(57)【要約】【課題】水素の貯蔵や補給を必要とせずに、アノードを保護することのできる高温型燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、改質器から得られる改質ガスを用いて発電する高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの運転方法であって、改質器が炭化水素系燃料から改質ガスを製造できない際に、水の電気分解によって発生させた水素を該高温型燃料電池のアノードに供給することにより、アノードを還元ガス雰囲気にする工程を有する高温型燃料電池システムの運転方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、該改質器から得られる改質ガスを用いて発電する高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの運転方法であって、
該改質器が炭化水素系燃料から改質ガスを製造できない際に、水の電気分解によって発生させた水素を該高温型燃料電池のアノードに供給することにより、該アノードを還元ガス雰囲気にする工程を有する
高温型燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
該改質器が、炭化水素系燃料から改質ガスを製造可能な温度より低温である際に、前記工程を行う請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記水の電気分解によって発生させた水素を、前記改質器を経由して前記アノードに供給する請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記アノードに供給した水素をアノードから排出し、排出された水素を燃焼させて得た熱エネルギーによって前記高温型燃料電池および改質器の少なくとも一方を加熱する請求項１から３のいずれか一項記載の方法。
【請求項５】
前記高温型燃料電池が、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池である請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、灯油等の炭化水素系燃料を改質する改質器と、改質器から得られる改質ガスを用いて発電を行う高温型燃料電池を有する高温型燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ。以下場合によりＳＯＦＣという。）には、通常、改質器において灯油や都市ガスなどの炭化水素系燃料（改質原料）を改質して発生させた水素含有ガス（改質ガス）が供給される。ＳＯＦＣにおいて、この改質ガスと空気を電気化学的に反応させて発電を行う。
【０００３】
ＳＯＦＣは通常５５０℃から１０００℃程度の高温で作動させる。また、改質器は例えば４００℃から１０００℃程度で作動させる。このため、ＳＯＦＣシステムでは、これら機器を起動時に所定の温度まで昇温し、停止時に所定の温度から降温する。
【０００４】
特許文献１には、水電気分解槽で発生させた水素を改質器に供給し、改質触媒の劣化を防ぐことが記載される。
【０００５】
特許文献２には、通常のスタックとは別に起動用のスタックを有するＳＯＦＣシステムが記載され、起動用セルに供給する水素を水の電気分解により発生させることが記載される。
【特許文献１】特開２００６−８４１８号公報
【特許文献２】特開２００６−２７８０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
炭化水素系燃料を改質して用いるＳＯＦＣシステムの起動時には、改質器の温度が炭化水素系燃料を改質可能な温度に到達し、改質器で改質ガスを製造できるようになるまでの間、ＳＯＦＣのアノードの酸化を防止するために、水素をアノードに供給することが行われる。改質ガスが製造できるようになったら、改質ガスをアノードに供給すればよい。なお、ＳＯＦＣシステムの停止時にも、改質器で改質ガスが得られなくなった後に、水素をアノードに供給する。
【０００７】
上記のようにＳＯＦＣのアノードを保護するための水素に、ボンベに貯蔵した水素を利用することができる。しかしこの場合、水素の貯蔵設備と水素の補給が必要になり、システム全体が大きくなったり、水素ボンベの調達に手間がかかり、これらはコストアップの要因となる。
【０００８】
上記のように、起動時や停止時など、改質器が改質ガスを製造できない際に、水素を用いてアノードを還元雰囲気にすることによってアノードを保護することは、ＳＯＦＣや溶融炭酸塩形燃料電池（以下場合により、ＭＣＦＣと称す。）などの高温型燃料電池において行われている。
