(57)【要約】【課題】炭化水素系燃料を使用して発電を行う燃料電池システム及びその運転方法において、不活性ガス等の供給装置や水蒸気発生装置を設けることなく、燃料電池の燃料極を酸化から保護しながらスタックを発電可能温度まで昇温し、発電を開始する。【解決手段】炭化水素系燃料を水蒸気改質して一酸化炭素及び水素を含む水蒸気改質ガスを生成する水蒸気改質器２０と、炭化水素系燃料を部分酸化改質して一酸化炭素及び水素を含む部分酸化改質ガスを生成する部分酸化改質器１０と、水蒸気改質ガス及び／又は部分酸化改質ガスを使用して発電を行う燃料電池本体３０と、燃料電池本体３０から排出された水蒸気を含む燃料排ガスを水蒸気改質器２０に戻す循環手段４０と、を設けた。【選択図】図１
2007311072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を水蒸気改質して一酸化炭素及び水素を含む水蒸気改質ガスを生成する水蒸気改質器と、
前記炭化水素系燃料を部分酸化改質して一酸化炭素及び水素を含む部分酸化改質ガスを生成する部分酸化改質器と、
前記水蒸気改質ガス及び／又は前記部分酸化改質ガスを使用して発電を行う燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から排出された水蒸気を含む燃料排ガスを前記水蒸気改質器に戻す循環手段と、
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給量と、前記水蒸気改質器から前記燃料電池本体への前記水蒸気改質ガスの供給量と、を制御する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記燃料電池本体の起動時には、前記部分酸化改質器により前記炭化水素系燃料を部分酸化改質して前記部分酸化改質ガスを生成し、生成された前記部分酸化改質ガスを前記燃料電池本体の燃料極に供給しながら前記燃料電池本体を発電可能な温度にまで昇温し、前記燃料電池本体の発電開始時には、前記部分酸化改質器から前記部分酸化改質ガスを前記燃料電池本体に供給しながら前記部分酸化改質ガスを利用して発電を行い、前記燃料電池本体の定常発電時には、前記燃料排ガスと前記炭化水素系燃料とを前記水蒸気改質器に導入し、前記水蒸気改質器により前記炭化水素系燃料を水蒸気改質して前記水蒸気改質ガスを生成し、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給量を減らしながら、前記水蒸気改質器から前記水蒸気改質ガスを前記燃料電池本体に供給しながら前記水蒸気改質ガスを利用して発電を行うように制御することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、さらに、前記定常発電を行っている状態で、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体に前記部分改質ガスを供給して前記部分酸化改質ガスによる発電を開始すると同時または開始した後に、前記水蒸気改質器から前記燃料電池本体への前記水蒸気改質ガスの供給を停止し、前記水蒸気改質ガスの供給を停止した後に前記部分酸化改質ガスによる発電を停止し、前記燃料電池本体の温度が前記燃料極が酸化しない温度に低下するまで前記部分酸化改質器から前記燃料極に前記部分酸化改質ガスを供給し、前記燃料電池本体の温度が前記燃料極が酸化しない温度以下に低下した後に、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給を停止するように制御することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
部分酸化改質器により炭化水素系燃料を部分酸化改質して一酸化炭素及び水素を含む部分酸化改質ガスを生成し、生成された前記部分酸化改質ガスを燃料電池本体の燃料極に供給しながら前記燃料電池本体を発電可能な温度にまで昇温した後に、前記燃料電池本体にて前記部分酸化改質ガスを利用して発電を開始し、当該発電により発生する水蒸気を含む燃料排ガスと前記炭化水素系燃料とを水蒸気改質器に導入し、前記水蒸気改質器により前記炭化水素系燃料を水蒸気改質して一酸化炭素及び水素を含む水蒸気改質ガスを生成し、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給量を減らしながら、前記水蒸気改質器から前記水蒸気改質ガスを前記燃料電池本体に供給して定常発電を行うことを特徴とする、燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
前記水蒸気改質器から前記水蒸気改質ガスを前記燃料電池本体に供給して発電を行っている状態で、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体に前記部分改質ガスを供給して前記部分酸化改質ガスによる発電を開始すると同時または開始した後に、前記水蒸気改質器から前記燃料電池本体への前記水蒸気改質ガスの供給を停止し、前記水蒸気改質ガスの供給を停止した後に前記部分酸化改質ガスによる発電を停止し、前記燃料電池本体の温度が前記燃料極が酸化しない温度に低下するまで前記部分酸化改質器から前記燃料極に前記部分酸化改質ガスを供給し、前記燃料電池本体の温度が前記燃料極が酸化しない温度以下に低下した後に、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給を停止することを特徴とする、請求項４に記載の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、炭化水素系燃料を使用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。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素系燃料（例えば、都市ガス）を使用して発電を行う燃料電池システムにおいては、水蒸気改質により水素及び一酸化炭素を製造し、水素と一酸化炭素により発電が行われる。このような燃料電池システムの１つとして、電解質に酸素イオン伝導性のある固体酸化物（セラミックス）を用いる固体酸化物形燃料電池システムがある。この固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、動作温度（７００〜１０００℃程度）が他の燃料電池に比べて極めて高いという特徴を有している。
【０００３】
近年、水蒸気を含む発電後の燃料排ガスを循環させて炭化水素系燃料と混合することにより水蒸気改質を行うＳＯＦＣシステムが開発されている（例えば、非特許文献１を参照）。かかるＳＯＦＣシステムにおいては、従来は以下のような問題があった。すなわち、（ａ）燃料電池起動時において、スタックを発電可能温度（７００℃程度）まで昇温する際に、燃料電池の燃料極を酸化から保護するため、燃料極に窒素ガス等の不活性ガスや水素ガス等の還元ガスを流通する必要がある。また、（ｂ）発電開始時は、発電用の炭化水素系燃料を水蒸気改質するための水蒸気を外部から供給する必要がある。さらに、燃料電池停止時も同様に上記（ａ）及び（ｂ）の作業が必要となる。そのため、従来のＳＯＦＣシステムでは、起動及び停止のために不活性ガス等の供給装置（ボンベ等）と水蒸気発生装置を設ける必要があった。
