JP2006278074A - 固体酸化物形燃料電池システム及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大掛かりな起動手段を設けなくても、効率よくかつ短時間で起動させることができ、また、使い勝手に優れた固体酸化物形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。
【解決手段】 ＳＯＦＣシステム１は、起動用スタック３０と、起動用スタック３０を選択的に加熱する起動バーナー１４を具備し、起動用スタック３０が、起動バーナー１４によって加熱され所定の温度に到達すると直接発電し、燃焼室２内の改質器４及びスタック３１２を加熱し、加熱された改質器４及びスタック３１２が、所定の温度に到達すると、改質用燃料を改質器４に供給し、スタック３１２が改質器４からの改質ガスを燃料として直接発電する構成としてある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システム及びその起動方法に関し、特に、燃焼室内に改質器やセルとともに、起動用セル及びこの起動用セルを選択的に加熱する加熱手段を設けて、先ず、起動用セルを電気化学反応させ、次に、この起動用セルを熱源として、改質器やセルを効率よく加熱し、セルを電気化学反応させることにより、起動手段を小型化かつ簡素化することができる固体酸化物形燃料電池システム及びその起動方法に関する。

固体酸化物形燃料電池システム（適宜、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ ＦＵＥＬ ＣＥＬＬ）システムと略称する。）は、固体電解質（安定化ジルコニア）の両側に燃料極と空気極を配設したセル（単電池）を集合させたスタック又はバンドルを備え、スタック又はバンドルに水素リッチな改質ガスと空気等の酸化剤ガスを供給し、電気化学的に反応させて酸素イオンを空気極から燃料極に移動させることにより直接発電する。

（従来例）
図７は、従来例に係る固体酸化物形燃料電池システムの、基本的な構成を説明するための概略ブロック図を示している。
同図において、ＳＯＦＣシステム１００は、石油系燃料である灯油を原燃料とした固体酸化物形燃料電池システムであり、水を約２００℃の水蒸気とするボイラー１１０と、灯油を約２００℃にて脱硫する脱硫器１１１と、約２００℃にて水蒸気及び脱硫された灯油を混合するとともに気化させる気化器１１２と、気化された改質用燃料を約７００〜８００℃で改質反応させ、水素リッチな改質ガスを生成する改質器１４０と、改質ガス及び空気等の酸化剤ガスを電気化学反応させるセル（スタック，バンドル等）の集合体である燃料電池１３０と、改質器１４０及び燃料電池１３０を収納する燃焼室１２０と、燃料電池１３０にて発生した直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）電力に変換するインバータ１１３を備えた構成としてある。

ＳＯＦＣシステム１００は、プロパンガスが充填されたガスボンベ１１５と起動バーナー１１４を備えており、起動する際、上記ガスボンベ１１５から供給されるプロパンガスを起動バーナー１１４で燃焼させ、燃焼室１２０内の改質器１４０及び燃料電池１３０を加熱する。そして、改質器１４０及び燃料電池１３０がそれぞれの所定温度まで到達すると、改質用燃料を改質器１４０に供給し、生成された改質ガスを使用して、燃料電池１３０が直接発電を開始する。
なお、図示してないが、ＳＯＦＣシステム１００は、シーケンサやコンピュータ等の制御手段を備えており、各温度センサや圧力センサなどからの測定信号にもとづいて、電磁バルブやポンプ等を制御する。また、ＳＯＦＣシステム１００が定常運転に入るまでは、一般的に、電磁弁やポンプ等は系統電力を利用する。

図８は、従来例に係る固体酸化物形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。
一般的に、長時間停止していたＳＯＦＣシステム１００を起動させるには、先ず、燃焼室１２０内に設けられた起動バーナー１１４で、上記改質反応及び電気化学反応が可能となる温度まで、改質器１４０及び燃料電池１３０を加熱する（ステップＳ１０１）。この際、起動バーナー１１４は、電磁弁３００が開かれ、ガスボンベ１１５からプロパンガスが供給されると、自動的に着火する。また、電磁弁３０１が開きブロワ２０１が作動して、起動バーナー１１４にブロワ２０１から空気が供給される。さらに、起動バーナー１１４の燃焼ガス及び燃料電池１３０の燃焼ガスは、排気ガスとして、燃焼室１２０の上部に設けられた排気口２２から排気ガスとして排出される。
なお、起動バーナー１１４の燃料はプロパンガスに限定されるものではなく、たとえば、都市ガスでもよい。また、起動バーナー１１４の代わりに、起動用電気ヒータを用いてもよい。

