CN101420040B - 燃料电池系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本申请的燃料电池系统，具备提供原料气体的原料气体供给装置、将原料气体重整为富氢的含氢气体的重整装置、燃料电池、使原料气体或含氢气体燃烧，将热提供给重整装置的燃烧装置、将原料气体供给装置、重整装置、燃料电池以及燃烧装置依次连通的连通通路、以及控制装置；在燃料电池运行非常停止时，到下一次的燃烧装置的点火动作为止，控制装置控制原料气体供给装置，进行将原料气体提供给包含重整装置以及从重整装置到燃烧装置的连通通路构成的含氢气体流路的至少一部分的原料气体供给处理。本申请的燃料电池系统能够抑制燃料电池系统的设备成本和设置空间的增大，而且能够避免在非常停止状态下燃烧装置点火时发生异常燃烧。

Description

燃料电池系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其运行方法，特别是涉及具备具有燃烧装置的重整装置的燃料电池系统及其运行方法。
背景技术
燃料电池的燃料，通常使用富氢气体(以下称为“含氢气体”)。这种含氢气体主要利用碳氢化合物原料气体与水蒸气的水蒸气重整反应生成。生成这种含氢气体的重整装置(氢生成装置)通常由重整器、转化器以及选择氧化器构成。而且，这种水蒸气重整反应利用催化作用进行，因此这种重整装置具有燃烧器等燃烧装置，在发生水蒸气的同时将原料气体等加热到催化剂反应温度。
而且燃料电池系统通常利用连通通路依序连接原料气体供给装置、重整装置、燃料电池、以及燃烧装置构成。借助于此，原料气体成为含氢气体，在燃料电池中提供电化学反应，从燃料电池排出的剩余的含氢气体作为燃烧装置得到有效使用。
而且在例如专利文献1，提出了如下所述的技术方案，即在燃料电池停止时，使燃料电池系统内流通不活泼气体等。借助于这一停止处理，在燃料电池系统内残留的含氢气体能够得到清除(清除处理)。作为这种清除处理，通常是采用对重整装置内提供不活泼气体(例如氮气)。又将为生成含氢气体用的城市煤气等原料气体提供给重整器等燃料电池系统，以原料气体清除燃料电池系统内的含氢气体，利用原料气体密封燃料电池系统内的方法。
专利文献1：日本国特开2003-229156号公报
发明内容
但是，用于供给不活泼气体的设备导致燃料电池系统设备的成本和设置空间的增大。而且在专利文献1所述的燃料电池系统中，由于停电和燃料电池系统的故障、错误动作等某种原因，不能够进行上述通常的停止处理的情况下(即燃料电池系统“非常停止”，处于非通常状态的情况下)，例如燃料电池系统内保持残留的含氢气体，理应将燃料电池系统加以密封的调整阀等保持打开状态的情况下，燃料电池系统形成对大气开放的状态。
从而，在非通常状态的情况下，随着燃料电池系统内温度的下降，在燃料电池系统内残留的含氢气体的温度降低，体积收缩，空气侵入燃料电池系统内，空气中的氧气与含氢气体中的氢气形成混合状态。而且在燃料电池系统再度启动时在燃烧装置的燃烧器等进行燃烧之际，有可能在燃料电池系统内发生逆火等，在燃料电池内发生异常燃烧，损伤连通通路、重整装置、燃料电池等。
本发明是为解决上述存在问题而造成的，其目的在于，提供能够避免燃料电池系统的设备成本和设备空间的增大和不必要原料气体供应，而且能够避免在非通常状态的情况下燃烧装置点火时发生异常燃烧的燃料电池系统以及其运行方法。
为了解决上述存在问题，本申请提供的燃料电池系统，具有提供原料气体的原料气体供给装置、将原料气体重整为富氢的含氢气体的重整装置、燃料电池、使所述原料气体或所述含氢气体燃烧，将热提供给所述重整装置的燃烧装置、将所述原料气体供给装置、所述重整装置、所述燃料电池以及所述燃烧装置依次连通的连通通路、以及控制装置；其特征在于，在所述燃料电池系统非常停止情况下，所述控制装置到下一次的所述燃烧装置的点火动作为止，控制所述原料气体供给装置，进行将所述原料气体提供给包含所述重整装置以及从所述重整装置到所述燃烧装置的所述连通通路构成的含氢气体流路的至少一部分的原料气体供给处理。采用这样的结构时，由于不必设置不活泼气体供给装置，能够抑制燃料电池系统的设备成本和设置空间的增大，而且能够避免在非常停止状态下燃烧装置点火时发生异常燃烧。而且由于对燃料电池系统的状态进行判别，能够避免不必要的原料气体供应，同时能够避免燃烧装置点火时发生异常燃烧。
又，所谓含氢气体流路是指从重整装置出发绕过燃料电池到达燃烧装置的含氢气体流过的流路，或从重整装置出发经过燃料电池到达燃烧装置的含氢气体流过的流路。
本申请的燃料电池系统，也可以所述控制装置至少在下一次所述燃烧装置的点火动作快要开始之前进行所述原料气体供给处理。采用这样的结构时，在燃料电池系统非常停止状态的情况下，在燃料装置的点火动作快要开始之前用原料气体进行原料气体供给处理，因此能够更可靠防止燃烧装置在进行点火动作时发生异常燃烧。
本申请的燃料电池系统，也可以所述控制装置至少在所述燃料电池的运行停止期内进行所述原料气体供给处理。采用这样的构成时，在燃料电池的运行停止期内，在燃料电池系统非常停止状态的情况下，用原料气体进行原料气体供给处理，因此能够减少或清除在燃料电池停止之后的早期侵入含氢气体流路的空气。
本申请的燃料电池系统，也可以所述控制装置在所述原料气体供给处理中提供至少与所述含氢气体流路的流路容积相当的量的所述原料气体。采用这样的结构时，能够提供给减小侵入含氢气体流路的空气的浓度或清除所需要的数量的原料气体。
