(57)【要約】【課題】  水蒸気や改質ガス等に含まれる水分の凝縮による水溜まりの発生を防止することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】  発電用改質原料を改質して改質ガスを生成する発電用改質器２と、改質ガス供給管８を介して発電用改質器２と接続され、発電用改質器２で得られた改質ガスを用いて発電を行うＳＯＦＣスタック３と、ＳＯＦＣスタック３のアノード３ａの酸化劣化を防止するために、起動・停止用改質原料を改質して改質ガスを生成する起動・停止用改質器４とを備える燃料電池システム１において、改質ガス供給管８内に燃焼触媒１５Ａを充填し、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路に燃焼触媒１５Ｂを充填し、燃焼触媒１５Ａ，１５Ｂに燃料と触媒燃焼用空気を供給する。その際の触媒燃焼反応熱により、改質ガス供給管８を水の沸点以上アノード３ａの酸化劣化温度以下に保温する。【選択図】  図１
2008192425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器と改質ガス流路を介して接続され、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック内のガス流路、前記燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つを加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック内のガス流路及び前記下流ガス流路の少なくとも１つに設けられた燃焼触媒と、前記燃焼触媒に空気を供給する手段とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加熱手段は、前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック及び前記下流ガス流路の少なくとも１つの近傍に配置されたヒータまたはバーナであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック内のガス流路及び前記下流ガス流路の少なくとも１つは、重力加速度の方向に対して上向きに曲がるように形成された曲がり流路部を有し、
前記加熱手段は、前記曲がり流路部を含む領域を加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック内のガス流路及び前記下流ガス流路の少なくとも１つの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出信号に基づいて、前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック内のガス流路及び前記下流ガス流路の少なくとも１つの温度が水の沸点以上となるように、前記加熱手段を制御する制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを収容する容器と、
前記容器内の少なくとも底部を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
前記改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、
前記改質器に向けて前記原燃料を供給するための原燃料流路と、
前記水蒸気流路及び前記原燃料流路と接続され、前記原燃料及び前記水蒸気が混合された改質原料を前記改質器に導入するための改質原料流路と、
前記水蒸気流路、前記原燃料流路及び前記改質原料流路のうち少なくとも前記水蒸気流路または少なくとも前記改質原料流路を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と改質ガス流路を介して接続され、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池システムを起動させる際に、前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック内のガス流路、前記燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つを水の沸点以上の温度まで昇温し、その状態で前記改質ガスを前記燃料電池スタックに供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と改質ガス流路を介して接続され、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの運転方法において、
前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック内のガス流路、前記燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つに燃焼触媒を予め充填させておき、
前記燃料電池システムを起動させる際に、前記改質ガスを前記燃料電池スタックに供給すると共に前記燃焼触媒に空気を供給して、前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック内のガス流路及び前記下流ガス流路の少なくとも１つを水の沸点以上の温度に昇温保持することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器と改質ガス流路を介して接続され、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池システムを停止させる際に、前記改質ガス流路、前記燃料電池スタック内のガス流路、前記燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つを水の沸点以上の温度に保持するように降温し、その状態で前記燃料電池スタックへの前記改質ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容する容器とを備える燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池システムを起動させる際に、前記容器内の少なくとも底部を水の沸点以上の温度まで昇温し、その状態で前記改質ガスを前記燃料電池スタックに供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容する容器とを備える燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池システムを停止させる際に、前記容器内の少なくとも底部を水の沸点以上の温度に保持するように降温し、その状態で前記燃料電池スタックへの前記改質ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、前記改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、前記改質器に向けて前記原燃料を供給するための原燃料流路と、前記水蒸気流路及び前記原燃料流路と接続され、前記原燃料及び前記水蒸気が混合された改質原料を前記改質器に導入するための改質原料流路とを備える燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池システムを起動させる際に、前記水蒸気流路、前記原燃料流路及び前記改質原料流路のうち少なくとも前記水蒸気流路を水の沸点以上の温度まで昇温し、その状態で前記水蒸気及び前記原燃料を前記改質器に向けて順次供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、前記改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、前記改質器に向けて前記原燃料を供給するための原燃料流路と、前記水蒸気流路及び前記原燃料流路と接続され、前記原燃料及び前記水蒸気が混合された改質原料を前記改質器に導入するための改質原料流路とを備える燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池システムを停止させる際に、前記水蒸気流路、前記原燃料流路及び前記改質原料流路のうち少なくとも前記水蒸気流路を水の沸点以上の温度に保持し、その状態で前記原燃料及び前記水蒸気の供給を順次停止することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、前記改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、前記改質器に向けて前記原燃料を供給するための原燃料流路と、前記水蒸気流路及び前記原燃料流路と接続され、前記原燃料及び前記水蒸気が混合された改質原料を前記改質器に導入するための改質原料流路とを備える燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池システムを起動させる際に、前記水蒸気流路、前記原燃料流路及び前記改質原料流路のうち少なくとも前記改質原料流路を水及び前記原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度まで昇温し、その状態で前記水蒸気及び前記原燃料を前記改質器に向けて順次供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１６】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、前記改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、前記改質器に向けて前記原燃料を供給するための原燃料流路と、前記水蒸気流路及び前記原燃料流路と接続され、前記原燃料及び前記水蒸気が混合された改質原料を前記改質器に導入するための改質原料流路とを備える燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池システムを停止させる際に、前記水蒸気流路、前記原燃料流路及び前記改質原料流路のうち少なくとも前記改質原料流路を水及び前記原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度に保持し、その状態で前記原燃料及び前記水蒸気の供給を順次停止することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料及び空気を導入して発電を行う燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの一つとして固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムがある。一般に固体酸化物形燃料電池システムは、灯油や都市ガス等の炭化水素燃料（原燃料）を改質して水素含有ガス（改質ガス）を生成する改質器と、この改質器で得られた改質ガスと空気とを電気化学的に発電反応させる燃料電池スタックとを備えている。燃料電池スタックは、通常５５０〜１０００℃程度の高温下で作動される。そのようなＳＯＦＣシステムとしては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。
