JP2005259664A - 燃料電池スタックの運転方法および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックの停止時に燃料極側が水素不足となることを防止し、酸化剤極が高電位となり腐食により劣化するのを防止することを目的とする。
【解決手段】 水素リッチな燃料４０を燃料電池スタック６の燃料極側に導入し、酸化剤３２を燃料電池スタックの酸化剤極側に導入し、燃料電池スタックによって発電を行う発電工程と、燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持する第１雰囲気維持工程と、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第１雰囲気変更工程の後に、燃料電池スタックによる発電を停止させる停止工程とを備え、第１雰囲気維持工程が、第１雰囲気変更工程および停止工程と同時に行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池スタックの運転方法、特に停止時あるいは低負荷時あるいはセル電圧が高い時の固体高分子型燃料電池スタックの運転方法、および固体高分子型燃料電池システム、酸化剤極側に出入りする流れを遮断する遮断機構を有する固体高分子型燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池は、作動温度が１００℃以下と低いため、起動時間を短くでき、さらに取り扱いも容易であるため、自動車用、家庭用（温熱併給、コージェネレーション）等幅広い需要が見込まれている。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜を挟んで担持された燃料極側に、水素、メタノール等の燃料を導入し、もう一方の酸化剤極側に、空気、酸素等の酸化剤ガスを導入することによって、固体高分子膜間に起電力を生じ、外部回路に電子を取り出すことによって発電を行い、その際に熱を発生する。燃料極−固体高分子膜−酸化剤極のセットをセルと呼び、セルを複数枚積層したものをスタックと呼ぶ。

固体高分子型燃料電池を含んで構成される固体高分子型燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、燃料電池スタックから電力出力を取り出すと同時に、燃料電池スタックからの排熱を回収し、熱出力として利用する。当該コージェネレーションシステムは、電力出力と熱出力を合わせた総合熱効率が８０〜９０％(ＬＨＶ)であり、高い省エネルギー性を提供することができ、エネルギーコストを削減できるほか、ＣＯ_２排出抑制等環境面に大きく貢献できる分散電源として期待されている。

例えば出力が０．５〜２ｋＷ程度である小型の固体高分子型燃料電池コージェネレーションシステムは、一般家庭が市場と想定されているが、一般家庭における電力需要は時間帯による差が大きい。また、現時点では系統への電力逆潮流は認められていない。そのため、家庭における電力需要の少ない夜間などは燃料電池ユニット内に放熱用ラジエータ等を持たせることによって、電力と熱を内部で処理しない限り、停止せざるをえず、頻繁な起動停止が想定される。

一方、家庭用の燃料電池スタックの想定寿命は、ＤＳＳベース(一日一度の起動停止)で４万時間、起動停止回数３０００回以上といわれており、レベルの高い耐久性が要求される。燃料電池スタックの停止時に燃料極側が水素不足となると、酸化剤極が腐食により劣化する。また、燃料電池スタックの電流負荷が少なくなったとき（部分負荷時）、あるいは電力負荷がなくなったとき（無負荷時）、セル電圧が高くなったときに酸化剤極が高電位となり酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じ、固体高分子膜の劣化を招く。

本第１の発明は、燃料電池スタックの停止時に燃料極側が水素不足となることを防止し、酸化剤極が腐食により劣化するのを防止することを目的とする。本第２の発明は、燃料電池スタックの部分負荷時あるいは無負荷時において、酸化剤極が高電位となり酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じることを防ぎ、固体高分子膜が劣化するのを防止することを目的とする。本第３の発明は、セル電圧が高くなったときに、酸化剤極が高電位となり酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じることを防ぎ、固体高分子膜が劣化するのを防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明による燃料電池スタックの運転方法は、水素リッチな燃料を燃料電池スタックの燃料極側に導入し、酸化剤を前記燃料電池スタックの酸化剤極側に導入し、前記燃料電池スタックによって発電を行う発電工程と；前記燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持する第１雰囲気維持工程と；前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第１雰囲気変更工程の後に、前記燃料電池スタックによる発電を停止させる停止工程とを備え；前記第１雰囲気維持工程が、前記第１雰囲気変更工程および前記停止工程と同時に行われる。

このように構成すると、燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持する第１雰囲気維持工程と、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第１雰囲気変更工程の後に、燃料電池スタックによる発電を停止させる停止工程とを備え、第１雰囲気維持工程が、第１雰囲気変更工程および停止工程と同時に行われるので、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にすることにより、スタック電圧を低下させ、この後に、燃料電池スタックによる発電を停止させ、燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持することにより燃料極側が燃料不足の状態とならないようにするので、酸化剤極側の腐食を防止することができる。また、このようにすると、燃料電池スタックのセル平均電圧を速やかに低下させることができるので、酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じることがなく、固体高分子膜の劣化を引き起こすことを防止することができる。このため、燃料電池スタックにダメージを与えることがなく燃料電池スタックを停止することができ、燃料電池スタックの高い耐久性を実現することができる。また、前述のように前記燃料電池スタックによる発電を停止させるので、燃料電池スタックの次回起動時に燃料を燃料極側に導入したときに、酸化剤極側が酸素不足な雰囲気であるようにすることができるため、酸化剤極の電位が瞬時に上昇することがなく、酸化剤極の腐食を防止することができる。なお、第１雰囲気変更工程の後に停止工程を備えるとは、第１雰囲気変更工程が終わると同時に停止工程が行われる場合を含むものとする。

請求項２に係る発明による燃料電池スタックの運転方法は、請求項１に記載の燃料電池スタックの運転方法において、前記第１雰囲気維持工程が、前記燃料極側への前記燃料の導入を維持することにより行われ；前記第１雰囲気変更工程が、前記酸化剤極側への前記酸化剤の導入を停止し、前記燃料電池スタックから電力を出力することにより行われる。

このように構成すると、燃料極側への燃料の導入を維持することにより燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持することができ、燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持することにより、燃料電池スタックは電力を発電することができ、酸化剤極側への酸化剤の導入を停止し、燃料電池スタックから電力を出力することにより、酸化剤極側の酸素を消費することができ、酸化剤極側の酸素量を減少させることができるので、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にすることができる。

請求項３に係る発明による燃料電池スタックの運転方法は、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタックの運転方法において、前記停止工程の後から次回の前記発電工程が開始されるまでの間、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気に維持する第２雰囲気維持工程を備え；前記次回の発電工程が、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気に維持した状態で前記燃料極側への前記燃料の導入を開始し、その後、前記酸化剤極側への前記酸化剤の導入を開始し、前記燃料電池スタックによる発電を開始する工程を含む。

このように構成すると、前記停止工程の後から次回の前記発電工程が開始されるまでの間、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気に維持するので、次回の発電工程を開始する工程において、燃料極側への燃料の導入を開始したときに、酸化剤極の電位が瞬時的に上昇することを確実に防止し、酸化剤極の腐食による劣化を招かないようにすることができる。

上記目的を達成するため、請求項４に係る発明による燃料電池スタックの運転方法は、請求項１に記載の燃料電池スタックの運転方法において、前記停止工程の後に、前記酸化剤極側へ導入される流れを遮断する導入遮断工程を備え；前記第１雰囲気維持工程が、前記燃料極側への前記燃料の導入を維持することにより行われ； 前記第１雰囲気変更工程が、前記酸化剤極側から排出される流れを遮断し、前記酸化剤極側への酸化剤の導入を継続して前記酸化剤極側の圧力を正圧に保ちながら、前記燃料電池スタックから電力を出力することにより行われる。

このように構成すると、燃料極側への前記燃料の導入を維持することにより燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持することができ、燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持することにより、燃料電池スタックは電力を発電することができ、酸化剤極側への酸化剤の導入を継続して前記酸化剤極側の圧力を正圧に保ちながら、燃料電池スタックから電力を出力することにより、酸化剤極側が負圧になることを回避しつつ酸化剤極側の酸素を消費することができ、酸化剤極側の酸素量を減少させることができるので、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にすることができ、その後に燃料電池スタックによる発電を停止させ、停止させた後に、前記酸化剤極側へ導入される流れを遮断するので、酸化剤極側の酸素不足な雰囲気を維持することができる。なお、流れを遮断するとは、実際に生じている流れを遮断するのみならず、流れを生じようとしても流れを生じさせないことも意味する。

