JP2007103034A - Fuel cell system and its starting method - Google Patents

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Kazuyuki Tono
和志 東野
Koichi Sato
光一 佐藤
Yoshiji Tokita
義司 時田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To preheat a fuel cell body by using cooling water with raised temperature by exchanging heat between high-temperature reformed gas generated by a reformer and cooling water for cooling the fuel cell body in starting up a fuel cell system. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 is structured of a cooling water flow channel 43 provided at the fuel cell body 4 where cooling water flows at starting of the system 1, a heat exchanger 3 exchanging heat between the reformed gas from the reformer 2 and the cooling water to heat the latter in starting up the fuel cell system 1, and a return piping 5 supplying the reformed gas with heat exchanged with the cooling water at the heat exchanger 3 to a burner 21 provided at the reformer 2. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システム及びその起動方法に関し、特に、燃料電池システムを起動する際、改質器が生成した高温の改質ガスと定常運転時に燃料電池本体を冷却する冷却水との間で熱交換を行い、昇温された冷却水を用いて、燃料電池本体を予備加熱する燃料電池システム及びその起動方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a starting method thereof, and in particular, between a high-temperature reformed gas generated by a reformer and cooling water that cools a fuel cell body during steady operation when the fuel cell system is started. The present invention relates to a fuel cell system that performs heat exchange and preheats a fuel cell main body using a heated coolant, and a startup method thereof.

従来、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などの様々な燃料電池が開発されてきた。
固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、室温〜約８０℃で作動する。また、固体高分子形燃料電池は、所定の作動温度（たとえば、約７０℃〜７５℃）にて高出力が得られることから、起動時には、上記所定の作動温度あるいは所定の作動温度付近まで予備加熱してから作動させることにより、起動時間を短縮することができる。なお、定常運転時には、水素リッチな改質ガス及び空気によって発電する際に発する熱を除去し、上記所定の作動温度まで冷却している。
このため、燃料電池システムを起動させる際、燃料電池を作動温度まで予備加熱する様々な技術が開発されてきた。 Conventionally, various fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and a solid oxide fuel cell (SOFC) have been developed.
The polymer electrolyte fuel cell has a low operating temperature and operates from room temperature to about 80 ° C. In addition, since the polymer electrolyte fuel cell can obtain a high output at a predetermined operating temperature (for example, about 70 ° C. to 75 ° C.), at the time of start-up, the solid polymer fuel cell is reserved up to the predetermined operating temperature or near the predetermined operating temperature. The activation time can be shortened by operating after heating. During steady operation, heat generated when power is generated by the hydrogen-rich reformed gas and air is removed and cooled to the predetermined operating temperature.
For this reason, various technologies have been developed to preheat the fuel cell to the operating temperature when starting the fuel cell system.

たとえば、特許文献１には、水蒸気分離器の内部に、外部スチーム発生装置のスチーム供給管に連結する加熱用コイルを備え、起動時に、スチームを通流して水蒸気分離器の冷却水を加温し、冷却水循環ポンプによって燃料電池本体へ送り、燃料電池本体を所定温度に加熱する燃料電池発電装置の技術が開示されている。   For example, Patent Document 1 includes a heating coil connected to a steam supply pipe of an external steam generator inside a steam separator, and at the time of start-up, steam is passed through to heat the cooling water of the steam separator. Further, a technology of a fuel cell power generator that is sent to a fuel cell body by a cooling water circulation pump and heats the fuel cell body to a predetermined temperature is disclosed.

また、特許文献２には、改質器から出る改質ガス又は燃料電池スタックより排出される未利用水素を燃焼させる燃焼バーナの排ガスの熱で、高温熱冷媒油管路を介して燃料電池スタックの冷却水管路及びＣＯ低減部の熱冷媒油管路を加熱することにより、バッテリーを使用せずに燃料電池スタックの冷却水及びＣＯ低減部の熱冷媒油を加熱して短時間で起動できるようにした燃料電池システムの技術が開示されている。
特開平９−７６２５号公報 特開平１２−２１４２８号公報 Further, in Patent Document 2, the heat of the exhaust gas of the combustion burner that burns the reformed gas coming out of the reformer or the unused hydrogen discharged from the fuel cell stack, By heating the cooling water pipe and the thermal refrigerant oil pipe of the CO reduction section, the cooling water of the fuel cell stack and the thermal refrigerant oil of the CO reduction section can be heated and started without using a battery. A fuel cell system technology is disclosed.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-7625 JP-A-12-21428

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池発電装置は、外部スチーム発生装置で冷却水（冷却用の水）を加熱し、加熱した冷却用の水により燃料電池本体を予備加熱しており、外部スチーム発生装置を設けることによって、システムが大型化するといった問題があった。また、外部スチーム発生装置の代わりに、電熱ヒータを設けると、電熱ヒータが電力を消費することによって、システム効率が低下するといった問題があった。
また、特許文献２に記載された燃料電池システムは、バーナーを燃焼させた際に発生する排ガスの熱を効果的に利用しているものの、より短時間で燃料電池本体を予備加熱しようとすると、バーナーの火力を大きくする必要があり、改質器が過熱する心配があった。 However, the fuel cell power generator described in Patent Document 1 heats cooling water (cooling water) with an external steam generator, and preheats the fuel cell main body with the heated cooling water. By providing the steam generator, there is a problem that the system is enlarged. Further, when an electric heater is provided instead of the external steam generating device, there is a problem that the system efficiency is lowered due to the electric heater consuming electric power.
Moreover, although the fuel cell system described in Patent Document 2 effectively uses the heat of exhaust gas generated when the burner is burned, when trying to preheat the fuel cell body in a shorter time, It was necessary to increase the burner's heating power, and there was a concern that the reformer would overheat.

本発明は、上記問題を解決すべく、燃料電池システムを起動する際、改質器が生成した高温の改質ガスと燃料電池本体を冷却する冷却水との間で熱交換を行い、昇温された冷却水を用いて、燃料電池本体を予備加熱する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。   In order to solve the above-described problem, the present invention performs heat exchange between the high-temperature reformed gas generated by the reformer and the cooling water for cooling the fuel cell main body when starting the fuel cell system. An object of the present invention is to provide a fuel cell system for preheating a fuel cell main body using the cooled water and a starting method thereof.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素を酸素と反応させて発電する燃料電池本体とを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体に設けられ、前記燃料電池システムを起動する際、昇温流体が流れる昇温流体流路と、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質器からの改質ガスと前記昇温流体との間で熱交換を行い、該昇温流体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器にて前記昇温流体との間で熱交換を行なった前記改質ガスを、前記改質器に設けられたバーナーに供給するリターン配管とを具備した構成としてある。
このようにすると、燃料電池システムを起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体を予備加熱することができる。 In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention is a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by heating a reformed gas fuel containing a hydrocarbon raw material and water in a reforming catalyst. And a fuel cell main body that generates electric power by reacting hydrogen in the reformed gas with oxygen, provided in the fuel cell main body, when starting up the fuel cell system, Heating fluid passage for flowing, and heat exchanger that heats the temperature rising fluid by exchanging heat between the reformed gas from the reformer and the temperature rising fluid when starting the fuel cell system And a return pipe for supplying the reformed gas, which has been heat-exchanged with the temperature rising fluid in the heat exchanger, to a burner provided in the reformer.
In this way, when starting the fuel cell system, the heat of the reformed gas can be used to preheat the fuel cell body.

