JP2005294127A

JP2005294127A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2005294127A
Application number: JP2004109414A
Authority: JP
Inventors: Keisen So; 慶泉蘇; Masaki Ando; 正樹安藤; Toshihiro Horie; 俊博堀江; Mitsuo Okada; 光生岡田
Original assignee: Ebara Ballard Corp
Current assignee: Ebara Ballard Corp
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】運転を停止する際にパージしなくても燃料処理装置の触媒の劣化及び燃料電池の電極材料の劣化が少ない燃料電池発電システムを提供すること。
【解決手段】原料燃料ｍを改質して改質ガスｒを生成する改質部４と；改質ガスｒを導入し、改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスｇを生成する一酸化炭素低減部６と；一酸化炭素低減ガスｇと酸化剤ガスｔとの反応により発電する燃料電池１３０と；消費されなかった一酸化炭素低減ガスｇを含むアノードオフガスｐを燃料極１３１から導出し、閉止手段２９を有するアノードオフガス導出流路１９と；原料燃料停止手段の下流側又は改質剤停止手段の下流側であって、かつアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９の上流側であるプロセスガス系内に外気ａ１を導入するように配置され、閉止手段２８を有する外気導入流路１８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池発電システムに関し、特に運転を停止する際にパージしなくても燃料処理装置の触媒の劣化及び燃料電池の電極材料の劣化が少ない燃料電池発電システムに関するものである。

近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、発電効率が高く、排熱も利用でき、他の発電装置と比べると低騒音・低振動で環境にやさしい燃料電池発電システムの普及が期待されている。燃料電池発電システムは、原料燃料が都市ガス・ＬＰＧ・消化ガス・メタノール・ＧＴＬ・灯油等の場合は原料燃料を改質して水素に富む一酸化炭素低減ガスを生成する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された一酸化炭素低減ガスを燃料極に供給すると共に空気等の酸素を含む酸化剤ガスを空気極に供給して水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池とを備えている。

ところで、燃料電池発電システムは運転を停止する際に、例えば、窒素等の不活性ガスをパージガスとして、または原料燃料が気体の場合には原料燃料をパージガスとして用いて燃料処理装置内及び燃料電池内をパージして閉止することがあった（例えば、特許文献１参照）。このパージにより、燃料処理装置は残留水蒸気が冷えて凝縮し再起動時に凝縮水が気化・体積膨張することによる内部の多孔質触媒の破損から保護され、燃料電池は空気の混入による燃料極及び／又は空気極の電極材料の酸化・劣化から保護されていた。
特開２００３−２８８９３０号公報（第６−７頁、第１−３図）

しかしながら、窒素等の不活性ガスをパージガスとして用いる方式は、パージガスの管理や補充等のメンテナンスが必要となり、装置も大型化する。そうすると、特に発電規模が２０ｋＷ程度以下と小規模であってＤＳＳ運転（１日に１回以上の起動停止を行う運転）で運用される燃料電池発電システムを、いわゆる分散発電設備として広くオフィスビル、店舗や家庭に分散設置することが現実的ではなくなる。また、原料燃料をパージガスとして用いる方式は、原料燃料が都市ガス等の気体燃料の場合は用いることができるが、原料燃料が灯油等の液体燃料の場合は用いることができず、実用上問題を抱えていた。さらに、燃料電池発電システムの停止時に不活性ガスや原料ガス等のパージガスで燃料電池をパージしてから系内を密閉しても、その後の燃料電池本体の温度低下に伴って燃料電池の内部が封入気体の体積収縮により負圧になったとき、燃料電池の気密性が高い場合は固体高分子型燃料電池内部のイオン交換膜が損傷を受け、燃料電池の気密性が低い場合は燃料電池外部から空気が燃料極に入り込むので電極触媒や触媒担体が劣化することがあった。

そこで本発明は、運転を停止する際にパージしなくても燃料処理装置の触媒の劣化及び燃料電池の電極材料の劣化が少ない燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、原料燃料ｍと改質剤ｓとを導入し、原料燃料ｍを改質して改質ガスｒを生成する改質部４と；改質部４で改質された改質ガスｒを導入し、改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスｇを生成する一酸化炭素低減部６と；一酸化炭素低減ガスｇを導入する燃料極１３１と、酸化剤ガスｔを導入する空気極１３２とを有し、一酸化炭素低減ガスｇと酸化剤ガスｔとの反応により発電する燃料電池１３０と；一酸化炭素低減ガスｇと酸化剤ガスｔとの反応で消費されなかった一酸化炭素低減ガスｇを含むアノードオフガスｐを燃料極１３１から導出し、閉止手段２９を有するアノードオフガス導出流路１９と；改質部４への原料燃料ｍの導入を停止する原料燃料停止手段の下流側又は改質部４への改質剤ｓの導入を停止する改質剤停止手段の下流側であって、かつアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９の上流側であるプロセスガス系内に外気ａ１を導入するように配置され、閉止手段２８を有する外気導入流路１８とを備える。

このように構成すると、燃料電池発電システムの運転を停止し、燃料電池が冷えても燃料極の真空化が起こりにくく、また燃料電池発電システム全体が冷えてプロセスガス系内の圧力が低下したときにプロセスガス系内に外気を導入することにより、プロセスガス系内の水蒸気分圧を下げて水蒸気の凝縮を発生しにくくすると共にプロセスガス系内の真空化を許容範囲内に抑制して燃料極からの外気の侵入を防ぐことができるので、運転を停止する際にパージしなくても燃料処理装置の触媒の劣化及び燃料電池の電極材料の劣化が少ない燃料電池発電システムを提供することができる。ここで「許容範囲」とは、典型的には、プロセスガス系内の圧力が外気の圧力より低くても燃料極から外気が侵入してくることがない程度の真空である。また、ガス保有体積が比較的大きい改質部や一酸化炭素低減部が燃料電池と連通しているので、断熱・保温条件により改質部や一酸化炭素低減部が燃料電池に比べて冷えにくい場合は、燃料電池内部の圧力が低下しにくい。

なお、本明細書において、「プロセスガス系統」とは典型的には原料燃料を改質して燃料電池の燃料極に導入しアノードオフガスを導出する系統であって、原料燃料供給装置・改質剤供給装置・改質部・一酸化炭素低減部・燃料電池の燃料極・アノードオフガス導出流路及びこれらを有機的に接続する流路をいい、「プロセスガス系内」とは典型的にはプロセスガス系統の、改質部への原料燃料の導入を停止する原料燃料停止手段の下流側又は改質部への改質剤の導入を停止する改質剤停止手段の下流側で、かつアノードオフガス導出流路の閉止手段の上流側であって、原料燃料停止手段・改質剤停止手段・アノードオフガス導出流路の閉止手段のすべてが閉止したときに略密閉になる系内をいう。このとき流体は、例えば図１において、原料燃料供給装置から燃料電池の方向へ流れる。したがって、例えば図１に示すプロセスガス系統においては、原料燃料供給装置側が上流、燃料電池側が下流となる。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、一酸化炭素低減部６は、改質ガスｒを導入し改質ガスｒを変成して変成ガスｈを生成する変成部７と、変成ガスｈを導入し変成ガスｈ中の一酸化炭素を酸化し除去して一酸化炭素低減ガスｇを生成する選択酸化部８とを含んで構成され；変成部７に又は前記変成部７より上流側に外気ａ１を導入するように外気導入流路１８が配置される。

このように構成すると、プロセスガス系内の外気を導入する箇所と燃料電池の燃料極との間隔を確保することができ、燃料電池の燃料極に空気中の酸素が入り込むことを確実に防ぐことができる。すなわち、プロセスガス系内の圧力が大気圧より低くなる場合は、一般的に気密性に劣る燃料電池には外気が入り込むように作用するが、変成部又は変成部より上流側のプロセスガス系内に積極的に外気を導入することにより、特に燃料電池の燃料極に外部から空気を介して酸素が入り込むことを防ぐことができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、アノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９の開閉動作と外気導入流路１８の閉止手段２８の開閉動作とを制御する制御装置３０であって、改質部４への原料燃料ｍの導入と改質剤ｓの導入とを停止するのと略同時にアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９を閉とし、改質部４への原料燃料ｍの導入と改質剤ｓの導入とを停止した後の所定時間経過後に外気導入流路１８の閉止手段２８を開とするように構成された制御装置３０を備える。

このように構成すると、所定時間経過後にプロセスガス系内の略密閉状態が解除されるので、燃料電池発電システムの停止直後におけるプロセスガス系内のガスの排出を防止すると共に、プロセスガス系内の、水蒸気の凝縮を発生しにくくすると共に真空化を防止することができる。

また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、改質部４への原料燃料ｍの導入を停止する原料燃料停止手段の下流側又は改質部４への改質剤ｓの導入を停止する改質剤停止手段の下流側であって、かつアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９の上流側であるプロセスガス系内の圧力を検出する圧力検出手段３１と；圧力検出手段３１により検出されるプロセスガス系内の圧力と第１の所定の圧力との比較に基づいて外気導入流路１８の閉止手段２８の開閉動作を制御する制御装置３０とを備え；圧力検出手段３１により検出されるプロセスガス系内の圧力が前記第１の所定の圧力以下のときに外気導入流路１８の閉止手段２８を開とするように構成される。

