JP4750374B2

JP4750374B2 - 燃料電池構造体の運転方法

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Publication number: JP4750374B2
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Authority: JP
Inventors: 成門高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2011-08-17
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Description

本発明は、燃料電池構造体の運転方法に関するものであり、更に詳しくは、燃料電池本体と、改質触媒が収容されている改質器とを備えた燃料電池構造体を、継続して安定に発電させるための運転方法に関する。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池（セル）のスタックをハウジング内に収容した燃料電池が種々提案されている。例えば固体電解質型燃料電池の構造体は、複数の燃料電池（セル）を積み重ねられたセルスタックが、適当な間隔で複数配列されてなる燃料電池本体をハウジング内に収容して構成され、約１０００℃の温度で運転される。

発電のための燃料ガスとしては、水素が使用され、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを燃料電池本体内に供給し、酸素含有ガスをセル中の酸素極に接触させ、且つ水素をセル中の燃料極と接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、発電が行われる。

燃料ガスとしての水素の供給方法としては、天然ガス等の炭化水素を水蒸気と反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられるが、炭化水素と水素との改質反応（吸熱反応である）が５００〜９００℃で行われるため、改質反応開始後も、継続して触媒を加熱しておかなければならないという問題があった。

このような問題を解決するために、セルスタックを収容しているハウジング内に改質器を配置し、発電に際して発生する熱を水蒸気改質反応に利用し、熱効率を高めることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

また、改質器の起動時間短縮のために発熱反応である部分酸化法によって燃料改質を行うことで、加熱源を不要とした改質装置も報告されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−２８７９３７号公報特開２００１−１８５１９６号公報

しかるに、特許文献１の方法では、定常運転時には、炭化水素ガスと水蒸気とを改質器内に供給して水蒸気改質により水素を生成して燃料ガスとしているが、起動時には炭化水素ガスが改質器にて改質されず、しかも、水蒸気が本体内で凝縮して液化してしまい、この結果、炭化水素ガスの熱分解によって炭素が析出してしまうおそれがあった。炭素の析出が生じると、改質触媒の活性低下や圧力損失の増大などにより改質性能が低下してしまう。また、この改質反応自体が吸熱反応であるため、改質反応を安定に行うまでに時間がかかり（反応開始温度に到達しても反応により温度低下を生じてしまう）、定常運転まで時間がかかるという問題がある。

一方、発熱反応である部分酸化反応を利用して起動を行う特許文献２の方法では、使用する燃料或いは触媒によっては、部分酸化反応が開始する温度までは、触媒加熱が必要であり、バーナーなどの加熱源を別途設置しなければならず、また、反応開始後に過剰昇温を生じてしまい、さらに改質器やセルを損傷させるという不都合を生じることもある。

従って本発明の目的は、炭素の析出が有効に防止され、しかも格別の加熱源を使用することなく、短時間で定常運転を行うことが可能な燃料電池構造体の運転方法を提供することにある。

本発明によれば、複数の燃料電池からなるセルスタックが配列されてなる燃料電池本体と、改質触媒が収容された改質器とがハウジング内に設けられた燃料電池構造体の運転方法であって、前記燃料電池本体に発電用酸素含有ガスを供給するとともに、改質触媒が収容された改質器に炭化水素ガスを通して該炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質し、前記発電用酸素含有ガスとは別経路で前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給して発電を行い、前記燃料電池本体から排出されるガスを燃焼させ、その燃焼熱によって、前記燃料電池本体を構成する前記燃料電池を所定の発電温度以上に加熱保持し、且つ前記改質器内の前記改質触媒の温度を改質反応開始温度以上に加熱保持して発電を継続して行う燃料電池構造体の運転方法において、
運転開始時の起動用ガスとして、起動用酸素含有ガスと前記炭化水素ガスとの混合ガスを使用し、該混合ガスを、前記改質器を通して前記燃料電池本体に供給し、且つ別経路で前記発電用酸素含有ガスを前記燃料電池本体に供給し、該燃料電池本体から排出されるガスの燃焼により前記燃料電池本体及び前記改質器の加熱を行い、該改質器の昇温に伴って部分酸化改質反応を生じせしめ、
次いで、前記改質器に水蒸気を供給し、前記起動用酸素含有ガスの供給を停止することにより、水蒸気改質反応に切り替えて定常運転を行うことを特徴とする燃料電池構造体の運転方法（以下、第１の運転方法と呼ぶことがある）が提供される。

上記第１の運転方法においては、
（１）前記改質反応の切り替えに際して、前記起動用酸素含有ガスの供給量を低減させて前記改質器内の触媒入口温度を低下させること、
ができる。