また、本発明の燃料電池システムは、前記改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段を備え、該制御手段が、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）より高める構成としてある。
このようにすると、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体をより短時間で予備加熱することができる。なお、カーボンに対する水蒸気の比率の単位“ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ”とは、“モル／原子 比”のことをいう。 The fuel cell system of the present invention further comprises a control means for controlling the amount of at least one of the hydrocarbon feedstock and water contained in the reformed gas fuel, and when the control means starts the fuel cell system, The ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel is higher than the ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel during steady operation.
In this way, the heat capacity of the reformed gas is increased, so that the fuel cell body can be preheated in a shorter time. The unit of the ratio of water vapor to carbon “mol / atom ratio” refers to “mol / atom ratio”.

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池システムを起動する際の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）より０．５以上高く、かつ、２０．０以下とした構成としてある。
このようにすると、燃料電池本体をより短時間で予備加熱することができるとともに、熱交換された改質ガスをバーナーに供給することができる。 In the fuel cell system of the present invention, the ratio of water vapor to carbon in the reformed gas fuel (mol / atom ratio) at the time of starting the fuel cell system is set to the carbon in the reformed gas fuel during steady operation. The water vapor ratio (mol / atom ratio) is 0.5 or more and 20.0 or less.
In this way, the fuel cell body can be preheated in a shorter time and the reformed gas subjected to heat exchange can be supplied to the burner.

また、本発明の燃料電池システムは、前記昇温流体流路を、前記燃料電池本体に設けられた冷却水流路と共用化し、前記昇温流体として、定常運転時の前記燃料電池本体を冷却する冷却水を使用した構成としてある。
このようにすると、構造が単純化され、燃料電池システムを小型化することができる。 In the fuel cell system of the present invention, the temperature rising fluid flow path is shared with a cooling water flow path provided in the fuel cell main body, and the fuel cell main body during steady operation is cooled as the temperature rising fluid. The configuration uses cooling water.
In this way, the structure is simplified and the fuel cell system can be miniaturized.

また、本発明の燃料電池システムは、前記リターン配管に、気水分離器を設けた構成としてある。
このようにすると、改質ガスに含まれる水分が分離されるので、改質ガスに含まれる水分がバーナーに入り込んでしまい、失火するといった不具合を回避することができる。 Further, the fuel cell system of the present invention has a configuration in which a steam / water separator is provided in the return pipe.
In this way, since the moisture contained in the reformed gas is separated, the moisture contained in the reformed gas enters the burner and a problem of misfire can be avoided.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムの起動方法は、炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素を酸素と反応させて発電する燃料電池本体とを有する燃料電池システムの起動方法であって、前記改質器に設けられたバーナーが、炭化水素原料を燃焼させて、前記改質器を予備加熱し、予備加熱された前記改質器が、供給された前記改質ガス燃料から前記改質ガスを生成し、熱交換器が、前記改質器からの改質ガスと昇温流体との間で熱交換を行い、該昇温流体を加熱し、加熱された前記昇温流体が、前記燃料電池本体に設けられた昇温流体流路を流れ、前記燃料電池本体を予備加熱し、前記熱交換器にて前記昇温流体との間で熱交換を行なった前記改質ガスが、リターン配管を介して、前記バーナーに供給され、バーナー用燃料として燃焼され、前記燃料電池本体が予備加熱されると、前記改質器からの改質ガスが、前記燃料電池本体に供給され、発電を開始する方法としてある。
このように、本発明は、燃料電池システムの起動方法としても有効であり、燃料電池システムを起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体を予備加熱することができる。 To achieve the above object, the fuel cell system start-up method of the present invention generates a hydrogen-rich reformed gas by heating a reformed gas fuel containing a hydrocarbon feedstock and water in a reforming catalyst. And a fuel cell system start-up method for generating power by reacting hydrogen in the reformed gas with oxygen, wherein a burner provided in the reformer comprises a hydrocarbon Combusting the raw material to preheat the reformer, the preheated reformer generates the reformed gas from the supplied reformed gas fuel, and a heat exchanger converts the reformer Heat is exchanged between the reformed gas from the vessel and the temperature rising fluid, the temperature rising fluid is heated, and the heated temperature rising fluid passes through the temperature rising fluid flow path provided in the fuel cell body. Flow, preheat the fuel cell body, and with the heated fluid in the heat exchanger The reformed gas that has exchanged heat is supplied to the burner via a return pipe, burned as burner fuel, and when the fuel cell body is preheated, the reformer from the reformer A gas is supplied to the fuel cell main body to start power generation.
As described above, the present invention is also effective as a method for starting the fuel cell system. When the fuel cell system is started, the fuel cell main body can be preheated using the heat of the reformed gas.

また、本発明の燃料電池システムの起動方法は、前記改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段が、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）より高める方法としてある。
このようにすると、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体をより短時間で予備加熱することができる。 In the fuel cell system activation method of the present invention, the control means for controlling at least one amount of the hydrocarbon raw material and water contained in the reformed gas fuel activates the reforming when the fuel cell system is activated. In this method, the ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the gas fuel is made higher than the ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel during steady operation.
In this way, the heat capacity of the reformed gas is increased, so that the fuel cell body can be preheated in a shorter time.

本発明における燃料電池システム及びその起動方法によれば、燃料電池システムを起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体を短時間で予備加熱することができる。   According to the fuel cell system and the starting method thereof in the present invention, when starting the fuel cell system, the heat of the reformed gas can be used to preheat the fuel cell body in a short time.

［燃料電池システム］
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの要部の概略ブロック図を示している。
同図において、燃料電池システム１は、改質器２，熱交換器３，燃料電池本体４及びリターン配管５を備えている。 [Fuel cell system]
FIG. 1: has shown the schematic block diagram of the principal part of the fuel cell system concerning one Embodiment of this invention.
In FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a reformer 2, a heat exchanger 3, a fuel cell main body 4, and a return pipe 5.

改質器２は、改質触媒が充填された改質容器（図示せず），シフト触媒が充填されたＣＯ変成器（図示せず），プロックス触媒が充填された選択酸化器（図示せず）及びバーナー２１が設けられている。この改質器２は、炭化水素原料（本実施形態では、灯油としてある。）及び水（原料水）を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する。なお、本実施形態の改質器２は、改質触媒に加え、シフト触媒及びプロックス触媒を用いることにより、より水素リッチな改質ガスを生成する。   The reformer 2 includes a reforming vessel (not shown) filled with a reforming catalyst, a CO converter (not shown) filled with a shift catalyst, and a selective oxidizer (not shown) filled with a Prox catalyst. ) And a burner 21 are provided. This reformer 2 heats a reformed gas fuel containing a hydrocarbon raw material (in the present embodiment, kerosene) and water (raw water) in a reforming catalyst, thereby reforming rich in hydrogen. Generate gas. In addition, the reformer 2 of this embodiment produces | generates reformed gas richer in hydrogen by using a shift catalyst and a Prox catalyst in addition to a reforming catalyst.

