JPH08162137A - 燃料電池システム及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 転化器昇温用ヒータを用いることなく、起動
時において、転化器を短時間で昇温することのできる燃
料電池システム及びその起動方法を提供することを目的
とする。 【構成】 燃料電池システムの起動時において、スター
トバーナ７が発生した熱により、燃料電池５が昇温する
と共に、スチーム発生器８はスタートアップバーナ７の
熱によってスチームを発生する。発生したスチームが配
管６４、スチームセパレータ１０、配管６２を通ってコ
イル管４６へ送給されることによって転化器４が昇温す
る。また、改質器バーナ３０の熱によって改質器３が昇
温すると共に、改質器３から高温の改質ガスが転化器４
に送られることにより、転化器４は内部から加熱されて
昇温する。そして、転化器４から送出されるガスは、配
管５９を通じて改質器バーナ３０に燃料として供給され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池本体，改質
器、転化器等を備える燃料電池システム及びその起動方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】都市ガス、メタノール、ナフサ等の燃料
ガス原料を用いて発電を行う燃料電池システムにおいて
は、スチームと混合した燃料ガス原料を触媒反応を通し
て改質することにより水素主成分の改質ガスを生成する
改質器と、この改質ガスと空気中の酸素とを電気科学的
に反応させて発電する燃料電池本体とを備えている。

【０００３】また、通常、都市ガス中には微量の硫黄が
含まれているので、改質器に燃料ガス原料を供給する前
に硫黄成分を除去する脱硫器や、改質装置によって生成
された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化する
転化器を備えており、燃料電池本体には、脱硫器、改質
装置、転化器を経た改質ガスが供給されるようになって
いる。

【０００４】このような燃料電池システムの運転時にお
いては、通常、改質器は改質器バーナの燃焼熱によって
所定の運転温度（７００〜８００℃程度）に保たれ、転
化器は、改質器からの高温の改質ガスによる加熱と水な
どで冷却することによって所定の運転温度（１８０〜２
５０℃程度）に保たれ、燃料電池本体は、発電に伴う発
熱と水又は空気の冷却によって所定の運転温度（１９０
〜２００℃程度）に保たれながら運転されるようになっ
ている。

【０００５】ところで、燃料電池システムの起動時にお
いて、改質器は改質器バーナによって比較的短時間で所
定の運転温度に昇温させることができ、燃料電池本体
は、スタートアップバーナを設置することによって比較
的短時間で所定の運転温度に昇温させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】また、転化器の昇温
は、一般的に昇温用ヒータを転化器に設置して行ってい
たが、燃料電池システムの発電可能電力を同じかそれ以
上の電力を必要とする昇温用ヒータを用いても所定の運
転温度まで転化器を昇温させるのに、通常、２〜３時間
程度かかっていた。このため、燃料電池システムの起動
時間が長びくと共に、昇温用ヒータへの電力供給が発電
能力と比べて大きすぎるという問題があった。

【０００７】また、本発明者等が特願平６−３０７０２
において示した燃料電池用改質システムにおいては、転
化器を改質器の外周面に沿って設けて、改質器の外周面
からの伝熱によって転化器を加熱できるようになってい
るが、このような転化器においても、起動時において、
改質器からの伝熱で転化器を昇温させるのに時間が長く
かかるという問題があった。

【０００８】本発明は、このような課題に鑑み、転化器
昇温用ヒータを用いることなく、起動時において、転化
器を短時間で昇温することのできる燃料電池システム及
びその起動方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の燃料電池システムは、燃料ガス原料
を水素主成分の改質ガスに改質する改質器と、改質器で
生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化
する転化器と、転化器で転化された改質ガスを燃料とし
て発電を行う燃料電池本体と、起動時に燃料電池本体を
昇温させるための熱を発生するスタートアップバーナ
と、スタートアップバーナの熱によってスチームを発生
させるスチーム発生手段と、起動時、発生したスチーム
で転化器を昇温するために転化器周囲へスチームを送給
する配管と、を備えることを特徴としている。

【００１０】また、請求項２記載の燃料電池システム
は、改質器バーナによって加温しながら燃料ガス原料を
触媒反応することにより水素主成分の改質ガスに改質す
る改質器と、改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭
素を二酸化炭素に転化する転化器と、転化器で転化され
た改質ガスを燃料として発電を行う燃料電池本体と、改
質器，転化器，燃料電池本体にまたがって配設された改
質ガスを流通させるための配管と、を備えた燃料電池シ
ステムにおいて、転化器と燃料電池本体との間の改質ガ
スの配管部分に設けられた流路切換手段と、起動時にお
いては、転化器から送出される改質ガスを改質器バーナ
に燃料として供給するよう第１の状態に、起動時経過後
の運転時には前記改質ガスを燃料電池本体に供給する第
２の状態に流路切換手段を切換えるよう制御する制御手
段とを備えることを特徴としている。

