(57)【要約】【課題】固体電解質型燃料電池を有する燃料電池発電システムにおいて、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を図る。【解決手段】燃料電池発電システム（１）は、脱硫器（３）、プレリフォーマー（５）及び内部改質式固体電解質型燃料電池（７）等によって構成されている。燃料電池（７）は、空気極（３１）、電解質（３３）、燃料極（３５）、空気室（３７）、燃料室（３９）、及び外部回路等によって構成されている。プレリフォーマー（５）は、内部改質式固体電解質型燃料電池（７）の起動時において、脱硫器（３）を流通させた都市ガス及び空気等を流通させ、都市ガス中の炭化水素を部分酸化させることによりＣＯ及びＨ２を含む部分酸化ガスを生成するものである。部分酸化ガスは燃料室（３９）に供給される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを流通させるとともに該流通中に上記原料ガスに含まれる炭化水素を部分酸化させる触媒部を有する改質器（５）と、
該改質器（５）の下流側に設けられ、上記原料ガス及び酸素含有ガスが上記改質器（５）を流通することにより生成された水素を含む部分酸化ガスが供給される燃料極（３５）と、酸素を含む酸素含有ガスが供給される酸素極（３１）と、上記燃料極（３５）と上記酸素極（３１）との間に介在する電解質（３３）とを含む電池本体を有し、上記燃料極（３５）、上記酸素極（３１）及び上記電解質（３３）において上記部分酸化ガスと上記酸素含有ガスとを電極反応させる固体電解質型燃料電池（７）と、
を備えている燃料電池発電システム。
【請求項２】
原料ガスを流通させると上記原料ガスに含まれる炭素数２以上の炭化水素を水素の存在下でメタンに変化させる一方、上記原料ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを流通させると上記原料ガスに含まれる炭化水素を部分酸化させる触媒部を有する改質器（５）と、
該改質器（５）の下流側に設けられ、水素を含む水素含有ガスが供給される燃料極（３５）と、酸素を含む酸素含有ガスが供給される酸素極（３１）と、上記燃料極（３５）と上記酸素極（３１）との間に介在する電解質（３３）とを含む電池本体を有し、上記燃料極（３５）、上記酸素極（３１）及び上記電解質（３３）において上記水素含有ガスと上記酸素含有ガスとを電極反応させる固体電解質型燃料電池（７）とを備えている燃料電池発電システムであって、
上記改質器（５）の触媒部に上記原料ガス及び酸素含有ガスを流通させるとともに、上記原料ガス及び酸素含有ガスが上記改質器（５）を流通することにより生成された水素を含む部分酸化ガスを上記水素含有ガスとして上記燃料極（３５）に供給する起動運転と、
上記改質器（５）の触媒部に上記原料ガスを流通させるとともに、上記原料ガスが上記改質器（５）を流通することにより生成されたメタンを含む燃料ガスを上記燃料極（３５）に供給する通常運転とを実行する燃料電池発電システム。
【請求項３】
上記改質器（５）に流入させる前の原料ガス及び酸素含有ガスと上記改質器（５）から排出された部分酸化ガスとを熱交換させる第１熱交換手段（６）を備えている請求項１又は２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
上記改質器（５）の起動時に原料ガス及び酸素含有ガスを燃焼する第１燃焼手段（４）と、
該第１燃焼手段（４）において上記原料ガス及び酸素含有ガスを燃焼することにより生成された燃焼ガスを上記改質器（５）に対して供給し上記改質器（５）を加熱する第１燃焼ガス供給手段（１６）と、
を備えている請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
上記電極反応の開始前に原料ガス及び酸素含有ガスを燃焼する第２燃焼手段（８）と、
該第２燃焼手段（８）において上記原料ガス及び酸素含有ガスを燃焼することにより生成された燃焼ガスを上記酸素極（３１）に対して供給し上記酸素極（３１）を加熱する第２燃焼ガス供給手段（５７，５９）と、
を備えている請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
原料ガス及び第１酸素含有ガスを燃焼する第３燃焼手段（１２）と、
該第３燃焼手段（１２）において上記原料ガス及び第１酸素含有ガスを燃焼することにより生成された燃焼ガスと上記第１酸素含有ガスと異なる第２の酸素含有ガスとを熱交換させる第２熱交換手段（９３）と、
該第２熱交換手段（９３）により加熱された第２酸素含有ガスを上記改質器（５）及び上記酸素極（３１）の一方又は双方に対して供給する酸素含有ガス供給手段（７５，８３，８７）と、
を備えている請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、固体電解質型燃料電池を有する燃料電池発電システムが知られている。
【０００３】
固体電解質型燃料電池は、電解質、燃料極、空気極、燃料室、及び空気室等によって構成されている。電解質の一方の面には燃料極が設けられ、他方の面には空気極が設けられている。そして、電解質を隔壁として、燃料極側に燃料室が設けられ、空気極側に空気室が設けられている。
【０００４】
発電を行うときには、燃料室にＨ２及びＣＯが供給され、空気室に空気が供給される。そして、空気室内の酸素は空気極と電解質との界面で解離して酸素イオン（Ｏ２−）となり、燃料極側に移動する。次に、Ｏ２−は燃料極と電解質との界面で燃料室内のＨ２及びＣＯと反応し、それにより、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２が生成される。このとき、Ｏ２−から放出された電子によって発電が行われる。
【０００５】
ところで、Ｏ２−が電解質中を燃料極に向かって滞りなく移動するためには、電解質の温度が７００℃〜１０００℃であることが好ましい。したがって、固体電解質型燃料電池の作動温度は７００℃〜１０００℃に設定されている。
【０００６】
ここで、固体電解質型燃料電池の作動温度は７００℃〜１０００℃であるので、固体電解質型燃料電池を作動させるためには、固体電解質型燃料電池に対して外部から熱を加える必要がある。そこで、固体電解質型燃料電池を加熱するバーナーが、固体電解質型燃料電池の近傍に設置されている。そして、固体電解質型燃料電池の起動時に、バーナーの燃焼熱を用いて固体電解質型燃料電池の予熱が行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体電解質型燃料電池の作動温度が７００℃〜１０００℃という高温であるため、固体電解質型燃料電池を起動させるのに、従来は長い時間を要した。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固体電解質型燃料電池を有する燃料電池発電システムにおいて、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を図る技術を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、原料ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを流通させるとともに該流通中に原料ガスに含まれる炭化水素を部分酸化させる触媒部を有する改質器と、該改質器の下流側に設けられ、上記原料ガス及び酸素含有ガスが上記改質器を流通することにより生成された水素を含む部分酸化ガスが供給される燃料極と、酸素を含む酸素含有ガスが供給される酸素極と、上記燃料極と上記酸素極との間に介在する電解質とを含む電池本体を有し、上記燃料極、上記酸素極及び上記電解質において上記部分酸化ガスと上記酸素含有ガスとを電極反応させる固体電解質型燃料電池と、を備えている燃料電池発電システムである。
【００１０】
ところで、電解質中をイオンが移動可能となる温度は、固体電解質型燃料電池の作動温度（７００℃〜１０００℃程度の高温）より低い所定温度である。
【００１１】
ここで、本発明によれば、部分酸化ガスが燃料極に対して供給されるため、部分酸化ガスの有する熱を用いて燃料極、ひいては電解質を加熱することができる。そして、電解質の温度が所定温度に達すると、部分酸化ガスに含まれる水素を用いることにより、燃料極、酸素極、及び電解質において電極反応を起こし発電を開始することができる。したがって、本発明によれば、固体電解質型燃料電池の作動温度より低い所定温度で発電を開始することができる。
【００１２】
また、上記電極反応に伴って熱が発生する。よって、部分酸化ガスの有する熱とともに、上記電極反応に伴う熱を用いて電解質を加熱することができる。それゆえ、固体電解質型燃料電池の温度が作動温度に達するまでの時間を短縮化することができる。したがって、本発明によれば、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を図ることができる。