【特許文献１】特開２００２−３５８９９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、燃料電池システムを起動・停止させる際に、改質ガス流路や燃料電池スタック内の温度が低い状態で改質ガスを流通させると、改質ガス中に含まれる水分が凝縮する。また、例えば原燃料と水蒸気とが混合された改質原料を改質器に供給する場合、水蒸気流路や改質原料流路の温度が低い状態で水蒸気を流通させると、水蒸気が凝縮する。このため、改質ガス流路や水蒸気流路等に水溜まりが発生し、改質ガス等の脈流や流路閉塞が生じる可能性がある。また、燃料電池スタックを収容する容器内の温度が低い状態では、燃料電池スタックからのオフガス中に含まれる水分が凝縮し、容器内に水溜まりが生じることもあり、この場合には容器外に水が漏洩する可能性がある。さらに、燃料電池システムの起動時に容器内が昇温された際に、水溜まりの突沸による燃料電池スタック、配管及びポンプ等の機器の破損、容器内からのガス漏れや水漏れ等が生じる可能性もある。
【０００４】
本発明の目的は、水蒸気や改質ガス等に含まれる水分の凝縮による水溜まりの発生を防止することができる燃料電池システム及びそ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】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器と改質ガス流路を介して接続され、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路、燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つを加熱する加熱手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００６】
このような本発明の燃料電池システムを起動させる場合には、改質器で生成された改質ガスを燃料電池スタックに供給するときに、加熱手段によって改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つを例えば水の沸点以上の温度まで昇温する。この場合には、改質ガスまたは燃料電池スタックからの排ガス（オフガス）が通過するときに、これらのガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、当該水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【０００７】
また、本発明の燃料電池システムを停止させる場合には、改質ガス流路及び燃料電池スタックを所定温度まで降温させた後、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を停止するが、その改質ガスの供給を停止するまでは、加熱手段によって改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つを例えば水の沸点以上の温度に保持する。この場合にも、改質ガスまたは燃料電池スタックからのオフガスが通過するときに、これらのガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、当該水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【０００８】
好ましくは、加熱手段は、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つに設けられた燃焼触媒と、燃焼触媒に空気を供給する手段とを有する。
【０００９】
このように燃焼触媒を加熱手段として用いることにより、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路といった設備の一部分の熱源としては、極めてシンプルなものとなり、省スペース化を図ることができる。
【００１０】
加熱手段は、改質ガス流路、燃料電池スタック及び下流ガス流路の少なくとも１つの近傍に配置されたヒータまたはバーナであっても良い。
【００１１】
この場合には、改質器で生成された改質ガスや燃料を供給しなくても、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路を加熱することができる。従って、燃料電池システムを起動する際、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を開始する前に、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つを確実に水の沸点以上の温度まで昇温することができる。
【００１２】
また、好ましくは、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つは、重力加速度の方向に対して上向きに曲がるように形成された曲がり流路部を有し、加熱手段は、曲がり流路部を含む領域を加熱する。
【００１３】
重力加速度の方向に対して上向きに曲がるように形成された曲がり流路部は、改質ガスや燃料電池スタックからのオフガスに含まれる水分が凝縮したときに、特に水溜まりが発生しやすい部位である。従って、ガス流路における当該曲がり流路部を含む領域を加熱することで、改質ガスまたはオフガスに含まれる水分の凝縮による水溜まりの発生を効果的に防止することができる。
【００１４】
さらに、好ましくは、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つの温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段の検出信号に基づいて、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つの温度が水の沸点以上となるように、加熱手段を制御する制御手段とを更に備える。
【００１５】
このような温度検出手段及び制御手段を設けることにより、燃料電池システムを起動及び停止させる際に、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つの温度を水の沸点以上となるように自動制御することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムは、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックを収容する容器と、容器内の少なくとも底部を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１７】
このような本発明の燃料電池システムを起動させる場合には、改質器で生成された改質ガスを燃料電池スタックに供給するときに、加熱手段によって容器内の少なくとも底部を例えば水の沸点以上の温度まで昇温する。容器内の底部は、燃料電池スタックからのオフガス中に含まれる水分が凝縮したときに水が溜まりやすい箇所である。この場合には、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を開始することで、燃料電池スタックからオフガスが排出されても、容器内の少なくとも底部は既に水の沸点以上の温度まで昇温されている。従って、オフガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、当該水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムを停止させる場合には、燃料電池スタックを所定温度まで降温させた後、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を停止するが、その改質ガスの供給を停止するまでは、加熱手段によって容器内の少なくとも底部を例えば水の沸点以上の温度に保持する。この場合には、燃料電池スタックからのオフガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、当該水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００１９】
さらに、本発明の燃料電池システムは、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料流路と、水蒸気流路及び原燃料流路と接続され、原燃料及び水蒸気が混合された改質原料を改質器に導入するための改質原料流路と、水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも水蒸気流路または少なくとも改質原料流路を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とするものである。
【００２０】
このような本発明の燃料電池システムを起動させる場合には、原燃料及び水蒸気を改質器に向けて供給するときに、加熱手段によって水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも水蒸気流路または少なくとも改質原料流路を例えば水の沸点以上の温度まで昇温する。この場合には、例えば原燃料を供給する前に、まず水蒸気のみを供給するときに、水蒸気の凝縮が抑制されるため、水蒸気の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムを停止させる場合には、原燃料及び水蒸気の供給を停止するが、その原燃料及び水蒸気の供給を停止するまでは、加熱手段によって水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも水蒸気流路または少なくとも改質原料流路を例えば水の沸点以上の温度に保持する。この場合には、例えば原燃料の供給を停止した後、水蒸気のみを供給するときに、水蒸気の凝縮が抑制されるため、水蒸気の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００２２】
本発明は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器と改質ガス流路を介して接続され、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムを起動させる際に、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路、燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つを水の沸点以上の温度まで昇温し、その状態で改質ガスを燃料電池スタックに供給することを特徴とするものである。
【００２３】