【００１１】また、請求項３記載の燃料電池システム
は、改質器から転化器を経由して燃料電池本体へと改質
ガス配管が配され、改質器バーナによって加温された改
質器内触媒に燃料ガス原料を供給して改質した後、転化
器で改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化し、転
化後の改質ガスを燃料電池本体に供給し、また燃料電池
本体は、起動時にスタートアップバーナの発生する熱に
よって昇温する構成とされた燃料電池システムにおい
て、スタートアップバーナに付設するスチーム発生手段
と、スチーム発生手段で発生したスチームを転化器周囲
に導くスチーム配管と、転化器と燃料電池本体との間の
改質ガス配管部分に流路切換手段と、起動時において、
スタートアップバーナの発生する熱でスチームを発生さ
せ、そのスチームで転化器を外部から昇温し、転化器が
所定温度以上に昇温した後、改質器から転化器へと改質
ガスを流通すると共に、転化器から送出される改質ガス
を流路切換手段を通じて改質器バーナに燃料として供給
するよう制御する制御手段とを備えることを特徴として
いる。

【００１２】また、請求項４記載の燃料電池システムの
起動方法は、改質器バーナによって加温しながら燃料ガ
ス原料を触媒反応することにより水素主成分の改質ガス
に改質する改質器と、改質器で生成された改質ガス中の
一酸化炭素を二酸化炭素に転化する転化器と、転化器で
転化された改質ガスを燃料として発電を行う燃料電池本
体と、改質器，転化器，燃料電池本体にまたがって配設
された改質ガスを流通させるための配管と、転化器と燃
料電池本体との間の改質ガスの配管部分に流路切換手段
と、を備えた燃料電池システムにおいて、起動時におい
て、転化器から送出される改質ガスを流路切換手段を通
じて改質器バーナに燃料として供給することを特徴とし
ている。

【００１３】また、請求項５記載の燃料電池システムの
起動方法は、改質器から転化器を経由して燃料電池本体
へと改質ガス配管が配され、改質器バーナによって加温
された改質器内触媒に燃料ガス原料を供給して改質した
後、転化器で改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転
化し、転化後の改質ガスを燃料電池本体に供給し、また
前記燃料電池本体は、起動時にスタートアップバーナの
発生する熱によって昇温する構成とされ、スタートアッ
プバーナに付設するスチーム発生手段と、スチーム発生
手段で発生したスチームを転化器周囲に導くスチーム配
管と、前記転化器と燃料電池本体との間の改質ガス配管
部分に流路切換手段と、を備える燃料電池システムにお
いて、スタートアップバーナの発生する熱でスチームを
発生させ、そのスチームで転化器を外部から昇温するス
テップと、転化器が所定温度以上に昇温した後、改質器
から転化器へと改質ガスを流通すると共に、転化器から
送出される改質ガスを流路切換手段を通じて改質器バー
ナに燃料として供給するステップとを備えることを特徴
としている。

【００１４】

【作用】請求項１記載の燃料電池システムによれば、起
動時に、スタートアップバーナが発生した熱により燃料
電池本体が昇温すると共に、スチーム発生手段はスター
トアップバーナの熱によってスチームを発生する。そし
て、そのスチームが配管を通って転化器周囲へ送給され
ることによって転化器が昇温する。即ち、スタートアッ
プバーナが発生する熱は、燃料電池本体と転化器と両方
の昇温に用いられていることになる。

【００１５】このように、起動時にスタートアップバー
ナが発生する熱を転化器の昇温に用いることにより、転
化器を効率よく昇温することができる。また、請求項２
記載の燃料電池システム及び請求項４記載の起動方法に
よれば、起動時において、改質器バーナの熱によって改
質器が昇温すると共に、改質器から高温のガスが転化器
に送られることにより転化器は内部から加熱されて昇温
する。そして、転化器から送出される改質ガスが、流路
切換手段を通じて改質器バーナに燃料として供給され
る。

【００１６】このように、起動時、改質器バーナが発生
する熱は、改質器と転化器と両方の昇温に用いられ、転
化器を効率よく昇温することができる。また、請求項３
記載の燃料電池システム及び請求項５記載の起動方法に
よれば、起動時において、スタートアップバーナの発生
する熱で、燃料電池本体が昇温すると共にスチームを発
生し、スチーム配管を通して転化器周囲へ送給されるス
チームが転化器を外部から昇温する。

