JP2003272687A - 燃料電池発電装置および燃料電池運転方法 - Google Patents

燃料電池発電装置および燃料電池運転方法

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JP2003272687A
JP2003272687A JP2002078166A JP2002078166A JP2003272687A JP 2003272687 A JP2003272687 A JP 2003272687A JP 2002078166 A JP2002078166 A JP 2002078166A JP 2002078166 A JP2002078166 A JP 2002078166A JP 2003272687 A JP2003272687 A JP 2003272687A
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heat
fuel
water
circulation system
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JP2002078166A
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Hideo Miyahara
秀夫 宮原
Yuji Nagata
裕二 永田
Kazuo Saito
和夫 斉藤
Yasuhiro Arai
康弘 新井
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Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Original Assignee
Toshiba International Fuel Cells Corp
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池本体からの水を、冬場、凍結させるこ
となく確実に高温化でき、かつ安価に加熱、供給できる
燃料電池発電装置および燃料電池運転方法を提供する。 【解決手段】本発明に係る燃料電池発電装置は、水素と
空気中の酸素から電気化学反応により電気を発生する燃
料電池本体８と、燃料を化学反応により水素に変える燃
料処理装置７と、燃料電池本体８および燃料処理装置７
のそれぞれから出る水を循環させる循環系１２，１８
と、循環系１２，１８からの熱を回収し、高温水を貯え
る蓄熱槽２０を備えた熱回収系１９とで構成する燃料電
池発電装置において、蓄熱槽２０に貯える高温水を循環
系１８，１１に熱源として与える熱供給系２２を備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、排熱の有効活用を
図った燃料電池発電装置および燃料電池運転方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、燃料から電力に変換するエネルギ
変換装置として、燃料電池が注目されている。
【０００３】この燃料電池は、幾つかのタイプのものが
稼動中または研究開発中であるが、その中でも電解質と
して固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池が構造
コンパクトで、高出力密度が得られ、しかも簡易なシス
テムで運転ができるため、定置用分散電源だけでなく、
宇宙用、車両用、さらに家庭用等幅広い産業分野への電
力供給源として脚光を浴びている。
【０００４】また、燃料電池は、電気化学反応の際、生
成される熱を巧みに利用する、いわゆるコジェネレーシ
ョン分野への適用も検討されている。
【０００５】このように、期待の高い燃料電池、特に固
体高分子型の燃料電池は、図７に示すように、燃料処理
装置１、燃料電池本体２、排熱回収系３、循環系３ａ等
を備えた構成になっている。
【０００６】また、燃料電池は、燃料処理装置１と燃料
電池本体２とをエンクロージャ４に収容し、設備のコン
パクト化を図っている。
【０００７】燃料処理装置１は、燃料、例えば都市ガス
等の炭化水素系燃料から水素を主成分とする燃料ガスを
