(57)【要約】【課題】  燃料電池システムを起動する際、改質器が生成した高温の改質ガスと燃料電池本体を冷却する冷却水との間で熱交換を行い、昇温された冷却水を用いて、燃料電池本体を予備加熱する。【解決手段】  燃料電池システム１は、燃料電池本体４に設けられ、燃料電池システム１を起動する際、冷却水が流れる冷却水流路４３と、燃料電池システム１を起動する際、改質器２からの改質ガスと冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を加熱する熱交換器３と、熱交換器３にて冷却水との間で熱交換を行なった改質ガスを、改質器２に設けられたバーナー２１に供給するリターン配管５とを具備した構成としてある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素を酸素と反応させて発電する燃料電池本体とを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体に設けられ、前記燃料電池システムを起動する際、昇温流体が流れる昇温流体流路と、
前記燃料電池システムを起動する際、前記改質器からの改質ガスと前記昇温流体との間で熱交換を行い、該昇温流体を加熱する熱交換器と、
前記熱交換器にて前記昇温流体との間で熱交換を行なった前記改質ガスを、前記改質器に設けられたバーナーに供給するリターン配管と
を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段を備え、該制御手段が、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）より高め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】
前記燃料電池システムを起動する際の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）より０．５以上高く、かつ、２０．０以下としたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記昇温流体流路を、前記燃料電池本体に設けられた冷却水流路と共用化し、前記昇温流体として、定常運転時の前記燃料電池本体を冷却する冷却水を使用したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記リターン配管に、気水分離器を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素を酸素と反応させて発電する燃料電池本体とを有する燃料電池システムの起動方法であって、
前記改質器に設けられたバーナーが、炭化水素原料を燃焼させて、前記改質器を予備加熱し、
予備加熱された前記改質器が、供給された前記改質ガス燃料から前記改質ガスを生成し、
熱交換器が、前記改質器からの改質ガスと昇温流体との間で熱交換を行い、該昇温流体を加熱し、
加熱された前記昇温流体が、前記燃料電池本体に設けられた昇温流体流路を流れ、前記燃料電池本体を予備加熱し、
前記熱交換器にて前記昇温流体との間で熱交換を行なった前記改質ガスが、リターン配管を介して、前記バーナーに供給され、バーナー用燃料として燃焼され、
前記燃料電池本体が予備加熱されると、前記改質器からの改質ガスが、前記燃料電池本体に供給され、発電を開始する
ことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項７】
前記改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段が、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）より高めることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその起動方法に関し、特に、燃料電池システムを起動する際、改質器が生成した高温の改質ガスと定常運転時に燃料電池本体を冷却する冷却水との間で熱交換を行い、昇温された冷却水を用いて、燃料電池本体を予備加熱する燃料電池システム及びその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などの様々な燃料電池が開発されてきた。
固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、室温〜約８０℃で作動する。また、固体高分子形燃料電池は、所定の作動温度（たとえば、約７０℃〜７５℃）にて高出力が得られることから、起動時には、上記所定の作動温度あるいは所定の作動温度付近まで予備加熱してから作動させることにより、起動時間を短縮することができる。なお、定常運転時には、水素リッチな改質ガス及び空気によって発電する際に発する熱を除去し、上記所定の作動温度まで冷却している。
