专利名称：燃料电池发电系统的制作方法
技术领域：
本发明，涉及一种燃料电池发电系统。
背景技术：
迄今为止，具有固体电解质型燃料电池的燃料电池发电系统已为众所周知。
固体电解质型燃料电池，是由电解质、燃料极、空气极、燃料室及空气室等构成。在电解质的一侧的面上设有燃料极，另一侧的面上设有空气极。并且，以电解质为间隔壁，在燃料极一侧设有燃料室，在空气极一侧设有空气室。
在进行发电时，向燃料室中提供给氢气(H2)及一氧化碳(CO)，向空气室中提供给空气。并且，空气室内的氧气在空气极和电解质的界面上分解成氧离子(O2-)，向燃料极一侧移动。接下来，氧离子(O2-)在燃料极和电解质的界面上与燃料室内的氢气(H2)及一氧化碳(CO)发生反应，由此生成水(H2O)和二氧化碳(CO2)。这时，由氧离子(O2-)放出的电子进行发电。
然而，为了使氧离子(O2-)在电解质中不停地向燃料极移动，电解质的温度最好的是在700℃～1000℃的范围。正因如此，固体电解质型燃料电池的工作温度设定在700℃～1000℃。
在此，由于固体电解质型燃料电池的工作温度为700℃～1000℃，为使固体电解质型燃料电池工作，从固体电解质型燃料电池的外部加热是必要的。于是，加热固体电解质型燃料电池的燃烧器(burner)，设置在了固体电解质型燃料电池的附近。并且，在固体电解质型燃料电池启动时，利用燃烧器进行固体电解质型燃料电池的预热。
—解决课题—然而，因为固体电解质型燃料电池的工作温度为700℃～1000℃的高温，所以，迄今为止，启动固体电解质型燃料电池需要很长时间。
发明内容
本发明，鉴于上述问题点而发明的，其目的在于在具有固体电解质型燃料电池的燃料电池发电系统中，提供得到缩短固体电解质型燃料电池的启动时间的意图的技术。
第1发明，包括在使含有氧的含氧气体和原料气体流通的同时，具有在流通过程中使包含在原料气体中的碳氢化合物部分地氧化的触媒部分的转化器；还有，设置在上述转化器流出一侧的，通过使上述原料气体及含氧气体流通上述转化器而将包含氢的部分氧化气体提供给它的燃料极、将含有氧的含氧气体提供给它的氧极、介于包含上述燃料极和上述氧极之间的电解质的电池主体；在上述燃料极、上述氧极及上述电解质上使上述部分氧化气体和上述含氧气体产生电极反应的固体电解质型燃料电池。
可是，在电解质中要使离子能够移动的温度，是比固体电解质型燃料电池的工作温度(700℃～1000℃的高温)低的所规定温度。
在此，只要根据本发明，因为部分氧化气体提供给了燃料极，利用部分氧化气体所具有的热量不仅可以加热燃料极，而且也可以加热电解质。并且，只要电解质的温度达到所规定温度的话，通过利用部分氧化气体所含的氢，可以在燃料极、氧极及电解质上引起电极反应开始发电。正因如此，在低于固体电解质型燃料电池的工作温度的所规定温度下可以开始发电。
还有，伴随着上述电极反应产生热量。因此，与部分氧化气体所具有的热量一起，使用伴随着上述电极反应的热量可以加热电解质。正因为如此，可以缩短固体电解质型燃料电池的温度达到工作温度的时间。也正因如此，只要根据本发明，可以得到缩短固体电解质型燃料电池的启动时间的意图。
第2发明，是具有包括若使原料气体流通的话则在氢存在的条件下将包含在原料气体中碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物转变为甲烷，另一方面，具有在使含有氧的含氧气体和原料气体流通和使包含在原料气体中的碳氢化合物部分地氧化的触媒部分的转化器；设置在该转化器流出一侧的，将含有氢的含氢气体提供给它的燃料极；将含有氧的含氧气体提供给它的氧极；包含介于上述燃料极和上述氧极之间的电解质的电池主体；在上述燃料极、上述氧极及上述电解质上使上述含氢气体和上述含氧气体发生电极反应的固体电解质型燃料电池的燃料电池发电系统为对象的。并且，在上述转化器的触媒部分上使上述原料气体和上述含氧气体流通的同时，实行通过使上述原料气体及含氧气体在上述转化器上流通，使包含生成的氢的部分氧化气体作为上述含氧气体提供给上述燃料极启动运转；在上述转化器的触媒部分上使上述原料气体流通的同时，通过使上述原料气体在上述转化器上流通将包含生成的甲烷的燃料气体提供给上述燃料极的正常运转。
由此，在启动运转时，因为部分氧化气体提供给燃料极，所以不仅可以使用部分氧化气体所具有的热量加热燃料极，也可以加热电解质。并且，若电解质的温度达到所规定的温度，通过使用部分氧化气体含有的氢，可以在燃料极、氧极、及电解质中引起电极反应开始发电。正因如此，只要根据本发明，可以在比固体电解质型燃料电池的工作温度低的所规定的温度下开始发电。
还有，伴随着上述电极反应产生热量。因此，与部分氧化气体所具有的热量一起，再加上伴随着上述电极反应的热量可以加热电解质。正因为如此，可以缩短固体电解质型燃料电池的温度达到工作温度的时间。也正因如此，只要根据本发明，可以得到缩短固体电解质型燃料电池的启动时间的意图。
还有，在正常运转时，因为转化器将碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物转变为甲醇，所以提供给燃料极的燃料气体中就不包含碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物。因此，即便是对燃料极提供的水量不多的情况，在燃料极上析出碳的担心也不多。正因如此，只要根据本发明，可以防止固体电解质型燃料电池的燃料极上碳的析出。
还有，正常运转中，在固体电解质型燃料电池的燃料极上，可以将上述燃料气体转化成在水存在条件下的含氢转化气体。正因如此，只要根据本发明，可以将上述转化气体作为含氢气体使用。
第3发明，包括使流入上述转化器前的原料气体及含氧气体与从上述转化器排出的部分氧化气体进行热交换的第1热交换器。
可是，如果低温原料气体及含氧气体提供给转化器的话，转化器的触媒部分被原料气体及含氧气体冷却。这时，在转化器中，抑制了包含原料气体的碳氢化合物的部分地氧化反应。
在此，只要根据本发明，因为第1热交换器，将流入上述转化器前的原料气体及含氧气体与从上述转化器排出的部分氧化气体进行热交换，所以，由部分氧化气体所具有的热量加热了原料气体及含氧气体。因此，就可以防止原料气体及含氧气体对转化器的冷却。正因如此，只要根据本发明，在转化器中，可以活跃地引起上述部分氧化反应。
第4发明，包括在上述转化器启动时燃烧原料气体及含氧气体的第1燃烧器。还包括在该第1燃烧器中将通过燃烧上述原料气体及含氧气体生成的燃烧气体提供给上述转化器加热上述转化器的第1燃烧气体供给器。
可是，若将转化器的温度提高到所规定温度以上，就可以开始在转化器中的部分氧化反应。
在此，只要根据本发明，因为第1燃烧器，在转化器启动时将燃烧气体提供给了转化器，所以由燃烧气体所具有的热量加热了转化器。因此，由于可以将转化器的温度提高到所规定的温度，所以，在转化器中可以开始部分氧化反应。正因如此，只要根据本发明，就可以启动转化器。