このような本発明の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を開始する際に、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つは既に水の沸点以上の温度まで昇温されている。このため、改質ガスまたは燃料電池スタックからのオフガスが通過するときに、改質ガス等に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、当該水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００２４】
また、本発明は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器と改質ガス流路を介して接続され、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの運転方法において、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路、燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つに燃焼触媒を予め充填させておき、燃料電池システムを起動させる際に、改質ガスを燃料電池スタックに供給すると共に燃焼触媒に空気を供給して、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つを水の沸点以上の温度に昇温保持することを特徴とするものである。
【００２５】
このような本発明の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を開始する際に、燃焼触媒に空気を供給することで改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つは水の沸点以上の温度まで昇温される。このため、改質ガスまたは燃料電池スタックからのオフガスが通過するときに、これらのガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、当該水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００２６】
また、本発明は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器と改質ガス流路を介して接続され、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムを停止させる際に、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路、燃料電池スタックの下流ガス流路の少なくとも１つを水の沸点以上の温度に保持するように降温し、その状態で燃料電池スタックへの改質ガスの供給を停止することを特徴とするものである。
【００２７】
このような本発明の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を停止するまでは、改質ガス流路、燃料電池スタック内のガス流路及び下流ガス流路の少なくとも１つは水の沸点以上の温度に保持されている。このため、改質ガスまたは燃料電池スタックからのオフガスが通過するときに、これらのガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、当該水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００２８】
さらに、本発明は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックを収容する容器とを備える燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムを起動させる際に、容器内の少なくとも底部を水の沸点以上の温度まで昇温し、その状態で改質ガスを燃料電池スタックに供給することを特徴とするものである。
【００２９】
このような本発明の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を開始する際に、容器内の少なくとも底部は既に水の沸点以上の温度まで昇温されている。このため、燃料電池スタックからのオフガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、当該水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００３０】
また、本発明は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックを収容する容器とを備える燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムを停止させる際に、容器内の少なくとも底部を水の沸点以上の温度に保持するように降温し、その状態で燃料電池スタックへの改質ガスの供給を停止することを特徴とするものである。
【００３１】
このような本発明の燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を停止するまでは、容器内の少なくとも底部は水の沸点以上の温度に保持されている。このため、燃料電池スタックからのオフガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、当該水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００３２】
さらに、本発明は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料流路と、水蒸気流路及び原燃料流路と接続され、原燃料及び水蒸気が混合された改質原料を改質器に導入するための改質原料流路とを備える燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムを起動させる際に、水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも水蒸気流路を水の沸点以上の温度まで昇温し、その状態で水蒸気及び原燃料を改質器に向けて順次供給することを特徴とするものである。
【００３３】
このような本発明の燃料電池システムの運転方法においては、改質器に向けての水蒸気及び原燃料の供給を順次開始する際に、水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも水蒸気流路は、既に水の沸点以上の温度まで昇温されている。このため、原燃料を供給する前に、まず水蒸気のみを供給するときに、水蒸気の凝縮が抑制されるため、水蒸気の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００３４】
また、本発明は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料流路と、水蒸気流路及び原燃料流路と接続され、原燃料及び水蒸気が混合された改質原料を改質器に導入するための改質原料流路とを備える燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムを停止させる際に、水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも水蒸気流路を水の沸点以上の温度に保持し、その状態で原燃料及び水蒸気の供給を順次停止することを特徴とするものである。
【００３５】
このような本発明の燃料電池システムの運転方法においては、改質器に向けての原燃料及び水蒸気の供給を順次停止するまでは、水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも水蒸気流路は、水の沸点以上の温度に保持されている。このため、原燃料の供給を停止した後、水蒸気のみを供給するときに、水蒸気の凝縮が抑制されるため、水蒸気の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
【００３６】
さらに、本発明は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料流路と、水蒸気流路及び原燃料流路と接続され、原燃料及び水蒸気が混合された改質原料を改質器に導入するための改質原料流路とを備える燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムを起動させる際に、水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも改質原料流路を水及び原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度まで昇温し、その状態で水蒸気及び原燃料を改質器に向けて順次供給することを特徴とするものである。
【００３７】
このような本発明の燃料電池システムの運転方法においては、改質器に向けての水蒸気及び原燃料の供給を順次開始する際に、水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも改質原料流路は、水及び原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度まで昇温されている。このため、原燃料を供給する前に、まず水蒸気のみを供給するときに、水蒸気の凝縮が抑制されるため、水蒸気の凝縮による水溜まりの発生が防止される。また、原燃料を供給するときに、原燃料の凝縮も抑制される。
【００３８】
また、本発明は、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、改質器に向けて水蒸気を供給するための水蒸気流路と、改質器に向けて原燃料を供給するための原燃料流路と、水蒸気流路及び原燃料流路と接続され、原燃料及び水蒸気が混合された改質原料を改質器に導入するための改質原料流路とを備える燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムを停止させる際に、水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも改質原料流路を水及び原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度に保持し、その状態で原燃料及び水蒸気の供給を順次停止することを特徴とするものである。
【００３９】
このような本発明の燃料電池システムの運転方法においては、改質器に向けての原燃料及び水蒸気の供給を順次停止するまでは、水蒸気流路、原燃料流路及び改質原料流路のうち少なくとも改質原料流路は、水及び原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度に保持されている。このため、原燃料の供給を停止した後、水蒸気のみを供給するときに、水蒸気の凝縮が抑制されるため、水蒸気の凝縮による水溜まりの発生が防止される。また、原燃料を供給するときに、原燃料の凝縮も抑制される。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、水蒸気や改質ガス等に含まれる水分の凝縮による水溜まりの発生を防止することができる。これにより、ガス流路におけるガスの脈流、ガス流路の閉塞、水溜まりの突沸による燃料電池スタック、配管及びポンプ等の機器の破損、容器内からの水漏れ等の発生といった不具合を防止し、システムの信頼性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明に係わる燃料電池システム及びその運転方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４２】
