JP2012038689A - 燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動の際に二つの熱源を操作することによって、起動時間を短くできる燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】第１昇温ステップＳ１００、Ｓ１１０にて、バーナにより燃料電池スタックが加熱され、第２昇温ステップＳ１２０、Ｓ１３０にて、第１温度に達した時点で、バーナによる加熱を継続した状態で、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を開始し、燃焼器によって燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させて、燃料電池スタックを加熱して昇温させる。第３昇温ステップＳ１４０〜Ｓ１７０では、燃料電池スタックが第２温度に達した時点で、バーナによる加熱を停止し、燃焼器による加熱のみで燃料電池スタックを昇温させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば固体酸化物形燃料電池等の燃料電池の運転方法に関するものであり、特に燃料電池の起動時の運転方法に関する。

従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣとしては、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックが用いられている。

ところで、前記ＳＯＦＣにおいては、発電可能温度が約７００℃と高いため、その起動の際にはバーナを用いるのが一般的である。このバーナは、燃料電池スタックの下方に配置されおり、燃料電池スタックの下から加熱するよう構成されている（特許文献１参照）。

また、これとは別に、燃料電池自体がバーナとして機能するものもある（特許文献２参照）。

特開２００７−２９４２２４号公報 特開２００８−１３５２６８号公報

しかしながら、前記特許文献１の技術では、バーナに近い燃料電池スタック下部の昇温は早いが、バーナから離れている燃料電池スタック上部の昇温は遅いため、スタック全体が暖まるまでに時間を要するという問題があった。

また、燃料電池スタックの一部分から熱を加えると、スタック内での温度分布が発生するので、スタック全体が所定温度になるまで加熱すると、過昇温になる部位が生じるとともに、起動までの時間を要するという問題もあった。

更に、燃料電池スタックに隣接した改質部にて都市ガス等の原料ガスを改質して燃料電池スタックに供給する場合に、燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させることで温度を上昇させようとするときには、前記改質が水蒸気改質であると、吸熱反応により改質部の温度が低下するので、その温度低下に対応する必要がある。

一方、前記特許文献２の技術のように、燃料電池自体がバーナとなっているものもあるが、これはバーナからの熱を直接燃料電池が受け、燃料電池の火炎部分の温度は急速に上昇するため、火炎部から離れた部分との温度差による熱膨張の違いにより、破損しやすいといった欠点がある。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の起動の際に二つの熱源を操作することによって、起動時間を短くできる燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

（１）本発明は、請求項１に記載の様に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池セルと、該燃料電池で発生する電力を外部に出力する電力出力端子と、を備える燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに近接して設けられ、該燃料電池スタックを加熱する加熱器と、該燃料電池スタックから排出された未反応の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを含む排ガスを燃焼させる燃焼器と、を用い、前記燃料電池スタックを始動させる際に、該燃料電池スタックを加熱して昇温させる燃料電池の運転方法であって、前記加熱器により、前記燃料電池スタックを加熱して、該燃料電池スタックを昇温させる第１昇温ステップと、前記第１昇温ステップにより前記燃料電池スタックが加熱され、所定の第１温度に達した時点で、前記加熱器による加熱を継続した状態で、前記燃料電池スタックに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を開始し、前記燃焼器によって前記燃料電池スタックから排出される前記排ガスを燃焼させて、該燃料電池スタックを加熱して該燃料電池スタックを昇温させる第２昇温ステップと、前記第２昇温ステップにより前記燃料電池スタックが加熱され、所定の（第１温度より高温の）第２温度に達した時点で、前記加熱器による加熱を停止し、前記燃焼器による加熱のみで前記燃料電池スタックを昇温させる第３昇温ステップと、を有することを特徴とする。

本発明では、第１昇温ステップにおいて、加熱器により、燃料電池スタックを加熱して、燃料電池スタックを昇温させる。これにより、燃料電池の起動時の初期において、燃料電池スタックの温度を速やかに上昇させることができる。特に、燃焼器や改質器で触媒を利用する場合には、その触媒の活性化を促進することができる。