このため、燃料電池システムを起動させる際、燃料電池を作動温度まで予備加熱する様々な技術が開発されてきた。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、水蒸気分離器の内部に、外部スチーム発生装置のスチーム供給管に連結する加熱用コイルを備え、起動時に、スチームを通流して水蒸気分離器の冷却水を加温し、冷却水循環ポンプによって燃料電池本体へ送り、燃料電池本体を所定温度に加熱する燃料電池発電装置の技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、改質器から出る改質ガス又は燃料電池スタックより排出される未利用水素を燃焼させる燃焼バーナの排ガスの熱で、高温熱冷媒油管路を介して燃料電池スタックの冷却水管路及びＣＯ低減部の熱冷媒油管路を加熱することにより、バッテリーを使用せずに燃料電池スタックの冷却水及びＣＯ低減部の熱冷媒油を加熱して短時間で起動できるようにした燃料電池システムの技術が開示されている。
【特許文献１】特開平９−７６２５号公報
【特許文献２】特開平１２−２１４２８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、特許文献１に記載された燃料電池発電装置は、外部スチーム発生装置で冷却水（冷却用の水）を加熱し、加熱した冷却用の水により燃料電池本体を予備加熱しており、外部スチーム発生装置を設けることによって、システムが大型化するといった問題があった。また、外部スチーム発生装置の代わりに、電熱ヒータを設けると、電熱ヒータが電力を消費することによって、システム効率が低下するといった問題があった。
また、特許文献２に記載された燃料電池システムは、バーナーを燃焼させた際に発生する排ガスの熱を効果的に利用しているものの、より短時間で燃料電池本体を予備加熱しようとすると、バーナーの火力を大きくする必要があり、改質器が過熱する心配があった。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決すべく、燃料電池システムを起動する際、改質器が生成した高温の改質ガスと燃料電池本体を冷却する冷却水との間で熱交換を行い、昇温された冷却水を用いて、燃料電池本体を予備加熱する燃料電池システム及びその起動方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素を酸素と反応させて発電する燃料電池本体とを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体に設けられ、前記燃料電池システムを起動する際、昇温流体が流れる昇温流体流路と、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質器からの改質ガスと前記昇温流体との間で熱交換を行い、該昇温流体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器にて前記昇温流体との間で熱交換を行なった前記改質ガスを、前記改質器に設けられたバーナーに供給するリターン配管とを具備した構成としてある。
このようにすると、燃料電池システムを起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体を予備加熱することができる。
【０００８】
また、本発明の燃料電池システムは、前記改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段を備え、該制御手段が、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）より高める構成としてある。
このようにすると、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体をより短時間で予備加熱することができる。なお、カーボンに対する水蒸気の比率の単位“ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ”とは、“モル／原子  比”のことをいう。
【０００９】
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池システムを起動する際の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）より０．５以上高く、かつ、２０．０以下とした構成としてある。
このようにすると、燃料電池本体をより短時間で予備加熱することができるとともに、熱交換された改質ガスをバーナーに供給することができる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムは、前記昇温流体流路を、前記燃料電池本体に設けられた冷却水流路と共用化し、前記昇温流体として、定常運転時の前記燃料電池本体を冷却する冷却水を使用した構成としてある。