次に、電磁弁３０２が開き、ポンプ２０２が作動し、ボイラー１１０に灯油が供給され着火する。さらに、電磁弁３０３が開き、ボイラー１１０に空気が供給され、ボイラー１１０が勢いよく燃焼する。また、ボイラー１１０の排気ガス（図示せず）は、脱硫器１１１及び気化器１１２を加熱してから排出される（ステップＳ１０２）。
なお、ボイラー１１０，脱硫器１１１，気化器１１２，燃料電池１３０及び改質器１４０は、ほぼ同じタイミングで各所定の温度まで加熱されるとよい。したがって、ボイラー１１０，脱硫器１１１及び気化器１１２を、燃料電池１３０及び改質器１４０より先に加熱し始めてもよい。
また、ＳＯＦＣシステム１００のボイラー１１０，脱硫器１１１及び気化器１１２は、定常運転時においても、灯油を燃焼させることにより加熱されるが、この構成に限定されるものではない。たとえば、熱交換器（図示せず）等を設けて、燃料電池１３０の排熱を利用して加熱してもよい。

次に、制御手段（図示せず）が、ボイラー１１０，脱硫器１１１，気化器１１２，改質器１４０及び燃料電池１３０の温度を、熱電対等の温度センサなどを用いてモニタしており、各所定の温度まで加熱されと、電磁弁３０４が開き、水蒸気を気化器１１２に供給する。また、電磁弁３０５が開き、灯油が脱硫器１１１に供給され、脱硫された灯油が気化器１１２に供給され、気化器１１２を介して、混合された灯油及び水蒸気からなる改質用燃料が、改質器１４０に供給される（ステップＳ１０３）。なお、ポンプ２０３は、ボイラー１１０の水位センサ（図示せず）からの信号を入力して適量の水量が維持されるように適時作動する。

次に、電磁弁３０６が開かれ、空気が燃料電池１３０に供給され、さらに、改質器１４０から改質ガスが燃料電池１３０に供給され、燃料電池１３０は、電気化学反応を開始する（ステップＳ１０４）。これにより、ＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池１３０から出力されるＤＣ電力をインバータ１１３でＡＣ電力に変換し、ＡＣ電力を得ることができる。また、燃料電池１３０を熱源として、改質器１４０を加熱し、改質ガスを生成することができる。

次に、ＳＯＦＣシステム１００は、電磁弁３００，３０１を閉じて、起動バーナー１１４を停止する。また、系統電源からの電力で作動させていたブロア２０１，ポンプ２０２，２０３等の電力を、インバータ１１３からの電力に切り換えて、定常運転に入る（ステップＳ１０５）。

上述したＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池１３０の作動温度が約７００〜１０００℃の高温となることから、発電効率が高く、高温スチームを回収できるなどといった長所を有しており、たとえば、定置用の燃料電池として注目されている。
また、ＳＯＦＣシステム１００は、固体電解質を介して改質ガスと酸化剤ガス（空気）を電気化学反応させると、セルが大量に発熱することから、燃料電池１３０の上方に改質器１４０を設けて、改質器１４０が燃料電池１３０を熱源として改質ガスを生成することができ、エネルギー効率を向上させることができる。

しかしながら、上述した灯油（都市ガスや天然ガス等であってもよい。）を原燃料として用いるＳＯＦＣシステム１００は、定常運転に入ると、改質器１４０やボイラー１１０の熱源として燃料電池１３０からの排熱を利用することができるものの、起動時には燃料電池１３０からの排熱がないため、起動時の熱源確保が別途必要である。すなわち、ＳＯＦＣシステム１００は、起動する際、燃焼室１２０内の改質器１４０や燃料電池１３０を各反応温度まで加熱する必要がある。この加熱手段として、通常、起動バーナー１１４や電気ヒータ等が用いられるが、起動バーナー１１４を用いる場合には、大量の起動用燃料（たとえば、プロパンガス等）を確保する必要があり、また、電気ヒータの場合には、大量の起動用電力を必要とするので、起動手段が大掛かりとなり、小型化や製造原価のコストダウンを図ることができないといった問題があった。

また、天然ガスや都市ガスなどのガス体燃料を原燃料とする場合、燃焼室１２０内でガス体燃料を燃焼させて熱源とすることが可能であるが、灯油などの液体燃料は、すすが発生しないように燃焼室１２０内で完全燃焼させるか、発生したすすが直接セルに付着しないようにカバーを設ける必要があった。すなわち、炭素数が２以上の炭化水素を多量に含む原燃料、たとえば、灯油などの石油系燃料を使用する場合には、燃焼ガスに含まれる可能性があるすすや、未燃の炭化水素が燃料極や空気極に付着し、あるいは、付着した炭化水素がコーキングし、それらの電極が劣化することから、安定的に発電できなくなるといった問題や、セル自体の劣化も懸念されるといった問題があった。
なお、すすの発生の危険性は、メタン<プロパン<ブタン≪灯油となっており、灯油が最もすす発生の危険性が高いことから、燃焼室１２０内で灯油をそのまま燃焼させることは、上記問題により不可能であった。