【０００９】
本発明の目的は、水素の貯蔵や補給を必要とせずに、アノードを保護することのできる高温型燃料電池システムの運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明により、炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、該改質器から得られる改質ガスを用いて発電する高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの運転方法であって、
該改質器が炭化水素系燃料から改質ガスを製造できない際に、水の電気分解によって発生させた水素を該高温型燃料電池のアノードに供給することにより、該アノードを還元ガス雰囲気にする工程を有する
高温型燃料電池システムの運転方法が提供される。
【００１１】
該改質器が、炭化水素系燃料から改質ガスを製造可能な温度より低温である際に、前記工程を行うことができる。
【００１２】
前記水の電気分解によって発生させた水素を、前記改質器を経由して前記アノードに供給することができる。
【００１３】
前記アノードに供給した水素をアノードから排出し、排出された水素を燃焼させて得た熱エネルギーによって前記高温型燃料電池および改質器の少なくとも一方を加熱することができる。
【００１４】
前記高温型燃料電池が、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池であることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、水素の貯蔵や補給を必要とせずに、アノードを保護することのできる高温型燃料電池システムの運転方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、この改質器から得られる改質ガスを用いて発電する高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの運転方法に関する。
【００１７】
本発明の方法は、改質器が炭化水素系燃料から改質ガスを製造できない際に、水の電気分解によって発生させた水素を高温型燃料電池のアノードに供給することにより、アノードを還元ガス雰囲気にする工程を有する。
【００１８】
改質器が炭化水素燃料から改質ガスを製造できない場合として、改質器が、炭化水素系燃料から改質ガスを製造可能な温度より低温である場合を挙げることができる。システムの起動時や停止時などにおいて、改質器、特には改質触媒層が改質可能温度より低く、アノードの酸化を防止する必要がある場合に、水の電気分解で得た水素によってアノードを還元雰囲気にすることができる。改質ガスを製造可能な温度は、使用する改質触媒や改質原料等に依存するが、予備試験を行うことによって知ることができる。
【００１９】
また、改質器が炭化水素燃料から改質ガスを製造できない場合として、何らかの異常によって改質ガスが製造不能になった場合も挙げることができる。例えば、通常運転（定格運転や部分負荷運転）を行っていた際、異常によって改質ガスが製造不能になった場合に、水の電気分解で得た水素によってアノードを還元雰囲気にし、アノードを保護しつつ、停止操作に移ることができる。
【００２０】
改質ガスを製造できない異常の例として、改質器の温度の低下を挙げることができる。このような異常に対応するために、改質器に設置された温度計により温度を測定し、例えば改質器温度が改質可能な温度を下回った場合、温度異常と検知することができる。また、改質ガスをアノードに供給するライン上において何らかの詰まりが生じ、改質ガスを供給できないことを挙げることができる。このような異常に対応するために、圧力計を設置することで、圧力異常を検知することができる。
【００２１】
水の電気分解によって発生させた水素を、改質器を経由してアノードに供給することができる。より具体的には、前記水素を改質触媒層に通し、その後にアノードに供給することができる。これにより、アノードに加えて改質器に収容される改質触媒をも還元雰囲気にすることができ、改質触媒の酸化劣化を防止する必要がある場合に有用である。
【００２２】
アノードに供給した水素をアノードから排出し、排出された水素を燃焼させて得た熱エネルギーによって高温型燃料電池および改質器の少なくとも一方を加熱することができる。これにより、可燃物処理ができると同時に熱の有効利用を図ることができる。
【００２３】