上記目的を達成するため、請求項５に係る発明による燃料電池スタックの運転方法は、水素リッチな燃料を燃料電池スタックの燃料極側に導入し、酸化剤を前記燃料電池スタックの酸化剤極側に導入し、前記燃料電池スタックによって発電を行う発電工程を備え；前記発電工程が、部分負荷時あるいは無負荷時に、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第２雰囲気変更工程を含む。

このように構成すると、前記発電工程が、部分負荷時あるいは無負荷時に、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第２雰囲気変更工程を含むので、燃料電池スタックのセル平均電圧を下げることができ、酸化剤極が高電位とならないようにすることができる。よって、酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じることがなく、固体高分子膜の劣化を引き起こすことを防止することができる。そのため、燃料電池スタックにダメージを与えずに部分負荷運転、あるいは無負荷運転を行うことができ、燃料電池スタックの高い耐久性を実現することができる。なお、部分負荷時とは燃料電池スタックから１００％電力（定格電力）未満の電力が出力される時をいい、無負荷時とは燃料電池スタックから電力が外部負荷に出力されない時をいう。なお、無負荷時に燃料電池スタックからの電力の出力は行われている。

請求項６に係る発明による燃料電池スタックの運転方法は、水素リッチな燃料を燃料電池スタックの燃料極側に導入し、酸化剤を前記燃料電池スタックの酸化剤極側に導入し、前記燃料電池スタックによって発電を行う発電工程を備え；前記発電工程が、前記燃料電池スタックのセル平均電圧が一定の値を上回ったときに、前記酸化剤の供給量を通常発電時よりも減少させて、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第３雰囲気変更工程を含む。

このように構成すると、前記発電工程が、前記燃料電池スタックのセル平均電圧が一定の値を上回ったときに、前記酸化剤の供給量を通常発電時よりも減少させて、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第３雰囲気変更工程を含むので、一定の値を上回った燃料電池スタックのセル平均電圧を下げることができ、酸化剤極が高電位とならないようにすることができる。よって、酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じることがなく、固体高分子膜の劣化を引き起こすことを防止することができる。そのため、燃料電池スタックにダメージを与えずに運転を行うことができ、燃料電池スタックの高い耐久性を実現することができる。

上記目的を達成するため、請求項７に係る発明による燃料電池システム１０１は、例えば図１に示すように、水素リッチな燃料４２を燃料極側に導入し、酸化剤３２を酸化剤極側に導入し、燃料４２と酸化剤３２とを用いて発電を行う燃料電池スタック６と；前記酸化剤極側から排出される流れを遮断する排出遮断機構２５と；排出遮断機構２５を作動させ、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にした後に、燃料電池スタック６の発電を停止させる制御部４とを備える。

このように構成すると、排出遮断機構２５と、制御部４とを備えるので、排出遮断機構２５を作動させ、酸化剤極側に酸化剤３２が十分に供給されないようにし、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にした後に、燃料電池スタック６の発電を停止させることができる。

請求項８に係る発明による燃料電池システム１０１は、請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、例えば図１に示すように、前記酸化剤極側へ導入される流れを遮断する導入遮断機構２４を備え；制御部４が、燃料電池スタック６の発電を停止させた後に、導入遮断機構２４を作動させる。

このように構成すると、導入遮断機構２４と、排出遮断機構２５と、制御部４とを備えるので、排出遮断機構２５を作動させ、酸化剤極側に酸化剤３２が十分に供給されないようにし、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にした後に、燃料電池スタック６の発電を停止させ、この停止後に、導入遮断機構２４を作動させ、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気に維持することができる。

本第１の発明は、燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持する第１雰囲気維持工程と、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第１雰囲気変更工程の後に、燃料電池スタックによる発電を停止させる停止工程とを備え、第１雰囲気維持工程が、第１雰囲気変更工程および停止工程と同時に行われるので、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にすることによりスタック電圧を低下させ、この後に、燃料電池スタックによる発電を停止させ、燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持することにより燃料極側が燃料不足とならないようにするので、酸化剤極側の腐食を防止することができる。

本第２の発明は、燃料電池スタックによって発電を行う発電工程が、部分負荷時あるいは無負荷時に、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第２雰囲気変更工程を含むので、燃料電池スタックのセル平均電圧を下げることができ、酸化剤極が高電位とならないようにすることができる。よって、酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じることがなく、固体高分子膜の劣化を引き起こすことを防止することができる。そのため、燃料電池スタックにダメージを与えずに部分負荷運転、あるいは無負荷運転を行うことができ、燃料電池スタックの高い耐久性を実現することができる。

本第３の発明は、燃料電池スタックによって発電を行う発電工程が、燃料電池スタックのセル平均電圧が一定の値を上回ったときに、酸化剤の供給量を通常発電時よりも減少させて、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第３雰囲気変更工程を含むので、一定の値を上回った燃料電池スタックのセル平均電圧を下げることができ、酸化剤極が高電位とならないようにすることができる。よって、酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じることがなく、固体高分子膜の劣化を引き起こすことを防止することができる。そのため、燃料電池スタックにダメージを与えずに運転を行うことができ、燃料電池スタックの高い耐久性を実現することができる。

本第４の発明は、排出遮断機構と、制御部とを備えるので、排出遮断機構を作動させ、酸化剤極側に酸化剤が十分に供給されないようにし、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にして燃料電池スタックのセル平均電圧を下げた後に、燃料電池スタックの発電を停止させることができ、酸化剤極と燃料極との間に大きい電位差が生じることなく、燃料電池スタックの固体高分子膜が劣化を引き起こすことを防止することができる。

以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１０１の構成を示すブロック図である。

燃料電池システムとしての燃料電池コージェネレーションシステム１０１は、燃料処理装置１と、燃料電池スタック６と、パワーコンディショナー７と、改質用原料ブロワ３９と、選択酸化用空気ブロワ５１と、燃焼用空気ブロワ５２と、プロセス水用ポンプ３と、回収水タンク５と、加湿水用ポンプ１３と、スタック空気用ブロワ１５と、加湿器１６と、第１熱交換部８と、第２熱交換部９と、第３熱交換部１４と、スタック冷却水用ポンプ１２と、気水分離器１１と、制御部４とを備える。燃料処理装置１は、改質触媒（不図示）を有する改質部１８と、ＣＯ変成触媒（不図示）を有する変成部１９と、選択酸化触媒（不図示）を有する選択酸化部２０と、水蒸気発生部３６と、燃焼部１０とを有する。制御部４は、燃料電池コージェネレーションシステム１０１の起動運転、定常運転、停止運転等の運転を制御する。

燃料電池コージェネレーションシステム１０１は、さらに原料供給ライン１４０と、選択酸化用空気供給ライン１３０ａと、プロセス水供給ライン１４１と、水蒸気供給ライン１４１ａと、燃焼用空気供給ライン１３０と、燃焼用燃料供給ライン１３１と、本発明の導入ラインとしてのスタック用空気供給ライン１３２と、改質ガス搬送ライン１４２と、燃料極オフガス搬送ライン１４３と、切替ライン１４２ａと、スタック冷却水循環ライン１６０と、燃焼排ガス排出ライン１５０と、排出ラインとしての酸化剤極オフガス排出ライン１３３と、加湿水供給ライン１４４と、温熱回収水循環ライン１６１と、ドレン水ライン１６４と、余剰水ライン１６５とを備える。

原料供給ライン１４０は、改質用原料ブロワ３９から供給される炭化水素系燃料としての改質用原料４０（例えば、エタン、メタン、プロパン、ブタン等を主成分とする都市ガス１３Ａ）を改質部１８に供給する。原料供給ライン１４０上には、二方弁２８が設置されている。二方弁２８は、制御部４からの開閉信号（不図示）により、開（全開）または閉（全閉）に設定される。二方弁２８が開となった場合、改質用原料４０が改質部１８に供給することが可能となる。二方弁２８が閉となった場合、二方弁２８を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、流体が二方弁２８を通って改質部１８へ供給されることはなく、改質部１８の流体が二方弁２８を通って漏洩することはない。

改質部１８では、供給された改質用原料４０を改質して水素を主成分（例えば、水素の成分がモル％で約７０〜７５％）とする本発明の水素リッチな燃料としての改質ガス４２に改質する改質反応が行われる。改質部１８は、改質部１８の温度を検出する温度検出装置７５を有し、検出された温度は、温度信号ｉ７５として制御部４に送られる。変成部１９では、改質部１８で生成された改質ガス４２のＣＯ変成反応が行われる。変成部１９は、変成部１９の温度を検出する温度検出装置７６を有し、検出された温度は、温度信号ｉ７６として制御部４に送られる。