第5发明，包括在上述电极反应前燃烧原料气体及含氧气体的第2燃烧器。还包括通过在该第2燃烧器上燃烧上述原料气体及含氧气体将生成的燃烧气体提供给上述氧极而加热上述氧极的第2燃烧气体供给器。
由此，因为第2燃烧气体供给器，在电极反应开始前将燃烧气体提供给氧极，所以，使用燃烧气体所具有的热量不仅加热氧极，还加热了电解质。因此，与部分氧化气体所具有的热量及伴随上述电极反应所产生的热量一起，再加上燃烧气体所具有的热量加热电解质。正因如此，可以进一步缩短固体电解质型燃料电池的温度达到工作温度为止的时间。也正因如此，只要根据本发明，可以进一步实现缩短固体电解质型燃料电池的起动时间的意图。
第6发明，包括燃烧原料气体及第1含氧气体的第3燃烧器。还包括通过使在该第3燃烧器上燃烧上述原料气体及第1含氧气体所生成的燃烧气体与不同于第1含氧气体的第2含氧气体进行热交换的第2热交换器。再包括将由该第2热交换器加热了的第2含氧气体提供给上述转化器及上述氧极的其中之一或者是双方的含氧气体供给器。
可是，燃烧原料气体及含氧气体的话，由于包含在原料气体中的碳氢化合物的燃烧会有产生水及煤灰的情况。正因如此，如果将燃烧气体提供给燃料极及氧极的话，就会因为包含在燃烧气体中的水和煤灰而导致燃料极及氧极的劣化。
在此，只要根据本发明，因为第2热交换器，使燃烧气体与第2含氧气体进行热交换，且含氧气体供给器将第2含氧气体提供给上述转化器及上述氧极的其中之一或者是双方，所以，包含在燃烧气体中的水及煤灰就不会提供给燃料极及氧极的其中之一或者是双方。正因如此，只要根据本发明，可以防止燃料极及氧极由于水和煤灰的劣化。
还有，因为第2热交换器，使燃烧气体与第2含氧气体进行热交换，所以，第2含氧气体就被加热了。并且，含氧气体供给器对转化器及氧极的其中之一或者是双方提供给加热了的第2含氧气体。因此，与部分氧化气体所具有的热量及伴随上述电极反应的热量一起，再加上第2含氧气体所具有的热量加热电解质。正因如此，可以进一步缩短固体电解质型燃料电池的温度达到工作温度为止的时间。也正因如此，只要根据本发明，可以进一步实现缩短固体电解质型燃料电池的起动时间的意图。
—发明的效果—根据第1发明，因为部分氧化气体提供给了燃料极，使用部分氧化气体所具有的热量不仅可以加热燃料极，也可以加热电解质。并且，只要电解质温度达到所规定温度的话，通过使用部分氧化气体所含的氢，可以在燃料极、氧极及电解质上引起电极反应从而开始发电。正因如此，可以在比固体电解质型燃料电池的工作温度低的所规定温度下开始发电。
还有，伴随着上述电极反应产生热量。因此，与部分氧化气体所具有的热量一起，再加上伴随上述电极反应产生的热量加热电解质。正因如此，因为可以缩短固体电解质型燃料电池的温度达到动作温度的时间，就可以进一步实现缩短固体电解质型燃料电池的起动时间的意图。
根据第2发明，在启动运转时，因为部分氧化气体提供给了燃料极，使用部分氧化气体所具有的热量不仅可以加热燃料极，也可以加热电解质。并且，只要电解质温度达到所规定温度的话，通过使用部分氧化气体所含的氢，可以在燃料极、氧极及电解质上引起电极反应从而开始发电。正因如此，可以在比固体电解质型燃料电池的工作温度低的所规定温度下开始发电。
还有，伴随着上述电极反应产生热量。因此，与部分氧化气体所具有的热量一起，再加上伴随上述电极反应产生的热量加热电解质。正因如此，因为可以缩短固体电解质型燃料电池的温度达到动作温度的时间，就可以进一步实现缩短固体电解质型燃料电池的起动时间的意图。
还有，在通常运转中，由于转化器将碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物转化为甲烷，所以，提供给燃料极的燃烧气体中不包含碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物。因此，即便是提供给燃料极的水的量少的情况，也不用担心在燃料极上析出碳。正因如此，可以防止固体电解质型燃料电池的燃料极上析出碳。
还有，在通常运转中，在固体电解质型燃料电池的燃料极上，可以将上述燃烧气体在水存在的条件下转变成为含氢的转化气体。正因如此，可以将上述转化气体作为含氢气体使用。
根据第3发明，因为第1热交换器，可以进行流入转化器前的原料气体及含氧气体与从转化器排出的部分氧化气体的热交换，所以，部分氧化气体所具有的热量加热了原料气体及含氧气体。正因如此，因为可以防止原料气体及含氧气体冷却转化器的触媒部分，在转化器上，可以活跃地引起上述部分地氧化反应。
根据第4发明，因为第1燃烧器，在转化器启动时将燃烧气体提供给转化器，所以，燃烧气所具有的热量加热转化器。因此，由于将转化器的温度提高到所规定的温度，所以，在转化器中就能使部分地氧化反应开始。正因如此，就可以启动转化器。
根据第5发明，因为第2燃烧气体供给器，在电极反应开始之前将燃烧气体提供给氧极，所以利用燃烧气所具有的热量不仅加热氧极，还加热了电解质。因此，与部分氧化气体所具有的热量及伴随上述电极反应所产生的热量一起，再加上燃烧气体所具有的热量加热电解质。正因如此，由于可以进一步缩短固体电解质型燃料电池的温度达到工作温度为止的时间，所以，可以进一步实现缩短固体电解质型燃料电池的起动时间的意图。
根据第6发明，因为第2热交换器，通过使原料气体和第2含氧气体进行热交换，且含氧气体供给器将第2含氧气体提供给转化器及氧极的其中之一或者是双方，所以，包含在燃烧气体中的水和煤灰就不会接收燃料极及氧极的其中之一或者是双方。正因如此，可以防止燃料极及氧极由于水和煤灰的劣化。
还有，因为第2热交换器，因为使燃烧气体与第2含氧气体进行热交换，所以第2含氧气体就被加热了。并且，含氧气体供给器对转化器及氧极的其中之一或者是双方提供给加热了的第2含氧气体。因此，与部分氧化气体所具有的热量及伴随上述电极反应的热量一起，再加上第2含氧气体所具有的热量加热电解质。正因如此，因为可以进一步缩短固体电解质型燃料电池的温度达到工作温度为止的时间，所以，可以进一步实现缩短固体电解质型燃料电池的起动时间的意图。
图1，是实施方式所涉及的燃料电池发电系统的概略构成图。
图2，是实施方式所涉及的燃料电池发电系统的概略构成图。
图3，是实施方式所涉及的燃料电池发电系统的概略构成图。
具体实施例方式
