層した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、
燃焼ガス又は燃焼排ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに昇温された前記酸化剤ガスを供給する空気予熱器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼排ガスを発生させる排ガス燃焼器と、
前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
前記排ガス燃焼器又は前記起動用燃焼器の一方のみを選択的に駆動する制御部と、
前記起動用燃焼器に前記原燃料を供給する第１燃料供給流路と、
前記改質器に前記原燃料を供給する第２燃料供給流路と、
前記第１燃料供給流路又は前記第２燃料供給流路の一方のみに前記原燃料を供給するための流路切り替え部と、
前記改質器の温度を検出する改質器温度検出部と、
前記燃料電池スタックの温度を検出する燃料電池スタック温度検出部と、
を備える燃料電池モジュールの運転方法であって、
前記改質器温度検出部の検出温度が、前記改質器により水蒸気改質が可能な改質可能温度未満である際、前記第１燃料供給流路のみに前記原燃料を供給する工程と、
前記改質器温度検出部の検出温度が、前記改質可能温度以上であり、且つ、前記燃料電池スタック温度検出部の検出温度が、前記燃料電池スタックの発電可能温度未満である所定の設定温度を上回る際、前記第２燃料供給流路のみに前記原燃料を供給する工程と、
を有し、
前記第２燃料供給流路のみに前記原燃料が供給されているとき、前記改質器で前記原燃料が改質されて生成された前記燃料ガスは、前記燃料電池スタック及び前記排ガス燃焼器を介して前記起動用燃焼器に供給され、前記起動用燃焼器にて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが燃焼されて燃焼ガスが生成されることを特徴とする燃料電池モジュールの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池モジュール及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
ＳＯＦＣでは、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を備えている。改質器は、良好な改質反応を行うために、比較的高温に暖機する必要がある一方、高温になり過ぎると、燃料中の炭素の析出等が惹起され易い。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料製造装置の始動方法が知られている。この始動方法では、一つの供給部により始動用燃料が供給された第１暖機部と第２暖機部のそれぞれで燃焼処理部と改質部とが暖機され、次いで、原燃料を供給された前記改質部が前記原燃料の改質反応による発熱で暖機されている。このため、小型で簡単な暖機手段により始動運転を短時間で行うことができる、としている。
【０００５】
また、第１暖機部と第２暖機部のそれぞれで燃焼処理部と改質部とが暖機される第１工程に続いて、第２工程では供給部からの始動用燃料の供給を停止し、その間に前記改質部の特に後段まで熱伝達を行っておくことができる。従って、始動用燃料を消費せずに始動運転までの所要エネルギの低減を図ることができるとともに、短時間の始動を図ることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−３２１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、周辺部品が過剰昇温されることがなく、しかも所望の改質処理が良好に遂行可能な燃料電池モジュール及びその運転方法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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタック、改質器、空気予熱器、排ガス燃焼器、起動用燃焼器、蒸発器及び制御部を備えている。燃料電池スタックは、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を複数積層している。改質器は、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している。
【０００９】
空気予熱器は、燃焼ガス又は燃焼排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、燃料電池スタックに昇温された酸化剤ガスを供給している。排ガス燃焼器は、燃料電池スタック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、燃焼排ガスを発生させている。起動用燃焼器は、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させている。蒸発器は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器に供給している。制御部は、排ガス燃焼器又は起動用燃焼器の一方のみを選択的に駆動している。
【００１０】
燃料電池モジュールは、起動用燃焼器に原燃料を供給する第１燃料供給流路と、改質器に前記原燃料を供給する第２燃料供給流路と、を備えている。燃料電池モジュールは、さらに第１燃料供給流路又は第２燃料供給流路の一方のみに原燃料を供給するための流路切り替え部と、改質器の温度を検出する改質器温度検出部と、を備えている。
【００１１】