このようにすると、構造が単純化され、燃料電池システムを小型化することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、前記リターン配管に、気水分離器を設けた構成としてある。
このようにすると、改質ガスに含まれる水分が分離されるので、改質ガスに含まれる水分がバーナーに入り込んでしまい、失火するといった不具合を回避することができる。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムの起動方法は、炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素を酸素と反応させて発電する燃料電池本体とを有する燃料電池システムの起動方法であって、前記改質器に設けられたバーナーが、炭化水素原料を燃焼させて、前記改質器を予備加熱し、予備加熱された前記改質器が、供給された前記改質ガス燃料から前記改質ガスを生成し、熱交換器が、前記改質器からの改質ガスと昇温流体との間で熱交換を行い、該昇温流体を加熱し、加熱された前記昇温流体が、前記燃料電池本体に設けられた昇温流体流路を流れ、前記燃料電池本体を予備加熱し、前記熱交換器にて前記昇温流体との間で熱交換を行なった前記改質ガスが、リターン配管を介して、前記バーナーに供給され、バーナー用燃料として燃焼され、前記燃料電池本体が予備加熱されると、前記改質器からの改質ガスが、前記燃料電池本体に供給され、発電を開始する方法としてある。
このように、本発明は、燃料電池システムの起動方法としても有効であり、燃料電池システムを起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体を予備加熱することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムの起動方法は、前記改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段が、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）より高める方法としてある。
このようにすると、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体をより短時間で予備加熱することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明における燃料電池システム及びその起動方法によれば、燃料電池システムを起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体を短時間で予備加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［燃料電池システム］
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの要部の概略ブロック図を示している。
同図において、燃料電池システム１は、改質器２，熱交換器３，燃料電池本体４及びリターン配管５を備えている。
【００１６】
改質器２は、改質触媒が充填された改質容器（図示せず），シフト触媒が充填されたＣＯ変成器（図示せず），プロックス触媒が充填された選択酸化器（図示せず）及びバーナー２１が設けられている。この改質器２は、炭化水素原料（本実施形態では、灯油としてある。）及び水（原料水）を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する。なお、本実施形態の改質器２は、改質触媒に加え、シフト触媒及びプロックス触媒を用いることにより、より水素リッチな改質ガスを生成する。
【００１７】
また、改質器２は、燃料ポンプ２２，脱硫器２３，気化器２４，蒸発器２５，空気ブロワ２６及びバルブ２７，２８を備えている。
燃料ポンプ２２は、吸込み口が灯油タンク（図示せず）と接続されており、吐出口が、流量を調節するバルブ２７，硫黄成分を除去する脱硫器２３，蒸発器２５，及び，灯油を気化させ水蒸気と混合する気化器２４を介して、改質器２内の改質容器と接続されている。また、バルブ２７の上流側の配管が分岐されており、燃料ポンプ２２の吐出口が、流量を調節するバルブ２８を介して、バーナー２１と接続されている。これにより、所定量の灯油が、改質容器やバーナー２１にそれぞれ供給される。
なお、本実施形態では、一つの燃料ポンプ２２を用いた構成としてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、改質容器に灯油を供給する第一の燃料ポンプと、バーナー２１に灯油を供給する第二の燃料ポンプを用いる構成としてもよい。さらに、第一及び第二の燃料ポンプを流量制御可能なポンプとしてもよい。