次に、第２昇温ステップでは、燃料電池スタックが第１温度（例えば４００℃）に達した時点で、加熱器による加熱を継続した状態で、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を開始し、燃焼器によって燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させて、燃料電池スタックを加熱して燃料電池スタックを昇温させる。これにより、燃料電池スタック全体の昇温を促進することができる。特に、（原料ガスを燃料ガスに改質する）改質器を用いる場合には、改質反応が吸熱反応であっても、吸熱反応による温度低下を抑制することができる。

次に、第３昇温ステップでは、燃料電池スタックが第２温度（例えば５００℃）に達した時点で、加熱器による加熱を停止し、燃焼器による加熱のみで燃料電池スタックを昇温させる。これにより、燃料電池スタックの熱自立性（即ちバーナ等の様なスタック外部からの熱を加えなくても、自らの運転に必要な熱を確保することができること）を促進することができる。また、加熱器による燃料電池スタックの過昇温を抑制できる。

従って、上述した第１〜第３昇温ステップにより、従来のバーナのみの加熱に比べて、起動時間を短縮することができるとともに、燃料電池スタックの場所による昇温のバラツキを抑制できる。また、改質器を用いる場合には、改質反応が吸熱反応であっても、吸熱反応による温度低下を抑制することができる。

（２）本発明では、請求項２に記載の様に、第２昇温ステップ又は第３昇温ステップにおいて、燃料電池スタックの電力出力端子を電力消費側に接続して燃料電池スタックの発電を開始させて、燃料電池スタックが通電により発生するジュール熱を利用して燃料電池スタックを昇温させることが望ましい。

つまり、第１温度又は第２温度に達した場合には、燃料電池スタックに供給した燃料ガスと酸化剤ガスを用いて通常より早期に発電することが好ましい。これにより、燃料電池スタックに電流が流れてジュール熱が発生するので、このジュール熱によって燃料電池スタックを加熱することにより、一層起動時間を短縮することができる。

また、ジュール熱は燃料電池スタック全体で発生し、特に温度の低い部分の燃料電池セルにて抵抗が高いため、多く発熱するので、燃料電池スタック内の温度バランスが均一になり、過昇温になり難いという利点がある。しかも、発電を早期に（起動中に）開始することにより、余分に電気エネルギーが得られるので、電力寄与率が高くなるという効果がある。

（３）本発明では、請求項３に記載の様に、燃料電池スタックの発電を開始する際に、燃料電池スタック内の特定の燃料電池セル（例えば最も温度上昇し難いと予想されるセル：例えばバーナから最も離れたセル）のセル電圧を計測し、セル電圧が所定の電圧以上となるように、燃料電池スタックに流れる電流（従って発電出力）を制御することが好ましい。

燃料電池においては、セル電圧（Ｖ）と燃料電池に流れる電流（Ｉ）との間には、図１に示す関係がある。つまり、電流を多く流す（即ち燃料電池から電流を多く取り出す）とセル電圧が低下するという関係がある。

一方、燃料電池の起動時に、セル電圧が低い場合（例えばセル電圧が０．８Ｖ未満の場合）には、セルの温度が低くセルの抵抗が大きいと推定できる。従って、そのときにセルに大きな電流が流れると、即ち燃料電池スタックから取り出す電流（従って発電出力）が大きいと、ジュール熱が大きくなる。その結果、セルの電極の劣化やセルの破損が発生し易くなり、燃料電池の性能劣化の要因となることがある。

そのため、セル電圧をチェックし、セル電圧が所定の電圧以上となるように、燃料電池スタックに流れる電流（従って発電出力）を制御することが好ましい。これにより、燃料電池の性能劣化を抑制することができる。

なお、セル電圧の目標値としては、０．７Ｖ〜０．９Ｖの範囲が好適である。
（４）本発明では、請求項４に記載の様に、燃料電池スタックの発電を開始する際に、燃料電池スタックのスタック電圧を計測し、スタック電圧が所定の電圧以上となるように、燃料電池スタックに流れる電流（即ち燃料電池スタックから取り出す電流（従って発電出力）を制御することが好ましい。

上述した様に、燃料電池の起動時に、セル電圧が低い場合には、セルの温度が低くセルの抵抗が大きいと推定される。そのため、セルに大きな電流が流れるとジュール熱が大きくなり、性能劣化の恐れがある。

