JP2004311337A - 燃料電池システムとその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料改質システムの大型化や複雑化を招くことなく、また燃料改質システムの効率を悪化させることなく、燃料改質システム停止時からの再起動が可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料を改質して改質ガスを生成する燃料改質システムと、
生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電停止時に燃料改質システムおよび燃料電池内に存在するガスを燃料改質システムおよび燃料電池内に封じ込める手段と、
前記封じ込めたガスを前記燃料電池の発電再開前に前記燃料改質システムに循環させる循環手段とを備えた。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、特に燃料改質型燃料電池システムとその起動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質型燃料電池システムにおいては、通常運転状態から停止状態に移行する際には、システム内を不活性ガス等で置換して停止させる方法がとられている。一例として、燃料電池の排ガスを燃焼処理したのち、酸素ガスを除去して得た不活性ガスを用いて置換する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、燃料改質型燃料電池の起動時には燃料改質装置を暖機しなければならない。このため、燃料電池システムの再起動を容易にするために、燃料改質装置の運転停止中にも燃料改質装置を高温に保持することにより、暖機時間を短縮する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−７８０３７号公報
【特許文献２】
特開平６−３６７９０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、燃料改質装置を停止するときには常に装置内を不活性ガスにて置換する。そのため、燃料電池システム停止直後に再起動する場合においても、既に装置内は不活性ガスにて置換されており、この不活性ガスを排出するまでは燃料電池に改質ガスを供給することができない。
【０００６】
また、停止の数分後に再起動する場合には燃料改質装置は、停止中に熱が損失するために、改質触媒の温度が低下している。よって、不活性ガスを排出すると同時に、燃料電池システムの暖機を行わなければならない。この暖機のために、燃料電池システムに新たな暖機手段または制御手段を設けるか、常温起動と同様の手順で暖機を行う必要がある。新たな起動手段あるいは制御手段を設けることでシステムを大型化・複雑化することが避けられない。また常温起動と同じ起動方法では、数分後の停止では燃料改質システムは少量の熱の使用で暖機ができるにも関わらず、燃料を利用して、過剰に熱を生成することになり、燃料効率を低下させる。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術においては、燃料改質装置の運転停止時においても常に燃料改質系を高温に保持しなければならないため、燃料を消費し続けることになる。燃料電池自動車といった移動体に代表されるような燃料電池システムにおいては、定置型の燃料電池システムに比較して、運転時間と停止時間との切替えが多く、また、運転を停止している時間も比較的長い。したがって前者のようなシステムにこのような装置を適用すると、燃料改質装置停止中の燃料消費量が多くなり効率が悪い。また、暖機時の燃料使用量に比べても、燃料改質装置停止中の燃料使用量の方が多く、燃料電池システム効率を悪化させる要因となる。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムの大型化や複雑化を招くことなく、またシステムの効率を悪化させることなく、システム停止時からの再起動が可能な燃料電池システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料改質システムと燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電停止時に燃料改質システムおよび燃料電池内に存在するガスを封じ込め、封じ込めたガスを前記燃料電池の発電再開前に前記燃料改質システムに循環させる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、封じ込めたガス、つまり改質ガス及び／または燃料電池からの排出ガスといった混合成分ガスを燃料電池再発電時の燃料改質システムの再起動に利用でき、再起動時の燃料消費を抑制し、燃料電池システムの効率を向上できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の燃料改質システムの概略図を用いて、以下、説明する。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、改質触媒を充填し、改質ガスを生成する燃料改質器１と、改質ガス中のＣＯ濃度を低減するシフト反応器２と一酸化炭素（以下、ＣＯと示す。）選択酸化反応器３と、改質ガスを用いて電気化学反応により発電する燃料電池４及び燃料電池から排出されたガスを燃焼する燃焼器５により構成されている。なお、燃料改質器１とシフト反応器２とＣＯ選択酸化反応器３とを合わせて、燃料改質システムという。