【０００４】
【非特許文献１】Ｓ．Ｖｅｙｏ著，「Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ  １００ｋＷ  ＳＯＦＣ  Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  Ｓｔａｔｕｓ」，
【特許文献１】特開２００５−２９３９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、不活性ガス等の供給装置や水蒸気発生装置を設けると、燃料電池システム全体が複雑化するとともにコストアップの原因となる、という問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、炭化水素系燃料を使用して発電を行う燃料電池システム及びその運転方法において、不活性ガス等の供給装置や水蒸気発生装置を設けることなく、燃料電池の燃料極を酸化から保護しながらスタックを発電可能温度まで昇温し、発電を開始することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、水蒸気を含む発電後の燃料を再循環して炭化水素系燃料と混合することにより水蒸気改質を行う燃料電池システムにおいて、炭化水素系燃料の部分酸化改質を行う部分酸化改質器を設け、燃料電池スタックの昇温時には、部分酸化改質器により生成される部分酸化改質ガスを燃料極の酸化を防止するための還元ガスとして利用するとともに、発電開始時には、部分酸化改質ガスを利用して発電を行うことにより、不活性ガス等の供給装置を設けることなく燃料極を酸化から保護しながら燃料電池スタックを発電可能温度まで昇温し、かつ、水蒸気発生装置を設けることなく発電を開始できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）  炭化水素系燃料を水蒸気改質して一酸化炭素及び水素を含む水蒸気改質ガスを生成する水蒸気改質器と、前記炭化水素系燃料を部分酸化改質して一酸化炭素及び水素を含む部分酸化改質ガスを生成する部分酸化改質器と、前記水蒸気改質ガス及び／又は前記部分酸化改質ガスを使用して発電を行う燃料電池本体と、前記燃料電池本体から排出された水蒸気を含む燃料排ガスを前記水蒸気改質器に戻す循環手段と、を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
（２）  前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給量と、前記水蒸気改質器から前記燃料電池本体への前記水蒸気改質ガスの供給量と、を制御する制御手段をさらに備え、前記制御手段は、前記燃料電池本体の起動時には、前記部分酸化改質器により前記炭化水素系燃料を部分酸化改質して前記部分酸化改質ガスを生成し、生成された前記部分酸化改質ガスを前記燃料電池本体の燃料極に供給しながら前記燃料電池本体を発電可能な温度にまで昇温し、前記燃料電池本体の発電開始時には、前記部分酸化改質器から前記部分酸化改質ガスを前記燃料電池本体に供給しながら前記部分酸化改質ガスを利用して発電を行い、前記燃料電池本体の定常発電時には、前記燃料排ガスと前記炭化水素系燃料とを前記水蒸気改質器に導入し、前記水蒸気改質器により前記炭化水素系燃料を水蒸気改質して前記水蒸気改質ガスを生成し、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給量を減らしながら、前記水蒸気改質器から前記水蒸気改質ガスを前記燃料電池本体に供給しながら前記水蒸気改質ガスを利用して発電を行うように制御することを特徴とする、（１）に記載の燃料電池システム。
（３）  前記制御手段は、さらに、前記定常発電を行っている状態で、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体に前記部分改質ガスを供給して前記部分酸化改質ガスによる発電を開始すると同時または開始した後に、前記水蒸気改質器から前記燃料電池本体への前記水蒸気改質ガスの供給を停止し、前記水蒸気改質ガスの供給を停止した後に前記部分酸化改質ガスによる発電を停止し、前記燃料電池本体の温度が前記燃料極が酸化しない温度に低下するまで前記部分酸化改質器から前記燃料極に前記部分酸化改質ガスを供給し、前記燃料電池本体の温度が前記燃料極が酸化しない温度以下に低下した後に、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給を停止するように制御することを特徴とする、（２）に記載の燃料電池システム。
（４）  部分酸化改質器により炭化水素系燃料を部分酸化改質して一酸化炭素及び水素を含む部分酸化改質ガスを生成し、生成された前記部分酸化改質ガスを燃料電池本体の燃料極に供給しながら前記燃料電池本体を発電可能な温度にまで昇温した後に、前記燃料電池本体にて前記部分酸化改質ガスを利用して発電を開始し、当該発電により発生する水蒸気を含む燃料排ガスと前記炭化水素系燃料とを水蒸気改質器に導入し、前記水蒸気改質器により前記炭化水素系燃料を水蒸気改質して一酸化炭素及び水素を含む水蒸気改質ガスを生成し、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給量を減らしながら、前記水蒸気改質器から前記水蒸気改質ガスを前記燃料電池本体に供給して定常発電を行うことを特徴とする、燃料電池システムの運転方法。
（５）  前記水蒸気改質器から前記水蒸気改質ガスを前記燃料電池本体に供給して発電を行っている状態で、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体に前記部分改質ガスを供給して前記部分酸化改質ガスによる発電を開始すると同時または開始した後に、前記水蒸気改質器から前記燃料電池本体への前記水蒸気改質ガスの供給を停止し、前記水蒸気改質ガスの供給を停止した後に前記部分酸化改質ガスによる発電を停止し、前記燃料電池本体の温度が前記燃料極が酸化しない温度に低下するまで前記部分酸化改質器から前記燃料極に前記部分酸化改質ガスを供給し、前記燃料電池本体の温度が前記燃料極が酸化しない温度以下に低下した後に、前記部分酸化改質器から前記燃料電池本体への前記部分酸化改質ガスの供給を停止することを特徴とする、（４）に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、炭化水素系燃料を使用して発電を行う燃料電池システム及びその運転方法において、炭化水素系燃料を部分酸化改質することにより生成した部分酸化改質ガスを燃料極の保護及び燃料電池発電開始時の燃料ガスとして使用することにより、不活性ガスを供給しなくても燃料電池の燃料極を酸化から保護しながらスタックを発電可能温度まで昇温でき、また、発電開始時に外部から水蒸気を供給することなく発電を開始することが可能である。したがって、本発明によれば、起動及び停止のために不活性ガス等の供給装置と水蒸気発生装置を設ける必要がなくなるため、燃料電池システム全体を単純化するとともにコストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１１】