本申请的燃料电池系统，也可以在所述燃料电池系统非常停止的情况下，所述控制装置在下一次的所述燃烧装置的点火动作时延长该点火动作的时间。即使是借助于原料气体供给处理，减少侵入含氢气体流路的空气中的氧，含氢气体中的氢气的浓度在可燃范围的上限以上，只要没有完全清除侵入的空气，残留空气中的氮气等不能燃烧的气体成份，就可能妨碍燃烧装置的点火。因此，从燃烧装置中排出该残留气体直到燃烧装置点火需要时间，有可能陷入燃烧装置点火不顺利的情况。但是，如果采用这样的结构，则不会检测出这样的点火不顺利的情况，能够顺利进行燃料电池的启动。
本申请的燃料电池系统，也可以具备连接所述重整装置和所述燃料电池间的连通通路与所述燃料电池与所述燃烧装置间的连通通路的分叉路；所述的原料气体供给处理包含将所述燃料电池与所述燃料电池系统隔离的燃料电池隔离动作，以及在该燃料电池隔离动作之后，进行将所述原料气体提供给从所述重整装置经所述分叉路到所述燃烧装置的路径的原料气体供给动作。采用这样的结构时，在燃料电池系统的通常状态下，包含水蒸气的含氢气体保持充满燃料电池的状态，因此高分子电解质膜保持湿润状态，能够抑制高分子电解质型燃料电池的性能劣化。
本申请的燃料电池系统，也可以具有在所述原料气体供给装置与所述重整装置间的所述连通通路上配设的第1阀门、在所述燃料电池与所述燃烧装置间的所述连通通路上配设的第2阀门、在所述燃料电池与所述第2阀门间的所述连通通路上配设的第3阀门、连接所述重整装置和所述燃料电池间的连通通路与所述第3阀门和所述第2阀门间的连通通路的分叉路、以及在所述重整装置和所述燃料电池间的连通通路与所述分叉路的接合部上配设的三通阀；在所述原料气体供给处理中，最好是含有控制所述第3阀门和所述三通阀，将所述燃料电池从所述燃料电池系统隔离的燃料电池隔离动作、在该燃料电池隔离动作之后，控制所述第1阀门及第2阀门与所述原料气体供给装置，将所述原料气体提供给除了所述隔离的部分的所述连通通路、所述分叉路、所述重整装置、以及所述燃烧装置内的原料气体供给动作。采用这样的结构时，能够将有可能包含空气的残留气体减少，或将其清除，使其不流向燃料电池，因此能够抑制由于可能包含空气的残留气体的流通引起的燃料电池性能的劣化。
本申请的燃料电池系统，也可以所述原料气体供给处理含有将所述原料气体提供给从所述重整装置经过所述燃料电池到所述燃烧装置的路径的原料气体供给动作。本申请的燃料电池系统，也可以所述燃烧装置具备空气供给装置；在所述原料气体供给处理中，所述控制装置控制所述空气供给装置，稀释从所述燃烧装置流出的废气的浓度使其为可燃浓度以下。采用这样的结构时，能够抑制在燃烧装置的排气侧废气意外发生异常燃烧的可能性。
本申请还提供一种燃料电池系统的运行方法，具有供给原料气体的原料气体供给装置、将原料气体重整为富氢的含氢气体的重整装置、燃料电池、燃烧所述原料气体或含氢气体，将热提供给所述重整装置的燃烧装置、以及将所述原料气体供给装置、所述重整装置、所述燃料电池以及所述燃烧装置依次连通的连通通路，其特征在于在所述燃料电池系统非常停止的情况下，到下一次的所述燃烧装置的点火动作为止，利用所述原料气体供给装置，将所述原料气体提供给包含所述重整装置以及从所述重整装置到所述燃烧装置的所述连通通路构成的含氢气体流路的至少一部分的原料气体供给步骤。这样进行运行时，燃料电池系统不使用不活泼气体就能够避免在燃烧装置点火时发生异常燃烧。而且该运行方法由于对燃料电池系统的状态进行判别，能够避免不必要的原料气体供应，而且能够避免在燃烧装置点火时发生异常燃烧。
本发明的上述目的、其他目的、特征、优点，在参照附图对下述理想的实施形态进行的详细说明中能够更清楚了解。
如果采用本发明的燃料电池发电系统及其运行方法，则能够避免燃料电池系统的设备成本和设置空间的增大和不必要的原料气体的供应，而且能够避免在非常停止状态的情况下燃烧装置点火时发生异常燃烧。
附图说明
图1是实施形态1的燃料电池系统的概略结构的示意图。
图2是实施形态1的燃料电池系统的燃料电池启动时的动作的例子的流程图。
图3是实施形态2的燃料电池系统的燃料电池运行停止时的动作例的流程图。
符号说明
1    原料气体供给装置
2    水供给装置
3    重整装置
3A   重整器
3B   转化器
3C   选择氧化器
4    燃料电池
4A    (阳极气体流路)入口
4B    (阳极气体流路)出口
5     燃烧装置
5A    主体
5B    空气供给装置
6A～6E    连通通路
6F、6G    分叉路
7     氧化剂气体供给装置
9     水蒸气发生器
10    第1阀
11    第2阀
12    第3阀
13    对大气开放装置
14    三通阀
14A   第1阀口
14B   第2阀口
14C   第3阀口
15    第4阀
20    控制装置
20A   控制部
20B   存储部
20C   备用电源部
P     第1流路
Q     第2流路
S1～24  步骤
S100、S200  原料气体供给步骤
具体实施方式
下面参照附图对实施本发明的最佳实施形态进行说明。
实施形态1
图1是实施形态1的燃料电池系统的概略结构的示意图。燃料电池系统具备原料气体供给装置1、水供给装置2、重整装置3、燃料电池4、燃烧装置5、连通通路6A～6E、分叉路6F、6G、水蒸气发生器9、第1～第3阀10、11、12、对大气开放装置13、三通阀14、第4阀14、以及氧化剂气体供给装置7。
原料气体供给装置1是配设为能够对连通通路6A供给原料气体的装置。在这里，原料气体采用城市煤气(天然气)(未图示)。而且原料气体供给装置1由与城市煤气基础设施连接的泵构成。又具备针型阀等流量调节构件，以此形成能够调整原料气体的供给流量的结构。还有，原料气体供给装置1也可以使用钢瓶等充有原料气体的机构。还有，这种原料气体只要是至少包含碳和氢构成的有机化合物即可，不限定于上述城市煤气。