また、本発明によれば、複数の燃料電池からなるセルスタックが配列されてなる燃料電池本体と、改質触媒が収容された改質器とがハウジング内に設けられた燃料電池構造体の運転方法であって、前記燃料電池本体に発電用酸素含有ガスを供給するとともに、改質触媒が収容された改質器に炭化水素ガスを通して該炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質し、前記発電用酸素含有ガスとは別経路で前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給して発電を行い、前記燃料電池本体から排出されるガスを燃焼させ、その燃焼熱によって、前記燃料電池本体を構成する前記燃料電池を所定の発電温度以上に加熱保持し、且つ前記改質器内の前記改質触媒の温度を改質反応開始温度以上に加熱保持して発電を継続して行う燃料電池構造体の運転方法において、
運転開始時の起動用ガスとして、起動用酸素含有ガスと前記炭化水素ガスとの混合ガスを使用し、該混合ガスを、前記改質器を通して前記燃料電池本体に供給し、且つ別経路で前記発電用酸素含有ガスを前記燃料電池本体に供給し、該燃料電池本体から排出されるガスの燃焼により前記燃料電池本体及び前記改質器の加熱を行い、前記改質器の昇温に伴って部分酸化改質反応を生じせしめ、
次いで、前記起動用酸素含有ガスの停止とともに、前記炭化水素ガスの供給を一旦停止し、この後、水蒸気の供給と前記炭化水素ガスの供給再開とを行うことにより水蒸気改質反応に切り替えて定常運転を行うことを特徴とする燃料電池構造体の運転方法（以下、第２の運転方法と呼ぶことがある）が提供される。

上記の第１及び第２の運転方法においては、
（２）前記改質器の改質触媒収容室内に隣接して気化室を設け、該気化室内に水を供給し、前記燃焼熱によって前記気化室内に供給された水を気化させ、生成した水蒸気を前記改質触媒収容室内に供給すること、
（３）運転開始時及び部分酸化改質反応に際して使用される前記起動用ガスは、酸素（Ｏ_２）と炭化水素（Ｃ）との混合モル比（Ｏ_２／Ｃ）が０．５乃至１．０の範囲にある混合ガスであること、
が好ましい。

炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための改質反応としては、部分酸化改質反応、自己熱改質反応及び水蒸気改質反応が知られており、各反応は、例えば下記式で表される。
部分酸化改質反応：
ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２ → ２Ｈ_２＋ＣＯ（発熱反応）
自己熱改質反応
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２ → ３Ｈ_２＋ＣＯ_２（熱量制御可能）
水蒸気改質反応
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２＋ＣＯ（吸熱反応）

部分酸化反応は発熱反応であり、反応の進行にしたがい温度上昇を伴う。自己熱改質反応は、発熱反応と吸熱反応とが複合した反応であり、酸素量及び水蒸気量の調整により熱量制御可能であり、例えば酸素量を多くすると発熱反応が支配的となり、水蒸気量を多くすると吸熱反応が支配的となる。また、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応を安定に継続させるためには加熱を要する。

本発明は、上記の各種改質反応を組み合わせたものであり、特に起動時（運転開始時）には部分酸化改質反応を適用し、その後、水蒸気改質反応に切り替えて定常運転を行う。

本発明では、炭化水素ガスと起動用酸素含有ガス（通常、空気である）との混合ガスを起動用ガスとして使用し、改質器を通して燃料電池本体に供給する。この燃料電池本体には、別経路で発電用の酸素含有ガス（通常、空気である）を別経路で供給するため、燃料電池本体から排出されるこれらのガスを燃焼させることにより、この燃焼熱によって燃料電池本体の加熱及び改質器の加熱を、格別の熱源を用いることなく効率よく行うことができる。

上記の加熱によって、改質器内の触媒が改質反応開始温度以上に到達すると、部分酸化改質反応により、起動用ガスが水素リッチな燃料ガスに改質される。この部分改質反応は、発熱反応であるため、改質反応を安定に持続して行うことが可能な温度まで迅速に触媒を昇温させることができ、起動時間を短縮し、短時間で次の定常運転に切り替えることができる。尚、燃料電池本体が所定の作動温度まで昇温していれば、この段階で発電が行われる。

特に第１の運転方法では、上記の起動用ガス（炭化水素ガスと起動用酸素含有ガスとの混合ガス）に加えて水蒸気を改質器に供給することにより、部分酸化改質反応から自己熱改質反応に切り替えるが。このときの水蒸気供給により、炭素（煤）の析出を有効に防止することができる。

即ち、部分酸化改質反応は燃焼による発熱反応であるため、過昇温を生じ易く、例えば触媒入口温度が必要以上に高い温度となってしまうと、改質反応に先立って炭化水素の熱分解が生じ、炭素が析出してしまう。特に、触媒との接触時間を長くするために、改質器に供給するガス供給速度を遅く設定すると、発熱反応熱の伝播により触媒入口温度が炭素析出温度以上になってしまいやすい。しかるに、水蒸気の供給により、触媒の単位体積当りの単位時間でのガス供給量が増大し、この結果、発熱反応熱の伝播が抑制され、触媒入口温度の高温化を防止し、炭素の析出を防止することができるのである。（尚、触媒入口の炭素析出温度は、用いる触媒の種類などによっても異なるが、通常、３００〜６００℃であり、酸化活性の高い触媒では高く、酸化活性の低い触媒では低い。）