流路切り替え部は、改質器温度検出部の検出温度が、改質器により水蒸気改質が可能な改質可能温度未満である際、第１燃料供給流路のみに原燃料を供給している。一方、改質器温度検出部の検出温度が、改質可能温度以上である際、第２燃料供給流路のみに原燃料を供給している。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池モジュールは、起動用燃焼器に原燃料を供給する第１燃料供給流路と、改質器に前記原燃料を供給する第２燃料供給流路と、を備えている。燃料電池モジュールは、さらに第１燃料供給流路又は第２燃料供給流路の一方のみに原燃料を供給するための流路切り替え部と、改質器の温度を検出する改質器温度検出部と、燃料電池スタックの温度を検出する燃料電池スタック温度検出部と、を備えている。
【００１３】
流路切り替え部は、改質器温度検出部の検出温度が、改質器により水蒸気改質が可能な改質可能温度未満である際、第１燃料供給流路のみに原燃料を供給している。一方、改質器温度検出部の検出温度が、改質可能温度以上であり、且つ、燃料電池スタック温度検出部の検出温度が、燃料電池スタックの発電可能温度未満である所定の設定温度を上回る際、第２燃料供給流路のみに前記原燃料を供給している。
【００１４】
さらに、この燃料電池モジュールでは、改質器は、排ガス燃焼器に隣接して又は前記排ガス燃焼器を囲繞して配置されることが好ましい。このため、改質器は、排ガス燃焼器により効率的且つ確実に昇温することができ、熱自立が可能になる。なお、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
【００１５】
さらにまた、本発明の係る燃料電池モジュールの運転方法では、改質器温度検出部の検出温度が、改質器により水蒸気改質が可能な改質可能温度未満である際、第１燃料供給流路のみに原燃料を供給する工程を有している。この運転方法では、改質器温度検出部の検出温度が、改質可能温度以上である際、第２燃料供給流路のみに原燃料を供給する工程を有している。
【００１６】
また、本発明の係る燃料電池モジュールの運転方法では、改質器温度検出部の検出温度が、改質器により水蒸気改質が可能な改質可能温度未満である際、第１燃料供給流路のみに原燃料を供給する工程を有している。この運転方法では、改質器温度検出部の検出温度が、改質可能温度以上であり、且つ、燃料電池スタック温度検出部の検出温度が、燃料電池スタックの発電可能温度未満である所定の設定温度を上回る際、第２燃料供給流路のみに原燃料を供給する工程を有している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、流路切り替え部は、改質器温度検出部の検出温度が、改質可能温度未満である際、第１燃料供給流路のみに原燃料を供給している。一方、改質器温度検出部の検出温度が、改質可能温度以上である際、第２燃料供給流路のみに原燃料を供給している。このため、改質器の温度が低下している際には、起動用燃焼器により他部品の昇温を行うことができる。
【００１８】
一方、改質器が改質可能温度以上に昇温された際には、前記改質器に原燃料が供給されて改質処理が開始されている。その際、蒸発器で水の蒸発不足が発生しても、改質器により安定した水蒸気改質が確実に遂行され、安定的な発電及び起動が行われる。従って、起動時間の短縮を図ることができ、周辺部品が過剰昇温されることを抑制するとともに、所望の改質処理が良好に遂行可能になる。
【００１９】
また、本発明によれば、流路切り替え部は、改質器温度検出部の検出温度が、改質可能温度未満である際、第１燃料供給流路のみに原燃料を供給している。一方、改質器温度検出部の検出温度が、改質可能温度以上であり、且つ、燃料電池スタック温度検出部の検出温度が、設定温度を上回る際、第２燃料供給流路のみに原燃料を供給している。
【００２０】
これにより、燃料電池スタックが高温になっているにも関わらず、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスのみが供給されることがない。このため、燃料電池スタックが酸化することを、改質器から供給される燃料ガス（還元ガス）により確実に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池モジュールの動作説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記燃料電池モジュールの起動時の動作説明図である。
【図５】前記燃料電池モジュールの運転時の動作説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池モジュール１０は、燃料電池ユニット１２を備え、前記燃料電池ユニット１２が筐体１４内に収容される。
【００２３】
図１及び図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、燃料電池スタック１６、改質器１８、空気予熱器２０、排ガス燃焼器２２、起動用燃焼器２４、蒸発器２６及びコントローラ（制御部）２８を備える。燃料電池ユニット１２は、排気触媒昇温器３０及び排気触媒３２を備えるとともに、排ガス燃焼器２２及び改質器１８に隣接して、燃料予昇温部３３が配設される。
【００２４】
燃料電池スタック１６は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する。燃料電池スタック１６は、図１に示すように、平板状の固体酸化物形燃料電池３４を備え、複数の前記燃料電池３４は、鉛直方向（矢印Ａ方向）又は水平方向（矢印Ｂ方向）に積層される。
【００２５】