水供给装置2是配设为能够对水蒸气发生器9提供水的装置。水供给装置2在这里利用(未图示的)柱塞泵构成。又具备电磁阀的流量调节构件，借助于此，形成能够供给水或切断水的构成。
连通通路6A将原料气体供给装置1与重整装置3加以连接。还有，连通通路6A～6E，分叉路6F、以及分叉路6G相对于原料气体和含氢气体具有耐蚀性，而且用对这些气体供给压力有耐压性的配管构成。
水蒸气发生器9形成能够利用燃烧装置5的燃烧热，使水汽化变成水蒸气的结构。而且在水蒸气发生器9发生的水蒸气被提供给流通通路6A的原料气体，形成能够在原料气体中混合水蒸气的结构。还可以形成在水蒸气发生器9发生的水蒸气能够在重整器3A内混合于原料气体的结构。
重整装置3形成具有重整器3A、转化器3B、选择氧化器3C、以及流通通路6B、6C的结构。
连通通路6B将重整器3A与转化器3B加以连接。
连通通路6C将转化器3B与选择氧化器3C加以连接。
重整器3A形成能够利用催化作用使混合水蒸气的原料气体发生水蒸气重整反应，将原料气体重整为含氢气体的结构。通常采用镍系、钌系、铑系等催化剂。
转化器3B形成能够利用催化作用使含氢气体中的一氧化碳发生转化反应(主要是shift反应；即转移反应)的结构。通常采用铂金系、铜-锌系催化剂。
选择氧化器3C形成能够利用催化作用使含氢气体中的一氧化碳发生选择氧化反应的结构。通常采用铂金系、钌系催化剂。又，选择氧化器3C形成能够提供选择氧化反应所需要的作为氧化气体的空气的结构(未图示)。例如为了对选择氧化器3C内提供空气，配设空气泵和空气流路。
而且，重整器3A上连接着连通通路6A，经过该连通通路，从原料气体供给装置1向重整器3A提供原料气体。又，选择氧化器3C上连接着连通通路6D，经过该连通通路，从选择氧化器3C向燃料电池4提供含氢气体。
连通通路6D将重整装置3与燃料电池4加以连接。
燃料电池4由高分子电解质型燃料电池构成。而且燃料电池4的入口4A、更正确地说，燃料电池4的阳极气体流路的入口4A上连接着连通通路6D，经过该连通通路，将含氢气体从选择氧化器3C向燃料电池4提供。而且，燃料电池4的阳极气体流路的出口4B上连接着连通通路6E，经过该连通通路，从燃料电池4放出的剩余的含氢气体被提供给燃烧装置5。
连通通路6E将燃料电池4与燃烧装置5加以连接。
燃烧装置5形成具备主体5A和空气供给装置5B的结构。主体5A与重整器3A并设，空气供给装置5B形成能够对主体5A供给空气的结构。又，在主体5A上连接连通通路6E，经过该通路提供含氢气体或原料气体。而且在主体5A内含氢气体或原料气体与空气混合，利用未图示的点火装置点火进行燃烧。借助于此，能够将水蒸气重整反应所需要的热提供给重整器3A，而且能够将水的汽化所需要的热量提供给水蒸气发生器9。而且，燃烧后的燃烧废气从主体5A被排放到大气中。
在这里，点火装置使用点火火花塞等放电火花发生装置。而且，燃烧装置5的点火动作利用对放电火花发生装置通电的动作实施，点火动作时间的延长可以通过对放电火花发生装置延长通电时间进行。而且为了防止放电火花发生装置的电极之间发生熔敷等不良情况的发生，在延长点火动作时间的情况下，最好是采用能够将通电时间分割为多段的延长通电时间的结构。还有，点火装置不限于放电火花发生装置，可以使用其他一般使用的点火装置，可以相应于这些点火装置延长点火动作时间。
空气供给装置5B使用能够调整流量的公知的供给装置。在这里，采用西洛克风扇。又，西洛克风扇形成能够通过调节转速来调整供应流量的结构。
第1阀10是电磁阀，是在驱动电源停止时关闭的所谓常闭型电磁阀。而且配设于连通通路6A上。
第2阀11是电磁阀，是在驱动电源停止时关闭的所谓常闭型电磁阀。而且配设于连通通路6E上。
第3阀12是电磁阀，是在驱动电源停止时打开的所谓常开型电磁阀。而且配设于燃料电池4与第2阀11之间的连通通路6E上。
对大气开放装置13配设于第3阀12与第2阀11之间的连通通路6E上，通常将连通通路6E与大气隔断。但是，对大气开放装置13在连通通路6E的内压上升，与大气压之间的压差达到规定值以上的情况下，将连通通路6E对大气开放，使其维持对大气开放的状态。在这里采用利用贮水箱将连通通路6E加以密封的水密封式对大气开放装置。也就是通常借助于贮存的水的水头，切断连通通路6E与大气的通路。而且在连通通路6E的内压上升的情况下，利用大气压与连通通路6E内的压差，贮水箱内的水溢流排出，连通通路6E变成对大气开放，失去密封功能。而且维持对大气开放的状态。又形成能够利用未图示的注水装置使水密封式的对大气开放装置能够回到密封状态的结构。还有，对大气开放的装置13也可以使用压力逃逸阀与真空破坏阀的组合等其他装置。
三通阀14配设于连通通路6D上。而且三通阀14能够在图中第1流路P与第2流路Q之间切换。在这里，第1流路P将第1阀口14A与第2阀口14B加以连接，将重整装置3一侧的连通通路6D与燃料电池4一侧的连通通路6D加以连接。又，第2流路Q将第1阀口14A与第3阀口14C加以连接，将重整装置3一侧的连通通路6D与分叉路6F加以连接。还有，三通阀也可以利用在各通路上配设的三个阀构成的流路切换装置代替。
分叉路6F配设为能够连接三通阀14的第3阀口14C、第3阀12以及第2阀11之间的连通通路6E。借助于此，形成能够将三通阀14切换到第2流路Q，以此构成含氢气体绕过燃料电池4的旁通电路。