—实施方式1—以下，基于图面详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本实施方式所涉及的燃料电池发电系统(1)，包括脱硫器(3)、第1启动用燃烧室(4)、预先转化器(5)、自身热交换器(6)、内部转化式固体电解质型燃料电池(7)(以下称燃料电池)、燃烧机(9)、热变换器(11)、第1～第8流道(13、14、15、16、17、18、19、20)、第1及第2电磁阀(21、22)及第1～第3鼓风机(23、24、25)等。并且，本发明的第1燃烧器由第1启动燃烧室(4)构成，转化器由预先转化器(5)构成，固体电解质型燃料电池由燃料电池(7)构成，第1热交换器由自身热交换器(6)构成，第1燃烧气体供给器由第4流道(16)构成，部分氧化气体供给器由第5流道(17)构成。
第1流道(13)的一端(图中右端)与脱硫器(3)的入口(3a)相连。
第1鼓风机(23)，是介于第1流道(13)将天然气送给脱硫器(3)的。天然气是含有CH4、C2H6、C3H8及C4H10的气体。
脱硫器(3)，是使流入的天然气流通，吸附天然气中的硫化物的。脱硫器(3)的出口(3b)，与第2流路(14)的一端(左端)相连。
第1启动燃料室(4)，在后述的预先转化器(5)启动时，使从脱硫器(3)流出的天然气和空气流通，燃烧上述天然气和空气的。所谓的预先转化器(5)的启动时，是指预先转化器(5)的温度达到400℃为止的时间。第1启动燃烧室(4)的第1入口(4a)与第2流道(14)的另一端(右端)相连，第2入口(4b)与第3流道(15)的一端相连，出口(4c)与第4流道(16)的一端相连。
第4流道(16)的另一端与预先转化器(5)的入口(5a)相连。
第5流道(17)的一端与预先转化器(5)的出口(5b)相连，另一端与燃料电池(7)的燃料室(39)的入口(39a)相连。
在自身热交换器(6)内，第4流道(16)和第5流道(17)并行延伸。并且，自身热交换器(6)，使在第4流道(16)流通的气体和在第5流道(17)流通的气体进行热交换。
预先转化器(5)，在燃料电池(7)启动时，在脱硫器(3)上使流通天然气及空气流通，通过部分氧化天然气中的碳氢化合物生成包含一氧化碳和水的部分氧化气体。所谓的燃料电池(7)的启动，是燃料电池(7)的温度达到700℃～1000℃为止的时间。
还有，预先转化器(5)，是在燃料电池发电系统(1)的正常运转时，使在脱硫器(3)中流通的天然气和燃料再循环气体混合后的原料气体流通，在不转化CH4的情况下，转化原料气体中碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物，也就是，将C2H6、C3H8、C4H10等转化为CH4的。所谓的燃料电池发电系统(1)的正常运转时，是燃料电池(7)的温度达到700℃～1000℃后的时间。
预先转化器(5)包括具有中空的管子，在这个中空部分中放置了触媒。触媒部分是由钌(Ru)、铑(Rh)等贵金属触媒形成。还有，触媒部分，也有吸附气体中的硫化物的性质。在此，形成触媒部分的贵金属的量，是从开始使用燃料电池(7)到燃料电池(7)的寿命尽头为止的期间，吸附未能由脱硫器(3)吸净的气体中的硫化物最低必须量。
燃料电池(7)，是由锰酸镧钙{(La、Ca)MnO3}制成的空气极(31)、YSZ制成的电解质(33)、Ni-YSZ制成的燃料极(35)、空气室(37)、燃料室(39)、及外部电路(图中未示)等构成。电解质(33)，其内部只能通过离子，气体及电子无法通过。电解质(33)的一侧面(左侧面)上设置了燃料极(35)，另一侧(右侧面)设置了空气极(31)。并且，以电解质(33)为间隔壁，在燃料极(35)一侧设置燃料室(39)，在空气极(31)一侧设置空气室(37)。燃料极(35)和空气极(31)介于外部电路(图中未示)相连。燃料电池(7)的工作温度为700℃～1000℃。且，本发明所称的氧极是由空气极(31)构成。
空气室(37)的入口(37a)，与第6流道(18)的一端(上端)相连。并且，在第1电磁阀(21)开通状态时，向空气室(37)提供空气。
燃料室(39)中，在燃料电池(7)启动时，提供给从预先转化器(5)流出的含有一氧化碳及氢气的部分氧化气体。
还有，燃料室(39)中，在燃料电池发电系统(1)通常运转时，提供给从预先转化器(5)流出的含有CH4的燃烧气体。
燃料室(39)的再循环口(39b)介于第7流道(19)与第2流道(14)中间相连。并且，从燃料室(39)排出的含一氧化碳和氢气的燃料再循环气体，由第2鼓风机(24)送到第2流道(14)。流入第2流道(14)的燃料再循环气体，与在脱硫器(3)中流通的天然气混合。
燃烧机(9)，与燃料电池(7)的空气室(37)及燃料室(39)相连。并且，燃烧机(9)，燃烧从燃料室(39)排出的含有一氧化碳和氢气的排出气体及从空气室(37)排出的排出气体。
第8流道(20)是流通燃烧机(9)燃烧后的排出气体的流道，其一端与(左端)与燃烧机(9)相连，另一端(右端)与排出气体的排出口(图中未示)相连。
第3鼓风机(25)，介于第3流道(15)将空气送给第1启动燃烧室(4)及燃料电池(7)的空气室(37)的一方或者是双方。
热交换器(11)内，第3流道(15)与第8流道(20)并行延伸。并且，热交换器(11)，使在第3流道(15)流通的空气和在第8流道(20)流通的排出气体进行热交换。
第2电磁阀(22)，设置在第3流道(15)中第3流道(15)及第6流道(18)的合流点与第1启动燃烧室(4)之间。
在此，说明燃料电池发电系统(1)的工作。
(预先转化器的启动)首先进行预先转化器(5)的启动。
在预先转化器(5)启动时，第1电磁阀(21)为关闭状态，第2电磁阀(22)为开启状态。还有，第1启动燃烧室(4)在运转。
天然气，通过第1流道(13)流入脱硫器(3)。并且，流入脱硫器(3)的天然气，由于通过脱硫器(3)，除去了所含的硫化物。
接下来，除去了硫化物的天然气流出脱硫器(3)，通过第2流道(14)流入第1启动燃烧室(4)。
另一方面，空气，通过第3流道(15)流入热交换器(11)。在热交换器(11)中，空气与燃烧机(9)燃烧的排出气体进行热交换。因此，空气得到加热。
加热后的空气流出热交换器(11)，通过第3流道(15)流入第1启动燃烧室(4)。
并且，流入第1启动燃烧室(4)的天然气和空气，在第1启动燃烧室(4)中燃烧。
通过在第1启动燃烧室(4)中燃烧天然气和空气产生的燃烧气体流出第1启动燃烧室(4)，通过第4流道(16)流入自身热交换器(6)。并且，在自身热交换器(6)中，流动在第4流道(16)的燃烧气体和流动在第5流道(17)的燃烧气体进行热交换。
流过自身热交换器(6)的燃烧气体流入预先转化器(5)。并且，通过燃烧气体流通预先转化器(5)，预先转化器(5)的触媒部分被预热。预先转化器(5)的触媒部分的预热，进行到触媒部分的温度达到400℃。在此，预先转化器(5)的触媒部分的预热进行到触媒部分的温度达到400℃，触媒部分温度一达到400℃，在预先转化器(5)中就可以开始后述的部分氧化反应。