【００１３】
請求項２の発明は、原料ガスを流通させると上記原料ガスに含まれる炭素数２以上の炭化水素を水素の存在下でメタンに変化させる一方、上記原料ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを流通させると上記原料ガスに含まれる炭化水素を部分酸化させる触媒部を有する改質器と、該改質器の下流側に設けられ、水素を含む水素含有ガスが供給される燃料極と、酸素を含む酸素含有ガスが供給される酸素極と、上記燃料極と上記酸素極との間に介在する電解質とを含む電池本体を有し、上記燃料極、上記酸素極及び上記電解質において上記水素含有ガスと上記酸素含有ガスとを電極反応させる固体電解質型燃料電池とを備えている燃料電池発電システムであって、上記改質器の触媒部に上記原料ガス及び酸素含有ガスを流通させるとともに、上記原料ガス及び酸素含有ガスが上記改質器を流通することにより生成された水素を含む部分酸化ガスを上記水素含有ガスとして上記燃料極に供給する起動運転と、上記改質器の触媒部に上記原料ガスを流通させるとともに、上記原料ガスが上記改質器を流通することにより生成されたメタンを含む燃料ガスを上記燃料極に供給する通常運転とを実行するものである。
【００１４】
これにより、起動運転時において、部分酸化ガスが燃料極に対して供給されるため、部分酸化ガスの有する熱を用いて燃料極、ひいては電解質を加熱することができる。そして、電解質の温度が所定温度に達すると、部分酸化ガスに含まれる水素を用いることにより、燃料極、酸素極、及び電解質において電極反応を起こし発電を開始することができる。したがって、本発明によれば、固体電解質型燃料電池の作動温度より低い所定温度で発電を開始することができる。
【００１５】
また、上記電極反応に伴って熱が発生する。よって、部分酸化ガスの有する熱とともに、上記電極反応に伴う熱を用いて電解質を加熱することができる。それゆえ、固体電解質型燃料電池の温度が作動温度に達するまでの時間を短縮化することができる。したがって、本発明によれば、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を図ることができる。
【００１６】
また、通常運転時において、改質器が炭素数２以上の炭化水素をメタンに変化させるため、燃料極に供給される燃料ガスには炭素数２以上の炭化水素は含まれない。よって、燃料極への水の供給量が少ない場合でも、燃料極に炭素が析出するおそれは少ない。したがって、本発明によれば、固体電解質型燃料電池の燃料極における炭素の析出を防ぐことができる。
【００１７】
また、通常運転時において、固体電解質型燃料電池の燃料極では、上記燃料ガスを水の存在下で水素を含む改質ガスに変化させることができる。したがって、本発明によれば、上記改質ガスを水素含有ガスとして用いることができる。
【００１８】
請求項３の発明は更に、上記改質器に流入させる前の原料ガス及び酸素含有ガスと上記改質器から排出された部分酸化ガスとを熱交換させる第１熱交換手段を備えているものである。
【００１９】
ところで、温度の低い原料ガス及び酸素含有ガスが改質器に供給されると、改質器の触媒部は原料ガス及び酸素含有ガスにより冷却される。このとき、改質器において、原料ガスに含まれる炭化水素を部分酸化させる反応が抑制される。
【００２０】
ここで、本発明によれば、第１熱交換手段が、改質器に流入させる前の原料ガス及び酸素含有ガスと改質器から排出された部分酸化ガスとを熱交換させるため、部分酸化ガスの有する熱により原料ガス及び酸素含有ガスが加熱される。よって、原料ガス及び酸素含有ガスが改質器の触媒部を冷却することを防ぐことができる。したがって、本発明によれば、改質器において、上記部分酸化反応を活発に起こすことができる。
【００２１】
請求項４の発明は更に、上記改質器の起動時に原料ガス及び酸素含有ガスを燃焼する第１燃焼手段と、該第１燃焼手段において上記原料ガス及び酸素含有ガスを燃焼することにより生成された燃焼ガスを上記改質器に対して供給し上記改質器を加熱するものである。
【００２２】
ところで、改質器の温度を所定温度以上にすると、改質器において部分酸化反応を開始することができる。
【００２３】
ここで、本発明によれば、第１燃焼ガス供給手段が、改質器の起動時に燃焼ガスを改質器に対して供給するため、燃焼ガスの有する熱により改質器が加熱される。よって、改質器の温度を所定温度にすることができるため、改質器において部分酸化反応を開始することができる。したがって、本発明によれば、改質器を起動させることができる。
【００２４】
請求項５の発明は更に、上記電極反応の開始前に原料ガス及び酸素含有ガスを燃焼する第２燃焼手段と、該第２燃焼手段において上記原料ガス及び酸素含有ガスを燃焼することにより生成された燃焼ガスを上記酸素極に対して供給し上記酸素極を加熱する第２燃焼ガス供給手段と、を備えているものである。
【００２５】
これにより、第２燃焼ガス供給手段が、電極反応の開始前に燃焼ガスを酸素極に対して供給するため、燃焼ガスの有する熱を用いて酸素極、ひいては電解質が加熱される。よって、部分酸化ガスの有する熱及び上記電極反応に伴う熱とともに、燃焼ガスの有する熱を用いて電解質を加熱することができる。それゆえ、固体電解質型燃料電池の温度が作動温度に達するまでの時間を更に短縮化することができる。したがって、本発明によれば、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を更に図ることができる。
【００２６】
請求項６の発明は更に、原料ガス及び第１酸素含有ガスを燃焼する第３燃焼手段と、該第３燃焼手段において上記原料ガス及び第１酸素含有ガスを燃焼することにより生成された燃焼ガスと上記第１酸素含有ガスと異なる第２の酸素含有ガスとを熱交換させる第２熱交換手段と、該第２熱交換手段により加熱された第２酸素含有ガスを上記改質器及び上記酸素極の一方又は双方に対して供給する酸素含有ガス供給手段と、を備えているものである。
【００２７】
ところで、原料ガス及び酸素含有ガスを燃焼すると、原料ガスに含まれる炭化水素が燃焼することにより水及び煤が発生する場合がある。それゆえ、燃焼ガスを燃料極及び酸素極に供給すると、燃焼ガスに含まれる水及び煤によって燃料極及び酸素極が劣化するおそれがある。
【００２８】
ここで、本発明によれば、第２熱交換手段が、燃焼ガスと第２酸素含有ガスとを熱交換させ、且つ、酸素含有ガス供給手段が改質器及び酸素極の一方又は双方に対して第２酸素含有ガスを供給するため、燃焼ガスに含まれる水及び煤が燃料極及び酸素極の一方又は双方に対して供給されることはない。したがって、本発明によれば、燃料極及び酸素極が水及び煤により劣化することを防ぐことができる。
【００２９】
また、第２熱交換手段が、燃焼ガスと第２酸素含有ガスとを熱交換させるため、第２酸素含有ガスは加熱される。そして、酸素含有ガス供給手段が改質器及び酸素極の一方又は双方に対して、加熱された第２酸素含有ガスを供給する。よって、部分酸化ガスの有する熱及び上記電極反応に伴う熱とともに、第２酸素含有ガスの有する熱を用いて電解質を加熱することができる。それゆえ、固体電解質型燃料電池の温度が作動温度に達するまでの時間を更に短縮化することができる。したがって、本発明によれば、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を更に図ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム（１）は、脱硫器（３）、第１起動用バーナー（４）、プレリフォーマー（５）、自己熱交換器（６）、内部改質式固体電解質型燃料電池（７）（以下、燃料電池という）、燃焼機（９）、熱交換器（１１）、第１〜第８流路（１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０）、第１及び第２電磁弁（２１，２２）及び第１〜第３ブロワー（２３，２４，２５）等によって構成されている。なお、本発明でいうところの第１燃焼手段は第１起動用バーナー（４）によって構成され、改質器はプレリフォーマー（５）によって構成され、固体電解質型燃料電池は燃料電池（７）によって構成され、第１熱交換手段は自己熱交換器（６）によって構成され、第１燃焼ガス供給手段は第４流路（１６）によって構成され、部分酸化ガス供給手段は第５流路（１７）によって構成されている。
【００３２】
第１流路（１３）の一端（図１において右端）は脱硫器（３）の入口（３ａ）につながっている。
【００３３】
第１ブロワー（２３）は、第１流路（１３）を介して都市ガスを脱硫器（３）に送り出すものである。都市ガスは、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、及びＣ４Ｈ１０を含むガスである。