（従来の燃料電池システムの構成）
まず、図４に基づいて、従来の燃料電池システム１００の構成について説明する。なお、図４は、従来の燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。
【００１２】
図４に示すように、燃料電池システム１００は、燃料供給手段１１２と、不活性ガス供給手段１１４と、水蒸気供給手段１１６と、水蒸気改質器１２０と、燃料電池本体１３０と、高温ブロワー１４０と、カソード用空気供給手段１５０と、燃料電池本体加熱手段１６０と、を主に備える。
【００１３】
燃料供給手段１１２は、水蒸気改質器１２０に流通させる燃料の流量を調整する手段であり、水蒸気改質器１２０に連結されている。具体的には、例えば、流量計と電動弁の組み合わせ（いずれも図示せず）や、マスフローコントローラー（図示せず）等がある。なお、燃料供給手段１１２が供給する燃料としては、例えば、都市ガス、天然ガス、石炭ガス等の炭化水素系燃料（メタン、エタン、プロパン、ブタン等の低級アルカンを含むガス）を使用することができる。
【００１４】
不活性ガス供給手段１１４は、燃料電池の起動時及び停止時において、燃料電池本体１３０を発電可能な温度（約７００℃以上）にまで昇温する際または定常発電を行っている状態から降温する際に、燃料極であるアノード１３４の酸化を防止するために、アノード１３４にＮ２等の不活性ガスを供給する。
【００１５】
水蒸気供給手段１１６は、燃料電池本体１３０を発電可能な温度にまで昇温した後に、燃料電池本体１３０にて発電を開始する際に、上記炭化水素系燃料を水蒸気改質するための水蒸気を炭化水素系燃料に供給する。
【００１６】
水蒸気改質器１２０は、例えば円筒型の改質器本体（図示せず）内に充填された水蒸気改質触媒（図示せず）と、水蒸気改質触媒を加熱する手段（図示せず）とを備える。かかる触媒加熱手段としては、例えば、燃料電池本体１３０としてＳＯＦＣスタックを使用している場合には、高温（７００〜１０００℃程度）で作動するＳＯＦＣ本体の近傍に設置しＳＯＦＣ本体からの熱を受ける方法や、水蒸気改質器１２０の外部から加熱する方法等が考えられる。また、ＳＯＦＣ本体のアノード材料で燃料を水蒸気改質することが可能な場合もあり、その場合には水蒸気改質器１２０を必ずしも設けなくてもよい。
【００１７】
かかる水蒸気改質器１２０は、燃料供給手段１１２から供給された炭化水素系燃料と、水蒸気供給手段１１６から供給された水蒸気または高温ブロワー１４０を介して供給された水蒸気を含む発電後の燃料排ガスとを、水蒸気改質触媒上で反応させ、下記反応式１に示すように、水素リッチな水蒸気改質ガスを製造する。水蒸気改質ガスは、一酸化炭素と水素を主成分とする水素リッチなガスであり、燃料電池本体１３０にて発電を行う際のアノード１３４の燃料ガスとして使用される。
【００１８】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ＋３Ｈ２      ・・・（反応式１）
【００１９】
さらに、水蒸気改質器１２０は、主にエタン、プロパン、ブタン等の高次炭化水素の水蒸気改質反応を行う予備改質器（図示せず）と、主にメタンの水蒸気改質反応を行う水蒸気改質器（図示せず）とからなるように構成してもよい。高次炭化水素の水蒸気改質反応を行う際の温度（５５０℃程度）は、メタンの水蒸気改質反応を行う際の温度（７００℃程度）よりも低く、高次炭化水素の水蒸気改質をメタンの水蒸気改質を行う際の温度で行うと、炭素が発生してしまうという問題がある。そこで、予備改質器によりエタン、プロパン、ブタン等の高次炭化水素の水蒸気改質を行った後に、水蒸気改質器によりメタンの水蒸気改質を行うことにより、炭素の発生を防止することができる。
【００２０】
燃料電池本体１３０は、例えば、複数のセルからなるスタックとして構成されている。各セルは、例えば、電解質１３２と、電解質１３２の一方の面に形成された燃料極であるアノード１３４と、電解質１３２の他方の面に形成された空気極であるカソード１３４とからなる。燃料電池本体１３０としては、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を使用することができる。かかるＳＯＦＣでは、燃料電池本体１３０が７００〜１０００℃の状況下において、水蒸気改質器１２０により生成された水素及び一酸化炭素を含む水蒸気改質ガスをアノード１３４（燃料極）側に供給し、カソード１３６（空気極）側に後述するカソード用空気供給手段１５０から空気を供給すると、アノード１３４とカソード１３６とを電気的に接続した外部回路（図示せず）に電気が流れる。なお、電解質１３２としてはＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、アノード１３４（燃料極）としてはニッケルとＹＳＺのサーメット、カソード１３６（空気極）としてはランタンマンガナイト系酸化物が広く用いられている。
【００２１】
高温ブロワー１４０は、水蒸気改質器１２０で行われる水蒸気改質用の水蒸気を炭化水素系燃料に供給するため、燃料電池本体１３０における発電によりアノード１３４側で発生する水蒸気を含む発電後の燃料排ガスを炭化水素系燃料に混合するように循環させる循環手段の一例である。かかる循環手段としては、高温の燃料排ガスを送風できる高温ブロワーの他に、燃料を供給する際の圧力により駆動するエゼクタ等が考えられる。なお、発電後の燃料排ガスには、アノード１３４における下記反応式２及び反応式３で示される反応により発生した水蒸気及び二酸化炭素を主成分とし、未反応の水素や一酸化炭素等も含まれる。
【００２２】
ＣＯ＋Ｏ２−  →  ＣＯ２＋２ｅ−    ・・・（反応式２）
Ｈ２＋Ｏ２−  →  Ｈ２Ｏ＋２ｅ−    ・・・（反応式３）
【００２３】
カソード用空気供給手段１５０は、燃料電池本体１３０のカソード１３６に流通させる空気の流量を供給及び調整する手段である。具体的には、例えば、ブロワーと流量計の組み合わせや、コンプレッサーとマスフローコントローラーの組み合わせ等がある。カソード用空気供給手段１５０から供給された空気は、後述する熱交換器１６４により加熱され、カソード１３６に導入される。
【００２４】
燃料電池本体加熱手段１６０は、燃料電池システム１００の起動時に燃料電池本体１３０を発電可能温度（ＳＯＦＣの場合には７００〜１０００℃程度）まで昇温したり、発電中に燃料電池本体１３０を加熱したりする手段である。具体的には、例えば、カソード用空気供給手段１５０から供給された空気をバーナー等で燃焼させ、その燃焼ガスを燃料電池本体１３０のカソード１３６側へ流通する方法や、電気ヒータ等による外部加熱を行う方法等がある。
【００２５】