生成するものであり、都市ガス等に含まれている硫黄を
水添脱硫等の手段で除去した後、改質器で触媒を用いて
化学反応により、例えば水蒸気を加えて炭化水素系燃料
を水素主成分の燃料ガスに改質させている。
【０００８】その際、反応ガスには、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）が多く含まれているので、燃料電池本体２に組み込
まれている触媒を被毒させることがある。このため、燃
料処理装置１は、ＣＯ変成除去器（図示せず）を備え、
ＣＯ濃度を数ｐｐｍに低減して燃料ガスを燃料電池本体
２に供給している。
【０００９】この燃料電池本体２は、プロトン導電性の
固体高分子膜に触媒を被覆するガス拡散電極で挟む膜電
極複合体を備えるとともに、その両外側に集電体として
ガス供給溝を備えたガス透過性の低い材料からなるセパ
レータを列状または層状に配置し、電池スタックを構成
している。
【００１０】また、ガス拡散電極は、片面が燃料極、反
対側の片面が空気極（酸化剤極）を備えており、水素を
主成分とする燃料ガスと空気とがセパレータのガス供給
溝を介してそれぞれ区分けして供給させている。セパレ
ータのガス供給溝のそれぞれに供給される反応ガスは、
一般に理論流量よりも多くし、電力の発生がより多くな
るようにしている。
【００１１】燃料電池本体２は、反応ガスの電気化学的
な反応により電力が発生すると、電力系統に供給してい
る。
【００１２】電力系統は、供給された直流電圧をチョッ
パ回路等により昇圧し、さらにインバータにより交流電
圧に変換し、電力として各家庭等に供給する際、負荷調
整を行っている。
【００１３】一方、排熱回収系３は、燃料処理装置１や
燃料電池本体２等で生成される排ガスに含まれている水
蒸気を分離させ、分離させた水蒸気等の温水を蓄熱槽５
に貯えた後、熱利用部、例えば浴場や温水プール等の給
湯、温水等に利用している。
【００１４】また、循環系３ａは、燃料処理装置１で発
生した温水を排熱回収系３の蓄熱槽５に供給し、ここで
熱利用部からの水を加熱させた後、ポンプ３ｂを介して
再び燃料処理装置１に戻している。
【００１５】このように、従来の固体高分子型の燃料電
池は、電気化学的に直流電力を発生させる際に生成され
る温水を、一旦排熱回収系３に回収させ、回収した温水
を例えば浴場あるいはプール等に給湯として供給し、エ
ネルギの有効活用を図っていた。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】図７に示した従来の燃
料電池は、燃料電池本体２等から出る温水等の排熱を回
収し、例えば浴場等の熱利用部に供給し、エネルギの有
効活用を図っていたが、それでも幾つかの問題があり、
その一つに冬場、寒冷地域での燃料処理装置１の改質器
等や燃料電池本体２に供給する水を加熱させる加熱源確
保の問題があった。
【００１７】例えば、冬場あるいは氷点下以下の温度ま
で低下する地域では、起動運転に入る場合、運転停止中
の燃料処理装置１の改質器等や燃料電池本体２内に滞留
する水の凍結を防止する必要上、改質水や加湿水を高温
化させる加熱媒体を確保する有効な手段がなく、加熱手
段として専ら電気ヒータを用いていた。
【００１８】しかし、電気ヒータ等の加熱手段では、改
質水等の水の昇温に多くのエネルギと時間を要する等の
不具合、不都合があった。
【００１９】したがって、燃料処理装置１の改質器等や
燃料電池本体２に供給する改質水や加湿水等の水を高温
水にする安価で確実に供給できる加熱源の確保が求めら
れていた。
【００２０】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたもので、燃料処理装置や燃料電池本体等に供給する
改質水や加湿水等の水を、冬場、凍結させることなく確
実に高温化でき、かつ安価に加熱、供給できる燃料電池
発電装置および燃料電池運転方法を提供することを目的
とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池発
電装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記