また、家庭用等のＳＯＦＣシステム１００は、系統連係で使用されるので、起動時におけるブロワ２０１やポンプ２０２，２０３、あるいは、起動用電気ヒータが必要とする電力を容易に得ることができるが、たとえば、停電した場合や系統電源が設けられていない場所で使用する場合を考慮すると、起動させることができず使用者の要望に応えられないといった問題があった。

本発明は、上記問題を解決するために提案されたものであり、大掛かりな起動手段を設けなくても、効率よくかつ短時間で起動させることができ、また、使い勝手に優れた固体酸化物形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。

上記目的を達成するため、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、改質触媒を介して改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、固体電解質を介して前記改質ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行うセルを有する燃料電池と、前記改質器及び燃料電池を収納する燃焼室を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、前記燃焼室内に設けられ、前記改質ガス又は水素ガスを供給され、該改質ガス又は水素ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行う起動用セルと、前記燃焼室に設けられ、前記起動用セルを選択的に加熱する加熱手段を具備し、前記起動用セルが、前記加熱手段によって加熱され所定の温度に到達すると、前記改質ガス又は水素ガスを燃料として直接発電するとともに、前記燃焼室内の改質器及びセルを加熱し、加熱された前記改質器及びセルが、それぞれ所定の温度に到達すると、前記改質用燃料を前記改質器に供給し、前記セルが前記改質器からの改質ガスを燃料として直接発電する構成としてある。
このようにすると、起動させる際、高温に加熱する必要がある改質器やセルを、起動用セルを熱源として効率よく加熱することができるので、容易にかつ短時間で起動させることができるとともに、大掛かりな起動手段を設ける必要がなく、製造原価のコストダウンを図ることができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記加熱手段をバーナーとし、該バーナーのバーナー用燃料として、前記改質ガス又は水素ガスを使用する構成としてある。
このようにすると、バーナー用燃料に炭素数が２以上の炭化水素が含まれないので、すすや未燃の炭化水素が燃料極や空気極に付着せず、安定的に発電できるとともに、セル自体が劣化するといった不具合を回避することができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記固体酸化物形燃料電池システムを停止する前に、前記改質器が生成した改質ガスを貯める貯蔵手段を備えた構成としてある。
このようにすると、起動させる際、起動用セルを作動させる改質ガスを自給することができるので、使い勝手を向上させることができる。また、貯蔵された改質ガスをバーナー用燃料としても使用することができ、利用者がバーナー用燃料を別途用意しなくてもすむので、さらに使い勝手を向上させることができる。すなわち、灯油を原燃料とする固体酸化物形燃料電池システムにおいて、バーナー用燃料として、灯油から生成した改質ガスを使用することができ、灯油以外の燃料、たとえば、プロパンガスなどをバーナー用燃料として準備する必要がなくなるので、システムをシンプルにすることができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記固体酸化物形燃料電池システムを起動する際、前記起動用セルに供給する水素を、水を電気分解することにより発生させる、水素発生手段を備えた構成としてある。
このように、固体酸化物形燃料電池システムを起動する際、起動スタックが必要とする改質ガスとして、水を電気分解し、得られた水素を使用してもよく、このようにすると、貯蔵タンクなどの貯蔵手段を設けなくてもすむので、構造を単純化することができる。なお、水を電気分解して得られた水素は、バーナー用燃料としても使用することができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記起動用セルが作動するまでに必要な電力を供給する起動用二次電池を備えた構成としてある。
このようにすると、起動用セルが作動した時点から、起動用セルが発電した電力を使用して、ポンプやブロワなどを駆動させることができ、起動用二次電池の容量を小さくできる。また、小容量の起動用二次電池を備えることにより、系統電力を使用しなくても起動でき、付加価値を向上させることができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記燃焼室内に起動用改質器が設けられ、該起動用改質器が、前記加熱手段及び／又は起動用セルによって加熱され所定の温度に到達すると、前記改質用燃料が供給され、生成した改質ガスを前記起動用セルに供給する構成としてある。
このようにすると、起動用改質器が作動した時点から、起動用改質器が生成した改質ガスを使用して、起動用セルを作動させることができ、たとえば、改質ガスを貯める貯蔵手段を小型化することができる。

また、上記目的を達成するため、本発明の固体酸化物形燃料電池システムの起動方法は、改質触媒を介して改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、固体電解質を介して前記改質ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行うセルを有する燃料電池と、前記改質器及び燃料電池を収納する燃焼室を備えた固体酸化物形燃料電池システムの起動方法であって、前記燃焼室に設けられた加熱手段が、前記改質ガス又は水素ガスを供給され、前記改質ガス又は水素ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行う起動用セルを選択的に加熱し、次に、前記起動用セルが、前記加熱手段によって加熱され所定の温度に到達すると、前記改質ガス又は水素ガスを燃料として直接発電するとともに、前記燃焼室内の改質器及びセルを加熱し、次に、加熱された前記改質器及びセルがそれぞれ所定の温度に到達すると、前記改質器４が前記改質用燃料を供給され、前記セルが前記改質器からの改質ガスを燃料として直接発電する方法としてある。
このように、本発明は、固体酸化物形燃料電池システムの起動方法としても有効であり、高温に加熱する必要がある改質器やセルを、起動用セルを熱源として効率よく加熱することができるので、固体酸化物形燃料電池システムを効率よくかつ短時間で起動させることができる。