燃料電池本体加熱手段１６０においては、起動時には、カソード用空気供給手段１５０から供給された空気を、外部から燃料を供給しながら起動バーナー１６６により燃焼させ、その燃焼ガスを燃料電池本体１３０のカソード１３６側へ流通し、発電時には、カソード用空気供給手段１５０から供給された空気を、熱交換器１６４により、燃料電池本体１３０での発電後の燃料排ガスを燃焼部１６２で燃焼させた際に発生する燃焼熱とアノード排ガス及びカソード排ガスが持つ顕熱を利用して加熱し、加熱された空気を燃料電池本体１３０のカソード１３６側へ流通している。なお、通常、定常発電時は、発電による燃料電池本体１３０からの発熱で燃料電池本体１３０の温度を保持するように設計される。このような場合には、定常発電時に燃料電池本体１３０を加熱する必要はないので、燃焼部１６２及び熱交換器１６４は必ずしも設ける必要はない。
【００２６】
（従来の燃料電池システムの運転方法）
次に、図５Ａ〜図５Ｃに基づいて、従来の燃料電池システム１００の運転方法について説明する。なお、図５Ａ〜図５Ｃは、従来の燃料電池システム１００の起動方法を示すブロック図であり、図５Ａは、燃料電池本体１３０を昇温時の動作を示し、図５Ｂは、燃料電池本体１３０の発電開始時の動作を示し、図５Ｃは、燃料電池本体１３０の定常発電時の動作を示す。以下、燃料電池システム１００の起動から定常発電までの流れについて説明する。
【００２７】
初めに、燃料電池本体１３０を発電可能な温度まで昇温する際には、図５Ａに示すように、アノード１３４の酸化が起こり得る温度（約２００℃以上）になったときにアノード１３４の酸化が起こることを防止できるように、不活性ガス供給手段１１４からアノード１３４へ窒素ガス（Ｎ２）等の不活性ガスを供給しながら、カソード用空気供給手段１５０から供給された空気（以下、「カソード空気」という場合がある）を加熱し、加熱されたカソード空気をカソード１３６側へ流通することにより燃料電池本体１３０を発電可能温度（約７００℃）まで昇温する。カソード空気の加熱方法は、カソード空気ライン上には起動バーナー１６６が設けられており、外部から燃料を供給しながら、起動バーナー１６６でカソード空気を直接燃焼させることにより加熱を行う。このように、従来の燃料電池システム１００においては、燃料電池本体１３０の昇温時に、別途設けられた不活性ガス供給手段１１４から窒素ガス等の不活性ガスを供給することが必要であった。
【００２８】
次に、燃料電池本体１３０を昇温後、燃料電池本体１３０にて発電を開始する際には、図５Ｂに示すように、燃料電池本体１３０が発電可能温度に到達した後に、水蒸気改質ガスにより発電を開始する。このとき、燃料供給手段１１２から水蒸気改質器１２０に投入する炭化水素系燃料と水蒸気供給手段１１６から水蒸気改質器１２０に投入する水蒸気の流量は、安定して水蒸気改質が可能で、生成される改質ガスが発電に必要な量に調整される。カソード用空気供給手段１５０から、熱交換器１６４により加熱された空気がカソード１３６に供給され、カソード１３６において供給された空気に含まれる酸素の還元反応が行われ、酸化物イオン（Ｏ２−）が発生する。発生した酸化物イオンは、電解質１３２を通ってアノード１３４に供給される。一方、水蒸気改質器１２０により生成された水素及び一酸化炭素を含む水蒸気改質ガスはアノード１３４に供給され、供給された水蒸気改質ガスが、カソード１３６から電解質１３２を介して供給された酸化物イオンと反応することにより、燃料電池本体１３０において発電反応（アノード１３４では水素及び一酸化炭素の酸化反応、カソード１３６では酸素の還元反応）が行われる。この発電反応により、アノード１３４からは水蒸気及び二酸化炭素が発生する。このように、従来の燃料電池システム１００においては、発電の開始時に、別途設けられた水蒸気供給手段１１６から水蒸気を供給することが必要であった。
【００２９】
次に、燃料電池本体１３０にて発電開始後、定常発電を行う際には、図５Ｃに示すように、水蒸気改質ガスを用いて、定格電流の数分の一から定格電流の間の電流値まで発電を行ったところで、電流値を固定して高温ブロワー１４０を制御しながら、アノード１３４から排出された燃料排ガス（水蒸気及び二酸化炭素を主成分とするガス）を水蒸気改質器１２０に戻して燃料排ガスを循環させ、高温ブロワー１４０から供給された燃料排ガスと燃料供給手段１１２から供給された炭化水素系燃料とを混合して、水蒸気改質器１２０において水蒸気改質反応を行い、水蒸気改質ガスを生成する。高温ブロワー１４０から水蒸気を含む燃料排ガスを供給している間は、水蒸気供給手段１１６から水蒸気を供給する必要はないので、水蒸気供給手段１１６からの水蒸気の供給は停止される。生成された水蒸気改質ガスは、再びアノード１３４に供給され、アノード１３４において発電反応（定常発電）が行われる。このようにして、高温ブロワー１４０により燃料排ガスを循環させることにより、定常発電を行っている間は、水蒸気供給手段１１６から水蒸気を供給することなく、燃料電池本体１３０における発電を継続的に行うことができる。
【００３０】
なお、燃料電池システム１００を停止する際には、上述した燃料電池システム１００の起動の際の動作と逆の方法により停止動作を行う。したがって、燃料電池システム１００の停止時にも、起動時と同様に、別途設けられた不活性ガス供給手段１１４からの不活性ガスの供給や、水蒸気供給手段１１６からの水蒸気の供給が必要となる。
【００３１】
しかしながら、以上説明したような従来の燃料電池システム１００においては、起動及び停止のために不活性ガス供給手段１１４や水蒸気供給手段１１６を設ける必要があったが、不活性ガス供給手段１１４や水蒸気供給手段１１６を設けると、燃料電池システ１００全体が複雑化するとともにコストアップの原因となる、という問題点があった。
【００３２】
そこで、本発明に係る燃料電池システムにおいては、不活性ガス供給手段１１４や水蒸気供給手段１１６を設けることなく、燃料電池本体の昇温するとともに、燃料電池本体における発電を開始するために、炭化水素系燃料の部分酸化改質を行う部分酸化改質器を設け、燃料電池スタックの昇温時には、部分酸化改質器により生成される部分酸化改質ガスを燃料極の酸化を防止するための還元ガスとして利用するとともに、発電開始時には、部分酸化改質ガスを利用して発電を行うこととした。以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１について詳細に説明する。
【００３３】
（本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成）
まず、図１に基づいて、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。なお、図１（ａ）は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示すブロック図であり、図１（ｂ）は、本実施形態に係る水蒸気改質器２０の構成を示すブロック図である。
【００３４】
図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１は、部分酸化改質器１０と、燃料供給手段１２と、部分酸化用空気供給手段１４と、水蒸気改質器２０と、燃料電池本体３０と、高温ブロワー４０と、カソード用空気供給手段５０と、燃料電池本体加熱手段６０と、を主に備える。
【００３５】