載したように、水素と空気中の酸素から電気化学反応に
より電気を発生させる燃料電池本体と、燃料を化学反応
により水素に変える燃料処理装置と、前記燃料電池本体
および前記燃料処理装置のそれぞれから出る水を循環さ
せる循環系と、前記循環系からの熱を回収し、高温水を
貯える蓄熱槽を備えた熱回収系とで構成する燃料電池発
電装置において、前記蓄熱槽に貯える高温水を前記循環
系に熱源として与える熱供給系を備えたものである。
【００２２】また、本発明に係る燃料電池発電装置は、
上述の目的を達成するために、請求項２に記載したよう
に、水素と空気中の酸素から電気化学反応により電気を
発生させる燃料電池本体と、燃料を化学反応により水素
に変える燃料処理装置と、前記燃料電池本体および前記
燃料処理装置のそれぞれから出る水を循環させる循環系
と、前記循環系からの熱を回収し、高温水を貯える蓄熱
槽を備えた熱回収系とで構成する燃料電池発電装置にお
いて、前記蓄熱槽に貯える高温水を前記循環系に熱源と
して与える熱供給系と、前記熱供給系に設けられ、前記
燃料電池本体あるいは前記燃料処理装置を収容するエン
クロージャ内を加温させる放熱器とを備えたものであ
る。
【００２３】また、本発明に係る燃料電池発電装置は、
上述の目的を達成するために、請求項３に記載したよう
に、燃料電池あるいは燃料処理装置から出る水を循環さ
せる循環系のそれぞれには、熱交換器を備えているもの
である。
【００２４】また、本発明に係る燃料電池発電装置は、
上述の目的を達成するために、請求項４に記載したよう
に、熱回収系と熱供給系とは、冬場等の起動運転前、発
電運転時の高温水の流れ方向と逆向きに流す四方弁を備
えているものである。
【００２５】また、本発明に係る燃料電池発電装置は、
上述の目的を達成するために、請求項５に記載したよう
に、熱供給系は、追炊き手段を備えているものである。
【００２６】また、本発明に係る燃料電池発電装置は、
上述の目的を達成するために、請求項６に記載したよう
に、追炊き手段は、加熱器であることを特徴とするもの
である。
【００２７】また、本発明に係る燃料電池運転方法は、
上述の目的を達成するために、請求項７に記載したよう
に、発電運転時、燃料電池本体の循環系および燃料処理
装置の循環系のそれぞれからの水を熱源とし、この熱源
で熱交換器を介して加温された高温水を熱回収系の蓄熱
槽に貯え、非発電時に、前記蓄熱槽に貯えている高温水
を前記熱交換器を介して前記燃料電池本体の循環系ある
いは前記燃料処理装置の循環系のそれぞれに停滞する水
に与えて加温するものである。
【００２８】また、本発明に係る燃料電池運転方法は、
上述の目的を達成するために、請求項８に記載したよう
に、発電運転時、燃料電池本体の循環系あるいは燃料処
理装置の循環系のそれぞれからの水を熱源とし、この熱
源で熱交換器を介して加温された高温水を熱回収系の蓄
熱槽に貯え、非発電時に、前記蓄熱槽に貯えている高温
水を前記熱交換器を介して前記燃料電池本体の循環系あ
るいは前記燃料処理装置の循環系のそれぞれに停滞する
水に与えて加温する際、その高温水を発電運転時の流れ
方向と逆向きに流すものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池発電
装置および燃料電池運転方法の実施形態を図面および図
面に付した符号を引用して説明する。
【００３０】図１は、本発明に係る燃料電池発電装置お
よび燃料電池運転方法の第１実施形態を示す概略系統図
である。
【００３１】本実施形態に係る燃料電池発電装置は、エ
ンクロージャ６内に収容され、パッケージ化した燃料処
理装置７および燃料電池本体８と、運転時、燃料処理装
置７や燃料電池本体８から生成される高温水等の熱を回
収するとともに、冬場等の起動運転前、燃料処理装置７
に滞留している改質水等や燃料電池本体８に滞留する加
湿水等の水を加熱して凍結防止を図る高温水回収供給兼
用系９とを備える構成になっている。
【００３２】燃料処理装置７は、改質器、ＣＯ変成除去
器（ともに図示せず）、改質水循環系１０等を備え、改
質器に、例えば都市ガス管からの燃料と改質水循環系１
０の改質水用循環ポンプ１１からの改質水が供給され、
