CN101632196B - 燃料电池系统以及燃料电池系统的运转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，其特征在于：具备使用燃料气体进行发电的燃料电池(1)、使用原料生成含氢的燃料气体的燃料气体生成器(2)、加热燃料气体生成器(2)的燃烧器(2a)、将空气提供给燃烧器(2a)燃烧风扇(2b)、控制器(101)；在提供燃料气体之前燃料电池(1)的内部被原料充填，在开始将由燃料气体生成器(2)生成的燃料气体提供给燃料电池(1)的时候，控制器(101)以将燃料气体分流于第二路径(R2)以及第四路径(R4)的形式将开闭阀(8、9)控制在开启的状态上。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的运转方法
技术领域
本发明是有关使用氢以及氧进行发电的燃料电池系统以及燃料电池系统的运转方法。
背景技术
一直以来，以高效率能够实现小规模发电的燃料电池系统，因为其用于利用发电时所产生的热能而构筑系统时比较容易，所以作为能够实现能源高利用率的分散型发电系统正在被不断开发。
在这样的燃料电池系统的运转停止动作中，会有如下所述的担忧：由于系统被冷却，系统内部变成负压，从而导致空气的流入，由此，残留于燃料电池内部的氢被空气中的氧而急剧氧化，由于伴随该氧化氧化反应而产生的反应热而导致燃料电池系统的损伤。
为了解决这样的问题，有专利文献提出了如下所述的燃料电池系统：在运转停止动作的时候，用天然气等的原料清洗燃料电池内部的残留气体，并将原料密封在燃料电池内部(例如参照专利文献1)。
图10是上述燃料电池系统的构成图。如图10所示，现有技术的燃料电池系统具备：由以含有碳以及氢的化合物作为主成分的原料生成含富氢的燃料气体的燃料气体生成器500、用于从该燃料气体生成器500将燃料气体提供给燃料电池501的燃料气体供给路径502、将从燃料电池501排出的在发电中没有被使用的燃料气体(以下称之为“尾气”)提供给燃料气体生成器500的燃烧器500a的尾气供给路径503。另外，设置有：为了将燃料气体的供给对象从燃料电池501切换到燃料气体生成器500的燃烧器500a而设置于燃料气体供给路径502和尾气供给路径503之间的燃料电池旁通路径504、将用于生成燃料气体的原料提供给燃料气体生成器500的原料供给器505、为了从该原料供给器505旁通于燃料气体生成器500而将原料直接注入到燃料电池501的燃料气体生成器旁通路径506。另外，在向燃料气体供给路径502的燃料电池旁通路径504的分支部上配设三通阀507。再有，将开闭阀508配设于比尾气供给路径503的燃料电池旁通路径504的合流部位于上游侧的位置。另外，为了将作为氧化剂气体的空气提供给燃料电池501而配设鼓风机509。
在该被提案的燃料电池系统中，启动运转时，由燃料气体生成器500生成的比发电运转时一氧化碳浓度高的的燃料气体经由燃料电池旁通路径504而被提供给燃料气体生成器500的燃烧器500a。于是，在该燃烧器500a中，为了加热重整催化剂的温度而燃烧该燃烧气体。
另外，在发电运转开始后，如果在燃料气体生成器500中的重整催化剂的温度到达了规定的温度，那么由燃料气体生成器500所生成的燃料气体经由燃料气体供给路径502而被提供给燃料电池501。然后，在该燃料电池501中，作为用于发电的燃料而使用燃料气体。另外，从燃料电池501排出的尾气经过尾气供给路径503而被提供给燃料气体生成器500的燃烧器500a。于是，为了加热重整催化剂而在该燃烧器500a中燃烧该尾气。
在该被提案的燃料电池系统中，在停止燃料电池系统的发电运转之后，原料作为置换气体从原料供给器505经过燃料气体生成器旁通路径506而被注入到燃料电池501中。由此，在燃料电池系统的发电运转的停止过程中，燃料电池501的内部以及其周边部分被代替氮气等的惰性气体的天然气等的原料封闭。
在停止动作的时候从原料供给器505被注入到燃料电池501的天然气等的原料与包含于燃料气体中的氢相比较化学性质相对稳定。因此，即使在发电运转的停止过程中空气混入到滞留于燃料电池501的内部的天然气等的原料中也不会进行急剧的氧化反应。
如以上所述，通过将天然气体等的原料注入到燃料电池501中，在现有技术的燃料电池系统中就可以有效地防止由伴随着氧化反应的反应热而造成的燃料电池系统的损伤。
日本专利文献1：日本专利申请公开2003-229149号公报
发明内容
然而，在上述现有技术的燃料电池系统中，在启动动作的时候，当燃料气体生成器500中的重整催化剂的温度达到规定的温度并开始从燃料气体生成器500向燃料电池501供给燃料气体时，在停止动作时被注入到燃料电池501中的天然气等的原料被从燃料气体生成器500提供的燃料气体而挤出到燃料电池501之外。
该被挤出的原料在规定的期间内将被提供给燃料气体生成器500的燃烧器500a，所以在该规定期间内在燃烧器500a中由于氧不足而会发生不完全燃烧，从而会向大气中排放一氧化碳。
具体而言，在启动动作时，如以上所述，最初三通阀507被切换至燃料电池旁通路径504一侧，在燃烧器500a中利用包含于燃料气体中的氢而进行燃烧。为此，燃料电池系统按照将对应于氢的量的空气提供给燃烧器500a的形式进行构成。
然而，在将被挤出到燃料电池501之外的原料提供给燃烧器500a时，使原料(天然气)中的甲烷完全燃烧所必要的氧气量会多于使上述燃料气体中的氢完全燃烧所必要的氧气的量，所以如果提供给燃烧器500a的空气供给量不变的话，那么在燃烧器500a中的燃烧反应中恐怕会发生氧不足。
如以上所述，在现有技术的燃料电池系统中，在开始发电运转的时候，在从燃料气体生成器500向燃料电池501提供燃料气体开始之后的规定期间内，在燃烧器500a中的燃烧反应中会发生氧不足，从而会有一氧化碳被排出至大气中的担忧。
本发明就是为了解决这样的课题而做出的研究结果，其目的在于提供一种燃料电池发电系统以及燃料电池发电系统的运转方法，从而在开始将来至于燃料气体生成器的燃料气体提供给预先将原料充填在其内部的燃料电池的时候，能够抑制燃料气体生成器的燃烧器中的不完全燃烧，并且抑制一氧化碳的排出。
为了达到上述的目的，第一本发明所涉及的燃料电池系统，其特征在于，具备：燃料电池，使用燃料气体和氧化剂气体进行发电；燃料气体生成器，由原料生成含有氢的所述燃料气体；燃料气体供给路径，用于从所述燃料气体生成器将所述燃料气体提供给所述燃料电池；燃烧器，加热所述燃料气体生成器；尾气路径，用于从所述燃料电池将没有被使用于所述发电的所述燃料气体提供给所述燃烧器；旁通路径，将从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体以旁通于所述燃料电池的方式提供给所述燃烧器，该旁通路径连接所述燃料气体供给路径和所述尾气路径；流量控制器，用于控制从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体分别提供给所述燃料电池以及所述旁通路径的流量；控制器；在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池提供所述燃料气体之前，将所述原料充填于所述燃料电池的内部；在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池提供所述燃料气体的时候，所述控制器以将所述燃料气体分别分流于所述燃料电池以及所述旁通路径的形式控制所述流量控制器。
另外，第二本发明是如第一本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述控制器控制所述流量控制器，从而在从所述燃料气体生成器向所述燃料电池的所述燃料气体的供给开始起经过规定时间之后，停止提供给所述旁通路径一侧的所述燃料气体的分流，并且使从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体只被提供给所述燃料电池。