部分酸化改質器１０は、例えば円筒型の改質器本体（図示せず）内に充填された部分酸化改質触媒（図示せず）と、部分酸化反応を開始するための部分酸化改質触媒を加熱する触媒加熱手段（図示せず）と、を備える。かかる触媒加熱手段としては、後述する燃料供給手段１２から供給された炭化水素系燃料と部分酸化用空気供給手段１４から供給された空気とを点火器（バーナー等）で燃焼させて燃焼ガスで直接的に部分酸化改質触媒を加熱する手段や、電気ヒータ等で部分酸化改質器１０を外部から加熱する手段などが考えられる。なお、部分酸化用空気と部分酸化用燃料を部分酸化改質に必要な量だけ部分酸化改質器１０に流通するだけで、部分酸化改質反応が開始されるように、部分酸化改質器１０は定常運転時の燃料電池本体３０の熱で、部分酸化改質触媒の温度を３００℃程度に保持することができる場所に設置することが好ましい。
【００３６】
かかる部分酸化改質器１０は、燃料電池供給手段１２から供給された炭化水素系燃料と部分酸化用空気供給手段１４から供給された空気とを部分酸化改質触媒上で反応させ、下記反応式４に示すように、水素リッチな部分酸化改質ガスを製造する。部分酸化改質ガスは、一酸化炭素と水素を主成分とする水素リッチなガスであり、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池本体３０が発電可能温度になるまで昇温する際に燃料極の酸化を防止するための還元ガス、及び、燃料電池本体３０にて発電を開始する際のアノード３４の燃料ガスとして使用される。
【００３７】
ＣＨ４＋１／２Ｏ２  →  ＣＯ＋２Ｈ２      ・・・（反応式４）
【００３８】
燃料供給手段１２は、部分酸化改質器１０に流通させる燃料と水蒸気改質器２０に流通させる燃料の流量を調整する手段である。具体的には、例えば、流量計と電動弁の組み合わせ（いずれも図示せず）や、マスフローコントローラー（図示せず）等がある。なお、燃料供給手段１２が供給する燃料としては、例えば、都市ガス、天然ガス、石炭ガス等の炭化水素系燃料（メタン、エタン、プロパン、ブタン等の低級アルカンを含むガス）を使用することができる。
【００３９】
部分酸化用空気供給手段１４は、部分酸化改質器１０に流通させる空気の流量を供給調整する手段である。具体的には、例えば、ブロワーと流量計の組み合わせ（いずれも図示せず）や、コンプレッサーとマスフローコントローラーの組み合わせ（いずれも図示せず）等がある。
【００４０】
水蒸気改質器２０は、例えば円筒型の改質器本体（図示せず）内に充填された水蒸気改質触媒（図示せず）と、水蒸気改質触媒を加熱する手段（図示せず）とを備える。かかる触媒加熱手段としては、例えば、燃料電池本体３０としてＳＯＦＣスタックを使用している場合には、高温（例えば、７００〜１０００℃程度）で作動するＳＯＦＣ本体の近傍に設置しＳＯＦＣ本体からの熱を受ける方法や、水蒸気改質器２０の外部から加熱する方法等が考えられる。
【００４１】
かかる水蒸気改質器２０は、燃料供給手段１２から供給された炭化水素系燃料と、後述する高温ブロワー４０を介して供給された水蒸気を含む発電後の燃料排ガスとを、水蒸気改質触媒上で反応させ、下記反応式１に示すように、水素リッチな水蒸気改質ガスを製造する。水蒸気改質ガスは、一酸化炭素と水素を主成分とする水素リッチなガスであり、燃料電池本体３０にて発電（主に、定常発電時）を行う際のアノード３４の燃料ガスとして使用される。このように、本実施形態に係る水蒸気改質器２０は、外部の水蒸気発生装置から導入した水蒸気でなく、燃料排ガスの循環手段（本実施形態では高温ブロワー４０）を介して供給された水蒸気を含む燃料排ガスを水蒸気源として使用して水蒸気改質を行う。
【００４２】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ＋３Ｈ２      ・・・（反応式１）
【００４３】
さらに、水蒸気改質器２０は、図１（ｂ）に示すように、主にエタン、プロパン、ブタン等の高次炭化水素の水蒸気改質反応を行う予備改質器２２と、主にメタンの水蒸気改質反応を行う水蒸気改質器２４とからなるように構成してもよい。高次炭化水素の水蒸気改質反応を行う際の温度（５５０℃程度）は、メタンの水蒸気改質反応を行う際の温度（７００℃程度）よりも低く、高次炭化水素の水蒸気改質をメタンの水蒸気改質を行う際の温度で行うと、炭素が発生してしまうという問題がある。そこで、予備改質器２２によりエタン、プロパン、ブタン等の高次炭化水素の水蒸気改質を行った後に、水蒸気改質器２４によりメタンの水蒸気改質を行うことにより、炭素の発生を防止することができる。
【００４４】
ここで、水蒸気改質器２４については、水蒸気改質反応を行う際の温度が７００℃程度であり、燃料電池本体３０としてＳＯＦＣを使用している場合には、アノード３４における発電反応を行う温度（例えば、７００〜１０００℃）と同程度である。また、水蒸気改質触媒としてはニッケルがよく使用される一方で、ＳＯＦＣの場合は、アノード３４の材料としてニッケルを主成分とする金属を使用しているため、アノード３４上で直接、炭化水素系燃料の水蒸気改質を行うことが可能な場合もあり、その場合には、水蒸気改質器２４を必ずしも設けなくてもよい。ただし、この場合でも、予備改質器２２については、水蒸気改質を行う温度が５５０℃程度と、アノード２４における発電反応を行う温度よりも低い温度であるため、予備改質器２２で行われる高次炭化水素の水蒸気改質をアノード３４上で行うことはできない。
【００４５】
燃料電池本体３０は、例えば、複数のセルからなるスタックとして構成されている。各セルは、本実施形態においては、電解質３２と、電解質３２の一方の面に形成された燃料極であるアノード３４と、電解質３２の他方の面に形成された空気極であるカソード３４とからなる。燃料電池本体３０としては、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を使用することができる。かかるＳＯＦＣでは、燃料電池本体３０が例えば７００〜１０００℃の状況下において、部分酸化改質器１０により生成された水素及び一酸化炭素を含む部分酸化改質ガス及び／又は水蒸気改質器２０により生成された水素及び一酸化炭素を含む水蒸気改質ガスをアノード３４（燃料極）側に供給し、カソード３６（空気極）側に後述するカソード用空気供給手段５０から空気を供給すると、アノード３４とカソード３６とを電気的に接続した外部回路（図示せず）に電気が流れる。なお、電解質３２としてはＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、アノード３４（燃料極）としてはニッケルとＹＳＺのサーメット、カソード３６（空気極）としてはランタンマンガナイト系酸化物が広く用いられている。
【００４６】
高温ブロワー４０は、水蒸気改質器２０で行われる水蒸気改質用の水蒸気を炭化水素系燃料に供給するため、燃料電池本体３０における発電によりアノード３４側で発生する水蒸気を含む発電後の燃料排ガスを炭化水素系燃料に混合するように循環させる本実施形態に係る循環手段の一例である。かかる循環手段としては、本実施形態のような高温の燃料排ガスを送風できる高温ブロワーの他に、燃料を供給する際の圧力により駆動するエゼクタ等が考えられる。なお、発電後の燃料排ガスには、アノード３４における下記反応式２及び反応式３で示される反応により発生した水蒸気及び二酸化炭素を主成分とし、未反応の水素や一酸化炭素等も含まれる。