【００３４】
脱硫器（３）は、流入した都市ガスを流通させ、都市ガス中の硫化物を吸着するものである。脱硫器（３）の出口（３ｂ）は、第２流路（１４）の一端（左端）につながっている。
【００３５】
第１起動用バーナー（４）は、後述するプレリフォーマー（５）の起動時において、脱硫器（３）を流出した都市ガスと空気とを流通させ、上記都市ガス及び空気を燃焼するものである。プレリフォーマー（５）の起動時とは、プレリフォーマー（５）の温度が４００℃に達するまでの時期をいう。第１起動用バーナー（４）の第１入口（４ａ）は第２流路（１４）の他端（右端）につながり、第２入口（４ｂ）は第３流路（１５）の一端につながり、出口（４ｃ）は第４流路（１６）の一端につながっている。
【００３６】
第４流路（１６）の他端はプレリフォーマー（５）の入口（５ａ）につながっている。
【００３７】
第５流路（１７）の一端はプレリフォーマー（５）の出口（５ｂ）につながり、他端は燃料電池（７）の燃料室（３９）の入口（３９ａ）につながっている。
【００３８】
自己熱交換器（６）内には、第４流路（１６）と第５流路（１７）とが並行に延びている。そして、自己熱交換器（６）は、第４流路（１６）を流通するガスと、第５流路（１７）を流通するガスとを熱交換させる。
【００３９】
プレリフォーマー（５）は、燃料電池（７）の起動時において、脱硫器（３）を流通させた都市ガス及び空気等を流通させ、都市ガス中の炭化水素を部分酸化させることにより一酸化炭素及び水素を含む部分酸化ガスを生成するものである。燃料電池（７）の起動時とは、燃料電池（７）の温度が７００℃〜１０００℃に達するまでの時期をいう。
【００４０】
また、プレリフォーマー（５）は、燃料電池発電システム（１）の通常運転時において、脱硫器（３）を流通させた都市ガスと燃料再循環ガスとが混合した原料ガスを流通させ、原料ガス中のＣＨ４を改質しない一方、原料ガス中の炭素数２以上の炭化水素、すなわち、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、及びＣ４Ｈ１０等をＣＨ４に改質するものである。燃料電池発電システム（１）の通常運転時とは、燃料電池（７）の温度が７００℃〜１０００℃に達した後の時期をいう。
【００４１】
プレリフォーマー（５）は中空部を有する管を備え、その中空部には触媒部が設けられている。触媒部はＲｕ、Ｒｈ等の貴金属触媒によって形成されている。また、触媒部は、ガス中の硫化物を吸着する性質も有している。ここで、触媒部を形成している貴金属触媒の量は、燃料電池（７）を始動させてから燃料電池（７）の寿命が尽きるまでの間、脱硫器（３）で吸着されなかったガス中の硫化物を吸着するのに最低限必要とされる量である。
【００４２】
燃料電池（７）は、（Ｌａ，Ｃａ）ＭｎＯ３からなる空気極（３１）、ＹＳＺからなる電解質（３３）、Ｎｉ−ＹＳＺからなる燃料極（３５）、空気室（３７）、燃料室（３９）、及び外部回路（図示せず）等によって構成されている。電解質（３３）は、その内部をイオンだけが通過することができ、ガス及び電子は通過することができない。電解質（３３）の一方の面（左側の面）には燃料極（３５）が設けられ、他方の面（右側の面）には空気極（３１）が設けられている。そして、電解質（３３）を隔壁として、燃料極（３５）側に燃料室（３９）が設けられ、空気極（３１）側に空気室（３７）が設けられている。燃料極（３５）と空気極（３１）とは、外部回路（図示せず）を介してつながっている。燃料電池（７）の作動温度は、７００℃〜１０００℃である。なお、本発明でいうところの酸素極は空気極（３１）によって構成されている。
【００４３】
空気室（３７）の入口（３７ａ）は、第６流路（１８）の一端（上端）につながっている。そして、第１電磁弁（２１）が開いた状態のときに、空気室（３７）には空気が供給される。
【００４４】
燃料室（３９）には、燃料電池（７）の起動時において、プレリフォーマー（５）から流出したＣＯ及びＨ２を含む部分酸化ガスが供給される。
【００４５】
また、燃料室（３９）には、燃料電池発電システム（１）の通常運転時において、プレリフォーマー（５）から流出したＣＨ４を含む燃料ガスが供給される。
【００４６】
燃料室（３９）の再循環口（３９ｂ）は第７流路（１９）を介して第２流路（１４）の中途部につながっている。そして、燃料室（３９）から排出されたＣＯ及びＨ２含む燃料再循環ガスは、第２ブロワー（２４）により第２流路（１４）に送り出される。第２流路（１４）に流入した燃料再循環ガスは、脱硫器（３）を流通した都市ガスと混合される。
【００４７】
燃焼機（９）は、燃料電池（７）の空気室（３７）及び燃料室（３９）につながっている。そして、燃焼機（９）は、燃料室（３９）から排出されたＣＯ及びＨ２を含む排ガス及び空気室（３７）から排出された排ガスを燃焼する。
【００４８】
第８流路（２０）は燃焼機（９）で燃焼した排ガスが流通する流路であり、その一端（左端）が燃焼機（９）とつながり、その他端（右端）が排ガスの排出口（図示せず）につながっている。
【００４９】
第３ブロワー（２５）は、第３流路（１５）を介して空気を、第１起動用バーナー（４）及び燃料電池（７）の空気室（３７）の一方又は双方に送り出すものである。
【００５０】
熱交換器（１１）内には、第３流路（１５）と第８流路（２０）とが並行に延びている。そして、熱交換器（１１）は、第３流路（１５）を流通する空気と、第８流路（２０）を流通する排ガスとを熱交換させる。
【００５１】
第２電磁弁（２２）は、第３流路（１５）において、第３流路（１５）及び第６流路（１８）の合流点と第１起動用バーナー（４）との間に設けられている。
【００５２】
ここで、燃料電池発電システム（１）の動作を説明する。
【００５３】
（プレリフォーマーの起動）
まず、プレリフォーマー（５）の起動が行われる。
【００５４】
プレリフォーマー（５）の起動時において、第１電磁弁（２１）は閉じた状態にあり、第２電磁弁（２２）は開いた状態にある。また、第１起動用バーナー（４）は稼動している。
【００５５】
都市ガスは、第１流路（１３）を通って脱硫器（３）に流入する。そして、脱硫器（３）に流入した都市ガスは、脱硫器（３）を流通することにより、含有する硫化物が除去される。
【００５６】
次に、硫化物が除去された都市ガスは脱硫器（３）を流出し、第２流路（１４）を通って第１起動用バーナー（４）に流入する。
【００５７】
一方、空気は、第３流路（１５）を通って熱交換器（１１）に流入する。熱交換器（１１）において、空気と燃焼機（９）で燃焼された排ガスとは熱交換を行う。それにより、空気は加熱される。
【００５８】
加熱された空気は熱交換器（１１）を流出し、第３流路（１５）を通って第１起動用バーナー（４）に流入する。
【００５９】
そして、第１起動用バーナー（４）に流入した都市ガス及び空気は、第１起動用バーナー（４）において燃焼される。
【００６０】
第１起動用バーナー（４）において都市ガス及び空気を燃焼することにより生成された燃焼ガスは第１起動用バーナー（４）を流出し、第４流路（１６）を通って自己熱交換器（６）に流入する。そして、自己熱交換器（６）において、第４流路（１６）を流れる燃焼ガスと第５流路（１７）を流れる燃焼ガスとは熱交換を行う。
【００６１】
自己熱交換器（６）を流通した燃焼ガスはプレリフォーマー（５）に流入する。そして、燃焼ガスがプレリフォーマー（５）を流通することにより、プレリフォーマー（５）の触媒部は予熱される。プレリフォーマー（５）の触媒部の予熱は、触媒部の温度が４００℃に達するまで行われる。ここで、プレリフォーマー（５）の触媒部の予熱が触媒部の温度が４００℃に達するまで行われるのは、触媒部の温度が４００℃に達すると、プレリフォーマー（５）において後述する部分酸化反応を開始することができるからである。
【００６２】
プレリフォーマー（５）を流通した燃焼ガスはプレリフォーマー（５）を流出し、第５流路（１７）を通って燃料電池（７）の燃料室（３９）に流入する。
【００６３】
燃料室（３９）に流入した燃焼ガスは、燃焼機（９）及び第８流路（２０）を通って排出口から排出される。
【００６４】
（燃料電池の予熱）
次に、燃料電池（７）の予熱が行われる。
【００６５】
ここで、プレリフォーマー（５）の触媒部の温度が４００℃に達すると、第１起動用バーナー（４）の運転は停止される。また、このとき、プレリフォーマー（５）の起動時に閉じられていた第１電磁弁（２１）は開かれる。
【００６６】
まず、第２流路（１４）及び第７流路（１９）の合流点で、都市ガスはＣＯ及びＨ２を含む燃料再循環ガスと混合される。都市ガスと燃料再循環ガスとが混合した原料ガスは、第２流路（１４）を通って停止中の第１起動用バーナー（４）に流入する。
【００６７】