【００１８】
蒸発器２５は、原料水（純水）とバーナー２１の（燃焼）排ガスとの間で熱交換を行なう熱交換器であり、加熱される原料水が流れる被加熱部（図示せず）と、加熱する排ガスが流れる加熱部（図示せず）を備えている。被加熱部は、出口が気化器２４と接続され、入口が、流量を調整するバルブ４８と原料水ポンプ４７を介して、純水タンク４４と接続されている。また、加熱部は、入口が改質器２と接続され、出口が、排ガス管２５１と接続されている。これにより、蒸発器２５は、純水タンク４４から供給される原料水を蒸発させ、水蒸気を気化器２４に供給する。なお、流量を調整するバルブ４８を設ける代わりに、原料水ポンプ４７を流量制御可能なポンプとしてもよい。
【００１９】
空気ブロワ２６は、吐出口がバーナー２１と接続されており、空気をバーナー２１に供給する。また、吐出口からバーナー２１への配管は、途中で分岐しており、分岐された配管が、改質器２の選択酸化器と接続されている。
【００２０】
本実施形態の燃料電池本体４は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）としてあり、改質ガスが供給されるアノード４１と、空気（酸素）が供給されるカソード４２と、発電している際に発熱するアノード４１とカソード４２を冷却する冷却水流路４３とを有している。また、冷却水流路４３には、純水タンク４４の純水が、冷却水として流され、定常運転時における燃料電池本体４を冷却する。
なお、本実施形態では、後述する昇温流体流路４３ａを、燃料電池本体４に設けられた冷却水流路４３と共用化してあり、燃料電池システム１を起動させる際、冷却水流路４３が昇温流体流路４３ａとして機能する。
【００２１】
一般的に、燃料電池本体４は、図示してないが、複数の単セルが積層されたセルスタックとしてある。上記単セルは、矩形平板状のセパレータ，アノード４１を構成する矩形シート状のガス拡散層と触媒層，電解質膜，カソード４２を構成する矩形シート状のガス拡散層と触媒層，及び，矩形平板状のセパレータが積層された構成としてある。対向するセパレータの内面には、空気や改質ガスがそれぞれ流れる複数の溝（流路）が形成され、各セパレータの外面には、冷却水が流れる複数の溝からなる冷却水流路４３が形成されている。
なお、燃料電池本体４は、上記構成に限定されるものではない。すなわち、燃料電池の種類や、単セルの形状，単セルの集合構造などによって、特に、限定されるものではない。また、燃料電池本体とは、単セル及び単セルの集合体をいう。
【００２２】
燃料電池本体４は、純水タンク４４，冷却水ポンプ４３１，バルブ４３２，４３３，気水分離器４５及び空気ブロワ４６を備えている。
純水タンク４４は、純水タンク４４内の純水を吸い込み、冷却水流路４３に送り出す冷却水ポンプ４３１とバルブ４３２を介して、冷却水流路４３と接続されている。また、バルブ４３２の上流側では、配管が分岐されており、純水タンク４４は、冷却水ポンプ４３１及び分岐された配管に接続されたバルブ４３３を介して、熱交換器３と接続されている。
【００２３】
この熱交換器３は、燃料電池システム１を起動する際、純水タンク４４から供給される純水と改質ガスとの間で熱交換を行い、純水を加熱する熱交換器であり、加熱される流体（純水タンク４４からの純水）が流れる被加熱部（図示せず）と、加熱する流体（改質器２からの改質ガス）の流れる加熱部（図示せず）を備えている。被加熱部は、出口が冷却水流路４３と接続され、入口が、バルブ４３３と冷却水ポンプ４３１を介して、純水タンク４４と接続されている。また、加熱部は、入口が、改質器２と接続され、出口が、バルブ３２，バルブ３２の下流に設けられた気水分離器３３及びリターン配管５を介して、バーナー２１と接続されている。
なお、気水分離器３３は、排水口（図示せず）が純水タンク４４と接続されている。この気水分離器３３は、燃料電池システム１を起動する際、バルブ３１が開かれると、改質ガスに含まれる水分を分離し、純水タンク４４に回収する。
【００２４】
また、バルブ３２の上流側では、配管が分岐されており、改質器２は、熱交換器３及び分岐された配管に接続されたバルブ３１を介して、アノード４１と接続されている。このアノード４１は、出口がバーナー２１と接続されている。  
【００２５】
また、カソード４２は、入口が空気ブロワ４６と接続されており、出口が、気水分離器４５と接続されている。カソード４２の出口から排出される水蒸気及び空気は、水蒸気が気水分離器４５によって分離され、水として純水タンク４４に回収され、空気及び微量の水蒸気が気相配管４５１を介して排ガスとして大気に排出される。
さらに、冷却水流路４３は、出口が純水タンク４４と接続されている。
【００２６】
次に、上記構成の燃料電池システム１の起動動作について説明する。