そこで、ここでは、セル電圧を（セル電圧が加算された）スタック電圧から捉え、スタック電圧をチェックして、スタック電圧が所定の電圧（即ちセル電圧とセル数を考慮した電圧）以上となるように、燃料電池スタックに流れる電流を制御する。これにより、燃料電池の性能劣化を抑制することができる。

（５）本発明では、請求項５に記載の様に、燃焼器に燃焼触媒が設けられている場合には、第１昇温ステップにおいて、燃焼触媒を加熱して活性化することが好ましい。
つまり、第１昇温ステップにて燃料触媒を活性化させることにより、好適に燃料ガスの燃焼を行うことができる。

（６）本発明では、請求項６に記載の様に、原料ガスを燃料ガスに改質する改質触媒を備える改質器が設けられている場合には、第１昇温ステップにおいて、改質触媒を加熱して活性化することが好ましい。

つまり、第１昇温ステップにて改質触媒を活性化させることにより、好適に原料ガスの改質を行うことができる。
尚、上述した前記発明において、燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等を採用できる。

特に、固体酸化物形燃料電池の場合には、固体酸化物（固体電解質）を用いるが、この固体酸化物は、燃料電池の作動時に、燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。

そして、固体酸化物形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに不活性ガスを混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。

酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。

セルの電圧とセルから取り出す電流との関係を示すグラフである。 固体電解質形燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 燃料電池の構造を燃料電池を積層方向に破断して示す説明図である。 固体電解質形燃料電池システムにおけるガスの流路を示す説明図である。 実施例１の燃料電池の運転方法の手順を示すフローチャートである。 実施例１の燃料電池の運転方法における実験結果を示すグラフである。 実施例２の燃料電池の運転方法における実験結果を示すグラフである。 実施例５の燃料電池の運転方法における実験結果を示すグラフである。 実施例６の燃料電池の運転方法における実験結果を示すグラフである。 比較例の燃料電池の運転方法における実験結果を示すグラフである。

以下、本発明が適用された燃料電池の運転方法の実施例について図面を用いて説明する。

ａ）まず、本実施例の燃料電池の運転方法が適用される固体酸化物形燃料電池（以下単に燃料電池と記す）及び固体酸化物形燃料電池システム（以下単に燃料電池システムと記す）ついて説明する。

図２に示す様に、本実施例における燃料電池システムは、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））とを用いて発電する燃料電池１と、燃料電池１を加熱する起動バーナ（以下単にバーナと記す）３と、燃料電池１にて発電された電力を制御して商用変換系統５に供給するパワーコンディショナー（ＰＣ）７と、燃料電池１やパワーコンディショナー７などの動作を制御するコンピュータを主要とするシステム制御装置９とを備えている。なお、この燃料電池１の定格出力は、例えば７００Ｗである。

このうち、前記パワーコンディショナー７としては、一般的な直流−交流変換器を使用することができる。このパワーコンディショナー７を用いることで、燃料電池１が発電した直流電力を交流電力に変換して、（例えば２００Ｖの）商用電力系統３に供給することができる。

従って、このパワーコンディショナー７では、燃料電池１から取り出す直流電力の制御や、パワーコンディショナー７への入出力電流制御などを行うことができる。例えば、予めどの程度までの発電量とするかを設定しておけば、その燃料電池１がその発電量までとなるように発電量を制御することができる。また、予め燃料電池１からどの程度までの電流（電流値）を取り出すかを設定しておけば、その電流値までを取り出すように燃料電池スタック２５（図３参照）から取り出す電流値を制御することができる。

前記システム制御装置９は、パワーコンディショナー７からの制御情報（例えば発電量）や、燃料電池１に配置された温度センサ１１、１３、１５からの温度情報などを入力し、燃料電池１に空気を供給する流路に設けられた制御弁１７、燃料電池１に原料ガス（例えば都市ガス）を供給する流路に設けられた制御弁１９、バーナ３に原料ガス及び空気を供給する流路に設けられた制御弁２１の動作を制御する。