燃料電池３４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の両面に、カソード電極及びアノード電極が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を備える。電解質・電極接合体の両側には、カソードセパレータとアノードセパレータとが配設される。カソードセパレータには、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成されるとともに、アノードセパレータには、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成される。
【００２６】
改質器１８は、燃料電池スタック１６に隣接して略コ字状に配置されるとともに、前記改質器１８の内部には、排ガス燃焼器２２が配置される。改質器１８は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを改質（水蒸気改質）し、燃料電池スタック１６に供給される燃料ガスを生成する。なお、改質器１８は、排ガス燃焼器２２に隣接して配置されていればよく、その形状に限定されない。
【００２７】
排ガス燃焼器２２は、燃料電池スタック１６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、燃焼排ガスを発生させる。
【００２８】
改質器１８には、燃料電池スタック１６とは反対側に隣接して空気予熱器２０及び起動用燃焼器２４が配置されるとともに、前記空気予熱器２０には、蒸発器２６が積層される。空気予熱器２０は、燃焼ガス又は燃焼排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１６に前記酸化剤ガスを供給する。起動用燃焼器２４は、原燃料（燃料ガス）と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。蒸発器２６は、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器１８に供給する。
【００２９】
排ガス燃焼器２２には、第１グロープラグ（加熱部材）３６ａが配置されるとともに、起動用燃焼器２４には、第２グロープラグ（加熱部材）３６ｂが配置される。第１グロープラグ３６ａは、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの混合ガスを点火させる。第２グロープラグ３６ｂは、原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを点火させる。
【００３０】
燃料電池スタック１６には、前記燃料電池スタック１６の温度を検出するスタック温度センサ（燃料電池スタック温度検出部）３８ａが設けられる。改質器１８には、前記改質器１８の入口温度を検出する改質器温度センサ（改質器温度検出部）３８ｂが設けられる。
【００３１】
排気触媒３２は、燃焼ガス又は燃焼排ガスを外部に放出させる前に、前記燃焼ガス又は前記燃焼排ガスに含まれる不純物を除去する。排気触媒昇温器３０は、排気触媒３２を必要に応じて活性温度に昇温させるヒータ（加熱器）を備える。コントローラ２８は、燃料電池モジュール１０の発電運転を制御するとともに、排ガス燃焼器２２又は起動用燃焼器２４の一方のみを選択的に駆動させる。
【００３２】
図２に示すように、空気供給源（図示せず）から空気予熱器２０を介して燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路（図示せず）には、空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）４０が接続される。起動用燃焼器２４には、原燃料を供給するための第１燃料供給流路４２ａが接続されるとともに、改質器１８には、燃料予昇温部３３を経由して前記原燃料を供給するための第２燃料供給流路４２ｂが接続される。第２燃料供給流路４２ｂは、改質器１８から燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路（図示せず）に接続される。
【００３３】
第１燃料供給流路４２ａと第２燃料供給流路４２ｂとは、切替弁（流路切り替え部）４４に接続され、原燃料供給流路４６に一体化される。切替弁４４は、第１燃料供給流路４２ａ又は第２燃料供給流路４２ｂの一方のみに原燃料を供給するために、コントローラ２８により切り替え操作される。
【００３４】
燃料電池スタック１６の燃料排ガス出口と排ガス燃焼器２２とは、燃料排ガス流路４８ａにより接続される。燃料電池スタック１６の酸化剤排ガス出口と排ガス燃焼器２２とは、酸化剤排ガス流路４８ｂにより接続される。排ガス燃焼器２２により生成される燃焼排ガスは、排ガス流路５０を介して改質器１８に供給される。排ガス燃焼器２２により生成される燃焼排ガスの一部は、燃料予昇温部３３に供給される。
【００３５】
排ガス流路５０には、燃焼排ガスの流れ方向下流に沿って、改質器１８、起動用燃焼器２４、空気予熱器２０、排気触媒昇温器３０、排気触媒３２及び蒸発器２６の順に配置される。
【００３６】
このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、第１の実施形態に係る運転方法との関連で、図３に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００３７】
燃料電池モジュール１０の起動時には、空気予熱器２０に空気の供給が開始される（ステップＳ１）。その後、起動用燃焼器２４の第２グロープラグ３６ｂがオンされるとともに、排気触媒昇温器（ヒータ）３０がオンされる（ステップＳ２）。
【００３８】