このように構成すると、プロセスガス系内の圧力が第１の所定の圧力以下になったときに外気が導入されるので、外気を導入するタイミングが早すぎて、燃料電池発電システムの運転を停止した直後の残熱で圧力が上昇しつつあるプロセスガス系内のガスを排出してしまうためにプロセスガス系内の真空化を早めたり、逆に外気を導入するタイミングが遅すぎてプロセスガス系内の特に燃料処理装置内に結露水が発生したり、燃料電池の燃料極に空気を介して酸素が入り込んだりすることを防ぐことができる。ここで、第１の所定の圧力は、典型的には、比較的密閉度が低い燃料電池の燃料極から外気が入り込み始める圧力よりも高い圧力である。

また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項３又は請求項４に記載の燃料電池発電システムにおいて、改質部４への原料燃料ｍの導入を停止する原料燃料停止手段の下流側又は改質部４への改質剤ｓの導入を停止する改質剤停止手段の下流側であって、かつアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９の上流側であるプロセスガス系内の圧力を検出する圧力検出手段３１と；圧力検出手段３１により検出されるプロセスガス系内の圧力と第２の所定の圧力との比較に基づいて外気導入流路１８の閉止手段２８の開閉動作を制御する制御装置３０とを備え；圧力検出手段３１により検出されるプロセスガス系内の圧力が前記第２の所定の圧力以上のときに外気導入流路１８の閉止手段２８を閉とするように構成される。ここで、第２の所定の圧力は、典型的には、第１の所定の圧力よりも高い圧力であって、大気圧以下の圧力である。

このように構成すると、プロセスガス系内の圧力が所定の圧力幅にあるとき、すなわち第１の所定の圧力と第２の所定の圧力の間にあるときに外気が導入されるので、プロセスガス系内への外気の導入を最小限に抑制することができる。

また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、改質部４への原料燃料ｍの導入を停止する原料燃料停止手段の下流側又は改質部４への改質剤ｓの導入を停止する改質剤停止手段の下流側であって、かつアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９の上流側であるプロセスガス系内の圧力を検出する圧力検出手段３１と；圧力検出手段３１により検出されるプロセスガス系内の圧力と第３の所定の圧力及び第４の所定の圧力との比較に基づいてアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９の開閉動作を制御する制御装置３０とを備え；圧力検出手段３１により検出されるプロセスガス系内の圧力が、第３の所定の圧力以上のときにアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９を開とし、第４の所定の圧力以下のときにアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９を閉とするように構成される。ここで、第３の所定の圧力は、典型的には、プロセスガス系内に含まれる燃料極１３１と、空気極１３２との差圧により電解質膜が破損するに至る圧力よりも低い圧力であり、第４の所定の圧力は、第３の所定の圧力よりも低い圧力である。

このように構成すると、燃料電池発電システムの運転を停止した直後の残熱でプロセスガス系内の圧力が第３の所定の圧力まで上がるとアノードオフガス導出流路の閉止手段を開とし、プロセスガス系内の圧力が第４の所定の圧力まで下がったときにアノードオフガス導出流路の閉止手段を閉とするので、プロセスガス系内の圧力が上昇しすぎるのを防ぎつつ、プロセスガス系内のガスの排出を最小限に抑制することができる。

また、請求項７に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて；制御装置３０により開閉動作を制御され、第３の所定の圧力以上のときに開とされ、第４の所定の圧力以下のときに閉とされるアノードオフガス導出流路１９の閉止手段２９に代えて、制御装置３０により開閉動作を制御され、第３の所定の圧力以上のときに開とされ、第４の所定の圧力以下のときに閉とされる外気導入流路１８の閉止手段２８を備える。ここで、第３の所定の圧力は、典型的には、プロセスガス系内に含まれる燃料極１３１と、空気極１３２との差圧により電解質膜が破損するに至る圧力よりも低い圧力であり、第４の所定の圧力は、第３の所定の圧力よりも低い圧力である。

このように構成すると、燃料電池発電システムの運転を停止した直後の残熱でプロセスガス系内の圧力が第３の所定の圧力まで上がると外気導入流路の閉止手段を開とし、プロセスガス系内の圧力が第４の所定の圧力まで下がったときに外気導入流路の閉止手段を閉とするので、プロセスガス系内の圧力が上昇しすぎるのを防ぎつつ、プロセスガス系内のガスの排出を最小限に抑制することができる。

また、請求項８に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部６の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知手段３２と；一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部温度検知手段３２によって検知される温度に応じて電気を入切する電気ヒータ３５とを備える。

このように構成すると、一酸化炭素低減部を中心としたプロセスガス系内のガスの温度を露点温度以下に下げないようにすることが可能となり、燃料処理装置内に結露水が発生することを防止しつつプロセスガス系内の真空化を遅延又は回避させることができる。

また、請求項９に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、一酸化炭素低減部６（例えば図１参照）は、銅を含有する一酸化炭素低減触媒を備える。

このように構成すると、プロセスガス系内の真空化防止のために導入した外気中の酸素が銅と反応して酸化銅が生成されるため、外気中の酸素が燃料電池の燃料極に入り込むことを軽減することができる。なお、酸化銅となった一酸化炭素低減触媒は、典型的には、次に燃料電池発電システムが起動したときに還元されて元の銅を含有する一酸化炭素低減触媒に戻る。

上記のような構成としたので、燃料電池発電システムの運転を停止し、燃料電池が冷えても燃料極の真空化が起こりにくく、また燃料電池発電システム全体が冷えてプロセスガス系内の圧力が低下したときにプロセスガス系内に外気を導入することにより、プロセスガス系内の水蒸気分圧を下げて水蒸気の凝縮を発生しにくくすると共にプロセスガス系内の真空化を許容範囲内に抑制して燃料極からの外気の侵入を防ぐことができるので、運転を停止する際にパージしなくても燃料処理装置の触媒の劣化及び燃料電池の電極材料の劣化が少ない燃料電池発電システムを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１中、破線は制御信号を表す。

図１は、本発明の第１の実施の形態である燃料電池発電システム１００を説明するブロック図である。燃料電池発電システム１００は、図２で詳細に構成を説明する燃料処理装置１２０と、燃料処理装置１２０によって生成される一酸化炭素低減ガスｇと酸化剤ガスｔとの電気化学的反応により発電する燃料電池１３０と、制御装置３０とを備える。制御装置３０は、原料燃料ｍ及び改質剤ｓの改質部４への導入、外気導入流路１８に設けられた閉止バルブ２８の開閉、アノードオフガス導出流路１９に設けられた開閉バルブ２９の開閉、電気ヒータ３５の電気の入切等を制御する。

燃料処理装置１２０は原料燃料ｍと改質剤ｓとを導入して原料燃料ｍを改質し、水素に富む改質ガスｒを生成する改質部４と、改質部４を加熱する燃焼部５と、改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスｇを水素に富む燃料ガスとして生成する一酸化炭素低減部６とを備えている。燃料処理装置１２０は、さらに、プロセスガス系内に外気ａ１を導入可能に取り付けられる外気導入流路１８と、プロセスガス系内の圧力を検出可能なように取り付けられる圧力検出器３１と、一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部６の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知手段としての温度測定器３２と、一酸化炭素低減部６に取り付けられ、温度測定器３２によって検知される温度に応じて電気を入切する電気ヒータ３５とを備える。

改質部４へは、原料燃料ｍ及び改質剤ｓがそれぞれ原料燃料供給装置１及び改質剤供給装置２により導入される。原料燃料供給装置１は、都市ガス・ＬＰＧ・消化ガス・メタノール・ＧＴＬ・灯油等の原料燃料ｍを改質部４へ供給するように構成されており、原料燃料ｍを貯蔵するタンクを備えていてもよい。原料燃料供給装置１には原料燃料停止手段としての原料燃料停止バルブが内蔵されている。原料燃料停止バルブは原料燃料供給装置１と改質部４とを連通する原料燃料導入流路１３に設けられていてもよい。改質剤供給装置２は、改質用水または空気である改質剤ｓを改質部４へ供給するように構成されている。改質剤供給装置２には改質剤停止バルブが内蔵されている。改質剤停止手段としての改質剤停止バルブは改質剤供給装置２と改質部４とを連通する改質剤導入流路１２に設けられていてもよい。なお、本実施の形態では原料燃料供給装置１及び改質剤供給装置２は燃料電池発電システムの外部にあるが、両方又はいずれか一方を燃料電池発電システム内に備えていてもよい。

改質部４は、原料燃料ｍと改質剤ｓとを導入し、改質反応により水素に富む改質ガスｒを生成するように構成されている。改質反応は、高温下において改質触媒（不図示）により原料燃料ｍ中の炭化水素と水分とから、水素と二酸化炭素、一酸化炭素を生成する反応である。改質反応は吸熱反応であり、改質反応のためには外部から熱が供給される必要がある。改質部４は、改質触媒を収容した略円筒形状とするのが、強度的にも製造上も好適である。ただし、高温に保つために、その内部に後述する燃焼部５が配置されているとよい。