図１は、本発明に係わる燃料電池システムの第１実施形態を示すシステム構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池システム１は、原燃料を改質して改質ガスを生成する発電用改質器２と、この発電用改質器２で得られた改質ガスと空気とを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック３と、原燃料を改質して改質ガスを生成する起動・停止用改質器４とを備えている。発電用改質器２、ＳＯＦＣスタック３及び起動・停止用改質器４は、モジュール容器５内に収容されてモジュール化されている。
【００４３】
発電用改質器２には、原燃料及び水蒸気が混合された発電用改質原料をモジュール容器５の外部から導入するための改質原料流路を形成する原料導入管６が接続されている。原料導入管６には、液体の原燃料を発電用改質器２に向けて供給するための原燃料流路を形成する燃料供給管７０と、水蒸気を発電用改質器２に向けて供給するための水蒸気流路を形成する水蒸気供給管７１とが接続されている。原燃料としては、例えば灯油や都市ガス等の炭化水素燃料が用いられる。水蒸気供給管７１には、液体の水を供給するための給水管７２が水気化器７３を介して接続されている。燃料供給管７０には、原燃料の供給量を調整する電磁バルブ７４が設けられ、給水管７２には、水の供給量を調整する電磁バルブ７５が設けられている。また、モジュール容器５の外部において、原料導入管６には燃料気化器７６が設けられている。
【００４４】
水気化器７３は、給水管７２を通って送られてきた液体の水を気化（蒸発）させて、水蒸気を発生させる。一方、燃料気化器７６は、燃料供給管７０を通って送られてきた原燃料を気化（蒸発）させて、原燃料ガスを発生させるとともに、水気化器７３で得られた水蒸気と混合させることにより、気体の発電用改質原料を生成する。このとき、原燃料の気化熱で凝縮しない温度の水蒸気を燃料気化器７６に供給するのが望ましい。
【００４５】
燃料気化器７６は、液体の原燃料を気化（蒸発）させて、水蒸気と混合し、発電用改質原料ガスを生成する。そして、その発電用改質原料ガスが発電用改質器２に導入される。なお、水気化器７３及び燃料気化器７６は、モジュール容器５内にあっても良い。
【００４６】
発電用改質器２は、発電用改質原料を改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する。水蒸気改質反応は非常に大きな吸熱反応であり、反応温度が５５０〜７５０℃程度と比較的高いので、高温の熱源が必要となる。このため、発電用改質器２は、ＳＯＦＣスタック３の近傍に配置され、ＳＯＦＣスタック３からの輻射熱及びオフガス燃焼熱を利用して水蒸気改質反応を行う。
【００４７】
ＳＯＦＣスタック３は、改質ガス流路を形成する改質ガス供給管８を介して発電用改質器２と接続されている。また、ＳＯＦＣスタック３には、モジュール容器５の外部から発電用空気を導入するための空気導入管９と、ＳＯＦＣスタック３からのオフガスを排気するための下流ガス流路を形成するガス排気管１０とが接続されている。空気導入管９には、発電用空気の導入量を調整する電磁バルブ１１が設けられている。
【００４８】
ＳＯＦＣスタック３は、複数の電池セルが積み重ねられて構成されている。電池セルは、アノード（燃料極）３ａと、カソード（空気極）３ｂと、アノード３ａとカソード３ｂとの間に配置された電解質３ｃと、アノード３ａ及びカソード３ｂの外側にそれぞれ配置されたセパレータ（図示せず）とからなっている。アノード３ａには改質ガスが導入され、カソード３ｂには発電用空気が導入される。これにより、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。なお、ＳＯＦＣスタック３は、通常５５０〜１０００℃程度の高温で作動する。
【００４９】
起動・停止用改質器４には、原燃料及び水蒸気が混合された起動・停止用改質原料をモジュール容器５の外部から導入するための改質原料流路を形成する原料導入管１２が接続されている。原料導入管１２には、液体の原燃料を起動・停止用改質器４に向けて供給するための原燃料流路を形成する燃料供給管８０と、水蒸気を起動・停止用改質器４に向けて供給するための水蒸気流路を形成する水蒸気供給管８１とが接続されている。水蒸気供給管８１には、液体の水を供給するための給水管８２が水気化器８３を介して接続されている。燃料供給管８０には、原燃料の供給量を調整する電磁バルブ８４が設けられ、給水管８２には、水の供給量を調整する電磁バルブ８５が設けられている。また、モジュール容器５の外部において、原料導入管１２には燃料気化器８６が設けられている。
【００５０】
原燃料としては、発電用改質器２に向けて供給される上記の原燃料と同様に、例えば灯油や都市ガス等の炭化水素燃料が用いられる。これにより、発電用改質原料を作るための原燃料と起動・停止用改質原料を作るための原燃料の供給源を共有化することができる。
【００５１】
水気化器８３は、給水管８２を通って送られてきた液体の水を気化（蒸発）させて、水蒸気を発生させる。一方、燃料気化器８６は、燃料供給管８０を通って送られてきた原燃料を気化（蒸発）させて、原燃料ガスを発生させるとともに、水気化器８３で得られた水蒸気と混合させることにより、気体の起動・停止用改質原料を生成する。このとき、原燃料の気化熱で凝縮しない温度の水蒸気を燃料気化器８６に供給するのが望ましい。
【００５２】
燃料気化器８６は、液体の原燃料を気化（蒸発）させて、水蒸気と混合し、起動・停止用改質原料ガスを生成する。そして、その起動・停止用改質原料ガスが起動・停止用改質器４に導入される。なお、水気化器８３及び燃料気化器８６は、モジュール容器５内にあっても良い。
【００５３】
起動・停止用改質器４は、燃料電池システム１の起動・停止時にＳＯＦＣスタック３のアノード３ａの酸化劣化を防止するために、起動・停止用改質原料を改質触媒で水蒸気改質反応させて、還元性を有する水素を含有する改質ガスを生成するものである。なお、起動・停止用改質器４は、アノード３ａを酸化劣化から保護する程度の改質ガスが得られれば良いので、発電用改質器２に比べて小容量であっても良い。
【００５４】
起動・停止用改質器４は、改質ガス流路を形成する改質ガス供給管１４を介して原料導入管６と分岐接続されている。起動・停止用改質器４により生成された改質ガスは、改質ガス供給管１４、原料導入管６、発電用改質器２及び改質ガス供給管８を介してＳＯＦＣスタック３に供給される。ここでは、起動・停止用改質器４で生成された改質ガスによって発電用改質器２の改質触媒を還元させるために、改質ガス供給管１４を発電用改質器２の入力側に分岐接続したが、改質ガス供給管１４を発電用改質器２の出力側（改質ガス供給管８）に接続しても良い。
【００５５】
改質ガス供給管８内には、加熱源としての燃焼触媒１５Ａが充填されている。改質ガス供給管８は、図２に示すように、重力加速度の方向（図示Ａ方向）に対して垂直な方向つまり水平に延びる部分から上向き（鉛直上向き又は斜め上向き）に屈曲する２つの曲がり流路部８ａを有するＵ字形状をなしている。この曲がり流路部８ａは、改質ガス供給管８内を改質ガスが流れるときに、改質ガス中に含まれる水分が凝縮して水溜まりができやすい部位である。このため、燃焼触媒１５Ａは、改質ガス供給管８内における各曲がり流路部８ａを含む領域（ここでは水平に延びる領域）に設けられているのが望ましい。なお、燃焼触媒１５Ａとしては、白金や鉄等が用いられる。
【００５６】
改質ガス供給管８における燃焼触媒１５Ａの上流側の部位には、触媒燃焼用空気を導入するための空気導入管１６が接続されている。空気導入管１６には、触媒燃焼用空気の導入量を調整する電磁バルブ１７が設けられている。触媒燃焼用空気が燃焼触媒１５Ａに供給されると、燃焼触媒１５Ａの表面において改質ガス中の水素、一酸化炭素、メタン等の燃料と触媒燃焼用空気とが部分酸化反応し、熱エネルギーが発生する。そして、この時の反応熱によって改質ガスが加熱され、これに伴って改質ガス供給管８内の水平に延びる領域が加熱されることとなる。
【００５７】
また、ＳＯＦＣスタック３内において改質ガスが供給されるガス流路、具体的にはアノード３ａとセパレータ（図示せず）との間には、上記燃焼触媒１５Ａと同様の燃焼触媒１５Ｂが充填されている。そして、当該ガス流路における燃焼触媒１５Ｂの上流側の部位には、触媒燃焼用空気を導入するための空気導入管１８が接続されている。空気導入管１８には、触媒燃焼用空気の導入量を調整する電磁バルブ１９が設けられている。
【００５８】
さらに、ガス排気管１０内には、上記燃焼触媒１５Ａと同様の燃焼触媒１５Ｃが充填されている。このとき、ガス排気管１０が重力加速度の方向に対して上向きに屈曲する曲がり流路部を有している場合には、その曲がり流路部を含む領域に燃焼触媒１５Ｃを充填するのが望ましい。そして、ガス排気管１０における燃焼触媒１５Ｃの上流側の部位には、触媒燃焼用空気を導入するための空気導入管２０が接続されている。空気導入管２０には、触媒燃焼用空気の導入量を調整する電磁バルブ２１が設けられている。
【００５９】
このように改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を加熱する熱源として燃焼触媒１５Ａ〜１５Ｃを用いることで、スペース的に有利となり、システムの大規模化を回避することが可能となる。
【００６０】
モジュール容器５は、内ハウジング２２と、この内ハウジング２２の外側に配置された外ハウジング２３とを有し、内ハウジング２２と外ハウジング２３との間には断熱材２４が介在されている。断熱材２４としては、シリカやアルミナ系等が用いられる。
【００６１】
また、燃料電池システム１は、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内の温度を検出する複数の温度センサ２５と、燃料電池システム１の運転時にシステム全体を制御する制御装置２６とを備えている。温度センサ２５としては、例えば熱電対が用いられる。
【００６２】
制御装置２６は、電磁バルブ７４，７５を制御することで原燃料及び水（水蒸気）の供給量を制御し、電磁バルブ８４，８５を制御することで原燃料及び水（水蒸気）の供給量を制御し、電磁バルブ１１を制御することで発電用空気の導入量を制御し、電磁バルブ１７，１９，２１を制御することで触媒燃焼用空気の導入量を制御する。
【００６３】
図３は、燃料電池システム１の起動時に、制御装置２６により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。本制御処理の実行は、例えば図示しない起動スイッチが操作されることで開始される。以下、図３に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム１の起動時の運転方法について説明する。