【００１３】
燃料改質器１には燃料供給源６から燃料が、また空気供給源７から空気が供給される。またシフト反応器２とＣＯ選択酸化反応器３には、それぞれ第１、第２熱交換器８、９が備えられており、水供給源１０からの水を改質器１から排出された改質ガスの熱によって気化し、水蒸気を改質器１に供給する。
【００１４】
ＣＯ選択酸化反応器３にはさらに、別の空気供給源１１から空気が供給され、ＣＯ選択部３で改質ガス中のＣＯを所定濃度まで低減した後、燃料電池４に供給する。
【００１５】
燃料電池４では、燃料極にＣＯ選択反応部３から排出された改質ガスが、一方、空気極にはさらに別の空気供給源１２からの空気が供給され、燃料電池４で発電が行われ、発電した電力は図示しない電力消費部または電力充電部に送られる。燃料電池４から排出された排ガスには水素を含む未燃燃料が含まれており、この排ガスは燃焼器５に送られて、空気と混合されて未燃燃量等を燃焼し、外部に放出される。
【００１６】
次に本発明の特徴的な構成であるバイパス流路について説明する。バイパス流路１４は、燃料電池４と燃焼器５とを結ぶガス流路（排ガス流路）１３の途中から分岐し、排ガスを燃料改質器１に供給するため流路であり、この分岐点に改質ガスの供給先を制御するための三方切換弁１５を設置する。バイパス流路１４には、燃料改質器１に排ガスを供給する供給源としてのポンプ１６と、このバイパス流路１４を流通する排ガス流量を制御する制御弁１７とを設置する。
【００１７】
燃料電池システムを統合制御するためのコントローラ１８が設置され、コントローラ１８は、燃料改質器１、シフト反応器２およびＣ選択酸化反応部３にそれぞれ充填された触媒の温度を入力が入力され、また燃料電池４の要求発電量から燃料改質システムの運転停止、運転再開を判断し、燃料改質システムの運転状態と入力値に基づいて前述の三方切換弁１５、ポンプ１６、制御弁１７、さらには図示しないが燃料改質システムを構成する燃料改質器１とシフト反応器２とＣＯ選択反応部４に供給される燃料、空気、水の供給量を制御する。
【００１８】
次に、作用を説明する。燃料改質器１では、燃料供給源６から供給された燃料の一部と空気供給源７から供給された空気とを用いて自己発熱が行われ、その自己発熱を利用して、残留した燃料と水蒸気とが混合され、吸熱反応である水蒸気改質反応を生じ、改質ガスを生成する。燃料改質器１における自己発熱により改質ガスは温度が上昇するため、シフト反応器２の上流側に設置された第１熱交換器８により、改質ガスの熱を回収し、水供給源１０から第２熱交換器９を介して第１熱交換器８に供給される水蒸気をさらに気化する。改質ガスは熱を回収された後にシフト反応器２に供給される。シフト反応器２では内部に担持された触媒により、改質ガス中に含まれる水蒸気とＣＯがシフト反応を生じる。シフト反応器２で生成された改質ガスは、空気供給源１１から供給される空気と共に、ＣＯ選択酸化反応器３に供給される。ＣＯ選択酸化反応器３の内部に担持されたＣＯ選択酸化触媒が改質ガス中のＣＯを選択的に酸化し、ＣＯ濃度を所定濃度まで低減する。この酸化反応によって生じる熱はＣＯ選択酸化反応器３の周囲を取り巻く第２熱交換器９が熱回収し、水供給源１０からの水を蒸発するために用いられる。
【００１９】
ＣＯ選択酸化反応器３から排出された改質ガスは、燃料電池４の燃料極に供給され、空気極に供給される空気と反応させることにより発電が行われる。発電後の排出ガスは燃焼器５に供給され、空気供給源１９からの空気によって含有される可燃ガスを完全に燃焼させたのちに外部に排出する。
【００２０】
また、燃料電池４から排出された排ガスを燃料改質システム、例えば燃料改質器１に循環させるためのバイパス流路１４を設けたので、燃料電池発電停止時に、排ガスの外部への排出を禁止し、排ガスを燃料電池システム内に充満させることができる。
【００２１】
次に燃料電池システムの運転状態に応じた制御について図２のフローチャートを用いて説明する。運転状態は、ステップ１からステップ４に示す通常運転状態と、ステップ５からステップ１１に示すエンジンの短期停止状態と、ステップ１２からステップ１７に示すエンジン短期停止状態からの再起動状態と、ステップ１８からステップ２１に示すエンジン短期停止状態での再起動不可状態からの復旧運転状態と、ステップ２２とステップ２３に示すエンジンの長期停止状態とに区別される。
【００２２】
まず通常運転時には、燃料改質器１には燃料と空気と水タンク１０の水が熱交換器８、９によって気化した水蒸気が供給される。燃料改質器１では部分酸化反応と水蒸気改質反応とが生じ、燃料を改質して、水素リッチの改質ガスをシフト反応器２に供給する。改質ガスはシフト反応器２とＣＯ選択酸化反応器３でＣＯを除去し、ＣＯを所定濃度以下にして改質ガスである水素を燃料電池４に供給する。燃料電池４では燃料極に改質ガスが、酸化材極に空気が供給されて発電が行われ、図示しない電力消費部に電力が供給される。燃料電池４から排出される排ガスは、三方切換弁１５を通じて燃焼器５に供給される。このとき排ガスはバイパス流路１４に流出することはない。排ガスは燃焼器５で空気とともに燃焼し、未燃ガス成分を完全に燃焼した後、外部に放出される（ステップ１）。この通常運転状態は、ステップ２において燃料電池システムの一時停止要求がない場合には続行される（ステップ４）。一時停止要求があった場合にはステップ３に進んで、イグニッションスイッチ２６がオンかどうかを判定する。本制御においては、イグニッションスイッチ２６のオン／オフ状態によって、燃料電池の発電停止状態を短期と長期とに区別して制御を実施する。すなわち、イグニッションオンであれば、比較的時間の短い短期停止状態であると判断して、ステップ５に進む。イグニッションオフである場合には、比較的長期の時間に係る停止である可能性が高いと判断し、ステップ２２へ進む。
