JP2005108649A - 燃料電池システムの停止方法、燃料電池システムの起動方法、および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムにおいて、簡単な構成により改質装置の凍結を防止する燃料電池システムおよびその停止方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池１０に供給する改質装置２０を備えている。改質装置２０は、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部２１に供給する蒸発部５６を備えている。蒸発部５６の水導入口には排水管５７の一端は接続されている。配水管５７には燃料電池システムの運転中に閉じられ、燃料電池システムの運転を停止する際に開けられる排水用バルブ５８が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、供給された水から生成された水蒸気と供給された燃料ガスとから改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムの停止方法、その停止方法によって停止された燃料電池システムの起動方法、およびそれらの方法による燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは燃料電池と改質装置を備えている。燃料電池は供給された水素と酸素との化学反応によって発電するものであり、改質装置は供給された燃料ガス（例えば天然ガス、ＬＰガス、灯油などの炭化水素系燃料ガス）および水蒸気からいわゆる水素リッチな改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給するものである。改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部とを備えている。

このような燃料電池システムの一形式として、改質器１を起動する際、蒸発部２で生成した改質燃料蒸気の全量を返還流路１２側に流すとともに、水タンク１６の内部を通っているバイパス管２３に通過させて水タンク１６を加熱するものが開示されている（特許文献１）。これにより、水タンク１６の内部の水が凍結していても、改質燃料蒸気の有する熱によって氷が加熱され、その結果、水タンク１６の内部の凍結が解消される。

また、他の一形式として、蒸発器２と改質反応器３とを接続する蒸気配管１０の途中には、燃料電池４の発電量をゼロまたは急減させたときに閉弁する遮断弁１１が介装されると共に、この遮断弁１１と蒸発器２との間の配管途中をタンク６に接続する回収用配管１２が設けられ、この回収用配管１２の途中に、蒸気回収用の制御弁１３と、凝縮器５とが介装されているものが開示されている（特許文献２）。このように構成された燃料電池システムにおいては、燃料電池４の発電停止時など発電量が急減したときにはただちに遮断弁１１が閉ざされ、これにより改質反応器３への燃料蒸気の供給を停止させると共に蒸発器２に残存する燃料をタンク６へと回収することができる。

また、他の一形式として、燃料電池２の発電量を急減しまたはゼロにさせる場合、蒸発器３下部に設けた液体燃料貯蔵タンク５へ繋がる流路２０に設けた常閉のバルブ２１（第２のバルブ）を開放し、蒸発器３内の上昇した蒸気の圧力により逆止弁４１が閉じると同時に未改質の未蒸発液体燃料または燃料蒸気を、タンク５に圧送する。タンク５に送られた燃料蒸気は、貯蔵された液体燃料中にバブラ２２から放出およびバブリングされる。これにより温度の低い液体燃料により燃料蒸気が冷却・液化され、液体燃料として回収されるものが開示されている（特許文献３）。したがって、燃料電池２の発電停止時等に、蒸発器３下部に溜まった液体燃料を有効にタンク５へ供給することができる。
特開２００１−０１０８０３号公報（第１０−１１頁、第１９図および第２０図） 特開２００２−１７０５８７号公報（第３頁、第１図） 特開２００２−０９３４３９号公報（第４頁、第１図）

上述した何れの燃料電池システムにおいても、運転中には蒸発部に水が供給されており、運転中に供給された水は停止中となっても外部に排出されることなく蒸発部内に留まっていた。したがって、燃料電池システムが雰囲気温度が氷点下となる場所に設置された場合には、燃料電池システムの停止中に蒸発部内に溜まった水が凍結し蒸発部が損傷・破壊したり、また損傷しなくても燃料電池システムを起動する際に凍った氷を融かすために起動時間が長くなったりするという問題があった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、簡単な構成により改質装置の凍結を防止する燃料電池システムおよびその停止方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、供給された水から生成された水蒸気と供給された燃料ガスとから改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転停止の際に、水が流通する流水路および水蒸気が流通する水蒸気流路のうち水が溜まる可能性のある溜水可能部分に溜まった水を外部に導出することである。