また、改質器２は、燃料ポンプ２２，脱硫器２３，気化器２４，蒸発器２５，空気ブロワ２６及びバルブ２７，２８を備えている。
燃料ポンプ２２は、吸込み口が灯油タンク（図示せず）と接続されており、吐出口が、流量を調節するバルブ２７，硫黄成分を除去する脱硫器２３，蒸発器２５，及び，灯油を気化させ水蒸気と混合する気化器２４を介して、改質器２内の改質容器と接続されている。また、バルブ２７の上流側の配管が分岐されており、燃料ポンプ２２の吐出口が、流量を調節するバルブ２８を介して、バーナー２１と接続されている。これにより、所定量の灯油が、改質容器やバーナー２１にそれぞれ供給される。
なお、本実施形態では、一つの燃料ポンプ２２を用いた構成としてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、改質容器に灯油を供給する第一の燃料ポンプと、バーナー２１に灯油を供給する第二の燃料ポンプを用いる構成としてもよい。さらに、第一及び第二の燃料ポンプを流量制御可能なポンプとしてもよい。 The reformer 2 includes a fuel pump 22, a desulfurizer 23, a vaporizer 24, an evaporator 25, an air blower 26, and valves 27 and 28.
The fuel pump 22 has a suction port connected to a kerosene tank (not shown), and a discharge port vaporizes the valve 27 for adjusting the flow rate, the desulfurizer 23 for removing sulfur components, the evaporator 25, and kerosene. It is connected to a reforming vessel in the reformer 2 via a vaporizer 24 that mixes with steam. Further, the pipe on the upstream side of the valve 27 is branched, and the discharge port of the fuel pump 22 is connected to the burner 21 via a valve 28 for adjusting the flow rate. Thereby, a predetermined amount of kerosene is supplied to the reforming container and the burner 21, respectively.
In addition, in this embodiment, although it is set as the structure using the one fuel pump 22, it is not limited to this. For example, a first fuel pump that supplies kerosene to the reforming vessel and a second fuel pump that supplies kerosene to the burner 21 may be used. Furthermore, the first and second fuel pumps may be pumps capable of controlling the flow rate.

蒸発器２５は、原料水（純水）とバーナー２１の（燃焼）排ガスとの間で熱交換を行なう熱交換器であり、加熱される原料水が流れる被加熱部（図示せず）と、加熱する排ガスが流れる加熱部（図示せず）を備えている。被加熱部は、出口が気化器２４と接続され、入口が、流量を調整するバルブ４８と原料水ポンプ４７を介して、純水タンク４４と接続されている。また、加熱部は、入口が改質器２と接続され、出口が、排ガス管２５１と接続されている。これにより、蒸発器２５は、純水タンク４４から供給される原料水を蒸発させ、水蒸気を気化器２４に供給する。なお、流量を調整するバルブ４８を設ける代わりに、原料水ポンプ４７を流量制御可能なポンプとしてもよい。   The evaporator 25 is a heat exchanger that performs heat exchange between the raw water (pure water) and the (combustion) exhaust gas of the burner 21, and a heated part (not shown) through which heated raw water flows, A heating unit (not shown) through which exhaust gas to be heated flows is provided. The heated portion has an outlet connected to the vaporizer 24 and an inlet connected to the pure water tank 44 via a valve 48 for adjusting the flow rate and a raw water pump 47. The heating unit has an inlet connected to the reformer 2 and an outlet connected to the exhaust gas pipe 251. Thereby, the evaporator 25 evaporates the raw water supplied from the pure water tank 44 and supplies the water vapor to the vaporizer 24. Instead of providing the valve 48 for adjusting the flow rate, the raw material water pump 47 may be a pump capable of controlling the flow rate.

空気ブロワ２６は、吐出口がバーナー２１と接続されており、空気をバーナー２１に供給する。また、吐出口からバーナー２１への配管は、途中で分岐しており、分岐された配管が、改質器２の選択酸化器と接続されている。   The air blower 26 has a discharge port connected to the burner 21 and supplies air to the burner 21. Further, the piping from the discharge port to the burner 21 is branched halfway, and the branched piping is connected to the selective oxidizer of the reformer 2.

本実施形態の燃料電池本体４は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）としてあり、改質ガスが供給されるアノード４１と、空気（酸素）が供給されるカソード４２と、発電している際に発熱するアノード４１とカソード４２を冷却する冷却水流路４３とを有している。また、冷却水流路４３には、純水タンク４４の純水が、冷却水として流され、定常運転時における燃料電池本体４を冷却する。
なお、本実施形態では、後述する昇温流体流路４３ａを、燃料電池本体４に設けられた冷却水流路４３と共用化してあり、燃料電池システム１を起動させる際、冷却水流路４３が昇温流体流路４３ａとして機能する。 The fuel cell main body 4 of the present embodiment is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and generates electricity with an anode 41 supplied with reformed gas and a cathode 42 supplied with air (oxygen). The anode 41 that generates heat and the cooling water passage 43 that cools the cathode 42 are provided. In addition, the pure water from the pure water tank 44 is allowed to flow as cooling water through the cooling water passage 43 to cool the fuel cell main body 4 during steady operation.
In the present embodiment, a temperature rising fluid channel 43a, which will be described later, is shared with a cooling water channel 43 provided in the fuel cell body 4, and when the fuel cell system 1 is started up, the cooling water channel 43 rises. It functions as the warm fluid channel 43a.

一般的に、燃料電池本体４は、図示してないが、複数の単セルが積層されたセルスタックとしてある。上記単セルは、矩形平板状のセパレータ，アノード４１を構成する矩形シート状のガス拡散層と触媒層，電解質膜，カソード４２を構成する矩形シート状のガス拡散層と触媒層，及び，矩形平板状のセパレータが積層された構成としてある。対向するセパレータの内面には、空気や改質ガスがそれぞれ流れる複数の溝（流路）が形成され、各セパレータの外面には、冷却水が流れる複数の溝からなる冷却水流路４３が形成されている。
なお、燃料電池本体４は、上記構成に限定されるものではない。すなわち、燃料電池の種類や、単セルの形状，単セルの集合構造などによって、特に、限定されるものではない。また、燃料電池本体とは、単セル及び単セルの集合体をいう。 In general, the fuel cell body 4 is a cell stack in which a plurality of single cells are stacked, although not shown. The single cell includes a rectangular flat plate separator, a rectangular sheet-shaped gas diffusion layer and catalyst layer constituting the anode 41, an electrolyte membrane, a rectangular sheet-shaped gas diffusion layer and catalyst layer constituting the cathode 42, and a rectangular flat plate. In this configuration, the separators are stacked. A plurality of grooves (channels) through which air and reformed gas flow are formed on the inner surfaces of the opposing separators, and a cooling water channel 43 including a plurality of grooves through which cooling water flows is formed on the outer surface of each separator. ing.
The fuel cell body 4 is not limited to the above configuration. That is, it is not particularly limited by the type of the fuel cell, the shape of the single cell, the aggregate structure of the single cells, and the like. The fuel cell main body refers to a single cell and an assembly of single cells.