【００６４】
まず、例えば燃料気化器７６，８６及び水気化器７３，８３の近傍に配置されたバーナやヒータ等の熱源によって、燃料気化器７６，８６及び水気化器７３，８３を所定の温度まで加熱する。続いて、例えば起動・停止用改質器４の近傍に配置されたバーナやヒータ（図示せず）等の熱源によって、起動・停止用改質器４を所定の温度まで加熱する。
【００６５】
続いて、電磁バルブ１７，１９，２１を制御して、燃焼触媒１５Ａ〜１５Ｃに触媒燃焼用空気を供給する（手順１０１）。そして、電磁バルブ８４，８５を制御して、起動・停止用改質器４に向けて原燃料及び水蒸気を供給することにより、起動・停止用改質器４に起動・停止用改質原料を供給する（手順１０２）。すると、起動・停止用改質器４により改質ガスが生成され、この改質ガスが発電用改質器２及び改質ガス供給管８を介してＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。これにより、改質ガス供給管８内及びＳＯＦＣスタック３内のガス流路が加熱されていく。このとき、還元性を有する改質ガスがアノード３ａに供給され続けているので、アノード３ａの酸化劣化が防止される。
【００６６】
また、電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに発電用空気を供給する（手順１０３）。なお、この発電用空気の供給の開始は、手順１０２の前または手順１０２と同時に実行しても良い。
【００６７】
続いて、各温度センサ２５の検出信号に基づいて電磁バルブ１７，１９，２１を例えばＰＩＤ制御して、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を水の沸点（例えば１００℃）以上で且つアノード３ａの酸化劣化点（例えば４００℃）以下の温度に保持する（手順１０４）。このとき、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路はアノード３ａの酸化劣化点以下の温度に維持されるので、アノード３ａの再酸化によるアノード３ａの膨張に起因する応力変化により電池セルの割れが生じてしまうことが防止される。なお、ガス排気管１０内については、水の沸点以上の温度であれば、特にアノード３ａの酸化劣化点以下の温度でなくても良いが、ガス排気管１０からＳＯＦＣスタック３への伝熱によりアノード３ａの温度が高くならないよう、アノード３ａの酸化劣化点以下の温度であるほうが好ましい。
【００６８】
その後、ＳＯＦＣスタック３からのアノードオフガスの燃焼熱、或いはヒータ等によりモジュール容器５内が昇温される。そして、発電用改質器２の温度が所定の温度（前述の５５０〜７５０℃程度）に到達したら、電磁バルブ７４，７５を制御して、発電用改質器２に向けて原燃料及び水蒸気を供給することにより、発電用改質器２に発電用改質原料を供給する（手順１０５）。すると、発電用改質器２により改質ガスが生成され、この改質ガスが改質ガス供給管８を介してＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。
【００６９】
続いて、電磁バルブ８４，８５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、起動・停止用改質器４への起動・停止用改質原料の供給を停止する（手順１０６）。その後、ＳＯＦＣスタック３が所定の温度まで昇温された後、ＳＯＦＣスタック３から電流を取り出すことにより、ＳＯＦＣスタック３による発電が開始される。また、起動・停止用改質器４またはその近傍に設けられた熱源からの熱出力を停止する。さらに、電磁バルブ１７，１９，２１をそれぞれ制御して、触媒燃焼用空気の供給を停止する（手順１０７）。
【００７０】
ところで、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内の温度が水の沸点よりも低い状態で、起動・停止用改質器４により生成された改質ガスが改質ガス供給管８を介してＳＯＦＣスタック３に供給されると、改質ガスやオフガス中に含まれる水分が凝縮するため、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０の内部に水溜まりが発生してしまう。この場合には、水溜まりの突沸により改質ガス供給管８及びＳＯＦＣスタック３等の機器の破損を引き起こすことがある。また、燃料電池システム１を寒冷地で使用する場合には、水溜まりが凍結するため、機器の破損が一層起きやすくなる。
【００７１】
これに対し本実施形態では、燃焼触媒１５Ａ〜１５Ｃへの触媒燃焼用空気の供給を開始し、更にＳＯＦＣスタック３に改質ガスを供給することにより、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を昇温して、水の沸点以上の温度に維持する。このため、改質ガス供給管８及びＳＯＦＣスタック３の内部を改質ガスが流れるときに、改質ガス中に水分が含まれていても、その水分が熱によって気化（蒸発）されるので、改質ガス中の水分の凝縮が防止される。また、ＳＯＦＣスタック３からのアノードオフガスがガス排気管１０の内部を流れるときに、オフガス中に水分が含まれていても、その水分が熱によって気化されるので、オフガス中の水分の凝縮も防止される。従って、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０の内部に水が溜まることが無くなるため、水溜まりに起因した機器の破損等を防止することができる。
【００７２】
図４は、燃料電池システム１の停止時に、制御装置２６により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。本制御処理の実行は、例えば図示しない停止スイッチが操作されることで開始される。以下、図４に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム１の停止時の運転方法について説明する。
【００７３】
まず、例えば起動・停止用改質器４の近傍に配置されたヒータ（図示せず）等によって、起動・停止用改質器４を所定の温度まで加熱する。また、電磁バルブ７４，７５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給量を減らすことにより、発電用改質器２への発電用改質原料の供給量を減らす。これにより、発電用改質器２で生成される改質ガスの供給量が減少する。
【００７４】
そして、電磁バルブ８４，８５を制御して、起動・停止用改質器４に向けて少量の原燃料及び水蒸気を供給することにより、起動・停止用改質器４に少量の起動・停止用改質原料を供給する（手順１１１）。すると、起動・停止用改質器４により改質ガスが生成され、この改質ガスが少量だけＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。
【００７５】
また、電磁バルブ７４，７５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、発電用改質器２への発電用改質原料の供給を停止する（手順１１２）。これにより、発電用改質器２で生成される改質ガスの供給が停止する。
【００７６】
続いて、例えば電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに供給される空気量を増やすことにより、モジュール容器５内の降温を開始する（手順１１３）。なお、この手順は、手順１１２の前に実行しても良い。
【００７７】
そして、各温度センサ２５の検出信号に基づいて電磁バルブ１７，１９，２１を例えばＰＩＤ制御して、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を水の沸点以上で且つアノード３ａの酸化劣化点以下の温度に保持する（手順１１４）。なお、ガス排気管１０内については、水の沸点以上の温度であれば、特にアノード３ａの酸化劣化点以下の温度でなくても良い。
【００７８】
ＳＯＦＣスタック３内がアノード３ａの酸化劣化点以下の温度になった後、電磁バルブ８４，８５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、起動・停止用改質器４への起動・停止用改質原料の供給を停止する（手順１１５）。これにより、起動・停止用改質器４からＳＯＦＣスタック３への改質ガスの供給が停止する。ここで、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路がアノード３ａの酸化劣化点以下の温度まで降温する間は、改質ガスをアノード３ａに供給し続けるので、アノード３ａの酸化劣化が防止される。
【００７９】
また、起動・停止用改質器４またはその近傍に設けられた熱源からの熱出力を停止する。さらに、電磁バルブ１７，１９，２１を制御して、触媒燃焼用空気の供給を停止する（手順１１６）。
【００８０】
ところで、モジュール容器５内を所定の温度まで降温させる際、ＳＯＦＣスタック３の内部は、改質ガス供給管８及びガス排気管１０の内部に比べて温度が下がりにくい。このため、ＳＯＦＣスタック３内の温度が水の沸点よりも高い状態となっているにも拘わらず、改質ガス供給管８内及びガス排気管１０内の温度は水の沸点よりも低い状態となることがある。この状態で、起動・停止用改質器４で生成された改質ガスが改質ガス供給管８を介してＳＯＦＣスタック３に供給されると、改質ガス供給管８内において改質ガス中に含まれる水分が凝縮するため、水溜まりが生じてしまう。この場合には、上述したように改質ガス供給管８等の機器の破損を引き起こすことがある。
【００８１】
これに対し本実施形態では、起動・停止用改質器４で生成された改質ガスをＳＯＦＣスタック３に供給している間は、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を水の沸点以上の温度に維持しておく。このため、改質ガスやオフガス中に水分が含まれていても、その水分が熱によって気化されるので、当該水分の凝縮が防止される。従って、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０の内部に水が溜まることが無くなるため、水溜まりに起因した機器の破損等を防止することができる。
【００８２】
以上のように本実施形態によれば、改質ガスやオフガスに含まれる水分の凝縮による水溜まりの発生を防止することができる。これにより、信頼性の高い燃料電池システム１を実現することが可能となる。
【００８３】
また、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０をそれぞれ個別に加熱するので、広範な加熱を行う場合に比べて、消費エネルギーが少なくて済む。また、モジュール容器５内の降温時に、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路が改質ガス供給管８及びガス排気管１０の内部に比べて温度が下がりにくい場合には、改質ガス供給管８及びガス排気管１０の内部は加熱するが、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路は加熱しない等、きめ細かな制御が可能となる。