【００１７】また、転化器が所定温度以上に昇温した
後、改質器から転化器へと流通する改質ガスを通じて改
質器バーナの発生する燃焼熱が転化器に与えられること
によって転化器は内部から加熱されて昇温する。そし
て、転化器から送出されるガスは流路切換手段を通じて
改質器バーナに燃料として供給される。即ち、改質器バ
ーナの燃焼熱は、改質器と転化器と両方の昇温に用いら
れる。

【００１８】このように、起動時において、転化器が所
定温度未満の低い温度のときには、スタートアップバー
ナの発生する熱を用いて転化器を昇温し、所定温度以上
に昇温した後には、改質器バーナの発生する熱を用いて
転化器を効率よく昇温することができる。また、転化器
が所定温度以上に昇温した後に、改質ガスが転化器に供
給されるので、転化器内での結露を抑制する効果が生じ
る。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら以下に説明を行なう。 （燃料電池システムの全体構成の説明）図１は、本発明
の一実施例にかかる燃料電池システムの構成図である。
図に示すように、この燃料電池システムは、燃料ガス原
料として都市ガスを用いており、都市ガス中の硫黄成分
を除去する脱硫器１と、スチームと脱硫器１で脱硫され
た都市ガスとを混合して後述する改質器３に供給するエ
ゼクタ２と、エゼクタ２から供給されるスチームと都市
ガスとを用いて水素主成分の燃料ガス（改質ガス）を生
成する改質器３と、改質器３で生成された改質ガス中に
存在する一酸化炭素を二酸化炭素に転化する転化器４
と、燃料極５ａ，空気極５ｂ，冷却部５ｃを備え、転化
器４からの改質ガスと空気供給源（不図示）からの空気
中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行なう燃料
電池５と、燃料電池５の冷却部５ｃに空気を送り込むブ
ロワ６と、起動時に燃料電池５を昇温させるためのスタ
ートアップバーナ７と、燃料電池５の冷却部５ｃから放
出される空気やスタートアップバーナ７の熱を利用して
スチームを生成するスチーム発生器８と、スチーム発生
器８を通過した空気の流路を切り換えるダンパ９と、ス
チーム発生器８で生成したスチームを溜め、スチーム中
の水成分を除去するスチームセパレータ１０と、改質器
３で生成した改質ガスの熱によってエゼクタ２に供給さ
れるスチームの温度を上昇させるための熱交換器１１
と、水を貯蔵する水タンク１２と、冷却水を送出する水
ポンプ１３と、改質器３に空気を送り込む空気ファン１
４等から構成されている。

【００２０】脱硫器１としては、常温で運転するものの
他、ヒータで所定の運転温度（例えば２００〜３００
℃）に昇温して運転するもの等も用いることができる。
脱硫器１は小型であるので、ヒータで昇温する場合でも
比較的短時間で運転温度まで昇温させることができる。
図２は、改質器３と転化器４の上面図であり、図３は図
２のＸ−Ｘ’断面図である。

【００２１】図２，３に示されるように、改質器３は、
外観が円筒状の外容器２０の中央部に円筒形の燃焼筒２
１を有し、燃焼ガスを生成する改質器バーナ３０が燃焼
筒２１の下方に取り付けられている。また、中空円筒状
の改質管２２が燃焼筒２１の外周を取り巻き、且つ改質
管２２の外面に沿って燃焼ガス通路２４が形成されてお
り、改質管２２の中に改質用の触媒からなる触媒層２３
が形成された構造となっている。

【００２２】改質器バーナ３０は、空気ファン１４から
の空気を取り入れる空気取入口３１と、都市ガス入口３
２と、未反応のガスを取り入れる未反応ガス入口３３と
を備え、運転時には、燃料極５ａからの未反応ガスや都
市ガスを未反応ガス入口３３や都市ガス入口３２から取
り入れ、それを燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させる
ようになっている。

【００２３】図３中の矢印Ａで示すように、改質器バー
ナ３０の燃焼で発生した高温の燃焼ガスは、燃焼筒２１
から出た後、燃焼ガス通路２４を通過しながら改質管２
２を加熱し、その後、燃焼排ガス出口２５から排出され
る。一方、燃料ガス入口２６から取り入れられた都市ガ
スとスチームとは、上記燃焼ガスで加熱された改質管２
２の触媒層２３を通過することによって水素主成分の改
質ガスとなり、改質ガス出口２７から転化器４へ送られ
るようになっている。