一方、空気は熱交換器（１１）を流出し、第３流路（１５）を通って第３流路（１５）及び第６流路（１８）の合流点に達する。そして、上記合流点において、空気は第３流路（１５）と第６流路（１８）とに分流する。
【００６８】
第３流路（１５）に流入した空気は、第３流路（１５）を通って停止中の第１起動用バーナー（４）に流入する。
【００６９】
次に、第１起動用バーナー（４）に流入した原料ガス及び空気は第１起動用バーナー（４）から流出し、第４流路（１６）を通って自己熱交換器（６）に流入する。そして、自己熱交換器（６）において、第４流路（１６）を流れる原料ガスと第５流路（１７）を流れる部分酸化ガスとは熱交換を行う。それにより、第４流路（１６）を流れる原料ガスは加熱される。
【００７０】
加熱された原料ガスは、プレリフォーマー（５）に流入する。そして、原料ガスがプレリフォーマー（５）の触媒部を流通することにより、原料ガスに含まれる炭化水素と酸素とが反応して一酸化炭素と水素とが生成される部分酸化反応が起こる。
【００７１】
部分酸化反応の反応式は、次の式に示すとおりである。この反応は発熱反応である。
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎ／２Ｏ２→　ｎＣＯ＋（ｎ＋１）Ｈ２…▲１▼
【００７２】
すなわち、プレリフォーマー（５）の触媒部では、上記式▲１▼の反応が起こり、炭化水素及び酸素から一酸化炭素及び水素が生成される。
【００７３】
なお、上記式▲１▼は、左辺から右辺へ向かう正方向の反応だけでなく、右辺から左辺へ向かう逆方向の反応も同時に起こっていると考えられる。しかし、逆方向の反応に比較して正方向の反応が多いため、正方向の反応が起こっているとみなすことができる。
【００７４】
ところで、都市ガスを脱硫器（３）に流通させても、都市ガスに含まれる硫化物は、そのすべてが脱硫器（３）により除去されるとは限らない。ここで、プレリフォーマー（５）の触媒部はガス中の硫化物を吸着する性質を有するため、原料ガス中に残存している硫化物は、プレリフォーマー（５）を流通することにより除去される。
【００７５】
次に、プレリフォーマー（５）を流通することにより生成されたＣＯ及びＨ２を含む部分酸化ガスは、第５流路（１７）を通って燃料電池（７）の燃料室（３９）に流入する。ここで、上記▲１▼の反応は発熱反応であるため、部分酸化ガスは熱を有している。したがって、部分酸化ガスが燃料室（３９）を流通することにより、燃料極（３５）、ひいては電解質（３３）は予熱される。
【００７６】
一方、第６流路（１８）に流入した空気は、第６流路（１８）を通って燃料電池（７）の空気室（３７）に流入する。そして、空気が空気室（３７）を流通することにより、空気極（３１）、ひいては電解質（３３）は予熱される。
【００７７】
燃料電池（７）の予熱は、燃料電池（７）の温度が５００℃に達するまで行われる。ここで、燃料電池（７）の温度が５００℃に達すると、電解質（３３）中をイオンが移動することが可能となるため、燃料電池（７）において発電を開始することができる。
【００７８】
次に、燃料室（３９）から排出されたＣＯ及びＨ２を含む燃料再循環ガスは、第７流路（１９）を通って第２流路（１４）に流入する。そして、第２流路（１４）及び第７流路（１９）の合流点で、燃料再循環ガスは都市ガスと混合される。
【００７９】
また、燃料室（３９）から排出されたＣＯ及びＨ２を含む排ガス及び空気室（３７）から排出された排ガスは燃焼機（９）に流入する。そして、燃焼機（９）において、排ガスは燃焼される。
【００８０】
上記燃焼の反応式は、次の式に示す通りである。
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２…▲２▼
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ…▲３▼
【００８１】
燃焼された排ガスは、第８流路（２０）を通って熱交換器（１１）に流入し、第３流路（１５）を流通する空気と熱交換を行う。
【００８２】
熱交換器（１１）を流通した排ガスは、第８流路（２０）を通って排出口から排出される。
【００８３】
（発電開始）
次に、燃料電池（７）の予熱を引き続き行いながら、発電が開始される。なお、本発明でいうところの起動運転は、燃料電池（７）の予熱時及び発電開始時の運転に対応する。
【００８４】
ここで、燃料電池（７）の温度が５００℃に達したとき、第１起動用バーナー（４）の運転は停止されたままである。また、このとき、第１及び第２電磁弁（２１，２２）は開いた状態のままである。
【００８５】
プレリフォーマー（５）を流通することにより生成されたＣＯ及びＨ２を含む部分酸化ガスは、第５流路（１７）を通って燃料電池（７）の燃料室（３９）に流入する。
【００８６】
一方、空気は、第３及び第６流路（１５，１８）を通って燃料電池（７）の空気室（３７）に流入する。
【００８７】
次に、燃料電池（７）の動作を詳細に説明する。
【００８８】
まず、空気室（３７）内の酸素が空気極（３１）と電解質（３３）との界面で解離して酸素イオンとなる反応が行われる。
【００８９】
上記反応の反応式は、次の式に示す通りである。
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−…▲４▼
【００９０】
酸素イオンは電解質（３３）を通って燃料極（３５）側に移動する。
【００９１】
そして、燃料極（３５）と電解質（３３）との界面で、酸素イオンと燃料室（３９）内の部分酸化ガスに含まれる一酸化炭素及び水素とが反応して二酸化炭素及び水蒸気が生成される反応が行われる。
【００９２】
上記反応の反応式は、次の式に示す通りである。
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−…▲５▼
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−…▲６▼
【００９３】
このとき、Ｏ２−から放出された電子が燃料極（３５）から外部回路へ流れ込む。そして、外部回路において電気エネルギーが取り出され、発電が行われる。
【００９４】
さらに、電子は外部回路から空気極（３１）に流れ込み、上記式▲４▼に示すように、空気極（３１）と電解質（３３）との界面で空気室（３７）内の酸素と反応して酸素イオンとなる。
【００９５】
また、上述した部分酸化ガス及び空気の有する熱とともに、発電のときに発生する熱を用いて燃料電池（７）の予熱が行われる。この燃料電池（７）の予熱は、燃料電池（７）の温度が７００℃〜１０００℃（作動温度）に達するまで行われる。ここで、燃料電池（７）の温度が７００℃〜１０００℃に達すると、電解質（３３）中をイオンが滞りなく移動できるため、後述する燃料電池発電システムの通常運転を開始することができる。
【００９６】
次に、燃料室（３９）から排出されたＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ及びＨ２を含む燃料再循環ガスは、第７流路（１９）を通って第２流路（１４）に流入する。そして、第２流路（１４）及び第７流路（１９）の合流点で、燃料再循環ガスは都市ガスと混合される。
【００９７】
（燃料電池発電システムの通常運転）
次に、燃料電池発電システム（１）の通常運転が行われる。
【００９８】
燃料電池（７）の温度が７００℃〜１０００℃に達したとき、第１起動用バーナー（４）の運転は停止されたままである。また、このとき、第１電磁弁（２１）は開いた状態のままである一方、第２電磁弁（２２）は閉じられる。
【００９９】
都市ガスと燃料再循環ガスとが混合した原料ガスは、第２及び第４流路（１４，１６）を通ってプレリフォーマー（５）に流入する。
【０１００】
次に、プレリフォーマー（５）の動作を詳細に説明する。
【０１０１】
プレリフォーマー（５）の触媒部では、触媒部を原料ガスが流通することにより、炭素数２以上の炭化水素と水素とが反応してメタンが生成されるメタン化反応が活発に起こる一方、炭素数２以上の炭化水素と水蒸気とが反応して水素と一酸化炭素とが生成される水蒸気改質反応が若干起こる。なお、メタン化反応はプレリフォーマー（５）の触媒部の全体に亘って起こり、水蒸気改質反応は主としてプレリフォーマー（５）の入口（５ａ）側の触媒部で起こる。
【０１０２】
メタン化反応の反応式は、次の式に示すとおりである。この反応は発熱反応である。
ＣｎＨ２ｎ＋２＋（ｎ−１）Ｈ２→　ｎＣＨ４…▲７▼
【０１０３】
ここで、メタン化反応で用いられるＨ２は、水蒸気改質反応で生成されるＨ２及び燃料再循環ガスに含まれるＨ２である。
【０１０４】
水蒸気改質反応の反応式は、次の式に示す通りである。この反応は吸熱反応である。
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ　→　ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ２…▲８▼