【００８４】
なお、上記第１実施形態では、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内の全てを加熱する構成としたが、これらの改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内の少なくとも１つを加熱する構成であっても良い。
【００８５】
図５は、本発明に係わる燃料電池システムの第２実施形態を示すシステム構成図である。図中、第１実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００８６】
同図において、本実施形態の燃料電池システム３０は、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を独立に加熱する手段として、上述した燃焼触媒１５Ａ〜１５Ｃに代えて、ヒータ３１Ａ〜３１Ｃを備えている。ヒータ３１Ａ〜３１Ｃは、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０の近傍にそれぞれ配置されている。
【００８７】
また、燃料電池システム３０は、上述した制御装置２６に代えて、制御装置３２を備えている。制御装置３２は、電磁バルブ７４，７５を制御することで原燃料及び水蒸気の供給量を制御し、電磁バルブ８４，８５を制御することで原燃料及び水蒸気の供給量を制御し、電磁バルブ１１を制御することで発電用空気の導入量を制御する機能に加え、ヒータ３１Ａ〜３１Ｃの通電を制御する機能を有している。
【００８８】
図６は、燃料電池システム３０の起動時に、制御装置３２により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図６に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム３０の起動時の運転方法について説明する。
【００８９】
同図において、燃料気化器７６，８６及び水気化器７３，８３を所定の温度まで加熱し、更に起動・停止用改質器４を所定の温度まで加熱した後、ヒータ３１Ａ〜３１Ｃを通電して、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を昇温する（手順１２１）。このとき、各温度センサ２５の検出信号に基づいてヒータ３１Ａ〜３１Ｃの通電を例えばＰＩＤ制御して、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を水の沸点以上で且つアノード３ａの酸化劣化点以下の温度に保持する。ここで、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路はアノード３ａの酸化劣化点以下の温度に保たれるので、アノード３ａの酸化劣化が防止される。
【００９０】
そして、電磁バルブ８４，８５を制御して、起動・停止用改質器４に向けて原燃料及び水蒸気を供給することにより、起動・停止用改質器４に起動・停止用改質原料を供給する（手順１２２）。すると、起動・停止用改質器４により改質ガスが生成され、この改質ガスがＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。また、電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに発電用空気を供給する（手順１２３）。
【００９１】
その後、ＳＯＦＣスタック３からのアノードオフガスの燃焼熱等によりモジュール容器５内が昇温される。そして、発電用改質器２の温度が所定の温度に到達したら、電磁バルブ７４，７５を制御して、発電用改質器２に向けて原燃料及び水蒸気を供給することにより、発電用改質器２に発電用改質原料を供給する（手順１２４）。すると、発電用改質器２により改質ガスが生成され、この改質ガスがＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。
【００９２】
続いて、電磁バルブ８４，８５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、起動・停止用改質器４への起動・停止用改質原料の供給を停止する（手順１２５）。その後、ＳＯＦＣスタック３が所定の温度まで昇温された後、ＳＯＦＣスタック３から電流を取り出すことにより、ＳＯＦＣスタック３による発電が開始される。また、ヒータ３１Ａ〜３１Ｃの通電を停止する（手順１２６）。
【００９３】
このように燃料電池システム３０の起動時には、起動・停止用改質器４により生成された改質ガスをＳＯＦＣスタック３に供給する前に、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を水の沸点以上の温度となるまで昇温する。このため、その後で改質ガスがＳＯＦＣスタック３に供給されるときに、改質ガス中に含まれる水分の凝縮が確実に防止されるようになる。また、ＳＯＦＣスタック３からのオフガス中に含まれる水分の凝縮も確実に防止される。これにより、改質ガスやオフガスに含まれる水分の凝縮による水溜まりの発生を防止することができる。
【００９４】
図７は、燃料電池システム３０の停止時に、制御装置３２により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図７に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム３０の停止時の運転方法について説明する。
【００９５】
同図において、まず起動・停止用改質器４を所定の温度まで加熱する。また、電磁バルブ７４，７５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給量を減らすことにより、発電用改質器２への発電用改質原料の供給量を減らす。これにより、発電用改質器２で生成される改質ガスの供給量が減少する。
【００９６】
そして、電磁バルブ８４，８５を制御して、少量の原燃料及び水蒸気を供給することにより、起動・停止用改質器４に少量の起動・停止用改質原料を供給する（手順１３１）。すると、起動・停止用改質器４により改質ガスが生成され、この改質ガスが少量だけＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。
【００９７】
また、電磁バルブ７４，７５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、発電用改質器２への発電用改質原料の供給を停止する（手順１３２）。これにより、発電用改質器２で生成された改質ガスの供給が停止する。
【００９８】
続いて、例えば電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに供給される空気量を増やすことにより、モジュール容器５内の降温を開始する（手順１３３）。
【００９９】
そして、各温度センサ２５の検出信号に基づいてヒータ３１Ａ〜３１Ｃの通電を例えばＰＩＤ制御して、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内を水の沸点以上で且つアノード３ａの酸化劣化点以下の温度に保持する（手順１３４）。
【０１００】
ＳＯＦＣスタック３内がアノード３ａの酸化劣化点以下の温度になった後、電磁バルブ８４，８５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、起動・停止用改質器４への起動・停止用改質原料の供給を停止する（手順１３５）。これにより、起動・停止用改質器４からＳＯＦＣスタック３への改質ガスの供給が停止する。また、ヒータ３１Ａ〜３１Ｃの通電を停止する（手順１３６）。
【０１０１】
このように燃料電池システム３０の停止時には、起動・停止用改質器４で生成された改質ガスをＳＯＦＣスタック３に供給している間、改質ガス供給管８内、ＳＯＦＣスタック３内のガス流路及びガス排気管１０内は水の沸点以上の温度に維持される。従って、改質ガスやＳＯＦＣスタック３からのオフガスに含まれる水分の凝縮が防止されるので、当該水分の凝縮による水溜まりの発生を防止することができる。
【０１０２】
図８は、本発明に係わる燃料電池システムの第３実施形態を示すシステム構成図である。図中、第１及び第２実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１０３】
同図において、本実施形態の燃料電池システム４０は、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０を含むモジュール容器５の内部全体を加熱するバーナ４１及びヒータ４２を備えている。バーナ４１は、例えばモジュール容器５の底部に設置されている。ヒータ４２は、例えばモジュール容器５の側部に設置されている。なお、バーナ４１及びヒータ４２の数量や設置部位等は、特に上記のものに限定されない。
【０１０４】
また、燃料電池システム４０は、複数の温度センサ２５と、制御装置４３とを備えている。温度センサ２５は、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０の内部に加え、ＳＯＦＣスタック３からのアノードオフガス及びカソードオフガスに含まれる水分の凝縮により水が溜まりやすいモジュール容器５内の底にも配置されている。なお、温度センサ２５は、これ以外にも、例えば温度の低くなりやすい箇所や水が溜まりやすい箇所に適宜設ければ良い。
【０１０５】
制御装置４３は、電磁バルブ７４，７５を制御することで原燃料及び水蒸気の供給量を制御し、電磁バルブ８４，８５を制御することで原燃料及び水蒸気の供給量を制御し、電磁バルブ１１を制御することで発電用空気の導入量を制御する機能に加え、バーナ４１の着火及びヒータ４２の通電を制御する機能を有している。
【０１０６】
図９は、燃料電池システム４０の起動時に、制御装置４３により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図９に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム４０の起動時の運転方法について説明する。
【０１０７】
同図において、燃料気化器７６，８６及び水気化器７３，８３を所定の温度まで加熱し、更に起動・停止用改質器４を所定の温度まで加熱した後、バーナ４１を着火すると共にヒータ４２を通電して、モジュール容器５内を昇温する（手順１４１）。このとき、各温度センサ２５の検出信号に基づいてバーナ４１の着火及びヒータ４２の通電を例えばＰＩＤ制御して、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０の内部を含むモジュール容器５の内部全体を水の沸点以上で且つアノード３ａの酸化劣化点以下の温度に保持する。なお、モジュール容器５内の底部については、水の沸点以上の温度であれば、特にアノード３ａの酸化劣化点以下の温度でなくても良い。
【０１０８】