燃料電池本体４は、純水タンク４４，冷却水ポンプ４３１，バルブ４３２，４３３，気水分離器４５及び空気ブロワ４６を備えている。
純水タンク４４は、純水タンク４４内の純水を吸い込み、冷却水流路４３に送り出す冷却水ポンプ４３１とバルブ４３２を介して、冷却水流路４３と接続されている。また、バルブ４３２の上流側では、配管が分岐されており、純水タンク４４は、冷却水ポンプ４３１及び分岐された配管に接続されたバルブ４３３を介して、熱交換器３と接続されている。 The fuel cell body 4 includes a pure water tank 44, a cooling water pump 431, valves 432, 433, an air / water separator 45, and an air blower 46.
The pure water tank 44 is connected to the cooling water flow path 43 via a cooling water pump 431 and a valve 432 that sucks the pure water in the pure water tank 44 and sends it to the cooling water flow path 43. Further, on the upstream side of the valve 432, the piping is branched, and the pure water tank 44 is connected to the heat exchanger 3 via the cooling water pump 431 and the valve 433 connected to the branched piping. .

この熱交換器３は、燃料電池システム１を起動する際、純水タンク４４から供給される純水と改質ガスとの間で熱交換を行い、純水を加熱する熱交換器であり、加熱される流体（純水タンク４４からの純水）が流れる被加熱部（図示せず）と、加熱する流体（改質器２からの改質ガス）の流れる加熱部（図示せず）を備えている。被加熱部は、出口が冷却水流路４３と接続され、入口が、バルブ４３３と冷却水ポンプ４３１を介して、純水タンク４４と接続されている。また、加熱部は、入口が、改質器２と接続され、出口が、バルブ３２，バルブ３２の下流に設けられた気水分離器３３及びリターン配管５を介して、バーナー２１と接続されている。
なお、気水分離器３３は、排水口（図示せず）が純水タンク４４と接続されている。この気水分離器３３は、燃料電池システム１を起動する際、バルブ３１が開かれると、改質ガスに含まれる水分を分離し、純水タンク４４に回収する。 The heat exchanger 3 is a heat exchanger that heats pure water by exchanging heat between the pure water supplied from the pure water tank 44 and the reformed gas when the fuel cell system 1 is started. A heated portion (not shown) through which a fluid to be heated (pure water from the pure water tank 44) flows, and a heating portion (not shown) through which a fluid to be heated (reformed gas from the reformer 2) flows. I have. The heated portion has an outlet connected to the cooling water channel 43 and an inlet connected to the pure water tank 44 via a valve 433 and a cooling water pump 431. The heating unit has an inlet connected to the reformer 2, and an outlet connected to the burner 21 via the valve 32, the steam / water separator 33 provided downstream of the valve 32, and the return pipe 5. Yes.
The steam / water separator 33 has a drain outlet (not shown) connected to the pure water tank 44. When the valve 31 is opened when starting the fuel cell system 1, the steam / water separator 33 separates moisture contained in the reformed gas and collects it in the pure water tank 44.

また、バルブ３２の上流側では、配管が分岐されており、改質器２は、熱交換器３及び分岐された配管に接続されたバルブ３１を介して、アノード４１と接続されている。このアノード４１は、出口がバーナー２１と接続されている。   Further, on the upstream side of the valve 32, the piping is branched, and the reformer 2 is connected to the anode 41 via the heat exchanger 3 and the valve 31 connected to the branched piping. The anode 41 has an outlet connected to the burner 21.

また、カソード４２は、入口が空気ブロワ４６と接続されており、出口が、気水分離器４５と接続されている。カソード４２の出口から排出される水蒸気及び空気は、水蒸気が気水分離器４５によって分離され、水として純水タンク４４に回収され、空気及び微量の水蒸気が気相配管４５１を介して排ガスとして大気に排出される。
さらに、冷却水流路４３は、出口が純水タンク４４と接続されている。 The cathode 42 has an inlet connected to the air blower 46 and an outlet connected to the air / water separator 45. The steam and air discharged from the outlet of the cathode 42 are separated by a steam separator 45 and collected as water in a pure water tank 44, and air and a small amount of steam are discharged into the atmosphere as an exhaust gas through a gas phase pipe 451. To be discharged.
Further, the outlet of the cooling water passage 43 is connected to the pure water tank 44.

次に、上記構成の燃料電池システム１の起動動作について説明する。
燃料電池システム１は、まず、燃料ポンプ２２が作動し、バルブ２８が開き、灯油をバーナー２１に供給するとともに、空気ブロワ２６が作動し、空気をバーナー２１に供給する。また、バーナー２１は、着火され、炭化水素原料（灯油）を燃料として燃焼を開始し、改質器２の改質触媒などを予備加熱する。 Next, the starting operation of the fuel cell system 1 having the above-described configuration will be described.
In the fuel cell system 1, first, the fuel pump 22 is operated, the valve 28 is opened, kerosene is supplied to the burner 21, and the air blower 26 is operated to supply air to the burner 21. The burner 21 is ignited, starts combustion using a hydrocarbon raw material (kerosene) as fuel, and preheats the reforming catalyst and the like of the reformer 2.

次に、燃料電池システム１は、改質器２が予備加熱されると、バルブ４８が開き、原料水ポンプ４７が作動し、純水を蒸発器２５の被加熱部に供給する。その後、改質部，シフト部，プロックス部が所定の温度に達したら、バルブ２７が開き、脱硫器２３によって脱硫された灯油を気化器２４に供給する。蒸発器２５は、バーナー２１の排ガスと供給された純水との間で熱交換を行い、純水を加熱し水蒸気とし、気化器２４に供給する。気化器２４は、供給された灯油を、蒸発器２５からの水蒸気を用いて気化させるとともに、気化した灯油と水蒸気を混合させ、改質ガス燃料として改質器２に供給する。   Next, in the fuel cell system 1, when the reformer 2 is preheated, the valve 48 is opened and the raw water pump 47 is operated to supply pure water to the heated portion of the evaporator 25. Thereafter, when the reforming unit, the shift unit, and the prox unit reach predetermined temperatures, the valve 27 is opened, and kerosene desulfurized by the desulfurizer 23 is supplied to the vaporizer 24. The evaporator 25 exchanges heat between the exhaust gas of the burner 21 and the supplied pure water, heats the pure water into steam, and supplies it to the vaporizer 24. The vaporizer 24 vaporizes the supplied kerosene using the water vapor from the evaporator 25, mixes the vaporized kerosene and water vapor, and supplies them as reformed gas fuel to the reformer 2.