【０１０５】
すなわち、プレリフォーマー（５）の触媒部では、上記式▲７▼及び式▲８▼の各反応が起こり、２以上の炭化水素からメタン、一酸化炭素及び、水素が生成される。
【０１０６】
プレリフォーマー（５）を流通することにより生成されたＣＨ４及びＨ２Ｏ含む燃料ガスは、第５流路（１７）を通って燃料電池（７）の燃料室（３９）に流入する。
【０１０７】
一方、空気は、第３及び第６流路（１５，１８）を通って燃料電池（７）の空気室（３７）に流入する。
【０１０８】
次に、燃料電池（７）の動作を説明する。
【０１０９】
燃料室（３９）では、燃料極（３５）に含まれるＮｉの触媒作用により、メタンと水蒸気とが反応して一酸化炭素と水素とが生成される水蒸気改質反応が行われる。
【０１１０】
水蒸気改質反応の反応式は、次の式に示す通りである。この反応は吸熱反応である。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ＋３Ｈ２…▲９▼
【０１１１】
以下、燃料電池（７）において、上述と同様な電極反応が起こり、それにより、発電が行われる。
【０１１２】
本実施形態では、燃料電池（７）の起動時に、部分酸化ガスが第４流路（１６）を介して燃料室（３９）に対して供給されるため、部分酸化ガスの有する熱を用いて燃料極（３５）、ひいては電解質（３３）を予熱することができる。そして、電解質（３３）の温度が５００℃に達すると、部分酸化ガスに含まれるＣＯ及びＨ２を用いることにより、燃料電池（７）において電極反応を起こし発電を開始することができる。したがって、燃料電池（７）の作動温度より低い５００℃で発電を開始することができる。
【０１１３】
また、上記電極反応に伴って熱が発生する。よって、部分酸化ガスの有する熱とともに、上記電極反応に伴う熱を用いて電解質（３３）を予熱することができる。それゆえ、燃料電池（７）の温度が作動温度に達するまでの時間を短縮化することができる。したがって、燃料電池（７）の起動時間の短縮化を図ることができる。
【０１１４】
また、燃料電池（７）の起動時に、自己熱交換器（６）が、プレリフォーマー（５）に流入させる前の原料ガス及び空気とプレリフォーマー（５）から排出された部分酸化ガスとを熱交換させるため、部分酸化ガスの有する熱により原料ガス及び空気が加熱される。よって、原料ガス及び空気がプレリフォーマー（５）の触媒部を冷却することを防ぐことができる。したがって、プレリフォーマー（５）において、上記部分酸化反応を活発に起こすことができる。
【０１１５】
また、プレリフォーマー（５）の起動時に、第１起動用バーナー（４）から排出された燃焼ガスが第４流路（１６）を通ってプレリフォーマー（５）に対して供給されるため、燃焼ガスの有する熱によりプレリフォーマー（５）が予熱される。よって、プレリフォーマー（５）の温度を４００℃にすることができるため、プレリフォーマー（５）において部分酸化反応を開始することができる。したがって、本実施形態によれば、プレリフォーマー（５）を起動させることができる。
【０１１６】
また、燃料電池発電システム（１）の通常運転時において、プレリフォーマー（５）は原料ガス中の炭素数２以上の炭化水素、すなわち、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、及びＣ４Ｈ１０等をＣＨ４に改質するため、燃料室（３９）に供給される燃料ガスには炭素数２以上の炭化水素は含まれない。よって、燃料ガスに含まれる炭化水素はＣＨ４で占められるので、燃料室（３９）への水の供給量が少ない場合でも、燃料室（３９）内に炭素が析出するおそれは少ない。したがって、燃料電池発電システム（１）の通常運転時において、燃料電池（７）の燃料室（３９）内における炭素の析出を防ぐことができる。
【０１１７】
（実施形態２）
本実施形態に係る燃料電池発電システム（１）は、発電開始前に燃焼ガスが空気室に供給されるものである。
【０１１８】
図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム（１）は、脱硫器（３）、第２起動用バーナー（８）、プレリフォーマー（５）、燃料電池（７）、燃焼機（９）、熱交換器（１１）、第９〜第１９流路（４３，４５，４７，４９，５１，５３，５５，５７，５９，６１，６２）、第３〜第６電磁弁（６３，６５，６７，６９）、切換弁（７１）及び第１〜第３ブロワー（２３，２４，２５）等によって構成されている。なお、本発明でいうところの第２燃焼手段は第２起動用バーナー（８）によって構成され、第２燃焼ガス供給手段は第１６及び第１７流路（５７，５９）によって構成されている。
【０１１９】
第９流路（４３）の一端（図２において右端）は脱硫器（３）の入口（３ａ）につながっている。
【０１２０】
第１０流路（４５）の一端（左端）は脱硫器（３）の出口（３ｂ）につながり、他端（右端）はプレリフォーマー（５）の入口（５ａ）につながっている。
【０１２１】
第１１流路（４７）の一端は、第１０流路（４５）において、脱硫器（３）の出口（３ｂ）と第３電磁弁（６３）との間につながっている。第１１流路（４７）の他端は、第２起動用バーナー（８）の第１入口（８ａ）につながっている。
【０１２２】
第１２流路（４９）の一端は、第２起動用バーナー（８）の第２入口（８ｂ）につながっている。
【０１２３】
第１３流路（５１）の一端は、燃料室（３９）の再循環口（３９ｂ）につながっている。第１３流路（５１）の他端は、第１０流路（４５）において、第１０流路（４５）及び第１４流路（５３）の合流点と第３電磁弁（６３）との間につながっている。
【０１２４】
第１４流路（５３）の一端（下端）は、第１６流路（５７）の中途部につながっている。第１４流路（５３）の他端（上端）は、第１０流路（４５）において、第１０流路（４５）及び第１３流路（５１）の合流点と第１０流路（４５）及び第１５流路（５５）の合流点との間につながっている。
【０１２５】
第１５流路（５５）の一端は、第１２流路（４９）において、熱交換器（１１）と切換弁（７１）との間につながっている。第１５流路（５５）の他端は、第１０流路（４５）において、第１０流路（４５）及び第１４流路（５３）の合流点とプレリフォーマー（５）の入口（５ａ）との間につながっている。
【０１２６】
第１６流路（５７）の一端（左端）は第２起動用バーナー（８）の出口（８ｃ）につながり、他端（右端）は第１７流路（５９）の中途部につながっている。
【０１２７】
第１７流路（５９）の一端（下端）は切換弁（７１）につながり、他端（上端）は空気室（３７）の入口（３７ａ）につながっている。
【０１２８】
第１８流路（６１）の一端（左端）は燃焼機（９）につながり、他端（右端）は排ガスの排出口（図示せず）につながっている。
【０１２９】
第１９流路（６２）の一端（左端）はプレリフォーマー（５）の出口（５ｂ）につながり、他端（右端）は燃料電池（７）の燃料室（３９）の入口（３９ａ）につながっている。
【０１３０】
熱交換器（１１）内には、第１２流路（４９）と第１８流路（６１）とが並行に延びている。
【０１３１】
第４電磁弁（６５）は第１１流路（４７）の中途部に設けられ、第５電磁弁（６７）は第１４流路（５３）の中途部に設けられ、第６電磁弁（６９）は第１５流路（５５）の中途部に設けられている。
【０１３２】
切換弁（７１）は、第１２及び第１７流路（４９，５９）のうちいずれか一方に、第１２流路（４９）を流通する空気を流すように構成されたものである。
【０１３３】
ここで、燃料電池発電システム（１）の動作を説明する。
【０１３４】
（プレリフォーマーの起動及び空気極の予熱）
まず、プレリフォーマー（５）の起動及び空気極（３１）の予熱が行われる。
【０１３５】
ここで、プレリフォーマー（５）の起動及び空気極（３１）の予熱時において、第４及び第５電磁弁（６５，６７）は開いた状態にあり、第３及び第６電磁弁（６３，６９）は開じた状態にある。切換弁（７１）は、第１２流路（４９）に空気が流れるようになっている。また、第２起動用バーナー（８）は稼動している。
【０１３６】
硫化物が除去された都市ガスは脱硫器（３）を流出し、第１０及び第１１流路（４５，４７）を通って第２起動用バーナー（８）に流入する。
【０１３７】
一方、空気は、第１２流路（４９）を通って熱交換器（１１）に流入する。熱交換器（１１）において、空気と燃焼機（９）で燃焼された排ガスとは熱交換を行う。それにより、空気は加熱される。
【０１３８】
加熱された空気は、第１２流路（４９）を通って第２起動用バーナー（８）に流入する。
【０１３９】
そして、第２起動用バーナー（８）に流入した都市ガス及び空気は、第２起動用バーナー（８）において燃焼される。
【０１４０】
第２起動用バーナー（８）において都市ガス及び空気を燃焼することにより生成された燃焼ガスは、第２起動用バーナー（８）を流出し、第１６流路（５７）を通って第１４流路（５３）及び第１６流路（５７）の合流点に達する。そして、上記合流点において、燃焼ガスは第１４流路（５３）と第１６流路（５７）とに分流する。