【００４７】
ＣＯ＋Ｏ２−  →  ＣＯ２＋２ｅ−    ・・・（反応式２）
Ｈ２＋Ｏ２−  →  Ｈ２Ｏ＋２ｅ−    ・・・（反応式３）
【００４８】
カソード用空気供給手段５０は、燃料電池本体３０のカソード３６に流通させる空気の流量を供給及び調整する手段である。具体的には、例えば、ブロワーと流量計の組み合わせや、コンプレッサーとマスフローコントローラーの組み合わせ等がある。カソード用空気供給手段５０から供給された空気は、後述する熱交換器６４により加熱され、カソード３６に導入される。
【００４９】
燃料電池本体加熱手段６０は、燃料電池システム１の起動時に燃料電池本体３０を発電可能温度（ＳＯＦＣの場合には例えば７００〜１０００℃程度）まで昇温したり、発電中に燃料電池本体３０を加熱したりする手段である。具体的には、例えば、カソード用空気供給手段５０から供給された空気をバーナー等で燃焼させ、その燃焼ガスを燃料電池本体３０のカソード３６側へ流通する方法や、電気ヒータ等による外部加熱を行う方法等がある。
【００５０】
本実施形態に係る燃料電池本体加熱手段６０においては、起動時には、カソード用空気供給手段５０から供給された空気を、外部から燃料を供給しながら起動バーナー６６により燃焼させ、その燃焼ガスを燃料電池本体３０のカソード３６側へ流通し、発電時には、カソード用空気供給手段５０から供給された空気を、熱交換器６４により、燃料電池本体３０での発電後の燃料排ガスを燃焼部６２で燃焼させた際に発生する燃焼熱とアノード排ガス及びカソード排ガスが持つ顕熱を利用して加熱し、加熱された空気を燃料電池本体３０のカソード３６側へ流通している。なお、通常、定常発電時は、発電による燃料電池本体３０からの発熱で燃料電池本体３０の温度を保持するように設計される。このような場合には、定常発電時に燃料電池本体３０を加熱する必要はないので、燃焼部６２及び熱交換器６４は必ずしも設ける必要はない。
【００５１】
（本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの起動方法）
以上、図１に基づいて本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明したが、次に、図２Ａ〜図２Ｃに基づいて、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法のうち起動方法について説明する。なお、図２Ａ〜図２Ｃは、本実施形態の燃料電池システム１の起動方法を示すブロック図であり、図２Ａは、燃料電池本体３０を昇温時の動作を示し、図２Ｂは、燃料電池本体３０の発電開始時の動作を示し、図２Ｃは、燃料電池本体３０の定常発電時の動作を示す。以下、燃料電池システム１の起動から定常発電までの流れについて説明する。
【００５２】
（Ａ）部分酸化改質器の稼動
初めに、図２Ａに示すように、燃料供給手段１２からの炭化水素系燃料（例えば、メタンを主成分とする都市ガス）及び部分酸化用空気供給手段１４からの空気（Ｎ２、Ｏ２）を部分酸化改質器１０に供給し、部分酸化改質器１０において部分酸化改質反応を行う。部分酸化改質器１０は、触媒加熱用に該改質器１０を流通するガスの燃料が可能なバーナー機能（例えば、点火器）を有している。部分酸化改質反応の開始時は、部分酸化改質器１０の起動時間短縮のため、部分酸化改質器１０に流通するガスは、空気と炭化水素系燃料の理論燃焼比とし、すなわち、下記反応式５に示すように、例えば炭化水素系燃料をメタンとした場合には、メタンと酸素との比をメタンが完全燃焼する１：２となるように炭化水素系燃料と空気の流量を調整し、点火器を利用して部分酸化改質器１０に供給された炭化水素系燃料と空気を燃焼し、この燃焼ガスにより直接、部分酸化改質触媒を加熱する。部分酸化改質触媒が３００℃程度に加熱された後、炭化水素系燃料と空気との比を下記反応式４（燃料をメタンとした場合の例）に示すような部分酸化改質反応の比になるように調整する。これにより部分酸化改質触媒上で部分酸化反応が起こる。ここで、部分酸化改質反応は発熱反応であるため、さらに触媒温度が上昇し、部分酸化反応は継続されるので、点火器により炭化水素系燃料と空気とを燃焼させる必要はない。なお、炭化水素系燃料と空気のガス量は、アノード３４に外部から酸素が混入しない流速を確保できればよく、燃料電池本体３０の構造とアノード３４の流路の容積に基づいて設定する。
【００５３】
（理論燃焼）ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ    ・・・（反応式５）
（部分酸化改質）ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２    ・・・（反応式４）
【００５４】
（Ｂ）燃料電池本体３０の加熱
次に、図２Ａに示すように、アノード３４の酸化が起こり得る温度（約２００℃以上）になったときにアノード３４の酸化が起こることを防止できるように、部分酸化改質器１０により生成された一酸化炭素及び水素を含む部分酸化改質ガスをアノード３４に供給する。このように部分酸化改質ガスをアノード３４に供給することによりアノード３４の酸化を防止しながら、カソード用空気供給手段５０から供給された空気（以下、「カソード空気」という場合がある）を加熱し、加熱されたカソード空気をカソード３６側へ流通することにより、燃料電池本体３０を発電可能温度（例えば、約７００℃）まで昇温する。カソード空気の加熱方法は、カソード空気ライン上には起動バーナー６６が設けられており、外部から燃料を供給しながら、起動バーナー６６でカソード空気を直接燃焼させることにより加熱を行う。
【００５５】
このように、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、部分酸化改質器１０を設け、燃料電池本体３０の昇温の際に、炭化水素系燃料を部分酸化改質器１０で部分酸化改質することにより生成した部分酸化改質ガスをアノード３４の酸化を防止するための還元ガスとして使用することにより、上述した従来の燃料電池システム１００に設けられていた不活性ガス供給手段１１４のような不活性ガスや還元ガス等の供給装置を別途設けなくても、アノード３４の酸化を防止しながら燃料電池本体３０を発電可能温度まで昇温することができる。
【００５６】
（Ｃ）部分酸化改質ガスによる発電開始
次に、燃料電池本体３０が発電可能温度に到達したら、図２Ｂに示すように、部分酸化改質器１０により生成された部分酸化改質ガスを、燃料電池本体３０のアノード３４に供給し、部分酸化改質ガスにより発電を開始する。ここで、部分酸化改質器１０に供給する炭化水素系燃料と空気の流量は、燃料電池本体３０における発電に必要な量に調整する。また、部分酸化改質ガスの供給は、発電可能温度に到達したかどうかを、例えば、燃料電池本体３０内に設置された温度計等により燃料電池本体３０の温度を目視により確認し、予め定めておいた発電可能温度（例えば７００℃）に到達したら、部分酸化改質ガスを供給するというような方法で行うことができる。なお、本実施形態では、燃料電池本体３０として、７００℃〜１０００℃程度で発電可能なＳＯＦＣを例に挙げて説明しているが、電解質３２、アノード３４、カソード３６等の材料を変更することにより、ＳＯＦＣの作動温度を変更することもでき（例えば、６００℃程度）、本発明における発電可能温度は特に限定されず、本実施形態に係る燃料電池本体３０のように、７００〜１０００℃よりも低い温度でも問題はない。