また、第１の運転方法においては、水蒸気の供給開始のタイミングは、触媒出口温度が、触媒に導入された炭化水素ガスの改質反応が十分に生じる程度の温度に到達した時点に設定されるが、これにより先に触媒入口温度が炭素析出温度或いはその近傍に到達してしまったときには、その時点で水蒸気の供給を開始することが好ましく、これにより、触媒入口温度を低下させ、確実に炭素の析出を回避することができる。

上記の場合、水蒸気の供給を開始しても、触媒入口温度の十分な低下が認められないときには、起動用酸素含有ガスの供給量を低減させ、発熱量を低下させることにより、触媒入口温度を低下させることができる。即ち、酸素量や水蒸気量の調整により、反応熱量の調整を行うことで、円滑に水蒸気改質へ切り替えることが可能となる。

水蒸気改質反応は、高効率で水素を生成することができ、効率よく発電を行うことが可能となる。また、水蒸気の存在下で起動用酸素含有ガスの供給停止を行うことで、酸素源不足による炭素の析出を有効に防止することができる（酸素源が不足すると、改質反応が十分に生ぜず、炭素析出を生じてしまう）。

尚、吸熱反応である水蒸気改質反応は、燃料電池本体から排出されるガスの燃焼熱による加熱によって維持される。

第２の運転方法では、部分酸化改質反応から直接水蒸気改質反応に切り替えられて定常運転が行われるが、この場合、起動用酸素含有ガスの供給停止（即ち、部分酸化反応の停止）と同時に炭化水素ガスの供給も停止し、一定のタイムラグを置いた後に、水蒸気の供給を開始し、また炭化水素含有ガスの供給を再開する（水蒸気改質反応の開始する）。即ち、起動用酸素含有ガスの供給を停止した場合、酸素源不足の状態で炭化水素ガスが供給され、炭化水素の熱分解により炭素の析出を生じるおそれがあるが、炭化水素ガスの供給を一旦停止するため、酸素源不足による炭素の析出を有効に防止することができる。また、起動用酸素含有ガスと炭化水素含有ガス及び水蒸気を同時供給することでガス量増加による圧力損失の増加が生じるが、これらを同時供給しないように動作させることで、圧力損失を抑制することができる。

上記の第２の運転方法は、特に起動用ガスを高速で改質器に供給する場合に好適に利用される。即ち、起動用ガスを高速で改質器に供給するときには、反応熱の伝播が抑制され、触媒入口温度が炭素析出温度以上に上昇することがなく、自己熱改質反応を利用しての温度制御を殆ど行わなくてよいからである。

本発明において、上述した部分酸化改質反応から自己熱改質反応或いは水蒸気改質反応の過程で、燃料電池本体の温度が所定の作動温度に到達した時点で、発電が開始される。

また、本発明の改質器は、格別の熱源を使用することなく、燃料電池構造体内部の燃焼熱により水蒸気を生成することができ、上記第１の運転方法及び第２の運転方法の実施に極めて有効に適用される。

上述した改質器を備え、且つ上述した方法により運転される燃料電池構造体においては、格別の熱源を用いることなく改質に使用する水蒸気を生成することができ、気化効率が高められ、また、改質器の過昇温を有効に防止することができる。

本発明を、以下、添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の運転方法におけるガスの流れを説明するための図であり、
図２は、本発明に用いる燃料電池構造体の概略構造を示す図であり、
図３は、図２の燃料電池構造体における燃料電池本体のセルスタックの概略構造を示す図（図２のＡ−Ａ断面図）である。

図１及び図２を参照して、本発明に用いる燃料電池構造体は、燃料電池本体１と改質器２とが、所定のハウジング（図示せず）内に設けられた構造を有しており、燃料電池本体１の上部には、燃焼域３が形成されており、この燃焼域３の上部に改質器２が配置されている。即ち、燃焼域３での燃焼熱によって改質器２が加熱される構造となっている。

即ち、都市ガスなどの炭化水素ガス（通常、ＣＨ_４ガス）を、脱硫器５（図２において省略）を介して改質器２に供給し、水素リッチな燃料ガスに改質し、改質された燃料ガスを燃料電池本体１内に供給する。一方、燃料電池本体１内には、別経路で酸素含有ガス（通常、空気）が供給され、これらのガスの供給によって発電が行われる。発電後のガスは、燃料電池本体１の上部に排出され、点火バーナーなどによる着火によって燃焼域３で拡散燃焼し、燃焼廃ガス（排気ガス）は、外部に放出される。