前記燃料電池１は、図３に示す様に、発電単位である板状の固体酸化物形燃料電池セル（以下単に燃料電池セル又はセルと記す）２３が、同図の上下方向に複数個（例えば１８個）積層された燃料電池スタック２５と、その燃料電池スタック２５の上下両側に配置された補助器２７、２９、３１とを備えている。なお、燃料電池セル２３は、周知の燃料極３３、固体酸化物体（固体電解質体）３５、空気極３７等を備えている。

前記補助器２７〜３１として、本実施例では、空気を予熱する空気予熱器２７、始動時において燃料ガスを燃焼させたり発電後の残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼器２９、（例えば都市ガス等の）原料ガスを（水素リッチの）燃料ガスに改質する改質器３１が挙げられる。

また、燃焼器２９には、例えばＰｔ等の燃焼触媒が充填され、改質器３１には、例えばＮｉ等の改質触媒が充填されている。なお、この改質器３１にて行われる改質反応は、原料ガス（例えば都市ガスのメタン）に水（水蒸気）を加えて水素を発生させる吸熱反応である。

更に、燃料電池スタック２５と各補助器２７〜３１とが積層された燃料電池１の下方には、原料ガス及び空気の供給を受けて燃料電池１を加熱する前記バーナ３が配置され、燃料電池１及びバーナ３は、断熱容器３９内に収容されている。

なお、燃料電池１から電力を取り出すために、燃料電池スタック２５の積層方向の両端（エンドプレート２６、２８）に電気的に接続された電気出力端子４１、４３が、パワーコンディショナー７に接続されており、パワーコンディショナー７にて、後述する様に、燃料電池１から電気出力端子４１、４３を介して取り出す電流や直流電力などを調節することができる。

また、燃料電池１には、複数の（例えばＫ熱電対からなる）前記温度センサ１１〜１５が取り付けられているが、このうち、上部温度センサ１１は、燃料電池スタック２５の上部（積層方向における上端のセル２３）の温度を測定できるように、上端のセル２３に密着して取り付けられ、中部温度センサ１３は、燃料電池スタック２５の中央部（積層方向における中央のセル２３）の温度を測定できるように、中央のセル２３に密着して取り付けられ、下部温度センサ１５は、燃料電池スタック２５の下部（積層方向における下端のセル２３）の温度を測定できるように、下端のセル２３に密着して取り付けられている。

ｂ）次に、本実施例の燃料電池の運転方法について説明する。
なお、この運転方法は、パワーコンディショナー７及びシステム制御装置９によって自動的に行われるが、マニュアルにて操作を行ってもよい。

本実施例では、図４及び図５に示す様に、まず、第１昇温ステップでは、制御弁２１を開弁して、バーナ３に原料ガスと空気とを供給し（Ｓ１００）、バーナ３に点火して（Ｓ１１０）、バーナ３によって燃料電池スタック２５の加熱を行う。従って、この第１昇温ステップでは、バーナ３のみの加熱によって、燃料電池スタック２５の温度が徐々に上昇する。

次に、第２昇温ステップでは、下部温度センサ１５からの信号によって、燃料電池スタック２５の最下部の温度が４００℃になったことを検出した場合には（Ｓ１２０）、制御弁１９を開弁して、燃料電池１の改質器３１に原料ガスと水とを供給し（Ｓ１３０）、改質触媒によって原料ガスの改質を行う。それとともに、その改質によって得られた燃料ガスを燃料電池スタック２５の各セル２３の燃料極３３側に供給する。同時に、制御弁１７を開弁し、燃料電池１の空気予熱器２７に空気を供給して空気を予熱し（Ｓ１３０）、予熱された空気を燃料電池スタック２５の各セル２３の空気極３７側に供給する。

この各セル２３に供給された燃料ガス及び空気は、各セル２３を通過した後に燃焼器２９に供給され、燃焼触媒によって燃焼する（以下排ガス燃焼とも記す）。つまり、この燃焼によって、燃料電池スタック２５が加熱される。

従って、この第２昇温ステップでは、バーナ３及び燃焼器２９による加熱によって、燃料電池スタック２５の温度が徐々に上昇してゆく。
次に、第３昇温ステップでは、中部温度センサ１３からの信号によって、燃料電池スタック２５の中央の温度が５００℃になったことを検出した場合には（Ｓ１４０）、制御弁２１を閉弁して、バーナ３に対する原料ガスと空気の供給を停止し（Ｓ１５０）、バーナ３による加熱を停止する。