【００２３】
次に通常運転状態から燃料電池システムの短期停止状態（燃料電池４が発電を停止する）に切り換わる場合の制御を説明する。以下に短期の場合、つまりイグニッションスイッチ２６がオンの場合の制御について説明する。
【００２４】
コントローラ１８からの停止信号により、燃料電池４への空気の供給が停止され、燃料電池４は発電を停止する。一方、第１、第２熱交換器８、９への水の供給停止により改質器１への水の供給も停止される（ステップ５）。しかし、熱交換器８、９での水の蒸発遅れにより水の供給を停止しても、しばらくの間、水蒸気が燃料改質器１に供給される。水蒸気の燃料改質器１への供給状態を検出し、水蒸気の発生停止が確認されたら（ステップ６）、燃料供給源６及び各空気供給源７、１１、１２、１９から各反応器１、２、３、燃料電池４と燃焼器５への燃料または空気の供給を停止し（ステップ７）、さらに三方切換弁１５を燃焼器側を閉じ、バイパス流路側を開いた状態とする（ステップ８）。このときポンプ１６は停止状態で、制御弁１７は閉じているため、排ガスが改質器１に流入することはない。このようにしてシステム中の改質ガスと排ガスをシステム中に封じ込める。この状態でシステムは再起動信号が出力されるまで（ステップ９）運転を再開（燃料電池が発電を再開する）するのを待機する（ステップ１１）。
【００２５】
なお、本実施例においては燃料と空気の供給停止後に三方切換弁１５を切り換えることとしたが、三方切換弁１５を切り換えた後、燃料と空気の供給を停止してもよい。
【００２６】
次に短期停止状態から運転再開が可能と判断できるシステムの条件について説明する。
【００２７】
燃料電池システムの運転を再開するためには、燃料改質器１、シフト反応器２、ＣＯ選択酸化反応器３に充填された触媒がそれぞれの活性温度以上であることが条件となる。つまり、各触媒が活性温度以上でなければ、燃料やガスを供給しても反応は進行しない。但し、自己着火して、その熱で昇温するタイプの触媒は、活性温度を維持する必要はなく、自己着火温度以上を維持すれば、供給された燃料等で着火して触媒が活性温度まで昇温し、速やかに触媒反応を開始できる。
【００２８】
したがって、各反応器の触媒温度が活性温度を維持することで、燃料電池システムの短期停止状態からの運転再開時には、触媒の暖機時間を設けることなく通常運転を開始することができる。
【００２９】
または、触媒の活性温度以下であっても、運転停止時にシステム中に封じ込められた改質ガスや排ガスを用いて触媒温度を活性温度まで昇温できる温度（再起動可能温度）であればよい。このようにして運転停止後の再運転時の暖機の必要性を排除し、速やかに通常運転に移行することができる。
【００３０】
燃料電池システムの短期停止状態から運転再開する場合の条件を実施形態に適用して説明する。コントローラ１８には予め燃料改質器１、シフト反応器２、ＣＯ選択酸化反応器３のそれぞれに充填された触媒の活性温度や再起動可能温度が記憶され、このデータに基づいて、運転再開の判定がされる。各反応器１、２、３には、各触媒の温度を検出する温度センサ２０、２１、２２が設置され、常時触媒温度を検出して検出値をコントローラ１８に出力する。コントローラ１８は検出された触媒温度を活性温度、再起動可能温度等の基準温度と比較し、運転再開可能かどうかを判定する。検出温度が基準温度以上であれば運転再開可能と判定する（ステップ１０）。一方、各反応器の一つでも基準温度、例えば再起動可能温度を下回った場合には、ステップ１８に進み、再起動不可状態からの復旧運転を行う。なお、本実施例では、各触媒に温度センサを設け、触媒温度を活性温度、再起動可能温度等の基準温度と比較しているが、運転停止からの時間、外気（触媒雰囲気）温度等から、あらかじめ計測していた触媒温度変化マップ等を利用して、各触媒の温度を推定して、推定温度と前記基準温度との比較を行って判定しても良い。
【００３１】
燃料改質システムの運転再開が可能な場合（ステップ１０）には、制御弁１７を開放するとともにポンプ１６を稼動して、システム中に封じ込められたガスがバイパス流路１４から各反応器１、２、３に導入される。ガスの導入と同時に燃料改質器１とＣＯ選択反応器３に空気を供給する（ステップ１２）。これにより、燃料改質器１とＣＯ選択酸化反応器３において、それぞれ改質ガスを精製する反応、ならびに、一酸化炭素を除去する反応が行われる。
【００３２】
第２熱交換器８、９の温度を検出する温度センサ２３、２４を用いて検出し、これら熱交換器の温度が水を水蒸気に気化できる温度以上であれば（ステップ１３）、三方切換弁１５を燃焼器側を開き、バイパス流路１４側を閉じる（ステップ１５）。
【００３３】