燃焼ガスによる加熱の下、水蒸気改質が行われ、水素リ
ッチな改質ガスが生成される。
【００３３】この水素リッチな改質ガスには、燃料電池
本体８の触媒を劣化させる一酸化炭素（ＣＯ）が含まれ
ている。このため、ＣＯ変成除去器は触媒を用いてシフ
ト反応させ、改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化
炭素（ＣＯ２）に変換し、改質ガスとともに燃料電池本
体８の燃料極１３に供給している。
【００３４】燃料電池本体８は、中央に配置する固体高
分子膜（図示せず）を挟んで一側に燃料極１３を、反対
側の他側に空気極１４を備え、燃料極１３に供給される
改質ガス等と空気極１４に供給される酸化剤ガスとを電
気化学的に反応させ、その際に発生する電子を集めて直
流電力として取り出している。
【００３５】また、燃料電池本体８は、加湿水循環系１
５等を備え、燃料極１３から固体高分子膜を介して空気
極１４に流れる水素と酸素とが電気的に化学反応する際
に生成される高温の加湿水等を加湿水用循環ポンプ１６
で循環させている。
【００３６】また、燃料処理装置７および燃料電池本体
８のそれぞれに設けた改質水循環系１０および加湿水循
環系１５には、改質水用熱交換器１７、加湿水用熱交換
器１８を介装させ、各系１０，１５に跨って一つの系統
にまとめた高温水回収供給兼用系９が設けられている。
【００３７】この高温水回収供給兼用系９は、発電運転
時、加湿水用熱交換器１８で加湿水循環系１５からの加
湿水等を熱源とするとともに、改質水用熱交換器１７で
改質水循環系１０からの改質水等を熱源として加熱した
高温水を熱回収系１９を介して貯える蓄熱槽２０を備
え、蓄熱槽２０で貯えた高温水の熱を利用して、例えば
浴場等の熱利用部に給湯として供給するようになってい
る。
【００３８】また、高温水回収供給兼用系９は、循環ポ
ンプ２１を介装し、蓄熱槽２０に貯えられた高温水を熱
源として加湿水用熱交換器１８、改質水用熱交換器１７
に供給する熱供給系２２を備えている。
【００３９】次に、燃料電池運転方法を説明する。
【００４０】冬場あるいは氷点下以下の温度まで低下す
る地域では、起動運転前、加湿水循環系１５や改質水循
環系１０に滞留する加湿水等や改質水等は凍結すること
がある。
【００４１】本実施形態は、このような点を考慮し、加
湿水等や改質水等の加熱源を確保するもので、高温水循
環供給兼用系９の蓄熱槽２０に貯えておいた高温水を循
環ポンプ２１、熱供給系２２を介して加湿水用熱交換器
１８に供給し、ここで加湿水循環系１５からの加湿水等
を加温する。
【００４２】また、本実施形態は、加湿水用熱交換器１
８で加湿水等を加温させた高温水を改質水用熱交換器１
２に供給し、ここで改質水循環系１０からの改質水等を
加温し、改質水等の加温後、熱回収系１９を介して蓄熱
槽２０に戻す。
【００４３】このように、本実施形態は、起動運転前、
高温水回収供給兼用系９の蓄熱槽２０に貯えている高温
水を加湿水循環系１５の加湿水用熱交換器１８に供給し
て加湿水等を加温させるとともに、改質水循環系１０の
改質水用熱交換器１２に供給して改質水等を加温させる
ので、冬場等の起動運転前でも低温の加湿水等を加熱す
る熱源を確保することができ、エネルギを無駄に消費す
ることなく起動時間を短くして安定な運転を燃料電池に
行わせることができる。
【００４４】図２は、本発明に係る燃料電池発電装置の
第２実施形態を示す概略系統図である。
【００４５】なお、第１実施形態の構成部分と同一構成
部分には同一符号を付す。
【００４６】本実施形態は、高温水回収供給兼用系９の
熱供給系２２に放熱器２３を設けたものである。なお、
他の構成部分は、第１実施形態の構成部分と同一なの
で、重複説明を省略する。
【００４７】本実施形態は、高温水回収供給兼用系９の
熱供給系２２に放熱器２３を設け、冬場等、蓄熱槽２０
に貯えられている高温水を加熱源として熱供給系２２を
介して放熱器２３に供給し、エンクロージャ６内を暖房
するので、改質水循環系１０に滞留する改質水等や加湿
水循環系１５に滞留する加湿水等の凍結を防止して燃料
処理装置７に改質水等として、また燃料電池本体８に加