【００２４】転化器４は、断熱材４０を介して改質器３
の外周を取り巻く中空の円筒状であって、さらにその外
表面は断熱材４１によって覆われている。転化器４は、
円筒状の内壁板４２ａ及び外壁板４２ｂと円環状の上板
４２ｃ及び下板４２ｄとから形成される中空円筒形の容
器４２の中に、転化反応用の触媒が充填されて触媒層４
３が形成されているものであって、容器４２の下端側に
は改質ガスを取り入れる改質ガス入口４４が、上端側に
は、改質ガスを排出する改質ガス出口４５が取り付けら
れている。

【００２５】改質器３の触媒層２３と転化器４の触媒層
４３は、ほぼ同じ高さに設けられ、改質器３から転化器
４に効率よく伝熱されるようになっている。そして運転
時及び起動時において、転化器４は改質器３からの伝熱
によって加熱される。触媒層４３の外周側には、外壁板
４２ｂに沿って、コイル管４６が、上下方向にほぼ当間
隔ピッチで螺旋状に巻き付けられている。コイル管４６
は、外壁板４２ｂと断熱材４１との間隙に位置する。

【００２６】運転時には、改質器３から断熱材４０を介
して伝わる熱によって転化器４は加熱される一方、コイ
ル管４６に適量の冷却水が流されることによって、触媒
層４３の温度は転化反応に適した１８０℃〜２５０℃程
度の範囲に保たれるようになっている。そして、改質ガ
ス入口４４から取入れられた改質ガスは、触媒層４３を
通過して改質されることにより一酸化炭素が低減され、
改質ガス出口４５から燃料電池５の燃料極５ａに送られ
る。

【００２７】なお詳しくは後述するが、起動時には、ス
チームセパレータ１０からコイル管４６にスチームが供
給されることにより転化器４が加熱されるようになって
いる。図４は、燃料電池５に隣接して設けられたスター
トアップバーナ７とこれと一体に設けられたスチーム発
生器８を示す模式図である。

【００２８】スタートアップバーナ７は、燃料電池５の
（冷却部５ｃからの）空気の出口側（図４において燃料
電池５の上側）に設けられており、燃料電池５から排出
される空気の流れ方向（図４において上方向）に直交す
る方向に並べられた複数の燃焼ガス通路７ａ（例えばチ
ューブ）と、都市ガスを燃焼することによって高温の燃
焼空気を発生させて燃焼ガス通路７ａにこの燃焼空気を
供給するバーナ部とを備えている。図４ではバーナ部は
示されていないが、スタートアップバーナ７の紙面後方
にあり、バーナ部に空気を取り込む空気取入口７ｂと、
都市ガスを取り入れるガス取入口７ｃと、燃焼ガス排出
口７ｄが示されている。またバーナ部からの燃焼ガス
は、燃焼ガス通路７ａの中を、図４の紙面の裏から表に
向う方向に流れる。

【００２９】また、スチーム発生器８には、燃料電池５
（冷却部５ｃ）から排出されてスタートアップバーナ７
を通過した空気が通過するようになっており、スチーム
発生器８内には、この空気の流れに直交する方向に多数
のスチームチューブ８ａが設けられている。そして、起
動時には、スタートアップバーナ７を作動させることに
よって、燃料電池５の冷却部５ｃから排出された空気を
加熱できるようになっており、スタートアップバーナ７
で加熱された空気を、ダンパ９からブロワ６に送り、更
に燃料電池５の冷却部５ｃに戻すことにより燃料電池５
を加熱することができるようになっている（図１参
照）。また、スタートアップバーナ７が発生する熱によ
って、水入口８ｃからスチームチューブ８ａに供給され
る水を加熱してスチームを生成し、スチーム出口８ｂか
らそのスチームを出すことができるようになっている
（このスチームはスチームセパレータ１０からコイル管
４６に送られ転化器４の昇温に用いられる。）。

【００３０】一方、運転時においては、冷却部５ｃから
排出される高温の空気は、スチーム発生器８を通過して
ダンパ９から外部に排出されるが、この時、水入口８ｃ
からスチームチューブ８ａに供給される水を加熱してス
チームを生成し、スチーム出口８ｂからそのスチームを
出すようになっている。 （配管及び調節弁についての説明）図１に示すように、
上記各部の間には、燃料ガス系、水系、空気系の配管が
設けられている。