另外，第三本发明是如第二本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述规定时间是用于从所述燃料电池中清除被充填于所述燃料电池内的所述原料所需的时间。
另外，第四本发明是如第二本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：具备检测所述燃料电池电压的电压检测器；所述规定时间是在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池的所述燃料气体的供给之后由所述电压检测器检测到的电压成为规定的界限值以上为止的时间。
另外，第五本发明是如第一本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述控制器控制所述流量控制器，从而在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池的所述燃料气体的供给之前，是以所述燃料气体经过所述旁通路径而在所述燃烧器内进行燃烧。
另外，第六本发明是如第一至第五的任意一项本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述流量控制器具备：被配置于从所述燃料气体供给路径到所述旁通路径的分支部与所述燃料电池之间的所述燃料气体供给路径上的第一流量控制器；被配置于到所述尾气路径的所述旁通路径的合流部与所述燃料电池之间的所述尾气路径上的第二流量控制器；在开始从所述燃料气体生成器到所述燃料电池的所述燃料气体的供给的时候，所述控制器控制所述第一流量控制器以及所述第二流量控制器，从而使所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径。
另外，第七本发明是如第一至第五的任意一项本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述流量控制器具备分配器，为了调整将从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通通道的比例，该分配器被配置在所述燃料气体通道的向所述旁通通道的分支部；在开始从所述燃料气体生成器到所述燃料电池的所述燃料气体的供给的时候，所述控制器以将所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径的形式控制所述分配器。
另外，第八本发明是如第一至第五的任意一项本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述流量控制器具备混合器，为了调整在所述旁通路径中流动的所述燃料气体与在所述尾气路径中流动的没有被使用于所述发电的剩余的所述燃料气体的混合比例，该混合器被配置于所述旁通路径的向所述尾气路径的合流部；在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池的所述燃料气体的供给的时候，所述控制器以将所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径的形式控制所述混合器。
另外，第九本发明是如第六本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述第一流量控制器以及所述第二流量控制器为开闭阀，所述燃料气体供给路径、所述尾气路径、所述旁通路径以及所述燃料电池的通道阻力预先被设定成为：在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池的所述燃料气体的供给的时候，在所述控制器以将所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径的形式开启全部所述开闭阀的情况下，所述燃烧器中的空气比为1以上。
另外，第十本发明是如第七本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述控制器以所述燃烧器中的空气比成为1以上的形式控制所述分配器并调节所述分流比例。
另外，第十一本发明是如第八本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述控制器以所述燃烧器中的空气比成为1以上的形式控制所述混合器并调节所述混合比例。
另外，第十二本发明是如第一至第十一的任意一项本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：所述原料为碳化氢气体。
另外，第十三本发明是如第一至第十二的任意一项本发明所记载的燃料电池系统，其特征在于：具备用于提供所述原料的原料供给器；所述控制器按照如下方式进行控制：在停止动作或者启动动作的时候或者停止当中，通过从所述原料供给器将所述原料提供给所述燃料电池，使所述燃料电池的内部被所述原料充填。
另外，第十四本发明所涉及的燃料电池系统，其特征在于：具备将所述原料提供给所述燃料气体生成器的原料供给器；所述控制器在所述燃料电池停止发电的期间使用所述原料供给器将所述原料充填于所述燃料电池的内部，之后，进行对所述燃料气体的分流的控制。
另外，第十五本发明所涉及的燃料电池系统的运转方法，其特征在于：所述燃料电池系统具备：燃料电池，使用燃料气体和氧化剂气体进行发电；燃料气体生成器，通过重整反应由原料生成含氢的所述燃料气体；燃料气体供给路径，用于从所述燃料气体生成器将所述燃料气体提供给所述燃料电池；燃烧器，加热所述燃料气体生成器；尾气路径，用于从所述燃料电池将没有被使用于所述发电的所述燃料气体提供给所述燃烧器；旁通路径，连接所述燃料气体供给路径的途中和所述尾气路径的途中；在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池供给所述燃料气体之前，将所述原料充填于所述燃料电池的内部；所述燃料电池系统的运转方法包括分流工序：在经由所述燃料气供给路径而开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池的所述燃料气体的供给的时候，将所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径。
本发明的上述目的、其他目的、特征以及优点，将因为参照附图而详细说明的以下优选的实施方式而变得明了。
根据本发明能够提供一种燃料电池系统以及燃料电池系统的运转方法，从而在开始将来自于燃料气体生成器的燃料气体提供给原料预先被充填于其内部的燃料电池的时候，能够抑制燃料气体生成器的燃烧器的不完全燃烧，并且能够抑制一氧化碳的排出。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的实施方式一所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。
图2是表示本发明的实施方式一所涉及的燃料电池系统的启动动作时的控制的流程图。
图3是示意性地表示本发明的实施方式二所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。
图4是表示本发明的实施方式二所涉及的燃料电池系统的启动动作时的控制的流程图。
图5是示意性地表示本发明的实施方式三所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。
图6是表示本发明的实施方式三所涉及的燃料电池系统的启动动作时的控制的流程图。
图7是示意性地表示本发明的实施方式四所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。
图8是示意性地表示本发明的实施方式四的变形例1所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。
图9是示意性地表示本发明的实施方式四的变形例2所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。