燃焼部５は、灯油、都市ガス、ＬＰＧなどの原料燃料ｍ、あるいは燃料電池１３０のアノードオフガスｐと多種の燃料に対応できるバーナーノズルを有している。あるいはそれぞれ異なるバーナーノズルを有していてもよい。燃焼部５は、定常運転時には、燃料電池１３０のアノードのオフガスであるアノードオフガスｐを燃料として燃焼空気供給部から供給される燃焼空気ａ２と共に燃焼させて、改質部４を加熱するように構成されている。原料燃料ｍが灯油などの液体であるときに備え、好適には気化器を有している。燃焼部５は、改質部４を加熱する装置であるので、改質部４と一体で形成されることが好ましく、改質部４の中央に配置され、燃焼部５で燃焼することにより周囲の改質部４を加熱する構成としてもよいし、燃焼部５で燃焼した高温ガスが改質部４の周囲に流れ改質部４を加熱する構成としてもよく、改質部４を加熱することができればどのような構成であってもよい。なお、典型的には、燃焼部５は、原料燃料ｍを燃料として、または一酸化炭素が充分に減じられずに一酸化炭素低減部６から送出される燃焼用ガス（不図示）を燃料として、燃焼空気ａ２と共に燃焼させて改質部４を加熱するように構成されている。

一酸化炭素低減部６は、図２で後述するように、改質ガスｒ中の一酸化炭素を変成する変成触媒を充填した変成触媒充填層７２、７４（図２参照）を有する変成部７と、改質ガスｒ中の一酸化炭素を除去する選択酸化触媒を充填した選択酸化触媒充填層８２（図２参照）を有する選択酸化部８とを含んで構成されている。変成部７は、一酸化炭素低減部６の前段部として、改質ガスｒ中の一酸化炭素を改質ガスｒ中の水分との変成反応により二酸化炭素と水素を生成するように構成されている。ここで、変成部７により改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減したガスを、特に断りのない限り変成ガスという。変成触媒充填層７４（図２参照）には、導入される外気中の酸素と反応して酸化銅が生成されるように、銅を含有する変成触媒であるＣｕ−Ｚｎ系変成触媒が用いられている。選択酸化部８は、一酸化炭素低減部６の後段部として、変成ガス中の一酸化炭素を外部から供給される空気中の酸素との一酸化炭素選択酸化反応により、さらに低減・除去するように構成されている。ここで、変成部７により改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減した変成ガス及び選択酸化部８により変成ガス中の一酸化炭素をさらに低減・除去した選択酸化ガスを、特に断りのない限り広義に一酸化炭素低減ガスｇといい、本実施の形態では、燃料電池１３０等の燃料ガスとして用いていることとしている。

燃料電池１３０として、例えば固体高分子形燃料電池を用いると、燃料ガス中の一酸化炭素により、燃料極１３１のプラチナＰｔ触媒が被毒し、発電効率の低下が起こるという問題がある。そこで、一酸化炭素に対する選択酸化性が高い選択酸化触媒を用いて、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化するのである。なお、本実施の形態では、燃料処理装置１２０は変成部７と選択酸化部８とを備え、一酸化炭素を除去または一酸化炭素濃度を低減しているが、いずれか一つだけを備える構成としても、一酸化炭素を除去または一酸化炭素濃度を低減することができればよい。ただし、変成部７と選択酸化部８とを備えることにより、変成部７で一酸化炭素濃度が低減すると共に燃料としての水素濃度が高められ、さらに選択酸化部８で一酸化炭素濃度が充分に低下させられるので、好適である。

外気導入流路１８は、改質部４と一酸化炭素低減部６との連通部に接続され、プロセスガス系内に外気ａ１が導入されるように又はプロセスガス系内のガスを排出することが可能なように構成されている。外気導入流路１８には外気ａ１の流入・閉止が切替え可能な外気導入流路閉止手段である閉止バルブ２８が設けられている。閉止バルブ２８と制御装置３０との間には信号ケーブルが配線されている。閉止バルブ２８は、制御装置３０からの指示信号ｉ４を受信することにより、制御装置３０からの命令に応じた開閉動作が可能なように構成されている。なお、外気導入流路１８による外気ａ１の導入箇所は、プロセスガス系内であれば改質部４と一酸化炭素低減部６との連通部以外でもよいが、燃料電池１３０の燃料極１３１及び／又は空気極１３２の電極材料の酸化による劣化を防止する観点から、燃料極１３１から離れた位置が好ましい。すなわち、外気ａ１を燃料極１３１から離れた箇所に導入することにより、燃料極１３１の電極材料の劣化を防ぎ、燃料極１３１と外部電気回路で接続された空気極１３２の電極材料の劣化も防ぐのが好ましい。具体的には、外気ａ１の導入箇所は、一酸化炭素低減部６または一酸化炭素低減部６より上流側が好ましく、一酸化炭素低減部６内の変成部７または変成部７より上流側がより好ましい。

圧力検出器３１は、プロセスガス系内の圧力を検出可能なように外気導入流路１８に設けられている。圧力検出器３１と制御装置３０との間には、圧力検出器３１で検出した圧力を圧力信号ｉ３として制御装置３０に伝達する信号ケーブルが配線されている。圧力検出器３１は圧力信号ｉ３を信号ケーブルを介して制御装置３０に送信するように構成されている。なお、圧力検出器３１の設置位置は、プロセスガス系内の圧力を検出することができる原料燃料停止バルブの下流側または改質剤停止バルブの下流側であってアノードオフガス導出流路開閉バルブ２９の上流側であればよく、外気導入流路１８以外の一酸化炭素低減ガス導出流路等に設けてもよい。

温度測定器３２は、熱電対、サーミスタ、赤外式温度計等を用い、典型的には選択酸化触媒充填層８２（図２参照）の温度を検知するように取り付けられている。温度測定器３２と制御装置３０との間には、温度測定器３２で検知した温度を温度信号ｉ６として制御装置３０に伝達する信号ケーブルが配線されている。温度測定器３２は温度信号ｉ６を信号ケーブルを介して制御装置３０に送信するように構成されている。

電気ヒータ３５は、例えば、抵抗率が大きく、融点が高く、酸化しにくい抵抗線に電流を通し、電気エネルギーを熱エネルギーに変えてその発熱を利用し、典型的には変成触媒充填層７２、７４（図２参照）を加熱するように取り付けられている。電気ヒータ３５には、温度信号ｉ６に基づいて制御装置３０から送信される電気ヒータ通電信号ｉ５を伝達する信号ケーブルが配線され、電気ヒータ３５は、当該電気ヒータ通電信号ｉ５を受信し、電気を入切するように構成されている。

燃料電池１３０は、水素に富む燃料ガスである一酸化炭素低減ガスｇが導入される燃料極（アノード）１３１と酸化剤ガスｔが導入される空気極（カソード）１３２と水素イオンが通過する電解質膜（不図示）とを備えている。燃料極１３１は、水素を電子と水素イオンに分解する燃料極触媒を有している。空気極１３２は、水素イオンと酸素と電子とを結合して水を生成する空気極触媒を有している。燃料極１３１と空気極１３２との間には、電子が通過し電流が流れる外部電気回路が設けられている。電解質膜は、燃料電池１３０が固体高分子型燃料電池の場合には固体高分子膜が用いられる。固体高分子膜は典型的には水素イオンが通過可能なイオン交換膜であるが、燃料極１３１の一酸化炭素低減ガスｇの圧力よりも空気極１３２の酸化剤ガスｔの圧力が高い場合は、空気極１３２の酸化剤ガスｔが固体高分子膜を通過して燃料極１３１に達することがある。なお、固体高分子膜の機械的強度は、典型的には、約０．１ＭＰａの差圧に耐え得る程度である。

アノードオフガス導出流路１９は、燃料電池１３０の燃料極１３１に接続されている。アノードオフガス導出流路１９は、燃料電池１３０の発電作用に消費されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼部５を経てプロセスガス系外へ導出するように構成されている。また、アノードオフガス導出流路１９は、アノードオフガスｐの導出・閉止を切替え可能なアノードオフガス導出流路の閉止手段としての開閉バルブ２９が設けられている。開閉バルブ２９と制御装置３０との間には信号ケーブルが配線されている。開閉バルブ２９は、制御装置３０からの指示信号ｉ８を受信することにより、制御装置３０からの命令に応じた開閉動作が可能なように構成されている。

制御装置３０は、制御信号ｉ１により原料燃料供給装置１の発停を行い、制御信号ｉ２により改質剤供給装置２の発停を行うように構成されている。また、圧力信号ｉ３に基づき外気導入流路の閉止バルブ２８にバルブ開閉信号ｉ４を、温度信号ｉ６に基づき電気ヒータ３５に電気ヒータ通電信号ｉ５を、原料燃料ｍ及び改質剤ｓの導入停止の際にアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９にバルブ開閉信号ｉ８をそれぞれ送信するように構成されている。さらに、制御信号ｉ９により燃料電池発電システム１００を構成する各部分の制御も行うように構成されている。なお、制御装置３０はタイマー３３を有しており、原料燃料ｍ及び改質剤ｓの導入を停止した後の所定時間経過後に外気導入流路１８の閉止バルブ２８に開信号ｉ４を送り、閉止バルブ２８を開とするように構成されている。