流通预先转化器(5)的燃烧气体流出预先转化器(5)，通过第5流道(17)流入燃料电池(7)的燃料室(39)。
流入燃料室(39)的燃烧气体，通过燃烧机(9)及第8流道(20)从排出口排出。
(燃料电池的预热)接下来，进行燃料电池(7)的预热。
在此，预先转化器(5)的触媒部分的温度一达到400℃，第1启动燃烧室(4)的运转就停止了。还有，这时，预先转化器(5)启动时关闭的第1电磁阀(21)被打开。
首先，在第2流道(14)及第7流道(19)的合流点，天然气与含有一氧化碳及氢气的燃料再循环气体混合。天然气与燃料再循环气体混合的原料气体，通过第2流道流入停止中的第1启动燃烧室(4)。
另一方面，空气流出热交换器(11)，通过第3流道(15)到达第3流道(15)及第6流道(18)的合流点。并且，在上述合流点，空气分流向第3流道(15)和第6流道(18)。
流入第3流道(15)的空气，通过第3流道(15)流入停止中的第1启动燃烧室(4)。
接下来，流入第1启动燃烧室(4)的原料气体及空气从第1启动燃烧室(4)流出，通过第4流道(16)流入自身热交换器(6)。并且，在自身热交换器(6)中，在第4流道(16)流动的原料气体与在第5流道(17)流动的部分氧化气体进行热交换。由此，在第4流道(16)流动的原料气体被加热。
加热了的原料气体，流入预先转化器(5)。并且，通过原料气体流通预先转化器(5)的触媒部分，引起包含在原料气体中的碳氢化合物和氧的部分氧化反应。
部分氧化反应的反应式，如下式所示。这个反应是发热反应。
…<1>
也就是，在预先转化器(5)的触媒部分，引起上述式子<1>的反应，从碳氢化合物及氧生成一氧化碳及氢气。
且，上述式子<1>，不只是进行从左边向右边的正向反应，也要考虑同时进行着从右边向左边的逆反应。但是，因为与逆方向反应相比正方向的反应多，可以认为是只进行着正方向的反应。
然而，即便使天然气通过脱硫器(3)，包含在天然气中的硫化物，并不能全部由脱硫器(3)除去。在此，因为预先转化器(5)的触媒部分具有吸附气体中的硫化物的性质，残存在原料气体中的硫化物，由于通过预先转化器(5)而除去。
接下来，由于流通预先转化器(5)而生成的含有一氧化碳及氢气的部分氧化气体，通过第5流道(17)流入燃料电池(7)的燃料室(39)。在此，因为上述式子<1>的反应是发热反应，部分氧化气体就具有热量。正因如此，通过部分氧化气体流通燃料室(39)，不仅燃料极(35)，还可以加热电解质(33)。
另一方面，流入第6流道(18)的空气，通过第6流道(18)流入燃料电池(7)的空气室(37)。并且，通过空气流通空气室(37)，不仅空气极(31)，还预热电解质(33)。
燃料电池(7)的预热，进行到燃料电池(7)的温度达到500℃。在此，燃料电池(7)的温度达到500℃的话，因为离子可以在电解质(33)中移动成为可能，所以就可以开始燃料电池(7)的发电。
接下来，从燃料室(39)排出的含有一氧化碳和氢气的燃料再循环气体，通过第7流道(19)流入第2流道(14)。并且，在第2流道(14)和第7流道(19)的合流点，燃料再循环气体与天然气混合。
还有，从燃料室(39)排出的含有一氧化碳和氢气的排出气体及从空气室(37)排出的排出气体流入燃烧机(9)。并且，在燃烧机(9)中，燃烧排出气体。
上述燃烧反应式如下式所示。
…<2>
…<3>
燃烧了的排出气体，通过第8流道(20)流入热交换器(11)，与在第3流道(15)流动的空气进行热交换。
在热交换器(11)流通的排出气体，通过第8流道(20)从排出口排出。
(发电的开始)接下来，继续燃料电池(7)的预热同时开始发电。且，本发明所称的启动运转，对应于燃料电池(7)的预热时间及发电开始时间。
在此，燃料电池(7)的温度达到500℃时，第1启动燃烧室(4)的运转就被停止。还有，这时，第1及第2电磁阀(21、22)处于开通状态。
通过在预先转化器(5)中流通生成的含有一氧化碳和氢气的部分氧化气体，通过第5流道(17)流入燃料电池(7)的燃料室(39)。
另一方面，空气，通过第3流道及第6流道(15、18)流入燃料电池(7)的空气室(37)。
接下来，详细说明燃料电池(7)的工作。
首先，进行空气室(37)内的氧在空气极(31)和电解质(33)的界面上离解成为氧离子的反应。
上述的反应式，如下式所示。
…<4>
氧离子通过电解质(33)向燃料极(35)一侧移动。
并且，在空气极(31)和电解质(33)的界面上，进行氧离子和燃料室(39)内的包含在部分氧化气体中的一氧化碳和氢气的反应生成二氧化碳和水蒸气的反应。
上述的反应式，如下式所述。
…<5>
…<6>
这时，从O2-放出的电子从燃料极(35)流入外部电路。并且，在外部电路释放电能进行发电。
再有，电子从外部电路流入空气极(31)，如上述式子<4>所示，在空气极(31)和电解质(33)的界面与空气室(37)内的氧反应形成氧离子。
还有，与上述了的部分氧化气体及空气所具有的热量一起，利用发电时产生的热量进行燃料电池(7)的预热。这个燃料电池(7)的预热，进行到燃料电池(7)的温度达到700℃～1000℃(工作温度)为止。在此，燃料电池(7)的温度达到700℃～1000℃的话，在电解质(33)中离子不滞留的移动，所以，可以开始后述的燃料电池发电系统的正常运转。
接下来，从燃料室(39)排出的含有二氧化碳、水、一氧化碳和氢气的燃料再循环气体，通过第7流道(19)流入第2流道(14)。并且，在第2流道(14)及第7流道(19)的合流点，燃料再循环气体与天然气混合。
(燃料电池发电系统的正常运转)接下来，进行燃料电池发电系统(1)正常运转。
燃料电池(7)的温度达到700℃～1000℃时，第1启动燃烧室(4)的运转处于停止状态。还有，这个时候，第1电磁阀(21)处于开通状态，而另一个电磁阀(22)被关闭。
天然气和燃料再循环气体混合的原料气体，通过第2及第4流道(14、16)流入预先转化器(5)。
接下来，详细说明预先转化器(5)的工作。
在预先转化器(5)的触媒部分，通过原料气体流通触媒部分，活跃地引起碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物与氢气反应生成甲烷的甲烷化反应，另一方面，碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物与水蒸气反应生成一氧化碳和氢气多少引起水蒸气的性质转变。且，甲烷化反应是在预先转化器(5)的触媒部分全部引起的，水蒸气的性质转化反应主要是在预先转化器(5)的入口(5a)一侧的触媒部分引起的。
甲烷化反应的反应式，如下式所示。这个反应是发热反应。
…<7>
在此，甲烷化反应中所用的氢气，是水蒸气性质转变反应生成的氢气及燃料再循环气体所含有的氢气。
水蒸气性质转变反应的反应式，如下式所示。这个反应是吸热反应。