燃料電池システム１は、まず、燃料ポンプ２２が作動し、バルブ２８が開き、灯油をバーナー２１に供給するとともに、空気ブロワ２６が作動し、空気をバーナー２１に供給する。また、バーナー２１は、着火され、炭化水素原料（灯油）を燃料として燃焼を開始し、改質器２の改質触媒などを予備加熱する。
【００２７】
次に、燃料電池システム１は、改質器２が予備加熱されると、バルブ４８が開き、原料水ポンプ４７が作動し、純水を蒸発器２５の被加熱部に供給する。その後、改質部，シフト部，プロックス部が所定の温度に達したら、バルブ２７が開き、脱硫器２３によって脱硫された灯油を気化器２４に供給する。蒸発器２５は、バーナー２１の排ガスと供給された純水との間で熱交換を行い、純水を加熱し水蒸気とし、気化器２４に供給する。気化器２４は、供給された灯油を、蒸発器２５からの水蒸気を用いて気化させるとともに、気化した灯油と水蒸気を混合させ、改質ガス燃料として改質器２に供給する。
【００２８】
次に、改質器２は、改質触媒，シフト触媒及びプロックス触媒が、改質ガス燃料と反応し、水素リッチな改質ガスを生成する。燃料電池システム１は、生成した改質ガスを熱交換器３に供給する。この改質ガスは、シフト触媒及びプロックス触媒と反応することにより、約１５０℃〜２００℃となり、すなわち、熱交換器３にて熱交換を行なうのに適した温度としてある。
なお、本実施形態では、改質触媒，シフト触媒及びプロックス触媒により生成された改質ガスを熱交換器３に供給しているが、これに限定されるものではなく、たとえば、改質触媒により生成された改質ガスを、シフト触媒及びプロックス触媒と反応させずに、熱交換器３に供給してもよい。
【００２９】
また、燃料電池システム１は、バルブ４３２を閉じ、バルブ４３３を開き、冷却水ポンプ４３１を作動させ、純水タンク４４内の純水を熱交換器３の被加熱部に供給している。供給された純水は、改質ガスとの間で熱交換が行なわれ、加熱された純水が、冷却水流路４３に供給され、燃料電池本体４を予備加熱する。冷却水流路４３に供給された純水は、冷却水流路４３から純水タンク４４に戻り、リサイクルされる。
なお、本実施形態では、冷却水流路４３に供給された純水が、冷却水流路４３から純水タンク４４に戻る構成としてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、図示してないが、冷却水流路４３からの純水が、冷却水ポンプ４３１の吸込み口に直接的に戻る構成としてもよい。このようにすると、冷却水ポンプ４３１，バルブ４３３，熱交換器３及び冷却水流路４３を循環する純水の量が少なくなり、燃料電池本体４をより短時間で昇温させることができる。また、定常運転時に燃料電池本体４を冷却するための純水の昇温を抑制できるので、定常運転時に燃料電池本体４を効果的に冷却することができる。
【００３０】
ここで、好ましくは、改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段、すなわち、本実施形態においては、灯油の供給量を制御するバルブ２７又は原料水（純水）の供給量を制御するバルブ４８の少なくとも一方を調節し、燃料電池システム１を起動する際、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）より高めるとよい。このようにすると、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体４をより短時間で予備加熱することができる。
【００３１】
たとえば、定常運転状態における改質ガス燃料のカーボン（ＣＴ）に対する水蒸気（ＳＴ）の比率（適宜、ＳＴ／ＣＴと略称する。）が２．５のとき、燃料電池システム１を起動する際における、改質ガス燃料のカーボン（ＣＳ）に対する水蒸気（ＳＳ）の比率（適宜、ＳＳ／ＣＳと略称する。）を、３．０以上２０．０以下とするとよい。また、ＳＴ／ＣＴが３．０のときは、ＳＳ／ＣＳを、３．５以上２０．０以下とするとよい。このようにすると、燃料電池本体４の予備加熱時間を短縮するとともに、熱交換器３にて熱を奪われた改質ガスを、バーナー用燃料としてバーナー２１に供給することができる。この理由は、ＳＳ／ＣＳを、ＳＴ／ＣＴより０．５以上大きくしないと、燃料電池本体４の予備加熱時間を効果的に短縮することができないからである。また、ＳＳ／ＣＳを、ＳＴ／ＣＴより２０．０を超えて大きくすると、熱交換器３にて熱を奪われた改質ガスを、バーナー用燃料としてバーナー２１に供給する際、燃焼雰囲気の水蒸気が多くなりすぎ、良好な燃焼が妨げられるからである。
【実施例】
【００３２】