以上のように、本発明の固体酸化物形燃料電池システム及びその起動方法によれば、高温に加熱する必要がある改質器やセルを、起動用セルを熱源として効率よく加熱することができるので、固体酸化物形燃料電池システムを効率よくかつ短時間で起動させることができ、また、起動手段を小型化かつ簡素化することができる。

［固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態］
図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の、基本的な構成を説明するための概略ブロック図を示している。
同図において、ＳＯＦＣシステム１は、従来例と比較して、燃焼室２内に、起動用セル３１からなる起動用スタック３０と、この起動用スタック３０を選択的に加熱する起動バーナー１４を設けた点が相違する。他の構成要素は従来例とほぼ同様としてある。
したがって、図１において、図７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。

図２は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の、起動用改質器及び起動用セルの基本的な構成を説明するための概略図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図（上面方向断面図）を、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図を示している。
同図において、燃料電池３は、６枚の平板型のセル３１１を積層したスタック３１２が、５列に並設された構成としてあり、中央列のセル３１１を起動用セル３１とし、この起動用セル３１からなるスタック３１２を起動用スタック３０としてある。この起動用スタック３０は、ＳＯＦＣシステム１が起動する際、他のスタック３１２に先行して電気化学反応が行われる。この際、起動用スタック３０は、開かれた電磁弁５０２を介して空気が供給され、かつ、電磁弁５０１が開かれることにより、貯蔵タンク５から改質ガスが供給される。

各スタック３１２は、改質器４と接続されており、定常運転において、電磁弁３０４，３０５が開かれると、改質用燃料が改質器４に供給され、改質器４から改質触媒によって生成された改質ガスが供給される。また、各スタック３１２は、電磁弁３０６が開かれると、空気が供給される。
起動用スタック３０は、電磁弁５０４を介して改質器４と接続されている。この電磁弁５０４は、起動時において閉じられており、電磁弁５０１を介して供給された改質ガスが、改質器４に逆流するのを防止する。また、定常運転においては、電磁弁５０１が閉じられ、貯蔵タンク５からの改質ガスの供給が停止される。さらに、定常運転においては、電磁弁５０４が開くので、電磁弁３０４，３０５が開かれると、改質器４から改質ガスが、起動用スタック３０に供給される。

ＳＯＦＣシステム１は、起動用スタック３０を選択的に加熱する加熱手段として、燃焼室２内の起動用スタック３０の下方に、起動バーナー１４及び酸化剤ガス供給口２１を三つ並設してある。この起動バーナー１４は、改質ガスが貯蔵された貯蔵タンク５と接続されており、電磁弁３００が開かれるとバーナー用燃料として、改質ガスを供給する。このようにすると、バーナー用燃料に炭素数が２以上の炭化水素が含まれないので、燃焼室２内に設けられた起動用セル３１及びセル３１１の燃料極がコーキングし劣化してしまい、発電効率が著しく低下するといった不具合を回避することができる。また、酸化剤ガス供給口２１は、ブロワ２０１が作動し電磁弁３０１が開かれると、空気が供給される。
なお、加熱手段は、起動バーナー１４に限定されるものではなく、たとえば、電気ヒータなどを用いてもよい。また、灯油などの液体燃料を加熱・気化させ、すすが発生しないように燃焼室１２０内で完全燃焼させることにより、起動バーナー１４の燃料として、灯油などの液体燃料を使用することもできる。

また、各スタック３１２及び起動用スタック３０の上方に、これらを覆うように矩形厚板状の改質器４が設けてある。この改質器４は、気化器１１２と接続されており、電磁弁３０４，３０５が開かれると、水蒸気と灯油からなる改質用燃料が供給される。また、改質器４は、改質ガスを各スタック３１２及び起動用スタック３０に供給する。

ここで、好ましくは、ＳＯＦＣシステム１を停止する前に、バーナー用燃料となる改質ガスを貯める貯蔵手段をもうけるとよい。すなわち、改質器４は、電磁弁５０３及びコンプレッサー５１を介して貯蔵タンク５と接続されており、コンプレッサー５１が作動し、かつ、電磁弁５０３が開かれると、改質器４からの改質ガスを貯蔵タンク５に供給し、加圧された改質ガスを貯蔵タンク５に貯蔵することができる。このようにすると、原燃料である灯油からバーナー用燃料を生成して使用することができ、利用者がバーナー用燃料を別途用意しなくてもすむので、使い勝手を向上させることができる。