従って、この第３昇温ステップでは、燃焼器２９のみの加熱によって、燃料電池スタック２５の温度が徐々に上昇してゆく。
そして、中部温度センサ１３からの信号によって、燃料電池スタック２５の中部の温度が６００℃になったことを検出した場合に（Ｓ１６０）、燃料電池１による発電を開始する（Ｓ１７０）。具体的には、パワーコンディショナー７によって、燃料電池１の電流が流れるように切り換える。即ち、燃料電池１の直流電力を外部に取り出すように切り換える。

ｃ）この様に、本実施例では、第１昇温ステップにおいて、バーナ３により、燃料電池スタック２５を加熱して、燃料電池スタック２５を昇温させる。これにより、燃料電池１の起動時の初期において、燃料電池スタック２５の温度を速やかに上昇させることができる。特に、本実施例では、燃焼器２９や改質器３１で触媒を利用しているので、その触媒の活性化を促進することができる。

また、第２昇温ステップでは、燃料電池スタック２５が第１温度（４００℃）に達した時点で、バーナ３による加熱を継続した状態で、燃料電池スタック２５に燃料ガス及び空気の供給を開始し、燃焼器２９によって燃料電池スタック２５から排出される未反応の排ガス（燃料ガスと空気の混合ガス）を燃焼させて、燃料電池スタック２５を加熱して燃料電池スタック２５を昇温させる。これにより、燃料電池スタック２５全体の昇温を促進することができる。特に、本実施例では、改質反応が吸熱反応であるが、この加熱によって、吸熱反応による温度低下を抑制することができる。

更に、第３昇温ステップでは、燃料電池スタック２５が第２温度（５００℃）に達した時点で、バーナ３による加熱を停止し、燃焼器２９による加熱のみで燃料電池スタック２５を昇温させる。これにより、燃料電池スタック２５の熱自立性を促進することができる。また、バーナ３による燃料電池スタック２５の過昇温を抑制できる。

従って、本実施例では、上述した第１〜第３昇温ステップにより、従来のバーナのみの加熱に比べて、起動時間を短縮することができるとともに、燃料電池スタック２５の場所による昇温のバラツキを抑制できる。また、改質反応が吸熱反応であっても、吸熱反応による温度低下を抑制することができる。
＜実験例＞
次に、本実施例の燃料電池の運転方法による燃料電池スタック２５の温度変化を調べた実験例について説明する。

本実験例では、上述した燃料電池の運転方法によって燃料電池１を起動するとともに、その際の燃料電池スタック２５の積層方向（図４の上下方向）における各位置（上部、中部、下部）の温度を調べた。

その結果を図６に示す。なお、図６では、<1>は起動バーナのみ、<2>は起動バーナ＋排ガス燃焼、<3>は排ガス燃焼のみ、<4>は発電を示している（以下同様）。
図６から明らかな様に、燃料電池スタック２５の各位置における温度差は、発電の開始から約１００分で５０℃以内に収まっており、スタック温度が短時間で均一になることが分かる。また、スタック温度が短時間（約１８０分）で、通常の定格出力（７００Ｗ）における発電時の温度（約７００℃）となることが分かる。

つまり、本実施例の燃料電池１の定格出力が可能な時間は約１８０分であり、従来のバーナ３の加熱のみによる起動時間（従来は約３００分）より起動時間を短縮できることが分かる。

次に、実施例２について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
まず、本実施例の燃料電池の運転方法を説明する。
なお、本実施例においても、前記実施例１と同様な燃料電池システムを用いるので、同じ部材には、同じ番号を付した。

本実施例では、第１昇温ステップにより、バーナ３を点火して燃料電池スタック２５を加熱し、第２昇温ステップにて、燃料電池スタック２５の最下部が４００℃となった段階で、燃料電池スタック２５に（水分を含んで改質器３１へ投入した）原料ガスと空気を投入し、燃焼器２９にて燃焼させる。

その後、第３昇温ステップにて、燃料電池スタック２５の中部が５００℃となった段階で、バーナ３を停止し、その段階で燃料電池１の発電を開始、その発電を１０Ｗ／ｍｉｎの速度で７００Ｗになるまで実行する。