そして、電磁バルブ８４，８５を制御して、起動・停止用改質器４に向けて原燃料及び水蒸気を供給することにより、起動・停止用改質器４に起動・停止用改質原料を供給する（手順１４２）。すると、起動・停止用改質器４により生成された改質ガスがＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。また、電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに発電用空気を供給する（手順１４３）。
【０１０９】
その後、ＳＯＦＣスタック３からのオフガスの燃焼熱等によりモジュール容器５内が昇温される。そして、発電用改質器２の温度が所定の温度に到達したら、電磁バルブ７４，７５を制御して、発電用改質器２に向けて原燃料及び水蒸気を供給することにより、発電用改質器２に発電用改質原料を供給する（手順１４４）。すると、発電用改質器２により生成された改質ガスがＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。
【０１１０】
続いて、電磁バルブ８４，８５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、起動・停止用改質器４への起動・停止用改質原料の供給を停止する（手順１４５）。その後、ＳＯＦＣスタック３が所定の温度まで昇温された後、ＳＯＦＣスタック３から電流を取り出すことにより、ＳＯＦＣスタック３による発電が開始される。また、バーナ４１の着火及びヒータ４２の通電を停止する（手順１４６）。
【０１１１】
このように燃料電池システム４０の起動時には、起動・停止用改質器４により生成された改質ガスをＳＯＦＣスタック３に供給する前に、モジュール容器５の内部全体を水の沸点以上の温度となるまで昇温する。このため、その後で改質ガスがＳＯＦＣスタック３に供給されたときに、改質ガスやオフガスに含まれる水分の凝縮が防止される。また、モジュール容器５内においてオフガスが着火されることでオフガス燃焼ガスが発生したり、或いはモジュール容器５外でアノードオフガス及びカソードオフガスが混合燃焼されてオフガス燃焼ガスが発生し、これがモジュール容器５内に入り込んで流通することがあるが、そのようなオフガス燃焼ガスに含まれる水分の凝縮も防止される。これにより、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０の内部やモジュール容器５内の底部に水溜まりが生じることを防止できる。
【０１１２】
図１０は、燃料電池システム４０の停止時に、制御装置４３により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図１０に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム４０の停止時の運転方法について説明する。
【０１１３】
同図において、まず起動・停止用改質器４を所定の温度まで加熱する。また、電磁バルブ７４，７５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給量を減らすことにより、発電用改質器２への発電用改質原料の供給量を減らす。これにより、発電用改質器２で生成される改質ガスの供給量が減少する。
【０１１４】
そして、電磁バルブ８４，８５を制御して、起動・停止用改質器４に向けて少量の原燃料及び水蒸気を供給することにより、起動・停止用改質器４に少量の起動・停止用改質原料を供給する（手順１５１）。すると、起動・停止用改質器４により生成された改質ガスが少量だけＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。
【０１１５】
また、電磁バルブ７４，７５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、発電用改質器２への発電用改質原料の供給を停止する（手順１５２）。これにより、発電用改質器２で生成された改質ガスの供給が停止する。
【０１１６】
続いて、例えば電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに供給される空気量を増やすことにより、モジュール容器５内の降温を開始する（手順１５３）。
【０１１７】
そして、各温度センサ２５の検出信号に基づいてバーナ４１の着火及びヒータ４２の通電を例えばＰＩＤ制御して、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０の内部を含むモジュール容器５の内部全体を水の沸点以上で且つアノード３ａの酸化劣化点以下の温度に保持する（手順１５４）。なお、モジュール容器５内の底部については、水の沸点以上の温度であれば、特にアノード３ａの酸化劣化点以下の温度でなくても良い。
【０１１８】
ＳＯＦＣスタック３内がアノード３ａの酸化劣化点以下の温度になった後、電磁バルブ８４，８５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、起動・停止用改質器４への起動・停止用改質原料の供給を停止する（手順１５５）。これにより、起動・停止用改質器４からＳＯＦＣスタック３への改質ガスの供給が停止する。また、バーナ４１の着火及びヒータ４２の通電を停止する（手順１５６）。
【０１１９】
このように燃料電池システム４０の停止時には、起動・停止用改質器４で生成された改質ガスをＳＯＦＣスタック３に供給している間、モジュール容器５の内部全体は水の沸点以上の温度に維持される。従って、改質ガスやオフガス（オフガス燃焼ガスを含む）に含まれる水分の凝縮が防止される。これにより、改質ガス供給管８、ＳＯＦＣスタック３及びガス排気管１０の内部やモジュール容器５内の底部に水溜まりが生じることを防止できる。
【０１２０】
なお、上記第３実施形態では、モジュール容器５の内部全体を加熱する構成としたが、モジュール容器５内の少なくとも底部を加熱する構成であっても良い。
【０１２１】
図１１は、本発明に係わる燃料電池システムの第４実施形態を示すシステム構成図である。図中、第１及び第２実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１２２】
同図において、本実施形態の燃料電池システム５０は、原料導入管６における燃料気化器７６の下流側を加熱するヒータ５１Ａと、水蒸気供給管７１を加熱するヒータ５１Ｂと、原料導入管１２における燃料気化器８６の下流側を加熱するヒータ５２Ａと、水蒸気供給管８１を加熱するヒータ５２Ｂとを備えている。なお、特に図示はしていないが、原料導入管６における燃料気化器７６の上流側を加熱するヒータや、原料導入管１２における燃料気化器８６の上流側を加熱するヒータも設けるのが望ましい。また、これらの配管が重力加速度の方向に対して上向きに屈曲する曲がり流路部を有している場合には、その曲がり流路部を含む領域を加熱するのが望ましい。
【０１２３】
また、燃料電池システム５０は、複数の温度センサ２５と、制御装置５３とを備えている。温度センサ２５は、原料導入管６における燃料気化器７６の下流側部位の内部、水蒸気供給管７１の内部、原料導入管１２における燃料気化器８６の下流側部位の内部、水蒸気供給管８１の内部に配置されている。なお、温度センサ２５は、これらの配管において、例えば温度の低くなりやすい箇所や水が溜まりやすい箇所に適宜設ければ良い。
【０１２４】
制御装置５３は、電磁バルブ７４，７５を制御することで原燃料及び水蒸気の供給量を制御し、電磁バルブ８４，８５を制御することで原燃料及び水蒸気の供給量を制御し、電磁バルブ１１を制御することで発電用空気の導入量を制御する機能に加え、ヒータ５１Ａ〜５２Ｂの通電を制御する機能を有している。
【０１２５】
図１２は、燃料電池システム５０の起動時に、制御装置５３により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図１２に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム５０の起動時の運転方法について説明する。
【０１２６】
同図において、まず燃料気化器７６，８６及び水気化器７３，８３を所定の温度まで加熱し、更に起動・停止用改質器４を所定の温度まで加熱する。
【０１２７】
そして、ヒータ５１Ａ〜５２Ｂを通電して、原料導入管６、水蒸気供給管７１、原料導入管１２及び水蒸気供給管８１の内部を昇温する（手順１６１）。このとき、各温度センサ２５の検出信号に基づいてヒータ５１Ａ〜５２Ｂの通電を例えばＰＩＤ制御して、原料導入管６、水蒸気供給管７１、原料導入管１２及び水蒸気供給管８１の内部を所定範囲の温度に保持する。具体的には、水蒸気供給管７１，８１の内部については、水の沸点以上の温度に保持し、原料導入管６，１２の内部については、水及び原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度に保持する。
【０１２８】
そして、電磁バルブ８４，８５を制御して、起動・停止用改質器４に向けて原燃料及び水蒸気を供給することにより、起動・停止用改質器４に起動・停止用改質原料を供給する（手順１６２）。すると、起動・停止用改質器４により生成された改質ガスがＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。また、電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに発電用空気を供給する（手順１６３）。
【０１２９】
その後、ＳＯＦＣスタック３からのアノードオフガスの燃焼熱等によりモジュール容器５内が昇温される。そして、発電用改質器２の温度が所定の温度に到達したら、電磁バルブ７４，７５を制御して、発電用改質器２に向けて原燃料及び水蒸気を供給することにより、発電用改質器２に発電用改質原料を供給する（手順１６４）。すると、発電用改質器２により生成された改質ガスがＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。
【０１３０】
続いて、電磁バルブ８４，８５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、起動・停止用改質器４への起動・停止用改質原料の供給を停止する（手順１６５）。その後、ＳＯＦＣスタック３が所定の温度まで昇温された後、ＳＯＦＣスタック３から電流を取り出すことにより、ＳＯＦＣスタック３による発電が開始される。また、ヒータ５１Ａ〜５２Ｂの通電を停止する（手順１６６）。
【０１３１】
ところで、水蒸気改質反応時に改質器の改質触媒表面に炭素が析出する、いわゆるコーキングが発生すると、改質触媒が劣化して改質反応を阻害することがある。これを防止するには、改質器に改質原料を供給するときに、まず水蒸気のみを改質器に供給し、その後で原燃料と水蒸気とが混合された改質原料を改質器に供給するのが好適である。このとき、原料導入管６、水蒸気供給管７１、原料導入管１２、水蒸気供給管８１の内部の温度が水の沸点よりも低い状態で、これらの配管内を水蒸気が流れると、水蒸気が凝縮するため、当該配管内に水溜まりが発生してしまう。この場合には、上述したように水溜まりの突沸による配管の破損等を引き起こすことがある。