ステップＳ３では、起動用燃焼器２４に供給される空気流量が、着火の混合比（空気／原燃料）に応じて変更される。そして、ステップＳ４に進んで、起動用燃焼器２４には、空気とともに、原燃料が供給される。具体的には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料は、原燃料供給流路４６から切替弁４４の切り替え作用下に、第１燃料供給流路４２ａに供給される。
【００３９】
このため、図２に示すように、起動用燃焼器２４には、空気と原燃料とが供給されるとともに、前記原燃料と前記空気との混合ガスは、第２グロープラグ３６ｂの作用下に着火される。従って、起動用燃焼器２４での燃焼が開始され、燃焼ガスが生成される。
【００４０】
燃焼ガスは、排ガス流路５０に沿って、空気予熱器２０、排気触媒昇温器３０、排気触媒３２及び蒸発器２６の順に供給され、これらの機器の昇温が開始される。さらに、起動用燃焼器２４での燃焼が行われるため、ステップＳ５に進んで、第２グロープラグ３６ｂがオフされる。
【００４１】
次いで、排気触媒３２から排出される排気の温度が、例えば、３００℃を超えると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、排気触媒昇温器３０がオフされる。
【００４２】
空気予熱器２０では、起動用燃焼器２４から供給される燃焼ガスを熱源とし、空気供給流路４０を介して供給される空気が加熱昇温される。昇温された空気は、燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路に供給され、前記燃料電池スタック１６を昇温させる。燃料電池スタック１６の酸化剤ガス系流路を通過した空気は、酸化剤排ガス流路４８ｂを通って排ガス燃焼器２２に送られ、さらに排ガス流路５０を通って改質器１８に供給される。これにより、改質器１８は、排ガス流路５０から供給される空気により昇温される。
【００４３】
このため、改質器１８が昇温され、前記改質器１８の入口温度は、改質器温度センサ３８ｂにより検出される（ステップＳ８）。改質器温度センサ３８ｂにより検出された温度が、改質器１８により水蒸気改質が可能な改質可能温度、例えば、１２０℃未満である際（ステップＳ８中、ＮＯ）、第１燃料供給流路４２ａのみに原燃料が供給されている（図２参照）。
【００４４】
一方、改質器温度センサ３８ｂにより検出された温度が、１２０℃以上であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、第２グロープラグ３６ｂがオンされる。さらに、ステップＳ１０に進んで、切替弁４４が切り替え操作され、原燃料供給流路４６が第２燃料供給流路４２ｂに連通する（図４参照）。従って、原燃料供給流路４６から第２燃料供給流路４２ｂのみに原燃料が供給される（ステップＳ１１）。
【００４５】
図４に示すように、蒸発器２６には、水が供給されており、第２燃料供給流路４２ｂを流通する原燃料は、前記蒸発器２６で水蒸気と混合された状態で、燃料予昇温部３３から改質器１８に供給される。これにより、改質器１８では、原燃料が水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。改質ガスは、燃料電池スタック１６の燃料ガス系流路に供給される。
【００４６】
燃料電池スタック１６の酸化剤排ガス出口から酸化剤排ガス流路４８ｂを介して排ガス燃焼器２２に比較的高温の空気が供給される。一方、燃料電池スタック１６の燃料排ガス出口から燃料排ガス流路４８ａを介して排ガス燃焼器２２に比較的高温の燃料ガスが供給される。
【００４７】
高温の空気及び高温の燃料ガスは、排ガス流路５０を介して改質器１８から起動用燃焼器２４に供給され、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、排ガス流路５０に沿って、空気予熱器２０、排気触媒昇温器３０、排気触媒３２及び蒸発器２６の順に供給され、これらの機器が昇温される。
【００４８】
燃料電池スタック１６は、昇温されており、この燃料電池スタック１６の温度は、スタック温度センサ３８ａにより検出されている。スタック温度センサ３８ａにより検出された温度が、燃料電池スタック１６により発電可能な温度である発電可能温度Ｔを超えていると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、第２グロープラグ３６ｂがオフされる。次いで、ステップＳ１４に進んで、排ガス燃焼器２２の第１グロープラグ３６ａがオンされる。
【００４９】
このため、図５に示すように、燃料電池スタック１６の運転が開始される。燃料電池スタック１６を構成する各燃料電池３４では、酸素と空気との化学反応により発電が行われる。発電反応により燃料電池スタック１６から排出される燃料ガスである燃料排ガスは、燃料排ガス流路４８ａに導出される。同様に、発電反応により燃料電池スタック１６から排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路４８ｂに導出される。
【００５０】
燃料排ガス及び酸化剤排ガスは、排ガス燃焼器２２に導入される。従って、排ガス燃焼器２２では、燃料排ガスと酸化剤排ガスとが混合されて燃焼され、燃焼排ガスが発生する。この燃焼排ガスは、排ガス流路５０に沿って、改質器１８、起動用燃焼器２４、空気予熱器２０、排気触媒昇温器３０、排気触媒３２及び蒸発器２６の順に供給され、これらの機器が昇温される。なお、排ガス燃焼器２２の第１グロープラグ３６ａは、必要に応じてオンされればよく、燃料排ガスと酸化剤排ガスとが自然着火する際には、不要になる。
【００５１】