分叉路6G配设为能够连接原料气体供给装置1和第1阀10之间的连通通路6A与三通阀14和燃料电池4之间的连通通路6D。
第4阀15是在驱动电源停止时关闭的所谓常闭型电磁阀。配置于分叉路6G上。
氧化剂气体供给装置7配设为能够对燃料电池4提供作为氧化剂气体的空气，氧化剂气体供给装置7使用鼓风机。又，鼓风机形成能够通过转速调节调整空气供给流量的结构。
控制装置20形成能够控制燃料电池系统的动作的结构。特别是控制装置20形成为具有微电脑等构成的控制部20A和控制部20A、存储器等构成的存储部20B、以及电容器等构成的备用电源部20C的结构。在这里，所谓控制装置不是单独的控制装置，而是意味着也包含多个协助控制装置动作进行控制的控制装置群。因此，控制装置20也可以不必由单个的控制装置构成，而是也可以形成多个控制装置分散配置并使其协同动作对燃料电池系统的动作进行控制的结构。
下面对燃料电池4运行时的燃料电池系统的动作进行大概说明。
这些动作在控制装置20的控制下进行。
首先，利用原料气体供给装置1通过连通通路6A对重整器3A供应原料气体(在这里是天然气)。利用水供给装置2将水提供给水蒸气发生器9。水蒸气发生器9发生的水蒸气被提供给连通通路6A，加入在连通通路6A中流通的原料气体中。加入水蒸气的原料气体被提供给重整器3A。在这里，控制装置20调整水供给装置2的流量，使加入原料气体的水蒸气量达到水蒸气重整反应的摩尔比以上的数量。借助于此，由于在摩尔比平衡中水分得到充分供应，即使因为原料气体的供应流量变动等原因也不会陷入水蒸气不足的状态。
在重整器3A中，借助于对燃烧装置5的调节，原料气体被加热到催化剂的活性温度(例如钌系催化剂的情况下为约650℃)，进行原料气体与水蒸气的重整反应，生成含氢气体。
重整器3A中生成的含氢气体通过连通通路6B提供给转化器3B，在转化器3B中，含氢气体保持于催化剂的活性温度(铂金系催化剂的情况下约为250℃)，在催化剂上进行含氢气体中的一氧化碳的转化反应，降低含氢气体中的一氧化碳浓度。
经过转化器3B的含氢气体通过连通通路6C被提供给选择氧化器3C。在选择氧化器3C中，含氢气体保持于催化剂的活性温度(铂金系催化剂的情况下约为120℃～160℃)，在其催化剂上进行含氢气体中的一氧化碳与氧气的选择氧化反应，进一步降低含氢气体中的一氧化碳浓度。
经选择氧化器3C的含氢气体通过连通通路6D被提供给燃料电池4。在燃料电池4中，含氢气体中的氢在电化学反应中被消耗。另一方面，从氧化剂气体供给装置7向燃料电池4提供空气。还有，三通阀14维持着形成第1流路P的状态。
未反应的剩余的含氢气体从燃料电池4排出，经过连通通路6E被提供给燃烧装置5的主体5A。在燃烧装置5中，空气供给装置5B得到调整，对含氢气体提供空气，含氢气体被稀释到可燃浓度为止。然后，燃烧热被提供给水蒸气发生器9和重整器3A。燃烧废气被排出到大气中。另一方面，未反应的剩余空气从燃料电池4排出，经过适当处理。
下面对燃料电池4停止运行动作时燃料电池系统的动作进行说明。
首先，按照不同顺序进行原料气体供给停止步骤、原料电池隔离步骤、燃烧装置停止步骤。
也就是在原料气体供给停止步骤中，原料气体供给装置1停止，第1阀10被关闭。
又，在燃料电池隔离步骤中，切换三通阀14以形成第2流路Q，并且关闭第3阀12。借助于此，使含氢气体依然残留在燃料电池4内，将燃料电池4从燃料电池系统中隔离开来。也就是在燃料电池系统的通常状态的停止时，在燃料电池内保持充满包含水蒸气的含氢气体的状态，因此高分子电解质膜保持湿润状态，能够抑制高分子电解质型燃料电池的性能劣化。
而且在燃烧装置停止步骤中燃烧装置5的燃烧反应停止。例如空气供给装置5的空气供给流量增大或停止，含氢气体被稀释到低于可燃浓度，或因氧气缺少、熄火而停止。
然后，继续进行水供给装置2的水供应，利用燃烧装置5残留的热量继续使水蒸气发生器9中的水气化。水蒸气经过连通通路6A，然后经过重整装置3、连通通路6D、分叉路6F、连通通路6E提供给燃烧装置5。借助于此，燃烧装置5的残留的热量被水的蒸发带走，重整装置3、具体地说，反应重整器3A、转化器3B以及选择氧化器3C中的催化反应停止。而且残留在连通通路6A、重整装置3、连通通路6D、分叉路6F、连通通路6以及燃烧装置5内的含氢气体被水蒸气推出，从燃烧装置5被排出到大气中。借助于此，残留在这些部件中的含氢气体被水蒸气清除。还有，重整装置3的热量的去除，也可以利用风扇从外部对重整装置3送风、即利用空冷方法。或者也可以在重整装置中配设冷却配管，利用致冷剂进行循环冷却。
接着执行重整器3A内充分降温、具体地说降温到原料气体的重整反应温度以下之后进行原料气体供给步骤。也就是原料气体供给装置1动作，第1阀10打开，对连通通路6A提供原料气体。借助于此，对除燃料电池4以外的燃料电池系统内、即连通通路6A、重整装置3、连通通路6D、分叉路6F、连通通路6E、以及燃烧装置5被提供原料气体，在这些部件中残留的水蒸气被原料气体推出，从燃烧装置5排出到大气中。即水蒸气得到清除。而且在水蒸气得到清除以后，原料气体供给装置1停止工作，使原料气体供给步骤结束。原料气体供给步骤的结束判断在这里利用控制部20A根据原料气体的供给量进行判断。也就是说，从原料气体供给装置1取得原料气体供给流量，根据该供给流量与供给时间取得原料气体的供给量，根据原料气体的供给量达到含氢气体流路的容积以上的量的情况，判定为侵入含氢气体流路的空气减少或清除完成。或者也可以形成能够根据原料气体的供给时间简单进行判断的结构。也就是说，也可以根据原料气体供给装置的供给流路与含氢气体流路的容积，预先设定原料气体的供给时间。