なお、図示してないが、上記コンプレッサー５１や貯蔵タンク５の代わりに、ＳＯＦＣシステム１を起動する際、起動スタック３０に供給する水素を、水を電気分解することにより発生させる、水素発生手段を備えた構成としてもよい。このようにすると、起動バーナー１４のバーナー用燃料及び起動時の起動スタック３０が必要とする改質ガスとして、水を電気分解して得られた水素を使用することができ、貯蔵タンク５などの貯蔵手段を設けなくてもすむので、構造を単純化することができる。

次に、上記構成のＳＯＦＣシステム１の起動動作等について、図面を参照して説明する。
図３は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の、起動動作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、長時間停止していたＳＯＦＣシステム１は、スタートボタン（図示せず）がオンされると、電磁弁３００，３０１が開かれるとともに、ブロワ２０１が作動し、貯蔵タンク５から供給される改質ガスとブロワ２０１から供給される空気によって、起動バーナー１４が燃焼を開始する。この燃焼によって、電気化学反応が可能な温度まで、起動用スタック３０を加熱する（ステップＳ１）。

次に、電磁弁３０３，３０２が開かれるとともに、ポンプ２０２が作動し、灯油タンク（図示せず）から供給される灯油とブロワ２０１から供給される空気によって、ボイラー１１０が燃焼を開始する。この燃焼によって、ボイラー１１０，脱硫器１１１及び気化器１１２を加熱する（ステップＳ２）。

次に、制御手段（図示せず）が、起動用スタック３０に設けられた温度センサからの測定信号を入力し、起動用スタック３０が所定の温度まで加熱されると、電磁弁５０１を開いて貯蔵タンク５から改質ガスを供給するとともに、電磁弁５０２を開いて空気を供給し、起動用スタック３０が直接発電を開始する。また、ＳＯＦＣシステム１は、各スタック３１２及び改質器４を電気化学反応にともなう排熱で加熱する（ステップＳ３）。起動用セル３１が電気化学反応を開始すると、ＤＣ電力が出力され、ＳＯＦＣシステム１は、前記ＤＣ電力からインバータ１１３を介してＡＣ電力を出力することができるので、起動用スタック３０から直接発電された電力を使用することができる。
なお、ＳＯＦＣシステム１は、起動用スタック３０が発電を開始すると、電磁弁３００，３０１を閉じて、起動バーナー１４を消火する。

ここで、好ましくは、起動用スタック３０が発電を開始するまでに必要な電力を供給する起動用二次電池（図示せず）を備えた構成とするとよい。このようにすると、起動用スタック３０が作動した時点から、起動用スタック３０が発電した電力を使用して、ポンプ２０２，２０３やブロワ２０１などを駆動させることができ、起動用二次電池の容量を小さくできる。すなわち、ＳＯＦＣシステム１は、小容量の起動用二次電池を備えることにより、小型化及び製造原価のコストダウンを図ることができる。さらに、系統電力を使用しなくても起動できるので、たとえば、停電時や系統電源のない場所でも起動可能となるので、ＳＯＦＣシステム１の付加価値を向上させることができる。

次に、制御手段（図示せず）が、ボイラー１１０，脱硫器１１１，気化器１１２，改質器４及びスタック３１２に設けられた温度センサなどからの測定信号を入力し、ボイラー１１０，脱硫器１１１，気化器１１２，改質器４及びスタック３１２がそれぞれの所定の温度まで加熱されると、電磁弁３０４が開き、水蒸気を気化器１１２に供給する。また、電磁弁３０５が開き、灯油が脱硫器１１１に供給され、脱硫された灯油が気化器１１２に供給され、気化器１１２を介して混合された灯油及び水蒸気からなる改質用燃料が、改質器４に供給される（ステップＳ４）。

次に、電磁弁３０６が開かれ、空気が各スタック３１２に供給されるとともに、改質器４から改質された改質ガスが各スタック３１２及び起動用スタック３０に供給され、燃料電池３（各スタック３１２及び起動用スタック３０）が発電を開始する（ステップＳ５）。これにより、ＳＯＦＣシステム１は、燃料電池３から出力されるＤＣ電力をインバータ１１３でＡＣ電力に変換し、ＡＣ電力を得ることができる。また、燃料電池３を熱源として、改質器４を加熱し、改質ガスを連続的に生成することができる。
なお、改質器４から改質ガスが起動用スタック３０に供給されると、電磁弁５０１が閉じられ、電磁弁５０４が開かれる。

次に、ＳＯＦＣシステム１は、起動に際して使用したエネルギーを補充する。すなわち、し、燃料電池３が発電した電力から起動用二次電池に充電し、また、電磁弁５０３を開き、コンプレッサー５１を作動させて、改質ガスを貯蔵タンク５に貯蔵し、所定量まで貯蔵してから、電磁弁５０３を閉じコンプレッサー５１を停止する（ステップＳ６）。続いて、ＳＯＦＣシステム１は、上述したようにエネルギーを補充した後、定常運転に入る（ステップＳ７）。