また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、燃料電池システムの運転停止の際に、蒸発部に溜まった水を外部に導出することである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２の停止方法によって停止された燃料電池システムの起動方法において、運転停止した燃料電池システムの運転を再開する際に、少なくとも改質装置の起動以前にこの改質装置に所定量の水を給水手段によって供給することである。

また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、供給された水から生成された水蒸気と供給された燃料ガスとから改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、水が流通する流水路および水蒸気が流通する水蒸気流路のうち水が溜まる可能性のある溜水可能部分にこの溜水可能部分に溜まった水を外部に導出する排水管の一端を接続し、排水管に開閉バルブを設け、燃料電池システムの運転中には開閉バルブを閉じ、燃料電池システムの運転を停止する際に開閉バルブを開けるバルブ制御手段を備えたことである。

また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、排水管の一端は蒸発部の水導入口に接続したことである。

また、請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項４または請求項５において、排水管の他端がリザーバタンクに連通されていることである。

また、請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項６において、リザーバタンクは溜水可能部分より低い位置に配置されていることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池システムが設置されている雰囲気温度が氷点下となっても、燃料電池システムの運転停止以降、改質装置内には水が残存していないので、改質装置内の水の凍結を防止して改質装置が凍結によって損傷・破壊されるのを確実に防止することができる。また、燃料電池システムを起動する際に凍った氷を融かすのに必要な余分な暖気時間を削減するので、燃料電池システムが設置されている雰囲気温度が氷点下となる冬期の起動時間を短くすることができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、燃料電池システムが設置されている雰囲気温度が氷点下となっても、燃料電池システムの運転停止以降、蒸発部内には水が残存していないので、蒸発部内の水の凍結を防止して蒸発部が凍結によって損傷・破壊されるのを確実に防止することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、改質装置の蒸発部内に水が残存していない状態で停止している燃料電池システムの運転を再開する際には、確実に蒸発部に水が供給されるので、運転再開時の蒸発部の空焚きを防止して改質装置が空焚きによって損傷・破壊されるのを確実に防止することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、バルブ制御手段によって燃料電池システムの運転中には排水管の開閉バルブを閉じ、燃料電池システムの運転を停止する際にその開閉バルブを開ける。これにより、燃料電池システムが設置されている雰囲気温度が氷点下となっても、燃料電池システムの運転停止以降、改質装置内には水が残存していないので、改質装置内の水の凍結を防止して改質装置が凍結によって損傷・破壊されるのを確実に防止することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、燃料電池システムが設置されている雰囲気温度が氷点下となっても、燃料電池システムの運転停止以降、蒸発部内には水が残存していないので、蒸発部内の水の凍結を防止して蒸発部が凍結によって損傷・破壊されるのを確実に防止することができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、排水管の他端がリザーバタンクに連通されているため、改質装置から導出された水がリザーバタンクに流入し貯水されるので、この貯水を有効に利用することができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、リザーバタンクは溜水可能部分より低い位置に配置されているため、改質装置から導出された水が自重によってリザーバタンクに落水するので、簡単な構成にて改質装置から導出された水をリザーバタンクに回収することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。

この燃料電池システムは燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成する改質装置２０を備えている。改質装置２０は、図１に示すように、天然ガス、ＬＰＧ、灯油などの炭化水素系燃料を水素ガスに改質する改質部２１と、改質部２１から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２２と、ＣＯシフト部２２から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部２３（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。この改質装置２０により生成された水素ガスいわゆる水素リッチな改質ガスを供給された燃料電池１０は、この水素ガスと酸素ガスとの反応により発電するようになっている。

改質部２１は、触媒２１ａが充填された反応室２１ｂと、この反応室２１ｂに密接して設けられて反応室２１ｂを加熱する加熱室２１ｃと、加熱室２１ｃに高温の燃焼ガスを供給するバーナ２１ｄから構成されている。

反応室２１ｂには燃料供給源Ｓf（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓfから燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、脱硫器４４、第２燃料バルブ４５および熱交換部４６が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置８０の指令によって燃料供給管４１を開閉するものであり、燃料ポンプ４３は制御装置８０の指令によって燃料供給源Ｓfから供給される燃料を吸い込み改質部２１の反応室２１ｂに吐出するものであり、脱硫器４４は燃料中のイオウ分を除去するものであり、熱交換部４６は改質部２１からの高温の水素ガス（改質ガス）との間で熱交換が行われて予熱された燃料を改質部２１の反応室２１ｂに供給するものである。これにより、燃料はイオウ分が除去され予熱されて反応室２１ｂに供給される。