湿水等として確実に供給することができ、燃料電池に安
定運転を行わせることができる。
【００４８】図３は、本発明に係る燃料電池運転方法の
第２実施形態を説明するために用いた概略系統図であ
る。
【００４９】なお、第１実施形態の構成部分と同一構成
部分には同一符号を付す。
【００５０】本実施形態に係る燃料電池運転方法は、発
電運転時と冬場等の起動運転前とで加熱媒体としての高
温水の流れを逆方向にするものである。
【００５１】すなわち、高温水回収供給兼用系９は、発
電運転時、改質水循環系１０の改質水等や加湿水循環系
１５の加湿水等を加熱源とするために、高温水を破線で
示す矢印に向って流して蓄熱槽２０に貯えるとともに、
非発電時に、蓄熱槽２０に貯えられている高温水を改質
水循環系１０の改質水用熱交換器１２や加湿水循環系１
５の加湿水用熱交換器１８に加熱源として供給し、改質
水等や加湿水等を加温させるために高温水を実線で示す
矢印に向って流すものである。
【００５２】このように、本実施形態は、高温水回収供
給兼用系９を流れる高温水の流れ方向を、発電運転時と
非発電時とで逆向きに流すので、設備を簡素化させて改
質水等や加湿水等の冬場での凍結を確実に防止すること
ができる。
【００５３】図４は、本発明に係る燃料電池運転方法の
第３実施形態を示す概略系統図である。
【００５４】なお、第１実施形態の構成部分と同一構成
部分には同一符号を付す。
【００５５】本実施形態は、高温水回収供給兼用系９に
四方弁２４を設け、この四方弁２４により高温水を発電
運転時と非発電時とで逆向きに流すことができるように
したものである。
【００５６】この四方弁２４は、図５に示すように、発
電運転時、高温水を順方向Ｏに流し、蓄熱槽２０に貯
え、非発電時に、蓄熱槽２０に貯えられている高温水を
逆方向Ｒに流すようになっている。
【００５７】このように、本実施形態は、高温水回収供
給兼用系９に四方弁２４を設け、高温水を順方向Ｏ、逆
方向Ｒに自在に流すことができるようにしたので、設備
の簡素化の下、冬場等、改質水や加湿水等の凍結を容易
に防止することができ、発電運転時、高温水を蓄熱槽２
０に容易に回収させてエネルギの有効利用を図ることが
できる。
【００５８】図６は本発明に係る燃料電池発電装置の第
４実施形態を示す概略系統図である。
【００５９】なお、第１実施形態の構成部分と同一構成
部分には同一符号を付す。
【００６０】本実施形態は、高温水回収供給兼用系９に
追炊き手段２５、具体的には加熱器を設けたものであ
る。
【００６１】本実施形態は、高温水回収供給兼用系９に
追炊き手段２５を設けているので、冬場等の起動運転
前、蓄熱槽２０に貯えられている高温水の熱量が不足し
ているときに有効である。
【００６２】
【発明の効果】以上の説明のとおり、本発明に係る燃料
電池発電装置および燃料電池運転方法は、発電運転時、
燃料処理装置から発生する改質水等や燃料電池本体から
発生する加湿水等を加熱源に水を加温して高温水にし、
この高温水を貯える一方、非発電時に、貯えた高温水を
加熱源にし、燃料処理装置の改質水等や燃料電池本体の
加湿水等を加温して凍結防止を図るので、エネルギを無
駄なく有効活用して燃料電池の起動時間を短くした安定
運転を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池発電装置および燃料電池
運転方法の第１実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係る燃料電池発電装置の第２実施形態
を示す概略系統図。
【図３】本発明に係る燃料電池運転方法の第２実施形態
を示す概略系統図。
【図４】本発明に係る燃料電池発電装置の第３実施形態
を示す概略系統図。
【図５】図４のＡ部の部分拡大図。
【図６】本発明に係る燃料電池発電装置の第４実施形態
を示す概略系統図。
【図７】従来の燃料電池発電装置を示す概略系統図。
【符号の説明】