…<8>
也就是，在预先转化器(5)的触媒部分，引起上述式子<7>及上述式子<8>的各个反应，碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物生成一氧化碳和氢气。
由于流通预先转化器(5)而生成的含有甲烷和水的燃烧气体，通过第5流道(17)流入燃料电池(7)的燃料室(39)。
另一方面，空气，通过第3流道及第6流道(15、18)流入燃料电池(7)的空气室(37)。
接下来，详细说明燃料电池(7)的工作。
在燃料室(39)中，通过包含在燃料极(35)内的镍(Ni)的触媒作用，进行甲烷和水蒸气反应生成一氧化碳和氢的水蒸气性质转变反应。
水蒸气性质转变反应的反应式，如下式所示。这个反应为吸热反应。
…<9>
以下，在燃料电池(7)中，引起与上述同样的电极反应，由此进行发电。
在本实施方式中，在燃料电池(7)启动时，因为部分氧化气体介于第4流道(16)提供给燃料室(39)，所以，利用部分氧化气体所具有的热量不仅可以预热燃料极(35)，也可以预热电解质(33)。并且，电解质(33)的温度只要达到500℃时，通过利用包含在部分氧化气体中的一氧化碳和氢气，可以在燃料电池(7)上引起电极反应开始发电。正因如此，可以在比燃料电池(7)的工作温度低的500℃的条件下开始发电。
还有，伴随着上述电极反应产生热量。因此，与部分氧化气体所具有的热量一起，可以利用伴随上述电极反应的热量预热电解质(33)。这样，就可以缩短燃料电池(7)的温度达到工作温度为止的时间。正因如此，可以实现缩短燃料电池(7)启动时间的意图。
还有，在燃料电池(7)启动时，因为自身热交换器(6)，进行流入预先转化器(5)之前的原料气体及空气和从预先转化器(5)排出的部分氧化气体进行热交换，通过部分氧化气体所具有的热量加热原料气体及空气。因此，可以放置由于原料气体及空气对预先转化器(5)的触媒部分的冷却。正因如此，在预先转化器(5)中，可以活跃地引起上述部分氧化反应。
还有，在预先转化器(5)启动时，从第1启动燃烧室(4)排出的燃烧气体通过第4流道(16)提供给预先转化器(5)，为此，通过燃烧气体所具有的热量预热预先转化器(5)。因此，由于可以使预先转化器(5)的温度达到400℃，在预先转化器(5)中就可以开始部分氧化反应。因此，只要根据本实施方式，就可以使预先转化器(5)启动。
还有，在燃料电池发电系统(1)的正常运转中，预先转化器(5)将原料气体中碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物，也就是C2H6、C3H8、C4H10等转化为CH4，在提供给燃料室(39)的燃烧气体中不包含碳原子个数为两个或者更多个的碳氢化合物。因此，燃烧气体中所含碳氢化合物主要是CH4，所以，即便是提供给燃料室(39)的水的量少的情况，也不用担心在燃料室(39)内析出碳。正因如此，在燃料电池发电系统(1)的正常运转中，可以防止燃料电池(7)的燃料室(39)内碳的析出。
—实施方式2—本实施方式所涉及的燃料电池发电系统(1)，是在发电开始前燃烧气体提供给空气室的。
如图2所示，本实施方式所涉及的燃料电池发电系统(1)，包括脱硫器(3)、第2启动用燃烧室(8)、预先转化器(5)、燃料电池(7)、燃烧机(9)、热交换器(11)、第9～第19流道(43、45、47、49、51、53、55、57、59、61、62)，第3～及第6电磁阀(63、65、67、69)及第1～第3鼓风机(23、24、25)等。并且，本发明的第2燃烧器由第2启动燃烧室(8)构成，第2燃烧气体供给器由第16及第17流道(57、59)构成。
第9流道(43)的一端(图2中右端)与脱硫器(3)的入口(3a)相连。
第10流道(45)的一端(左端)与脱硫器(3)的出口(3b)相连。
第11流道(47)的一端，在第10流道(45)中，与脱硫器(3)的出口(3b)和第3电磁阀(63)的中间相连。第11流道(47)的另一端，与第2启动燃烧室(8)的第1入口(8a)相连。
第12流道(49)的一端，与第2启动燃烧室(8)的第2入口(8b)相连。
第13流道(51)的一端，与燃料室(39)的再循环口(39b)相连。第13流道(51)的另一端，在第10流道(45)中，与第10流道及第14流道(53)的合流点和第3电磁阀(63)的中间相连。
第14流道(53)的一端(下端)，与第16流道(57)的中间相连。第14流道(53)的另一端，在第10流道(45)中，与第10流道及第13流道(51)的合流点和第15流道(55)的合流点的之间相连。
第15流道(55)的一端，在第12流道(49)中，与热交换器(11)和切换阀(71)的中间相连。第15流道(55)的另一端，在第10流道(45)中，与第10流道及第14流道(53)的合流点和预先转化器(5)的入口(5a)之间相连。
第16流道(57)的一端(左端)，与第2启动燃烧室(8)的出口(8c)相连，另一端与第17流道(59)的中途相连。
第17流道(59)的一端(下端)与切换阀(71)相连，另一端(上端)与空气室(37)的入口(37a)相连。
第18流道(61)的一端(左端)与燃烧机(9)相连，另一端(右端)与排出气体的排出口(图中未示)相连。
第19流道(62)的一端(左端)与预先转化器(5)的出口(5b)相连，另一端(右端)与燃料电池(7)的燃料室(39)的入口(39a)相连。
热交换器(11)内，第12流道(49)与第18流道(61)并行延伸。
第4电磁阀(65)，设置在第11流道(47)的中间，第5电磁阀(67)设置在第14流道(53)的中间，第6电磁阀(69)设置在第15流道(55)的中间。
切换阀(71)，设置在第12及第17流道(49、59)中的任何一方，构成为使在第12流道(49)上流通的空气流动。
在此，说明燃料电池发电系统(1)的工作。
(预先转化器的启动及空气极的预热)首先进行预先转化器(5)的启动及空气极的预热。
在此，当预先转化器(5)启动及空气极的预热时，第4及第5电磁阀(65、67)为开通状态。切换阀(71)，处于使第12流道(49)内空气流动的状态。还有，第2启动燃烧室(8)在运转。
除去了硫化物的天然气流出脱硫器(3)，通过第10及第11流道(45、47)流入第2启动燃烧室(8)。
另一方面，空气，通过第12流道(49)流入热交换器(11)。在热交换器(11)中，空气与燃烧机(9)燃烧的排出气体进行热交换。因此，空气得到加热。
加热后的空气，通过第12流道(49)流入第2启动燃烧室(8)。
并且，流入第2启动燃烧室(8)的天然气和空气，在第2启动燃烧室(8)中燃烧。