また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と熱交換部４６との間には蒸発器５５に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発器５５から供給された水蒸気が燃料に混合されて改質部２１の反応室２１ｂに供給されている。蒸発器５５には水供給源である水タンクＳwに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は制御装置８０の指令によって水タンクＳwから供給される水を吸い込み蒸発器５５に吐出するものであり、水バルブ５４は制御装置８０の指令によって給水管５１を開閉するものである。給水管５１は加熱室２１ｃの外周に巻きつけられており、給水管５１内の流水が加熱室２１ｃの高熱によって予熱される。蒸発器５５は供給された予熱された水を内部を通過する加熱室２１ｃから供給された排気ガスによって加熱して水蒸気にし、反応室２１ｂに供給するものである。これにより、水は予熱されて蒸発器５５に供給され、水蒸気となって反応室２１ｂに供給される。なお、本実施の形態においては、給水管５１であって加熱室２１ｃに巻きつけられた部分と蒸発器５５とから蒸発部５６が構成されている。

反応室２１ｂは、後述するようにバーナ２１ｄの燃焼ガスによって加熱されており、反応室２１ｂ内に供給された燃料ガスと水蒸気は、触媒２１ａにより反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に反応室２１ｂ内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は熱交換部４６を介してＣＯシフト反応部２２に導出される。なお、触媒２１ａ内には触媒２１ａの温度を検出する温度センサ２１ａ１が設けられている。この検出結果は制御装置８０に送られている。

ＣＯシフト部２２においては、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素が、ＣＯシフト部２２内に充填された触媒（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。なお、ＣＯシフト部２２内には、充填された触媒を加熱する一酸化炭素シフト反応部用ヒータ２２ａが設けられている。このヒータ２２ａは制御装置８０によって制御されている。

ＣＯシフト部２２から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、ＣＯ選択酸化部２３に供給される。一方、ＣＯ選択酸化部２３には、空気供給源Ｓaに接続された第１空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓa（例えば大気）から空気が供給されている。第１空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものであり、空気ポンプ６３は制御装置８０の指令によって空気供給源Ｓaから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２３に吐出するものであり、空気バルブ６４は制御装置８０の指令によって第１空気供給管６１を開閉するものである。これにより、空気がＣＯ選択酸化部２３に供給される。

ＣＯ選択酸化部２３に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、ＣＯ選択酸化部２３に充填された触媒（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）により上述のように供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出されて、燃料電池１０の燃料極に供給されるようになっている。なお、ＣＯ選択酸化部２３内には、充填された触媒を加熱する一酸化炭素選択酸化部用ヒータ２３ａが設けられている。このヒータ２３ａは制御装置８０によって制御されている。また、ＣＯ選択酸化部２３には充填された触媒の温度を検出する温度センサ２３ｂが設けられている。この検出結果は制御装置８０に送られている。

ＣＯ選択酸化部２３は第１改質ガス供給管７１を介して燃料電池１０の燃料極の導入口に接続され、燃料電池１０の燃料極の導出口は第１オフガス供給管７２を介してバーナ２１ｄに接続されている。第１改質ガス供給管７１には第１改質ガスバルブ７３が設けられ、第１オフガス供給管７２には燃料電池１０側から順に第１オフガスバルブ７４、凝縮器７５、第２オフガスバルブ７６が設けられている。また、第１改質ガスバルブ７３の上流にて第１改質ガス供給管７１から分岐した第２改質ガス供給管７７は凝縮器７５内にて第１オフガス供給管７２に合流しており、第２改質ガス供給管７７には第２改質ガスバルブ７８が設けられている。さらに、凝縮器７５と第２オフガスバルブ７６との間にて第１オフガス供給管７２から分岐した第２オフガス供給管７９はオフガスバーナ８２に接続されており、第２オフガス供給管７９には第３オフガスバルブ８３が設けられている。