なお、発電は、第２昇温ステップの段階で開始してもよい。
＜実験例＞
次に、本実施例の燃料電池の運転方法による燃料電池スタック２５の温度変化を調べた実験例について説明する。

上述した燃料電池の運転方法によって燃料電池１を起動するとともに、その際の燃料電池スタック２５の各位置（上部、中部、下部）の温度を調べた。その結果を図７に示す。
図７に示すように、３ヶ所のスタック温度が、燃料電池１の起動から約１８０分で１５℃以内に収まっており、実施例１よりも短時間でスタック温度を均一にできた。また、実施例１と同様な短時間（約１８０分）で、通常の定格出力における発電時の温度（約７００℃）にすることができた。

この様に、本実施例では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、特に、第３昇温ステップにて、通常の発電開始温度（約６００℃）より低い温度にて燃料電池１の発電を開始するので、その発電時のジュール熱によって、実施例１よりも短時間でスタック温度を均一にできる。また、起動中に発電を開始させることで、電力寄与率が高くなる。

次に、実施例３について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例においても、前記実施例１と同様な燃料電池システムを用いるので、同じ部材には、同じ番号を付した。なお、本実施例では、別の温度センサ（図示せず）により、燃焼器２９の温度を測定した。

本実施例では、第１昇温ステップにて、バーナ３を点火後、第２昇温ステップにて、燃料電池スタック２５の最下部が４００℃の段階で、燃料電池スタック２５に（水分を含んで改質器３１へ投入した）原料ガスと空気を投入した。

その後、第３昇温ステップにて、燃料電池スタック２５の中部が５００℃（燃焼器温度：５５０℃）の段階で、バーナ３を停止し、燃焼器２９の燃焼触媒による燃焼のみで燃料電池スタック２５を昇温させた。

そして、その際に、排ガス中の残燃料（ＴＨＣ：total hydro carbon）濃度を測定した。
その結果、燃焼触媒が十分に機能するような燃焼器温度が５５０℃の場合には、ＴＨＣ濃度は１０ｐｐｍ以下であった。

またこれとは別に、燃料電池スタック２５の中部が４６０℃（燃焼器温度：５００℃）の段階で、バーナ３を停止し、燃焼触媒による燃焼のみで燃料電池スタック２５を昇温させた。

そして、その際に、排ガス中の残燃料（ＴＨＣ）濃度を測定した。
その結果、燃焼触媒が十分に機能しないような燃焼器温度が５００℃の場合には、ＴＨＣ濃度は１８０００ｐｐｍであった。なお、燃焼器温度を５００℃より上昇させると、ＴＨＣ濃度は大きく減少した。

つまり、燃料触媒が活性化温度まで加熱されている場合には、燃焼触媒により燃料ガスの燃焼が十分に行われるので、排ガス中の残燃料（ＴＨＣ）を少なくすることができることが分かる。

次に、実施例４について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例においても、前記実施例１と同様な燃料電池システムを用いるので、同じ部材には、同じ番号を付した。なお、本実施例では、別の温度センサ（図示せず）により、改質器３１の温度を測定した。

本実施例では、第１昇温ステップにて、バーナ３を点火後、第２昇温ステップにて、燃料電池スタック２５の最下部が４００℃の段階で、燃料電池スタック２５に（水分を含んで改質器３１へ投入した）原料ガスと空気を投入した。

その後、第３昇温ステップにて、燃料電池スタック２５の中部が５００℃（改質器温度：６００℃）の段階で、バーナ３を停止し、燃焼触媒による燃焼のみで燃料電池スタック２５を昇温させた。

そして、その際に、排ガス中の残燃料（ＴＨＣ）濃度を測定した。
その結果、ＴＨＣ濃度は１０ｐｐｍ以下であった。つまり、改質触媒を十分に予熱することにより、改質反応が進むので、スタック温度が低い場合でも、排ガスを十分に燃焼させることができた。

また、これとは別に、燃料電池スタック２５の中部が４５０℃（改質器温度：５００℃）の段階で、バーナ３を停止し、燃焼触媒による燃焼のみで燃料電池スタック２５を昇温させた。