【０１４１】
第１４流路（５３）に流入した燃焼ガスは、第１４及び第１０流路（５３，４５）を通ってプレリフォーマー（５）に流入する。そして、燃焼ガスがプレリフォーマー（５）を流通することにより、プレリフォーマー（５）の触媒部は予熱される。プレリフォーマー（５）の触媒部の予熱は、触媒部の温度が４００℃に達するまで行われる。
【０１４２】
プレリフォーマー（５）を流通した燃焼ガスはプレリフォーマー（５）を流出し、第５流路（１７）を通って燃料室（３９）に流入する。
【０１４３】
一方、第１６流路（５７）に流入した燃焼ガスは、第１６及び第１７流路（５７，５９）を通って空気室（３７）に流入する。そして、燃焼ガスが空気室（３７）を流通することにより、空気極（３１）、ひいては電解質（３３）は予熱される。
【０１４４】
空気室（３７）及び燃焼室（３９）を流通した燃焼ガスは燃焼機（９）に流入する。
【０１４５】
（燃料電池の予熱）
次に、燃料電池（７）の予熱が行われる。
【０１４６】
ここで、プレリフォーマー（５）の触媒部の温度が４００℃に達すると、第３、第４及び第６電磁弁（６３，６５，６９）は開いた状態にされ、第５電磁弁（６７）は開じた状態にされる。また、このとき、第２起動用バーナー（８）は稼動し、切換弁（７１）は第１２流路（４９）に空気が流れるようになっている。
【０１４７】
まず、脱硫器（３）を流出した都市ガスは、第１０流路（４５）を通って第１０流路（４５）及び第１１流路（４７）の合流点に達する。そして、上記合流点において、都市ガスは第１０流路（４５）と第１１流路（４７）とに分流する。
【０１４８】
第１０流路（４５）に流入した都市ガスは、第１０流路（４５）を通って第１０流路（４５）及び第１３流路（５１）の合流点に達する。そして、上記合流点において、都市ガスは燃料再循環ガスと混合される。
【０１４９】
都市ガスと燃料再循環ガスとが混合された原料ガスは、第１０流路（４５）を通って第１０流路（４５）及び第１５流路（５５）の合流点に達する。そして、上記合流点において、原料ガスは第１５流路（５５）を流通した空気と混合される。
【０１５０】
原料ガス及び空気は第１０流路（４５）を通ってプレリフォーマー（５）に流入する。そして、原料ガス及び空気がプレリフォーマー（５）の触媒部を流通することにより、上述の部分酸化反応が起こる。
【０１５１】
プレリフォーマー（５）を流通することにより生成されたＣＯ及びＨ２を含む部分酸化ガスは、第１９流路（６２）を通って燃料電池（７）の燃料室（３９）に流入する。そして、部分酸化ガスが燃料室（３９）を流通することにより、燃料極（３５）、ひいては電解質（３３）は予熱される。
【０１５２】
一方、第１１流路（４７）に流入した都市ガスは、第１１流路（４７）を通って第２起動用バーナー（８）に流入する。
【０１５３】
また、空気は、第１２流路（４９）を通って第１２流路（４９）及び第１５流路（５５）の合流点に達する。そして、上記合流点において、空気は第１２流路（４９）及び第１５流路（５５）とに分流する。
【０１５４】
第１２流路（４９）に流入した空気は、第１２流路（４９）を通って第２起動用バーナー（８）に流入する。
【０１５５】
第２起動用バーナー（８）において都市ガス及び空気を燃焼することにより生成された燃焼ガスは、第２起動用バーナー（８）から流出し、第１６及び第１７流路（５７，５９）を通って空気室（３７）に流入する。そして、燃焼ガスが空気室（３７）を流通することにより、空気極（３１）、ひいては電解質（３３）は予熱される。
【０１５６】
燃料電池（７）の予熱は、燃料電池（７）の温度が５００℃に達するまで行われる。
【０１５７】
（発電開始）
次に、燃料電池（７）の予熱を引き続き行いながら、発電が開始される。
【０１５８】
ここで、燃料電池（７）の温度が５００℃に達したとき、第２起動用バーナー（８）の運転は停止される。また、このとき、第３及び第６電磁弁（６３，６９）は開いた状態にされ、第４及び第５電磁弁（６５，６７）は開じた状態にされる。さらに、切換弁（７１）は、第１７流路（５９）に空気が流れるようにされる。
【０１５９】
都市ガスと燃料再循環ガスとが混合された原料ガスは、第１０流路（４５）を通って第１０流路（４５）及び第１５流路（５５）の合流点に達する。そして、上記合流点において、原料ガスは第１５流路（５５）を流通した空気と混合される。
【０１６０】
原料ガス及び空気は第１０流路（４５）を通ってプレリフォーマー（５）に流入する。そして、原料ガス及び空気がプレリフォーマー（５）の触媒部を流通することにより、部分酸化反応が起こる。
【０１６１】
プレリフォーマー（５）を流通することにより生成されたＣＯ及びＨ２を含む部分酸化ガスは、第１９流路（６２）を通って燃料室（３９）に流入する。
【０１６２】
一方、空気は第１２及び第１７流路（４９，５９）を通って空気室（３７）に流入する。
【０１６３】
以下、燃料電池（７）において、上述と同様の電極反応が起こり、それにより、発電が行われる。
【０１６４】
また、上述した部分酸化ガス及び空気の有する熱とともに、発電のときに発生する熱を用いて燃料電池（７）の予熱が行われる。この燃料電池（７）の予熱は、燃料電池（７）の温度が７００℃〜１０００℃に達するまで行われる。
【０１６５】
なお、本発明でいうところの電極反応の開始は、発電開始時に対応する。
【０１６６】
（燃料電池発電システムの通常運転）
次に、燃料電池発電システム（１）の通常運転が行われる。
【０１６７】
ここで、燃料電池（７）の温度が７００℃〜１０００℃に達したとき、第２起動用バーナー（８）の運転は停止されたままである。また、このとき、第３電磁弁（６３）は開いた状態にされ、第４、第５及び第６電磁弁（６５，６７，６９）は開じた状態にされる。さらに、切換弁（７１）は、第１７流路（５９）に空気が流れるようになっている。
【０１６８】
都市ガスと燃料再循環ガスとが混合した原料ガスは、第１０流路（４５）を通ってプレリフォーマー（５）に流入する。そして、プレリフォーマー（５）において、上述と同様のメタン化反応等が起こる。
【０１６９】
プレリフォーマー（５）を流通することにより生成されたＣＨ４及びＨ２Ｏ含む燃料ガスは、第１９流路（６２）を通って燃料室（３９）に流入する。
【０１７０】
一方、空気は、第１２及び第１７流路（４９，５９）を通って空気室（３７）に流入する。
【０１７１】
以下、燃料電池（７）において、上述と同様の水蒸気改質反応及び電極反応が起こり、それにより、発電が行われる。
【０１７２】
本実施形態では、発電開始時前に、燃焼ガスが第１６及び第１７流路（５７，５９）を介して空気室（３７）に対して供給されるため、燃焼ガスの有する熱を用いて空気極（３１）、ひいては電解質（３３）が加熱される。よって、部分酸化ガスの有する熱及び上記電極反応に伴う熱とともに、燃焼ガスの有する熱を用いて電解質（３３）を加熱することができる。それゆえ、燃料電池（７）の温度が作動温度に達するまでの時間を更に短縮化することができる。したがって、燃料電池（７）の起動時間の短縮化を更に図ることができる。
【０１７３】
（実施形態３）
本実施形態に係る燃料電池発電システムは、燃料電池の起動時に、燃焼ガスと熱交換を行った空気がプレリフォーマー及び空気室に供給されるものである。
【０１７４】
図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム（１）は、脱硫器（３）、第３起動用バーナー（１２）、プレリフォーマー（５）、燃料電池（７）、燃焼機（９）、第１及び第２熱交換器（９３，９５）、第２０〜第２９流路（７３，７５，７７，７９，８１，８３，８５，８７，８９，９１）、第７〜第１０電磁弁（９７，９９，１０１，１０３）及び第１〜第３ブロワー（２３，２４，２５）等によって構成されている。なお、本発明でいうところの第３燃焼手段は第３起動用バーナー（１２）によって構成され、酸素含有ガス供給手段は第２１、第２５及び第２７流路（７５，８３，８７）によって構成され、第２熱交換手段は第１熱交換器（９３）によって構成されている。
【０１７５】
第２０流路（７３）の一端（図３において右端）は脱硫器（３）の入口（３ａ）につながっている。
【０１７６】
第２１流路（７５）の一端（左端）は脱硫器（３）の出口（３ｂ）につながり、他端（右端）はプレリフォーマー（５）の入口（５ａ）につながっている。
【０１７７】
第２２流路（７７）の一端は、第２１流路（７５）において、脱硫器（３）の出口（３ｂ）と第７電磁弁（９７）との間につながっている。第２２流路（７７）の他端は、第３起動用バーナー（１２）の第１入口（１２ａ）につながっている。
【０１７８】
第２３流路（７９）の一端は、第３起動用バーナー（１２）の第２入口（１２ｂ）につながっている。
【０１７９】