選択酸化用空気供給ライン１３０ａは、選択酸化用空気ブロワ５１から供給される選択酸化用空気３０ａを選択酸化部２０に供給する。選択酸化部２０では、ＣＯ変成反応が行われた改質ガス４２中に残存する一酸化炭素ガスの選択的酸化が行われる。選択酸化部２０は、選択酸化部２０の温度を検出する温度検出装置７７を有し、検出された温度は、温度信号ｉ７７として制御部４に送られる。選択酸化用空気供給ライン１３０ａ上には、二方弁３７が設置され、二方弁３７は、制御部４からの開閉信号（不図示）により、開（全開）または閉（全閉）に設定される。二方弁３７が開となった場合、選択酸化用空気３０ａを選択酸化部２０に供給することが可能となる。二方弁３７が閉となった場合、二方弁３７を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、選択酸化部２０へ流体が二方弁３７を通って供給されることはなく、選択酸化部２０の流体が二方弁３７を通って漏洩することはない。

プロセス水供給ライン１４１は、水蒸気発生部３６にプロセス水４１を供給する。水蒸気発生部３６では、プロセス水４１の蒸発が行われ、水蒸気４１ａが発生する。プロセス水供給ライン１４１は、回収水タンク５に接続され、プロセス水供給ライン１４１上には、プロセス水用ポンプ３と二方弁３８とが設置されている。プロセス水用ポンプ３は、回収水タンク５内の回収水をプロセス水４１として、水蒸気発生部３６に供給する。回収水タンク５には水位検出装置７１が取り付けられ、水位検出装置７１は検出した水位を水位信号ｉ７１として制御部４に送る。二方弁３８は、制御部４からの開閉信号（不図示）により、開（全開）または閉（全閉）に設定される。二方弁３８が開となった場合、プロセス水４１を水蒸気発生部３６へ供給することが可能となる。二方弁３８が閉となった場合、二方弁３８を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、流体が二方弁３８を通って水蒸気発生部３６へ供給されることはなく、水蒸気発生部３６からの流体が二方弁３８を通って漏洩することはない。

水蒸気供給ライン１４１ａは、水蒸気発生部３６で発生した水蒸気４１ａを改質部１８に供給する。水蒸気４１ａは、改質部１８で改質用原料４０の改質反応に利用される。

燃料電池スタック６は、固体高分子膜（不図示）とセパレータ（不図示）とが交互に重ねられた多重構造であり、燃料極側に改質ガス４２が供給（導入）され、酸化剤極側に酸化剤としてのスタック用空気３２が供給（導入）され、電気化学的反応により発電を行い、燃料極側から燃料極オフガス４３（利用し残した改質ガス）、酸化剤極側から酸化剤極オフガス３３を排出する。

燃料極オフガス搬送ライン１４３は、燃料電池スタック６の燃料極側から燃料極オフガス４３を燃焼部１０に供給する。燃料極オフガス搬送ライン１４３には、二方弁２３ａが設置されている。二方弁２３ａは、制御部４からの開閉信号（不図示）により開（全開）または閉（全閉）に設定される。二方弁２３ａが開となった場合、燃料極オフガス４３が、燃料極側から二方弁２３ａを通って燃焼部１０に流れることが可能になる。二方弁２３ａが閉となった場合、二方弁２３ａを通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、流体が二方弁２３ａを通って燃料極側に流れ込むことはなく、燃料極側の流体が二方弁２３ａを通って漏洩することはない。燃焼用空気供給ライン１３０は、燃焼用空気ブロワ５２から供給される燃焼用空気３０を燃焼部１０に供給し、燃焼用燃料供給ライン１３１は、燃焼用燃料３１を燃焼部１０に供給する。燃焼用空気３０は、燃焼部１０での燃料極オフガス４３の燃焼、燃焼用燃料３１の燃焼に利用される。

改質ガス搬送ライン１４２は、燃料処理装置１の選択酸化部２０と燃料電池スタック６の燃料極側を繋ぎ、選択酸化部２０から燃料極側に改質ガス４２を搬送する。改質ガス搬送ライン１４２には、三方切替弁２１が設置されている。三方切替弁２１には、制御部４より三方切替弁２１を切り替えるための切替信号ｉ２１が送られる。三方切替弁２１には、切替ライン１４２ａの一端が接続され、切替ライン１４２ａの他端は、燃料極オフガス搬送ライン１４３に接続されている。

三方切替弁２１が、切替信号ｉ２１によりａ側に設定されたときは、改質ガス４２は、選択酸化部２０より改質ガス搬送ライン１４２、三方切替弁２１、改質ガス搬送ライン１４２を通り燃料極側に搬送される。一方、切替信号ｉ２１により三方切替弁２１がｂ側に設定されたときは、改質ガス４２は、選択酸化部２０より改質ガス搬送ライン１４２、三方切替弁２１、切替ライン１４２ａ、燃料極オフガス搬送ライン１４３を通り燃焼部１０に搬送される。三方切替弁２１がａ側に設定され、さらに燃料電池スタック６の発電のために改質ガス４２が選択酸化部２０より燃料極側に供給されるときは、二方弁２３ａは開に設定され、燃料極オフガス４３が燃料極側から燃料極オフガス搬送ライン１４３を通って燃焼部１０に搬送されるのを可能にする。なお、三方切替弁２１がｂ側に設定された場合、二方弁２３ａは閉に設定され、燃料極オフガス搬送ライン１４３に達した改質ガス４２が燃料極側に逆流することはない。

スタック空気用ブロワ１５は、スタック空気用ブロワ１５と燃料電池スタック６の酸化剤極側とを繋ぐスタック用空気供給ライン１３２を介して、酸化剤としてのスタック用空気３２を酸化剤極側に供給する。スタック用空気供給ライン１３２上には、加湿器１６と、本発明の導入遮断機構としての二方弁２４と、流量検出装置４７が設置されている。加湿器１６には、加湿水供給ライン１４４を介して加湿水４４が供給され、加湿器１６は供給された加湿水４４を用いてスタック用空気３２を加湿する。二方弁２４は、制御部４からの開閉信号（不図示）により、開（全開）または閉（全閉）に設定される。二方弁２４が開となった場合、スタック用空気３２を酸化剤極側に供給することが可能となる。二方弁２４が閉となった場合、二方弁２４を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、流体が二方弁２４を通って酸化剤極側に供給されることはなく、酸化剤極側の流体が二方弁２４を通って漏洩することはない。加湿器１６からの余剰水６５（加湿に用いられなかった加湿水）は、回収水タンク５へ余剰水ライン１６５を介して送られ、回収水として回収される。流量検出装置４７は酸化剤極側に供給されるスタック用空気３２の流量を検出する。流量検出装置４７は測定されたスタック用空気３２の流量を表す流量信号ｉ４７を制御部４に送る。

燃焼排ガス排出ライン１５０は、燃焼部１０で生じた燃焼排ガス５０を排出する。酸化剤極オフガス排出ライン１３３は、酸化剤極側で生じた酸化剤極オフガス３３を排出する。酸化剤極オフガス排出ライン１３３は、燃焼排ガス排出ライン１５０に接続されており、酸化剤極オフガス排出ライン１３３を通った酸化剤極オフガス３３は、さらに燃焼排ガス排出ライン１５０を通って排出される。酸化剤極オフガス排出ライン１３３上には、排出遮断機構としての二方弁２５が設置されている。二方弁２５は、制御部４からの開閉信号（不図示）により、開（全開）または閉（全閉）に設定される。二方弁２５が開となった場合、酸化剤極オフガス３３を酸化剤極側から排出することが可能となる。二方弁２５が閉となった場合、二方弁２５を通る流体の流れが遮断される。よって、この場合、流体が二方弁２５を通って酸化剤極側に供給されることはなく、酸化剤極側の流体が二方弁２５を通って排出されることはない。