图10是示意性地表示现有技术的燃料电池系统的构成的方块图。
符号说明
1.燃料电池。
1a.燃料气体用通道
1b.氧化剂气体用通道
2.燃料气体生成器
2a.燃烧器
2b.燃烧风扇
3.鼓风机
4.热交换器
5.热水储罐
6a、6b.泵
7、8、9、10.开闭阀
11.原料供给器
12.分配器
13.混合器
14、15.流量调整阀
22.燃料气体供给路径
23.尾气路径
24.旁通路径
25.可燃性气体检测器
26.电压检测器
27.电输出端子
28.废燃烧气体路径
100、200、300、400.燃料电池系统
101.控制器
R1.第一路径
R2.第二路径
R3.第三路径
R4.第四路径
R5.第五路径
A.第一燃料气体路径
B.第二燃料气体路径
具体实施方式
以下参照附图就有关用于实施本发明的最佳方式加以详细说明。
(实施方式一)
图1是示意性地表示本发明的实施方式一所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。另外，在图1中，构成燃料电池系统的各个构成要素之间的实线是表示水、燃料气体、氧化剂气体以及电信号的传送的路径。另外，在这些实线上被标注的箭头是表示水、燃料气体或者氧化剂气体等的传送的流动方向。另外，在图1中，只表示为了说明本发明而必要的构成要素，省略除此之外的构成要素的图示。
首先，就有关本实施方式一的燃料电池系统100的构成作如下简单的说明。
如图1所示，本实施方式一的燃料电池系统100具备：作为发电部本体的燃料电池1、将含有氢的燃料气体提供给燃料电池1的燃料气体用通道1a的燃料气体生成器2、将作为氧化剂气体的空气提供给燃料电池1的氧化剂气体用通道1b的鼓风机3。为了通过重整反应而生成燃料气体，设置有将天然气等的原料提供给燃料气体生成器2的原料供给器11。再有，在燃料气体生成器2上，设置有用于加热重整催化剂的燃烧器2a，并且设置有从大气中向该燃烧器2a提供燃烧所必要的空气的燃烧风扇2b。
另外，出于提供热水等的目的而配有设热水储罐5，并配设有为了加热该热水储罐5内的水而使该热水储罐5内的水与用于冷却燃料电池1的冷却水进行热交换的热交换器4。
接着，就有关连接燃料电池1和燃料气体生成器2的路径作如下说明。
在燃料电池系统100中配置有，用于将由燃料气体生成器2生成的燃料气体提供给燃料电池1的燃料气体用通道1a的燃料气体供给路径22，和用于将从燃料电池1的燃料气体用通道1a排出的尾气(offgas)提供给燃烧器2a的尾气路径23。另外，还配置有从燃料气体供给路径22进行分支并避开燃料电池1而合流于尾气路径23的旁通路径24。
在此，在图1中，将向旁通路径24的分支部作为基准，将燃料气体供给路径22的燃料气体生成器2一侧称作第一路径R1，将燃料电池1一侧称作第四路径R4。另外，将与旁通路径的合流部作为基准，将尾气路径23的燃烧器2a一侧称作第三路径R3，将燃料电池1一侧称作第五路径R5。再有，将旁通路径24称作为第二路径R2。将开闭阀9设置于该第四路径R4上，将开闭阀8设置于第二路径R2上，并将开闭阀10设置于第五路径R5上。
上述第一路径R1分支为第二路径R2和第四路径R4，将该分支部称作为X，第二路径R2和第五路径R5发生合流并成为第三路径，将该合流部称作为Y。
另外，如图1所示，由第一路径R1和第二路径R2以及第三路径R3构成了第一燃料气体路径A。另外，如图1所示，由第一路径R1、第四路径R4、燃料气体用通道1a、第五路径R5以及第三路径R3构成了第二燃料气体路径B。
总之，本实施方式一所涉及的燃料电池系统100被构成为，能够通过开闭阀7、开闭阀8、开闭阀9以及开闭阀10的开闭而根据必要将从燃料气体生成器2排出的燃料气体不提供给燃料电池1而直接提供给燃烧器2a。
进一步，该燃料电池系统100具备适当控制构成燃料电池系统100的各个构成要素(开闭阀7、8、9、10以及燃料气体生成器2)的工作的控制器101。
接着，就有关本实施方式一的燃料电池系统100的各个构成进一步作如下详细的说明。
作为上述的燃料电池1，在本实施方式一中使用固体高分子电解质型燃料电池。使用被提供给该燃料电池1的燃料气体用通道1a的富含氢的燃料气体和由鼓风机3提供给氧化剂气体用通道1b的氧化剂气体(通常为空气)实行应该输出规定电力的发电。
换言之，燃料电池1通过由规定的反应催化剂进行的规定的电化学反应而将燃料气体以及氧化剂气体所具有的化学能直接变换成电能。燃料电池1向连接于燃料电池系统100的负载提供由所涉及的能量变换而获得的电能。另外，关于燃料电池1的内部构成的详细说明，因为与一般的固体高分子电解质型燃料电池的内部构成相同，所以在此省略对其的说明。
另外，在发电运转的时候，由于为了上述能量变换而实施的规定的电化学反应，燃料电池1将会发热。在该燃料电池1中所产生的热会由被提供给形成于燃料电池1的内部的冷却水用通道(没有图示)的冷却水逐次加以回收，并且在热交换器4中与从热水储罐5提供的水进行热交换，从而作为热水被储存于热水储罐5中。在燃料电池1与热交换器4之间配设有泵6a，在热交换器4中进行热交换并被冷却的冷却水由泵6a的工作被再一次提供给燃料电池1的冷却水用通道。另外，在热水储罐5和热交换器4之间也配设有泵6b，由泵6b从热水储罐5提供的水通过在热交换器4中进行热交换反而被加热，从而作为热水被储存于热水储罐5中。
上述的燃料气体生成器2主要是进行使用含有天然气(甲烷为主成分)、丙烷气等的碳化氢成分、甲醇等的醇、或者以石脑油成分等为例的至少由碳以及氢构成的有机化合物的原料和水的水蒸汽重整反应，通过该水蒸汽重整反应而生成富含氢的燃料气体。向该燃料气体生成器2的原料供给是由上述的原料供给器11来加以实行的，但是还是要配设用于实行原料供给的连续与中断的开闭阀7。
在此，该燃料气体生成器2具备，用于进行水蒸汽重整反应的重整部，和用于降低从该重整部排出的燃料气体中的一氧化碳的变换部以及净化部(没有图示)。重整部具有用于进行水蒸汽重整反应的重整催化剂，由在燃烧器2a中进行的从燃料电池1排出的尾气或者燃料气体等的燃烧而加热上述重整催化剂，从而促进水蒸汽重整反应的进行。
在此，在燃烧器2a中，从燃料电池1排出的尾气或者由燃料气体生成器2生成的燃料气体作为燃烧用燃料而被燃烧，从而生成用于加热重整部的重整催化剂的热能。
另外，变换部具备变换催化剂，用于通过与水的反应而降低从重整部排出的燃料气体中的一氧化碳的浓度。另外，净化部具备CO去除催化剂，用于通过氧化反应或者甲烷化反应而进一步减少从变换部排出的燃料气体中的一氧化碳的浓度。另外，为了有效地减少包含于燃料气体中的一氧化碳的浓度，该变换部以及净化部分别在适合于其中所进行的化学反应的温度条件下实行各自的运转。另外，关于燃料气体生成器2的内部中除了上述的燃料气体生成器和变换部以及净化部之外的构成的说明，因为燃料气体生成器2的内部构成和一般的燃料气体生成器的内部构成相同，所以在此省略对其进行说明。
在燃料电池系统100的发电运转等时，上述的原料供给器11通过上述的开闭阀7将从天然气的基础设施等供给的天然气等的原料提供给燃料气体生成器2的重整部。另外，该原料供给器11具备流量调整部(没有图示)，并被构成为能够由后述的控制器101根据必要而适当调整相对于燃料气体生成器2的重整部的原料供给量。
上述的鼓风机3通过从大气中吸入空气从而将作为氧化剂气体的空气提供给燃料电池1的氧化剂气体用通道1b。作为该鼓风机3优选使用西罗克风扇(sirocco fan)等。
上述的控制器101具备例如存储部、计时部、中央运算处理装置(CPU)等。另外，燃料电池系统100的各个构成要素的动作所涉及的程序被预先存储到控制器101的存储部中，根据存储于该存储部的程序，控制器101适当地控制燃料电池系统100的动作。
另外，本发明的第一流量控制器的一个例子相当于本实施方式的开闭阀9，本发明的第二流量控制器的一个例子相当于本实施方式的开闭阀10，本发明的第三流量控制器的一个例子相当于本实施方式的开闭阀8。另外，本发明的原料供给器的一个例子相当于本实施方式的原料供给器11，本发明的燃烧器的一个例子相当于燃烧器2a。