この場合、第１の実施形態では、コントローラ２８は、改質器温度センサ３８ｂの検出温度が、改質器１８の改質可能温度（例えば、１２０℃）未満である際、第１燃料供給流路４２ａのみに原燃料を供給している。一方、改質器温度センサ３８ｂの検出温度が、改質可能温度以上である際、第２燃料供給流路４２ｂのみに原燃料を供給している。
【００５２】
このため、改質器１８の温度が低下している際には、第１燃料供給流路４２ａから原燃料が供給される起動用燃焼器２４が駆動される一方、排ガス燃焼器２２がオフされている。従って、図２に示すように、起動用燃焼器２４の燃焼により、排ガス流路５０に沿って順次配置されている空気予熱器２０、排気触媒昇温器３０、排気触媒３２及び蒸発器２６の昇温を行うことができる。
【００５３】
一方、改質器１８が改質可能温度以上に昇温された際には、切替弁４４が操作されて第２燃料供給流路４２ｂに原燃料が供給されている。これにより、図４に示すように、改質器１８に水蒸気とともに原燃料が供給され、水蒸気改質が開始されている。その際、蒸発器２６で水の蒸発不足が発生しても、改質器１８が昇温されているため、前記改質器１８により安定した水蒸気改質が確実に遂行され、安定的な発電及び起動が行われる。このため、燃料電池モジュール１０の起動時間の短縮を図ることができ、周辺部品が過剰昇温されることを抑制するとともに、所望の改質処理が良好に遂行可能になる。
【００５４】
さらに、改質器１８は、排ガス燃焼器２２に隣接して又は前記排ガス燃焼器２２を囲繞して配置されている。従って、改質器１８は、排ガス燃焼器２２の燃焼熱により効率的且つ確実に昇温することができ、熱自立が可能になる。なお、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池３４の動作温度を維持することをいう。
【００５５】
次いで、本発明の第２の実施形態に係る運転方法について、図６に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。なお、第１の実施形態と同様の工程については、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
第２の実施形態では、燃料電池モジュール１０の起動時に、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０７が、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ７と同様に行われる。そして、ステップＳ１０８において、改質器温度センサ３８ｂにより検出された温度が、改質可能温度（例えば、１２０℃）以上であると判断されると（ステップＳ１０８中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０９に進む。
【００５７】
ステップＳ１０９では、スタック温度センサ３８ａの検出温度が、燃料電池スタック１６の発電可能温度Ｔを下回る所定の設定温度Ｔ１（Ｔ１＜Ｔ）と比較される。スタック温度センサ３８ａの検出温度が、設定温度Ｔ１以下の温度であると判断されると（ステップＳ１０９中、ＮＯ）、第１燃料供給流路４２ａのみに原燃料の供給が継続される。
【００５８】
一方、スタック温度センサ３８ａの検出温度が、設定温度Ｔ１を上回ると判断されると（ステップＳ１０９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１０以降に進む。このため、切替弁４４の切り替え作用下に、原燃料は、第１燃料供給流路４２ａから第２燃料供給流路４２ｂに流路を切り替えて供給を開始する。その後、ステップＳ１１０〜ステップＳ１１５は、第１の実施形態のステップＳ９〜ステップＳ１４と同様に工程が遂行される。
【００５９】
この場合、第２の実施形態では、コントローラ２８は、改質器温度センサ３８ｂの検出温度が、改質器１８の改質可能温度（例えば、１２０℃）未満である際、第１燃料供給流路４２ａのみに原燃料を供給している。一方、改質器温度センサ３８ｂの検出温度が、改質可能温度以上であり、且つ、スタック温度センサ３８ａの検出温度が、設定温度Ｔ１を上回る際、第２燃料供給流路４２ｂのみに原燃料を供給している。
【００６０】
これにより、燃料電池スタック１６が高温になっているにも関わらず、前記燃料電池スタック１６に酸化剤ガスのみが供給されることがない。このため、燃料電池スタック１６が酸化することを、改質器１８から供給される燃料ガス（還元ガス）により確実に阻止することが可能になる。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃料電池モジュール            １２…燃料電池ユニット
１４…筐体                          １６…燃料電池スタック
１８…改質器                        ２０…空気予熱器
２２…排ガス燃焼器                  ２４…起動用燃焼器
２６…蒸発器                        ２８…コントローラ
３０…排気触媒昇温器                ３２…排気触媒
３３…燃料予昇温部                  ３４…燃料電池
３６ａ、３６ｂ…グロープラグ        ３８ａ…スタック温度センサ
３８ｂ…改質器温度センサ            ４０…空気供給流路
４２ａ、４２ｂ…燃料供給流路        ４４…切替弁
４６…原燃料供給流路                ５０…排ガス流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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