図２は本発明の第１の実施の形態である燃料電池発電システム１００を構成する燃料処理装置１２０の縦断面図であり、特に改質部４、燃焼部５、一酸化炭素低減部６の構成を示す部分縦断面図である。

改質部４は、略円筒形状に形成された改質部内側円筒体４１と、改質部内側円筒体４１の外側に間隔をあけて改質部内側円筒体４１と同軸に配置された改質部外側円筒体４２と、改質部内側円筒体４１と改質部外側円筒体４２とによって画成された改質触媒充填層４３とを含んで構成されている。改質触媒充填層４３は、当該画成された空間に、略円環体状に改質触媒が充填されている。改質触媒充填層４３に充填される改質触媒は、改質反応を促進するものであれば何でもよく、例えば触媒の種類としてＮｉ系改質触媒やＲｕ系改質触媒などが用いられる。また、改質触媒の形状は、効率的に反応を行うために粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。

燃焼部５は、改質部内側円筒体４１と同軸に配置され、供給される燃料を燃焼させるバーナー５１と、バーナー５１と同軸に配置された燃焼円筒体５２と、燃焼円筒体５２によって周壁が形成される燃焼室５３と、燃焼円筒体５２と改質部内側円筒体４１とによって画成される燃焼ガス流路５４とを含んで構成されている。

一酸化炭素低減部６は、上述したように変成部７と選択酸化部８とを含んで構成されている。本実施の形態では、変成部７は、略円柱状に形成された第１変成触媒充填層７２を収容した第１変成部円筒体７１と、第２変成触媒充填層７４を収容した第２変成部円筒体７３とを含んで構成されている。第１変成部円筒体７１、第１変成触媒充填層７２、第２変成部円筒体７３及び第２変成触媒充填層７４は、共に改質部内側円筒体４１等と略同軸に配置されている。

また、一酸化炭素低減部６は、第１変成触媒充填層７２が配置されている側、すなわち第１変成部円筒体上面７５側で連結流通管１６を介して改質部４に接続されている。第１変成部円筒体上面７５と第１変成触媒充填層７２の間隙には、ガス分散板２０２が配設されている。ガス分散板２０２は、連結流通管１６から流れてくる改質ガスが均一に第１変成触媒充填層７２に流れるように多孔板が用いられる。第２変成部円筒体７３の第１変成部円筒体上面７５と反対側の面には、第２変成部円筒体底面７６が配設されている。

さらに、第２変成部円筒体７３、第２変成触媒充填層７４の円形部の半径は、第２変成部円筒体７３の外周に沿って次に説明する選択酸化部８が配置されているため、第１変成部円筒体７１、第１変成触媒充填層７２に比べてやや短くなっている。

第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４にはそれぞれ第１変成触媒、第２変成触媒が充填されている。第１変成触媒充填層７２に用いる第１変成触媒としては、例えばＦｅ−Ｃｒ系の高温変成触媒やＰｔ系の中高温変成触媒などがある。第２変成触媒充填層７４に用いる第２変成触媒としては、例えばＣｕ−Ｚｎ系低温変成触媒やＰｔ系低温変成触媒などがあるが、燃料極１３１及び／又は空気極１３２（図１参照）保護の観点から、導入される外気ａ１中の酸素と反応して酸化銅が生成されるようにＣｕ−Ｚｎ系低温変成触媒を用いるのが好ましい。第１変成触媒充填層７２と第２変成触媒充填層７４に用いられる触媒の形状としては、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。

選択酸化部８は、第２変成部円筒体７３の外周に沿って同軸円筒状に位置し、略円筒形状に形成された選択酸化部円筒体８１と、選択酸化部円筒体８１に収容され、略円環状に形成された選択酸化触媒充填層８２とを含んで構成されている。選択酸化部円筒体８１は、典型的には第１変成部円筒体７１と連続的に形成されており、第１変成部円筒体上面７５と反対側の面には、選択酸化部円筒体底面８３が配設されている。選択酸化部円筒体底面８３は、中央部から若干ずれた位置に、上述した一酸化炭素低減ガス導出流路１７に通じる開口部を有している。また、選択酸化部円筒体８１の選択酸化部円筒体底面８３と対向する面は、円環状バッフル板２０３によって蓋をされたように構成されている。なお、選択酸化触媒充填層８２は、典型的には選択酸化部円筒体８１とさらに内側に形成される壁とによって画成され、本実施の形態では選択酸化部円筒体８１と第２変成部円筒体７３とによって画成されている。また、選択酸化触媒充填層８２には選択酸化触媒が充填されており、選択酸化触媒充填層８２に用いる選択酸化触媒としては、ＣＯに対する選択酸化性が高いものであれば何でもよく、例えばＰｔ系選択酸化触媒、Ｒｕ系選択酸化触媒やＰｔ−Ｒｕ系選択酸化触媒などがある。選択酸化触媒充填層８２に用いられる触媒の形状として粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。なお、選択酸化触媒充填層８２は、第２変成部円筒体７３の外周以外に、第２変成触媒充填層７４の下流側に直列的に形成してもよく、この場合、装置をより簡明な構成とすることができる。

第２変成部円筒体７３の内側には、略円筒形状に形成され、第２変成部円筒体７３と軸方向を同じくする内円筒体２０５が配設されている。内円筒体２０５は、軸方向と直交する方向では、選択酸化部円筒体底面８３の一酸化炭素低減ガス導出流路１７に通じる開口部とほぼ等しい位置に配設されている。内円筒体２０５は、第２変成触媒充填層７４を貫通し、第２変成部円筒体７３内の第２変成部円筒体底面７６側と選択酸化部円筒体８１内の円環状バッフル板２０３側とを、内円筒体２０５に対して直交するように形成された管路２０６を介して接続するように構成されている。内円筒体２０５、管路２０６によって形成された空間である変成ガス流路２０７は、第２変成触媒充填層７４を通過した変成ガスを選択酸化触媒充填層８２に導入する流路として機能する。

また、選択酸化部８は、選択酸化部円筒体８１の内周面、第２変成部円筒体７３の外周面、第２変成部円筒体底面７６、選択酸化部円筒体底面８３、並びに一酸化炭素低減ガス導出流路１７の内周面によって形成される選択酸化ガス導出流路８４を備えている。選択酸化ガス導出流路８４は、選択酸化触媒充填層８２を通過した選択酸化されたガスを一酸化炭素低減ガスとして一酸化炭素低減ガス導出流路１７に導く構成となっている。一酸化炭素低減ガス導出流路１７は、燃料電池１３０（図１参照）の燃料極１３１（図１参照）に接続され、選択酸化触媒充填層８２を通過した一酸化炭素低減ガスを燃料ガスとして燃料極１３１（図１参照）に導入するように構成されている。

選択酸化用の空気を導入するための選択酸化用空気導入管２０８は、選択酸化部円筒体底面８３に一酸化炭素低減ガス導出流路１７と共に二重管状に設けられている。選択酸化用空気導入管２０８の端面であって第２変成部円筒体７３の内側に位置する端面である導入口２０９は、内円筒体２０５の端面であって選択酸化部円筒体底面８３側に位置する端面である開口部２１０の近傍に配置されている。導入口２０９は、好ましくは、開口部２１０の内側に若干挿入された態様で配置されているとよい。選択酸化用の空気の導入口２０９が、開口部２１０の近傍に設置されているので、変成部７にて変成された変成ガスと選択酸化用の空気とが適切に混合されて、選択酸化部８での選択酸化反応が効果的に進行する。このように第２変成触媒充填層７４と選択酸化触媒充填層８２を同心円状に構成すると、ガスの流れる量が多くなりがちな中心部に第２変成触媒充填層７４が位置しているので、第２変成触媒充填層７４の外周縁部に位置する選択酸化触媒充填層８２に対して改質ガスが均一に流れ、選択酸化反応が均一に進行する。そこで、選択酸化触媒充填層８２に充填される選択酸化触媒の量が最適化されると共に、温度分布も最適化される。

さらに、燃料処理装置１２０は、連結流通管１６によって連結される改質部４と一酸化炭素低減部６を一体に収容する容器２１２とを備えている。容器２１２は、略円筒形状に形成され、底面には改質剤としての改質用水を燃料処理装置１２０内に導入するための第１改質用水注入口２１３と一酸化炭素低減ガス導出流路１７とを接続するノズルが形成されている。容器２１２は、典型的には、略円筒状の改質部内側円筒体４１、第１変成部円筒体７１等に対して同軸に配設されている。容器２１２の外周及び改質部４、燃焼部５の上面には断熱層２１４が配設されており、断熱層２１４には、例えば真空断熱層が好適である。