第１改質ガスバルブ７３、第２改質ガスバルブ７８、第１オフガスバルブ７４、第２オフガスバルブ７６、第３オフガスバルブ８３は制御装置８０により制御されており、起動時にはそれぞれ閉、開、閉、閉、開状態とされてＣＯ選択酸化部２３から導出された改質ガスはオフガスバーナ８２に供給される。一方定常時には、それぞれ開、閉、開、開、閉状態とされてＣＯ選択酸化部２３から導出された改質ガスは燃料電池１０の燃料極に供給され、燃料電池１０の燃料極から導出されたオフガスはバーナ２１ｄに供給される。なお、凝縮器７５は改質ガスまたはオフガス中の水分を凝縮して導出するものである。

オフガスバーナ８２は、起動時に制御装置８０の指令によって着火されるとともにＣＯ選択酸化部２３からの改質ガスが供給され、さらに外部から空気も供給され、供給された改質ガスを燃焼して高温の燃焼ガスを排気管８４および熱交換器８５を介して外部に排出するものである。

熱交換器８５においては、起動時には高温の燃焼ガスと、熱交換器８５、燃料電池１０およびラジエータ８６を通過する循環路８７内を循環する水（加熱用水）との間で熱交換が行われて、燃焼ガスは降温され、加熱用水は昇温される。そして、加熱用水によって燃料電池１０が加熱される。一方、定常時には循環路８７内を循環する水（冷却用水）は燃料電池１０との間で熱交換が行われて、燃料電池１０は降温され、冷却水は昇温される。なお、昇温した冷却水はラジエータ８６によって降温される。

燃料電池１０は、定常時にＣＯ選択酸化部２３から一酸化炭素が低減された改質ガスが供給され、さらに外部から第２空気供給管８８を介して空気も供給され、改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとの反応により発電するようになっている。

また、バーナ２１ｄには燃焼用燃料、改質ガスまたはオフガスが選択的に供給されるようになっている。すなわち、燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８が設けられており、燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓfから供給される燃料を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置８０によって制御されている。また、バーナ２１ｄには第１オフガス供給管７２、第２改質ガス供給管７７および第１改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２３が接続されており、改質ガスが供給されている。また、バーナ２１ｄには第１オフガス供給管７２を介して燃料電池１０が接続されており、燃料電池１０にて反応に使われなかった水素ガス（オフガス）が供給されている。さらにバーナ２１ｄには空気ポンプ６３の上流にて第１空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはオフガスを燃焼させるための燃焼用空気が供給されている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓaから供給される空気を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置８０により制御されている。

バーナ２１ｄが制御装置８０の指令によって着火されると、バーナ２１ｄに供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室２１ｃに供給されて反応室２１ｂが加熱されることにより触媒２１ａが加熱される。加熱室２１ｃを通過した燃焼ガスは排気管８１および蒸発器５５を通って排気ガスとして外部に排気される。なお、蒸発器５５には通過する蒸発器５５内の温度を検出する温度センサ５５ａが設けられている。この検出結果は制御装置８０に送られている。

また、上述した蒸発部５６の水導入口には、配水管５７の一端が接続されている。配水管５７の他端はリザーバタンクＴに連通している。配水管５７にはこの配水管５７を開閉する開閉バルブである排水用バルブ５８が設けられており、排水用バルブ５８は制御装置８０によって燃料電池システムの運転中に閉じられ、燃料電池システムの運転を停止する際に開けられるように制御されるものである。なお、配水管５７は、蒸発部５６の水導入口に接続されているが、これに限られず、上述した改質装置２０内であって水が流通する流水路および水蒸気が流通する水蒸気流路のうち水が溜まる可能性のある溜水可能部分に接続されるようにすればよい。ここで、流水路とは給水管５１、蒸発器５５のことをいい、水蒸気流路とは、水蒸気供給管５２、水蒸気供給管５２と合流した以降の燃料供給管４１、改質部２１、熱交換部４６、ＣＯシフト反応部２２およびＣＯ選択反応部２３のことをいう。またリザーバタンクＴは溜水可能部分より低い位置に配置されるようにするのが好ましい。