第１、第２熱交換器８、９が温度条件を満たしていない場合にはステップ１４に進み現状の運転状態を継続し、改質原料に必要な水蒸気が発生可能な状態になるまで運転を維持する（ステップ１４）。
【００３４】
水蒸気供給可能温度であった場合、次にステップ１６で、水供給源１０から水を熱交換器８、９に供給し、水蒸気を改質器１に導入する。水が水蒸気に気化する遅れ分を考慮して、燃料改質器１に燃料と空気が供給され、ＣＯ選択酸化反応器３と燃料電池４と燃焼器５に空気が供給され、通常運転に移行する。なお、通常運転に移行する際に制御弁１７は閉じられ、ポンプ１６を停止する（ステップ１７）。
【００３５】
なお、本実施形態では、「熱交換器が水を水蒸気にできるか？」ということにより三方切り換え弁を切り換え、通常運転への移行条件として説明したが、これに限らず、予め熱交換器の温度の変化と時間との関係をマップ化してコントローラ１８に記憶しておき、経過時間で通常運転への移行を判断してもよい。また、熱交換器の温度特性のマップ化にあたり、外気温度により補正してもよい。
【００３６】
次に燃料電池システムの短期運転停止状態において運転再開の要求がある前に運転再開条件が不成立となった状態から再起動するための復旧運転の制御について説明する。
【００３７】
ステップ１０でホットリスタート可能条件を満たさない、つまり各反応器１、２、３の温度が基準温度を満たさない場合、この場合には、まず運転再開条件を満たす状態に各反応器の触媒温度を昇温するように燃料改質システムを稼動する。つまり、第１に制御弁１７を開き、ポンプ１６を稼動し、システム内に閉じ込めたガスを各反応器１、２、３に循環させる（ステップ１８）。次に空気供給源７から空気を改質器中に供給してガス中の未燃成分を燃焼させる（ステップ１９）。この燃焼による燃焼熱で、燃料改質システム、特に各反応器１、２、３を昇温させ、各反応器の触媒温度が運転再開条件（基準温度以上）を満たすようにする（ステップ２０）。なお、このとき、循環するガス中に含まれる、未反応の改質ガス中に可燃ガス成分である水素の燃焼によって燃焼熱を発生させるが、さらに燃料供給源６から燃料を供給し、各反応器から排出される改質ガス中に未燃成分が含有されるようにして発生する燃焼熱を調整しても良い。
【００３８】
したがって、短期運転停止中に各反応器が運転再開条件を満たさなくなった場合には、運転停止時に燃料改質システムと燃料電池内に封じ込めたガス中の未燃成分と可燃ガスを燃焼させて、この燃焼熱により燃料改質システムの各反応器１、２、３を昇温させることで運転再開条件を満たすようにでき、運転再開要求がなされた場合に暖機運転を行うことなく、速やかに通常運転に移行することができる。
【００３９】
なお、各反応器１、２、３が運転再開条件をクリアできたならば、ポンプ１６を停止し、制御弁１７を閉じて、再度燃料改質システムと燃料電池内にガスを封じ込めて運転再開まで待機する（ステップ２１）。
【００４０】
次に燃料電池システムを長期的に停止する場合の制御について説明する。長期的に停止するかどうかの判定は、ステップ３でイグニッションスイッチ２６がオンからオフに切り換わった場合にシステムは長期的に停止すると判定し、以下に説明する制御を行う。
【００４１】
イグニッションスイッチオフにより長期的にシステムを停止させる場合には、短期停止時のように燃料改質システムと燃料電池内にガスを封じ込める必要がない。そこで、まずコントローラ１８は三方切換弁１５を燃焼器側を開き、バイパス流路１４側を閉じた状態とする（ステップ２２）。次いで燃料電池４に空気を供給する空気供給源１２の運転を停止し、燃料電池４の発電を停止するとともに、燃料改質器１とＣＯ選択反応器３への空気または燃料の供給を停止する。この状態から第２熱交換器９に水を供給し、水蒸気を改質器１に導入し、水蒸気により各反応器内の改質ガスまたは排ガスを外部に押し出し、システム内には水蒸気のみとする。改質ガスと排ガスが水蒸気に置換された後、水の供給を停止し、水蒸気の発生を停止する（ステップ２３）。
【００４２】
このように燃料電池システム内を水蒸気で満たして長期停止状態とし、次回システム始動時には、通常の暖機運転からシステムを稼動させる。このように長期停止状態では、短期停止状態のように各反応器の触媒温度を運転再開条件を満たすように制御する必要がないため、無駄な燃料等を消費する必要がなく、燃料電池システム効率を向上することができる。
【００４３】
なお、この実施形態では、燃料改質システム内のガスを水蒸気で置換する方法を例として説明したが、水蒸気に限らず、不活性ガスの貯蔵装置手段等を設けて、不活性ガスによる置換を行ってもよいし、水蒸気で置換した後に空気等にさらに置換するようにしてもよい。また、燃料改質システム内の改質ガスを水蒸気で置換した後に燃焼器５でガス中の未燃成分を空気と燃焼させて、不活性ガスを生成し、この不活性ガスを燃料改質器１に導入し、燃料改質システム内を不活性ガスで満たすようにしてもよい。
【００４４】
次に図３に示す第２の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態に対してバイパス流路１４をＣＯ選択酸化反応器３に連通するよう構成したものである。したがって、燃料電池を排出された排ガスは、バイパス流路１４を通過してＣＯ選択酸化反応器３に供給可能となる。
【００４５】