然后进行关闭步骤。即关闭第1和第2阀10、11。借助于此，形成在燃料电池4中封入含氢气体，在其他燃料电池系统中封入原料气体的状态(通常状态)。在控制装置20中，在存储部20B存储表示是通常状态的意思的信息。具体地说，通过在存储部20B竖立标志进行存储。
又，在由于停电、燃料电池系统发生故障、错误动作等某种原因，不能够进行停止时的动作，燃料电池系统停止(以下称为“非常停止”)的情况下，作为常闭型阀门的第1阀10和第2阀11处于关闭状态，作为常开型阀门的第3阀12处于开放状态。而且三通阀14保持燃料电池系统运行时形成第1流路P的状态不变。因此原料气体供给装置1和水供给装置2停止动作，燃烧装置5熄火，燃料电池系统形成封入含氢气体的状态。而且在控制装置20中，暂时利用备用电源部20C对控制装置20进行暂时供电，存储在存储部20B不进行停止时的动作，燃料电池系统停止的信息(非常停止信息)。
然后，利用燃烧装置5的残留热量对重整器3A内的含氢气体进行加热，使含氢气体的体积膨胀，连通通路6E内的内压上升。在这里，对大气开放装置13在连通通路6E内的内压超过规定的压力时，就将连通通路6E对大气开放，从对大气开放装置13将含氢气体放出到大气中。
而且在重整器3A内的残留热量减少温度开始下降时，燃料电池系统内的含氢气体的体积收缩。于是，空气从对大气开放装置13侵入到连通通路6E内。借助于此，在燃料电池系统内形成含氢气体与空气的混合气体。
下面对燃料电池4启动时燃料电池系统的动作进行说明。
图2是实施形态1的燃料电池系统的燃料电池启动时的动作的例子的流程图。
首先，在步骤S1中，控制部20A取得燃料电池4启动的指令信号。燃料电池4启动的指令信号未图示，通常是燃料电池、燃料电池系统的启动开关的接通信号，利用连接燃料电池4的电力系统的电力负荷的发生等发送，被输入到控制部20A。
然后，在步骤S2，控制部20A取得燃料电池系统的运行履历信息。具体地说，控制部20A取得在存储部20B存储的运行履历信息。
接着，在步骤(判别步骤)S3，控制部20A判断燃料电池系统是否为通常状态。具体地说，控制部20A根据从存储部20B取得的运行履历信息中有无表示是通常状态的意思的信息，判断是否为通常状态。或者也可以形成这样的结构，即如果没有非常停止信息，燃料电池系统处于密封状态，则判定为是通常状态的结构。也就是说，所谓通常状态是指正在履行燃料电池4的运行停止动作的燃料电池系统的状态，而且也包含在该运行停止动作履行之后不维持该运行停止动作履行之后的燃料电池系统的状态的状态。
在这里，为燃料电池系统为密封状态的判别，是如果第2阀11为关闭状态，而且对大气开放装置13为关闭状态，则控制部20A判定为是密封状态。具体地说，控制部20A取得第2阀11的开闭信号、或阀体位置的检测器(未图示)、即所谓取得位置传感器的检测信号，再取得第2阀11的开闭信息。又取得对大气开放装置13的水位传感器(未图示)的检测信号，取得对大气开放装置13的开闭信息。而且如果这两个开闭信息都是表示关闭的信息，则判定为燃料电池系统为密封状态。
然后，在步骤S4中，控制部20A将第1和第2阀10、11打开。
然后，在步骤S5中，控制部20A使原料气体供给装置1动作，提供原料。借助于此，原料气体被依序提供给连通通路6A、重整装置3、连通通路6D、连通通路6E、分叉路6F、连通通路6E以及燃烧装置5。
然后在步骤S6中，控制装置20A使燃烧装置5和水供给装置2动作，开始在水蒸气发生器9发生水蒸气，并开始对重整器3A进行加热。具体地说，控制部20A调整空气供给装置5B的空气供给流量，在主体5A将原料气体的浓度调整为可燃浓度，对原料气体进行点火。以此开始对重整器3A进行加热。然后使水蒸气发生器9升温到规定的温度后，控制部20A使水供给装置2动作。以此开始在水蒸气发生器9发生水蒸气。
接着在步骤S7中，控制部20A判断是否正在生成含氢气体。控制部20A取得重整器3A内的温度检测器(未图示)的检测信号，将重整器3A的内部温度与催化反应温度加以对比，根据重整器3A的内部温度已经达到催化反应温度的情况判定正在生成含氢气体。然后在判定为正在生成含氢气体的情况下，进入步骤S8。
然后在步骤S8，控制部20A将第3阀12打开，切换三通阀14使第1流路P形成。借助于此，将含氢气体提供给燃料电池4。
然后在步骤S9中，控制部20A使燃料电池启动，即使其发电。
利用以上动作判定为取得启动信号后燃料电池系统为通常状态的情况下，不对燃料电池系统进行原料气体供给处理，因此能够使燃料电池4迅速启动。
可是在步骤S3中，在不判定为通常状态的情况下，进入步骤S14。即未检测出通常状态的信息的情况下进入步骤S14。或是检测出非常停止信息的情况下，或是检测出通常状态的信息的情况下，燃料电池系统也不是密封状态的情况下，具体地说，也可以形成这样的结构，即第2阀11或对大气开放装置13中的至少某一个为打开状态的情况下，不判定为通常状态，可以进入步骤S14。
然后，在步骤(燃料电池隔离步骤)S14中，控制部20A将第3阀12和对大气开放装置13密封，并且将三通阀14切换为能够形成第2流路Q的位置。利用第3阀12的关闭和第2流路Q的形成，可以将燃料电池4与其他燃料电池系统的结构要素隔离开来。还有，对大气开放装置13的关闭利用未图示的注水装置进行注水实现。
又，对大气开放装置13的关闭是燃料电池系统的对大气开放的地方的关闭，与燃料电池4的隔离没有关系。因此对大气开放装置13的关闭动作，也可以独立于步骤S14，控制为在步骤S14之前进行。
然后，在步骤S15中，控制部20A打开第1和第2阀10、11。