接着，参照附图就有关本发明的实施方式一所涉及的燃料电池系统100的动作作如下详细的说明。
另外，在以下的说明中，在燃料电池系统100的停止动作时、待机时或者在启动动作时，前提是预先把作为置换气体的原料(在本实施方式一中是碳化氢气体的天然气)充填于燃料电池1的燃料气体用通道1a以及其周边部。作为该原料，在本实施方式一中虽然使用了碳化氢气体的天然气，但只要是含有至少由碳以及氢构成的有机化合物的原料即可。向该燃料电池1等的原料充填按照如下方式实施，即，在停止动作时，在停止燃料气体生成器1中的燃料气体的生成之后，从原料供给器11经由燃料气体生成器1将原料提供给燃料电池1。另外，在实施向该燃料电池1等的原料充填之后，关闭开闭阀9、10。开闭阀8既可以开启也可以关闭，但是在本实施方中是关闭的。
另外，在本实施方式一中，所谓“启动动作时”是指“在从控制器101输出启动指令之后到由燃料电池1的发电控制部(没有图示)从燃料电池1取出电流为止”的期间，所谓“停止动作时”是指“在从控制器101输出停止指令之后到燃料电池系统100的全体工作完全停止为止”的期间。另外，所谓“待机时”是指停止动作时和启动动作时之间的期间。
本实施方式的燃料电池系统100按照控制器101的控制实行以下的动作。图2是表示本实施方式的燃料电池系统100的启动动作的控制流程图。
首先，在由图1所表示的燃料电池系统100的启动动作时，为了生成在燃料电池1的发电运转中必要的富含氢的燃料气体，控制器101使燃料气体生成器2进行工作。此时，开闭阀7、8被开启。
具体是，用于生成氢的一例原料即天然气从图1所表示的原料供给器11被提供给燃料气体生成器2的重整部。另外，为了生成进行水蒸汽重整反应所需要的水蒸汽而从自来水管道等的基础设施将水提供给燃料气体生成器2的重整部。另外，为了在燃料气体生成器2的重整部中进行水蒸汽重整反应而由燃烧器2a加热被配设于重整部的重整催化剂。
在燃料电池系统100的启动动作的开始当初，燃料气体生成器2的重整部中的重整催化剂温度因为由燃烧器2a进行加热而平稳地上升，但是不会一下子到达规定的温度。为此，重整部中的水蒸汽重整反应还没有良好地进行，所以在从燃料气体生成器2排出的燃料气体中含有比发电运转时更高浓度的一氧化碳。将该含有比发电运转时更高浓度的一氧化碳的燃料气体，称作为含有高浓度一氧化碳的燃料气体。
因此，在本实施方式一中，在燃料电池系统100的启动动作开始时，直到燃料气体生成器2的重整部中的重整催化剂到达规定的温度、并且能够生成良好品质的燃料气体(达到满足规定运转条件)为止的期间，由控制器101形成燃料气体路径A。该燃料气体路径A是按照如下方式形成的，即，控制器101开启开闭阀8且关闭开闭阀9、10，从而使第一路径R1和第二路径R2连接，并切断第一路经R1和第四路径R4，由第一路经R1和第二路径R2以及第三路径R3形成燃料气体路径A。
于是，将由燃料气体生成器2生成的含有一氧化碳以及氢的燃料气体提供给该燃料气体路经A。由此，经由燃料气体路经A将含有高浓度一氧化碳的燃料气体提供给燃烧器2a。之后，燃烧器2a燃烧该含有高浓度一氧化碳的燃料气体并加热燃料气体生成器2的重整部中的重整催化剂。于是，重整催化剂被加热到适合于水蒸汽重整反应的规定温度，即大约为650～800℃。另外，在燃烧器2a中燃烧后的燃料气体作为废燃烧气体被排放到燃料电池系统100的外部。
另外，此时，为了在燃烧器2a中燃烧含有高浓度一氧化碳的燃料气体而由燃烧风扇2b将空气提供给燃烧器2a。由该燃烧风扇2b提供给燃烧器2a的空气的供给量，根据从原料供给器11提供给燃料气体生成器2的天然气等的原料的供给量而适当地设定。
以下就有关由燃烧风扇2b提供的空气的供给量作如下具体说明。
在燃料电池系统100的发电运转开始之后，在燃料气体生成器2的重整部中，理论上由反应式(1)中所表示的化学反应而从天然气生成氢。
CH4+2H2O→CO2+4H2…(1)
在此，为了方便起见将从原料供给器11提供给燃料气体生成器2的天然气的供给量设定为Q(L/分)，则由式(1)中所表示的化学反应在燃料气体生成器2的重整部中所生成的氢的量为4Q(L/分)，经由燃料气体路经A将相同量的氢提供给燃烧器2a。
因此，为了使从燃料气体生成器2经由燃料气体路经A以4Q(L/分)的比例提供给燃烧器2a的氢进行完全燃烧，也为了进行式(2)中所表示的燃烧反应，从理论上讲，有必要以2Q(L/分)的比例将氧从燃烧风扇2b提供给燃烧器2a。
4H2+2O2→4H2O …(2)
在此，如果将空气中的氧浓度计为20％，那么从理论上讲，有必要以10Q(L/分)的比例提供空气。但是，另一方面，如果提供给燃烧器2a的空气的供给量正好是10Q(L/分)[氧供给量2Q(L/分)]，则从燃烧器2a的特性上来看，多数情况下会成为不完全燃烧。为此，在本实施方式一中，将空气比设定在1.5，并将提供给燃烧器2a的空气供给量调整为15Q(L/分)[将氧浓度计为20％时，氧供给量为3Q(L/分)]，从而确保在燃烧器2a中的燃烧稳定性。
所谓“空气比”是指相对于为了使燃烧用燃料完全燃烧而必要的理论空气量的实际空气量的比例，在上述的情况下，在相对于天然气供给量Q(L/分)而以10Q(L/分)的比例提供空气的时候，空气比为1。控制器101调整燃烧风扇2b的旋转速度，使得提供给燃烧器2a的空气供给量成为15Q(L/分)。另外，在上述说明中，虽然将空气中的氧浓度设定为20％，但是，即使将空气中的氧浓度计为21％，则空气量也仅仅只偏差5％，其效果是相同的。以下就将空气中的氧浓度作为20％来加以说明。
总之，在本实施方式一中，将在燃料气体生成器2中理论上所生成的氢生成量、即将从原料供给器11到燃料气体生成器2的重整部的天然气供给量作为基准来设定由燃烧风扇2b提供给燃烧器2a的空气的供给量。通过如以上方式进行设定，从而在燃烧器2a中燃烧含有高浓度一氧化碳的燃料气体。于是，由在该燃烧器2a中所产生的热能来加热燃料气体生成器2中的重整部的重整催化剂。
接着，如图2所示，通过在燃烧器2a中燃烧含有高浓度一氧化碳的燃料气体，从而由所产生的热使燃料气体生成器2中的重整部的重整催化剂的温度上升，之后，由控制器101判定该重整催化剂的温度是否已达到适宜于进行水蒸汽重整反应的规定温度(运转步骤S1)。
在此，重整催化剂的温度例如由被埋设于重整催化剂中的温度传感器(没有图示)进行检测，该温度传感器的输出信号被输入到控制器101中。然后，在控制器101中对所输出的信号加以解析，从而识别重整催化剂的温度。另外，在重整催化剂的温度被判定为还未到达规定的温度的情况下(在运转步骤S1上为“否”)，直至重整催化剂的温度被判定为到达规定的温度为止，继续由燃烧器2a对重整催化剂进行加热。
另外，在运转步骤S1中，如果控制器101判定重整催化剂的温度已到达规定的温度(在运转步骤S1上为“是”)，那么燃料电池系统100就向后述的运转步骤S2的动作转移。
假设在运转步骤S2中，与以往的燃料电池系统相同，如果由控制器101开启开闭阀9以及开闭阀10、并且与其同时关闭开闭阀8、并从燃料气体生成器2排出的燃料气体的路经从燃料气体路经A完全切换到燃料气体路经B，那么就像在背景技术中所叙述的那样，有可能在燃烧器2a中进行不完全燃烧。
以下，就有关在实行与以往的燃料电池系统相同的动作的情况下发生不完全燃烧的这一方面加以具体说明。
如以上所述，当将燃料气体的通道从燃料气体路经A切换到燃料气体路经B的时候，从燃料电池1的燃料气体用通道1a等排出(挤推出)并被提供到燃烧器2a的天然气的供给量，大体等同于从燃料气体生成器2提供给燃料气体用通道1a的燃料气体的供给量。
根据上述的式(1)，当提供给燃料气体生成器2的原料(天然气)为Q(L/分)的情况下，从燃料气体生成器2排出Q(L/分)的二氧化碳和4Q(L/分)的氢，而向燃烧器2a排出(挤推出)的天然气成为5Q(L/分)的比例。在此，如以下式(3)所示，为了完全燃烧以5Q(L/分)的比例提供的天然气从而将天然气变换成二氧化碳以及水，需要向燃烧器2a提供的空气的供给量为50Q(L/分)[氧供给量10Q(L/分)](空气比1)。