通常運転時、燃料改質器１は自己発熱により昇温し、改質反応が促進する。したがって、通常運転時の触媒温度は比較的高温に維持されている。それに対して、触媒着火温度は、通常運転時の触媒温度と比べて低温である。さらに、燃料改質器１は、通常運転時の反応熱の放熱が小さくなるように設計されている。そのため、燃料改質器１においてはシステム短期停止時に封じ込められたガスの温度低下が抑制され、運転再開時においても燃料改質システムを構成する他の反応器に比較して最も高い温度にて維持されている。
【００４６】
またシフト反応器２も、シフト反応が発熱反応であり、燃料改質器１から排出されるガスが高温であるため、触媒を昇温するための熱量をバイパス流路から供給されるガスを燃焼して、確保する必要性が低い。
【００４７】
したがって、本実施形態では、バイパス流路から供給されるガスをＣＯ選択酸化反応器３に供給することにより、ＣＯ選択酸化反応器３下流の昇温を優先的に行うことができるようにした。これにより、昇温の必要性の高い構成を選択的に昇温することができるのでシステム全体を衝オンするために必要な熱量が低減される。また、ＣＯ選択酸化反応器３の既存の空気導入口にガスを導入することで、構造変更をすることなく大型化を抑制し、ガス中の可燃成分に空気を混合して燃焼させることができる。
【００４８】
図４に第３の実施形態の構成を示す。この実施形態は、第１の実施形態に対して、三方切換弁１５の設置位置を燃料電池４と燃焼器５との間からＣＯ選択酸化反応器３と燃料電池４との間に変更した構成である。したがって、燃料電池の発電停止時には、燃料改質システム内に改質ガスが封じ込められる。燃料電池４は常温時において発電可能であり、昇温する必要がなく、燃料電池の昇温に用いるガスが不必要な分、昇温に必要な熱量を低減することができるため、昇温に必要なガス量を低減することができる。
【００４９】
図５に第４の実施形態の構成を示す。この実施形態は、第１の実施形態の構成に可燃性成分を含んだガスを貯蔵するタンク２５を燃料電池システム中に備えたことを特徴とする。
【００５０】
本実施形態では、バイパス流路１４のポンプ１６と制御弁１７の間に貯蔵タンク２５を設置した。したがって、貯蔵タンク２５にガスを貯蔵することができ、短期停止状態から運転再開時に貯蔵タンク２５に貯蔵されたガスと燃料電池システム内のガスを燃焼して各反応器の昇温に必要な熱量を増大することができる。したがって、各反応器に再起動可能温度（基準温度）を低下させることができる。これにより、短期停止状態からの運転再開条件が満たされないことによる各反応器の昇温のための起動回数を減少し、燃料電池システムとしての燃料消費量を低減することができる。なお、本実施形態のように燃料電池４の下流に貯蔵タンク２５を設置するほか、燃料改質システムと燃料電池４との間に設置するようにしてもよい。
【００５１】
図６は、第５の実施形態としてのフローチャートである。
【００５２】
第１の実施形態においては、各反応器の触媒温度を検出して、各触媒の温度と各触媒の活性温度または再起動可能温度と比較して運転再開の可能性を判定していたが、本実施形態においては、時間、つまり燃料改質システム停止からの経過時間によって制御する（ステップ３１）。予め各反応器の熱容量や放熱量に基づく触媒温度の変化をシステム停止からの経過時間毎に計測してマップ化しておき、各触媒の再起動可能温度を下回るまでの時間を求め、各触媒の温度が再起動可能温度に達するまでの時間のうち最も短い時間を基準時間Ａとして記憶する。そして、燃料改質システムの運転再開要求がされた時間ｔと基準時間Ａとを比較して、時間ｔが基準時間Ａより短ければ、システムの運転を再開し、基準時間Ａ以上長ければ短期停止状態から通常運転に切り換える制御を行う。
【００５３】
このように、燃料改質システムの短期停止状態からシステム運転を再開可能かどうかをシステム停止からの経過時間によって判定することにより、短期停止中に各反応器の触媒温度をモニターする必要がなく、制御を容易にすることができる。また、例えば外気温度が高い場合には触媒温度の低下率が外気温度が低い場合に比較して小さくなるので基準時間Ａを長くする等、外気温度によって基準時間Ａを補正することで、短期停止時に燃料電池システム内に封じ込めたガスをより有効に活用するようにしても良い。
【００５４】
なお、本実施形態においては、燃料改質システムの停止からの経過時間を用いて、運転再開の判定を行ったが、燃料電池の発電停止からの経過時間で判定を行ってもよいし、水や燃料の供給停止からの経過時間で判定を行ってもよい。
【００５５】
図７は、第６の実施形態としてのフローチャートである。
【００５６】
第１の実施形態においては、各反応器の触媒温度を検出して、各触媒の温度と各触媒の活性温度または再起動可能温度と比較して運転再開の可能性を判定していたが、本実施形態においては、イグニッションスイッチ２６のオンオフによって制御する（ステップ４１）。つまりシステムの短期停止状態において、イグニッションスイッチがオンからオフに切り換わった場合には、燃料電池システムの運転再開は不可と判断し、長期停止制御を実施する。このように本実施形態では、イグニッションスイッチのオンオフにより停止制御を切り換えることが容易にできる。
【００５７】