次に、改質器２は、改質触媒，シフト触媒及びプロックス触媒が、改質ガス燃料と反応し、水素リッチな改質ガスを生成する。燃料電池システム１は、生成した改質ガスを熱交換器３に供給する。この改質ガスは、シフト触媒及びプロックス触媒と反応することにより、約１５０℃〜２００℃となり、すなわち、熱交換器３にて熱交換を行なうのに適した温度としてある。
なお、本実施形態では、改質触媒，シフト触媒及びプロックス触媒により生成された改質ガスを熱交換器３に供給しているが、これに限定されるものではなく、たとえば、改質触媒により生成された改質ガスを、シフト触媒及びプロックス触媒と反応させずに、熱交換器３に供給してもよい。 Next, in the reformer 2, the reforming catalyst, the shift catalyst, and the Prox catalyst react with the reformed gas fuel to generate a hydrogen-rich reformed gas. The fuel cell system 1 supplies the generated reformed gas to the heat exchanger 3. The reformed gas reacts with the shift catalyst and the Prox catalyst to reach about 150 ° C. to 200 ° C., that is, a temperature suitable for heat exchange in the heat exchanger 3.
In this embodiment, the reformed gas generated by the reforming catalyst, the shift catalyst, and the Prox catalyst is supplied to the heat exchanger 3, but the present invention is not limited to this. For example, the reforming catalyst The generated reformed gas may be supplied to the heat exchanger 3 without reacting with the shift catalyst and the Prox catalyst.

また、燃料電池システム１は、バルブ４３２を閉じ、バルブ４３３を開き、冷却水ポンプ４３１を作動させ、純水タンク４４内の純水を熱交換器３の被加熱部に供給している。供給された純水は、改質ガスとの間で熱交換が行なわれ、加熱された純水が、冷却水流路４３に供給され、燃料電池本体４を予備加熱する。冷却水流路４３に供給された純水は、冷却水流路４３から純水タンク４４に戻り、リサイクルされる。
なお、本実施形態では、冷却水流路４３に供給された純水が、冷却水流路４３から純水タンク４４に戻る構成としてあるが、これに限定されるものではない。たとえば、図示してないが、冷却水流路４３からの純水が、冷却水ポンプ４３１の吸込み口に直接的に戻る構成としてもよい。このようにすると、冷却水ポンプ４３１，バルブ４３３，熱交換器３及び冷却水流路４３を循環する純水の量が少なくなり、燃料電池本体４をより短時間で昇温させることができる。また、定常運転時に燃料電池本体４を冷却するための純水の昇温を抑制できるので、定常運転時に燃料電池本体４を効果的に冷却することができる。 Further, the fuel cell system 1 closes the valve 432, opens the valve 433, operates the cooling water pump 431, and supplies pure water in the pure water tank 44 to the heated part of the heat exchanger 3. The supplied pure water is subjected to heat exchange with the reformed gas, and the heated pure water is supplied to the cooling water passage 43 to preheat the fuel cell body 4. The pure water supplied to the cooling water channel 43 returns to the pure water tank 44 from the cooling water channel 43 and is recycled.
In this embodiment, the pure water supplied to the cooling water flow path 43 is configured to return from the cooling water flow path 43 to the pure water tank 44, but the present invention is not limited to this. For example, although not shown, pure water from the cooling water passage 43 may be directly returned to the suction port of the cooling water pump 431. If it does in this way, the quantity of the pure water which circulates through the cooling water pump 431, the valve | bulb 433, the heat exchanger 3, and the cooling water flow path 43 will decrease, and the fuel cell main body 4 can be heated up in a short time. In addition, since the temperature rise of pure water for cooling the fuel cell main body 4 during steady operation can be suppressed, the fuel cell main body 4 can be effectively cooled during steady operation.

ここで、好ましくは、改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段、すなわち、本実施形態においては、灯油の供給量を制御するバルブ２７又は原料水（純水）の供給量を制御するバルブ４８の少なくとも一方を調節し、燃料電池システム１を起動する際、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）より高めるとよい。このようにすると、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体４をより短時間で予備加熱することができる。   Here, preferably, a control means for controlling at least one amount of the hydrocarbon raw material and water contained in the reformed gas fuel, that is, in this embodiment, the valve 27 for controlling the supply amount of kerosene or raw water ( When the fuel cell system 1 is started by adjusting at least one of the valves 48 that control the supply amount of pure water), the ratio of water vapor to carbon in the reformed gas fuel (mol / atom ratio) is changed during steady operation. It is good to raise from the ratio (mol / atom ratio) of the water vapor | steam with respect to carbon in a gaseous fuel. In this way, the heat capacity of the reformed gas increases, so that the fuel cell body 4 can be preheated in a shorter time.

たとえば、定常運転状態における改質ガス燃料のカーボン（ＣＴ）に対する水蒸気（ＳＴ）の比率（適宜、ＳＴ／ＣＴと略称する。）が２．５のとき、燃料電池システム１を起動する際における、改質ガス燃料のカーボン（ＣＳ）に対する水蒸気（ＳＳ）の比率（適宜、ＳＳ／ＣＳと略称する。）を、３．０以上２０．０以下とするとよい。また、ＳＴ／ＣＴが３．０のときは、ＳＳ／ＣＳを、３．５以上２０．０以下とするとよい。このようにすると、燃料電池本体４の予備加熱時間を短縮するとともに、熱交換器３にて熱を奪われた改質ガスを、バーナー用燃料としてバーナー２１に供給することができる。この理由は、ＳＳ／ＣＳを、ＳＴ／ＣＴより０．５以上大きくしないと、燃料電池本体４の予備加熱時間を効果的に短縮することができないからである。また、ＳＳ／ＣＳを、ＳＴ／ＣＴより２０．０を超えて大きくすると、熱交換器３にて熱を奪われた改質ガスを、バーナー用燃料としてバーナー２１に供給する際、燃焼雰囲気の水蒸気が多くなりすぎ、良好な燃焼が妨げられるからである。 For example, the ratio of water vapor (S T) to carbon in the reformed gas fuel in the steady operating state (C T) (as appropriate, abbreviated as S T / C T.) When the 2.5, starting the fuel cell system 1 definitive when the ratio of water vapor (S S) for the reformed gas fuel carbon (C S) (as appropriate, abbreviated as S S / C S.) and or equal to 3.0 or more 20.0 or less. Further, when S T / C T is 3.0, S S / C S is preferably set to 3.5 or more and 20.0 or less. In this way, the preheating time of the fuel cell body 4 can be shortened, and the reformed gas deprived of heat by the heat exchanger 3 can be supplied to the burner 21 as fuel for the burner. This is because the preheating time of the fuel cell body 4 cannot be shortened effectively unless S S / C S is set larger than S T / C T by 0.5 or more. When S S / C S is made larger than S T / C T by more than 20.0, the reformed gas deprived of heat in the heat exchanger 3 is supplied to the burner 21 as fuel for the burner. This is because there is too much water vapor in the combustion atmosphere, preventing good combustion.