通过在第2启动燃烧室(8)中燃烧天然气和空气产生的燃烧气体，流出第2启动燃烧室(8)，通过第16流道(57)到达第14流道(53)及第16流道(57)的合流点。并且，在上述合流点，燃烧气体分别流入14流道(53)及第16流道(57)。
流入14流道(53)的燃烧气体，通过14及第10流道(53、45)流入预先转化器(5)。并且，通过燃烧气体流通预先转化器(5)，预先转化器(5)的触媒部分被预热。预先转化器(5)的触媒部分的预热，进行到触媒部分的温度达到400℃为止。
流通预先转化器(5)的燃烧气体流出预先转化器(5)，通过第5流道(17)流入燃料室(39)。
另一方面，流入第16流道(57)的燃烧气体，通过第16及第17流道(57、59)流入空气室(37)。并且，通过燃烧气体流通空气室(37)，不仅预热空气极(31)，也预热电解质(33)。
流通空气室(37)及燃料室(39)的燃烧气体流入燃烧机(9)。
(燃料电池的预热)接下来，进行燃料电池(7)的预热。
在此，预先转化器(5)的触媒部分的温度一达到400℃，第3、第4及第6电磁阀(63、65、69)被打开处于开通状态，第5电磁阀(67)处于开通状态。还有，这时，第2启动燃烧室(8)运转，切换阀(71)成为空气在第12流道(49)流动的状态。
首先，流出脱硫器(3)的天然气，通过第10流道(45)到达第10流道(45)及第10流道(45)和第11流道(47)的合流点。并且，在上述合流点，天然气分流向第10流道(45)和第11流道(47)。
流入第10流道(45)的天然气，通过第10流道(45)到达第10流道(45)及第13流道(51)的合流点。并且，上述合流点上，天然气与燃料再循环气体混合。
天然气与燃料再循环气体混合的原料气体，通过第10流道(45)到达第10流道(45)及第15流道(55)的合流点。并且，原料气体与上述流通第15流道(55)的空气混合。
原料气体及空气通过第10流道(45)流入预先转化器(5)。并且，通过原料气体及空气流通预先转化器(5)的触媒部分，引起上述的部分氧化反应。
通过流通预先转化器(5)生成的含有一氧化碳和氢气的部分氧化气体，通过第19流道(62)流入燃料电池(7)的燃料室(39)。并且，通过部分氧化气体流通燃料室(39)，不仅预热燃料极(35)，也预热电解质(33)。
另一方面，流入第11流道(47)的天然气，通过第11流道(47)流入第2启动燃烧室(8)。
还有，空气，通过第12流道(49)到达第12流道(49)及第15流道(55)的合流点。并且，在上述合流点，空气分别流入第12流道(49)及第15流道(55)。
流入第12流道(49)的空气，通过第12流道(49)流入第2启动燃烧室(8)。
在第2启动燃烧室(8)通过天然气及空气的燃烧生成的燃烧气体，从第2启动燃烧室(8)流出，通过第16及第17流道(57、59)流入空气室(37)。并且，通过燃烧气体流通空气室(37)，不仅预热空气极(31)，还预热电解质(33)。
燃料电池(7)的预热，进行到燃料电池(7)的温度达到500℃。
(发电的开始)接下来，继续燃料电池(7)的预热同时开始发电。
在此，燃料电池(7)的温度达到500℃时，第2启动燃烧室(4)的运转就被停止。还有，这时，第3及第6电磁阀(63、69)处于开通状态，第4及第5电磁阀(65、67)处于开通状态。还有，切换阀(71)，处于使空气流入第17流道(59)的状态。
天然气与燃料再循环气体混合的原料气体，通过第10流道(45)到达第10流道(45)及第15流道(55)的合流点。并且，在上述合流点，原料气体与上述流通第15流道(55)的空气混合。
原料气体及空气通过第10流道(45)流入预先转化器(5)。并且，通过原料气体及空气流通预先转化器(5)的触媒部分，引起部分氧化反应。
通过流通预先转化器(5)生成的含有一氧化碳和氢气的部分氧化气体，通过第19流道(62)流入燃料电池(7)的燃料室(39)。
另一方面，空气通过第12及第17流道(49、59)流入空气室(37)。
以下，在燃料电池(7)中，引起与上述相同的电极反应，由此进行发电。
还有，与上述了的部分氧化气体及空气所具有的热量一起，利用发电时产生的热量进行燃料电池(7)的预热。这个燃料电池(7)的预热，进行到燃料电池(7)的温度达到700℃～1000℃为止。
且，本发明所称的电极反应开始，对应于发电开始时。
(燃料电池发电系统的正常运转)接下来，进行燃料电池发电系统(1)d正常运转。
在此，燃料电池(7)的温度达到700℃～1000℃时，第2启动燃烧室(8)的运转处于停止状态。还有，这个时候，第3电磁阀(63)处于开通状态，而第4、第5及第6电磁阀(65、67、69)处于被开通状态。再有，切换阀(71)，处于使空气在第17流道(59)流动的状态。
天然气与燃料再循环气体混合的原料气体，通过第10流道(45)流入预先转化器(5)。并且，在预先转化器(5)中，引起与上述同样的甲烷化反应。
通过流通预先转化器(5)生成的含有甲烷和水的燃烧气体，通过第19流道(62)流入燃料室(39)。
另一方面，空气，通过第12及第17流道(49、59)流入空气室(37)。
以下，在燃料电池(7)中，引起与上述相同的水蒸气性质转变反应及电极反应，由此进行发电。
在本实施方式中，在开始发电以前，因为燃烧气介于第16及第17流道(57、59)提供给空气室(37)，所以，利用燃烧气体所具有的热量不仅可以加热空气极(31)，也可以加热电解质(33)。因此，与部分氧化气体所具有的热量一起，可以利用燃烧气体所具有的热量预热电解质(33)。这样，就可以缩短燃料电池(7)的温度达到工作温度为止的时间。正因如此，可以实现缩短燃料电池(7)启动时间的意图。
—实施方式3—本实施方式所涉及的燃料电池发电系统，是在燃料电池(7)启动时，将与燃烧气体进行热交换的空气提供给预先转化器(5)及空气室。
如图3所示，本实施方式所涉及的燃料电池发电系统(1)，包括脱硫器(3)、第3启动用燃烧室(12)、预先转化器(5)、燃料电池(7)、燃烧机(9)、第1及第2热交换器(93、95)、第20～第29流道(73、75、77、79、81、83、85、87、89、91)、第7～及第10电磁阀(97、99、101、103)及第1～第3鼓风机(23、24、25)等。并且，本发明的第3燃烧器由第3启动燃烧室(12)构成，含氧气体供给器由第21、第25及第27流道(75、83、87)构成，第2热交换器由第1热交换器(93)构成。
第20流道(73)的一端(图3中右端)与脱硫器(3)的入口(3a)相连。
第21流道(75)的一端(左端)与脱硫器(3)的出口(3b)相连。另一端(右端)与预先转化器(5)的入口(5a)相连。
第22流道(77)的一端，在第21流道(75)中，与脱硫器(3)的出口(3b)和第7电磁阀(97)的中间相连。第22流道(77)的另一端，与第3启动燃烧室(12)的第1入口(12a)相连。