したがって、本発明においては、燃料電池の発電停止時に燃料改質システムおよび燃料電池内に存在するガスを封じ込め、封じ込めたガスを燃料電池の発電再開前に前記燃料改質システムに循環させるため、封じ込めたガス、つまり改質ガス及び／または燃料電池からの排出ガスといった混合成分ガスを燃料電池再発電時の燃料改質システムの再起動に利用できる。燃料改質システム停止中、特に短持間の停止中においては、封入したガスの組成の大きな変化や、温度が急激な上昇または低下の恐れは無いため、燃料改質システム内部のガスの状態を保持することができる。また、燃料改質システム停止中に封入されたガスには未改質の燃料やＣＯが含まれており、この封入されたガスを循環させ、再度燃料改質システムに導入することによって、これらの燃料やＣＯを反応させて水素リッチの改質ガスを生成する。生成された改質ガスを燃料電池４において利用できるため水素利用率およびシステム効率が向上できる。
【００５８】
また、改質ガス及び／または燃料電池からの排出ガスといった混合成分ガスを貯蔵する手段を備えたため、燃料電池の発電中および／あるいは停止中には、この貯蔵手段に混合成分ガスを蓄え、再び燃料改質システムの再起動する時に使用することにより、再起動時に利用可能なガス量を増やすことができる。これにより、循環された混合成分ガス中の可燃ガス成分燃焼を増減し、発熱量を調整することができるので、再起動可能な温度領域を広く持つことができる。
【００５９】
燃料電池の発電停止時に封入された混合成分ガス中には、未燃の燃料やＨ２、ＣＯといった可燃ガス成分が含まれている。従来の技術においては、停止時にはこれらの未燃燃料等は外部に排出されるか、燃焼器で燃焼して不活性ガスとしたのちに反応器内の置換用ガスとして使用されており、システム運転の燃費向上要因として使用されていない。
【００６０】
しかしながら、本発明では燃料改質システムの運転停止状態から再起動する時に、封入した混合成分ガスを循環させて燃料改質器１に導入すると同時に、空気も燃料改質器１に供給することにより、可燃ガス成分を燃焼させる。このときに発生する熱により、燃料改質システム停止中に燃料改質システムが損失した熱量を補完し、燃料改質システムを再起動可能な状態にまで暖機することができる。また、短時間の運転停止であれば、温度変化も少ないため、その再起動に必要な熱は、従来起動時に必要とされた熱量より少ない。よって、可燃ガス成分の化学反応もしくは酸化反応、あるいは燃焼による発熱で燃料改質システムの暖機はほぼ完了する。
【００６１】
すなわち、本発明においては、封入された混合成分ガスを用いて再起動のための暖機を行うので、暖機のために必要な燃料の消費を抑制し、システム効率を向上させることができる。さらに、燃料改質器１への空気の供給とともにＣＯ選択酸化反応器３に空気を供給することにより、燃料改質器で未燃焼の未燃ガス成分がＣＯ選択酸化反応器３で反応もしくは燃焼することにより発熱するため、ＣＯ選択酸化反応器３およびＣＯ選択酸化反応器３より下流の燃料改質システムの暖機に効果的であり、燃料改質システムの暖機時間を短縮できる。また、ＣＯ選択酸化反応器３には空気導入口が既設されているため、システムを大型化することも無く、暖機時の必要燃料量を抑制することができるために、システム効率の向上に効果がある。
【００６２】
燃料改質システムを構成するシフト反応器２、ＣＯ選択酸化反応器３で発生した熱を水蒸気発生手段としての例えば、熱交換器８、９の暖機に使用する。循環されたガス中の可燃ガス成分等を燃焼させた時に発生する熱で熱交換器を暖機し、燃料改質器１に供給する水蒸気を生成することにより、余剰の燃料等を使用すること無く、熱交換器の暖機を進行させることができる。また、熱交換器を暖機することにより、熱交換器での水の凝縮がなくなり、再起動時のシステムヘの水蒸気の供給をスムーズに実行することができる。また水の凝縮が少ないことから、燃料改質システムヘの水蒸気の供給の応答遅れ時間の短縮にも効果がある。
【００６３】
循環されたガスと空気をＣＯ選択酸化反応器３に供給することにより、ガスに含まれる可燃ガス成分をＣＯ選択酸化反応器３で酸化させ、ＣＯ選択酸化反応器３を暖機することができる。また、その熱を用いて水蒸気生成用の熱交換器８、９を暖機することができるため、熱交換器８、９での水の凝縮がなくなり、再起動時の燃料改質システムヘの水蒸気の供給をスムーズに実行することができる。また水の凝縮が少ないことから、燃料改質システムヘの水蒸気の供給の応答遅れ時間の短縮にも効果がある。なお、空気導入経路は燃料改質器１の既存のものを使用することができ、新たに設置する必要が無いため、システムを大型化・複雑化させることが無い。
【００６４】
燃料改質システムの再起動が可能かどうかを判定することにより、再起動が可能な場合な場合は再起動するのはもちろんであるが、再起動が不可能な場合には、その他の手段で再起動を行うか、あるいは、再起動可能な状態に復旧する等の複数の制御手段を有することができる。これにより、どのような状態であっても、効率的な再起動を行うことが可能となる。
【００６５】
また、再起動可能かどうかの判定は、燃料改質システムを構成する反応器内温度に基づいて判定するため、新たに測定点を設ける必要なく、条件判断および制御することができる。また、反応器内温度で直接的に判断できるため、制御手法も容易である。
【００６６】
さらに、再起動可能かどうかの判定は、燃料改質システム運転停止からの時間で判断しても、新たに測定点を設ける必要がなく、タイマー制御により容易に制御できる。
【００６７】