改質部外側円筒体４２の外周、第１変成部円筒体７１の外周及び選択酸化部円筒体８１の外周（上述したように第１変成部円筒体７１と選択酸化部円筒体８１とは連続、一体に形成されている）と、容器２１２の内周との間隙には、第１改質用水流路２１５が形成されている。第１改質用水注入口２１３には、改質剤導入流路１２（図１参照）が接続されている。改質剤導入流路１２は、流量調整弁２１６と第１改質用水注入口２１３を経由して、第１改質用水流路２１５に改質用水を供給する配管である。ドレン電磁弁２１７は、起動時に開放されて第１改質用水流路２１５を改質用水又は水蒸気が逆流することを可能とし、定常運転時には閉止されて、第１改質用水流路２１５に供給された改質用水が外部に洩れないようにする。

第１改質用水流路２１５の第１改質用水注入口２１３と反対側の端部には混合室２１８が形成されている。混合室２１８は、略円環状に形成され、略円筒状の改質部内側円筒体４１、第１変成部円筒体７１等に対して同軸に配設されている。さらに、混合室２１８は、第１改質用水流路２１５、第２改質用水流路２１９、改質原料流路２２０並びに改質部入口ガス流路２２１が連通しており、定常運転時には改質用水と改質原料が供給されて、改質用水と改質原料の混合されたガスを改質部４に送出するように構成されている。

第２改質用水流路２１９は、混合室２１８と連通されるように設けられているもので、例えば円環状をしている。第２改質用水流路２１９には、分散板２２２と注入口２２３が設けられ、第２改質用水注入流路２２４に設けられた流量調整弁２２５を介して改質用水が供給される。第２改質用水注入流路２２４は、典型的には、改質剤導入流路１２（図１参照）と共通のものとするとよい。改質原料流路２２０は、混合室２１８に連通されるように設けられている円環状の流路であり、分散板２２６と注入口２２７が設けられる管路であり、注入口２２７には上述した原料燃料導入流路１３（図１参照）が接続されている。

外気導入流路１８は、第１改質用水流路２１５を貫通し、外気導入流路１８の先端が改質ガス流路４４内の改質触媒充填層４３の下流側に位置するように取り付けられている。外気導入流路１８は、燃料電池発電システム１００（図１参照）の定常運転時には閉止バルブ２８が閉となってプロセスガス系内に外気ａ１が導入されない。運転停止後に制御装置３０から閉止バルブ２８を開とする指示信号ｉ４（図１参照）を受信すると閉止バルブ２８が開となって、プロセスガス系内の圧力が外気の圧力より低い場合はプロセスガス系内に外気ａ１が導入されるように構成され、プロセスガス系内の圧力が外気の圧力より高い場合はプロセスガス系内のガスを排出することが可能なように構成されている。なお、外気導入流路１８は、前述の選択酸化用空気導入管２０８と兼用にしてもよい。この場合、燃料電池発電システムの運転中には選択酸化用の空気が導入され、停止中にはプロセスガス系内の真空化防止用の外気ａ１が導入されることとなる。ただし、燃料極１３１及び／又は空気極１３２（図１参照）の電極材料が酸化され劣化することを防止する観点から、図２に示すように別途外気導入流路１８を設けることが好ましい。

温度測定器３２は、容器２１２の底面、第１改質用水流路２１５、選択酸化ガス導出流路８４を順に貫通し、温度測定器３２の先端が選択酸化触媒充填層８２内に位置するように取り付けられている。温度測定器３２は、選択酸化触媒充填層８２の温度を測定し、上述のように温度信号ｉ６を制御装置３０に送信する。選択酸化部８は、一酸化炭素低減部６の中でも比較的低温側、典型的には、変成部７よりも相対的に低温側に配設されている。ここで、低温側とは、容器２１２内のバーナー５１から離れた側で、容器２１２の外周部付近、外気に近い側のことをいう。すなわち、選択酸化部８は、変成部７と比較して容器２１２内のバーナー５１から離れた位置で、容器２１２の外周部付近、外気に近い位置に配置される。つまり、温度測定器３２は、一酸化炭素低減部６の中でも、比較的低温となりやすい選択酸化部８の選択酸化触媒充填層８２の温度を検知するように取り付けられるのである。なお、温度測定器３２は、変成触媒充填層７２、７４の温度を検知するように設置してもよいし、複数箇所に設けてもよい。

電気ヒータ３５は、容器２１２の底面、第１改質用水流路２１５、選択酸化ガス導出流路８４、第２変成触媒充填層７４を順に貫通し、電気ヒータ３５の先端が第１変成触媒充填層７２内のガス分散板２０２付近に位置するように取り付けられている。さらに、電気ヒータ３５は、略円柱状に形成されており、第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４と同軸に配置されている。すなわち、電気ヒータ３５は、第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４の略重心付近を加熱するように構成される。ここで、略重心付近とは、第１変成触媒充填層７２・第２変成触媒充填層７４の任意の水平断面における重心及びその周辺をいう。したがって、本実施の形態では、電気ヒータ３５は、略重心付近を連ねる略軸芯を加熱するように構成される。電気ヒータ３５は、前述のように制御装置３０から電気ヒータ通電信号ｉ５を受信し、電気を入切するように構成されている。電気ヒータ３５によって第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４の略軸芯が加熱されるように構成されていることで、燃料処理装置１２０の運転が停止され電気ヒータ３５が通電される際に、熱が触媒等を伝わって一酸化炭素低減部６内を満遍なく温めることができ、温度分布が最適化される。なお、第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４が略円筒形状ではなく、軸を有さない形状であったとしても、一酸化炭素低減部６内を満遍なく温めるように略重心付近を加熱するとよい。

上記のように構成された燃料処理装置１２０は以下のように運転され、生成された一酸化炭素低減ガスを燃料電池１３０に供給する。
図２を引き続き参照して、燃料処理装置１２０の定常運転時の状態を説明する。第１改質用水注入口２１３より注入される第１改質用水は、一酸化炭素低減部６の内部を流れるガスと対向流で第１改質用水流路２１５を流れる。第１改質用水流路２１５を流れる第１改質用水は、選択酸化部８、変成部７を冷却すると受けた熱によって蒸発し、熱交換部２２９にて改質部４を出た高温の改質ガスによって過熱され、混合室２１８に導かれる。燃料注入口２２７から注入される原料燃料は、灯油など液体燃料の場合には混合室２１８にて第１改質用水の過熱蒸気によって気化され、都市ガスなど気体燃料の場合には予熱される。

一方、第２改質用水注入口２２３より注入される第２改質用水は、第２改質用水流路２１９を流過しながら燃焼ガスによって加熱されて蒸発し、混合室２１８にて第２改質用水及び改質原料の混合ガスと合流し、改質部入口ガス流路２２１を経て改質触媒充填層４３に導かれる。改質触媒充填層４３において主に燃料の水蒸気改質反応が行なわれる。例えば改質原料がメタンの場合、次式による水蒸気改質反応が行なわれる。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２・・・（１）
なお、改質触媒充填層４３への改質反応熱の供給は、燃焼室５３でのバーナー燃料の燃焼熱を熱源として、燃焼円筒体５２からの熱輻射と、燃焼ガス流路５４を流過する燃焼ガスからの熱伝達とによって行なわれる。

改質部４を出た改質ガスが熱交換部２２９にて減温された後、変成部７の第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４に導かれ、下式の変成反応が行なわれる。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（２）
この変成反応は発熱反応なので、反応温度を低くすれば、有利な点として変成後の改質ガスのＣＯ濃度が低くなる点があり、不利な点として反応速度が遅くなる点がある。そこで、本実施形態では比較的反応温度の高い第１変成触媒充填層７２と、反応温度の低い第２変成触媒充填層７４とを設け、第１変成触媒充填層７２にて反応速度を早くし、第２変成触媒充填層７４にてガスのＣＯ濃度を低くすることで、総合的な変成反応の効率を高めている。

第２変成触媒充填層７４を出た変成ガスは、変成ガス流路２０７等を介して選択酸化触媒充填層８２に導かれ、選択酸化用空気導入管２０８の導入口２０９から導入された選択酸化用の空気との間で下式のＣＯ選択酸化反応が行なわれる。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ_２→ＣＯ_２・・・（３）
選択酸化用空気中の酸素は、反応式（３）により変成ガス中のＣＯを酸化して除去する他に、改質ガス中の水素をも酸化し消費するので、燃料処理装置の水素製造効率、すなわち熱効率を高くする上で酸素と水素との酸化反応を抑制することが重要である。

選択酸化触媒充填層８２を通過した一酸化炭素低減ガスは、一酸化炭素低減ガス導出流路１７を介してを燃料ガスとして燃料電池１３０（図１参照）の燃料極１３１（図１参照）に導入され、発電に用いられる。一般に、炭化水素の改質ガスを燃料とする燃料電池発電の場合、改質ガス中の水素の７０〜８０％が消費され、残りの水素がアノードオフガスｐ（図１参照）として排出される。本実施の形態では、燃料電池１３０のアノードオフガスｐをバーナー燃料として用いることができる。なお、定常運転時は外気導入流路１８の閉止バルブ２８は閉となっており、アノードオフガス導出流路１９の開閉バルブ２９（図１参照）は開となっている。