5CH4+10O2→5CO2+10H2O…(3)
另外，因为预先进行充填的天然气中的甲烷浓度大约为90％，所以被挤推出的天然气的量5Q(L/分)大致等同于甲烷的体积5Q。
相对于此，在本实施方式一的燃料电池系统100的启动动作时，以在燃烧器2a中的空气比成为1.5的形式将所供给的空气流量控制在15Q(L/分)[氧供给量3Q(L/分)]。
为此，如上所述，通过将燃料气体的路径从燃料气体路经A完全切换到燃料气体路径B，从而以5Q(L/分)的比例将天然气提供给燃烧器2a，此时，因为燃烧器2a中的空气比相当于0.3，所以有可能会产生不完全燃烧，并且就会有可能从燃料电池系统100排出一氧化碳。
为此，在本发明实施方式一中，在从燃料气体路径A切换到燃料气体路经B之前，作为运转步骤S2，以将燃料气体分别分流到燃料气体路径A和燃料气体路经B的形式进行控制。为了以如此形式进行分流，通过开启开闭阀8和开闭阀9以及开闭阀10而同时形成燃料气体路径A和燃料气体路经B，从燃料气体生成器2排出的燃料气体从第一路经R1分流到第二路径R2和第四路径R4，并且再一次合流于第三路径R3之后被提供给燃烧器2a。
然后，作为后述的运转步骤S3而经过规定时间之后，燃料电池系统100转移至完全切换到后述的燃料气体路经B的运转步骤S4的动作。
在本实施方式的燃料电池系统100中，燃料气体路径A和燃料气体路经B的通道阻力预先设计成为：在运转步骤S2中，从燃料气体生成器2排出的燃料气体分流到燃料气体路径A和燃料气体路经B的比例成为n∶(1-n)(但是0＜n＜1)。
此时，在如以上所述提供给燃料气体生成器2的天然气为Q(L/分)的情况下，因为从燃料气体生成器2会排放出Q(L/分)的二氧化碳和4Q(L/分)的氢，所以从燃料气体生成器2排出5Q(L/分)的燃料气体。其中，5nQ(L/分)[H2：4nQ(L/分)、CO2：nQ(L/分)]经由燃料气体路经A而直接提供给燃烧器2a。
另外，因为5(1-n)Q(L/分)经由燃料气体路径B而提供给燃料电池1的燃料气体用路径1a，所以天然气实质上被提供给了燃烧器2a。此时，为了将在燃烧器2a中的空气比确保在1.0而必要的空气供给量则如式(4)以及式(5)所表示的那样成为5(10-8n)Q(L/分)[氧供给量(10-8n)Q(L/分)]。
4nQH2+2nQO2→4nQH2O …(4)
5(1-n)QCH4+10(1-n)QO2→5(1-n)QCO2+10(1-n)H2O  …(5)
为了进一步确保燃烧器2a中的燃烧稳定性，例如设定空气比为1.2时，则需要6(10-8n)Q(L/分)[氧供给量1.2(10-8n)Q(L/分)]的空气供给量。
另外，如以上所述，在本实施方式一中在燃料电池系统100的启动动作开始的时候，提供给燃烧器2a的空气供给量成为15Q(L/分)。为此，当本发明的第一流量控制器以及第二流量控制器如本实施方式那样是开闭阀的情况下，通过以成为6(10-8n)Q≤15Q即以成为n≥0.9375的形式设定燃料气体路径A和燃料气体路经B的通道阻力，从而就能够防止燃烧器2a中的不完全燃烧。即，以成为n≥0.9375的形式预先设计燃料气体供给路径22、旁通路径24、尾气路径23、燃料气体用通道1a以及燃料电池内部的燃料气体通道的构造。这个运转步骤S2相当于本发明的分流工序的一个例子。
如以上所述，在运转步骤S2中以使燃料气体分别流入到燃料气体路径A和燃料气体路经B的形式实行控制。然后，在运转步骤S3中要维持该状态直至经过规定时间为止。
在此，所谓在运转步骤S3中被判定为“是”的上述的“规定时间”是指用于将被充填于燃料电池1近旁的通道(相当于从开闭阀9到开闭阀10之间的第四通道R4、燃料气体用通道1a以及第五通道R5的部分)的天然气置换成燃料气体所需的时间。
接着，就有关将天然气置换成燃料气体所需的时间作如下说明。
当将由图1所表示的燃料气体路径B的开闭阀9和开闭阀10之间的区间的内容积作为V(L)的时候，如以上所述被提供给燃料气体生成器2的天然气流量为Q(L/分)，在运转步骤S2中从燃料气体生成器2排出的燃料气体分流到燃料气体路径B的流量如以上所述为5(1-n)Q(L/分)。
因此，能够作为由式(6)计算出来的T(分)来加以定义。
T≥V/5(1-n)Q  …(6)
接着，对于如以上所述为了确保在燃烧器2a中的燃烧稳定性而将空气比设定在1.2的理由进行说明。
如以上所述，在本实施方式一中在燃料电池1的发电运转开始时提供给燃烧器2a的空气供给量成为15Q。另一方面，为了以空气比α实行从燃料电池1的燃料气体用路径1a等排出并被提供给燃烧器2a的天然气的燃烧而必要的空气供给量成为5α(10-8n)Q。
为此，如果设定了空气比α，那么在由式(7)所表示的条件下，有必要设定燃料气体分流到燃烧气体路径A和燃烧气体路径B的比例n∶(1-n)(但是0＜n＜1)。
5α(10-8n)Q≤15Q  …(7)
如果将空气比α设定在接近于1.5的值，那么就能够进一步提高在燃烧器2a中的燃烧稳定性，因为由式(7)n更加接近于1，所以由式(6)所表示的“规定时间”T(分)变长。另外，相反地，如果将空气比调整到接近于1.0那么不完全燃烧的可能性将会变高。为此，要将空气比α设定在1.2。
在上述的运转步骤S3中由控制器101判断出经过了规定时间之后，在运转步骤S4中关闭燃料气体路径A，在从燃料气体生成器2经由燃料气体路径B而将燃料气体提供给燃料电池1之后，燃料电池1按照如下所述的方式开始发电工作。
在从燃料气体生成器2将一氧化碳的浓度已被充分降低了的燃料气体提供给燃料电池1的燃料气体用通道1a的同时，从鼓风机3将空气提供给燃料电池1的氧化剂气体用通道1b。于是，在燃料电池1中，使用被提供给其阳极侧以及阴极侧的燃料气体以及空气而实行发电从而输出规定的电力。
另外，没有被用于发电的尾气在从燃料电池1的燃料气体用通道1a排出之后，经由第五路径R5以及第三路径R3而提供给燃烧器2a。然后，在该燃烧器2a中，为了进行水蒸汽重整反应而实行燃烧。另外，从燃料电池1的氧化剂气体用通道1b排出的废空气被排放到燃料电池系统100的外部。
如以上所述，在本实施方式中，在将原料预先充填于燃料电池内部的燃料电池系统中，在重整部的温度达到规定的温度之后不马上从燃料气体路径A完全切换到燃料气体路径B，而是通过将燃料气体分配流向双方的路径，从而能够有效地抑制来自于燃烧器的一氧化碳的排出。
另外，通过抑制一氧化碳的排出而能够提供一种对环境比较温和的燃料电池系统。
另外，因为是以满足在燃烧器2a中的空气比为1以上的形式实行控制，所以能够稳定燃烧器中的燃烧。
另外，在本实施方式中，为了防止停止中的燃料电池的性能劣化，将在燃料电池系统运转时所使用的原料用于清洗(purge)，所以没有必要设置其它的惰性气体的供给机构，并且能够以低价设置成小型燃料电池系统。
另外，在本实施方式中，作为本发明的规定时间的一个例子，虽然是相当于根据式(6)所决定时间T，但是也可以根据燃料电池1的两极的电位差来决定规定时间T。
即，燃料电池1为了输出规定电力而实行发电时，在燃料电池1的两极上就会产生电位差。在将该电位差作为U(V)的时候，也可以将U(V)到达规定电位差Us(V)为止的时间作为在上述的运转步骤S3中判定为“是”的上述的“规定时间”。
在此，Us(V)相当于用一氧化碳的浓度已被充分降低的燃料气体去完全置换燃料电池1的燃料气体用通道1a内的天然气并且在从鼓风机3将空气提供给燃料电池1的氧化剂气体用通道1b中的时候的燃料电池1的两极电位差U(V)。作为该Us(V)的具体的值，例如在燃料电池1是由50枚固体高分子膜构成的时候可以设定为约4V。
即，由图9所表示的那样的电压检测器26(在实施方式四的变形例2中会有详细的说明)检测燃料电池1的两极电位差U(V)，当U(V)到达Us(V)的时候，燃料电池1的燃料气体用通道1a近旁(相当于从开闭阀9到开闭阀10之间的第四路径R4、燃料气体用通道1a以及第五路径R5的部分)的天然气被一氧化碳的浓度已被充分降低的燃料气体完全挤推出，并经由第五路径R5以及第三路径R3而在燃烧器2a中进行燃烧。