そして、その際に、排ガス中の残燃料（ＴＨＣ）濃度を測定した。
その結果、ＴＨＣ濃度は２００００ｐｐｍであった。つまり、改質触媒を十分に予熱しない場合に、スタック温度が低いときには、排ガスを十分に燃焼させることができないことが分かる。

なお、改質触媒を使用しない場合について、同様に運転を行ったが、その結果、ＴＨＣ濃度は２００００ｐｐｍであった。

次に、実施例５について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例においても、前記実施例１と同様な燃料電池システムを用いるので、同じ部材には、同じ番号を付した。

まず、本実施例の燃料電池スタックの運転方法を説明する。
本実施例では、スタック電圧を計測して、実施例２の方法にて起動を行った。
そして、発電を開始させるときに、スタック電圧を単セルあたり０．８Ｖを下回らないように（即ち０．８Ｖ以上となるように）発電出力を制限した。

つまり、燃料電池スタック２５の上部で温度が低い場合には、その部分で十分に発電できず、そのため、発電出力を制限しない場合、即ち、高い出力を発電した場合、一部で抵抗が大きくなり、発熱によりセルが破損する恐れがある。そこで、本実施例では、燃料電池スタック２５から取り出す電流の値を、パワーコンディショナー７を操作することによってスタック電圧が所定の電圧以下にならないように制限するのである。

ここで、スタック電圧を単セル電圧換算で０．８Ｖとした理由は、本実施例で使用する燃料電池スタック２５が１８セルの積層からなるものであるため、比較的温度差がつきにくいものであり、０．８Ｖであればどのセル２３でも電圧がマイナスになることがないと思われるからである。すなわち、どこかひとつのセル２３でもマイナスになるような条件でなければよい。

なお、セル２３の電圧がマイナスになるとは、セル２３が大きな抵抗になっているということであり、セル２３の温度が低く、十分に活性化していない状況で発生することがある。

＜実験例＞
次に、本実施例の燃料電池の運転方法による燃料電池スタック２５の温度変化を調べた実験例について説明する。

上述した燃料電池の運転方法によって燃料電池１を起動するとともに、その際の燃料電池スタック２５の各位置（上部、中部、下部）の温度を調べた。その結果を図８に示す。
図８に示すように、３ヶ所のスタック温度（上部、中部、下部）が、始動後約１７０分で２０℃以内に収まっており、短時間でスタック温度を均一にできた。また、燃料電池スタック２５も破損することがなかった。

なお、本実施例において、スタック電圧を（単セル当たりに換算することなく）所定電圧（例えば０．８Ｖ×１８段＝１４．４Ｖ）以上となるように、燃料電池に流れる電流（従って発電電力）を制限してもよい。

また、燃料電池スタックの特定の燃料電池セル（例えば温度上昇が最も難しいと予想されるバーナから最も離れた最上段のセル）の温度を測定し、その温度が（前記単セル当たりの判定電圧と同様な）所定電圧（例えば０．８Ｖ）以上となるように、燃料電池セルに流れる電流（従って発電電力）を制限してもよい。

次に、実施例６について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例においても、前記実施例１と同様な燃料電池システムを用いるので、同じ部材には、同じ番号を付した。

まず、本実施例の燃料電池スタックの運転方法を説明する。
本実施例では、燃料電池スタック２５の最上段のセル電圧を計測して、実施例２の方法にて起動を行った。

そして、発電を開始させるときに、そのセル電圧を０．７Ｖを下回らないように（即ち０．７Ｖ以上となるように）発電出力を制限した。
つまり、前記実施例５と同様に、発電開始当初から高い出力を発電した場合、一番温度の低い最上段のセル２３で抵抗が大きくなり、発熱によりセル２３が破損する恐れがあるが、本実施例の様に、最上段のセル電圧を観測することでセル２３の破損を防止できる。

ここで、セル電圧を０．７Ｖ以上とした理由は、セル電圧が低いとセル２３で発生するジュール熱も大きくなり、電極の劣化やセル２３の破損など、性能劣化の要因となるためであり、必ずしも０．７Ｖである必要はなく、性能が劣化しない範囲であればよく、最低限、セル２３の電圧がマイナスの電圧にならないようにすればよい。