図２に示されるように、燃料電池本体１は、複数のセル（燃料電池）を接続したセルスタック１０が、適当な間隔で、複数配列した構造を有しており、セルスタックの各列の下部には、マニホールド１１が設けられている。即ち、改質器２を通って得られた改質ガス（燃料ガス）は、マニホールド１１を介して各セルスタック１０のセル内部に供給され、セルスタック１０のセル上部から燃焼域３に放出されるようになっている。

一方、セルスタック１０の間には、発電用ガス供給管１３が上方から下方に延びており、この供給管１３によって発電用の酸素含有ガス（空気）が供給される。即ち、発電用の酸素含有ガスは、供給管１３の下端からセルスタック１０のセル間に供給され、セルスタック１０間の上部から燃焼域３に放出されるようになっている。即ち、燃焼域３では、十分な酸素の供給により、拡散燃焼による燃焼が行われるようになっている。

セルスタック１０の構造を示す図３を参照して説明すると、マニホールド１１上に設けられているセルスタック１０は、上下方向に細長く延びる板状でかつ柱状の直立セル（燃料電池）２０が複数個接続されたものであり、複数のセルスタック１０の間の空間に、発電用のガス供給管１３が上方から下方に延びている。

セル２０は、それぞれ、電極支持基板２１の一方側の面に、燃料極層２３、固体電解質層２５及び酸素極層２７がこの順に積層され、電極支持基板２１の他方側の面に、燃料極層２３と対面するように、インターコネクタ２９が積層された構造を有している。尚、固体電解質層２５は、燃料極層２３を完全に覆うように設けられており、燃料極層２３及び固体電解質層２５は、電極支持板２１の他方の面まで回りこんでおり、インターコネクタ２９の両端に接合されている。また、電極支持板２１の内部には、マニホールド１１に連通している複数のガス孔２１ａが形成されており、マニホールド１１内に供給された燃料ガス（改質ガス）は、このガス孔２１ａを通って、上部の燃焼域３に排出されるようになっている。即ち、セル２０内のガス孔２１ａに燃料ガス（改質ガス）を供給し、且つセルスタック１０の間に、ガス供給管１３から発電用の酸素含有ガスを供給することにより、発電が行われる構造となっている。

また、隣接するセル２０は集電部材３１によって接続されており、一方のセル２０のインターコネクタ３１と他方のセル２０の酸素極層２７が集電部材３１で接続された構造となっている。図示されていないが、セルスタック１０の両端に位置する集電部材３１には、電力取出手段が接続されており、発電した電流が取り出されるようになっている。

上記のセル２０において、電極支持基板２１は、燃料ガスを燃料極層２３まで透過させるためにガス透過性であることが必要であり、さらに、インターコネクタ２９を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。

また、電極支持基板２１は、燃料極層２３や固体電解質層２５との同時焼成により作製するために、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから構成されていることが好ましく、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、その導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｃ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

燃料極層２３は、多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称されている）と、Ｎｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層２５は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成される。

酸素極層２７は、所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層２７はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０乃至５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ２９は、導電性セラミックから形成することができるが、水素ガス（燃料ガス）及び酸素含有ガス（空気）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。また、インターコネクト２９は、電極支持基板２１に形成されたガス孔２１ａを通る燃料ガス及び電極支持基板２１の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

集電部材３１は、弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。

即ち、上記のようなセル２０が所定の作動温度（７００〜１０００℃程度）に加熱された状態で、供給管１３から発電用の酸素含有ガスを流し、ガス孔２１ａに燃料ガス（水素）を流すと、酸素極層２７において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生じ、燃料極層２３において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生じ、この結果、発電することとなる。

尚、セル２０の構造は、上述した例に限定されるものではなく、例えば、電極支持板２１を燃料極とすることもできるし、燃料極層２３と酸素極層２７との位置関係を逆にし、ガス孔２１ａに発電用の酸素含有ガス（空気）を供給し、セルスタック２０間に燃料ガス（改質ガス）を供給するような構造とすることも可能である。

ところで、上記のような燃料電池構造体を用いて発電を行うためには、既に述べたように、燃料源として、都市ガスに代表される炭化水素ガスを原燃料として使用し、この原燃料ガスを、改質器２を通しての改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池本体１に供給する。この改質反応は、改質器に供給するガスの種類に応じて、部分酸化改質反応、自己熱改質反応及び水蒸気改質反応に区分される。即ち、炭化水素ガスと酸素含有ガス（例えば空気）とを改質器２に供給すれば部分酸化反応による改質反応となり、炭化水素ガスと酸素含有ガスと水蒸気とを改質器２に供給すれば自己熱改質反応となり、炭化水素ガスと酸素含有ガスとを改質器２に供給すれば水蒸気改質反応となる。このような改質反応を生じさせるためには、改質触媒の種類に応じて、改質反応開始温度以上に改質器２（改質触媒）を加熱する必要がある。特に水蒸気改質反応は、吸熱反応であるため、これを継続させるためには、温度低下を生じないように加熱し続ける必要がある。また、セル２０を作動温度に加熱する必要もある。従って、このような加熱を、格別の加熱源を用いることなく行うために、燃料電池本体１の上部に燃焼域３を設け、改質器２と燃料電離本体１との間に燃焼域３を配置することにより、燃焼域３での燃焼を利用するわけであるが、改質器２が過度に加熱されると、炭化水素の熱分解により炭素が析出してしまい、改質触媒の性能低下や改質器２の損傷等を生じてしまうおそれがある。このため、本発明方法を実施するにあたっては、以下の構造の改質器２を使用して起動及び定常運転を行うことが好適である。