１ 燃料処理装置 ２ 燃料電池本体 ３ 排熱回収系 ３ａ 循環系 ３ｂ ポンプ ４ エンクロージャ ５ 蓄熱槽 ６ エンクロージャ ７ 燃料処理装置 ８ 燃料電池本体 ９ 高温水回収供給兼用系 １０ 改質水循環系 １１ 改質水用循環ポンプ １２ 改質水用熱交換器 １３ 燃料極 １４ 空気極 １５ 加湿水循環系 １６ 加湿水用循環ポンプ １８ 加湿水用熱交換器 １９ 熱回収系 ２０ 蓄熱槽 ２１ 循環ポンプ ２２ 熱供給系 ２３ 放熱器 ２４ 四方弁 ２５ 追炊き手段
フロントページの続き (72)発明者 斉藤 和夫 東京都港区芝浦一丁目１番１号 東芝イン ターナショナルフュエルセルズ株式会社内 (72)発明者 新井 康弘 東京都港区芝浦一丁目１番１号 東芝イン ターナショナルフュエルセルズ株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 CC01 MM16

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素と空気中の酸素から電気化学反応に
    より電気を発生させる燃料電池本体と、燃料を化学反応
    により水素に変える燃料処理装置と、前記燃料電池本体
    および前記燃料処理装置のそれぞれから出る水を循環さ
    せる循環系と、前記循環系からの熱を回収し、高温水を
    貯える蓄熱槽を備えた熱回収系とで構成する燃料電池発
    電装置において、前記蓄熱槽に貯える高温水を前記循環
    系に熱源として与える熱供給系を備えたことを特徴とす
    る燃料電池発電装置。
  2. 【請求項２】 水素と空気中の酸素から電気化学反応に
    より電気を発生させる燃料電池本体と、燃料を化学反応
    により水素に変える燃料処理装置と、前記燃料電池本体
    および前記燃料処理装置のそれぞれから出る水を循環さ
    せる循環系と、前記循環系からの熱を回収し、高温水を
    貯える蓄熱槽を備えた熱回収系とで構成する燃料電池発
    電装置において、前記蓄熱槽に貯える高温水を前記循環
    系に熱源として与える熱供給系と、前記熱供給系に設け
    られ、前記燃料電池本体および前記燃料処理装置を収容
    するエンクロージャ内を加温させる放熱器とを備えたこ
    とを特徴とする燃料電池発電装置。
  3. 【請求項３】 燃料電池および燃料処理装置から出る水
    を循環させる循環系のそれぞれには、熱交換器を備えて
    いることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池
    発電装置。
  4. 【請求項４】 熱回収系と熱供給系とは、発電運転時の
    高温水の流れ方向と逆向きに流す四方弁を備えているこ
    とを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池発電装
    置。
  5. 【請求項５】 熱供給系は、追炊き手段を備えているこ
    とを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池発電装
    置。
  6. 【請求項６】 追炊き手段は、加熱器であることを特徴
    とする請求項５記載の燃料電池発電装置。
  7. 【請求項７】 発電運転時、燃料電池本体の循環系ある
    いは燃料処理装置の循環系の水を熱源とし、この熱源で
    熱交換器を介して加温された高温水を熱回収系の蓄熱槽
    に貯え、非発電時に、前記蓄熱槽に貯えている高温水を
    前記熱交換器を介して前記燃料電池本体の循環系あるい
    は前記燃料処理装置の循環系の保有する水に与えて加温
    することを特徴とする燃料電池運転方法。
  8. 【請求項８】 発電運転時、燃料電池本体の循環系ある
    いは燃料処理装置の循環系からの水を熱源とし、この熱
    源で熱交換器を介して加温された高温水を熱回収系の蓄
    熱槽に貯え、非発電時に、前記蓄熱槽に貯えている高温
    水を前記熱交換器を介して前記燃料電池本体の循環系あ
    るいは前記燃料処理装置の循環系の保有する水に与えて
    加温する際、その高温水を発電運転時の流れ方向と逆向
    きに流すことを特徴とする燃料電池運転方法。
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