高温型燃料電池として、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池を用いることができる。
【００２４】
以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００２５】
図１は、本発明の運転方法を実施することのできるＳＯＦＣシステム、特には間接内部改質型ＳＯＦＣシステムの概略フロー図である。このシステムは、改質器３、ＳＯＦＣ４、および改質器とＳＯＦＣとを収容する容器であるモジュール容器１０を有する間接内部改質型ＳＯＦＣを備えている。図中、ＳＯＦＣに付したＡおよびＣはそれぞれアノードおよびカソードを意味する。
【００２６】
間接内部改質型ＳＯＦＣでは、改質器３は、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から改質ガスを製造する。改質はオーバーオールで吸熱反応になっている。改質器はＳＯＦＣから熱輻射を受ける位置に配されており、改質に必要な熱を供給するために、ＳＯＦＣからの輻射熱によって改質器を加熱することができる。図１に示したシステムでは改質器で水蒸気改質を行う。ただし、水蒸気改質に限られるものではなく、部分酸化改質、あるいは、オートサーマル改質によっても改質反応を行うことは可能である。
【００２７】
改質器３で製造された改質ガスがＳＯＦＣ４のアノードに供給される。ＳＯＦＣのカソードには酸素含有ガスとして空気が供給される。ＳＯＦＣにおいて、アノードガスに含まれる水素とカソードガスに含まれる酸素とが、電気化学反応を起こし、発電が行われる。
【００２８】
この間接内部改質型ＳＯＦＣは、燃焼室５を備えている。モジュール容器の内部に、別途の容器を設け、その内部が燃焼室とされている。燃焼室にはＳＯＦＣのアノードから排出されるアノードオフガスと、カソードから排出されるカソードオフガスとが供給される。アノードオフガスに含まれる可燃分がカソードオフガスに含まれる酸素によって燃焼される。ただし、別途の容器を設けずに、容器モジュール容器内の少なくとも一部の領域において、この燃焼を行うこともできる。
【００２９】
燃焼室５で発生した燃焼ガスは、熱交換によって改質器３を加熱する。ここで、燃焼ガスの有する熱によって、さらにＳＯＦＣへ供給するガスを加熱することや、この熱を熱利用機器で使用することも可能である。
【００３０】
水タンク１から水が、灯油タンク２から灯油が適宜気化されたうえで改質器３、特にはその内部に収容される改質触媒層に供給される。
【００３１】
このシステムは、水電解水素製造装置２１をさらに有する。水電解水素製造装置は、水を電気分解して水素を製造することができる装置から適宜選んで用いることができる。
【００３２】
水の電気分解により、水素とともに酸素も発生するが、この酸素はＳＯＦＣのカソードに流してもよく、あるいは系外に排出してもよい。
【００３３】
水の電気分解に必要な電力として、二次電池に蓄えた電力を用いることができる。二次電池は、燃料電池発電時に、燃料電池で発電した電力を蓄えることができる。また、電気分解に必要な電力を、太陽電池や風力発電などの自然エネルギー利用発電装置から供給することもできる。あるいは、系統電力を用いて電気分解を行ってもよい。
【００３４】
このシステムは、改質器を加熱する加熱器２２を有する。ここでは加熱器２２は電気ヒータとし、電気ヒータによって加熱した空気を用いて改質器を加熱する。
【００３５】
本発明は、外部改質型のＳＯＦＣシステム、内部改質型もしくは外部改質型のＭＣＦＣシステムなど、間接内部改質型ＳＯＦＣシステム以外の高温型燃料電池システムにも適用できる。
【００３６】
また、ここにはいわゆる常圧型のＳＯＦＣシステムを示しているが、運転圧力は任意であり、本発明は加圧型の燃料電池システムにも適用できる。
【００３７】
水電解水素製造装置２１を使用する状況について、図１に示したシステムにおいて説明する。
【００３８】
１）システムの起動時
ここでシステムの起動とは、システムの温度が常温の状態から、改質器により改質ガスを製造できる状態になり、ＳＯＦＣにより発電を開始するまでである。起動時には、改質器、特には改質触媒およびＳＯＦＣはそれぞれ改質原料の改質が可能となる温度および発電が可能となる温度まで昇温する必要がある。
【００３９】
システムの昇温過程において、ＳＯＦＣおよび改質器が加熱される。ＳＯＦＣの昇温の際、アノードを還元雰囲気に保たないと酸化され、アノードを劣化させてしまうことがある。また、改質器の昇温の際、改質触媒を還元雰囲気にすることが改質触媒の性能を最大限発揮させるためには好ましい。