（改質器２の構造）
本発明において、改質器２は、図２に示すように、間に燃焼域３を挟んで、燃料電池本体１（セルスタック１０）の上部の全体に位置するように配置される。即ち、改質器２の全体が燃焼域３での燃焼によって加熱されるようにする。

この改質器２は、断面がリング状の筒状体であり（勿論、断面が矩形状であってもよい）、上部に触媒収容室４０と、下部に気化室４１とを有しており、触媒収容室４０の一方の端部（ガス供給側）には、入口室（ガス混合室）４３が形成され、他方の端部（ガス排出側）には、出口室４４が形成されている。入口室４３には、改質すべき原燃料ガスを供給するガス供給管４５が接続され、出口室４４には、触媒収容室４０で改質されたガスを排出する排気管４７が接続され、この排気管４７は、燃料電池本体１のマニホールド１１に連通している。

触媒収容室４０内には、改質触媒４９が収容されており、触媒収容室４０は、収容されている改質触媒４９が漏れないようにメッシュなどの仕切壁５０によって入口室４３及び出口室４４と区画されている。また、入口室４３と気化室４１のガス供給側部分とは、水蒸気が流通するようにやはりメッシュなどの仕切壁５１によって区画されている。

また、気化室４１のガス排出側部分には、送水管５３が接続されており、気化室４１内に水が供給されるようになっている。即ち、送水管５３から水を供給すると、前述した燃焼域３からの燃焼熱による加熱によって気化室４１で水が気化し、生成した水蒸気が入口室４３を通って触媒収容室４０内に供給されることとなる。このような構造を有する改質器２では、水の気化熱により、触媒収容室４０や収容室４０内の触媒入口温度（入口室４３の温度）の過度の昇温が抑制され、炭素の析出防止に極めて好適である。

また、触媒収容室４０の大きさは、特に制限されるものではないが、特に家庭用に燃料電池構造体を使用する場合を考慮すると、コンパクトであり且つ改質器を通すガスと触媒との間に改質を十分に行い得る接触時間を確保するなどの検知から、その長さＬと開口径Ｄとの比Ｌ／Ｄを５乃至１５程度となるように設定するのがよい。

尚、触媒収容室４０内に収容される改質触媒４９としては、それ自体、公知のものが使用され、例えばＮｉ触媒等の卑金属触媒や、Ｒｕ，Ｐｔなどの貴金属触媒が使用される。Ｎｉ触媒等の卑金属触媒は酸化活性が低く、改質反応開始温度は３５０℃程度と高く、一方、貴金属触媒は、通常、酸化活性が高く、炭化水素ガスを通したときの改質反応開始温度が２５０〜３００℃程度である。

また、気化室４１は、水の気化を容易に行い、入口室４３を介して触媒収容室内４０にスムーズに水蒸気を供給するような構造であれば、どのような構造を有していてもよく、例えば、熱容量の高い耐熱性セラミック粒子などを気化室４１内に充填しておくこともできる。

上記のような構造の改質器２においては、触媒収容室４０の前後にある入口室４３及び出口室４４に温度センサ（図示せず）を設け、触媒収容室４０に充填された改質触媒４９の入口側及び出口側に隣接する部分の温度をモニターできるようにしておくことが好ましく、これらの温度をモニターしながら以下の運転を実施するのがよい。

（起動運転）
燃料電池構造体を作動させ、発電を行うには、改質触媒４９が所定の改質反応開始温度に達し、且つセル２０が所定の作動温度に到達することが必要であり、このため、運転開始時には、発電を継続して行う定常運転に先立って、起動運転が行われる。

本発明において、この起動運転では、セルスタック１０間に発電用の酸素含有ガスを供給すると同時に、前述したガス供給管４５から原燃料である炭化水素ガスと酸素含有ガス（起動用酸素含有ガス）との混合ガスを起動用ガスとして供給する。即ち、この起動用ガスは、改質器２内を通り、排気管４７から燃料電池本体１のマニホールド１１に供給されるが、この段階では、改質触媒４９も所定の温度に達していないため、原燃料である炭化水素は改質されず、そのまま、燃料電池本体１に供給されることとなる。