ＳＴ／ＣＴが３．０の燃料電池システム１を、ＳＳ／ＣＳを５．０として起動させたところ、ＳＳ／ＣＳを３．０として起動させた場合と比べて、燃料電池本体４の予備加熱時間を約３０分短縮することができた。さらに、この燃料電池システム１を、ＳＳ／ＣＳを７．０として起動させたところ、ＳＳ／ＣＳを５．０として起動させた場合と比べて、燃料電池本体４の予備加熱時間をさらに約１５分短縮することができた。すなわち、燃料電池システム１を起動する際、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（＝ＳＳ／ＣＳ）を、定常運転時の改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（＝ＳＴ／ＣＴ）より高めることにより、燃料電池本体４をより短時間で予備加熱することができた。
【００３３】
次に、燃料電池システム１は、バルブ３１が閉じられ、バルブ３２が開かれており、熱交換器３にて熱を奪われた改質ガスが、気水分離器３３及びリターン配管５を経由して、バーナー２１に供給され、バーナー用燃料として燃焼される。この際、燃料電池システム１は、リターン配管５を経由して改質ガスがバーナー２１に供給される分、燃料ポンプ２２からバーナー２１への灯油供給量を低減する。これにより、改質器２が、過熱するといった不具合を防止することができる。また、ＳＳ／ＣＳがＳＴ／ＣＴより高められている場合であっても、気水分離器３３が、改質ガスに含まれる水分を分離し、純水タンク４４に回収するので、改質ガスに含まれる水分がバーナー２１に入り込んでしまい、バーナー２１が失火するといった不具合を回避することができる。
【００３４】
このように、本実施形態の燃料電池システム１は、起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体４を予備加熱することができ、また、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）より高めることにより、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体４をより短時間で予備加熱することができる。
なお、本発明の燃料電池システムは、上記構成の燃料電池システム１に限定されるものではなく、様々な応用例を有している。
【００３５】
＜応用例＞
次に、本発明の燃料電池システムの一応用例について、図面を参照して説明する。
図２は、本発明の一応用例にかかる燃料電池システムの要部の概略ブロック図を示している。
同図において、燃料電池システム１ａは、上記燃料電池システム１と比較して、燃料電池本体４ａに昇温流体流路４３ａを形成し、循環ポンプ４３１ａで昇温流体を循環させる点が相違する。他の構成要素は第一実施形態の燃料電池システム１とほぼ同様としてある。
したがって、図２において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３６】
本応用例の燃料電池本体４ａは、不凍液などの昇温流体が流れることにより、燃料電池本体４ａを予備加熱する昇温流体流路４３ａを備えている。昇温流体流路４３ａは、図示してないが、複数の溝状の流路であり、各セパレータの外面に形成された溝状の冷却水流路４３の近傍に形成してある。なお、昇温流体流路４３ａは、上記構造に限定されるものではなく、たとえば、燃料電池本体４ａを加熱することの可能な構造であればよい。
【００３７】
昇温流体流路４３ａは、出口が、循環ポンプ４３１ａを介して、熱交換器３の被加熱部の入口と接続されており、（昇温流体流路４３ａの）入口が、被加熱部の出口と接続されている。これにより、燃料電池システム１ａは、生成した改質ガスが熱交換器３に供給されると、循環ポンプ４３１ａを作動させ、昇温流体を熱交換器３の被加熱部に供給する。供給された昇温流体は、改質ガスとの間で熱交換が行なわれ、加熱された昇温流体が、昇温流体流路４３ａに供給され、燃料電池本体４ａを予備加熱する。
なお、燃料電池本体４ａは、冷却水流路４３の入口が、冷却水ポンプ４３１の吐出口と直接的に接続されており、定常運転時には、冷却水が、冷却水ポンプ４３１，冷却水流路４３及び純水タンク４４を経由して循環される。
【００３８】
このように、本応用例の燃料電池システム１ａは、起動する際、予備加熱専用の昇温流体を、改質ガスの熱を利用して加熱し、この加熱した昇温流体によって、燃料電池本体４ａを効果的に予備加熱することができる。
【００３９】
［燃料電池システムの起動方法］
図３は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの起動方法を説明するための概略フローチャート図を示している。
同図において、燃料電池システムの起動方法は、上記燃料電池システム１を起動する方法であり、まず、改質器２に設けられたバーナー２１が、灯油を燃焼させて、改質器２を予備加熱する（ステップＳ１）。
【００４０】
次に、燃料電池システム１は、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）より高める、すなわち、（ＳＳ／ＣＳ）>（ＳＴ／ＣＴ）とする（ステップＳ２）。これにより、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体４をより短時間で予備加熱することができる。