また、上述した各温度センサ２１ａ１，２３ｂ，５５ａ、バーナ２１ｄ、オフガスバーナ８２、各バルブ４２，４５，５４，５８，６４，７３，７４，７６，７８，８３、および各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６は制御装置８０に接続されている（図２参照）。制御装置８０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図３〜図５のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの運転開始および運転停止を行っている。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

次に、上述した燃料電池システムの作動について図３から図５を参照して説明する。制御装置８０は図示しない起動スイッチがオンされると、図３に示すプログラムを実行する。制御装置８０は、プログラムをステップ１０２に進め、運転開始ルーチンを実行する。すなわち図４に示すプログラムを実行する。具体的には、制御装置８０は、ステップ２０２にて、水バルブ５４を開き、水ポンプ５３を駆動させ水タンクＳｗの水を蒸発器５５に供給する。ステップ２０４にて、第１改質ガスバルブ７３を閉じ第２改質ガスバルブ７８を開いてＣＯ選択酸化部２３をオフガスバーナ８２に接続し、第１燃料バルブ４２を開き第２燃料バルブ４５を閉じて燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６を駆動して燃焼用燃料および燃焼空気を改質部２１のバーナ２１ｄに供給してバーナ２１ｄを着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部２１内の触媒２１ａおよび蒸発器５５が加熱される。

制御装置８０は、温度センサ５５ａにより蒸発器５５の温度を検出し、この検出した温度が所定温度Ｔhａ以上となった時点からタイマのカウントを開始し、タイマが所定時間（例えば３分）以上となれば、第２燃料バルブ４５、空気バルブ６４および第３オフガスバルブ８３を開いて燃料ポンプ４３および空気ポンプ６３を駆動させ燃料供給源Ｓfの燃料を改質部２１の反応室２１ｂに供給する（ステップ２０６〜２１０）。これにより、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じる。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２３から導出され、オフガスバーナ８２に供給され燃焼される。

このように改質ガスの生成中において、制御装置８０は、温度センサ２３ｂによりＣＯ選択酸化部２３の触媒の温度を検出し、この検出した温度が所定温度Ｔhｂ以上となれば、第１改質ガスバルブ７３、第１オフガスバルブ７４および第２オフガスバルブ７６を開き第２改質ガスバルブ７８および第３オフガスバルブ８３を閉じてＣＯ選択酸化部２３を燃料電池１０に接続するとともに燃料電池１０をバーナ２１ｄに接続し、燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６の駆動を停止して起動運転を終了する（ステップ２１２，２１４）。そして、制御装置８０はプログラムをステップ２１６に進めこのルーチンの実行を終了し、図３のプログラムのステップ１０４に進める。

制御装置８０は、ステップ１０４にて燃料ポンプ４３、水ポンプ５３および空気ポンプ６３の駆動を継続させて燃料、水（水蒸気）および空気を改質装置２０に供給することにより改質ガスを燃料電池１０に供給する定常運転を開始する。

制御装置８０は、定常運転中において、停止スイッチ（図示しない）が作業者によって押されたと判定し、または電力需要がなくなるなどの理由により燃料電池システムによる発電が停止されたと判定すると、判定した時点からタイマＴａをカウント開始し、改質装置２０を所定の待機時間Ｔｗｔ（例えば２０〜３０分）だけ待機状態に維持する（ステップ１０６〜１１６）。待機状態とはバーナ２１ｄにて燃焼させるのに必要な最小限の改質ガスを生成する状態をいう。

制御装置８０は、待機時間Ｔｗｔが経過するまでに、再開スイッチ（図示しない）が作業者によって押されたと判定し、または電力需要が復活するなどの理由により燃料電池システムによる発電が再開されたと判定すると、改質装置２０の定常運転を再開する（ステップ１１２〜１１４）。また、待機時間Ｔｗｔが経過すると、プログラムをステップ１１８に進め、運転停止ルーチンを実行する。すなわち図５に示すプログラムを実行する。