しかるに、燃料電池本体１の上部の燃焼域３には、発電用の酸素含有ガスと、炭化水素ガスを含む起動用ガスとが供給され、着火することにより、燃焼域３で燃焼を行い、その燃焼熱で改質器２の加熱及びセル２０の加熱が行われる。この燃焼域３での燃焼により発生する燃焼廃ガスは、外部に放出される。この場合、発電用酸素含有ガスとともに燃焼域３に供給される起動用ガスには、予め酸素含有ガスが混合されているため、着火に必要なエネルギーが低くなることが予想される。

上記のようにして起動運転を行う場合、触媒収容室４０と燃焼域３との間に気化室４１が介在しているため、触媒収容室４０内の改質触媒４９の急速加熱が防止できる。改質触媒４９が一気に反応開始温度以上に昇温してしまうと、一気に発熱反応である部分酸化反応が生じ、過昇温により、触媒４９の入口側温度（入口室４３に設けたセンサでモニターされている）が炭素析出温度（例えば６００℃以上）になってしまい、炭化水素の熱分解によって炭素が析出してしまうおそれがある。しかるに、気化室４１を触媒収容室４０と燃焼域３との間に配置する構造を採用することにより、改質触媒４９を比較的緩やかに昇温させ、過昇温により炭素析出温度以上への一気の昇温を防止することができる。

また、上記の起動用ガスにおいて、起動用酸素含有ガスと炭化水素ガスとは、酸素（Ｏ_２）と炭化水素（Ｃ）との混合モル比（Ｏ_２／Ｃ）が０．５乃至１．０の範囲となるように調整されていることが好ましい。即ち、起動用酸素含有ガスと炭化水素ガスとの混合比率を上記範囲内とすることにより、改質触媒４９の温度が改質反応開始温度以上になったときにおいても、酸素量不足に起因する炭化水素の熱分解による炭素の発生を有効に防止でき、また、完全燃焼による改質器２の過度の温度上昇を有効に防止することができ、改質器２の破損等を回避できる。また、改質器の内部から配管内で燃焼してしまう逆火の発生も防止できる。

上記のように、起動用ガスを、改質器２を通して燃料電池本体１に供給し、且つ発電用酸素含有ガスを別経路で燃料電池本体１に供給することにより、燃焼域３での燃焼により、燃料電池本体１及び改質器２が加熱される。改質器２内の改質触媒４９の温度が改質反応開始温度に到達すると、部分酸化改質反応が生じ、改質器２を通過した起動用ガスは、水素リッチな燃料ガスに改質され、燃料電池本体１に供給される。従って、この段階以降、燃料電池本体１のセル温度が作動温度以上に加熱されると、前述した電極反応によって発電が行われるようになる。

尚、上述した起動用ガスの供給速度は、改質触媒４９と十分な接触時間を確保でき、確実に改質反応（燃焼反応）が生じるような速さとすべきであり、一般的には、改質触媒４９の単位体積当り、３００００／時間以下とするのがよい。

（定常運転）
上記の起動運転により、気化室４１の温度が水蒸気発生可能な温度に到達したときには、部分酸化改質反応から自己熱改質反応或いは水蒸気改質反応への切り替え可能となり、適当な段階でこれらの改質反応に切り替えて定常運転が行われる。

第１の運転方法においては、送水管５３により水の供給を開始し、気化室４１で水を気化させて水蒸気を発生させ、入口室４３で起動用ガスと混合して触媒収容室４０へ供給する。即ち、炭化水素ガスと共に、起動用酸素含有ガスと水蒸気とが触媒収容室４０に供給されるようになり、部分酸化改質反応から自己熱改質反応に切り替えられる。この場合、気化熱により触媒収容室４０や入口室４３の加熱が抑制され、例えば改質触媒４９の入口側温度（入口室４３に設けられたセンサによりモニターされている）の炭素析出温度以上への昇温を防止する上で有利である。

部分酸化改質反応から水蒸気改質反応への切り替えのタイミングは、通常、触改質触媒４９の出口側温度（出口室４４に設けられたセンサによってモニターされている）が所定の温度、例えば吸熱反応などによる温度降下が生じた場合にも、Ｃ２以上の成分をＣ１成分に転化させる改質反応を維持できる程度の温度に到達した時点に設定される。このような改質反応維持可能な出口側温度は、用いる改質触媒４９の種類や触媒収容室４０の大きさなどによって異なるが、前述した家庭用の燃料電池構造体に使用される改質器２では、卑金属触媒を用いたときで４５０℃程度以上であり、貴金属触媒を用いたときで４００℃程度以上である。

また、改質触媒４９の出口側温度が改質反応を維持可能な温度に到達する前に、入口側温度（入口室４３に設けられたセンサによりモニターされる）が炭素析出温度或いはその近傍に達してしまうことがある。この傾向は、起動ガスの供給速度を比較的遅く設定した場合に生じ易い。供給速度が速い場合には、殆ど生じないが、改質効率を高めるために、例えば、触媒単位体積当りの単位時間でのガス供給量が５０００／時間以下のように遅くして改質触媒４９との接触時間を長くするようなときには、炭素析出温度に達してしまい易い。この場合には、直ちに水蒸気の供給を開始し、水蒸気改質反応に切り替えることが好ましい。