为此，如果根据U(V)已到达Us(V)的情况而关闭开闭阀8，那么即使将从燃料气体生成器2排出的燃料气体完全经过燃料气体路径B也不会破坏燃烧器2a中的稳定燃烧。另外，在上述的实施方式中，在运转步骤S4中完全关闭燃料气体路径A之后由鼓风机3将空气提供给氧化剂气体用通道1b，但是在如以上所述检测燃料电池的电位差的情况下，在由图2所表示的运转步骤S2中实行从鼓风机3到燃料电池1的空气供给。
另外，在本实施方式中，虽然在从燃料气体路径A到燃料气体路径B的切换前后将从燃烧风扇2b到燃烧器2a的空气供给量维持在一定水平，但是在从燃料气体路径A切换到燃料气体路径B的时候也可以以提高燃烧风扇2b的转速来增大所提供的空气量的形式进行控制。但是，如果提高燃烧风扇2b的转速会产生噪音。相对于此，在本实施方式的燃料电池系统中，在没有噪音的前提下就能够抑制启动开始时的一氧化碳的产生，所以在用于家庭用等中是相当有利的。
(实施方式二)
以下是就有关本发明所涉及的实施方式二中的燃料电池系统加以说明。
图3是示意性地表示本发明的实施方式二所涉及的燃料电池系统200的构成的方块图。另外，在图3中，构成燃料电池系统的各个构成要素之间的实线也还是表示燃料气体或者氧化剂气体等所流动的路径，在这些实线上所标注的箭头表示水和燃料气体或者氧化剂气体等的在通常运转时的流动方向。另外，在图3中，仅仅表示为了说明本发明而必要的构成要素，关于除此之外的构成要素在此省略对其进行图示。另外，在图3中，对于与由实施方式一所表示的燃料电池系统100的构成要素相同的构成要素标注相同的符号。
如图3所示，燃料电池系统200与由实施方式一所表示的燃料电池系统100的基本构成相同，区别点在于，由图3所表示的分配器12来代替由图1所表示的开闭阀8和开闭阀9。另外，其它方面与由实施方式一所表示的燃料电池系统100的构成相同，所以将围绕着不同点作如下说明。
如以上所述，燃料电池系统200具备被设置于第一路径R1分支于第二路径R2和第三路径R3的分支部X的分配器12。另外，控制器101实行对分配器12的控制，从而取代在实施方式一中控制开闭阀8以及开闭阀9的方式。控制器101通过控制分配器12而能够调整从燃料气体生成器2排放出的燃料气体分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的流量比例。
在此，正如在实施方式一中所说明的那样，在从燃料气体生成器2排放出的燃料气体分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的时候，分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的流量比例将依赖于燃料气体路径A和燃料气体路径B的通道阻力的大小。为此，在燃料电池系统100中，如果是燃料气体路径A的通道阻力显著大于燃料气体路径B的通道阻力的构成，那么在同时形成燃料气体路径A和燃料气体路径B的时候，从包含燃料电池1的燃料气体用通道1a的近旁的通道被挤推出并被提供给燃烧器2a的天然气的供给量将会变多，并且用于实行稳定燃烧而必要的氧供给量不足，所以就会有可能发生不完全燃烧。
因此，在本实施方式二的燃料电池系统200中，如图3所示，从燃料气体生成器2排出的燃料气体分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的流量比例能够由分配器12任意地进行调整，所以能够更良好地实现在燃烧器2a中的燃烧稳定性。
即，与实施方式一相同，在将从燃料气体生成器2排出的燃料气体分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的流量比例调节成n∶(1-n)(但是0＜n＜1)的时候，控制器101以成为n≥0.9375的形式调整分配器12。通过该控制，天然气从燃料电池1的燃料气体用通道1a等被排出(被挤推出)并被提供给燃烧器2a的时候的燃烧器2a中的空气比成为1.2以上，因此，能够确保燃烧器2a中的稳定燃烧。
以下就有关本实施方式二的燃料电池系统200的动作加以说明。图4是表示本发明的实施方式二的燃料电池系统200的启动动作时的控制的流程图。
如图4所示，在本实施方式二中，与实施方式一的情况相同，如果在运转步骤S21中控制器101判定重整催化剂的温度已达到规定的温度(运转步骤S21上为“是”)，那么燃料电池系统200的动作向后述的运转步骤S22转移。
接着，在运转步骤S22中，控制器101开启开闭阀10，并通过半开分配器12而同时形成燃料气体路径A和燃料气体路径B。通过以如此形式加以控制，从燃料气体生成器2排出的燃料气体从分支部X分流于第二路径R2和第四路径R4，在合流部Y进行合流并被提供给燃烧器2a。此时，如以上所述，在将从燃料气体生成器2排出的燃料气体分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的气体流量比例调节成n∶(1-n)(但是0＜n＜1)的时候，控制器101以满足n≥0.9375的形式调整分配器12。该运转步骤S22相当于本发明的分流工序的一个例子。
接着，天然气的全量从燃料电池1的燃料气体用通道1a等排出，并且如果控制器101的计时部判定已经经过了在燃烧器2a中该全量的天然气发生燃烧的规定时间(在运转步骤上S23上为”是”)，那么燃料电池系统200的动作向运转步骤S24转移。在运转步骤S24中，控制器101通过使分配器12进行动作而切断第一路径R1与第二路径R2之间的连通，并以从燃料气体生成器2排出的燃料气体完全流入到燃料气体路径B的形式进行控制。
在此，与实施方式一相同，所谓在运转步骤S23中被判定为”是”的上述“规定时间”是由上述式(6)所定义的。另外，与实施方式一相同，在上述运转步骤S22之后如果将燃料气体从燃料气体生成器2提供给燃料电池1，那么燃料电池1就开始发电工作。
如以上所述，即使是在本实施方式二的燃料电池系统200中，也与实施方式一相同能够抑制一氧化碳的排出。
另外，在本实施方式二的燃料电池系统200中，即使将燃料气体路径A和燃料气体路径B设计成不成为所期望的通道阻力，因为能够由分配器12实现所期望的通道阻力，所以也能够使用于现有的燃料电池系统的设备。
另外，与在实施方式一中所说明的相同，将在燃料电池1为了输出规定的电力而实行发电时产生于燃料电池1的两极的电位差作为U(V)的时候，也可以将U(V)达到由实施方式一所表示的电位差Us(V)为止的时间作为在所述的运转步骤S23中被判定为”是”的上述的“规定时间”。
(实施方式三)
以下是就有关本发明所涉及的实施方式三中的燃料电池系统加以说明。
图5是示意性地表示本发明的实施方式三所涉及的燃料电池系统300的构成的方块图。另外，在图5中，构成燃料电池系统的各个构成要素之间的实线也还是表示燃料气体或者氧化剂气体等所流动的路径，在这些实线上所标注的箭头表示水和燃料气体或者氧化剂气体等的在通常运转时的流动方向。另外，在图5中，只表示为了说明本发明而必要的构成要素，省略除此之外的构成要素的图示。另外，对于与在图5中由实施方式一所表示的燃料电池系统100的构成要素相同的构成要素，标注相同的符号。
如图5所示，燃料电池系统300与由实施方式一所表示的燃料电池系统100的基本构成相同，区别点在于，用图6所表示的混合器13来代替图1所表示的开闭阀8和开闭阀10。另外，关于其它方面，与由实施方式一所表示的燃料电池系统100的构成相同，所以将围绕着不同点作如下说明。
如以上所述，燃料电池系统300具备被设置于第二路径R2和第五路径R5合流于第三路径R3的合流部Y的混合器13。另外，控制器101实行对混合器13的控制，从而取代在实施方式一中控制开闭阀8以及开闭阀9的方式。控制器101通过控制混合器13而能够调整从燃料气体生成器2排放出的燃料气体提供给燃料气体路径A和提供给燃料气体路径B的流量比例。