然后，在步骤(第1原料气体供给步骤)S16中，控制部20A使原料气体供给装置1动作，提供原料气体。借助于此，原料气体被依序提供给连通通路6A、重整装置3、连通通路6D、连通通路6E、分叉路6F、连通通路6E以及燃烧装置5。因此，能够不使可能包含空气的残留气体流入燃料电池4内地，利用原料气体减少侵入重整装置3和连通通路6A～连通通路6D内的含氢气体流路的空气或对其进行清除，因此能够抑制可能含有空气的残留气体的流通造成的燃料电池4的性能劣化。
然后，在步骤S17中，控制部20A使燃烧装置5的空气供给装置5B动作。具体地说，控制部20A调整空气供给装置5B的空气供给流量，使含氢气体流路内的残留气体低于可燃浓度，从燃烧装置5排出。借助于此，能够防止从燃烧装置5排出的废气在燃烧装置5的排气侧引起意外的异常燃烧。
接着在步骤S18中，控制部20A判定是否正在利用原料气体减少侵入含氢气体流路的空气或对其进行清除。在这里，控制部20A根据原料气体每单位时间的供应量、即供应流量进行判断。也就是从原料气体供给装置1取得原料气体供给流量，将步骤19以后的原料气体流量加以累计计算出供给量。将该供给量与燃料电池系统的含氢气体流路的容积进行比较，根据原料气体的供给量大于含氢气体流路容积相应的量或相对于该含氢气体流路的容积对应的量达到规定的比例以上，判定侵入含氢气体流路的空气减少或清除完成了。然后进入步骤S19。借助于此，能够提供减少侵入含氢气体流路的空气或进行清除所需要的量的原料气体。或是也可以形成能够根据原料气体的供应时间简单进行判断的结构。也就是说，也可以根据原料气体供给装置1的供给流量和含氢气体流路容积预先设定原料气体的供给时间。
在这里，所谓含氢气体流路是指从重整装置3绕过燃料电池4到达燃烧装置5为止的含氢气体流过的流路。在这里，是指重整装置3、以及连通通路6A～6C、连通通路6D、6E的一部分、分叉路6F中的含氢气体流路。或是，含氢气体流路也可以在实施形态2中如下所述，是从重整装置3经过燃料电池4到达燃烧装置5为止的含氢气体流过的流路。在这里，是指重整装置3和包含从重整装置3到燃烧装置5的连通通路6A～6E构成的含氢气体流路。所谓含氢气体流路容积是指该含氢气体流路的容积。
还有，在原料气体的供给量达到含氢气体流路容积以上的相应量的情况下，可以提供对侵入含氢气体流路的空气进行清除所需要的量的原料气体。
又，在尚未履行燃料电池4的停止动作中的原料气体供给步骤燃料电池4处于停止状态的情况下，在含氢气体流路中残留有含氢气体，空气从燃烧装置5侵入到含氢气体流路中。因此，与含氢气体流路容积之比为规定比例的量，至少侵入含氢气体流路内的空气的大部分从燃烧装置5排出含氢气体流路内的氢浓度只要是高于可燃范围的上限的量即可。例如可以设想从燃料电池4的停止时刻开始经过的时间和以及借助于一般的扩散模拟方法或预先的试验实测设想空气的侵入量和含氢气体流路中的空气侵入范围，计算出需要供应原料气体的供应量。借助于此，可以更合理地削减原料气体的供给量。
在步骤(第2原料气体供给步骤)S19中，关闭第1阀10，打开第3和第4阀12、15。借助于此，经过原料气体分叉路6G向燃料电池4提供原料气体。
在步骤S20中，与步骤S18相同，判断侵入燃料电池4内的空气是否减少或正在被清除。也就是控制部20A从原料气体供给装置1取得原料气体供给流量，对步骤S19以后的原料气体供给流量进行累计算出供给量。将该供给量与燃料电池4的流路容积相比，判断侵入燃料电池4内的流路中的空气是否减少或清除已经完成。然后在判定为侵入燃料电池4内的流路的空气减少或清除完成的情况下，进入步骤S21。
在这里，使燃料气体通过重整装置3、燃料电池4、燃烧装置5、以及连通通路6A～6E内流通的原料气体供给步骤(原料气体供给处理)S100由步骤S14～步骤S20构成。
下面在步骤S21～S24中进行燃料电池4的启动动作。
在步骤S21中控制部20A打开第1阀10，关闭第4阀15，使燃烧装置5和水供给装置2动作，开始在水蒸气发生器9发生水蒸气并开始对重整器3A进行加热。具体地说，控制部20A调整空气供给装置5B的空气供给流量，在主体5A进行调整使原料气体达到可燃浓度，对原料气体进行点火。更具体地说，控制部20A从空气供给装置5B取得空气供给流量，从原料气体供给装置1取得原料气体供给流量，根据两者计算原料气体的稀释浓度，将该稀释浓度与原料气体的可燃浓度进行对比，调整空气供给装置5B的空气供给流量，使原料气体为可燃浓度。借助于此，开始进行重整器3A的加热。然后在使水蒸气发生器9预热到规定的温度之后，控制部20A使水供给装置2动作。借助于此，开始在水蒸气发生器9发生水蒸气。
还有，在燃烧装置5进行点火动作时，与通常状态时的点火动作时间进行比较，延长点火动作的时间。具体地说，延长放电火花发生装置的延长通电时间。也就是利用原料气体供给装置S100减少含氢气体流路的空气中氧，即使是含氢气体中的氢达到可燃范围的上限以上的浓度，只要不完全将侵入的空气清除，空气中的氮气等不燃烧气体成份就会残留下来。因此，该残留气体从燃烧装置5排出，燃烧装置5点火需要时间，在燃烧装置5中，有可能发生点火不好的情况。但是采取这样的结构时，可以没有检测出这样的点火不好的情况就顺利进行燃料电池4的启动动作。