ＳＴ／ＣＴが３．０の燃料電池システム１を、ＳＳ／ＣＳを５．０として起動させたところ、ＳＳ／ＣＳを３．０として起動させた場合と比べて、燃料電池本体４の予備加熱時間を約３０分短縮することができた。さらに、この燃料電池システム１を、ＳＳ／ＣＳを７．０として起動させたところ、ＳＳ／ＣＳを５．０として起動させた場合と比べて、燃料電池本体４の予備加熱時間をさらに約１５分短縮することができた。すなわち、燃料電池システム１を起動する際、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（＝ＳＳ／ＣＳ）を、定常運転時の改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（＝ＳＴ／ＣＴ）より高めることにより、燃料電池本体４をより短時間で予備加熱することができた。 When the fuel cell system 1 with S T / C T of 3.0 is started with S S / C S as 5.0, the fuel cell system 1 is more fuel than when it is started with S S / C S as 3.0. The preheating time of the battery body 4 could be shortened by about 30 minutes. Furthermore, when this fuel cell system 1 was started with S S / C S set to 7.0, the preheating time of the fuel cell main body 4 was compared with the case where S S / C S was started with 5.0. Was further reduced by about 15 minutes. That is, when the fuel cell system 1 is started, the ratio of water vapor to carbon in the reformed gas fuel (= S S / C S ) is equal to the ratio of water vapor to carbon in the reformed gas fuel during steady operation (= S T / The fuel cell body 4 could be pre-heated in a shorter time by increasing the value of C T ).

次に、燃料電池システム１は、バルブ３１が閉じられ、バルブ３２が開かれており、熱交換器３にて熱を奪われた改質ガスが、気水分離器３３及びリターン配管５を経由して、バーナー２１に供給され、バーナー用燃料として燃焼される。この際、燃料電池システム１は、リターン配管５を経由して改質ガスがバーナー２１に供給される分、燃料ポンプ２２からバーナー２１への灯油供給量を低減する。これにより、改質器２が、過熱するといった不具合を防止することができる。また、ＳＳ／ＣＳがＳＴ／ＣＴより高められている場合であっても、気水分離器３３が、改質ガスに含まれる水分を分離し、純水タンク４４に回収するので、改質ガスに含まれる水分がバーナー２１に入り込んでしまい、バーナー２１が失火するといった不具合を回避することができる。 Next, in the fuel cell system 1, the valve 31 is closed and the valve 32 is opened, and the reformed gas deprived of heat by the heat exchanger 3 passes through the steam separator 33 and the return pipe 5. Then, it is supplied to the burner 21 and burned as fuel for the burner. At this time, the fuel cell system 1 reduces the amount of kerosene supplied from the fuel pump 22 to the burner 21 as much as the reformed gas is supplied to the burner 21 via the return pipe 5. Thereby, the malfunction that the reformer 2 overheats can be prevented. Further, even when S S / C S is higher than S T / C T , the steam separator 33 separates the water contained in the reformed gas and collects it in the pure water tank 44. In addition, it is possible to avoid the problem that the moisture contained in the reformed gas enters the burner 21 and the burner 21 misfires.

このように、本実施形態の燃料電池システム１は、起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体４を予備加熱することができ、また、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）より高めることにより、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体４をより短時間で予備加熱することができる。
なお、本発明の燃料電池システムは、上記構成の燃料電池システム１に限定されるものではなく、様々な応用例を有している。 As described above, when the fuel cell system 1 of the present embodiment is started, the fuel cell main body 4 can be preheated using the heat of the reformed gas, and the water vapor for the carbon in the reformed gas fuel can be used. Since the heat capacity of the reformed gas increases by increasing the ratio (mol / atom ratio) to the ratio of water vapor to carbon in the reformed gas fuel during steady operation (mol / atom ratio), the fuel cell body 4 Preheating can be performed in a short time.
The fuel cell system of the present invention is not limited to the fuel cell system 1 having the above configuration, and has various application examples.

＜応用例＞
次に、本発明の燃料電池システムの一応用例について、図面を参照して説明する。
図２は、本発明の一応用例にかかる燃料電池システムの要部の概略ブロック図を示している。
同図において、燃料電池システム１ａは、上記燃料電池システム１と比較して、燃料電池本体４ａに昇温流体流路４３ａを形成し、循環ポンプ４３１ａで昇温流体を循環させる点が相違する。他の構成要素は第一実施形態の燃料電池システム１とほぼ同様としてある。
したがって、図２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。 <Application example>
Next, an application example of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 shows a schematic block diagram of a main part of a fuel cell system according to an application example of the present invention.
In the figure, the fuel cell system 1a is different from the fuel cell system 1 in that a temperature rising fluid channel 43a is formed in the fuel cell main body 4a and the temperature rising fluid is circulated by the circulation pump 431a. Other components are substantially the same as those of the fuel cell system 1 of the first embodiment.
Therefore, in FIG. 2, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本応用例の燃料電池本体４ａは、不凍液などの昇温流体が流れることにより、燃料電池本体４ａを予備加熱する昇温流体流路４３ａを備えている。昇温流体流路４３ａは、図示してないが、複数の溝状の流路であり、各セパレータの外面に形成された溝状の冷却水流路４３の近傍に形成してある。なお、昇温流体流路４３ａは、上記構造に限定されるものではなく、たとえば、燃料電池本体４ａを加熱することの可能な構造であればよい。   The fuel cell main body 4a of this application example includes a temperature rising fluid channel 43a that preheats the fuel cell main body 4a when a temperature rising fluid such as antifreeze flows. Although not shown, the temperature rising fluid channel 43a is a plurality of groove-shaped channels, and is formed in the vicinity of the groove-shaped cooling water channel 43 formed on the outer surface of each separator. The temperature rising fluid channel 43a is not limited to the above structure, and may be any structure that can heat the fuel cell body 4a, for example.

昇温流体流路４３ａは、出口が、循環ポンプ４３１ａを介して、熱交換器３の被加熱部の入口と接続されており、（昇温流体流路４３ａの）入口が、被加熱部の出口と接続されている。これにより、燃料電池システム１ａは、生成した改質ガスが熱交換器３に供給されると、循環ポンプ４３１ａを作動させ、昇温流体を熱交換器３の被加熱部に供給する。供給された昇温流体は、改質ガスとの間で熱交換が行なわれ、加熱された昇温流体が、昇温流体流路４３ａに供給され、燃料電池本体４ａを予備加熱する。
なお、燃料電池本体４ａは、冷却水流路４３の入口が、冷却水ポンプ４３１の吐出口と直接的に接続されており、定常運転時には、冷却水が、冷却水ポンプ４３１，冷却水流路４３及び純水タンク４４を経由して循環される。 The temperature rising fluid channel 43a has an outlet connected to the inlet of the heated portion of the heat exchanger 3 via the circulation pump 431a, and the inlet (of the temperature rising fluid channel 43a) is connected to the heated portion of the heated portion. Connected with the exit. Thus, when the generated reformed gas is supplied to the heat exchanger 3, the fuel cell system 1 a operates the circulation pump 431 a and supplies the temperature rising fluid to the heated part of the heat exchanger 3. The supplied temperature rising fluid is subjected to heat exchange with the reformed gas, and the heated temperature rising fluid is supplied to the temperature rising fluid channel 43a to preheat the fuel cell body 4a.
In the fuel cell main body 4a, the inlet of the cooling water channel 43 is directly connected to the discharge port of the cooling water pump 431. During steady operation, the cooling water is supplied from the cooling water pump 431, the cooling water channel 43, and the like. It is circulated via the pure water tank 44.