第23流道(79)的一端，与第3启动燃烧室(12)的第2入口(12b)相连。
第24流道(81)的一端，与燃料室(39)的再循环口(39b)相连。第24流道(81)的另一端，在第21流道(75)中，与第21流道(75)及第25流道(83)的合流点和第7电磁阀(97)的中间相连。
第25流道(83)的一端，在第23流道(79)中，与第2热交换器(95)和第10电磁阀(103)的中间相连。第23流道(79)的另一端，在第10流道(45)中，与第21流道(75)及第24流道(81)的合流点和预先转化器(5)的入口(5a)之间相连。
第26流道(85)的一端(左端)，与预先转化器(5)的出口(5b)相连，另一端(右端)与燃料室(39)的入口(39a)相连。
第27流道(87)的一端，在第25流道(83)中，与第9电磁阀(101)和第1热交换器(93)的中间相连。第27流道(87)的另一端与空气室(37)的入口(37a)相连。
第28流道(89)的一端与第3启动燃烧室(12)的出口(12c)相连，另一端与燃料气体的排出口(图中未示)相连。
第29流道(91)的一端(左端)与燃烧机(9)相连，另一端(右端)与燃料气体的排出口(图中未示)相连。
第1热交换器(93)内，第25流道(83)与第28流道(89)并行延伸。
第2热交换器(95)内，第23流道(79)与第29流道(91)并行延伸。
第8电磁阀(99)，设置在第22流道的中间。第9电磁阀(101)，在第25流道(83)中，设置在第25流道(83)及第27流道(87)的合流点和第25流道(83)及第21流道(75)的合流点之间。
在此，说明燃料电池发电系统(1)的工作。
(预先转化器的启动及空气极的预热)首先进行预先转化器(5)的启动及空气极(31)的预热。
在预先转化器(5)启动及空气极的预热时，第8、第9及第10电磁阀(99、101、103)为开通状态，第7电磁阀(97)为关闭状态。还有，第3启动燃烧室(12)在运转。
除去了硫化物的天然气流出脱硫器(3)，通过第21及第22流道(75、77)流入第3启动燃烧室(12)。
另一方面，空气，通过第23流道(79)流入第2热交换器(95)。并且，在第2热交换器(95)中，空气与燃烧机(9)燃烧的排出气体进行热交换。因此，空气得到加热。
加热后的空气，通过第23流道(79)到达第23流道(79)及第25流道(83)的合流点。并且，在上述合流点，空气分流到第23流道(79)和第25流道(83)。
流入第23流道(79)的空气，通过第23流道(79)流入第3启动燃烧室(12)。
另一方面，流入第25流道(83)的空气，通过第25流道(83)流入第1热交换器(93)。
流入第3启动燃烧室(12)的天然气及空气，在第3启动燃烧室(12)燃烧。
通过在第3启动燃烧室(12)中燃烧天然气和空气生成的燃烧气体，流出第3启动燃烧室(12)，通过第28流道(89)流入第1热交换器(93)。并且，在第1热交换器(93)，进行在第25流道(83)流动的空气和在第28流道(89)燃烧气体的热交换。由此加热空气。
加热了的空气，通过第25流道(83)到达第25流道(83)及第27流道(87)的合流点。并且，在上述合流点，空气分流到第25流道(83)和第27流道(87)。
流入第25流道(83)的空气，通过25及第21流道(83、75)流入预先转化器(5)。并且，通过空气流通预先转化器(5)，预先转化器(5)的触媒部分被预热。预先转化器(5)的触媒部分的预热，进行到触媒部分的温度达到400℃为止。
流通预先转化器(5)的燃烧气体流出预先转化器(5)，通过第26流道(85)流入燃料室(39)。
另一方面，流入第27流道(87)的空气，通过第27流道(87)流入空气室(37)。并且，通过空气流通空气室(37)，不仅预热空气极(31)，也预热电解质(33)。
从空气室(37)及燃料室(39)排出的空气，通过燃烧机(9)及第29流道(91)从排出口排出。
另一方面，燃烧气体流出第1热交换器(93)，通过第28流道(89)从排出口排出。
(燃料电池的预热)接下来，进行燃料电池(7)的预热。
在此，预先转化器(5)的触媒部分的温度一达到400℃，所有的电磁阀(97、99、101、103)都处于开通状态。还有，第3启动燃烧室(12)运转。
流出脱硫器(3)的天然气，通过第21流道(75)到达第21流道(75)及第22流道(77)的合流点。并且，在上述合流点，天然气分流向第21流道(75)和第22流道(77)。
流入第21流道(75)的天然气，通过第21流道(75)到达第21流道(75)及第24流道(81)的合流点。并且，在上述合流点上，天然气与燃料再循环气体混合。
天然气与燃料再循环气体混合的原料气体，通过第21流道(75)到达第21流道(75)及第25流道(83)的合流点。并且，在上述合流点上，原料气体与流通第25流道(83)的空气混合。
混合的原料气体及空气，通过第21流道(75)流入预先转化器(5)。并且，通过原料气体及空气流通预先转化器(5)的触媒部分，引起上述的部分氧化反应。
通过流通预先转化器(5)生成的含有一氧化碳和氢气的部分氧化气体，通过第26流道(85)流入燃料室(39)。并且，通过部分氧化气体流通燃料室(39)，不仅预热燃料极(35)，也预热电解质(33)。
另一方面，流入第27流道(87)的空气，通过第27流道(87)流入空气室(37)。并且，通过空气流通燃料室(39)，不仅预热燃料极(35)，也预热电解质(33)。
燃料电池(7)的预热，进行到燃料电池(7)的温度达到500℃。
(发电的开始)接下来，继续燃料电池(7)的预热同时开始发电。
在此，燃料电池(7)的温度达到500℃时，第3启动燃烧室(12)的运转就被停止。还有，这时，第7及第9电磁阀(97、101)处于开通状态，第8及第10电磁阀(99、103)处于关闭状态。
混合的原料气体及空气通过第21流道(75)流入预先转化器(5)。并且，通过原料气体及空气流通预先转化器(5)的触媒部分，引起上述的部分氧化反应。
通过流通预先转化器(5)生成的含有一氧化碳和氢气的部分氧化气体，通过第26流道(85)流入燃料电池(7)的燃料室(39)。
另一方面，流入第27流道(87)的空气，通过第27流道(87)流入空气室(37)。
以下，在燃料电池(7)中，引起与上述相同的电极反应，由此进行发电。
还有，与上述了的部分氧化气体及空气所具有的热量一起，利用发电时产生的热量进行燃料电池(7)的预热。这个燃料电池(7)的预热，进行到燃料电池(7)的温度达到700℃～1000℃为止。
(燃料电池发电系统的正常运转)接下来，进行燃料电池发电系统(1)的正常运转。