然后，在步骤S22中，控制装置20A判断是否生成包含足够的氢气而且一氧化碳被去除的含氢气体。具体地说，控制部20A取得重整器3A内的温度检测器(未图示)的检测信号，将重整器3A、转化器3B以及选择氧化器3C各内部温度与各催化剂反应温度对比，根据全部这些温度中各内部温度已经达到各催化剂温度，判定为生成含氢气体。或是也可以检测重整装置3内的气体成份，判定含氢气体有无生成。具体地说，在选择氧化器3C中配设气体检测器(未图示)、例如氢传感器和一氧化碳传感器。然后，也可以是控制部20A取得该检测信号，将选择氧化器3C内的检测的氢浓度以及检测的一氧化碳浓度与作为含氢气体允许的设定氢浓度与设定一氧化碳浓度对比，根据检测的氢浓度高于设定氢浓度，而且检测的一氧化碳浓度低于设定的一氧化碳浓度，判定为生成含氢气体。
而且，在判定为生成含氢气体的情况下，进入步骤S23。
在步骤S23中，控制部20A切换三通阀14，形成第1流路P。以此将含氢气体提供给燃料电池4。借助于此，燃料电池4在重整装置3中生成含有充分的氢而且一氧化碳也被去除的含氢气体之前与燃料电池系统隔离，因此本发明的燃料电池系统能够避免在燃料电池4启动时对燃料电池4提供含一氧化碳多的状态下的气体，从而能够避免燃料电池4的电极催化剂的一氧化碳中毒。
然后，在步骤S24中，控制部20A启动燃料电池，也就是使其进行放电。
实施形态2
实施形态2是在实施形态1的燃料电池系统中，与燃料电池启动动作无关地在燃料电池允许停止期间中进行原料气体供给处理的实施状态。是例如根据燃料电池系统维修检查后的系统复原信号或燃料电池系统的停止状态模式的切换信号进行的实施形态。因此，燃料电池系统的结构、燃料电池运行时和燃料电池停止动作时的燃料电池系统的动作与实施形态1相同，所以其说明省略。
图3是实施形态2的燃料电池系统的燃料电池运行停止时的动作例的流程图。
首先，在步骤S101中取得燃料电池系统的停止状态模式的切换信号。在这里，所谓燃料电池系统的停止状态模式的切换信号是指燃料电池以外的燃料电池系统的各种装置的运行状态进行切换的信号。例如指燃料电池的预热也停止，燃料电池系统的几乎全部装置停止的停止模式与燃料电池进行预热燃料电池维持于能够迅速启动的状态的待机模式进行切换的信号。该切换信号根据例如燃料电池4的运行停止时间的长度借助于控制装置20内的定时器自动进行发送，根据预先编程的燃料电池4的运行计划进行发送，或在从燃料电池系统维修检查时和停电时停电的状态，燃料电池系统通电恢复的情况下发送。
步骤S102和S103与图2的步骤S2和步骤S3相同，因此其说明省略。
在步骤S103中，判定为通常状态的情况下，进入步骤104，燃料电池系统的停止状态模式被切换。例如燃料电池的冷却系统(未图示)等燃料电池以外的燃料电池系统的各装置的运行状态被切换。
在步骤S103中，没有被判定为通常状态的情况下，进入步骤S115。
在步骤S115中，控制部20A将第1和第2阀10、11打开，同时切换三通阀14以形成第1流路P。
然后，进入步骤S116～S118。在这里，步骤S116～S118由于与图2的步骤S16～S18相同，因此省略其说明。
在步骤S119，关闭第1和第2阀10、11，原料气体供给装置1停止工作。借助于此，在燃料电池系统中，形成原料气体被密封的状态(通常状态)。在控制装置20中，表示是通常状态的意思的信息被存储于存储部20B。具体地说，通过在存储部20B建立标志进行存储。
然后，进入步骤S104，燃料电池系统的停止状态模式被切换。
在这里，原料气体供给步骤(原料气体供给处理)S200借助于步骤S115～步骤S119构成。
又可以与实施形态1的步骤S14～S20一样，将燃料电池隔离，形成能够执行第1和第2原料气体供给步骤的结构。
这样，在实施形态1和2中例示的本发明的燃料电池系统中，在下一次燃烧装置5的点火动作之前燃料电池系统被不判定为通常状态的情况下，能够减少侵入含氢气体流路的空气或进行清除。借助于此，本发明的燃料电池系统不需要不活泼气体的供给装置，因此能够抑制燃料电池系统的设备成本和设置空间的增大，而且同时能够避免燃烧装置点火时发生从燃烧装置5向燃料电池系统内的逆火等异常燃烧。
又，本发明的燃烧电池系统及其运行方法，可以判别通常状态的情况和非通常状态的情况，仅在判别为非通常状态的情况下，使用原料气体减少侵入含氢气体流路的空气或进行清除。也就是可以根据燃料电池系统的状态省去不必要的原料气体供给处理。
在本实施形态1所示的本发明的燃料电池系统中，在燃烧装置点火动作快要开始之前，判别为燃料电池系统非通常状态的情况下，用原料气体进行原料气体供给处理，因此可靠地能够防止燃烧装置在点火时发生异常燃烧。
实施形态2所示的本发明的燃料电池系统中，在燃料电池运行停止期间判定为燃料电池系统非通常状态的情况下，用原料气体进行原料气体供给处理，因此能够在燃料电池停止后及早使侵入含氢气体流路的空气减少或对其进行清除。
以上对本发明的实施形态进行了详细说明，但是本发明不限于上述实施形态。根据上述说明，本行业的普通技术人员能够清楚了解本发明的各种改良和其他实施形态。从而上述发明应该解释为例示，是以对本行业的普通技术人员进行实施本发明的最佳形态的示教为目的而提供的。在不脱离本发明的精神的条件下可以对其结构以及/或功能的细节进行实质性改变。
例如也可以形成能够执行实施形态1和实施形态2两者的燃料电池系统及其运行方法。
又，从燃烧装置5侵入含氢气体流路的空气对含氢气体流路的侵入范围，可以从经验上根据含氢气体流路中的空气的扩散模拟分析、或连通通路和设置于连通通路上的阀门(包括未图示的阀门)的含氢气体流路的结构等推定。因此，在原料气体供给步骤中，也可以另行构成含氢气体流路中的原料气体的供给位置。也就是说，燃料电池系统及其运行方法也可以这样构成，即在含氢气体流路(未图示)中，具有连接以燃烧装置5为下游侧，比来自该下游侧的空气侵入预测范围上游侧的含氢气体流路与原料气体供给装置1的连接路径，在原料气体供给处理中，原料气体经由连接路径提供。在这里，所谓侵入预测范围是指以燃烧装置5为下游侧，空气从下游侧侵入的情况下，含氢气体流路中的被预测空气侵入的范围。