【０１３２】
これに対し本実施形態では、最初に水蒸気を起動・停止用改質器４及び発電用改質器２に供給する前に、ヒータ５１Ｂ，５２Ｂによって水蒸気供給管７１，８１の内部を水の沸点以上の温度となるまで昇温すると共に、ヒータ５１Ａ，５２Ａによって原料導入管６，１２の内部を水及び原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度となるまで昇温する。このため、その後で水蒸気が水蒸気供給管８１内及び原料導入管１２内を通って起動・停止用改質器４に供給されるとき、更には水蒸気が水蒸気供給管７１内及び原料導入管６内を通って発電用改質器２に供給されるときに、水蒸気の凝縮が防止されるようになる。これにより、水蒸気の凝縮による水溜まりの発生を防止することができる。また、原燃料が原料導入管６，１２内を通るときに、原燃料の凝縮も防止される。
【０１３３】
図１３は、燃料電池システム５０の停止時に、制御装置５３により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図１３に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム５０の停止時の運転方法について説明する。
【０１３４】
同図において、まず起動・停止用改質器４を所定の温度まで加熱する。また、電磁バルブ７４，７５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給量を減らすことにより、発電用改質器２への発電用改質原料の供給量を減らす。これにより、発電用改質器２で生成される改質ガスの供給量が減少する。
【０１３５】
そして、電磁バルブ８４，８５を制御して、起動・停止用改質器４に向けて少量の原燃料及び水蒸気を供給することにより、起動・停止用改質器４に少量の起動・停止用改質原料を供給する（手順１７１）。すると、起動・停止用改質器４により生成された改質ガスが少量だけＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。
【０１３６】
また、電磁バルブ７４，７５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、発電用改質器２への発電用改質原料の供給を停止する（手順１７２）。これにより、発電用改質器２で生成された改質ガスの供給が停止する。
【０１３７】
続いて、例えば電磁バルブ１１を制御して、ＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに供給される空気量を増やすことにより、モジュール容器５内の降温を開始する（手順１７３）。そして、各温度センサ２５の検出信号に基づいてヒータ５１Ａ〜５２Ｂの通電を例えばＰＩＤ制御して、原料導入管６、水蒸気供給管７１、原料導入管１２、水蒸気供給管８１の内部を所定範囲の温度に保持する（手順１７４）。具体的には、水蒸気供給管７１，８１の内部については、水の沸点以上の温度に保持し、原料導入管６，１２の内部については、水及び原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度に保持する。
【０１３８】
ＳＯＦＣスタック３内がアノード３ａの酸化劣化点以下の温度になった後、電磁バルブ８４，８５を制御して、原燃料及び水蒸気の供給を停止することにより、起動・停止用改質器４への起動・停止用改質原料の供給を停止する（手順１７５）。これにより、起動・停止用改質器４からＳＯＦＣスタック３への改質ガスの供給が停止する。また、ヒータ５１Ａ〜５２Ｂの通電を停止する（手順１７６）。
【０１３９】
このようなシステム停止時に、改質器への改質原料の供給を停止するときには、上述したコーキングを防止するために、まず原燃料の供給を停止し、その後で水蒸気の供給を停止するのが好適である。このとき、原料導入管６、水蒸気供給管７１、原料導入管１２及び水蒸気供給管７２の内部の温度が水の沸点よりも低い状態で、これらの配管内を水蒸気が流れると、上記と同様に水蒸気が凝縮するため、水溜まりが生じてしまう。
【０１４０】
これに対し本実施形態では、水蒸気を発電用改質器２及び起動・停止用改質器４に向けて供給している間、水蒸気供給管７１，８１の内部は水の沸点以上の温度に維持され、原料導入管６，１２の内部は水及び原燃料の沸点のうち高い方の温度以上の温度に維持される。従って、水蒸気供給管７１，８１及び原料導入管６，１２において、水蒸気の凝縮が防止されるので、当該水蒸気の凝縮による水溜まりの発生を防止することができる。また、原料導入管６，１２において、原燃料の凝縮も防止される。
【０１４１】
なお、上記第４実施形態では、原料導入管６内、水蒸気供給管７１内、原料導入管１２内、水蒸気供給管８１内をヒータ５１Ａ〜５２Ｂでそれぞれ加熱するようにしたが、これらの加熱源としては、バーナを使用しても良いし、あるいは上記第１実施形態のように燃焼触媒を使用しても良い。燃焼触媒を用いる場合には、燃焼触媒を加熱させるための燃料及び空気が必要となるが、燃料としては、発電用改質原料または起動・停止用改質原料を使っても良いし、これとは別系統の燃料ガスを使っても良い。
【０１４２】
また、上記第４実施形態では、液体の原燃料と水蒸気とを混合して改質原料とし、この改質原料を気化させるようにしたが、例えば原燃料と水を個別に気化し、原燃料ガスと水蒸気とを混合して改質原料ガスを生成する構成としても良い。この場合には、水蒸気が燃料供給管内に入り込むことがあり得るため、原料導入管及び水蒸気供給管に加え、燃料供給管内についてもヒータ等の加熱源で加熱するのが好ましい。このとき、燃料供給管の内部を燃料の沸点以上の温度に維持する。
【０１４３】
以上、本発明に係わる燃料電池システム及びその運転方法の好適な実施形態について幾つか説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、発電用改質器２及び起動・停止用改質器４が何れもモジュール容器５内に配置されているが、本発明は、発電用改質器２がモジュール容器５内に配置され、起動・停止用改質器４がモジュール容器５の外部に配置されているシステムや、或いは発電用改質器２及び起動・停止用改質器４が何れもモジュール容器５の外部に配置されているシステムにも適用可能である。
【０１４４】
また、本発明は、改質器が１つしかない燃料電池システムにも適用可能である。この場合、燃料電池システムの起動時には、例えば改質ガス供給管８内やＳＯＦＣスタック３内のガス流路等または原料導入管内や水蒸気供給管内を水の沸点以上の温度に保持した状態で、改質原料を改質器に導入し、改質器で生成された改質ガスをＳＯＦＣスタック３に供給する。一方、燃料電池システムの停止時には、例えば改質ガス供給管８内やＳＯＦＣスタック３内のガス流路等または原料導入管内や水蒸気供給管内を水の沸点以上の温度に保持した状態で、改質器への改質原料の導入を停止することで、ＳＯＦＣスタック３への改質ガスの供給を停止する。
【０１４５】
また、上記実施形態の燃料電池システムは、原燃料及び水蒸気を混合した改質原料を導入し、原燃料を水蒸気改質反応させる改質器を備えたものであるが、本発明は、原燃料、水蒸気及び空気を混合した改質原料を導入し、原燃料を自己熱改質反応させる改質器を備えたもの等にも適用可能である。この場合には、コーキング防止のために、例えばまず水蒸気及び空気を改質器に順に供給し、その後で原燃料と水蒸気と空気とが混合された改質原料を改質器に供給するのが好適である。
【０１４６】
さらに、上記実施形態は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に関するシステムであるが、本発明は、例えばＳＯＦＣと同じ高温型燃料電池である溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】本発明に係わる燃料電池システムの第１実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】図１に示した改質ガス供給管の概略図である。
【図３】図１に示した燃料電池システムの起動時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図１に示した燃料電池システムの停止時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明に係わる燃料電池システムの第２実施形態を示すシステム構成図である。
【図６】図５に示した燃料電池システムの起動時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
【図７】図５に示した燃料電池システムの停止時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明に係わる燃料電池システムの第３実施形態を示すシステム構成図である。
【図９】図８に示した燃料電池システムの起動時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】図８に示した燃料電池システムの停止時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】本発明に係わる燃料電池システムの第４実施形態を示すシステム構成図である。
【図１２】図１１に示した燃料電池システムの起動時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
【図１３】図１１に示した燃料電池システムの停止時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１４８】
１…燃料電池システム、２…発電用改質器、３…固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック、３ａ…アノード、４…起動・停止用改質器、５…モジュール容器、６…原料導入管（改質原料流路）、８…改質ガス供給管（改質ガス流路）、８ａ…曲がり流路部、１０…ガス排気管（下流ガス流路）、１２…原料導入管（改質原料流路）、１５Ａ〜１５Ｃ…燃焼触媒（加熱手段）、１６…空気導入管（加熱手段）、１７…電磁バルブ（加熱手段）、１８…空気導入管（加熱手段）、１９…電磁バルブ（加熱手段）、２０…空気導入管（加熱手段）、２１…電磁バルブ（加熱手段）、２５…温度センサ（温度検出手段）、２６…制御装置（制御手段）、３０…燃料電池システム、３１Ａ〜３１Ｃ…ヒータ（加熱手段）、３２…制御装置（制御手段）、４０…燃料電池システム、４１…バーナ（加熱手段）、４２…ヒータ（加熱手段）、４３…制御装置（制御手段）、５０…燃料電池システム、５１Ａ,５１Ｂ…ヒータ（加熱手段）、５２Ａ,５２Ｂ…ヒータ（加熱手段）、５３…制御装置（制御手段）、７０…燃料供給管（原燃料流路）、７１…水蒸気供給管（水蒸気流路）、８０…燃料供給管（原燃料流路）、８１…水蒸気供給管（水蒸気流路）。
【図１】
2008192425.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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