【００３１】燃料ガス系の配管としては、都市ガスを脱
硫器１を経てエゼクタ２に供給する配管５１、都市ガス
を改質器バーナ３０の都市ガス入口３２に供給する配管
５２、都市ガスをスタートアップバーナ７のガス取入口
７ｃ（図４参照）に供給する配管５３、エゼクタ２から
改質器３の燃料ガス入口２６（図３参照）に都市ガスと
スチームを供給する配管５５、改質器３の改質ガス出口
２７（図３参照）から熱交換器１１を経て転化器４の改
質ガス入口４４（図３参照）に改質ガスを供給する配管
５６、転化器４の改質ガス出口４５（図３参照）から燃
料電池５の燃料極５ａに改質ガスを供給する配管５７、
燃料極５ａから改質器バーナ３０の未反応ガス入口３３
（図３参照）に未反応ガスを供給する配管５８が設けら
れ、更に配管５７の途中に設けられた分岐管５７ａから
配管５８の途中に設けられた合流管５８ａにまたがっ
て、起動時に転化器４からの燃料ガスを（燃料極５ａを
経由しないで直接）改質器バーナ３０に供給するための
配管５９が設けられている。

【００３２】また水系の配管としては、水ポンプ１３か
ら転化器４のコイル管４６に水を供給する配管６１、転
化器４のコイル管４６からスチームセパレータ１０にス
チームを送る配管６２、水ポンプ１３からスチーム発生
器８の水入口８ｃ（図４参照）に水を供給する配管６
３、スチーム発生器８のスチーム出口８ｂ（図４参照）
からスチームセパレータ１０及び熱交換器１１を経由し
てエゼクタ２にスチームを供給する配管６４、スチーム
セパレータ１０のトラップ１０ａから水タンク１２に水
を戻す配管６５が設けられ、更に配管６１の途中に設け
られた分岐管６１ａから水タンク１２にまたがって、起
動時に転化器４のコイル管４６からの水を水タンク１２
に戻す配管６０が設けられている。なお配管６２は、起
動時にスチームセパレータ１０からコイル管４６にスチ
ームを供給する配管を兼用している。

【００３３】また空気系の配管としては、改質器３の燃
焼排ガス出口２５（図３参照）から外部に排ガスを排出
する配管７１、燃料電池５の空気極５ｂからの排空気を
外部に排出する配管７２、スチーム発生器８からダンパ
９を経由してブロワ６に加熱された空気を送る配管７
３、ブロワ６から冷却部５ｃに空気を送る配管７５、空
気ファン１４から改質器バーナ３０の空気取入口３１
（図３参照）に空気を送る配管７６等が設けられてい
る。

【００３４】また、図１に示すように、これらの配管に
は次のような弁が設けられている。配管５２には改質器
バーナ３０に供給する都市ガスの流量を調整する弁８
０、配管５３にはスタートアップバーナ７に供給する都
市ガスの流量を調整する弁８１、配管５１には脱硫器１
に供給する都市ガスの流量を調整する弁８２、配管６２
には水及びスチームの流れを開閉する弁８３、配管６０
には水の流れを開閉する弁８４、配管６１の分岐管６１
ａよりも水ポンプ１３側には水の流れを開閉する弁８
５、配管５７の分岐管５７ａより燃料極５ａ側にはガス
の流れを開閉する弁８６、配管５８の分岐管５８ａより
燃料極５ａ側にはガスの流れを開閉する弁８７、配管５
９にはガスの流れを開閉する弁８８、配管６４のスチー
ムセパレータ１０と熱交換器１１との間にはスチームの
流量を調整する弁８９が設けられている。

【００３５】上記のように配管５７，５８，５９や弁８
６，８７，８８が設けられているので、この弁の開閉を
切り換えることにより、運転時には、転化器４から改質
ガスを燃料極５ａに送ってその未反応ガスを改質器バー
ナ３０に戻すことができ、また起動時には、改質ガスを
転化器４から直接改質器バーナ３０に戻すことができる
ようになっている。従って、起動時において、改質器や
転化器の温度が低く燃料ガスの改質や転化が十分に行わ
れない時においても、改質器３と転化器４を通過した改
質ガスを改質器バーナ３０に戻して燃焼させることがで
きる。

【００３６】なお、本燃料電池システムにおいて各弁
は、図示しない制御手段によって操作される。 （起動時における動作についての説明）上記構成の燃料
電池システムの起動について、以下、第１〜第３実施例
を挙げて説明する。

【００３７】図５〜７は、第１〜第３実施例にかかる起
動時における各弁の操作，状態等を示すタイムチャート
と、改質器３，転化器４，燃料電池５の温度を示すグラ
フである。各タイムチャートにおいて、電池負荷のライ
ンは燃料電池５にかける電池負荷を示し、弁８０のライ
ンは改質器バーナ３０に供給する都市ガスの流量を示
し、弁８１のラインはスタートアップバーナ７に供給す
る都市ガスの流量を示し、改質燃料のラインは脱硫器１
に供給される都市ガスの流量を示す。また、弁８３〜８
９のラインは、各弁の開閉状態（ＯＮ，ＯＦＦ状態）を
示す。