【００４０】
システムの起動時、特には改質器において改質ガスを製造できるようになるまでの間、水電解水素製造装置により水素ガスを製造し、システムに供給することにより、ＳＯＦＣアノードおよび改質触媒の酸化を防止し、ひいては性能劣化を防止することができる。
【００４１】
具体的な方法としては、水タンク１より水電解水素製造装置２１に水を供給し、水素ガスを製造する。水素ガスを改質器３に供給し、改質器の改質触媒層を経由してＳＯＦＣ４のアノードに供給する。これによって改質触媒およびアノードが還元雰囲気に保たれ、改質触媒とアノードの酸化が防止される。また、水電解水素製造装置により製造した水素ガスを改質触媒層に供給する必要がない場合には、水素を直接ＳＯＦＣアノードに供給することもできる。
【００４２】
酸化を防止するという目的において、水電解水素製造装置から改質器およびアノードに供給する水素の量は、改質触媒層およびアノードにおいて還元雰囲気が保たれる程度でよい。また、改質触媒層およびアノードの酸化防止に加えて、水素を燃焼させてＳＯＦＣシステムを加熱するという目的がある場合、水電解水素製造装置により製造する水素ガスの量を適宜増やすことができる。
【００４３】
加熱器２２により改質器３は加熱される。また、ＳＯＦＣ４のアノードを通過した水素ガスは、燃焼室５でＳＯＦＣ４のカソードを通過してきた空気と混合されて燃焼される。その燃焼熱を利用することにより改質器を加熱することもできる。ここまでで、図２に示した状態になる。図２中、プロセスのラインを示す線を太線にした個所は、そのラインに流体が流れていることを示す。また、水電解水素製造装置に供給する直流電力用の配線を示す線を太線にしてある場合、直流電力が供給されていることを示す。（図３〜６においても同じ）。ただし、図２、４および５において、水電解水素製造装置２１から改質器３を経由して水素をＳＯＦＣアノードに供給するラインと、水電解水素製造装置２１から改質器３を経由せずに水素をＳＯＦＣアノードに供給するラインとの両方を太線にしてあるが、これらのラインは両方使用する必要はなく、一方のみ使用すればよい。
【００４４】
改質器、特には改質触媒の温度が改質原料である灯油を改質できる温度になったら、灯油タンク２より灯油を、水タンク１より水を改質器に供給し、改質ガスを製造する。この改質ガスはＳＯＦＣアノードに供給される。
【００４５】
アノードを改質ガスにより還元雰囲気にすることができる状態になったら、水電解水素製造装置による水素ガスの製造を停止する。また、改質器を加熱器で加熱する必要がなくなったら加熱器を停止することができる。ＳＯＦＣが発電可能な所定の温度になったら発電を開始する。ここまでで、図３に示した状態になり、起動が完了する。
【００４６】
システムの起動時には、上記のように水電解水素製造装置を利用することにより、改質触媒およびＳＯＦＣアノードの酸化劣化を防止して、システムを起動することができる。
【００４７】
２）システムの停止時
ここでシステムの停止時とは、ＳＯＦＣで発電を行っている状態から、ＳＯＦＣの発電と改質器による改質ガスの製造を停止し、システムの温度が常温の状態になるまでである。停止時にはＳＯＦＣの発電を停止し、改質器において製造する改質ガスの量を減らすことで、ＳＯＦＣの発熱が停止し、ＳＯＦＣおよび改質器への熱供給を減少させる。これによりシステムを降温する。
【００４８】
システムの降温過程において、改質器の温度が低下し、改質原料を改質できない温度になると改質ガスをアノードに供給できなくなる。ＳＯＦＣが高温の際、アノードを還元雰囲気に保たないと酸化され、アノードを劣化させてしまう可能性がある。また、改質器の降温の際、改質触媒を還元雰囲気にすることが改質触媒の性能を最大限に発揮させるためには好ましい。
【００４９】
システムの停止時、特には改質器において改質ガスを製造できなくなる前より、水電解水素製造装置により水素ガスを製造し、システムに供給することにより、ＳＯＦＣアノードおよび改質触媒の酸化を防止し、ひいては性能劣化を防止することができる。
【００５０】
具体的な方法としては、ＳＯＦＣによる発電を停止し、改質器で製造する改質ガスの量を減らし、ＳＯＦＣに供給する改質ガスの量を減らすことにより、システムの降温過程に入る。改質器の温度が低下し、改質器において改質ガスを製造できなくなる前に、水タンク１より水電解水素製造装置２１に水を供給し、水素ガスを製造する。水素ガスを改質器３に供給し、改質器の改質触媒層を経由してＳＯＦＣ４のアノードに供給する。これによって改質触媒およびアノードが還元雰囲気に保たれ、改質触媒とアノードの酸化が防止される。また、水電解水素製造装置により製造した水素ガスを改質触媒層に供給する必要がない場合には、水素を直接ＳＯＦＣアノードに供給することもできる。ただし、水電解水素製造装置による改質触媒およびＳＯＦＣへの水素ガスの供給はＳＯＦＣの発電を停止する前より行ってもよく、ＳＯＦＣアノードへの改質ガスの供給が停止する以前の任意の時点に水素ガスの供給を開始することができる。ここまでで、図４に示した状態になる。