このように、本応用例の燃料電池システム１ａは、起動する際、予備加熱専用の昇温流体を、改質ガスの熱を利用して加熱し、この加熱した昇温流体によって、燃料電池本体４ａを効果的に予備加熱することができる。   As described above, when the fuel cell system 1a of the present application is started up, the heating fluid dedicated for preheating is heated using the heat of the reformed gas, and the fuel cell main body is heated by the heated heating fluid. 4a can be effectively preheated.

［燃料電池システムの起動方法］
図３は、本発明の一実施形態にかかる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。
同図において、燃料電池システムの起動方法は、上記燃料電池システム１を起動する方法であり、まず、改質器２に設けられたバーナー２１が、灯油を燃焼させて、改質器２を予備加熱する（ステップＳ１）。 [Starting method of fuel cell system]
FIG. 3 is a schematic flowchart for explaining a starting method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
In the figure, the starting method of the fuel cell system is a method of starting the fuel cell system 1. First, a burner 21 provided in the reformer 2 burns kerosene to reserve the reformer 2. Heat (step S1).

次に、燃料電池システム１は、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）より高める、すなわち、（ＳＳ／ＣＳ）>（ＳＴ／ＣＴ）とする（ステップＳ２）。これにより、改質ガスの熱容量が増えるので、燃料電池本体４をより短時間で予備加熱することができる。
続いて、予備加熱された改質器２が、（ＳＳ／ＣＳ）>（ＳＴ／ＣＴ）とされた改質ガス燃料から改質ガスを生成する（ステップＳ３）。 Next, the fuel cell system 1 increases the ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel from the ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel during steady operation. That is, (S S / C S )> (S T / C T ) is set (step S2). Thereby, since the heat capacity of the reformed gas is increased, the fuel cell body 4 can be preheated in a shorter time.
Subsequently, the preheated reformer 2 generates a reformed gas from the reformed gas fuel in which (S S / C S )> (S T / C T ) (step S3).

次に、熱交換器３が、改質器２からの改質ガスと純水タンク４４からの純水との間で熱交換を行い、純水を加熱し（ステップＳ４）、続いて、加熱された純水が、燃料電池本体４に設けられた冷却水流路４３を流れ、燃料電池本体４を予備加熱する（ステップＳ５）。このようにすると、定常運転時に、燃料電池本体４を冷却するための冷却水流路４３を利用して、燃料電池本体４を予備加熱することができ、燃料電池本体４の構造を単純化することができる。   Next, the heat exchanger 3 exchanges heat between the reformed gas from the reformer 2 and the pure water from the pure water tank 44 to heat the pure water (step S4), and then the heating The pure water thus flowed flows through the cooling water passage 43 provided in the fuel cell main body 4, and preheats the fuel cell main body 4 (step S5). In this way, the fuel cell body 4 can be preheated using the cooling water flow path 43 for cooling the fuel cell body 4 during steady operation, and the structure of the fuel cell body 4 is simplified. Can do.

次に、熱交換器３にて純水との間で熱交換を行なった改質ガスが、気水分離器３３及びリターン配管５を介して、バーナー２１に供給され、バーナー用燃料として燃焼される（ステップＳ６）。この際、バーナー２１に改質ガスが供給されるので、供給される改質ガスに応じて、灯油の供給量が低減され、改質器２が過熱するのを防止する。また、気水分離器３３が、改質ガスに含まれる水分を分離し、純水タンク４４に回収するので、改質ガスに含まれる水分がバーナー２１に入り込んでしまい、バーナー２１が失火するといった不具合を回避することができる。   Next, the reformed gas that has exchanged heat with pure water in the heat exchanger 3 is supplied to the burner 21 via the steam separator 33 and the return pipe 5 and burned as burner fuel. (Step S6). At this time, since the reformed gas is supplied to the burner 21, the amount of kerosene supplied is reduced according to the supplied reformed gas, and the reformer 2 is prevented from overheating. Further, since the steam / water separator 33 separates the moisture contained in the reformed gas and collects it in the pure water tank 44, the moisture contained in the reformed gas enters the burner 21 and the burner 21 misfires. The trouble can be avoided.

次に、燃料電池本体４が予備加熱されると、燃料電池システム１は、改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、あらかじめ設定された定常運転時の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）に調整し、調整した改質ガス燃料を改質器２に供給する（ステップＳ７）。続いて、燃料電池システム１は、改質器２が、定常運転時の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）に調整された改質ガス燃料から改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池本体４に供給し、発電を開始する（ステップＳ８）。   Next, when the fuel cell main body 4 is preheated, the fuel cell system 1 sets the ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel to a preset ratio (mol / atom) during steady operation. atom ratio), and the adjusted reformed gas fuel is supplied to the reformer 2 (step S7). Subsequently, in the fuel cell system 1, the reformer 2 generates a reformed gas from the reformed gas fuel adjusted to a ratio (mol / atom ratio) at the time of steady operation, and this reformed gas is used as the fuel cell main body. 4 to start power generation (step S8).

このように、本発明は、燃料電池システム１の起動方法としても有効であり、燃料電池システム１を起動する際、改質ガスの熱を利用して、燃料電池本体４を短時間で予備加熱することができる。   As described above, the present invention is also effective as a starting method of the fuel cell system 1. When starting the fuel cell system 1, the heat of the reformed gas is used to preheat the fuel cell body 4 in a short time. can do.

以上、本発明の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、燃料電池システム１は、熱交換器３を、改質器２と燃料電池本体４の間に設けた構造としてあるが、この構造に限定されるものではなく、たとえば、改質器２の内部に設けたり、あるいは、燃料電池本体４と連結して設けてもよい。これにより、燃料電池システム１の構造をより単純化することができる。 As described above, the fuel cell system and the activation method thereof according to the present invention have been described with reference to preferred embodiments. However, the fuel cell system and the activation method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments. It goes without saying that various modifications can be made within the scope of the present invention.
For example, the fuel cell system 1 has a structure in which the heat exchanger 3 is provided between the reformer 2 and the fuel cell body 4, but is not limited to this structure. It may be provided inside or connected to the fuel cell main body 4. Thereby, the structure of the fuel cell system 1 can be further simplified.