【００３８】また各グラフにおいて、曲線Ｔｒは改質器
３の温度、曲線Ｔｉは転化器４の温度、曲線Ｔｆは燃料
電池５の温度を示している。 〔第１実施例〕本実施例は、図５のタイムチャートに基
づいて、改質器３の温度が５００℃になったとき、改質
用の都市ガスを供給開始する例である。

【００３９】初期において、弁はすべて閉じられてい
る。スタート時には、弁８０を調整して所定量（Ｘｍ3
／ｈ）の都市ガスを改質器バーナ３０に供給して改質器
３を加熱昇温し、弁８１を調整して所定量（Ｙｍ3／
ｈ）の都市ガスをスタートアップバーナ７に供給して、
スタートアップバーナ７の発生する熱で、燃料電池５を
昇温すると共にスチーム発生器８でスチームを発生す
る。このスチームは、スチームセパレータ１０に送られ
る。

【００４０】また、弁８３と弁８４を開いて、スチーム
セパレータ１０からスチームをコイル管４６に供給し、
転化器４をスチーム昇温する。ｔ1時点（スタートから
約１５分）において、改質器３の温度は５００℃に到達
する。また転化器４の温度はスチーム昇温によって約１
００℃に達する。ここで弁８４を閉じて転化器４のスチ
ーム昇温を停止する。

【００４１】また弁８９を開いてエゼクタ２にスチーム
を送ると同時に弁８２を開き、脱硫器１に所定量（Ｚｍ
3／ｈ）の都市ガスを供給し、改質器３へ都市ガス及び
スチームの供給を開始する。また弁８８も開いて、改質
器３から転化器４を通過した燃料ガスを改質器バーナ３
０に送る。改質器バーナ３０では、この改質ガスを配管
５２からの都市ガスと共に燃焼させる。

【００４２】このとき、改質器３は５００℃以上であ
り、転化器４へ送られる燃料ガスは高温（３００℃〜４
００℃）であるため、転化器４は内部からの昇温が行わ
れる。（改質器バーナ３０が発生する熱は、改質器３と
転化器４と両方の昇温に用いられていることになる。） 一方、徐々に弁８０を閉じて改質器バーナの燃焼を抑
え、改質器３の昇温を緩やかにする。

【００４３】ｔ2時点（スタートから約３０分）におい
て、改質器３の温度は７００℃に到達する。また、転化
器４の温度は約２００℃に達するので、改質ガスの転化
がなされる。ここで、弁８５を開いてコイル管４６へ冷
却水を供給して転化器４の冷却を開始する。また、燃料
電池５の温度は約１５０℃に達しており、弁８１を閉じ
スタートアップバーナ７を停止させる。また、弁８６，
８７を開くと共に弁８８を閉じることにより、転化器４
で転化された改質ガスを燃料極５ａに送り、燃料電池５
の発電を開始する。この時点から、燃料電池５は、５０
％の負荷で運転され、発電に伴う発熱によって昇温す
る。そして改質器バーナ３０には燃料極５ａから未反応
ガスが送られてそのガスが燃焼する。

【００４４】このｔ2時点以降、改質器３の温度はほぼ
７００℃に保たれるが、転化器４の温度は内部からの加
熱によって昇温が続く。そして、ｔ3時点において、転
化器４の温度は２５０℃に到達し、それ以後は転化器４
温度も２５０℃に保たれる。ｔ4時点（スタートから約
４０分）において、燃料電池５の温度は２００℃に達す
る。ここで弁８２を更に開いて都市ガスの供給量を増や
し電池負荷を１００％として本運転に入る。以降、燃料
電池５の温度は２００℃に保たれる。

【００４５】このように起動することにより、スタート
アップバーナ７の発生する熱と、改質器バーナ３０の発
生する熱を転化器４の昇温に用いて、転化器４を効率よ
く昇温させ、短時間で本運転に入ることができる。 〔第２実施例〕本実施例は、図６のタイムチャートに基
づいて、改質器３の温度が７００℃になったとき、改質
用の都市ガスを供給開始する例である。

【００４６】スタート時における各弁の操作は、第１実
施例と同様である。ｔ1時点（スタートから約２０分）
において、改質器３の温度は７００℃に達する。ここ
で、第１実施例のｔ1時点と同様に弁を操作して、転化
器４のスチーム昇温を停止し、改質器３への都市ガス及
びスチームの供給を開始して、転化器４を内部から昇温
する。この改質昇温では、改質器３の温度が第１実施例
よりも高いので、より速い速度で転化器４は昇温する。