还有，在经验上最好是形成连接路径比三通阀14更靠原料气体供给装置1一侧，也就是形成能够将上游侧的含氢气体流路与原料气体供给装置1加以连接的结构。例如连接路径也可以形成连通通路6D的重整装置3与三通阀14之间的区间、连通通路6B或连通通路6C中的某一个与原料气体供给装置1连接的结构。
还有，在实施形态1中，在步骤S19中，利用第3和第4阀12、15的打开、即用分叉路6G减少侵入燃料电池4内的流路的空气或进行清除。但是也可以同样不用分叉路6G使侵入燃料电池4内的流路空气减少或进行清除。也就是在步骤S19中，控制部20A在保持第1阀10打开的状态下打开第3阀12，切换三通阀14以形成第1流路P。借助于此，可以省去分叉路6G实施第1和第2原料气体供给步骤。
工业应用性
本发明的燃料电池系统，作为可以避免燃料电池系统的设备成本和设置空间的增大以及不必要的原料气体供给，并且能够避免非通常状态下的燃烧装置点火时发生异常燃烧的燃料电池系统及其运行方法是有用的。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，具有
提供原料气体的原料气体供给装置、
将原料气体重整为富氢的含氢气体的重整装置、
燃料电池、
使所述原料气体或所述含氢气体燃烧，将热提供给所述重整装置的燃烧装置、
将所述原料气体供给装置、所述重整装置、所述燃料电池以及所述燃烧装置依次连通的连通通路、以及
控制装置；
其特征在于，
在所述燃料电池系统非常停止的情况下，所述控制装置到下一次的所述燃烧装置的点火动作为止，控制所述原料气体供给装置，进行将减少或清除侵入的空气所需要的量的所述原料气体提供给包含所述重整装置以及从所述重整装置到所述燃烧装置的所述连通通路构成的含氢气体流路的原料气体供给处理。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置至少在下一次所述燃烧装置的点火动作快要开始之前进行所述原料气体供给处理。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置至少在所述燃料电池的运行停止期内进行所述原料气体供给处理。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置在所述原料气体供给处理中提供至少与所述含氢气体流路的流路容积相当的量的所述原料气体。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池系统非常停止的情况下，所述控制装置在下一次的所述燃烧装置的点火动作时延长该点火动作的时间。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
具备连接所述重整装置和所述燃料电池间的连通通路与所述燃料电池及所述燃烧装置间的连通通路的分叉路、
所述原料气体供给处理包含
通过控制阀门将所述燃料电池与所述燃料电池系统其他部分隔离的燃料电池隔离动作、及
在该燃料电池隔离动作之后，将所述原料气体提供给从所述重整装置经所述分叉路到所述燃烧装置的路径的原料气体供给动作。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，具有
在所述原料气体供给装置与所述重整装置间的所述连通通路上配设的第1阀门、
在所述燃料电池与所述燃烧装置间的所述连通通路上配设的第2阀门、
在所述燃料电池与所述第2阀门间的所述连通通路上配设的第3阀门、
连接所述重整装置和所述燃料电池间的连通通路与所述第3阀门和所述第2阀门间的连通通路的分叉路、以及
在所述重整装置和所述燃料电池间的连通通路与所述分叉路的接合部上配设的三通阀；
在所述原料气体供给处理中，含有控制所述第3阀门和所述三通阀，将所述燃料电池从所述燃料电池系统其他部分隔离的燃料电池隔离动作、
在该燃料电池隔离动作之后，控制所述第1阀门及第2阀门与所述原料气体供给装置，将所述原料气体提供给除了所述隔离的部分的所述连通通路、所述分叉路、所述重整装置、以及所述燃烧装置内的原料气体供给动作。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述原料气体供给处理是将所述原料气体提供给从所述重整装置经所述燃料电池到所述燃烧装置的路径的原料气体供给动作。
9.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃烧装置具备空气供给装置；
在所述原料气体供给处理中，所述控制装置控制所述空气供给装置，稀释从所述燃烧装置流出的废气的浓度使其为可燃浓度以下。
10.一种燃料电池系统的运行方法，所述燃料电池系统具有
供给原料气体的原料气体供给装置、
将原料气体重整为富氢的含氢气体的重整装置、
燃料电池、
燃烧所述原料气体或含氢气体，将热提供给所述重整装置的燃烧装置、以及
将所述原料气体供给装置、所述重整装置、所述燃料电池以及所述燃烧装置依次连通的连通通路，其特征在于，所述方法具有
在所述燃料电池系统非常停止的情况下，到下一次的所述燃烧装置的点火动作为止，利用所述原料气体供给装置将减少或清除侵入的空气所需要的量的所述原料气体提供给包含所述重整装置以及从所述重整装置到所述燃烧装置的所述连通通路构成的含氢气体流路的原料气体供给步骤。
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