【００５７】
このとき、燃料電池本体３０内においては、カソード用空気供給手段５０から、熱交換器６４により加熱された空気がカソード３６に供給され、カソード３６において供給された空気に含まれる酸素の還元反応が行われ、酸化物イオン（Ｏ２−）が発生する。発生した酸化物イオンは、電解質３２を通ってアノード３４に供給される。一方、部分酸化改質器１０により生成された水素及び一酸化炭素を含む部分酸化改質ガスはアノード３４に供給され、供給された部分酸化改質ガスが、カソード３６から電解質３２を介して供給された酸化物イオンと反応することにより、燃料電池本体３０において発電反応（アノード３４では水素及び一酸化炭素の酸化反応、カソード３６では酸素の還元反応）が行われる。この発電反応により、アノード３４からは水蒸気及び二酸化炭素が発生する。
【００５８】
このように、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、部分酸化改質器１０を設け、炭化水素系燃料を部分酸化改質器１０で部分酸化改質することにより生成した部分酸化改質ガスを燃料電池本体３０における発電開始時の燃料ガスとして使用することにより、上述した従来の燃料電池システム１００に設けられていた水蒸気供給手段１１６のような水蒸気発生装置を別途設けて外部から水蒸気を導入しなくても、発電を開始することができる。
【００５９】
（Ｄ）燃料排ガスの循環
次に、燃料電池本体３０にて発電開始後、図２Ｂに示すように、部分酸化改質ガスを用いて、定格電流の数分の一から定格電流の間の電流値まで発電を行ったところで、電流値を固定して高温ブロワー４０を制御しながら、アノード３４から排出された燃料排ガス（水蒸気及び二酸化炭素を主成分とするガス）を水蒸気改質器２０に戻して燃料排ガスを循環させ、高温ブロワー４０から供給された燃料排ガスと燃料供給手段１２から供給された炭化水素系燃料とを混合する。燃料排ガスの循環量は、カーボン析出防止の観点から、（水蒸気）／（カーボン）の比で３以上とすることが好ましい。ここで、本実施形態における水蒸気改質器２０等における水蒸気改質反応は、実際は、アノード３４の排ガス中のＣＯ２も、下記反応式６に示すように、炭化水素系燃料の改質反応の酸化剤として寄与している。また、燃料排ガスの循環は、燃料逆流防止や制御を容易にするとの観点から、部分酸化改質器１０を稼動する段階（上述の（Ａ）を参照）から実施していても問題ない。
【００６０】
ＣＨ４＋ＣＯ２  →  ２ＣＯ＋２Ｈ２    ・・・（反応式６）
【００６１】
（Ｅ）部分酸化改質ガスから水蒸気改質ガスへの切替
上述したようにして、水蒸気改質器２０において水蒸気改質反応を行い、水蒸気改質ガスを生成する。生成された水蒸気改質ガスは、アノード３４に供給され、アノード３４において発電反応（定常発電）が行われる。具体的には、定格電流の１／３程度の電流で固定しながら、水蒸気改質器２０に供給する炭化水素系燃料の量を必要量まで徐々に増加させるとともに、同時に部分酸化改質器１０に供給する炭化水素系燃料の量と空気の量を徐々に０まで減少させる。
【００６２】
なお、本実施形態においては、燃料電池本体３０としてＳＯＦＣを採用することができ、この場合には、水蒸気改質器２０は、燃料電池本体３０の近傍に設置されているため、燃料電池本体３０の昇温及び発電によって水蒸気改質が可能な温度及び熱量が供給されている。また、水蒸気改質器２０の温度は、メタンを改質する際には７００℃以上、エタン以上の高次炭化水素を改質する場合は５５０℃程度が好ましい。また、制御が煩雑となるが、燃料排ガスの循環を部分酸化改質ガスから水蒸気改質ガスへの切替と同時に行っても問題ない。
【００６３】
（Ｆ）水蒸気改質ガスによる定常発電
上記（Ｅ）で述べたような方法で、図２Ｃに示すように、部分酸化改質ガスによる発電から水蒸気改質ガスによる発電に切り替わったら、定格電流値まで、燃料供給手段１２から供給される炭化水素系燃料の流量と、高温ブロワー４０を介して供給される燃料排ガスの循環量とを調整しながら発電（定常発電）を行う。
【００６４】
このようにして、高温ブロワー４０により燃料排ガスを循環させることにより、定常発電を行っている間は、燃料電池本体３０における発電により水蒸気を含む燃料排ガスが発生しているので、この燃料排ガスを利用して炭化水素系燃料の水蒸気改質を行い、燃料電池本体３０における発電を継続的に行うことができる。
【００６５】
（本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの停止方法）
以上、図２Ａ〜図２Ｃに基づいて本実施形態に係る燃料電池システム１の起動方法について説明したが、次に、図３Ａ〜図３Ｃに基づいて、本実施形態に係る燃料電池システム１の停止方法について説明する。なお、図３Ａ〜図３Ｃは、本実施形態の燃料電池システム１の停止方法を示すブロック図であり、図３Ａは、部分酸化改質器１０の起動時の動作を示し、図３Ｂは、燃料電池本体３０における発電の停止時の動作を示し、図３Ｃは、燃料電池本体３０の冷却時の動作を示す。以下、燃料電池システム１が定常発電を行っている状態からシステム停止までの流れについて説明する。
【００６６】
（Ｇ）水蒸気改質ガスから部分酸化改質ガスへの切替
初めに、図３Ａに示すように、水蒸気改質器２０から水蒸気改質ガスを燃料電池本体３０に供給して水蒸気改質ガスによる定常発電を行っている状態で、部分酸化改質器１０に、燃料供給手段１２からの炭化水素系燃料と部分酸化用空気供給手段１４からの空気を流通し、部分酸化改質器１０を起動する。次いで、定格電流の１／３程度の電流まで電流値を低下させ、電流を固定しながら、部分酸化改質器１０に供給する炭化水素系燃料と空気を発電に必要な量まで徐々に増加させて部分酸化改質ガスの流量を調整するとともに、同時に水蒸気改質器２０に供給する炭化水素系燃料を徐々に０まで減少させて、図３Ｂに示すように、水蒸気改質ガスによる発電から部分酸化改質ガスによる発電に切り替える。このとき、定常発電用の水蒸気改質器２０への炭化水素系燃料の供給を停止するのは、部分酸化改質ガスの流量の調整と同時、又は調整後のいずれでもよい。また、部分酸化改質ガスによる発電を開始する時点では、水蒸気改質ガスと部分酸化改質ガスの混合ガスにより発電が行われている。
【００６７】
また、燃料電池本体３０としてＳＯＦＣを採用することができ、この場合には、部分酸化改質器１０は、部分酸化改質触媒の温度が３００℃を確保できる燃料電池本体３０周辺に設置されているため、部分酸化改質器１０に炭化水素系燃料と空気を部分酸化改質に必要な流量を流通すれば、部分酸化改質触媒上で部分酸化改質反応がすぐに開始される。なお、水蒸気改質ガスによる発電から部分酸化改質ガスによる発電に切り替わった後は、高温ブロワー４０による燃料排ガスの循環を停止しても良い。