＜実験例＞
次に、本実施例の燃料電池の運転方法による燃料電池スタック２５の温度変化を調べた実験例について説明する。

上述した燃料電池の運転方法によって燃料電池１を起動するとともに、その際の燃料電池スタック２５の各位置（上部、中部、下部）の温度を調べた。その結果を図９に示す。
図９に示すように、３ヶ所のスタック温度（上部、中部、下部）が、始動開始から約１７０分で２０℃以内に収まっており、短時間でスタック温度を均一にできた。また、燃料電池スタック２５も破損することがなかった。
［比較例１］
次に、本発明の範囲外の比較例について説明する。

本比較例では、バーナを点火後、燃料電池スタックの最下部が６００℃の段階で、バーナを停止した。
その後、燃料電池スタックに（水分を含む）原料ガスと空気ガスを投入し、排ガスの燃焼により燃料電池スタックを昇温させた。

その際、本比較例では、図１０に示す様に、スタック下部温度は上昇したが、スタック上部温度がなかなか上昇せず、スタック中部が６００℃になった段階で発電を開始したが、その時の燃料電池スタックの上下の温度差は約２００℃と大きくなってしまった。

また、発電可能になるまでの時間に３００分以上を要しており、本発明の各実施例における約１７０分に対して、１．８倍程度長くなった。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

例えば、運転方法としては、下記の手順の方法を採用できる。
バーナ点火・昇温→スタック中部温度２００℃→改質水供給→スタック中部温度２３０℃→空気供給→１分後→燃料供給→スタック中部温度５００度→バーナ停止→スタック中部温度６００度→発電開始

１…燃料電池
３…バーナ
７…パワーコンディショナー
２３…燃料電池セル
２５…燃料電池スタック
２７…空気予熱器
２９…燃焼器
３１…改質器
３３…燃料極
３５…固体電解質体
３７…空気極

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池セルと、該燃料電池で発生する電力を外部に出力する電力出力端子と、を備える燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックに近接して設けられ、該燃料電池スタックを加熱する加熱器と、
   該燃料電池スタックから排出された未反応の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを含む排ガスを燃焼させる燃焼器と、
   を用い、
   前記燃料電池スタックを始動させる際に、該燃料電池スタックを加熱して昇温させる燃料電池の運転方法であって、
   前記加熱器により、前記燃料電池スタックを加熱して、該燃料電池スタックを昇温させる第１昇温ステップと、
   前記第１昇温ステップにより前記燃料電池スタックが加熱され、所定の第１温度に達した時点で、前記加熱器による加熱を継続した状態で、前記燃料電池スタックに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を開始し、前記燃焼器によって前記燃料電池スタックから排出される前記排ガスを燃焼させて、該燃料電池スタックを加熱して該燃料電池スタックを昇温させる第２昇温ステップと、
   前記第２昇温ステップにより前記燃料電池スタックが加熱され、所定の第２温度に達した時点で、前記加熱器による加熱を停止し、前記燃焼器による加熱のみで前記燃料電池スタックを昇温させる第３昇温ステップと、
   を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
2. 前記第２昇温ステップ又は第３昇温ステップにおいて、
   前記燃料電池スタックの前記電力出力端子を電力消費側に接続して該燃料電池スタックの発電を開始させて、前記燃料電池スタックが通電により発生するジュール熱を利用して該燃料電池スタックを昇温させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
3. 前記燃料電池スタックの発電を開始する際に、該燃料電池スタック内の特定の燃料電池セルのセル電圧を計測し、該セル電圧が所定の電圧以上となるように、前記燃料電池スタックに流れる電流を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の運転方法。
4. 前記燃料電池スタックの発電を開始する際に、該燃料電池スタックのスタック電圧を計測し、該スタック電圧が所定の電圧以上となるように、前記燃料電池スタックに流れる電流を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の運転方法。
5. 前記燃焼器に燃焼触媒が設けられており、
   前記第１昇温ステップにおいて、前記燃焼触媒が加熱されて活性化されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法。
6. 原料ガスを前記燃料ガスに改質する改質触媒を備える改質器が設けられており、
   前記第１昇温ステップにおいて、前記改質触媒が加熱されて活性化されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法。

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