次に、図３〜図１１を参照して、燃料電池発電システム１００の運転停止時における主要な機器の動作を説明する。なお、構成の符号に関しては適宜図１又は図２を参照するものとする。

図３は、本発明の第２の実施の形態である燃料電池発電システムの制御装置による外気導入流路の閉止バルブの開閉動作についてのフローチャートである。定常運転時の燃料電池発電システム１００は、プロセスガス系内の圧力が大気圧Ｐ０を超える圧力Ｐｐの状態で運転している。本明細書において「大気圧Ｐ０」とは、対象としている燃料電池発電システムを取り囲む外気の圧力をいうものとする。燃料電池発電システム１００の運転を停止すると、原料燃料供給装置１及び改質剤供給装置２がそれぞれ制御装置３０からの制御信号ｉ１、ｉ２を受けて改質部４への原料燃料ｍ及び改質剤ｓの供給を停止する（Ｓ３１１）。原料燃料ｍ及び改質剤ｓの供給の停止は、それぞれの装置に内蔵されているバルブまたはそれぞれの装置と改質部４とを連通する流路上に設けられたバルブの閉止を伴う。また、選択酸化用の空気の供給停止も実行される。アノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９は、制御装置３０からの指示信号ｉ８を受けて、閉となる（Ｓ３１２）。バルブ２９の閉動作は、原料燃料ｍ及び改質剤ｓの供給の停止と略同時に行なわれる。これらのバルブの閉動作により、プロセスガス系内は略密閉状態となる。「略密閉状態」とは、燃料電池１３０の燃料極１３１の圧力が空気極１３２の圧力よりも高い場合に電解質膜を通過してプロセスガス系内の気体が空気極に流れる場合があり、このような場合は完全な密閉状態とはいえないがこれも含む意味である。

略密閉状態となったプロセスガス系内は、燃料電池発電システムの運転停止からの時間経過に伴い、次第に温度が低下する。ここで、燃料処理装置１２０と燃料極１３１とが連通しておりプロセスガス系内の容積が燃料極１３１単独の場合の容積と比べて大きいので、燃料極１３１内の水蒸気が凝縮しても燃料極１３１の真空化が起きにくい（燃料電池発電システムの運転中は、典型的には、燃料極１３１は略水蒸気飽和の状態であるのに対し、燃料処理装置１２０は水蒸気不飽和の状態である。）。さらに温度が低下するとプロセスガス系内のガスが収縮し、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが低下する。プロセスガス系内の圧力Ｐｘが大気圧Ｐ０より下がると外気がプロセスガス系内に入り込もうとする。このとき、プロセスガス系内では密閉性の劣る燃料電池の燃料極１３１から外気が入り込もうとするが、燃料極１３１及び／又は空気極１３２の電極材料の酸化による劣化防止の観点から、外気に燃料極１３１をさらすことを避ける必要がある。そこで、プロセスガス系内の燃料極１３１から離れた位置に設けられた外気導入流路１８から積極的に外気ａ１を導入して、燃料極１３１が直接的に外気にさらされることを防止し、燃料電池の電極材料を酸化による劣化から保護している。すなわち、外気導入流路１８は燃料極１３１から離れているので外気ａ１は燃料極１３１にほとんど到達しない。プロセスガス系内に外気ａ１を導入するタイミングは種種考えられるが、ここで説明する第２の実施の形態以外の他の実施の形態については後述する。

原料燃料ｍ及び改質剤ｓの改質器４への導入が停止されると制御装置３０からタイマー３３へ制御信号ｉ１０が送信され、時間の計測が開始される。制御装置３０はタイマー３３からの制御信号ｉ１０を受信して、所定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ３３３）。所定時間を経過していない場合は再び制御信号ｉ１０を受信して判定を繰り返し、所定時間が経過したと判定されたら次段に移行する。ここで所定時間とは、典型的には、運転している燃料電池発電システムを停止した後からプロセスガス系内の圧力Ｐｘが大気圧Ｐ０より低い圧力になり燃料電池の燃料極１３１に外気が入りこもうとし始めるまでに要する時間である。この所定時間は、典型的には事前の試験運転によって把握される。なお、所定時間をプロセスガス系内の圧力Ｐｘが大気圧Ｐ０より低くなる前の時間に設定してもよいが、その場合はプロセスガス系内に残留する一酸化炭素低減ガスが系外へ排出されることとなり、燃料ガスの損失になるので、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが大気圧Ｐ０よりも低くなってから閉止バルブ２８が開となるように設定するのが好ましい。また、所定時間は、燃料電池発電システム１００が設置される場所の使用状況に応じて任意に設定してもよい。

所定時間が経過すると、制御装置３０は外気導入流路の閉止バルブ２８にバルブ開信号ｉ４を送信し、閉止バルブ２８は開となる（Ｓ３３４）。これにより、プロセスガス系内の真空が破壊されてプロセスガス系内の圧力Ｐｘが大気圧Ｐ０と略同じになり、燃料極１３１から外気が入り込むことを防ぐことができ、燃料電池１３０が保護される。

図４は、本発明の第３の実施の形態である燃料電池発電システムの制御装置による外気導入流路の閉止バルブの開閉動作についてのフローチャートである。燃料電池発電システム１００の運転が停止すると、第２の実施の形態（図３参照）における外気導入流路の閉止バルブの開閉動作についてのフローの前段部と同様に、原料燃料供給装置１及び改質剤供給装置２がそれぞれ制御装置３０からの制御信号ｉ１、ｉ２を受けて改質部４への原料燃料ｍ及び改質剤ｓの供給を停止し（Ｓ３１１）、これと略同時にアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９が制御装置３０からの指示信号ｉ８を受けて閉となり（Ｓ３１２）、プロセスガス系内が略密閉状態になる。

略密閉状態となったプロセスガス系内は、時間の経過により温度が下がることに伴い圧力が下がる。制御装置３０は、圧力検出器３１より送られてくる圧力信号ｉ３から把握するプロセスガス系内の圧力Ｐｘとあらかじめ設定される第１の所定の圧力Ｐ１とを比較し、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第１の所定の圧力Ｐ１まで下がっているか否かを判定する（Ｓ３４３）。第１の所定の圧力Ｐ１まで下がっていない場合は再び圧力信号ｉ３を受信して判定を繰り返し、第１の所定の圧力Ｐ１まで下がったと判定されたら次段に移行する。ここで、第１の所定の圧力Ｐ１は、大気圧Ｐ０より低い圧力であって、比較的密閉度が低い燃料電池の燃料極１３１から外気が入り込み始める圧力よりも高い圧力であり、好ましくは大気圧Ｐ０より０ｋＰａ〜１５ｋＰａ低い圧力、より好ましくは大気圧Ｐ０より０ｋＰａ〜５ｋＰａ低い圧力である。ただし、より確実に燃料極１３１からの外気の侵入を防ぐ観点から、第１の所定の圧力Ｐ１を大気圧Ｐ０よりも高い圧力に設定してもよいが、この場合はプロセスガス系内に残留する燃料ガスである一酸化炭素低減ガスを排出することとなり燃料ガスの損失になると共に、再度閉止バルブ２８を閉めてプロセスガス系内が略密閉状態になったときにプロセスガス系内の真空化を早めてしまうことになるため、第１の所定の圧力Ｐ１は大気圧Ｐ０よりも低い圧力に設定するのが好ましい。

プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第１の所定の圧力Ｐ１まで下がると、制御装置３０は外気導入流路の閉止バルブ２８にバルブ開信号ｉ４を送信し、閉止バルブ２８を開にする（Ｓ３４４）。閉止バルブ２８が開くとプロセスガス系内に外気ａ１が導入され、プロセスガス系内の真空が破壊される。これにより比較的密閉度が低い燃料電池の燃料極１３１から外気が入り込むのを抑制し、電極材料の酸化による劣化を防ぐことができ、燃料電池１３０が保護される。

図５〜図７は、本発明の第４の実施の形態およびその変形例である燃料電池発電システムの制御装置による外気導入流路の閉止バルブの開閉動作についてのフローチャートである。燃料電池発電システム１００の運転が停止すると、第２の実施の形態及び第３の実施の形態（図３、図４参照）におけるアノードオフガス導出流路の開閉バルブの開閉動作についてのフローの前段部と同様に、原料燃料供給装置１及び改質剤供給装置２がそれぞれ制御装置３０からの制御信号ｉ１、ｉ２を受けて改質部４への原料燃料ｍ及び改質剤ｓの供給を停止し（Ｓ３１１）、これと略同時にアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９が制御装置３０からの指示信号ｉ８を受けて閉となり（Ｓ３１２）、プロセスガス系内が略密閉状態になる。