スタック冷却水用ポンプ１２は、スタック冷却水６０を、スタック冷却水循環ライン１６０を通して循環させる。

第１熱交換部８には、温熱回収水循環ライン１６１と燃焼排ガス排出ライン１５０とが接続され、燃焼排ガス５０（高温側）と温熱回収水６１（低温側）との間で熱交換が行われる。第２熱交換部９には、スタック冷却水循環ライン１６０と温熱回収水循環ライン１６１とが接続され、スタック冷却水６０（高温側）と温熱回収水６１（低温側）との間で熱交換が行われる。第３熱交換部１４には、燃焼排ガス排出ライン１５０と加湿水供給ライン１４４とが接続され、燃焼排ガス５０（高温側）と加湿水４４（低温側）との間で熱交換が行われる。燃焼排ガス排出ライン１５０上で、第３熱交換部１４は、第１熱交換部８の上流側に配置されている。気水分離器１１は、燃焼排ガス排出ライン１５０上で、第１熱交換部８の下流側に設置されている。温熱回収水循環ライン１６１上で、第１熱交換部８は第２熱交換部９の上流側に配置されている。

ドレン水ライン１６４は、気水分離器１１の底部と回収水タンク５の天井部とを繋ぎ、気水分離器１１で回収されたドレン水６４を気水分離器１１から回収水タンク５に流す。余剰水ライン１６５は、加湿器１６の底部と回収水タンク５の天井部とを繋ぎ、供給された加湿水４４のうち加湿器１６で使用されなかった余剰水６５を加湿器１６から回収水タンク５に流す。

スタック冷却水循環ライン１６０は、スタック冷却水用ポンプ１２と第２熱交換部９と燃料電池スタック６を繋ぎ、スタック冷却水６０は、スタック冷却水用ポンプ１２と第２熱交換部９と燃料電池スタック６をこの順序で循環する。

パワーコンディショナー７は、不図示のＤＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＡＣインバータを含んで構成され、燃料電池スタック６が発電した直流電力の電圧（スタック電圧）を調整し、さらに直流を交流に変換する。また、パワーコンディショナー７は、制御部４からの制御信号ｉ７４を受け、制御信号ｉ７４が要求する電力値の交流電力を出力する。燃料電池スタック６とパワーコンディショナー７を接続する配線中にはスタック電圧を検出する電圧検出装置６８、スタック電流を検出する電流検出装置６９、リレー３４が設置されている。電圧検出装置６８は、検出したスタック電圧を表す電圧信号ｉ６８を制御部４に送り、電流検出装置６９は、検出したスタック電流を表す電流信号ｉ６９を制御部４に送る。リレー３４は、制御部４から送られる開閉信号ｉ３４によって開閉し、リレー３４が閉となることにより燃料電池スタック６から電力が出力され、リレー３４が開となることにより燃料電池スタック６から電力が出力されなくなる。

スタック空気用ブロワ１５、改質用原料ブロワ３９、選択酸化用空気ブロワ５１、燃焼用空気ブロワ５２、プロセス水用ポンプ３、加湿水用ポンプ１３、スタック冷却水用ポンプ１２は、それぞれ原動機としての電動モータ（不図示）によって駆動される。各電動モータは、制御部４からの制御信号（不図示）により回転数が制御され、スタック用空気３２、改質用原料４０、選択酸化用空気３０ａ、燃焼用空気３０、プロセス水４１、加湿水４４、スタック冷却水６０の流量がそれぞれ制御される。各電動モータは、制御部４から各制御信号が送られなくなることによりそれぞれ停止する。

次に、本第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１０１の発電時（定格電力出力状態）の作用を説明する。
改質用原料４０は、燃料処理装置１の改質部１８に供給される。このとき二方弁２８は開の位置にあり、改質用原料ブロワ３９を駆動する電動モータ（不図示）は回転数制御され、改質用原料４０の流量制御が行われる。プロセス水４１は、回収水タンク５からプロセス水用ポンプ３によって、燃料処理装置１の水蒸気発生部３６に供給される。このとき二方弁３８は開の位置にあり、プロセス水用ポンプ３を駆動する電動モータ（不図示）は回転数制御され、プロセス水４１の流量制御が行われる。水蒸気発生部３６で水蒸気４１ａが発生し、発生した水蒸気４１ａは改質部１８に供給され、改質用水蒸気として用いられる。すなわち改質部１８では、改質用原料４０が例えばメタンの場合は、改質触媒（不図示）により、ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２で表せる水蒸気改質反応が行われ、改質ガス４２が生成する。

改質ガス４２は、改質部１８から変成部１９に供給され、変成部１９で、ＣＯ変成触媒（不図示）により、ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２で表せる変成反応が行われ、改質ガス４２中のＣＯが除去される。さらに、改質ガス４２は、変成部１９から選択酸化部２０に送られる。選択酸化用空気３０ａは、選択酸化部２０に供給される。このとき二方弁３７は開の位置にあり、選択酸化用空気ブロワ５１を駆動する電動モータ（不図示）は回転数制御され、選択酸化用空気３０ａの流量制御が行われる。改質ガス４２中に残留するＣＯガスは、選択酸化部２０で選択酸化用空気３０ａにより選択的に酸化され、ＣＯ＋(１/２)Ｏ_２→ＣＯ_２で表される選択酸化反応が行われる。

選択酸化部２０でＣＯガスが除去された改質ガス４２は、燃料電池スタック６の燃料極側に供給される。このとき三方切替弁２１はａ側の位置にある。スタック用空気３２は、スタック空気用ブロワ１５によって加湿器１６に供給され、加湿器１６で加湿され、燃料電池スタック６の酸化剤極側に供給される。このとき二方弁２４は開の位置にあり、スタック空気用ブロワ１５を駆動する電動モータ（不図示）は回転数制御され、スタック用空気３２の流量制御が行われる。また、加湿水用ポンプ１３を駆動する電動モータ（不図示）は回転数制御され、加湿水４４の流量制御が行われる。加湿したスタック用空気３２を酸化剤極側に供給するのは、固体高分子型燃料電池の特性上、耐久性を維持し、高い発電効率を実現するためには固体高分子膜が十分に加湿された状態にあることが必要だからである。

燃料電池スタック６は、燃料極側に改質ガス４２が供給され、酸化剤極側にスタック用空気３２が供給され、改質ガス４２とスタック用空気３２とを用いて電気化学的反応により直流電力の発電を行い、パワーコンディショナー７で電圧変換、および直流から交流への直流／交流変換を行い、交流電力を出力する。燃料電池スタック６は、燃料極側から燃料極オフガス４３、酸化剤極側から酸化剤極オフガス３３を排出する。このとき二方弁２３ａ、２５は、開の位置にあるので、燃料極オフガス４３、酸化剤極オフガス３３を排出することが可能である。

燃料極オフガス４３は、燃料処理装置１の燃焼部１０に供給され、燃焼部１０で燃焼され、この燃焼によって燃焼排ガス５０が生じ、燃焼排ガス５０は燃焼部１０から排出される。酸化剤極オフガス３３は燃焼排ガス５０に合流し排出される。

すなわち燃焼排ガス５０は燃焼部１０から排出され、その後に酸化剤極オフガス３３と混合し、第３熱交換部１４で加湿水４４を例えば４０℃から６５℃に加熱し、加湿水４４により例えば８０℃から５５℃に冷却され、さらに第１熱交換部８で貯湯槽（不図示）から送られる温熱回収水６１を例えば２０℃から２８℃に加熱し、温熱回収水６１により例えば５５℃から２２℃に冷却され、さらに気水分離器１１で気水分離され排気される。気水分離器１１で分離された水分すなわちドレン水６４は、回収水タンク５に送られ、回収水として回収される。

加湿器１６に供給された加湿水４４は、加湿器１６でスタック用空気３２を例えば５５℃まで昇温しＲＨ９５％以上まで加湿する。温熱回収水６１は、第２熱交換部９でスタック冷却水６０により例えば２８℃から６４℃に加熱され、貯湯槽（不図示）に戻され、貯湯槽に熱量が貯えられる。

燃料電池スタック６に供給されたスタック冷却水６０は、燃料電池スタック６を冷却し、スタック冷却水６０自身は燃料電池スタック６により５５℃から６５℃に加熱され燃料電池スタック６を出で、スタック冷却水用ポンプ１２を経て、第２熱交換部９で温熱回収水６１により６５℃から５５℃に冷却され、再び燃料電池スタック６に供給されて循環する。スタック冷却水用ポンプ１２を駆動する電動モータ（不図示）は回転数制御され、スタック冷却水６０の流量制御が行われる。燃料電池スタック６の発電効率は通常、５０〜７０％（ＬＨＶ）であり、損失分は燃料電池スタック６の発熱として消費され、この発熱分がスタック冷却水６０により除去される。