再起動が不可能であった場合に、燃料改質システムに循環ガスを供給するため、各反応器での燃焼反応により、再起動許可条件を満たす状態に復旧し、新たな再起動許可条件を満たすための手段を設けることなく、再起動許可状態に復旧させることができる。
【００６８】
再起動が不可能な状態であった場合には、再起動が可能な状態復旧する際に、燃料と水を燃料改質システムに供給するため、燃料改質システムを再起動可能な状態に速やかに昇温することができる。また、外部に可燃ガス成分の供給手段を有することなく、燃料改質部において可燃ガス成分を生成することが可能であるため、燃料電池システムを大型化させることがない。
【００６９】
さらに、燃料改質システムを再起動が困難な状態から可能な状態により速やかに昇温させたい場合に、可燃ガスを外部から供給する手段を設けることにより、燃料改質システムをより一層に速やかに昇温することもできる。
【００７０】
また、燃料改質システムの再起動判定が不可能判定から可能判定に切り換わった場合には、再度、燃料改質システムと燃料電池内に存在するガスを封じ込めるため、常に燃料改質システム内に改質ガスもしくは循環ガスを残留させることで、再起動時の暖機に利用できる可燃ガス成分を常にシステム内に保持することが可能となる。
【００７１】
また、燃料改質システムを長時間の停止する場合など、完全に燃料改質システムを使用しない場合には不活性ガスで燃料改質システムを置換することにより、早期に燃料改質システム温度を低下させることができる。また、不活性ガスを用いることで、燃料改質システム内の触媒を劣化させることなく維持することができ、改質性能を保持することができる。
【００７２】
燃料改質システムの停止状態が長期か短期かの判定をイグニッションスイッチ２６のオン／オフで判定するため、制御が容易である。
【００７３】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】第２の実施形態の構成図である。
【図４】第３の実施形態の構成図である。
【図５】第４の実施形態の構成図である。
【図６】第５の実施形態のフローチャートである。
【図７】第６の実施形態のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料改質器
２ シフト反応器
３ ＣＯ選択酸化反応器
４ 燃料電池
５ 燃焼器
６ 燃料供給源
７ 空気供給源（空気供給手段）
８ 第１熱交換器（水蒸気供給手段）
９ 第２熱交換器（水蒸気供給手段）
１０ 水供給源
１１ 空気供給源（空気供給手段）
１２ 空気供給源（空気供給手段）
１３ ガス流路
１４ バイパス流路（ガス循環手段）
１５ 三方切換弁（ガス封じ込め手段）
１６ ポンプ（ガス循環手段）
１７ 制御弁（ガス封じ込め手段）
１８ コントローラ
１９ 空気供給源
２０ 温度センサ
２１ 温度センサ
２２ 温度センサ
２３ 温度センサ
２４ 温度センサ
２５ 貯蔵タンク

Claims (23)

1. 燃料を改質して改質ガスを生成する燃料改質システムと、
   生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発電停止時に燃料改質システムおよび燃料電池内に存在するガスを燃料改質システムおよび燃料電池内に封じ込める手段と、
   前記封じ込めたガスを前記燃料電池の発電再開前に前記燃料改質システムに循環させる循環手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記循環手段は、前記燃料改質システムまたは前記燃料電池から排出されたガスを前記燃料改質システムに循環させるバイパス流路と、このバイパス流路に設置されたポンプからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料改質システムまたは前記燃料電池から排出されたガスを貯蔵するガス貯蔵手段を設け、
   前記循環手段は、前記封じ込めたガスと前記貯蔵手段に貯蔵されたガスを前記燃料電池の発電再開前に前記燃料改質システムに循環させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料改質システムを構成する燃料改質器と、
   この燃料改質器に空気を供給する第１の空気供給手段を設け、
   前記燃料電池の発電再開前に前記封じ込めたガスを前記燃料改質器に循環させるとともに、前記第１の空気供給手段が燃料改質器に空気を供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料改質システムを構成する一酸化炭素選択酸化反応器と、
   この一酸化炭素選択酸化反応器に空気を供給する第２の空気供給手段を設け、
   前記燃料電池の発電再開前に第２の空気供給手段が一酸化炭素選択酸化反応器に空気を供給することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料改質システムを構成するシフト反応器と、
   前記燃料改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給手段を設け、
   この水蒸気供給手段は、前記シフト反応器または前記一酸化炭素選択酸化反応器にて発生した熱を用いて水蒸気を生成し、燃料改質器に水蒸気を供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料改質システムを構成する一酸化炭素選択酸化反応器と、