尚、入口室４３に設けられたセンサによりモニターされる改質触媒４９の入口側の炭素析出温度は、用いる触媒の種類などによって異なるが、通常、卑金属触媒を用いた場合で３５０乃至６００℃程度であり、貴金属触媒を用いた場合で４００乃至６００℃程度である。

また、所定時間経過後（改質器の大きさ等によっても異なるが、通常、１乃至１０分程度）においても入口側温度が降下しない場合には、起動用酸素含有ガスの供給量を低減させることができる。即ち、発熱量を低減させることにより、入口側温度を降下させ、炭素の析出を確実に防止することができる。このように、発熱量をコントロールできることは、本発明の利点である。

上述した第１の運転方法においては、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応に切り替えて定常運転を行う。この水蒸気改質反応は、起動用酸素含有ガスの供給停止により開始され、極めて高効率で改質反応が行われるという利点がある。また、水蒸気改質反応は、吸熱反応であるが、燃焼域３からの加熱により、所定の温度に維持され、安定して改質反応を続行できる。

即ち、この態様では、起動時に発熱反応である部分酸化改質反応により行っているため、起動時から水蒸気改質反応を行う場合に比して、水蒸気改質反応を短時間で開始することができる。また、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応に切り替える場合に、起動用酸素含有ガスの停止時に酸素源不足を生じてしまい、炭化水素の熱分解により炭素が析出してしまうおそれがあるが、一時的に自己熱改質反応に切り替えることで、起動用酸素含有ガスの供給停止時には、必ず水蒸気が炭化水素ガスと共に存在しており、酸素源不足による炭素析出を有効に防止することができる。

尚、自己熱改質反応から水蒸気改質反応への切り替えのタイミング、即ち、起動用酸素含有ガスの供給停止のタイミングは、出口室４４のセンサでモニターされる改質触媒４９の出口側温度が、水蒸気改質反応による温度低下が生じても改質反応が安定して継続する温度に到達した以降に設定すべきである。例えば、卑金属触媒を用いた場合には５００℃以上、貴金属触媒を用いた場合には４５０℃以上に出口側温度に到達したときに、水蒸気改質反応への切り替えを行う。

上述した第１の運転方法では、部分酸化改質反応により起動（運転開始）を行い、次いで瞬間的に自己熱改質反応を介して水蒸気改質反応により定常運転を行うが、第２の運転方法では、部分酸化改質反応から直接水蒸気改質反応に切り替えて定常運転を行う。即ち、起動用酸素含有ガスの供給を停止し、水蒸気の供給を開始することにより水蒸気改質反応を開始するが、この態様では、一旦、起動用酸素含有ガスの供給停止と同時に、炭化水素ガスの供給も停止し、水蒸気の供給と同時に炭化水素ガスの供給を再開する。

即ち、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応に切り替えるときには、起動用酸素含有ガスの供給停止時に酸素源不足を生じてしまい、炭化水素の熱分解によって炭素析出を生じ易くなるが、起動用酸素含有ガスの供給停止と同時に、一旦、炭化水素含有ガスの供給を停止することにより、酸素源不足による炭化水素の熱分解を回避でき、炭素の析出を有効に防止することができる。

かかる第２の運転方法において、水蒸気の供給及び炭化水素含有ガスの供給再開は、酸素源不足を生じないようにするために、水蒸気供給後に炭化水素含有ガスの供給を開始するが、安定して水蒸気改質反応を行うために、前述した自己熱改質反応から水蒸気改質反応への切り替えと同様、改質触媒４９の出口側温度が、水蒸気改質反応による温度低下が生じても改質反応が安定して継続する温度に到達した以降に設定される。

また、起動用酸素含有ガスの停止から水蒸気及び炭化水素含有ガスの供給までの時間が長くなると、改質触媒４９の出口側温度の低下により水蒸気改質反応の継続が困難となったり、場合によっては、燃焼域３での燃料源不足などを生じてしまうため、通常、１５分以内に水蒸気の供給及び炭化水素ガスの供給再開を行うのがよい。

上述した第２の運転方法は、自己熱改質反応を利用していないため、温度調整を行いにくいため、改質触媒４９の入口側温度が炭素析出温度に達しないような条件で起動用ガスの供給が行われる場合、例えば触媒単位体積当りの起動用ガスの供給速度を５０００／時間よりも速くして、発熱反応熱の伝播が抑制されるような場合に有利に適用され、前述した水蒸気改質反応の利点を有効に享受できる。

尚、上述した定常運転実行中に、燃料電池本体１のセル温度が作動温度に到達し、この状態で、水素リッチに改質された燃料ガスが燃料電池本体１に供給され、これと別個な経路で燃料電池本体１に発電用酸素含有ガスが供給され（このガスは、運転開始時から常時燃料電池本体１に供給されている）、安定して発電が行われる。