制御部４は、開度位置を開とする開閉信号（不図示）を二方弁２３ａ、２４、２５、２８、３７、３８に送っている。さらに制御部４は、発電開始前に三方切替弁２１をａ側に切り替える切替信号ｉ２１を三方切替弁２１に送っており、発電開始時にパワーコンディショナー７に所望の電力を出力させる制御信号ｉ７４を送っている。制御部４は、リレー３４を閉とする開閉信号ｉ３４をリレー３４に送っている。

さらに制御部４には、電圧検出装置６８からの電圧信号ｉ６８、電流検出装置６９からの電流信号ｉ６９が、水位検出装置７１からの水位信号ｉ７１、温度検出装置７５からの温度信号ｉ７５、温度検出装置７６からの温度信号ｉ７６、温度検出装置７７からの温度信号ｉ７７が送られる。さらに、制御部４は、各電動モータ（不図示）の回転数を制御する制御信号（不図示）を各電動モータに送っている。

次に、本第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１０１の起動時の作用を説明する。
前回の停止運転時に最終的に三方切替弁２１をｂ側の位置に設定し、二方弁２３ａ、２４、２５、２８、３７、３８を閉の位置に設定しているので、起動直前には同様に三方切替弁２１はｂ側の位置に、二方弁２３ａ、２４、２５、２８、３７、３８は閉の位置にある。まず燃焼用空気３０を燃焼部１０のバーナー（不図示）のパージのため燃焼部１０に供給し、燃焼用燃料３１の供給開始と同時にバーナーに着火し燃焼部１０での燃焼を開始すると、燃焼部１０から燃焼排ガス５０が排出される。次に改質用原料ブロワ３９を起動し同時に二方弁２８を開とし改質用原料４０を改質部１８に供給することを開始し、同時に加湿水用ポンプ１３を起動し、加湿水４４を加湿器１６に供給する。この時点でスタック用空気３２は供給されておらず、加湿器１６に供給された加湿水４４は、余剰水ライン１６５を介して回収水タンク５に送られ、循環する。加湿水用ポンプ１３を起動すると第３熱交換部１４で燃焼排ガス５０により加湿水４４を加熱することができ、発電開始時までに加湿水４４の温度を十分に上昇させスタック用空気３２の加湿不足を避けることができる。

起動の初期段階では、改質部１８の温度が改質反応を生じる温度に達していないので改質部１８での改質反応は起こらない。改質用原料４０は、改質部１８、変成部１９、選択酸化部２０を通り燃焼部１０に送られ、燃焼部１０での改質用原料４０の燃焼が行われる。燃焼部１０での燃焼により改質部１８、変成部１９、選択酸化部２０の温度が上昇する。

改質部１８の温度、変成部１９の温度、選択酸化部２０の温度が、全て１００℃を上回ったところで、プロセス水用ポンプ３を起動し、プロセス水４１を水蒸気発生部３６に供給し、改質部１８に水蒸気４１ａが供給されるようにする。プロセス水４１の流量は予め定められたＳ（水蒸気４１ａ）／Ｃ（改質用原料中の炭素）比（モル比）に基づき決められる。

プロセス水４１の供給を開始した後所定時間（例えば１０分）経過後に、選択酸化用空気３０ａを予め定められた改質用原料４０とのモル比に基づいて選択酸化部２０に供給する。燃料処理装置１内の触媒温度が所定の温度に達したら（改質部の温度が６７０℃、かつ変成部１９の温度が２５０℃、かつ選択酸化部２０の温度が１２０℃となったら）、三方切替弁２１をａ側の位置に切り替え、同時に二方弁２３ａを開とし、水素リッチで一酸化炭素が１０ｐｐｍ以下程度の改質ガス４２を燃料極側に供給する。このとき酸化剤極側は酸素濃度が低く主として窒素雰囲気であるため、スタック電圧は低いまま（セル平均電圧０．３Ｖ以下）であり、燃料極側への改質ガス４２の導入を開始したときに、酸化剤極の電位が瞬時的に上昇することを確実に防止し、酸化剤極の腐食による劣化を招かないようにすることができる。なお、このとき酸化剤極側は酸素濃度が低く主として窒素雰囲気である理由は後述する。

改質ガス４２の供給を開始してから所定時間（例えば２分）経過後に、スタック空気用ブロワ１５を起動し、同時に二方弁２４、２５を開とし、スタック用空気３２を酸化剤極側へ供給し、燃料電池スタック６の発電を開始する。スタック空気用ブロワ１５の起動より前に、加湿水用ポンプ１３が起動されており、十分に温度が上昇した加湿水４４が加湿器１６に供給され、加湿器１６によってスタック用空気３２が十分に加湿される。このとき燃料電池スタック６のスタック電圧は開放電圧となるが、先に燃料極側に水素リッチな改質ガス４２が供給されているため、瞬間的な酸化剤極側の電位上昇を原因とする電極腐食による劣化を招くことがなく、燃料電池スタック６にダメージを与えずに起動を行うことができる。そのため、燃料電池スタック６の高い耐久性を実現することができる。

燃料電池コージェネレーションシステム１０１の内部補機動力を系統側（一部不図示）から燃料電池スタック６側へ切り替え、自立運転可能な状態にする。同時に、リレー３４を開から閉とし、パワーコンディショナー７を起動し電力の外部負荷（不図示）への出力を開始する。システムの内部補機とは、例えばブロワ、ポンプなどの回転補機、熱電対、圧力計などのセンサ類、制御部４をいう（一部不図示）。パワーコンディショナー７の電力出力を増加させ、同時に改質用原料４０，選択酸化用空気３０ａ、スタック用空気３２、プロセス水４１、燃焼用空気３０の流量を増加させ、目標出力（定格出力）まで燃料電池スタック６の電力出力を増加させる。

このとき、燃料電池スタック６は、水素を５０％（モル％）程度（ドライベース）含む燃料極オフガス４３と酸素を１０％（モル％）程度（ドライベース）含む酸化剤極オフガス３３を排出する。燃料極オフガス４３は、燃焼部１０で燃焼され、燃料処理装置１内の改質部１８を加熱する。酸化剤極オフガス３３は、燃焼部１０からの燃焼排ガスと合流し、第３熱交換部１４で加湿水４４を加熱する。

次に、図２を参照し、適宜図１を参照し、本第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１０１の発電停止運転方法を説明する。以下の運転は制御部４の制御により行われる。
図中、横軸が時間であり、縦軸が運転パラメータ、すなわち燃料電池スタック６が発電する電力である燃料電池発電出力％、改質用原料４０の流量％、プロセス水４１の流量％、選択酸化用空気３０ａの流量％、スタック用空気３２の流量％、改質部１８の温度％を表す。それぞれ定格常運転時の値を１００％とする。１００％の値は、例えば発電電力が１．３ＫＷ、改質用原料４０が１１ｍｏｌ／ｈ、プロセス水４１が３７ｍｏｌ／ｈ、選択酸化用空気３０ａが４ｍｏｌ／ｈ、スタック用空気３２が１６１ｍｏｌ／ｈ、改質部１８の温度が７００℃である。

まず、燃料電池コージェネレーションシステム１０１は定格電力出力状態にあるとする。このとき運転パラメータの値は１００％であり、二方弁２３ａ、２４、２５、２８、３７、３８は開の位置にあり、三方切替弁２１はａ側の位置にある。

時間ｔ１に、燃料電池スタック６からの燃料電池発電出力が８％になるように、パワーコンディショナー７の電力出力の減少を開始する。同時に改質用原料４０、プロセス水４１、選択酸化用空気３０ａ、スタック用空気３２の流量がそれぞれ、１５％、１８％、１８％、２０％になるように、これらの流量の減少を開始する。これらの値は供給時の最低流量であり、これらの値までしか流量を減少させないようにする。こうするのは燃料極側から燃焼部１０への燃料極オフガス４３の供給を維持し、燃焼部１０における燃料極オフガス４３の燃焼を維持し、システムの内部補機（不図示）を駆動するための動力を賄うためである。流量の減少は、制御部４からスタック用空気ブロワ駆動用電動モータ（不図示）、改質用原料ブロワ駆動用モータ（不図示）、選択酸化用空気ブロワ駆動用電動モータ（不図示）、プロセス水用ポンプ駆動用電動モータ（不図示）へ送られるそれぞれの制御信号（不図示）を変化させ各モータの回転数を変化させることにより行う。パワーコンディショナー７の電力出力の減少は、制御部４からの制御信号ｉ７４を変化させることにより行う。時間ｔ１以降、改質部１８の温度は徐々に減少する。