在此，在实施方式一中，如图1所示，在从燃料气体生成器2排放出的燃料气体分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的时候，分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的流量比例将依赖于燃料气体路径A和燃料气体路径B的通道阻力的大小。
为此，在燃料电池系统100中，如果是燃料气体路径A的通道阻力显著大于燃料气体路径B的通道阻力的构成，那么在同时形成燃料气体路径A和燃料气体路径B的时候，从包含燃料电池1的燃料气体用通道1a的近旁的通道被挤推出并被提供给燃烧器2a的天然气的供给量将会变多，并且用于实行稳定燃烧而必要的氧供给量不足，所以就会有可能发生不完全燃烧。
因此，在本实施方式三的燃料电池系统300中，如图5所示，从燃料气体生成器2排出的燃料气体分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的流量比例能够由混合器13任意地进行调整，所以能够更良好地实现在燃烧器2a中的燃烧稳定性。
即，与实施方式一相同，在将从燃料气体生成器2排出的燃料气体分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的流量比例调节成n∶(1-n)(但是0＜n＜1)的时候，控制器101以成为n≥0.9375的形式调整混合器13。通过该控制，天然气从燃料电池1的燃料气体用通道1a等被排出(被挤推出)并被提供给燃烧器2a的时候的燃烧器2a中的空气比成为1.2以上，因此，能够确保燃烧器2a中的稳定燃烧。
以下就有关本实施方式三的燃料电池系统300的动作加以说明。
图6是表示本发明的实施方式三所涉及的燃料电池系统300的启动动作时的控制的流程图。
如图6所示，在本实施方式三中，与实施方式一的情况相同，如果在运转步骤S31中控制器101判定重整催化剂的温度已达到规定的温度(运转步骤S31上为”是”)，那么燃料电池系统300的动作向后述的运转步骤S32转移。
接着，在运转步骤S32中，控制器101开启开闭阀9，并通过半开混合器13而同时形成燃料气体路径A和燃料气体路径B。通过以如此形式加以控制，从燃料气体生成器2排出的燃料气体从分支部X分流于第二路径R2和第四路径R4，在合流部Y进行合流并被提供给燃烧器2a。此时，如以上所述，在将从燃料气体生成器2排出的燃料气体分流于燃料气体路径A和燃料气体路径B的气体流量比例调节成n∶(1-n)(但是0＜n＜1)的时候，控制器101以成为n≥0.9375的形式调整混合器13。该运转步骤S32相当于本发明的分流工序的一个例子。
接着，天然气的全量从燃料电池1的燃料气体用通道1a等排出，并且如果控制器101的计时部判定已经经过了在燃烧器2a中该全量的天然气发生燃烧的规定时间(在运转步骤上S33上为”是”)，那么燃料电池系统300的动作向运转步骤S34转移。在运转步骤S34中，控制器101通过使混合器13进行动作而切断第二路径R2与第五路径R5之间的连通，并以从燃料气体生成器2排出的燃料气体完全流入到燃料气体路径B的形式进行控制(运转步骤S34)。
在此，与实施方式一相同，所谓在运转步骤S33中被判定为“是”的上述“规定时间”是由上述式(6)所定义的。另外，与实施方式一相同，在上述运转步骤S32之后如果将燃料气体从燃料气体生成器2提供给燃料电池1，那么燃料电池1就开始发电工作。
另外，与在实施方式一中所说明的相同，将在燃料电池1为了输出规定的电力而实行发电时产生于燃料电池1的两极的电位差作为U(V)的时候，也可以将U(V)到达由实施方式一所表示的电位差Us(V)为止的时间作为在所述的运转步骤S33中被判定为“是”的上述的“规定时间”。
(实施方式四)
图7是示意性地表示本发明的实施方式四所涉及的燃料电池系统400的构成的方块图。在图7中，对于与图1相同或者相当的构成要素标注相同的符号，并省略重复说明。
在实施方式一中，以获得规定的通道阻力的形式预先实施通道的设计，并且控制燃料气体的分流的流量控制器由开闭阀8、9、10构成，但是在本发明的实施方式5中，取代开闭阀8、9而设置流量调整阀14、15。流量调整阀14、15例如由通过对其开闭度的调整而能够控制流量的针形阀构成。并且，由控制器101控制这些流量调整阀14、15的开闭度，从而得到实施方式一中所叙述的燃料气体的燃料气体路径A和燃料气体路径B的分流比例。除此之外，其他各个方面均与实施方式一相同。
根据这样的本实施方式，通过调整流量调整阀14、15的开闭度而能够做出所期望的通道阻力，所以通过调整流量调整阀14、15的开闭度而能够调整分别流到燃料气体路径A以及燃料气体路径B的燃料气体的比例。其结果，没有必要预先将燃料电池系统400的通道的通道阻力设计成为所期望的分流比例，所以增加了设计的自由度。再则，能够将本发明使用于现有的燃料电池系统中。
接着，就有关本实施方式的变形例作如下说明。
[变形例1]
图8是示意性地表示本发明的实施方式四的变形例1所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。
根据本实施方式的燃料电池系统，在按照成为所期望的分流比例的形式将流量调整阀14、15调整到预先所确定的规定的开闭程度的情况下仍由规定的燃烧状态检测器检测出燃烧器2a的燃烧不稳定时(换言之，在空气比为接近于1的状态下)，优选以使燃烧进行稳定化的形式根据上述燃烧状态检测器的值控制流量调整阀14以及15的至少任意一个的开闭度。因此，在变形例1中，如图8所示，例如作为燃烧状态检测器将检测废燃烧气体中的原料或者一氧化碳的可燃性气体检测器25配设于从燃烧器2a排出的废燃烧气体进行流动的废燃烧气体路径28上。可燃性气体检测器25例如由可燃性气体浓度传感器构成。然后，控制器101根据这个可燃性气体检测器25的检测值以废燃烧气体中的可燃性气体浓度成为规定值(对应于规定的燃烧程度的可燃性气体的浓度)的形式反馈控制流量调整阀14、15的开闭度。具体而言，在由可燃性气体检测器25检测的废燃烧气体中的可燃性气体的浓度大于规定的界限值的时候，因为在从燃料气体生成器2送出的燃料气体中提供给燃料电池1的燃料气体的量过多，所以控制器101判定为燃烧不稳定，因此减小流量调整阀15的开闭程度或者增大流量调整阀14的开闭程度。由此，防止燃烧器2a中的燃烧过程中的空气比变成小于1，进而使燃烧稳定化。
[变形例2]
图9是示意性地表示本发明的实施方式四的变形例2所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。
在变形例2中，如图9所示，作为燃烧状态检测器配设检测燃料电池1的电压值的电压检测器26。在燃料电池1上配设有输出所产生的电力的一对输出端子27、27，在该一对输出端子上连接有由变流器(inverter)等构成的输出电流控制器(没有图示)。在该一对输出端子之间连接有电压检测器26。电压检测器26例如由电压表构成。然后，控制器101根据在开始将由燃料气体生成器2生成的燃料气提供给燃料电池1之后用电压检测器26进行测量的电压的上升速度，以该上升速度成为规定值的形式反馈控制流量调整阀14、15的开闭度。具体而言，在该上升速度比规定的界限值(对应于规定的分流比例的电压的上升速度)大的时候，在从燃料气体生成器2送出的燃料气体中提供给燃料电池1的燃料气体的量过多，所以控制器101判定为燃烧不稳定，因此减小流量调整阀15的开闭程度或者增大流量调整阀14的开闭程度。由此，防止燃烧器2a的燃烧中的空气比变成小于1，进而使燃烧稳定化。
另外，在实施方式二以及三中也可以与上述变形例1或者2相同，分别配设可燃性气体检测器25或者电压检测器6，并且控制器101根据这些检测器的输出而控制分配器12的阀的开闭度或者混和器13的阀的开闭度，从而调整分流比例。
如上述的实施方式一至四所述，根据本发明，在以燃烧器2a燃烧作为置换气体的天然气的时候能够控制提供给燃烧器2a的天然气的流量，所以能够抑制燃烧天然气时的一氧化碳的产生。由此，由简单的构成而能够有效地抑制在发电运转开始时的一氧化碳的排出，从而能够提供一种对环境较温和的燃料电池系统。