本発明の燃料電池システム及びその起動方法は、起動時において、燃料電池本体を予備加熱する場合に限定されるものではなく、たとえば、燃料電池本体の温度を制御する技術としても有効であり、燃料電池本体の温度制御システムとして本発明を適用することが可能である。   The fuel cell system and the starting method thereof according to the present invention are not limited to the case where the fuel cell main body is preheated at the time of starting. For example, the fuel cell system is effective as a technique for controlling the temperature of the fuel cell main body. The present invention can be applied as a temperature control system for a battery body.

本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの要部の概略ブロック図を示している。1 is a schematic block diagram of a main part of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一応用例にかかる燃料電池システムの要部の概略ブロック図を示している。1 is a schematic block diagram of a main part of a fuel cell system according to an application example of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる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。The schematic flowchart figure for demonstrating the starting method of the fuel cell system concerning one Embodiment of this invention is shown.

符号の説明Explanation of symbols

１，１ａ 燃料電池システム
２ 改質器
３ 熱交換器
４，４ａ 燃料電池本体
５ リターン配管
２１ バーナー
２２ 燃料ポンプ
２３ 脱硫器
２４ 気化器
２５ 蒸発器
２６ 空気ブロワ
２７，２８ バルブ
３１，３２ バルブ
３３ 気水分離器
４１ アノード
４２ カソード
４３ 冷却水流路
４３ａ 昇温流体流路
４４ 純水タンク
４５ 気水分離器
４６ 空気ブロワ
４７ 原料水ポンプ
４８ バルブ
２５１ 排ガス管
４３１ 冷却水ポンプ
４３１ａ 循環ポンプ
４３２，４３３ バルブ
４５１ 気相配管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a Fuel cell system 2 Reformer 3 Heat exchanger 4, 4a Fuel cell main body 5 Return piping 21 Burner 22 Fuel pump 23 Desulfurizer 24 Vaporizer 25 Evaporator 26 Air blower 27, 28 Valve 31, 32 Valve 33 Gas Water separator 41 Anode 42 Cathode 43 Cooling water channel 43a Temperature rising fluid channel 44 Pure water tank 45 Air / water separator 46 Air blower 47 Raw material water pump 48 Valve 251 Exhaust gas pipe 431 Cooling water pump 431a Circulation pumps 432 and 433 Valve 451 Gas phase piping

Claims (7)

炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素を酸素と反応させて発電する燃料電池本体とを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体に設けられ、前記燃料電池システムを起動する際、昇温流体が流れる昇温流体流路と、
前記燃料電池システムを起動する際、前記改質器からの改質ガスと前記昇温流体との間で熱交換を行い、該昇温流体を加熱する熱交換器と、
前記熱交換器にて前記昇温流体との間で熱交換を行なった前記改質ガスを、前記改質器に設けられたバーナーに供給するリターン配管と
を具備したことを特徴とする燃料電池システム。 A reformed gas fuel containing a hydrocarbon feedstock and water is heated in a reforming catalyst to generate a hydrogen-rich reformed gas, and the hydrogen in the reformed gas is reacted with oxygen. In a fuel cell system having a fuel cell main body for generating power,
A temperature rising fluid flow path that is provided in the fuel cell body and through which the temperature rising fluid flows when starting the fuel cell system;
When starting up the fuel cell system, heat exchange is performed between the reformed gas from the reformer and the temperature rising fluid, and the heat exchanger for heating the temperature rising fluid;
And a return pipe that supplies the reformed gas that has been heat-exchanged with the temperature rising fluid in the heat exchanger to a burner provided in the reformer. system. 前記改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段を備え、該制御手段が、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）より高めることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。   A control means for controlling at least one amount of the hydrocarbon feedstock and water contained in the reformed gas fuel, and when the control means starts up the fuel cell system, the control means supplies water vapor to carbon in the reformed gas fuel; 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the ratio (mol / atom ratio) is higher than the ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel during steady operation. 前記燃料電池システムを起動する際の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）より０．５以上高く、かつ、２０．０以下としたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。   The ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel when starting the fuel cell system is calculated from the ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel during steady operation. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system is 0.5 or more and 20.0 or less. 前記昇温流体流路を、前記燃料電池本体に設けられた冷却水流路と共用化し、前記昇温流体として、定常運転時の前記燃料電池本体を冷却する冷却水を使用したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   The temperature rising fluid flow path is shared with a cooling water flow path provided in the fuel cell main body, and cooling water for cooling the fuel cell main body during steady operation is used as the temperature rising fluid. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3. 前記リターン配管に、気水分離器を設け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燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein an air-water separator is provided in the return pipe. 炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料を、改質触媒中で加熱することにより、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素を酸素と反応させて発電する燃料電池本体とを有する燃料電池システムの起動方法であって、
前記改質器に設けられたバーナーが、炭化水素原料を燃焼させて、前記改質器を予備加熱し、
予備加熱された前記改質器が、供給された前記改質ガス燃料から前記改質ガスを生成し、
熱交換器が、前記改質器からの改質ガスと昇温流体との間で熱交換を行い、該昇温流体を加熱し、
加熱された前記昇温流体が、前記燃料電池本体に設けられた昇温流体流路を流れ、前記燃料電池本体を予備加熱し、
前記熱交換器にて前記昇温流体との間で熱交換を行なった前記改質ガスが、リターン配管を介して、前記バーナーに供給され、バーナー用燃料として燃焼され、
前記燃料電池本体が予備加熱されると、前記改質器からの改質ガスが、前記燃料電池本体に供給され、発電を開始する
ことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。 A reformed gas fuel containing a hydrocarbon feedstock and water is heated in a reforming catalyst to generate a hydrogen-rich reformed gas, and the hydrogen in the reformed gas is reacted with oxygen. A method for starting a fuel cell system having a fuel cell main body for generating power,
A burner provided in the reformer burns a hydrocarbon raw material, preheats the reformer,
The preheated reformer generates the reformed gas from the supplied reformed gas fuel;
A heat exchanger performs heat exchange between the reformed gas from the reformer and the heated fluid, and heats the heated fluid;
The heated temperature rising fluid flows through a temperature rising fluid flow path provided in the fuel cell body, preheating the fuel cell body,
The reformed gas that has exchanged heat with the temperature rising fluid in the heat exchanger is supplied to the burner via a return pipe, and burned as burner fuel,
When the fuel cell main body is preheated, the reformed gas from the reformer is supplied to the fuel cell main body, and power generation is started. 前記改質ガス燃料に含まれる炭化水素原料及び水の少なくとも一方の量を制御する制御手段が、前記燃料電池システムを起動する際、前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）を、定常運転時の前記改質ガス燃料におけるカーボンに対する水蒸気の比率（ｍｏｌ／ａｔｏｍ ｒａｔｉｏ）より高めることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの起動方法。   When the control means for controlling at least one amount of the hydrocarbon raw material and water contained in the reformed gas fuel activates the fuel cell system, the ratio of water vapor to carbon in the reformed gas fuel (mol / atom ratio) The fuel cell system start-up method according to claim 6, wherein the ratio of water vapor to carbon (mol / atom ratio) in the reformed gas fuel during steady operation is increased.
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