時間ｔ１’（時間ｔ１より例えば５分経過）に、パワーコンディショナー７の電力出力が０となり、燃料電池スタック６からの燃料電池発電出力が８％となり、改質用原料４０、プロセス水４１、選択酸化用空気３０ａ、スタック用空気３２の流量がそれぞれ、１５％、１８％、１８％、２０％になる。時間ｔ１’に電力出力工程が終了する。すなわち、このときパワーコンディショナー７から外部負荷（不図示）への電力出力が０である。燃料電池スタック６からの燃料電池発電出力は、パワーコンディショナー７の待機電力と内部補機（不図示）の動力として消費されている。

時間ｔ２（時間ｔ１’より例えば１分経過）にシステムの内部補機（不図示）の動力を燃料電池スタック６側から系統側（不図示）に切り替え、燃料電池発電出力が３％となるよう、燃料電池スタック６からの発電出力を減少させる。燃料電池発電出力は、パワーコンディショナー７の待機電力として消費される。

このとき燃料電池スタック６のセル平均電圧（スタック電圧／セル枚数）は、０．９Ｖ程度となっており、高電位である。よって、燃料電池スタック６のセルは劣化しやすい状況にある。したがって長時間にわたり電位が高いまま維持するのは望ましくない。

時間ｔ３（時間ｔ２より例えば１０秒経過）に、スタック用空気３２の供給を停止し、加湿水用ポンプ１３の運転を停止し、加湿水４４の加湿器１６への供給を停止する。なお、三方切替弁２１の位置はａ側のままであり、改質ガス４２の燃料電池スタック６の燃料極側への供給は継続し、燃料極側は改質ガスリッチな雰囲気（水素リッチな雰囲気）に維持される。

スタック用空気３２の酸化剤極側への供給の停止は、スタック用ブロワ１５を停止することによりなされる。燃料電池スタック６に接続されているパワーコンディショナー７は待機電力を消費し、燃料電池スタック６の電力負荷となっており、燃料電池スタック６の燃料極側に供給される改質ガス４２と酸化剤極側に存在する酸素とが消費されるため、酸化剤極側では酸素不足な状態になり、酸化剤極側は酸素濃度が低い雰囲気（酸素不足な雰囲気）であり、主として窒素雰囲気となる。それに伴い、燃料電池スタック６のセル平均電圧が低下し、スタック電圧が低下する。スタック電圧低下後、二方弁２４と二方弁２５を閉とし、酸化剤極側に外部から空気が混入しないようにする（第２雰囲気維持工程を部分的に構成）。スタック用ブロワ１５はその後も停止の状態に維持され、二方弁２４と二方弁２５はその後も閉となっているのでるので、酸化剤極側は酸素濃度が低い状態に維持され、この状態は後述の燃料電池スタック６の発電停止後のみならず、次回の燃料電池スタック６の起動まで維持される（第２雰囲気維持工程を部分的に構成）。なお、燃料極側には引き続き改質ガス４２が供給されているため、燃料極側で燃料不足となることはない。

このときスタック電流密度の値を０．０１Ａ／ｃｍ^２以下とすると、セル電圧（スタック電圧）のばらつきを抑えながら全体の電圧を下げることが可能であり、セル電圧が高いことによるダメージを受けるセルがなくなる。これにより、燃料電池スタック６のセルが高電位に維持される時間が短くなるため、高電位による劣化を避けることができる。

また、これにより、燃料極側が燃料不足の状態を起こすことなくセル平均電圧を低下させ、スタック電圧を低下させることができ、酸化剤極の腐食を防止できる。よって、燃料電池スタック６にダメージを与えずに停止運転を行うことができる。

酸化剤極側の酸素濃度が不足するとは、酸素濃度が、１０容量％以下、このましくは３容量％以下であることをいう。

以上述べたように、酸化剤極側を酸素濃度が低い状態、すなわち酸素不足の状態に保つので、燃料電池スタック６を次回に起動する際に、改質ガス４２を燃料極側に導入する時に、酸化剤極が瞬時に高電位とならず、酸化剤極が高電位になることによる電極劣化を防止することができる。

時間ｔ４（時間ｔ３より例えば８分経過）に、リレー３４を開とし、燃料電池スタック６の電力負荷を遮断すると、燃料電池スタック６からの電力出力がゼロとなる。この時点で、電力発電工程が終了する。

時間ｔ５（時間ｔ４より例えば１０秒経過）に、二方弁２３ａを閉とした後、二方弁２８を閉とし改質用原料４０の改質部１８への供給を停止し、二方弁３８を閉としプロセス水４１の水蒸気発生部３６への供給を停止し、二方弁３７を閉とし選択酸化用空気３０ａの選択酸化部２０への供給を停止する。これで発電停止運転が終了する。

以上の説明において時間ｔ３からｔ５までの改質用原料４０を供給する工程が、第１雰囲気維持工程であり、スタック用空気３２の供給を停止した後の時間ｔ３からｔ４までの工程が第１雰囲気変更工程、第２雰囲気変更工程であり、燃料電池スタックの発電を停止させる時間ｔ４の工程が停止工程である。

なお、図２には示していないが、時間ｔ５以降も、次回の発電工程が開始されるまでの間、二方弁２４および二方弁２５は閉の状態に維持され、酸化剤極側が酸素不足な雰囲気に維持される（第２雰囲気維持工程）。次回の発電工程では、二方弁２４および二方弁２５を閉に維持することにより、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気に維持した状態で燃料極側への改質用原料４０の供給を開始し、その後、二方弁２４および二方弁２５を開とし、酸化剤極側へのスタック用空気３２の供給を開始し、燃料電池スタック６による発電を開始する。

次に、図３を参照し、適宜図１を参照し、本第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１０１の、燃料電池スタック６の負荷に基づきスタック用空気の流量を制御する運転方法を説明する。以下の運転は制御部４の制御により行われる。

燃料電池スタック６の負荷が低いとき、すなわち低負荷時には、燃料電池スタック６の電流密度が低くなり、セル平均電圧が上昇する。そのため高電位（酸化剤極と燃料極の間の高電位差）によるセルの劣化（固体高分子膜の劣化）が進行しやすい状態となる。このため次のような制御運転を行う。なお、低負荷時は、部分負荷時で負荷が小さいとき、または無負荷時である。

燃料電池スタックの酸化剤極側には通常負荷時（スタック電流密度が基準値（０．０７Ａ／ｃｍ^２）以上である場合）には、酸化剤極側への酸素利用率が５０％となるようにスタック用空気３２の供給量が決められ、この供給量になるようにスタック用空気ブロワ駆動用モータ（不図示）に制御部４から回転数を制御する制御信号（不図示）が送られる。酸素利用率は、酸素利用率（％）＝酸素消費量（ｍｏｌ／ｓ）／酸素供給量（ｍｏｌ／ｓ）×１００ から求められる。酸素消費量は、酸素消費量（ｍｏｌ／ｓ）＝セル枚数×スタック電流密度（Ａ／ｃｍ^２）×セル面積（ｃｍ^２）／４／Ｆ から求め、酸素供給量は、酸素供給量（ｍｏｌ／ｓ）＝スタック用空気流量（ｍｏｌ／ｓ）×０．２１ から求める。ここでＦは、ファラデー定数（９６４８７（Ｃ））であり、スタック電流密度は、電流検出装置６９からの電流信号ｉ６９を基に制御部４が演算を行って求め、スタック用空気流量は、流量検出装置４７からの流量信号ｉ４７を基に制御部４が演算を行って求める。

燃料電池スタック６の運転中にスタック電流密度を演算する（ステップＳ１）。スタック電流密度は、制御部４が、電流検出装置６９により測定したスタック電流値をセルの断面積（ｃｍ^２）で割ることにより求める。スタック電流密度が基準値（０．０７Ａ／ｃｍ^２）未満か否か判断する（ステップＳ２）。スタック電流密度が基準値より小さい場合（ステップＳ２がＹＥＳの場合）は、低負荷であると判断され、セル平均電圧を下げるため、燃料電池スタック６への酸化剤としてのスタック用空気３２の供給流量を、酸素利用率が６０％になるように減少させる（ステップＳ３）。スタック用空気３２の流量の減少は制御部４からの制御信号（不図示）により、スタック用空気ブロワ駆動用モータ（不図示）の回転数を減少させることにより行う。