【００４７】ｔ2時点において、転化器４の温度は約２
００℃に達する。ここで、弁８５を開いて転化器４の冷
却を開始する。ｔ3時点（スタートから約３０分）にお
いて、燃料電池５の温度は約１５０℃に達する。ここ
で、第１実施例のｔ2時点と同様に弁を操作して、スタ
ートアップバーナ７を停止し、また燃料電池５の発電を
開始する（５０％負荷）。

【００４８】ｔ4時点において転化器４の温度は２５０
℃に到達する。ｔ5時点（スタートから約４０分）にお
いて、燃料電池５の温度が２００℃に達すると、弁８２
を操作して電池負荷を１００％とし、本運転に入る。こ
のように起動することにより、第１実施例と同様、転化
器４を効率よく昇温させ、短時間で本運転に入ることが
できる。

【００４９】〔第３実施例〕本実施例は、図７のタイム
チャートに基づいて、改質器３の温度が５００℃〜７０
０℃の間（約６００℃）になったとき、改質用の都市ガ
スを供給開始する例である。スタート時における各弁の
操作は、第１実施例と同様である。

【００５０】ｔ1時点において、改質器３の温度は６０
０℃に達する。ここで、第１実施例のｔ1時点と同様に
弁を操作して、転化器４のスチーム昇温を停止し、改質
器３への都市ガス及びスチームの供給を開始して、転化
器４を内部からの昇温する。このスチーム昇温では、第
１実施例と第２実施例との間の速度で転化器４は昇温す
る。

【００５１】ｔ2時点において、転化器４の温度は約２
５０℃に達する。ここで、弁８５を開いて転化器４の冷
却を開始する。ｔ3時点（スタートから約３０分）にお
いて、燃料電池５の温度は約１５０℃に達する。ここ
で、第１実施例のｔ2時点と同様に弁を操作して、スタ
ートアップバーナ７を停止し、燃料電池５の発電を開始
する（５０％負荷）。

【００５２】ｔ4時点（スタートから約４０分）におい
て、燃料電池５の温度が２００℃に達すると、弁８２を
操作して電池負荷を１００％とし、本運転に入る。本実
施例による起動おいても、第１実施例と同様、転化器４
を効率よく昇温させ、短時間で本運転に入ることができ
る。 （その他の事項）上記の燃料電池システムにおいて、従
来の起動方法を用いる場合、即ち起動時に改質器３から
の伝熱だけによって転化器４を昇温させる場合は、転化
器４が運転温度の２５０℃に達するのに２時間程度かか
る。これに対して上記第１〜第３実施例の起動によれ
ば、短時間（３０〜４０分程度）で転化器４が運転温度
に到達しており、起動時間を大幅に短縮することができ
る。

【００５３】なお、上記実施例においては、転化器が改
質器の外周面に沿って設けられた燃料電池システムの例
を示したが、本発明はこのような構造のものに限定され
ることなく、転化器が改質器と別個に設けられた燃料電
池改質システムにおいても同様に実施することができ
る。また、上記第１〜第３実施例の起動においては、転
化器４をスチーム昇温によって１００℃以上の温度に昇
温させた後、内部からの昇温を行っているが、もっと早
い時期（例えばスタート時）から転化器４の内部からの
昇温を行うようにすることもできる。

【００５４】また、上記第１〜第３実施例の起動におい
ては、外部からのスチーム昇温と内部からの改質昇温の
両方を用いて転化器４を運転温度まで昇温させている
が、外部からのスチーム昇温だけ、或は内部からの改質
昇温だけを用いることもできる。

【００５５】

【発明の効果】請求項１及び請求項３及び請求項５の発
明によれば、起動時において、スタートバーナが発生す
る熱を転化器の昇温に用いて、転化器を効率よく昇温す
ることができる。また、請求項２及び請求項３及び請求
項４及び請求項５の発明によれば、起動時において、改
質器バーナが発生する熱を転化器の内部からの改質昇温
にも用いて、効率よく転化器を昇温することができる。

【００５６】このように、本発明による燃料電池システ
ム及びその起動方法によれば、転化器昇温用ヒータを設
置することなしに、起動時において、転化器を短時間で
昇温することができ、起動時間を短くすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる燃料電池システムの
構成図である。