【００５１】
酸化を防止するという目的において、水電解水素製造装置から改質器およびアノードに供給する水素の量は、改質触媒層およびアノードにおいて還元雰囲気が保たれる程度でよい。
【００５２】
アノードを水電解水素製造装置により製造される水素ガスにより還元雰囲気にすることができる状態になったら、改質器による改質ガスの製造を停止する。ここまでで、図５に示した状態になる。
【００５３】
ＳＯＦＣ４のアノードを通過した水素ガスは、可燃物処理のため、燃焼室５でＳＯＦＣ４のカソードを通過してきた空気と混合されて燃焼されるが、供給する水素ガスは改質触媒層およびアノードの酸化を防止できる最小限の量とすることで、自然放熱などによりシステムを降温させることができる。
【００５４】
ＳＯＦＣアノードおよび改質触媒が酸化劣化しない温度まで降温したら、水電解水素製造装置による水素ガスの供給を停止し、水タンクから水電解水素製造装置への水供給を停止する。システムの運転を停止する。
【００５５】
システムの停止時には、上記のように水電解水素製造装置を利用することにより、改質触媒およびＳＯＦＣアノードの酸化劣化を防止して、システムを停止することができる。
【００５６】
３）異常による改質ガス供給不可能時
ここで異常による改質ガス供給不可能時とは、何らかの異常によって改質器が改質原料から改質ガスを製造できない、あるいは製造できてもＳＯＦＣのアノードに供給できない状態である。
【００５７】
改質ガスを製造できない異常の例としては、改質器の温度の低下により改質反応が行えない場合や改質器への改質原料の供給が停止した場合が挙げられる。また、改質ガスを供給できない異常の例としては、改質ガスをアノードに供給するライン上において何らかの詰まりが生じた場合が挙げられる。
【００５８】
例えば通常運転（定格運転や部分負荷運転）を行っていた際、異常により改質ガスのアノードへの供給が不可能になると、ＳＯＦＣ４のアノードが還元雰囲気に保たれず、酸化され、アノードを劣化させてしまう可能性がある。
【００５９】
異常による改質ガス供給不可能時、水電解水素製造装置により水素ガスを製造し、ＳＯＦＣアノードに供給することにより、アノードの酸化を防止し、ひいては性能劣化を防止することができる。
【００６０】
具体的な方法としては、水タンク１より水電解水素製造装置２１に水を供給し、水素ガスを製造する。水素ガスの供給の経路として、改質器を経由してＳＯＦＣアノードに供給することができない場合には、直接ＳＯＦＣアノードに供給する。これによって、アノードが還元雰囲気に保たれ、アノードの酸化が防止される。この状態を図６に示す。
【００６１】
また、水素ガスの供給の経路として改質器の改質触媒層を経由してＳＯＦＣアノードに供給することができる場合には、必要に応じて水素ガスは改質器を経由してアノードに供給することができる。これによって、改質触媒とアノードの酸化が防止される。
【００６２】
酸化を防止するという目的において、水電解水素製造装置から改質器およびアノードに供給する水素の量は、改質触媒層およびアノードにおいて還元雰囲気が保たれる程度でよい。
【００６３】
ＳＯＦＣ４のアノードを通過した水素ガスは、可燃物処理のため、燃焼室５でＳＯＦＣ４のカソードを通過してきた空気と混合されて燃焼されるが、供給する水素ガスは改質触媒層およびアノード、少なくともアノードの酸化を防止できる最小限の量とすることで、自然放熱などによりシステムを降温させることができる。
【００６４】
ＳＯＦＣアノードおよび改質触媒が酸化劣化しない温度まで降温したら、水電解水素製造装置による水素ガスの供給を停止し、水タンクから水電解水素製造装置への水供給を停止する。システムの運転を停止する。
【００６５】
異常による改質ガス供給不可能時には、上記のように水電解水素製造装置を利用することにより、改質触媒およびＳＯＦＣアノード、あるいは少なくともＳＯＦＣアノードの酸化劣化を防止して、システムを停止することができる。
【００６６】
〔高温型燃料電池〕
本発明は、アノードの酸化劣化防止が必要な高温型燃料電池を備えるシステムに適用することができる。アノードに金属電極が用いられる場合、例えば２００℃程度でアノードの酸化劣化が起きることがある。このような燃料電池としては、ＳＯＦＣやＭＣＦＣがある。