本発明の運転方法におけるガスの流れを説明するための図。本発明に用いる燃料電池構造体の概略構造を示す図。図２の燃料電池構造体における燃料電池本体のセルスタックの概略構造を示す図（図２のＡ−Ａ断面図）。

符号の説明

１：燃料電池本体
２：改質器
３：燃焼域
４０：触媒収容室
４１：気化室
４９：改質触媒
５３：送水管

Claims

複数の燃料電池からなるセルスタックが配列されてなる燃料電池本体と、改質触媒が収容された改質器とがハウジング内に設けられた燃料電池構造体の運転方法であって、前記燃料電池本体に発電用酸素含有ガスを供給するとともに、改質触媒が収容された改質器に炭化水素ガスを通して該炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質し、前記発電用酸素含有ガスとは別経路で前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給して発電を行い、前記燃料電池本体から排出されるガスを燃焼させ、その燃焼熱によって、前記燃料電池本体を構成する前記燃料電池を所定の発電温度以上に加熱保持し、且つ前記改質器内の前記改質触媒の温度を改質反応開始温度以上に加熱保持して発電を継続して行う燃料電池構造体の運転方法において、
運転開始時の起動用ガスとして、起動用酸素含有ガスと前記炭化水素ガスとの混合ガスを使用し、該混合ガスを、前記改質器を通して前記燃料電池本体に供給し、且つ別経路で前記発電用酸素含有ガスを前記燃料電池本体に供給し、該燃料電池本体から排出されるガスの燃焼により前記燃料電池本体及び前記改質器の加熱を行い、該改質器の昇温に伴って部分酸化改質反応を生じせしめ、
次いで、前記改質器に水蒸気を供給し、前記起動用酸素含有ガスの供給を停止することにより、水蒸気改質反応に切り替えて定常運転を行うことを特徴とする燃料電池構造体の運転方法。
前記改質反応の切り替えに際して、前記起動用酸素含有ガスの供給量を低減させて前記改質器内の触媒入口温度を低下させる請求項１に記載の燃料電池構造体の運転方法。
前記改質器の改質触媒収容室内に隣接して気化室を設け、該気化室内に水を供給し、前記燃焼熱によって前記気化室内に供給された水を気化させ、生成した水蒸気を前記改質触媒収容室内に供給する請求項１または２に記載の燃料電池構造体の運転方法。
運転開始時及び部分酸化改質反応に際して使用される前記起動用ガスは、酸素（Ｏ_２）と炭化水素（Ｃ）との混合モル比（Ｏ_２／Ｃ）が０．５乃至１．０の範囲にある混合ガスである請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池構造体の運転方法。
複数の燃料電池からなるセルスタックが配列されてなる燃料電池本体と、改質触媒が収容された改質器とがハウジング内に設けられた燃料電池構造体の運転方法であって、前記燃料電池本体に発電用酸素含有ガスを供給するとともに、改質触媒が収容された改質器に炭化水素ガスを通して該炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質し、前記発電用酸素含有ガスとは別経路で前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給して発電を行い、前記燃料電池本体から排出されるガスを燃焼させ、その燃焼熱によって、前記燃料電池本体を構成する前記燃料電池を所定の発電温度以上に加熱保持し、且つ前記改質器内の前記改質触媒の温度を改質反応開始温度以上に加熱保持して発電を継続して行う燃料電池構造体の運転方法において、
運転開始時の起動用ガスとして、起動用酸素含有ガスと前記炭化水素ガスとの混合ガスを使用し、該混合ガスを、前記改質器を通して前記燃料電池本体に供給し、且つ別経路で前記発電用酸素含有ガスを前記燃料電池本体に供給し、該燃料電池本体から排出されるガスの燃焼により前記燃料電池本体及び前記改質器の加熱を行い、前記改質器の昇温に伴って部分酸化改質反応を生じせしめ、
次いで、前記起動用酸素含有ガスの停止とともに、前記炭化水素ガスの供給を一旦停止し、この後、水蒸気の供給と前記炭化水素ガスの供給再開とを行うことにより水蒸気改質反応に切り替えて定常運転を行うことを特徴とする燃料電池構造体の運転方法。
前記改質器の改質触媒収容室内に隣接して気化室を設け、該気化室内に水を供給し、前記燃焼熱によって前記気化室内に供給された水を気化させ、生成した水蒸気を前記改質触媒収容室内に供給する請求項５に記載の燃料電池構造体の運転方法。
運転開始時及び部分酸化改質反応に際して使用される前記起動用ガスは、酸素（Ｏ_２）と炭化水素（Ｃ）との混合モル比（Ｏ_２／Ｃ）が０．５乃至１．０の範囲にある混合ガスである請求項５または６に記載の燃料電池構造体の運転方法。