このように、本実施形態のＳＯＦＣシステム１は、高温に加熱する必要がある改質器４やスタック３１２を、起動用スタック３０を熱源として効率よく加熱することができるので、効率よくかつ短時間で起動させることができる。また、起動に必要なエネルギーを低減することができるとともに、大掛かりな起動手段を設ける必要がないので、製造原価のコストダウンを図ることができる。また、原燃料である灯油からバーナー用燃料を生成して使用することができ、利用者がバーナー用燃料を別途用意しなくてもすむので、使い勝手を向上させることができる。さらに、複数のスタック３１のうち中央に位置するものを起動用スタック３０とすることにより、周囲のスタック３１を効果的に加熱することができる。

［固体酸化物形燃料電池システムの第二実施形態］
図４は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第二実施形態の、基本的な構成を説明するための概略ブロック図を示している。
同図において、ＳＯＦＣシステム１ａは、第一実施形態と比較して、燃焼室２内に、改質器４の代わりに、改質器４ａ及び起動用改質器４１を設けた点が相違する。他の構成要素は従来例とほぼ同様としてある。
したがって、図４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。

図５は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第二実施形態の、起動用改質器及び起動用セルの基本的な構成を説明するための概略図であり、（ａ）は、Ｃ−Ｃ断面図を、（ｂ）はＤ−Ｄ断面図を示している。
同図において、起動用スタック３０の上方に、起動用スタック３０を覆うように起動用改質器４１が設けてある。この起動用改質器４１は、電磁弁５０５を介して気化器１１２と接続されており（図４参照）、起動用改質器４１が、起動バーナー１４及び／又は起動用スタック３０によって改質反応可能な温度に加熱されると、電磁弁５０５が開かれ、改質用燃料が起動用改質器４１に供給される。このようにすると、起動用改質器４１が作動した時点から、起動用改質器４１が生成した改質ガスを使用して、起動用スタック３０を作動させることができ、たとえば、改質ガスを貯める貯蔵タンク５を小型化することができる。

また、起動用改質器４１が作動するタイミングは、一般的に、起動用スタック３０と同時か、起動用スタック３０より遅れて作動する。本実施形態では、起動用スタック３０と起動用改質器４１がほぼ同じタイミングで各所定の温度に加熱される構成としてあるので、起動用スタック３０と起動用改質器４１をほぼ同じタイミングで作動させる構成としてある。ただし、これに限定されるものではなく、たとえば、先に、起動用スタック３０を作動させ、その際の発熱を利用して起動用改質器４１を加熱し作動させる構成としてもよい。

また、起動用改質器４１の両側に、並設された二つのスタック３１２を覆うように改質器４ａが設けてある。この改質器４ａは、電磁弁５０６を介して気化器１１２と接続されており、改質器４ａが改質反応可能な温度に加熱されると、電磁弁５０６が開かれ、改質用燃料が改質器４ａに供給される。

次に、上記構成のＳＯＦＣシステム１ａの起動動作等について、図面を参照して説明する。
図６は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の、起動動作を説明するための概略フローチャート図を示している。
なお、図６において、図３と同様の動作については、その詳細な説明を省略する。
同図において、長時間停止していたＳＯＦＣシステム１ａは、スタートボタンがオンされると、電磁弁３００，３０１が開かれるとともに、ブロワ２０１が作動し、貯蔵タンク５から供給される改質ガスとブロワ２０１から供給される空気によって、起動バーナー１４が燃焼を開始する。そして、この燃焼によって、電気化学反応が可能な温度まで、起動用スタック３０及び起動用改質器４１を加熱する（ステップＳ１ａ）。

次に、電磁弁３０３，３０２が開かれるとともにポンプ２０２が作動し、灯油タンク（図示せず）から供給される灯油とブロワ２０１から供給される空気によって、ボイラー１１０が燃焼を開始する。そして、この燃焼によって、ボイラー１１０，脱硫器１１１及び気化器１１２を加熱する（ステップＳ２）。

次に、制御手段（図示せず）が、ボイラー１１０，脱硫器１１１，気化器１１２，起動用改質器４１及び起動用スタック３０に設けられた温度センサなどからの測定信号を入力し、ボイラー１１０，脱硫器１１１，気化器１１２，起動用改質器４１及び起動用スタック３０がそれぞれの所定の温度まで加熱されると、電磁弁３０４が開き、水蒸気を気化器１１２に供給する。また、電磁弁３０５が開き、灯油が脱硫器１１１に供給され、脱硫された灯油が気化器１１２に供給される。続いて、電磁弁５０５が開かれ、気化器１１２から改質用燃料が起動用改質器４１に供給される（ステップＳ２ａ）。