燃料电池(7)的温度达到700℃～1000℃时，第3启动燃烧室(12)的运转处于停止状态。还有，这个时候，第7电磁阀(97)处于开通状态，而第8、第9及第10电磁阀(99、101、103)处于关闭状态。
天然气与燃料再循环气体混合的原料气体，通过第21流道(75)流入预先转化器(5)。并且，在预先转化器(5)中，引起与上述同样的甲烷化反应。
通过流通预先转化器(5)生成的含有甲烷和水的燃烧气体，通过第19流道(62)流入燃料室(39)。
另一方面，空气，通过第23及第27流道(79、87)流入空气室(37)。
以下，在燃料电池(7)中，引起与上述相同的水蒸气性质转变反应及电极反应，由此进行发电。
然而，燃烧原料气体及空气的话，由于原料气体所含碳氢化合物的燃烧有产生水和煤灰的情况。由此，若将上述燃烧气体提供给燃料室(39)及空气室(37)的话，由于燃烧气体所包含的水及煤灰就有可能劣化燃料极(35)及空气极(31)。
在本实施方式中，第1热交换器(93)，使流动在第28流道(89)的燃烧气体与流动在第25流道(83)的空气进行热交换，且，由第1热变换器(93)加热的空气，通过第25及第21流道(83、75)，在预先转化器(5)启动时及燃料电池(7)启动时，提供给预先转化器(5)的同时，加热的空气，还介于第25及第27流道(83、87)提供给空气室(37)。由此，包含在燃烧气体中的水及煤灰就不会提供给燃料极(35)及空气极(31)。正因如此，可以防止燃料极(35)及空气极(31)由于水和煤灰而引起的劣化。
还有，由第1热交换器(93)加热了的空气，在预先转化器(5)启动时及燃料电池(7)启动时，通过第25及第21流道(83、75)，提供给预先转化器(5)的同时，加热的空气还介于第25及第27流道(83、87)提供给空气室(37)。由此，在利用部分氧化气体所具有的热量的同时，还可以利用第1热交换器(93)加热的空气所具有的热量加热电解质(33)。这样，就可以更加缩短燃料电池(7)的温度达到工作温度为止的时间。正因如此，可以实现缩短燃料电池(7)启动时间的意图。
且，在本实施方式中，由第1热交换器(93)加热的空气提供给了预先转化器(5)及空气室(37)双方，但只要至少提供给预先转化器(5)及空气室(37)的其中之一即可。
—其他实施方式—上述各个实施方式中，预先转化器(5)的触媒部分中使用了钌(Ru)、铑(Rh)等贵金属，但是使用镍(Ni)系触媒亦可。
上述各个实施方式中，作为原料气体使用了天然气，但是，原料气体只要是天然气、甲醇、粗汽油及含一氧化碳的煤气等均可。
上述各个实施方式中，燃料电池是由内部转化式固体电解质型燃料电池(7)构成的，但是，在燃料电池内不发生上述水蒸气性质转变反应的固体电解质型燃料电池亦可。
—产业上利用的可能性—如以上所述，本发明所涉及的燃料电池发电系统，对于具有固体电解质型燃料电池的是有用的，特别是，适合于实现缩短固体电解质型燃料电池的启动时间的意图。
权利要求
1.一种燃料电池发电系统，其特征为包括使含有氧的含氧气体和原料气体流通的，具有使包含在上述原料气体中的碳氢化合物部分地氧化的触媒部分的转化器(5)；设置在该转化器(5)流出一侧的，且具有接收含有由于使上述原料气体及含氧气体流过上述转化器(5)而生成氢的部分氧化气体的燃料极(35)、接收含有氧的含氧气体的氧极(31)、以及介于上述燃料极(35)和上述氧极(31)之间的电解质(33)的电池主体的，还在上述燃料极(35)、上述氧极(31)及上述电解质(33)上进行上述部分氧化气体和上述含氧气体的电极反应的固体电解质型燃料电池(7)。
2.一种燃料电池发电系统，其特征为是包括具有若使原料气体流通，在氢存在的条件下包含在上述原料气体中碳原子个数为为两个或者更多个的碳氢化合物转变为甲烷，同时使含有氧的含氧气体和上述原料气体流通而将包含在上述原料气体中的碳氢化合物部分地氧化的触媒部分的转化器(5)，和设置在上述转化器(5)流出一侧的，具有接收含有氢的含氢气体的燃料极(35)、接收含有氧的含氧气体的氧极(31)、以及介于上述燃料极(35)和上述氧极(31)之间的电解质(33)的电池主体的，且在上述燃料极(35)、上述氧极(31)及上述电解质(33)上使上述含氢气体和上述含氧气体发生电极反应的固体电解质型燃料电池(7)的燃料电池发电系统；其进行通过使上述原料气体及含氧气体在上述转化器(5)的触媒部分流通，同时将包含通过上述原料气体及含氧气体在上述转化器(5)中流通而生成氢的部分氧化气体作为上述含氢气体提供给上述燃料极(35)的启动运转；使上述原料气体在上述转化器(5)的触媒部分中流通，同时将含有通过使上述原料气体在上述转化器(5)的触媒部分中流通而生成甲烷的燃料气体提供给上述燃料极(35)的正常运转。
3.根据权利要求1或者2所述的燃料电池发电系统，其特征为包括使流入上述转化器(5)之前的原料气体及含氧气体与从上述转化器(5)排出的部分氧化气体进行热交换的第1热交换器(6)。
4.根据权利要求1或者2所述的燃料电池发电系统，其特征为包括在启动上述转化器(5)时使原料气体及含氧气体燃烧的第1燃烧器(4)；将在该第1燃烧器(4)上通过燃烧上述原料气体及含氧气体而生成的燃烧气体提供给上述转化器(5)，加热上述转化器(5)的第1燃烧气体供给器(16)。
5.根据权利要求1或者2所述的燃料电池发电系统，其特征为包括在上述电极反应开始之前，使原料气体及含氧气体燃烧的第2燃烧器(8)；将在该第2燃烧器(8)中使上述原料气体及含氧气体燃烧而生成的燃烧气体提供给上述氧极(31)，加热上述氧极(31)的第2燃烧气体供给器(57、59)。
6.根据权利要求1或者2所述的燃料电池发电系统，其特征为包括使原料气体及第1含氧气体燃烧的第3燃烧器(12)；将在该第3燃烧器(12)中使上述原料气体及第1含氧气体燃烧而生成的燃烧气体与不同于上述第1含氧气体的第2含氧气体进行热交换的第2热交换器(93)；将由该第2热交换器(93)加热了的第2含氧气体提供给上述转化器(5)及上述氧极(31)的其中之一或者是双方的含氧气体供给器(75、83、87)。
全文摘要
燃料电池发电系统(1)，由脱硫器(3)、预先转化器(5)及内部转化式固体电解质型燃料电池(7)等构成。燃料电池(7)，由空气极(31)、电解质(33)、燃料极(35)、空气室(37)、燃料室(39)、及外部电路等构成。预先转化器(5)，在内部转化式固体电解质型燃料电池(7)的启动时，在使天然气流通的脱硫器(3)中使空气等流通，通过部分地氧化天然气中的碳氢化合物生成含有一氧化碳及氢气的部分氧化气体。部分氧化气体提供给燃料室(39)。
文档编号H01M8/04GK1679198SQ0382055
公开日2005年10月5日 申请日期2003年8月27日 优先权日2002年8月28日
发明者松井伸树, 川添政宣, 米本和生 申请人:大金工业株式会社