【００６７】
ＳＯＦＣとしては、平板型や円筒型などの各種形状の公知のＳＯＦＣから適宜選んで採用できる。ＳＯＦＣでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。
【００６８】
ＭＣＦＣについても、公知のＭＣＦＣから適宜選んで採用できる。
【００６９】
ＳＯＦＣやＭＣＦＣは単セルであってもよいが、実用上は複数の単セルを配列させたスタック（円筒型の場合はバンドルと呼ばれることもあるが、本明細書でいうスタックはバンドルも含む）が好ましく用いられる。この場合、スタックは１つでも複数でもよい。
【００７０】
〔改質器〕
改質器は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。改質器においては、水蒸気改質、部分酸化改質、および、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングのいずれを行ってもよい。
【００７１】
改質器は、水蒸気改質能を有する水蒸気改質触媒、部分酸化改質能を有する部分酸化改質触媒、部分酸化改質能と水蒸気改質能とを併せ持つオートサーマル改質触媒を適宜用いることができる。
【００７２】
炭化水素系燃料（必要に応じて予め気化される）および水蒸気、さらに必要に応じて空気等の酸素含有ガスをそれぞれ単独で、もしくは適宜混合した上で改質器（改質触媒層）に供給することができる。また、改質ガスはＳＯＦＣのアノードに供給される。
【００７３】
高温型燃料電池のなかでも、間接内部改質型ＳＯＦＣはシステムの熱効率を高めることができる点で優れている。間接内部改質型ＳＯＦＣは、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する改質器と、ＳＯＦＣとを有する。この改質器では、水蒸気改質反応を行うことができ、また、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングを行ってもよい。ＳＯＦＣの発電効率の観点からは部分酸化反応は起きない方が好ましい。オートサーマルリフォーミングにおいても、水蒸気改質が支配的になるようにされ、従って改質反応はオーバーオールで吸熱になる。そして、改質反応に必要な熱がＳＯＦＣから供給される。改質器とＳＯＦＣが一つのモジュール容器に収容されモジュール化される。改質器はＳＯＦＣから熱輻射を受ける位置に配される。こうすることによって、発電時にＳＯＦＣからの熱輻射によって改質器が加熱される。また、ＳＯＦＣから排出されるアノードオフガスをセル出口で燃焼させることにより、ＳＯＦＣを加熱することもできる。
【００７４】
間接内部改質型ＳＯＦＣにおいて、改質器は、ＳＯＦＣから改質器の外表面へと直接輻射伝熱可能な位置に配することが好ましい。従って改質器とＳＯＦＣとの間には実質的に遮蔽物は配置しないこと、つまり改質器とＳＯＦＣとの間は空隙にすることが好ましい。また、改質器とＳＯＦＣとの距離は極力短くすることが好ましい。
【００７５】
各供給ガスは必要に応じて適宜予熱されたうえで改質器もしくはＳＯＦＣに供給される。
【００７６】
モジュール容器としては、ＳＯＦＣと改質器とを収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。容器には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。
【００７７】
セル出口がモジュール容器内で開口している場合は特に、モジュール容器の内部と外界（大気）とが連通しないように、モジュール容器が気密性を持つことが好ましい。
【００７８】
〔水電解水素製造装置〕
水電解水素製造装置は、還元性である改質ガスを改質器によって製造できない際に、水の電気分解により水素ガスを製造し、ＳＯＦＣのアノードを酸化から保護するためにアノードに流すために用いられる。また、必要に応じて改質触媒を酸化から保護するために改質触媒層に流すために用いられる。例えば、システム起動時に改質器が炭化水素原料を改質可能な温度に到達するまでの間、およびシステム停止時に改質器が炭化水素原料を改質可能な温度より低温になった際に用いられる。
【００７９】
水電解水素製造装置では、アノード（必要であれば改質触媒も）の保護に足る最小限の水素ガスを製造できればよい。また、改質器、あるいはＳＯＦＣの加熱に水素の燃焼熱を用いる場合は、必要分をさらに製造、供給すればよい。製造量はＳＯＦＣモジュールの種類、システムの構造や規模により異なるため一概には決められないが、予備試験により知ることができる。