続いて、予備加熱された改質器２が、（ＳＳ／ＣＳ）>（ＳＴ／ＣＴ）とされた改質ガス燃料から改質ガスを生成する（ステップＳ３）。
【００４１】
次に、熱交換器３が、改質器２からの改質ガスと純水タンク４４からの純水との間で熱交換を行い、純水を加熱し（ステップＳ４）、続いて、加熱された純水が、燃料電池本体４に設けられた冷却水流路４３を流れ、燃料電池本体４を予備加熱する（ステップＳ５）。このようにすると、定常運転時に、燃料電池本体４を冷却するための冷却水流路４３を利用して、燃料電池本体４を予備加熱することができ、燃料電池本体４の構造を単純化することができる。
【００４２】
次に、熱交換器３にて純水との間で熱交換を行なった改質ガスが、気水分離器３３及びリターン配管５を介して、バーナー２１に供給され、バーナー用燃料として燃焼される（ステップＳ６）。この際、バーナー２１に改質ガスが供給されるので、供給される改質ガスに応じて、灯油の供給量が低減され、改質器２が過熱するのを防止する。また、気水分離器３３が、改質ガスに含まれる水分を分離し、純水タンク４４に回収するので、改質ガスに含まれる水分がバーナー２１に入り込んでしまい、バーナー２１が失火するといった不具合を回避することができる。
【００４３】
次に、燃料電池本体４が予備加熱されると、燃料電池システム１は、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）を、あらかじめ設定された定常運転時の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）に調整し、調整した改質ガス燃料を改質器２に供給する（ステップＳ７）。続いて、燃料電池システム１は、改質器２が、定常運転時の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ  ｒａｔｉｏ）に調整された改質ガス燃料から改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池本体４に供給し、発電を開始する（ステップＳ８）。
【００４４】
このように、本発明は、燃料電池システム１の起動方法としても有効であり、燃料電池システム１を起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体４を短時間で予備加熱することができる。
【００４５】
以上、本発明の燃料電池システム及びその起動方法について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る燃料電池システム及びその起動方法は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、燃料電池システム１は、熱交換器３を、改質器２と燃料電池本体４の間に設けた構造としてあるが、この構造に限定されるものではなく、たとえば、改質器２の内部に設けたり、あるいは、燃料電池本体４と連結して設けてもよい。これにより、燃料電池システム１の構造をより単純化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の燃料電池システム及びその起動方法は、起動時において、燃料電池本体を予備加熱する場合に限定されるものではなく、たとえば、燃料電池本体の温度を制御する技術としても有効であり、燃料電池本体の温度制御システムとして本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの要部の概略ブロック図を示している。
【図２】本発明の一応用例にかかる燃料電池システムの要部の概略ブロック図を示している。
【図３】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの起動方法を説明するための概略フローチャート図を示している。
【符号の説明】
【００４８】
１，１ａ  燃料電池システム
２  改質器
３  熱交換器
４，４ａ  燃料電池本体
５  リターン配管
２１  バーナー
２２  燃料ポンプ
２３  脱硫器
２４  気化器
２５  蒸発器
２６  空気ブロワ
２７，２８  バルブ
３１，３２  バルブ
３３  気水分離器
４１  アノード
４２  カソード
４３  冷却水流路
４３ａ  昇温流体流路
４４  純水タンク
４５  気水分離器
４６  空気ブロワ
４７  原料水ポンプ
４８  バルブ
２５１  排ガス管
４３１  冷却水ポンプ
４３１ａ  循環ポンプ
４３２，４３３  バルブ
４５１  気相配管
【図１】
2007103034.tif 000003
【図２】
2007103034.tif 000004
【図３】
2007103034.tif 000005