【００６８】
（Ｈ）発電の停止
図３Ｂに示すように、水蒸気改質器２０から燃料電池本体３０への水蒸気改質ガスの供給を停止した後、部分酸化改質器１０からの部分酸化改質ガスによる発電を行っている状態で、すなわち、発電に必要な量の部分酸化改質ガスをアノード３４に流通しながら、電流値を徐々に０にまで低下させ、発電を停止する。電流値が０になった後、部分酸化改質器１０に供給する炭化水素系燃料と空気のガス量は、アノード３４に外部から酸素が混入しない流速を確保できればよく、燃料電池本体３０の構造とアノード３４の流路の容積から設定する。
【００６９】
（Ｉ）燃料電池本体３０の冷却
次に、図３Ｃに示すように、燃料電池本体３０へのカソード空気の流通を継続して、燃料電池本体３０を冷却する（ここでは、燃料電池本体３０を冷却するので、カソード空気の熱交換器６４や起動バーナー６６等による加熱は行わない）。燃料電池本体３０の温度がアノード３４（燃料極）が酸化しない温度（約２００℃）以下に低下するまでは、部分酸化改質器１０からアノード３４への部分酸化改質ガスの供給（流通）を継続する。
【００７０】
（Ｊ）燃料電池システム１の停止
燃料電池本体３０の温度が、アノード３４が酸化しない温度以下まで冷却された後に、カソード用空気供給手段５０からのカソード空気の供給と、部分酸化改質器１０から燃料電池本体３０への部分酸化改質ガスの供給（すなわち、部分酸化改質器１０への炭化水素系燃料及び空気の流通）を停止し、燃料電池システム１を停止する。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、従来の燃料電池システム１００に設けられていた不活性ガス供給手段１１４や水蒸気供給手段１１６のような、起動及び停止のための不活性ガス等の供給装置や水蒸気発生装置を設ける必要がなくなるため、燃料電池システム１全体を単純化するとともにコストを削減することができる。
【００７２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７３】
例えば、上述した実施形態においては、メタンの水蒸気改質が水蒸気改質器２０により行われる場合について説明したが、この場合に限られず、メタンの水蒸気改質については、アノード３４においてセル直接改質を行うものであってもよい。
【００７４】
また、例えば、上述した実施形態においては、循環手段として高温ブロワー４０を使用した場合について説明したが、この場合に限られず、本発明に係る循環手段としては、例えば、エゼクタ等を使用したものであってもよい。
【００７５】
また、例えば、上述した実施形態においては、カソード空気を加熱する手段として熱交換器６４が設けられた場合について説明したが、発電中の燃料電池本体３０の温度を保持できるものであれば、熱交換器６４は必ずしも設ける必要はない。
【００７６】
また、例えば、上述した実施形態においては、部分酸化改質器１０から供給された部分酸化改質ガスが水蒸気改質器２０を介してアノード３４に供給される場合について説明したが、部分酸化改質器１０から供給された部分酸化改質ガスは、水蒸気改質器２０を介さずにアノード３４に直接供給されるように構成してもよい。
【００７７】
また、例えば、上述した実施形態においては、単一の燃料供給手段１２が、部分酸化改質器１０及び水蒸気改質器２０の双方に炭化水素系燃料を供給する場合について説明したが、部分酸化改質器１０及び水蒸気改質器２０のそれぞれに対し、別個の燃料供給手段が炭化水素系燃料を供給するように構成してもよい。ただし、燃料電池システム全体を単純化し、コストを抑えるという観点からは、上述した実施形態のように、単一の燃料供給手段が部分酸化改質器及び水蒸気改質器の双方に炭化水素系燃料を供給するように構成することが好ましい。
【００７８】
なお、上記特許文献１には、部分酸化改質ガスを用いてアノードの酸化を防止する技術について記載されているが、特許文献１に記載された燃料電池システムは、発電に使用する燃料ガスを水蒸気改質ガスのみによって行っており、また、外部から導入した水蒸気を使用して水蒸気改質を行うシステムであり、本願発明の燃料電池システムとは異なり、部分酸化改質ガスを発電に使用しない点で大きく異なるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２Ａ】同実施形態に係る燃料電池システムの起動方法を示すブロック図であって、燃料電池本体の昇温時の動作を示す図である。
【図２Ｂ】同実施形態に係る燃料電池システムの起動方法を示すブロック図であって、燃料電池本体の発電開始時の動作を示す図である。
【図２Ｃ】同実施形態に係る燃料電池システムの起動方法を示すブロック図であって、燃料電池本体の定常発電時の動作を示す図である。
【図３Ａ】同実施形態に係る燃料電池システムの停止方法を示すブロック図であって、部分酸化改質器の起動時の動作を示す図である。
【図３Ｂ】同実施形態に係る燃料電池システムの停止方法を示すブロック図であって、燃料電池本体における発電の停止時の動作を示す図である。
【図３Ｃ】同実施形態に係る燃料電池システムの停止方法を示すブロック図であって、燃料電池本体の冷却時の動作を示す図である。
【図４】従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５Ａ】従来の燃料電池システムの起動方法を示すブロック図であって、燃料電池本体の昇温時の動作を示す図である。
【図５Ｂ】従来の燃料電池システムの起動方法を示すブロック図であって、燃料電池本体の発電開始時の動作を示す図である。
【図５Ｃ】従来の燃料電池システムの起動方法を示すブロック図であって、燃料電池本体の定常発電時の動作を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１      燃料電池システム
１０      部分酸化改質器
１２      燃料供給手段
１４      部分酸化用空気供給手段
２０      水蒸気改質器
２２      予備改質器
２４      水蒸気改質器
３０      燃料電池本体
３２      電解質
３４      アノード
３６      カソード
４０      高温ブロワー
５０      カソード用空気供給手段
６０      燃料電池本体加熱手段
６２      燃焼部
６４      熱交換器
６６      起動バーナー
【図１】
2007311072.tif 000003
【図２Ａ】
2007311072.tif 000004
【図２Ｂ】
2007311072.tif 000005
【図２Ｃ】
2007311072.tif 000006
【図３Ａ】
2007311072.tif 000007
【図３Ｂ】
2007311072.tif 000008
【図３Ｃ】
2007311072.tif 000009
【図４】
2007311072.tif 000010
【図５Ａ】
2007311072.tif 000011
【図５Ｂ】
2007311072.tif 000012
【図５Ｃ】
2007311072.tif 000013