略密閉状態となったプロセスガス系内は、時間の経過により温度が下がることに伴い圧力が下がる。制御装置３０は、図５に示す本発明の第４の実施の形態の場合は、第２の実施の形態におけるステップＳ３３３と同様の原料燃料ｍ及び改質剤ｓの改質器４への導入が停止されてから所定時間が経過したか否かの判定（Ｓ３５３Ａ）をし、所定時間が経過していなければ判定を繰り返し、所定時間が経過していれば次段に移行する。また、図６に示す本発明の第４の実施の形態の変形例の場合は、第３の実施の形態におけるステップＳ３４３と同様のプロセスガス系内の圧力Ｐｘが第１の所定の圧力Ｐ１まで下がっているか否かの判定（Ｓ３５３Ｂ）をし、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第１の所定の圧力Ｐ１まで下がっていなければ判定を繰り返し、下がっていれば次段に移行する。また、図７に示す本発明の第４の実施の形態の別の変形例の場合は、ある一定時間経過後にプロセスガス系内の圧力Ｐｘが第１の所定の圧力Ｐ１まで下がっているか否かの判定（Ｓ３５３Ｂ）をし、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第１の所定の圧力Ｐ１まで下がっていなければ判定を繰り返し、下がっていれば次段に移行する。

次段に移行すると、制御装置３０は外気導入流路の閉止バルブ２８にバルブ開信号ｉ４を送信し、閉止バルブ２８を開にする（Ｓ３５４）。

引き続きプロセスガス系内の圧力Ｐｘは圧力検出器３１により検出され、圧力信号ｉ３として制御装置３０に送信される。制御装置３０は、圧力検出器３１より送られてくる圧力信号ｉ３から把握するプロセスガス系内の圧力Ｐｘとあらかじめ設定される第２の所定の圧力Ｐ２とを比較し、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第２の所定の圧力Ｐ２に達しているか否かを判定する（Ｓ３５５）。第２の所定の圧力Ｐ２に達していない場合は再び圧力信号ｉ３を受信して判定を繰り返し、第２の所定の圧力Ｐ２に達したと判定されたら次段に移行する。ここで、第２の所定の圧力Ｐ２は、第１の所定の圧力Ｐ１よりも高い圧力であり、好ましくは第１の所定の圧力Ｐ１より１ｋＰａ〜９ｋＰａ高い圧力の大気圧Ｐ０以下の範囲にある圧力である。ただし、閉止バルブ２８の開閉動作の回数を低減するという観点からは第１の所定の圧力Ｐ１との差圧は大きいことが望ましい。プロセスガス系内への外気ａ１の導入を抑制するという観点からは第１の所定の圧力Ｐ１との差圧は小さいことが望ましい。

プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第２の所定の圧力Ｐ２に達すると、制御装置３０は外気導入流路の閉止バルブ２８にバルブ閉信号ｉ４を送信し、閉止バルブ２８は再び閉の状態に戻る（Ｓ３５６）。これにより、プロセスガス系内が再び略密閉状態に保たれる。閉止バルブ２８が第１の所定の圧力との比較に基いて開閉される図６または図７に示す場合の第４の実施の形態の変形例においては、以下、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが下降した場合は、Ｓ３５３ＢからＳ３５６までが繰り返し実行される。

図８は、本発明の第５の実施の形態である燃料電池発電システムの制御装置によるアノードオフガス導出流路の開閉バルブの開閉動作についてのフローチャートである。燃料電池発電システム１００の運転が停止すると、第２〜第４の実施の形態（図３〜図７参照）におけるアノードオフガス導出流路の開閉バルブの開閉動作についてのフローの前段部と同様に、原料燃料供給装置１及び改質剤供給装置２がそれぞれ制御装置３０からの制御信号ｉ１、ｉ２を受けて改質部４への原料燃料ｍ及び改質剤ｓの供給を停止し（Ｓ３１１）、これと略同時にアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９が制御装置３０からの指示信号ｉ８を受けて閉となり（Ｓ３１２）、プロセスガス系内が略密閉状態になる。

略密閉状態となったプロセスガス系内は、バーナー５１の燃焼の残熱により温度が上昇することに伴い圧力が上昇する。制御装置３０は、圧力検出器３１より送られてくる圧力信号ｉ３から把握するプロセスガス系内の圧力Ｐｘとあらかじめ設定される第３の所定の圧力Ｐ３とを比較し、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第３の所定の圧力Ｐ３に達しているか否かを判定する（Ｓ３６３）。第３の所定の圧力Ｐ３に達していない場合は再び圧力信号ｉ３を受信して判定を繰り返し、第３の所定の圧力Ｐ３に達したと判定されたら次段に移行する。ここで、第３の所定の圧力Ｐ３は、プロセスガス系内に含まれる燃料極１３１と空気極１３２との差圧により電解質膜が破損するに至る圧力よりも低い圧力であり、好ましくは大気圧Ｐ０より１０ｋＰａ〜５０ｋＰａ高い圧力、より好ましくは大気圧Ｐ０より２０ｋＰａ〜４０ｋＰａ高い圧力である。ただし、プロセスガス系内に残留する燃料ガスである一酸化炭素低減ガスを極力排出しないという観点から、燃料電池を保護できる範囲で可能な限り高い圧力とするのが好ましい。すなわち、第３の所定の圧力Ｐ３は、一酸化炭素低減ガスを排出しないという観点から大気圧Ｐ０より１０ｋＰａ以上高い圧力、より好ましくは２０ｋＰａ以上高い圧力とする。ただし、燃料電池保護の観点から大気圧Ｐ０との差は５０ｋＰａを上限とし、さらに好ましくは４０ｋＰａを上限とする。

プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第３の所定の圧力Ｐ３に達すると、制御装置３０はアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９にバルブ開信号ｉ８を送信し、開閉バルブ２９を開にする（Ｓ３６４）。開閉バルブ２９が開くとプロセスガス系内のガスが排出され、プロセスガス系内の圧力が下がる。これにより電解質膜間の差圧上昇を防ぐことができ、燃料電池１３０が保護される。このとき、プロセスガス系内の急激な圧力低下を防ぐ観点から、開閉バルブ２９の開度は小さいことが望ましい。

引き続きプロセスガス系内の圧力は圧力検出器３１により検出され、圧力信号ｉ３として制御装置３０に送信される。制御装置３０は、圧力検出器３１より送られてくる圧力信号ｉ３から把握するプロセスガス系内の圧力Ｐｘとあらかじめ設定される第４の所定の圧力Ｐ４とを比較し、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第４の所定の圧力Ｐ４まで下がっているか否かを判定する（Ｓ３６５）。第４の所定の圧力Ｐ４まで下がっていない場合は再び圧力信号ｉ３を受信して判定を繰り返し、第４の所定の圧力Ｐ４まで下がったと判定されたら次段に移行する。ここで、第４の所定の圧力Ｐ４は、第３の所定の圧力Ｐ３よりも低い圧力であり、好ましくは第３の所定の圧力Ｐ３より２ｋＰａ〜１０ｋＰａ低い圧力である。ただし、プロセスガス系内に残留する燃料ガスである一酸化炭素低減ガスを極力排出せず、またプロセスガス系内の温度低下による真空化を遅らせるという観点から、第３の所定の圧力Ｐ３との差圧は小さいことが望ましい。開閉バルブ２９の開閉動作の回数を低減するという観点からは第３の所定の圧力Ｐ３との差圧は大きいことが望ましい。

プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第４の所定の圧力Ｐ４に達すると、制御装置３０はアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９にバルブ閉信号ｉ８を送信し、開閉バルブ２９は再び閉の状態に戻る（Ｓ３６６）。これにより、プロセスガス系内が再び略密閉状態に保たれる。以下、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが上昇した場合は、Ｓ３６３からＳ３６６までが繰り返し実行される。

なお、Ｓ３６４・Ｓ３６６においては、アノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９に代えて外気導入流路の閉止バルブ２８を開閉することも可能である。この場合は、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第３の所定の圧力Ｐ３に達すると、制御装置３０は外気導入流路の閉止バルブ２８にバルブ開信号ｉ８を送信して閉止バルブ２８を開にし（Ｓ３６４）、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第４の所定の圧力Ｐ４に達すると、制御装置３０は外気導入流路の閉止バルブ２８にバルブ閉信号ｉ８を送信して閉止バルブ２８を閉にする（Ｓ３６６）。

図９は、本発明に係る燃料電池発電システムの停止時におけるプロセスガス系内の圧力の経時変化の一例を示すグラフである。本図では、縦軸をプロセスガス系内の圧力、横軸を経過時間としている。原料燃料ｍ、改質剤ｓの供給停止及びアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９の閉止（Ｓ３１１、Ｓ３１２）がなされると、定常運転時の圧力Ｐｐにあったプロセスガス系内の圧力Ｐｘは、バーナー等の残熱により温度が上昇することに伴い、上昇していく。プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第３の所定の圧力Ｐ３まで上昇するとアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９は、第４の所定の圧力Ｐ４に降下するまで開き続ける（Ｓ３６４）。開いた開閉バルブ２９は、プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第４の所定の圧力Ｐ４まで下がると閉となる（Ｓ３６６）。プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第３の所定の圧力Ｐ３に達しなければバルブ２９が開くことはない。