【００８０】
〔加熱器〕
加熱器は、高温型燃料電池システム内の機器を加熱するために用いられる。加熱器の種類としては、電気加熱器、バーナ、あるいは触媒燃焼器（燃焼触媒）などから適宜選択することができる。電気加熱器は、機器に設置して直接加熱してもよいし、流体を加熱して加熱流体により機器を加熱してもよい。バーナや触媒燃焼器は、可燃物を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスによって機器を加熱するために用いられる。バーナあるいは触媒燃焼器に替えて、可燃物を燃焼させることのできる公知の燃焼手段を用いることができる。
【００８１】
バーナ等の燃焼手段で燃焼させる可燃物としては、使用する燃焼手段で燃焼可能な可燃物から適宜選んで用いることができる。取り扱いの容易性の観点から、気体または液体の可燃物を用いることが好ましい。特に灯油等の液体可燃物は、取り扱いおよび貯蔵が容易であるため好ましい。気体状の可燃物を用いる場合は、都市ガスなど外部から連続して供給され、貯蔵設備を必要としないものを用いることが好ましい。
【００８２】
バーナ等の燃焼手段で燃焼させる可燃物として、改質器において改質の原料として用いる炭化水素系燃料と同種のものを用いると、供給源を共有できるので好ましい。図１に示したシステムでは改質原料に灯油を用いており、加熱器としてバーナを用いて、バーナの燃料としても灯油を用いることができる。
【００８３】
〔炭化水素系燃料〕
改質器で改質する炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料として高温型燃料電池システムの分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む（酸素など他の元素を含んでもよい）化合物もしくはその混合物を適宜用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、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等である。
【００８４】
なかでも灯油、ＬＰＧ、都市ガスは入手容易である点で好ましい。また灯油は比較的高い温度で改質されるため、改質器（内部改質器）の起動に比較的長時間かかる。このため、炭化水素系燃料に灯油を用いる場合、水素貯蔵手段を使用しないで済む本発明の効果が特に顕著である。
【００８５】
〔改質触媒〕
改質器で用いる水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒、オートサーマル改質触媒のいずれも、それぞれ公知の触媒を用いることができる。部分酸化改質触媒の例としては白金系触媒、水蒸気改質触媒の例としてはルテニウム系およびニッケル系、オートサーマル改質触媒の例としてはロジウム系触媒を挙げることができる。
【００８６】
部分酸化改質反応が進行可能な温度は例えば２００℃以上、水蒸気改質反応が進行可能な温度は例えば４００℃以上である。
【００８７】
以下、水蒸気改質、オートサーマル改質、部分酸化改質のそれぞれにつき、改質器における定格運転の条件について説明する。
【００８８】
水蒸気改質では、灯油等の改質原料にスチームが添加される。水蒸気改質の反応温度は例えば４００℃〜１０００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは１〜１０、より好ましくは１．５〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は水素製造用原料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ-1、より好ましくは０．１〜１０ｈ-1、さらに好ましくは０．２〜５ｈ-1の範囲で設定される。
【００８９】