【図２】図１に示した改質システムの改質器と転化器の
上面図である。

【図３】図２のＸ−Ｘ’断面図である。

【図４】図１に示すスタートアップバーナ７とこれと一
体に設けられたスチーム発生器８を示す模式図である。

【図５】燃料電池システムの起動の第１実施例にかかる
タイムチャートと温度のグラフである。

【図６】燃料電池システムの起動の第２実施例にかかる
タイムチャートと温度のグラフである。

【図７】燃料電池システムの起動の第３実施例にかかる
タイムチャートと温度のグラフである。

【符号の説明】

３ 改質器 ４ 転化器 ５ 燃料電池 ６ ブロワ ７ スタートアップバーナ ８ スチーム発生器 ９ ダンパ １０ スチームセパレータ １１ 熱交換器 ３０ 改質器バーナ ４３ 触媒層 ４６ コイル管 ５１〜７６ 配管 ８０〜８９ 弁

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガス原料を水素主成分の改質ガスに
   改質する改質器と、 改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭
   素に転化する転化器と、 転化器で転化された改質ガスを燃料として発電を行う燃
   料電池本体と、 起動時に燃料電池本体を昇温させるための熱を発生する
   スタートアップバーナと、 前記スタートアップバーナの熱によってスチームを発生
   させるスチーム発生手段と、 起動時、発生したスチームで前記転化器を昇温するため
   に転化器周囲へスチームを送給する配管と、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 改質器バーナによって加温しながら燃料
   ガス原料を触媒反応することにより水素主成分の改質ガ
   スに改質する改質器と、 改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭
   素に転化する転化器と、 転化器で転化された改質ガスを燃料として発電を行う燃
   料電池本体と、 改質器，転化器，燃料電池本体にまたがって配設された
   改質ガスを流通させるための配管と、を備えた燃料電池
   システムにおいて、 前記転化器と燃料電池本体との間の改質ガスの配管部分
   に設けられた流路切換手段と、 起動時においては、転化器から送出される改質ガスを改
   質器バーナに燃料として供給するよう第１の状態に、起
   動時経過後の運転時には前記改質ガスを燃料電池本体に
   供給する第２の状態に前記流路切換手段を切換えるよう
   制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池
   システム。
3. 【請求項３】 改質器から転化器を経由して燃料電池本
   体へと改質ガス配管が配され、改質器バーナによって加
   温された改質器内触媒に燃料ガス原料を供給して改質し
   た後、転化器で改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に
   転化し、転化後の改質ガスを燃料電池本体に供給し、ま
   た前記燃料電池本体は、起動時にスタートアップバーナ
   の発生する熱によって昇温する構成とされた燃料電池シ
   ステムにおいて、 スタートアップバーナに付設するスチーム発生手段と、 スチーム発生手段で発生したスチームを転化器周囲に導
   くスチーム配管と、 前記転化器と燃料電池本体との間の改質ガス配管部分に
   流路切換手段と、 起動時において、スタートアップバーナの発生する熱で
   スチームを発生させ、そのスチームで前記転化器を外部
   から昇温し、該転化器が所定温度以上に昇温した後、改
   質器から転化器へと改質ガスを流通すると共に、転化器
   から送出される改質ガスを流路切換手段を通じて改質器
   バーナに燃料として供給するよう制御する制御手段とを
   備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 【請求項４】 改質器バーナによって加温しながら燃料
   ガス原料を触媒反応することにより水素主成分の改質ガ
   スに改質する改質器と、 改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭
   素に転化する転化器と、 転化器で転化された改質ガスを燃料として発電を行う燃
   料電池本体と、 改質器，転化器，燃料電池本体にまたがって配設された
   改質ガスを流通させるための配管と、 前記転化器と燃料電池本体との間の改質ガスの配管部分
   に流路切換手段と、 を備えた燃料電池システムにおいて、 起動時において、転化器から送出される改質ガスを流路
   切換手段を通じて改質器バーナに燃料として供給するこ
   とを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
5. 【請求項５】 改質器から転化器を経由して燃料電池本
   体へと改質ガス配管が配され、改質器バーナによって加
   温された改質器内触媒に燃料ガス原料を供給して改質し
   た後、転化器で改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に
   転化し、転化後の改質ガスを燃料電池本体に供給し、ま
   た前記燃料電池本体は、起動時にスタートアップバーナ
   の発生する熱によって昇温する構成とされ、 スタートアップバーナに付設するスチーム発生手段と、
   スチーム発生手段で発生したスチームを転化器周囲に導
   くスチーム配管と、前記転化器と燃料電池本体との間の
   改質ガス配管部分に流路切換手段と、を備える燃料電池
   システムにおいて、 スタートアップバーナの発生する熱でスチームを発生さ
   せ、そのスチームで前記転化器を外部から昇温するステ
   ップと、 転化器が所定温度以上に昇温した後、改質器から転化器
   へと改質ガスを流通すると共に、転化器から送出される
   改質ガスを流路切換手段を通じて改質器バーナに燃料と
   して供給するステップとを備えることを特徴とする燃料
   電池システムの起動方法。