   この一酸化炭素選択酸化反応器に空気を供給する第２の空気供給手段を設け、
   前記燃料電池の発電再開前に、一酸化炭素選択酸化反応器に前記封じ込めたガスを循環させるとともに前記第２の空気供給手段が空気を供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給手段を設け、
   この水蒸気供給手段は、前記一酸化炭素選択酸化反応器にて発生した熱を用いて水蒸気を生成し、前記燃料改質器に水蒸気を供給することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 燃料を改質して改質ガスを生成する燃料改質システムと、
   前記燃料改質システムに空気を供給する空気供給手段と、
   前記燃料改質システムにおいて生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発電停止時に燃料改質システムおよび燃料電池内に存在するガスを燃料改質システムおよび燃料電池内に封じ込め、
   前記燃料電池の発電を再開する前に前記封じ込めたガスを前記燃料改質システムに循環させるとともに、前記空気供給手段により空気を供給することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
10. 燃料改質システムの再起動時の起動方法を判断する起動方法判断手段を有し、
    前記起動方法判断手段は、所定条件を満足した場合に前記封じ込めたガスを前記燃料改質システムに循環させるとともに、前記空気供給手段により空気を供給することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
11. 前記燃料電池を構成する燃料改質器に前記封じ込めたガスを循環させることを特徴とする請求項９または１０に記載の燃料電池システムの起動方法。
12. 前記燃料電池が発電を再開する前に、前記燃料改質システムを構成する一酸化炭素選択酸化反応器に空気を供給することを特徴とする請求項９から１１のいずれか一つに記載の燃料電池システムの起動方法。
13. 前記燃料改質システムを構成するシフト反応器または一酸化炭素選択酸化反応器にて発生した熱を用いて水蒸気を生成し、前記燃料改質器に水蒸気を供給することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一つに記載の燃料電池システムの起動方法。
14. 前記燃料電池が発電を再開する前に、前記燃料改質システムを構成する一酸化炭素選択酸化反応器に前記循環ガスと空気を供給することを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一つにに記載の燃料電池システムの起動方法。
15. 前記一酸化炭素選択酸化反応器にて発生した熱を用いて水蒸気を生成し、前記燃料改質器に水蒸気を供給することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 前記起動方法判断手段は、所定条件として前記燃料改質システムを構成する燃料改質器、シフト反応器、一酸化炭素選択酸化反応器の少なくともいずれかの触媒温度に基づいて起動方法を判断することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムの起動方法。
17. 前記起動方法判断手段は、所定条件として前記燃料改質システムの停止時間に基づいて起動方法を判断することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムの起動方法。
18. 前記起動方法判断手段は、所定条件を満足しなかった場合には、燃料改質システムに循環ガスを供給し、燃料改質システム内で可燃性ガス成分を燃焼させることを特徴とする請求項１０から１７のいずれか一つに記載の燃料電池システムの起動方法。
19. 前記起動方法判断手段は、所定条件を満足しなかった場合には、燃料改質システムに循環ガスを供給するとともに、可燃性ガスを供給することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システムの起動方法。
20. 前記起動方法判断手段は、所定条件を満足しなかった場合には、燃料改質システムに循環ガスを供給するとともに、改質原料である燃料と水を供給することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システムの起動方法。
21. 前記起動方法判断手段は、所定条件を満足するようになった場合には、燃料改質システムと燃料電池内に存在するガスを再度封じ込めることを特徴とする請求項１８から２０のいずれか一つに記載の燃料電池システムの起動方法。
22. 前記燃料電池システムを長期停止する場合には前記燃料改質システム内のガスを不活性ガスで置換することを特徴とする請求項１０から２１のいずれか一つに記載の燃料電池システムの起動方法。
23. 前記燃料電池システムの長期停止かどうかの判定をイグニッションスイッチのオン／オフに基づき判定することを特徴とする請求項９または２２に記載の燃料電池システムの起動方法。

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