これにより酸化剤極側を酸素不足な雰囲気とすることができ、セル平均電圧を低下させることができる。よって、燃料電池スタック６のセルが高電位により劣化することを防止することができ、燃料電池スタック６の高い耐久性を実現することができる。

次に燃料電池スタック６の停止指令があるか否か判断され（ステップＳ４）、指令停止があれば（ステップＳ４がＹＥＳの場合）、燃料電池スタック６の運転を終了させ（エンド）、停止指令がなければ（ステップＳ４がＮＯの場合）、ステップＳ１に戻る。

スタック電流密度が基準値より大きい場合（ステップＳ２がＮＯの場合）は、スタック電流密度が基準値を超えるか否か判断され（ステップＳ５）、スタック電流密度が基準値を超える場合（ステップＳ５がＹＥＳ）は、低負荷ではないので、セル平均電圧を上げるため、通常運転時の設定よりも燃料電池スタック６へのスタック用空気３２の供給流量を増加させることとし、酸素利用率が５０％になるようにスタック用空気３２の供給流量を増加させ（ステップＳ６）、ステップＳ４が繰り返させる。スタック電流密度が基準値を超えない場合（ステップＳ５がＮＯの場合）は、スタック電流密度は基準値に等しいので、ステップＳ１に戻る。スタック用空気３２の流量の増加は制御部４からの制御信号（不図示）により、スタック用空気ブロワ駆動用モータ（不図示）の回転数を増加させることにより行う。

以上説明したように、低負荷時の場合（スタック電流密度が基準値（０．０７Ａ／ｃｍ^２）未満の場合）は、スタック用空気３２の流量を減少させセル平均電圧をさげ、低負荷時でない場合（スタック電流密度が基準値（０．０７Ａ／ｃｍ^２）以上の場合）はスタック用空気３２の流量を増加させてスタック電圧を上げることができる。よって、低負荷の場合、酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にとし、セル平均電圧を下げ、燃料極側が燃料不足の状態とならず、酸化剤極が高電位とならないようにすることができる。よって、酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じることがなく、固体高分子膜の劣化を引き起こすことを防止することができる。そのため、燃料電池スタック６にダメージを与えずに部分負荷運転、あるいは無負荷運転を行うことができ、燃料電池スタック６の高い耐久性を実現することができる。

前述のようにスタック電流密度を基に低負荷か否かを判断するのではなく、セル平均電圧を基に判断する他の運転方法があるが、これについて説明する。
図４を参照し、適宜図１を参照して、本第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１０１の、燃料電池スタック６の負荷に基づきスタック用空気の流量を制御する他の運転方法について説明する。以下の運転は制御部４の制御により行われる。

セルの高電位による劣化を防ぐため 、スタック電流密度の値に応じてスタック用空気３２の供給量を制御する代わりに、セル電圧の値に応じてスタック用空気３２の供給量を制御する。まず、セル電圧を検出し（ステップＳ１１）、セル平均電圧を演算し、演算で求めたセル平均電圧がある規定値（例えば０．８Ｖ）（基準電圧）を上回ったか否か判断する（ステップＳ１２）。ここでいう、ある規定値は、本発明の一定の値である。セル平均電圧が規定値を上回る場合（ステップＳ１２がＹＥＳの場合）は、低負荷であると判断する。そして、酸素利用率が６５％（最大値）未満か否か判断し（ステップＳ１３）、酸素利用率が６５％未満の場合（ステップＳ１３がＹＥＳの場合）は、スタック用空気３２の流量を酸素利用率が６５％になるように減少させる（ステップＳ１４）。ステップＳ１４を含む、スタック用空気３２の流量を酸素利用率が６５％になるように減少させる工程が、本発明の第３雰囲気変更工程である。これにより酸化剤極を酸素不足な雰囲気とすることができ、燃料極側が燃料不足の状態とならず、酸化剤極が高電位とならないようにし、酸化剤極と燃料極の間に大きい電位差が生じることがなく、固体高分子膜の劣化を引き起こすことを防止し、燃料電池スタック６の高い耐久性を実現することができる。なお、セル平均電圧は、電圧検出装置６８から送られる電圧信号ｉ６８を基に、制御部４が演算（スタック電圧／セル枚数）を行うことにより求められる。また、この場合、酸素利用率が５０％である場合に対応するスタック用空気３２の流量が、本発明の通常発電時の酸化剤の供給量である。

次に燃料電池スタック６の停止指令があるか否か判断され（ステップＳ１５）、指令停止があれば（ステップＳ１５がＹＥＳの場合）燃料電池スタック６の運転を終了させ（エンド）、停止指令がなければ（ステップＳ１５がＮＯの場合）ステップＳ１１に戻る。酸素利用率が６５％未満でない場合（ステップＳ１３がＮＯの場合）は、そのままステップＳ１１に戻る。

セル平均電圧が規定値を上回らない場合（ステップＳ１２がＮＯの場合）は、低負荷ではないと判断する。そして、酸素利用率が５０％未満か否か判断し（ステップＳ１６）、酸素利用率が５０％未満の場合（ステップＳ１６がＹＥＳの場合）は、スタック用空気３２の流量を酸素利用率が５０％以上になるように増加させ（ステップＳ１７）、ステップＳ１５に移行する。酸素利用率が５０％未満でない場合（ステップＳ１５がＮＯの場合）は、そのままステップＳ１１に戻る。

本実施の形態において、二方弁２５は、制御部４により開閉が制御されない逆止弁としてもよい。この場合当該逆止弁は、酸化剤極オフガス３３が酸化剤極側から燃焼排ガス排出ライン１５０へ向けて流れることを許容し、流体のこの逆の流れを遮断する本発明の遮断機構である。燃料電池スタック６の酸化剤極側にスタック用空気３２が送られ、燃料電池スタック６による発電が行われ、酸化剤極側から酸化剤極オフガス３３が排出されるときには、酸化剤極オフガス３３の流れによって当該逆止弁が開となり、酸化剤極オフガス３３が逆止弁を通過して排出される。酸化剤極側から酸化剤極オフガスが排出されない場合は、逆止弁は閉となり、逆止弁を通って酸化剤極オフガス排出ライン１３３にある流体が酸化剤極側に逆流することはない。よって、当該逆止弁によって酸化剤極側の酸素不足状態を簡易に維持することができる。この場合、前述の本第１の実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１０１の起動時の作用の説明の記載、発電停止運転方法の説明の記載、燃料電池スタック６の負荷に基づきスタック用空気の流量を制御する運転方法の説明の記載が適用され、制御部４による二方弁２５の開閉の制御に関する記述を省いたものが適用される。

さらに、二方弁２４、２８、３７、３８は、それぞれ開閉動作のみを行うことで説明してきたが、二方弁２４、２８、３７、３８は、制御部４からの制御信号（不図示）によって開度が制御され、スタック用空気３２、改質用原料４０、選択酸化用空気３０ａ、プロセス水４１の流量制御を行う制御弁であってもよい。この場合、スタック用空気ブロワ１５、改質用原料ブロワ３９、選択酸化用空気ブロワ５１、プロセス水用ポンプ３を駆動する電動モータ（不図示）は、制御部４からの制御信号により回転及び停止が制御され、一定回転数で回転する。

次に、図５を参照し、適宜図１を参照し、本第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１０１の他の発電停止運転方法を説明する。以下、前述の図２を参照して説明した発電停止運転方法との相違点を説明する。相違点は、時間ｔ３〜ｔ４の間において発生する。なお、以下の運転は制御部４の制御により行われる。また、この場合は、スタック用空気供給ライン１３２上の二方弁２４の下流側に、酸化剤極側の圧力を測定する圧力測定装置（図１に不図示）を設置し、測定された圧力信号（図１に不図示）を制御部４に送るようにする。

時間ｔ３に、スタック用空気３２の供給量を、圧力測定装置により測定された酸化剤極側の圧力が所定の正圧（例えば、２０ｋＰａＧ）になるように減少させ（例えば、流量を０．３〜０．５ｍｏｌ／ｈｒに減少）、さらに加湿水４４の加湿器１６への供給量を、スタック用空気３２の減少した供給量に対応する量まで減少させ、同時に二方弁２５を閉とする。この場合、スタック用空気３２を酸化剤極側に供給しても、３％燃料電池発電出力下において酸化剤極側で消費される全酸素量を供給できず、酸化剤極側は酸素不足な状態になる。