第２４流路（８１）の一端は、燃料室（３９）の再循環口（３９ｂ）につながっている。第２４流路（８１）の他端は、第２１流路（７５）において、第２１流路（７５）及び第２５流路（８３）の合流点と第７電磁弁（９７）との間につながっている。
【０１８０】
第２５流路（８３）の一端は、第２３流路（７９）において、第２熱交換器（９５）と第１０電磁弁（１０３）との間につながっている。第２５流路（８３）の他端は、第１０流路（４５）において、第２１流路（７５）及び第２４流路（８１）の合流点とプレリフォーマー（５）の入口（５ａ）との間につながっている。
【０１８１】
第２６流路（８５）の一端（左端）はプレリフォーマー（５）の出口（５ｂ）につながり、他端（右端）は燃料室（３９）の入口（３９ａ）につながっている。
【０１８２】
第２７流路（８７）の一端は、第２５流路（８３）において、第９電磁弁（１０１）と第１熱交換器（９３）との間につながっている。第２７流路（８７）の他端は空気室（３７）の入口（３７ａ）につながっている。
【０１８３】
第２８流路（８９）の一端は第３起動用バーナー（１２）の出口（１２ｃ）につながり、他端は燃焼ガスの排出口（図示せず）につながっている。
【０１８４】
第２９流路（９１）の一端（左端）は燃焼機（９）につながり、他端（右端）は排ガスの排出口（図示せず）につながっている。
【０１８５】
第１熱交換器（９３）内には、第２５流路（８３）と第２８流路（８９）とが並行に延びている。
【０１８６】
第２熱交換器（９５）内には、第２３流路（７９）と第２９流路（９１）とが並行に延びている。
【０１８７】
第８電磁弁（９９）は、第２２流路の中途部に設けられている。第９電磁弁（１０１）は、第２５流路（８３）において、第２５流路（８３）及び第２７流路（８７）の合流点と第２５流路（８３）及び第２１流路（７５）の合流点との間に設けられている。
【０１８８】
ここで、燃料電池発電システム（１）の動作を説明する。
【０１８９】
（プレリフォーマーの起動及び空気極の予熱）
まず、プレリフォーマー（５）の起動及び空気極（３１）の予熱が行われる。
【０１９０】
プレリフォーマー（５）の起動及び空気極（３１）の予熱時において、第８、第９及び第１０電磁弁（９９，１０１，１０３）は開いた状態にあり、第７電磁弁（９７）は閉じた状態にある。また、第３起動用バーナー（１２）は稼動している。
【０１９１】
硫化物が除去された都市ガスは脱硫器（３）を流出し、第２１及び第２２流路（７５，７７）を通って第３起動用バーナー（１２）に流入する。
【０１９２】
一方、空気は、第２３流路（７９）を通って第２熱交換器（９５）に流入する。そして、第２熱交換器（９５）において、空気と燃焼機（９）で燃焼された排ガスとは熱交換を行う。それにより、空気は加熱される。
【０１９３】
加熱された空気は、第２３流路（７９）を通って第２３流路（７９）及び第２５流路（８３）の合流点に達する。そして、上記合流点において、空気は第２３流路（７９）と第２５流路（８３）とに分流する。
【０１９４】
第２３流路（７９）に流入した空気は、第２３流路（７９）を通って第３起動用バーナー（１２）に流入する。
【０１９５】
一方、第２５流路（８３）に流入した空気は、第２５流路（８３）を通って第１熱交換器（９３）に流入する。
【０１９６】
第３起動用バーナー（１２）に流入した都市ガス及び空気は、第３起動用バーナー（１２）において燃焼される。
【０１９７】
第３起動用バーナー（１２）において都市ガス及び空気を燃焼することにより生成された燃焼ガスは第３起動用バーナー（１２）を流出し、第２８流路（８９）を通って第１熱交換器（９３）に流入する。そして、第１熱交換器（９３）において、第２５流路（８３）を流れる空気と第２８流路（８９）を流れる燃焼ガスとは熱交換を行う。それにより、空気は加熱される。
【０１９８】
加熱された空気は、第２５流路（８３）を通って第２５流路（８３）及び第２７流路（８７）の合流点に達する。そして、上記合流点において、空気は第２５流路（８３）と第２７流路（８７）とに分流する。
【０１９９】
第２５流路（８３）に流入した空気は、第２５及び第２１流路（８３，７５）を通ってプレリフォーマー（５）に流入する。そして、空気がプレリフォーマー（５）を流通することにより、プレリフォーマー（５）の触媒部は予熱される。プレリフォーマー（５）の触媒部の予熱は、触媒部の温度が４００℃に達するまで行われる。
【０２００】
プレリフォーマー（５）を流通した空気はプレリフォーマー（５）を流出し、第２６流路（８５）を通って燃料室（３９）に流入する。
【０２０１】
一方、第２７流路（８７）に流入した空気は、第２７流路（８７）を通って空気室（３７）に流入する。そして、空気が空気室（３７）を流通することにより、空気極（３１）、ひいては電解質（３３）は予熱される。
【０２０２】
空気室（３７）及び燃料室（３９）から排出された空気は、燃焼機（９）及び第２９流路（９１）を通って排出口から排出される。
【０２０３】
一方、燃焼ガスは第１熱交換器（９３）を流出し、第２８流路（８９）を通って排出口から排出される。
【０２０４】
（燃料電池の予熱）
次に、燃料電池（７）の予熱が行われる。
【０２０５】
ここで、プレリフォーマー（５）の触媒部の温度が４００℃に達すると、すべての電磁弁（９７，９９，１０１，１０３）が開いた状態にされる。また、第３起動用バーナー（１２）は引き続き稼動される。
【０２０６】
脱硫器（３）を流出した都市ガスは、第２１流路（７５）を通って第２１流路（７５）及び第２２流路（７７）の合流点に達する。そして、上記合流点において、都市ガスは第２１流路（７５）と第２２流路（７７）とに分流する。
【０２０７】
第２１流路（７５）に流入した都市ガスは、第２１流路（７５）を通って第２１流路（７５）及び第２４流路（８１）の合流点に達する。そして、上記合流点において、都市ガスは燃料再循環ガスと混合される。
【０２０８】
都市ガスと燃料再循環ガスとが混合した原料ガスは、第２１流路（７５）を通って第２１流路（７５）及び第２５流路（８３）の合流点に達する。そして、上記合流点において、原料ガスと第２５流路（８３）を流通した空気とが混合される。
【０２０９】
混合された原料ガス及び空気は、第２１流路（７５）を通ってプレリフォーマー（５）に流入する。そして、原料ガス及び空気がプレリフォーマー（５）の触媒部を流通することにより、上述の部分酸化反応が起こる。
【０２１０】
プレリフォーマー（５）を流通することにより生成されたＣＯ及びＨ２を含む部分酸化ガスは、第２６流路（８５）を通って燃料室（３９）に流入する。そして、部分酸化ガスが燃料室（３９）を流通することにより、燃料極（３５）、ひいては電解質（３３）は予熱される。
【０２１１】
一方、第２７流路（８７）に流入した空気は、第２７流路（８７）を通って空気室（３７）に流入する。そして、空気が空気室（３７）を流通することにより、空気極（３１）、ひいては電解質（３３）は予熱される。
【０２１２】
燃料電池（７）の予熱は、燃料電池（７）の温度が５００℃に達するまで行われる。
【０２１３】
（発電開始）
次に、燃料電池（７）の予熱を引き続き行いながら、発電が開始される。
【０２１４】
ここで、燃料電池（７）の温度が５００℃に達したとき、第３起動用バーナー（１２）の運転は停止される。また、このとき、第７及び第９電磁弁（９７，１０１）は開いた状態にされ、第８及び第１０電磁弁（９９，１０３）は閉じた状態にされる。
【０２１５】
混合された原料ガス及び空気は第２１流路（７５）を通ってプレリフォーマー（５）に流入する。そして、原料ガス及び空気がプレリフォーマー（５）の触媒部を流通することにより、上述の部分酸化反応が起こる。
【０２１６】
プレリフォーマー（５）を流通することにより生成されたＣＯ及びＨ２を含む部分酸化ガスは、第２６流路（８５）を通って燃料電池（７）の燃料室（３９）に流入する。
【０２１７】
一方、第２７流路（８７）に流入した空気は、第２７流路（８７）を通って空気室（３７）に流入する。
【０２１８】
以下、燃料電池（７）において、上述と同様の電極反応が起こり、それにより、発電が行われる。
【０２１９】
また、上述した部分酸化ガス及び空気の有する熱とともに、発電のときに発生する熱を用いて燃料電池（７）の予熱が行われる。この燃料電池（７）の予熱は、燃料電池（７）の温度が７００℃〜１０００℃に達するまで行われる。
【０２２０】
（燃料電池発電システムの通常運転）
次に、燃料電池発電システム（１）の通常運転が行われる。
【０２２１】
燃料電池（７）の温度が７００℃〜１０００℃に達したとき、第３起動用バーナー（１２）の運転は停止されたままである。また、このとき、第７電磁弁（９７）は開いた状態にされ、第８、第９及び第１０電磁弁（９９，１０１，１０３）は閉じた状態にされる。
【０２２２】
都市ガスと燃料再循環ガスとが混合した原料ガスは、第２１流路（７５）を通ってプレリフォーマー（５）に流入する。そして、プレリフォーマー（５）において、上述と同様のメタン化反応等が起こる。