具体的には、制御装置８０は、ステップ３０２にて、第２燃料バルブ４５を閉じて改質部２１への燃料の供給を停止し、第１改質ガスバルブ７３および第１オフガスバルブ７４を閉じて燃料電池１０への改質ガスの供給を停止し、第３オフガスバルブ８３を閉じ第２オフガスバルブ７６および第２改質ガスバルブ７８を開いてＣＯ選択酸化部２３からの気体（改質ガスも含まれる）をバーナ２１ｄに供給する（ステップ３０２）。これにより、燃料の供給が停止されるとともに、水が蒸発器５５に供給され酸化空気がＣＯ選択酸化部２３に供給される。

この水および空気のみの供給は所定タイマ値（例えば１分）分だけ行われ、これにより、蒸発器５５にて生成された水蒸気は改質装置２０内を流通し、この水蒸気によって改質装置２０内部に残存する燃料、改質ガスが一掃（パージ）される、すなわち改質装置２０において水蒸気パージが開始される（ステップ３０４）。

制御装置８０は、前記所定タイマ値の経過後、水バルブ５４を閉じて蒸発器５５への水の供給を停止するとともに、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱（１５０℃に維持）を開始する（ステップ３０６，３０８）。制御装置８０は、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱開始から所定タイマ値（例えば３分）の経過後、バーナ２１ｄによる燃焼を停止するとともに空気バルブ６４を閉じる（ステップ３１０〜３１４）。これにより、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱開始から前記所定タイマ値の経過までの間には、改質部２１および蒸発器５５は水の供給が停止された状態にてバーナ２１ｄの燃焼により空焚きされるので、蒸発器５５および改質部２１に残存する水は速やかに水蒸気化される。また、ＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３内の各触媒は加熱されているので、これら各触媒に水蒸気が凝縮して水が付着することはない。さらに、蒸発器５５、改質部２１、ＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３内すなわち改質装置２０内の水蒸気は、その大半が凝縮器７５によって凝縮された後、バーナ２１ｄおよび排気管８１を通って外部へと排出される。これに伴って改質装置２０内に少量ながら残存する燃料、改質ガスが外部に排出される。なお、上記各所定タイマ値は改質装置２０の材料の仕様限界温度を超えないように設定されるのが好ましい。

制御装置８０は、前記所定タイマ値の経過後、タイマＴｂをカウント開始し、タイマＴｂが所定値Ｔ１以上となったら、第２オフガスバルブ７６を閉じて改質装置２０を完全に密封するとともに、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱を停止する（ステップ３１６，３１８，３２４，３２６）。これをもって上記ステップ３０４から開始された水蒸気パージが終了される。これにより、タイマＴｂのカウントを開始してから所定値Ｔ１の経過までの間には、余熱により水蒸気は第２オフガスバルブ７６、バーナ２１ｄおよび排気管８１を通って外部に排出される。これに伴って改質装置２０内に少量ながら残存する燃料、改質ガスが外部に排出される。したがって、改質装置２０内の燃料、改質ガスの各濃度はさらに小さくなる。

そして、制御装置８０は、プログラムをステップ３２８以降に進め、改質部２１の触媒２１ａの温度Ｔhａが冷却確認温度Ｔｈｃｌ以下となったら、改質部２１が十分冷却されたとして燃焼空気の供給を停止する（ステップ３３０）。その後、制御装置８０は、ステップ３３２にて排水用バルブ５８を開き、同バルブ５８を開いた時点から所定タイマ値（例えば１分）の経過後、同バルブ５８を閉じる（ステップ３３４，３３６）。すなわち、排水用バルブ５８を所定時間（例えば１分）だけ開いて、給水管５１内に残存する水を外部に導出する。その後、ステッ３３８にて、燃料電池システムの運転を停止する。そして、制御装置８０はプログラムをステップ３４０に進めこのルーチンの実行を終了し、図３のプログラムのステップ１２０に進め、このプログラムを終了する。なお、制御装置８０は、タイマＴｂが所定値Ｔ１未満のときに、触媒２１ａの温度Ｔhａが冷却確認温度Ｔｈｃｌ以下となっても改質部２１が十分冷却されたとして燃焼空気の供給を停止する（ステップ３１８〜３２２）。