時間ｔ４に、リレー３４を開とし、燃料電池スタック６からの電力出力が０になった時点で、スタック用空気ブロワ１５を停止し、加湿水４４の加湿器１６への供給を停止し、二方弁２４を閉にする。二方弁２４が閉になるまで酸化剤極側の圧力は維持されるので、二方弁２４が閉になったときの、酸化剤極側の圧力は前述の所定の正圧である。

このようにすると燃料電池スタック６の発電停止後に、酸化剤極側で、残酸素の反応、温度低下による水分凝縮および圧力低下が発生しても、酸化剤極側が負圧にならず、燃料電池スタック６、固体高分子膜（図１に不図示）にストレスがかかることを避けることができ、燃料電池スタック６の耐久性を向上させることができる。さらに以上述べた他の発電停止運転方法により、前述の図２を参照して説明した発電停止運転方法と同様の効果を得ることができる。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム２０１の構成を示すブロック図である。
燃料電池システムとしての燃料電池コージェネレーションシステム２０１の、燃料電池コージェネレーションシステム１０１（図１）との構成上の相違を説明する。燃料電池コージェネレーションシステム２０１は、図１でスタック用空気供給ライン１３２上に設置された遮断機構としての二方弁２４と、図１で酸化剤極オフガス排出ライン１３３上に設置された遮断機構としての二方弁２５とを共に備えていない。本実施の形態ではスタック用空気ブロワ１５は、停止した状態で、遮断機能を有するため（例えば、ダイヤフラム式ブロワ）、スタック空気用ブロワ１５を通る流れは発生しない。よって、スタック用空気ブロワ１５は、本発明の導入遮断機構である。酸化剤極オフガス排出ライン１３３は十分に長く（例えば、２０Ｄ（Ｄは直径が例えば１０ｍｍのとき））、燃料電池スタック６の停止時に、酸化剤極側への外気および燃焼排ガス５０の吸い込みはない。よって、酸化剤極オフガス排出ライン１３３は、本発明の排出遮断機構である。燃料電池コージェネレーションシステム２０１のその他の構成は、前述の燃料電池コージェネレーションシステム１０１の構成と同じである。

本実施の形態では、スタック用空気３２が供給されるか否かは、スタック用空気ブロワ１５が回転するか否かによってのみ制御される。すなわちスタック用空気ブロワ１５が回転しているときは、スタック用空気ブロワ１５によってスタック用空気３２が酸化剤極側に供給されるが、スタック用空気ブロワ１５が停止しているときは、スタック用空気ブロワ１５の遮断機能によってスタック用空気３２は酸化剤極側に供給されない。

本実施の形態では酸化剤極側へスタック用空気３２が供給されるときは、燃料電池スタック６によって発電が行われるときであり、酸化剤極オフガス３３が酸化剤極側から酸化剤極オフガス排出ライン１３３を通って排出される。一方、酸化剤極側へスタック用空気３２が供給されないときは、燃料電池スタック６によって発電が行われないときであり、酸化剤極オフガス３３は排出されない。燃料電池スタック６によって発電が行われないときは、燃焼排ガス排出ライン１５０の圧力は常に大気圧以下であり、かつ酸化剤極オフガス排出ライン１３３が十分に長いので、燃焼排ガス排出ライン１５０内の燃焼排ガス５０が酸化剤極オフガス排出ライン１３３を通って酸化剤極側に供給されることはなく、酸素を含む外気が燃焼排ガス排出ライン１５０および酸化剤極オフガス排出ライン１３３を通って酸化剤極側に供給されることはない。

よって、本実施の形態では簡易な構成で第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。なお、本第２の実施の形態には、前述の第１の実施の形態の起動時の作用の説明の記載、発電停止運転方法の説明の記載、燃料電池スタック６の負荷に基づきスタック用空気の流量を制御する運転方法の説明の記載が適用され、制御部４による二方弁２４、２５の開閉の制御に関する記述を省いたものが適用される。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池コージェネレーションシステムの発電停止運転方法を時間の経過順に説明するチャートである。 図１の燃料電池コージェネレーションシステムの負荷に基づきスタック用空気の流量を制御する運転方法を説明するロジック図である。 図１の燃料電池コージェネレーションシステムの負荷に基づきスタック用空気の流量を制御する他の運転方法を説明するロジック図である。 図１の燃料電池コージェネレーションシステムの他の発電停止運転方法を時間の経過順に説明するチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 燃料処理装置
４ 制御部
６ 燃料電池スタック
７ パワーコンディショナー
１８ 改質部
２１ 三方切替弁
２３ａ 二方弁
２４、２５ 二方弁（遮断機構）
２７、２７ａ、２８、３７、３８ 二方弁
３０ 燃焼用空気
３０ａ 選択酸化用空気
３１ 燃焼用燃料
３２ スタック用空気（酸化剤）
３３ 酸化剤極オフガス
４０ 改質用原料（燃料）
４１ プロセス水
４２ 改質ガス
４３ 燃料極オフガス
４４ 加湿水
１０１、２０１ 燃料電池コージェネレーションシステム（燃料電池システム）
１３２ スタック用空気供給ライン（導入ライン）
１３３ 酸化剤極オフガス排出ライン（排出ライン）

Claims (8)

1. 水素リッチな燃料を燃料電池スタックの燃料極側に導入し、酸化剤を前記燃料電池スタックの酸化剤極側に導入し、前記燃料電池スタックによって発電を行う発電工程と；
   前記燃料極側を水素リッチな雰囲気に維持する第１雰囲気維持工程と；
   前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第１雰囲気変更工程の後に、前記燃料電池スタックによる発電を停止させる停止工程とを備え；
   前記第１雰囲気維持工程が、前記第１雰囲気変更工程および前記停止工程と同時に行われる；
   燃料電池スタックの運転方法。
2. 前記第１雰囲気維持工程が、前記燃料極側への前記燃料の導入を維持することにより行われ；
   前記第１雰囲気変更工程が、前記酸化剤極側への前記酸化剤の導入を停止し、前記燃料電池スタックから電力を出力することにより行われる；
   請求項１に記載の燃料電池スタックの運転方法。
3. 前記停止工程の後から次回の前記発電工程が開始されるまでの間、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気に維持する第２雰囲気維持工程を備え；
   前記次回の発電工程が、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気に維持した状態で前記燃料極側への前記燃料の導入を開始し、その後、前記酸化剤極側への前記酸化剤の導入を開始し、前記燃料電池スタックによる発電を開始する工程を含む；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタックの運転方法。
4. 前記停止工程の後に、前記酸化剤極側へ導入される流れを遮断する導入遮断工程を備え；
   前記第１雰囲気維持工程が、前記燃料極側への前記燃料の導入を維持することにより行われ；
   前記第１雰囲気変更工程が、前記酸化剤極側から排出される流れを遮断し、前記酸化剤極側への酸化剤の導入を継続して前記酸化剤極側の圧力を正圧に保ちながら、前記燃料電池スタックから電力を出力することにより行われる；
   請求項１に記載の燃料電池スタックの運転方法。
5. 水素リッチな燃料を燃料電池スタックの燃料極側に導入し、酸化剤を前記燃料電池スタックの酸化剤極側に導入し、前記燃料電池スタックによって発電を行う発電工程を備え；
   前記発電工程が、部分負荷時あるいは無負荷時に、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第２雰囲気変更工程を含む；
   燃料電池スタックの運転方法。
6. 水素リッチな燃料を燃料電池スタックの燃料極側に導入し、酸化剤を前記燃料電池スタックの酸化剤極側に導入し、前記燃料電池スタックによって発電を行う発電工程を備え；
   前記発電工程が、前記燃料電池スタックのセル平均電圧が一定の値を上回ったときに、前記酸化剤の供給量を通常発電時よりも減少させて、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にする第３雰囲気変更工程を含む；
   燃料電池スタックの運転方法。
7. 水素リッチな燃料を燃料極側に導入し、酸化剤を酸化剤極側に導入し、前記燃料と前記酸化剤とを用いて発電を行う燃料電池スタックと；
   前記酸化剤極側から排出される流れを遮断する排出遮断機構と；
   前記排出遮断機構を作動させ、前記酸化剤極側を酸素不足な雰囲気にした後に、前記燃料電池スタックの発電を停止させる制御部とを備える；
   燃料電池システム。
8. 前記酸化剤極側へ導入される流れを遮断する導入遮断機構を備え；
   前記制御部が、前記燃料電池スタックの発電を停止させた後に、前記導入遮断機構を作動させる；
   請求項７に記載の燃料電池システム。

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