另外，在上述实施方式一至四当中，在开始从燃料气体生成器2到燃料电池1的燃料气体的供给之后也以燃烧器2a中的空气比成为1.2的形式实行对作为燃烧用燃料的原料以及燃料气体的供给量的控制，但是只要至少以空气比成为1.0以上的形式实行控制的话，那么在理论上也能够抑制一氧化碳的产生。
另外，在上述实施方式一至四当中，燃料气体路径A虽然是以共用燃料气体路径B的一部分的形式加以构成，但是也可以与燃料气体路径B完全另行地形成燃料气体路径A。即，也可以以直接连接燃料气体生成器2和燃烧器2a的形式设置旁通路径24。
另外，在上述实施方式一至四当中，向燃料电池1的原料气体的充填路径由原料供给器11、燃料气体生成器2以及燃料气体供给路径22构成，但是也可以设置从原料供给器11旁通于燃料气体生成器2而到达燃料电池1的原料气体旁通路径。
根据上述说明，本领域技术人员能够明确得知本发明的多处改良或者其他的实施方式。因此，上述说明只应解释为是例示，是为了向本领域技术人员提供实行本发明的最佳方式而提供的。只要不脱离本发明的精神，能够实质性地变更其构造以及/或者功能的细节。
产业上的利用可能性
根据本发明的燃料电池系统以及燃料电池系统的运转方法，能够抑制在发电运转开始时的一氧化碳的排出，作为使用固体高分子型燃料电池的燃料电池系统等是有用的。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于：
具备：
燃料电池，使用燃料气体和氧化剂气体进行发电；
燃料气体生成器，由原料生成含有氢的所述燃料气体；
燃料气体供给路径，用于从所述燃料气体生成器将所述燃料气体提供给所述燃料电池；
燃烧器，加热所述燃料气体生成器；
燃烧风扇，将空气提供给所述燃烧器；
尾气路径，用于从所述燃料电池将没有被使用于所述发电的所述燃料气体提供给所述燃烧器；
旁通路径，将从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体以旁通于所述燃料电池的方式提供给所述燃烧器，该旁通路径连接所述燃料气体供给路径和所述尾气路径；
流量控制器，用于控制从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体分别提供给所述燃料电池以及所述旁通路径的流量；
控制器，在开始将只提供给所述旁通路径的来自于所述燃料气体生成器的所述燃料气体提供给充填有所述原料的所述燃料电池的时候，控制所述流量控制器，进行使所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径的分流工序；
燃料电池系统被构成为：在所述分流工序前后的所述燃烧风扇的空气供给量保持一定，按照所述分流工序中的所述燃烧器的空气比成为1以上的比例的方式，将所述燃料气体分别分流于所述燃料电池以及所述旁通路径。
2.如权利要求1所记载的燃料电池系统，其特征在于：
在开始所述分流工序之后，当从所述燃料电池内清除被充填于所述燃料电池内的所述原料之后，所述控制器停止所述分流工序，并以将从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体只提供给所述燃料电池的形式控制所述流量控制器。
3.如权利要求2所记载的燃料电池系统，其特征在于：
在开始所述分流工序之后，在由控制器判断出经过了从所述燃料电池内清除被充填于所述燃料电池内的所述原料所需的时间之后，所述控制器停止所述分流工序，并以将从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体只提供给所述燃料电池的形式控制所述流量控制器。
4.如权利要求2所记载的燃料电池系统，其特征在于：
具备检测所述燃料电池电压的电压检测器，
在开始所述分流工序之后，并在由所述电压检测器检测的电压达到规定界限值以上之后，所述控制器停止所述分流工序，并以将从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体只提供给所述燃料电池的形式控制所述流量控制器。
5.如权利要求1所记载的燃料电池系统，其特征在于：
所述流量控制器具备：
被配置于从所述燃料气体供给路径到所述旁通路径的分支部与所述燃料电池之间的所述燃料气体供给路径上的第一流量控制器；
被配置于到所述尾气路径的所述旁通路径的合流部与所述燃料电池之间的所述尾气路径上的第二流量控制器；
所述第一流量控制器以及第二流量控制器为开闭阀，
所述燃料气体供给路径、所述尾气路径、所述旁通路径以及所述燃料电池的通道阻力预先被设定成为：在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池的所述燃料气体的供给的时候，所述控制器以将所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径的形式开启全部所述开闭阀的情况下，在所述分流工序前后的所述燃烧风扇的空气供给量维持一定，并且所述燃烧器中的空气比满足1以上。
6.如权利要求1至4的任意一项所记载的燃料电池系统，其特征在于：
所述流量控制器具备分配器，为了调整将从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通通道的比例，该分配器被配置在所述燃料气体通道向所述旁通通道的分支部，
在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池的所述燃料气体的供给的时候，所述控制器以将所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径的形式控制所述分配器，在所述分流工序前后的所述燃烧风扇的空气供给量维持一定，并以所述燃烧器中的空气比成为1以上的形式控制所述分配器并调节所述比例。
7.如权利要求1至4的任意一项所记载的燃料电池系统，其特征在于：
所述流量控制器具备混合器，为了调整在所述旁通路径中流动的所述燃料气体与在所述尾气路径中流动的没有被使用于所述发电的剩余的所述燃料气体的混合比例，该混合器被配置于所述旁通路径的向所述尾气路径的合流部，
在开始从所述燃料气体生成器向所述燃料电池的所述燃料气体的供给的时候，所述控制器以将所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径的形式控制所述混合器，在所述分流工序前后的所述燃烧风扇的空气供给量维持一定，并以所述燃烧器中的空气比成为1以上的形式控制所述混合器并调节所述比例。
8.如权利要求1所记载的燃料电池系统，其特征在于：
具备将所述原料提供给所述燃料气体生成器的原料供给器，
所述控制器在所述燃料电池停止发电的期间，使用所述原料供给器将所述原料充填于所述燃料电池的内部，之后，控制所述流量控制器并进行对所述燃料气体的分流的控制。
9.一种燃料电池系统的运转方法，其特征在于：
所述燃料电池系统具备：
燃料电池，使用燃料气体和氧化剂气体进行发电；
燃料气体生成器，通过重整反应由原料生成含氢的所述燃料气体；
燃料气体供给路径，用于从所述燃料气体生成器将所述燃料气体提供给所述燃料电池；
燃烧器，加热所述燃料气体生成器；
燃烧风扇，将空气提供给所述燃烧器；
尾气路径，用于从所述燃料电池将没有被使用于所述发电的所述燃料气体提供给所述燃烧器；
旁通路径，将从所述燃料气体生成器送出的所述燃料气体以旁通于所述燃料电池的方式提供给所述燃烧器，该旁通路径连接所述燃料气体供给路径和所述尾气路径，
该燃料电池系统的运转方法包括分流工序：在将只提供给所述旁通路径的来自于所述燃料气体生成器的所述燃料气体开始提供给所述燃料电池的时候，将所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径，
燃料电池系统的运转方法被构成为：在所述分流工序前后的所述燃烧风扇的空气供给量保持一定，按照所述分流工序中的所述燃烧器的空气比成为1以上的比例的方式，将所述燃料气体分别分流到所述燃料电池以及所述旁通路径。
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