次に、電磁弁５０２が開かれ、空気が起動用スタック３０に供給され、さらに、起動用改質器４１から改質された改質ガスが起動用スタック３０に供給され、起動用セル３１が発電を開始し、スタック３１２及び改質器４ａを加熱する（ステップＳ３）。続いて、ＳＯＦＣシステム１ａは、電磁弁３００，３０１を閉じて、起動バーナー１１４を消化する。この段階で、ＳＯＦＣシステム１ａは、貯蔵タンク５に貯蔵された改質ガスの代わりに、灯油を原燃料として発電及び発熱をすることができるので、起動に必要なエネルギー（たとえば、起動用二次電池の電力容量や貯蔵タンク５の改質ガス量）を低減することができ、起動手段の小型化を図ることができる。

次に、制御手段（図示せず）が、改質器４ａ及びスタック３１２に設けられた温度センサなどからの測定信号を入力し、改質器４ａ及びスタック３１２がそれぞれの所定の温度まで加熱されると、電磁弁５０６を開いて、気化器１１２から、混合された灯油及び水蒸気からなる改質用燃料を改質器４ａに供給する（ステップＳ４）。

次に、電磁弁３０６が開かれ、空気がスタック３１２に供給されるとともに、改質器４ａから改質された改質ガスがスタック３１２に供給され、燃料電池３が電気化学反応を開始する（ステップＳ５）。これにより、ＳＯＦＣシステム１ａは、燃料電池３から出力されるＤＣ電力をインバータ１１３でＡＣ電力に変換し、ＡＣ電力を得ることができる。また、燃料電池３を熱源として、改質器４ａ及び起動用改質器４１を加熱し、改質ガスを連続的に生成することができる。

次に、ＳＯＦＣシステム１ａは、起動に際して使用したエネルギーを補充し、定常運転に入る（ステップＳ６）。すなわち、燃料電池３が発電した電力から起動用二次電池に充電し、また、電磁弁５０３を開き、コンプレッサー５１を作動させて、改質ガスを貯蔵タンク５に貯蔵し、所定量まで貯蔵してから、電磁弁５０３を閉じ、コンプレッサー５１を停止させる。続いて、ＳＯＦＣシステム１ａは、上述したようにエネルギーを補充した後、定常運転に入る（ステップＳ７）。

このように、本実施形態のＳＯＦＣシステム１ａは、起動用スタック３０の上方に設けた起動用改質器４１を、他の改質器４ａより優先的に加熱し作動させ、起動用改質器４１からの改質ガスを用いて起動用スタック３０を作動させることができる。これにより、貯蔵タンク５に蓄える改質ガス量を低減することができ、起動手段を小型化することができる。

［固体酸化物形燃料電池システムの起動方法］
本発明は、ＳＯＦＣの起動方法としても有効であり、本発明の実施形態にかかるＳＯＦＣシステム１の起動方法は、改質触媒を介して改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器４と、固体電解質を介して改質ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行うセル３１１を有する燃料電池３と、改質器４及び燃料電池３を収納する燃焼室２を備えたＳＯＦＣシステム１の起動方法であって、燃焼室２に設けられた起動バーナー１４が、改質ガスを供給され、改質ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行う起動用スタック３０を選択的に加熱する。

次に、起動用スタック３０が、起動バーナー１４によって加熱され所定の温度に到達すると、改質ガスを燃料として直接発電するとともに、燃焼室２内の改質器４及びスタック３１２を加熱し、続いて、加熱された改質器４及びスタック３１２が、それぞれ所定の温度に到達すると、改質用燃料を改質器４に供給し、スタック３１２が改質器４からの改質ガスを燃料として直接発電する方法としてある。

上述したように、本実施形態のＳＯＦＣシステム１の起動方法によれば、高温に加熱する必要がある改質器４やスタック３１２を、起動用スタック３０を熱源として効率よく加熱することができるので、ＳＯＦＣシステム１を効率よくかつ短時間で起動させることができる。また、起動に必要なエネルギーを低減することができるとともに、大掛かりな起動手段を設ける必要がないので、製造原価のコストダウンを図ることができる。

以上、本発明の固体酸化物形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、本発明に係る固体酸化物形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、上述した実施形態の燃料電池３は、帯状の平板型のセル３１１，３１を、隙間を開けて６枚積層してスタック３１２及び起動用スタック３０とした構成としてあるが、これに限定されるものではなく、様々な型式（あるいは、構造）のセルやスタック，バンドルとしてもよい。たとえば、図示してないが、ほぼ正方形状の平板型セルとこれに対応する形状の改質器を上方に交互に積層した構造のスタックからなる燃料電池においては、最下段の平板型セルを起動用セルとするとよい。これにより、上方のセル及び改質器を効率よく加熱し、加熱されたセルを順次起動させることにより、起動時間を短縮することができる。