【０２２３】
プレリフォーマー（５）を流通することにより生成されたＣＨ４及びＨ２Ｏ含む燃料ガスは、第１９流路（６２）を通って燃料室（３９）に流入する。
【０２２４】
一方、空気は、第２３及び第２７流路（７９，８７）を通って空気室（３７）に流入する。
【０２２５】
以下、燃料電池（７）において、上述と同様の水蒸気改質反応及び電極反応が起こり、それにより、発電が行われる。
【０２２６】
ところで、原料ガス及び空気を燃焼すると、原料ガスに含まれる炭化水素が燃焼することにより水及び煤が発生する場合がある。それゆえ、上記燃焼ガスが燃料室（３９）及び空気室（３７）に対して供給されると、燃焼ガスに含まれる水及び煤によって燃料極（３５）及び空気極（３１）が劣化するおそれがある。
【０２２７】
本実施形態では、第１熱交換器（９３）が、第２８流路（８９）を流通する燃焼ガスと第２５流路（８３）を流通する空気とを熱交換させ、且つ、第１熱交換器（９３）により加熱された空気が、第２５及び第２１流路（８３，７５）が、プレリフォーマー（５）の起動及び燃料電池（７）の起動時に、プレリフォーマー（５）に対して供給されるとともに、加熱された空気が、第２５及び第２７流路（８３，８７）を介して空気室（３７）に対して供給される。それゆえ、燃焼ガスに含まれる水及び煤が燃料極（３５）及び空気極（３１）に対して供給されることはない。したがって、燃料極（３５）及び空気極（３１）が水及び煤により劣化することを防ぐことができる。
【０２２８】
また、第１熱交換器（９３）により加熱された空気が、プレリフォーマー（５）の起動及び燃料電池（７）の起動時に、第２５及び第２１流路（８３，７５）を介してプレリフォーマー（５）に対して供給されるとともに、加熱された空気が第２５及び第２７流路（８３，８７）を介して空気室（３７）に対して供給される。よって、部分酸化ガスの有する熱及び上記電極反応に伴う熱とともに、第１熱交換器（９３）により加熱された空気の有する熱を用いて電解質（３３）を加熱することができる。それゆえ、燃料電池（７）の温度が作動温度に達するまでの時間を更に短縮化することができる。したがって、燃料電池（７）の起動時間の短縮化を更に図ることができる。
【０２２９】
なお、本実施形態では、第１熱交換器（９３）により加熱された空気がプレリフォーマー（５）及び空気室（３７）の双方に対して供給されているが、プレリフォーマー（５）及び空気室（３７）の少なくとも一方に対して供給されれば良い。
【０２３０】
（その他の実施形態）
上記各実施形態では、プレリフォーマー（５）の触媒部にはＲｕ、Ｒｈ等の貴金属触媒が用いられているが、Ｎｉ系触媒を用いても良い。
【０２３１】
上記各実施形態では、原料ガスとして都市ガスが用いられているが、原料ガスは天然ガス、メタノール、ナフサ及び一酸化炭素を含む石炭ガス等であっても良い。
【０２３２】
上記各実施形態では、燃料電池は内部改質式固体電解質型燃料電池（７）によって構成されているが、燃料電池内で上述の水蒸気改質反応を起こさない固体電解質型燃料電池であっても良い。
【０２３３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、部分酸化ガスが燃料極に対して供給されるため、部分酸化ガスの有する熱を用いて燃料極、ひいては電解質を加熱することができる。そして、電解質の温度が所定温度に達すると、部分酸化ガスに含まれる水素を用いることにより、燃料極、酸素極、及び電解質において電極反応を起こし発電を開始することができる。したがって、固体電解質型燃料電池の作動温度より低い所定温度で発電を開始することができる。
【０２３４】
また、上記電極反応に伴って熱が発生する。よって、部分酸化ガスの有する熱とともに、上記電極反応に伴う熱を用いて電解質を加熱することができる。したがって、固体電解質型燃料電池の温度が作動温度に達するまでの時間を短縮化することができるため、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を図ることができる。
【０２３５】
請求項２の発明によれば、起動運転時において、部分酸化ガスが燃料極に対して供給されるため、部分酸化ガスの有する熱を用いて燃料極、ひいては電解質を加熱することができる。そして、電解質の温度が所定温度に達すると、部分酸化ガスに含まれる水素を用いることにより、燃料極、酸素極、及び電解質において電極反応を起こし発電を開始することができる。したがって、固体電解質型燃料電池の作動温度より低い所定温度で発電を開始することができる。
【０２３６】
また、上記電極反応に伴って熱が発生する。よって、部分酸化ガスの有する熱とともに、上記電極反応に伴う熱を用いて電解質を加熱することができる。したがって、固体電解質型燃料電池の温度が作動温度に達するまでの時間を短縮化することができるため、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を図ることができる。
【０２３７】
また、通常運転時において、改質器が炭素数２以上の炭化水素をメタンに変化させるため、燃料極に供給される燃料ガスには炭素数２以上の炭化水素は含まれない。よって、燃料極への水の供給量が少ない場合でも、燃料極に炭素が析出するおそれは少ない。したがって、固体電解質型燃料電池の燃料極における炭素の析出を防ぐことができる。
【０２３８】
また、通常運転時において、固体電解質型燃料電池の燃料極では、上記燃料ガスを水の存在下で水素を含む改質ガスに変化させることができる。したがって、上記改質ガスを水素含有ガスとして用いることができる。
【０２３９】
請求項３の発明によれば、第１熱交換手段が、改質器に流入させる前の原料ガス及び酸素含有ガスと改質器から排出された部分酸化ガスとを熱交換させるため、部分酸化ガスの有する熱により原料ガス及び酸素含有ガスが加熱される。したがって、原料ガス及び酸素含有ガスが改質器の触媒部を冷却することを防ぐことができるため、改質器において、上記部分酸化反応を活発に起こすことができる。
【０２４０】
請求項４の発明によれば、第１燃焼ガス供給手段が、改質器の起動時に燃焼ガスを改質器に対して供給するため、燃焼ガスの有する熱により改質器が加熱される。よって、改質器の温度を所定温度にすることができるため、改質器において部分酸化反応を開始することができる。したがって、改質器を起動させることができる。
【０２４１】
請求項５の発明によれば、第２燃焼ガス供給手段が、電極反応の開始前に燃焼ガスを酸素極に対して供給するため、燃焼ガスの有する熱を用いて酸素極、ひいては電解質が加熱される。よって、部分酸化ガスの有する熱及び上記電極反応に伴う熱とともに、燃焼ガスの有する熱を用いて電解質を加熱することができる。したがって、固体電解質型燃料電池の温度が作動温度に達するまでの時間を更に短縮化することができるため、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を更に図ることができる。
【０２４２】
請求項６の発明によれば、第２熱交換手段が、燃焼ガスと第２酸素含有ガスとを熱交換させ、且つ、酸素含有ガス供給手段が改質器及び酸素極の一方又は双方に対して第２酸素含有ガスを供給するため、燃焼ガスに含まれる水及び煤が燃料極及び酸素極の一方又は双方に対して供給されることはない。したがって、燃料極及び酸素極が水及び煤により劣化することを防ぐことができる。
【０２４３】
また、第２熱交換手段が、燃焼ガスと第２酸素含有ガスとを熱交換させるため、第２酸素含有ガスは加熱される。そして、酸素含有ガス供給手段が改質器及び酸素極の一方又は双方に対して、加熱された第２酸素含有ガスを供給する。よって、部分酸化ガスの有する熱及び上記電極反応に伴う熱とともに、第２酸素含有ガスの有する熱を用いて電解質を加熱することができる。したがって、固体電解質型燃料電池の温度が作動温度に達するまでの時間を更に短縮化することができるため、固体電解質型燃料電池の起動時間の短縮化を更に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図３】実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。
【符号の説明】
（１）　　燃料電池発電システム
（３）　　脱硫器
（４）　　第１起動用バーナー（第１燃焼手段）
（５）　　プレリフォーマー（改質器）
（７）　　内部改質式固体電解質型燃料電池（固体電解質型燃料電池）
（８）　　第２起動用バーナー（第２燃焼手段）
（９）　　燃焼機
（１２）　第３起動用バーナー（第３燃焼手段）
（３１）　空気極（酸素極）
（３５）　燃料極
【図１】
2004087377.tif 000003
【図２】
2004087377.tif 000004
【図３】
2004087377.tif 000005