上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、ステップ３３２〜３３６によって燃料電池システムの運転を停止する際に排水管５７の開閉バルブ５８を開ける。これにより、燃料電池システムが設置されている雰囲気温度が氷点下となっても、燃料電池システムの運転停止以降、改質装置内には水が残存していないので、改質装置２０内特に蒸発部５６の水の凍結を防止して改質装置２０特に蒸発部５６が凍結によって損傷・破壊されるのを確実に防止することができる。また、燃料電池システムを起動する際に凍った氷を融かすのに必要な余分な暖気時間を削減するので、燃料電池システムが設置されている雰囲気温度が氷点下となる冬期の起動時間を短くすることができる。

また、改質装置２０の蒸発部５６内に水が残存していない状態で停止している燃料電池システムの運転を再開する際には、確実に蒸発部５６に水が供給されるので、運転再開時の蒸発部５６の空焚きを防止して改質装置２０が空焚きによって損傷・破壊されるのを確実に防止することができる。

また、排水管５７の他端がリザーバタンクＴに連通されているため、改質装置２０から導出された水がリザーバタンクＴに流入し貯水されるので、この貯水を有効に利用することができる。また、リザーバタンクＴは溜水可能部分より低い位置に配置されているため、改質装置２０から導出された水が自重によってリザーバタンクＴに落水するので、簡単な構成にて改質装置２０から導出された水をリザーバタンクＴに回収することができる。

なお、上述した実施の形態においては、水タンクＳｗとリザーバタンクＴとを別々に設けたが、リザーバタンクＴを水タンクＳｗとして使用しタンクを１つとするようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、改質装置２０内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃した後に、蒸発部５６内の水を導出したが、蒸発部５６内の水を導出した後に、燃料ガスおよび改質ガスを一掃するようにしてもよい。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 図３に示したプログラムの運転開始サブルーチンを示すフローチャートである。 図３に示したプログラムの運転停止サブルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、２０…改質装置、２１…改質部、２１ａ１，２３ｂ，５５ａ…温度センサ、２１ｄ…バーナ、２２…ＣＯシフト部、２２ａ…ＣＯシフト部用ヒータ、２３…ＣＯ選択酸化部、２３ａ…ＣＯ選択酸化部用ヒータ、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４５…第２燃料バルブ、熱交換部４６、４８…燃焼用燃料ポンプ、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、５５…蒸発器、５６…蒸発部、５７…配水管、５８…排水用バルブ、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６６…燃焼用空気ポンプ、７３…第１改質ガスバルブ、７４…第１オフガスバルブ、７６…第２オフガスバルブ、７８…第２改質ガスバルブ、８２…オフガスバーナ、８３…第３オフガスバルブ。

Claims (7)

1. 供給された水から生成された水蒸気と供給された燃料ガスとから改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムの運転停止の際に、前記水が流通する流水路および前記水蒸気が流通する水蒸気流路のうち水が溜まる可能性のある溜水可能部分に溜まった水を外部に導出することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
2. 請求項１において、前記改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から前記改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から前記水蒸気を生成して前記改質部に供給する蒸発部と、前記改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、該一酸化炭素シフト反応部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、
   前記燃料電池システムの運転停止の際に、前記蒸発部に溜まった水を外部に導出することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
3. 請求項１または請求項２の停止方法によって停止された燃料電池システムの起動方法において、前記運転停止した燃料電池システムの運転を再開する際に、少なくとも前記改質装置の起動以前に該改質装置に所定量の水を給水手段によって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。
4. 供給された水から生成された水蒸気と供給された燃料ガスとから改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記水が流通する流水路および前記水蒸気が流通する水蒸気流路のうち水が溜まる可能性のある溜水可能部分に該溜水可能部分に溜まった水を外部に導出する排水管の一端を接続し、前記排水管に開閉バルブを設け、前記燃料電池システムの運転中には前記開閉バルブを閉じ、前記燃料電池システムの運転を停止する際に前記開閉バルブを開けるバルブ制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４において、前記改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から前記改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から前記水蒸気を生成して前記改質部に供給する蒸発部と、前記改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、該一酸化炭素シフト反応部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、前記排水管の一端は前記蒸発部の水導入口に接続したことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項４または請求項５において、前記排水管の他端がリザーバタンクに連通されていることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６において、前記リザーバタンクは前記溜水可能部分より低い位置に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
   

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