また、図示してないが、起動用スタック３０とスタック３１２の間に、ブラインドのように回動する帯状の反射板を設けて、起動バーナー１４が起動用スタック３０を加熱しているとき、起動用スタック３０を遮蔽する構成としてもよい。このようにすると、起動バーナー１４が起動用スタック３０を加熱しているとき、反射板を閉じて起動用スタック３０を遮蔽することができるので、起動用スタック３０をより効率よく加熱することができる。また、起動用スタック３０が作動したとき、反射板を開くことにより、起動用スタック３０の発熱を隣接されたスタック３１２に効率よく伝達することができる。

以上説明したように、本発明の固体酸化物形燃料電池システム及びその起動方法は、すでに開発された、あるいは、これから開発される様々な構成の燃料電池（セル，スタック又はバンドルを含む）に広く有効に適用することができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の、基本的な構成を説明するための概略ブロック図を示している。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の、起動用改質器及び起動用セルの基本的な構成を説明するための概略図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面図（上面方向断面図）を、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図を示している。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の、起動動作を説明するための概略フローチャート図を示している。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第二実施形態の、基本的な構成を説明するための概略ブロック図を示している。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第二実施形態の、起動用改質器及び起動用セルの基本的な構成を説明するための概略図であり、（ａ）は、Ｃ−Ｃ断面図を、（ｂ）はＤ−Ｄ断面図を示している。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第二実施形態の、起動動作を説明するための概略フローチャート図を示している。 従来例に係る固体酸化物形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。 従来例に係る固体酸化物形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

１，１ａ，１００ ＳＯＦＣシステム
２ 燃焼室
３ 燃料電池
４，４ａ 改質器
５ 貯蔵タンク
１４ 起動バーナー
２１ 酸化剤ガス供給口
２２ 排気口
３０ 起動スタック
３１ 起動用セル
４１ 起動用改質器
５１ コンプレッサー
１１０ ボイラー
１１１ 脱硫器
１１２ 気化器
１１３ インバータ
１１４ 起動バーナー
１１５ ガスボンベ
１３０ 燃料電池
１４０ 改質器
２０１ ブロワ
２０２，２０３ ポンプ
３００，３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６ 電磁弁
３１１ セル
３１２ スタック
５０１，５０２，５０３，５０４，５０５，５０６ 電磁弁

Claims (7)

1. 改質触媒を介して改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、固体電解質を介して前記改質ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行うセルを有する燃料電池と、前記改質器及び燃料電池を収納する燃焼室を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
   前記燃焼室内に設けられ、前記改質ガス又は水素ガスを供給され、該改質ガス又は水素ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行う起動用セルと、
   前記燃焼室に設けられ、前記起動用セルを選択的に加熱する加熱手段
   を具備し、
   前記起動用セルが、前記加熱手段によって加熱され所定の温度に到達すると、前記改質ガス又は水素ガスを燃料として直接発電するとともに、前記燃焼室内の改質器及びセルを加熱し、
   加熱された前記改質器及びセルが、それぞれ所定の温度に到達すると、前記改質用燃料を前記改質器に供給し、前記セルが前記改質器からの改質ガスを燃料として直接発電する
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記加熱手段をバーナーとし、該バーナーのバーナー用燃料として、前記改質ガス，水素ガスを使用することを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記固体酸化物形燃料電池システムを停止する前に、前記改質器が生成した改質ガスを貯める貯蔵手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記固体酸化物形燃料電池システムを起動する際、前記起動用セルに供給する水素を、水を電気分解することにより発生させる、水素発生手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
5. 前記起動用セルが作動するまでに必要な電力を供給する起動用二次電池を備え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固体酸化物形燃料電池システム。
6. 前記燃焼室内に起動用改質器が設けられ、該起動用改質器が、前記加熱手段及び／又は起動用セルによって加熱され所定の温度に到達すると、前記改質用燃料が供給され、生成した改質ガスを前記起動用セルに供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
7. 改質触媒を介して改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、固体電解質を介して前記改質ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行うセルを有する燃料電池と、前記改質器及び燃料電池を収納する燃焼室を備えた固体酸化物形燃料電池システムの起動方法であって、
   前記燃焼室に設けられた加熱手段が、前記改質ガス，水素ガスを供給され、前記改質ガス又は水素ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行う起動用セルを選択的に加熱し、
   次に、前記起動用セルが、前記加熱手段によって加熱され所定の温度に到達すると、前記改質ガス又は水素ガスを燃料として直接発電するとともに、前記燃焼室内の改質器及びセルを加熱し、
   次に、加熱された前記改質器及びセルがそれぞれ所定の温度に到達すると、前記改質器が前記改質用燃料を供給され、前記セルが前記改質器からの改質ガスを燃料として直接発電する
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの起動方法。

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