オートサーマル改質ではスチームの他に酸素含有ガスが改質原料に添加される。酸素含有ガスとしては純酸素でも良いが入手容易性から空気が好ましい。水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスし、かつ、改質触媒層やＳＯＦＣの温度を保持もしくはこれらを昇温できる発熱量が得られるように酸素含有ガスを添加することができる。酸素含有ガスの添加量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．００５〜１、より好ましくは０．０１〜０．７５、さらに好ましくは０．０２〜０．６とされる。オートサーマル改質反応の反応温度は例えば４００℃〜１０００℃、好ましくは４５０℃〜８５０℃、さらに好ましくは５００℃〜８００℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．０５〜２０、より好ましくは０．１〜１０、さらに好ましくは０．２〜５の範囲で選ばれる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム／カーボン比として好ましくは１〜１０、より好ましくは１．５〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。
【００９０】
部分酸化改質では酸素含有ガスが改質原料に添加される。酸素含有ガスとしては純酸素でも良いが入手容易性から空気が好ましい。反応を進めるための温度を確保するため、熱のロス等において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．１〜３、より好ましくは０．２〜０．７とされる。部分酸化反応の反応温度は、例えば４５０℃〜１０００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で設定することができる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．１〜３０の範囲で選ばれる。反応系においてすすの発生を抑制するためにスチームを導入することができ、その量は、スチーム／カーボン比として好ましくは０．１〜５、より好ましくは０．１〜３、さらに好ましくは１〜２とされる。
【００９１】
〔他の機器〕
上記機器の他にも、高温型燃料電池システムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、炭化水素系燃料を脱硫するための脱硫器、液体を気化させる気化器、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、炭化水素系燃料や可燃物の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。
【００９２】
以上説明したように、炭化水素系燃料を改質器で改質した改質ガスを用いて発電を行う高温型燃料電池システムにおいて、起動時や停止時など改質ガスが得られない際に、水を電気分解して得た水素を高温型燃料電池に供給することにより、他場所で精製した水素等を利用することなく、燃料電池のアノード、さらに必要であれば改質触媒を酸化から保護することが可能となる。
【００９３】
また、図１に示したように、改質器に供給する炭化水素系燃料として灯油を用い、さらにはバーナ等の燃焼手段の燃焼用の燃料として灯油を用いる場合、灯油は容易にタンクに貯蔵できる。そして、水を水タンクに貯蔵し、水電解水素製造装置に電力を供給するために二次電池を用いれば、外部からの燃料と水の供給ラインや電力供給がなくてもＳＯＦＣによる発電を行うことができ、非常用電源等として有用である。灯油に替えてＬＰＧを用いても同様である。この場合、ボンベにＬＰＧを貯蔵すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用される高温型燃料電池システムに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の運転方法を実施することのできる間接内部改質型ＳＯＦＣシステムの一例の概略を示すフロー図である。
【図２】本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。
【図３】本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。
【図４】本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。
【図５】本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。
【図６】本発明の運転方法の例を説明するための概略フロー図である。
【符号の説明】
【００９６】
１：水タンク
２：灯油タンク
３：改質器
４：ＳＯＦＣ
５：燃焼室
１０：モジュール容器
２１：水電解水素製造装置
２２：加熱器
【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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