時間の経過と共にプロセスガス系内のガスは冷えるようになり、これに伴いプロセスガス系内の圧力Ｐｘは下降していく。プロセスガス系内の圧力Ｐｘが大気圧Ｐ０より低い第１の所定の圧力Ｐ１まで下降すると外気導入流路の閉止バルブ２８が開となり（Ｓ３４４、Ｓ３５４）、プロセスガス系内に外気ａ１が導入され、真空度が低減される。プロセスガス系内の圧力Ｐｘが第２の所定の圧力Ｐ２まで上昇すると閉止バルブ２８が閉となり（Ｓ３５６）、再びプロセスガス系内が略密閉状態に保たれる。閉止バルブ２８の開閉は、燃料電池発電システム１００が再起動されるまで繰り返される。燃料電池発電システム１００が再起動されるとプロセスガス系内の圧力Ｐｘは上昇し、定常運転時の圧力Ｐｐで運転が継続される。

プロセスガス系内に導入された外気ａ１は、外気導入流路１８が改質部４またはその近傍に設けられている場合、改質触媒の作用により改質ガス中の水素との間で下式の反応が行なわれる。
Ｏ_２＋２Ｈ_２→２Ｈ_２Ｏ・・・（４）
外気中の酸素は、反応式（４）により改質ガス中の水素と反応して水蒸気が生成される。

さらに一酸化炭素低減部６に銅を含有する触媒（例えばＣｕ−Ｚｎ系変成触媒）を充填した場合は、プロセスガス系内の燃料処理装置１２０に導入された外気ａ１は、一酸化炭素低減部６に設けられた銅を含有する一酸化炭素低減触媒との間で下式の酸化反応が行なわれる。
Ｏ_２＋２Ｃｕ→２ＣｕＯ・・・（５）
外気中の酸素は、反応式（５）により一酸化炭素低減触媒の銅と反応して酸化銅が生成される。この反応により酸素が消費された外気ａ１の残りの成分は主に窒素となる。そして、プロセスガス系内は窒素ガスを封入したような状態となる。その結果、燃料電池発電システムの停止中にプロセスガス系内に外気ａ１を導入しても、燃料処理装置１２０内の触媒が空気中の酸素によって酸化され徐々に劣化するという不都合を防ぐことができる。さらに導入した外気ａ１中の酸素が燃料電池の燃料極１３１に到達することを防ぐこともできる。

なお、プロセスガス系内に導入する外気ａ１を抑制すれば、反応式（５）によって酸化される銅は触媒全体のごく一部に過ぎないため、触媒性能に与える影響を少なくすることができる。また、反応式（５）によって生成された酸化銅は、燃料電池システムの次の運転時に改質ガス中の水素との間で下式の還元反応が行なわれる。
ＣｕＯ＋Ｈ_２→Ｃｕ＋Ｈ_２Ｏ・・・（６）
反応式（６）によって酸化銅は再び金属の銅に還元され、次の燃料電池システムの運転停止後の外気ａ１の導入に備えることができる。

図１０は、本発明の第６の実施の形態である燃料電池発電システムの制御装置による電気ヒータの入切動作についてのフローチャートである。燃料電池発電システム１００の運転が停止すると、第２〜第５の実施の形態（図３〜図８参照）におけるアノードオフガス導出流路の開閉バルブの開閉動作についてのフローの前段部と同様に、原料燃料供給装置１及び改質剤供給装置２がそれぞれ制御装置３０からの制御信号ｉ１、ｉ２を受けて改質部４への原料燃料ｍ及び改質剤ｓの供給を停止し（Ｓ３１１）、これと略同時にアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９が制御装置３０からの指示信号ｉ８を受けて閉となり（Ｓ３１２）、プロセスガス系内が略密閉状態になる。燃料処理装置１２０の内部には、外部に導出されなかった水素リッチなガスが閉じ込められ、これにより燃料処理装置１２０の内部が非酸化性あるいは還元性雰囲気に維持される。その結果、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒の劣化を防ぎ、また、運転中酸化した各触媒が、燃料処理装置１２０内部に残留する水素リッチな改質ガスによって還元され、効率的に触媒活性を回復することができる。

次に、制御装置３０は、温度測定器３２から送信される温度信号ｉ６を受信して、選択酸化触媒充填層８２の温度が第１の温度としての電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下したか否かを判定する（Ｓ３８３）。電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下していなければ、再び温度信号ｉ６を受信して判定を繰り返し、電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下したと判定されたら次段に移行する。ここで、電気ヒータ通電開始温度Ｔ１は、燃料処理装置１２０内部に残留するガスが、冷却されその水蒸気分圧が飽和水蒸気圧になる温度すなわち該ガスの露点温度よりもやや高い温度であり、これ以下の温度以下になると、水蒸気が凝縮し水滴（結露）ができる。電気ヒータ通電開始温度Ｔ１は、好ましくは７０℃から１８０℃、さらに好ましくは９０℃から１２０℃、最も好ましくは約９０℃程度である。

制御装置３０は、選択酸化触媒充填層８２の温度が電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下したと判定すると、通電を開始する旨の電気ヒータ通電信号ｉ５を電気ヒータ３５に送信し、電気ヒータ３５が入状態となるよう通電を開始する（Ｓ３８４）。電気ヒータ３５は、第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４を中心として、熱が触媒等を伝熱して一酸化炭素低減部６内を満遍なく加熱し、燃料処理装置１２０内の温度を水蒸気の露点温度以上に維持する。これにより燃料処理装置１２０内に残留する水蒸気が結露することを防止することができ、例えば、停止時に液体の水分が触媒の内部又は表面凹凸部に含浸され、燃料処理装置１２０の再起動時の温度上昇による前記水分の蒸発膨張により触媒を崩壊し、触媒が粉化することがなくなる。

次に、制御装置３０は、再び温度測定器３２から送信される温度信号ｉ６を受信して、選択酸化触媒充填層８２の温度が第２の温度としての電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇したか否かを判定する（Ｓ３８５）。電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇していなければ、再び温度信号ｉ６を受信して判定を繰り返し、電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇したと判定されたら次段に移行する。ここで、電気ヒータ通電停止温度Ｔ２は、電気ヒータ通電開始温度Ｔ１よりも高い温度であり、電気ヒータ３５の性能等を考慮して、適度に電気ヒータの入切が行なわれる程度に設定すればよい。電気ヒータ通電開始温度Ｔ１よりも、好ましくは１０℃から５０℃、さらに好ましくは２０℃から４０℃、最も好ましくは約３０℃程度高い温度である。

制御装置３０は、選択酸化触媒充填層８２の温度が電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇したと判定すると、通電を停止する旨の電気ヒータ通電信号ｉ５を電気ヒータ３５に送信し、電気ヒータ３５が切状態となるよう通電を停止する（Ｓ３８６）。その後再びＳ３８３に戻り、以降燃料電池発電システム１００が再起動されるまでＳ３８３からＳ３８６までを繰り返し実行する。これにより、燃料処理装置１２０内の温度を水蒸気の露点温度以上に維持しつつも、余計な電力を消費することがなく、燃料処理装置１２０内を過度に加熱してしまうこともなく、経済的にも効果的である。

図１１は、本発明に係る燃料電池発電システムの制御装置による電気ヒータの入切動作における選択酸化触媒充填層８２の温度の経時変化の一例を示すグラフである。図１１では、縦軸を選択酸化触媒充填層８２の温度、横軸を経過時間としている。原料燃料ｍ、改質剤ｓの供給停止及びアノードオフガス導出流路の開閉バルブ２９の閉止（Ｓ３１１、Ｓ３１２）がなされると、定常運転時の温度Ｔ５にあった選択酸化触媒充填層８２の温度は徐々に下降していく。電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下すると、電気ヒータ３５への通電を開始し、一酸化炭素低減部６が加熱され、温度が上向きに転じる（Ｓ３８３、Ｓ３８４）。電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇すると、電気ヒータ３５への通電を停止し、選択酸化触媒充填層８２の温度は、再び下向きに転じる（Ｓ３８５、Ｓ３８６）。電気ヒータ３５の入切は、燃料電池発電システム１００が再起動されるまで繰り返される。図１１中では、グラフが波線状を示している部分がこれに該当し、谷状部が電気ヒータ３５の通電開始、山状部が停止を示している。なお、図中、Ｔ３は停止時の燃料処理装置１２０内部ガスの露点温度、Ｔ４は停止時の環境温度を示しており、電気ヒータ通電開始温度Ｔ１は、停止時の燃料処理装置１２０内部ガスの露点温度Ｔ３よりも若干高い温度となっている。

以上で説明した本発明に係る燃料電池発電システム１００によれば、パージをする必要がないため、パージガスの管理や補充をする煩わしさがなく、装置も小型化することができるので、いわゆる分散発電設備として広くオフィスビル、店舗や家庭に分散設置する場合にも適しており、また、設置作業も容易に行うことができる。

本発明の第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明するブロック図である。本発明の第１の実施の形態である燃料電池発電システムにおける燃料処理装置の具体的な構成を説明するための部分縦断面図である。本発明の第２の実施の形態である燃料電池発電システムの制御装置による外気導入流路の閉止バルブの開閉動作についてのフローチャートである。本発明の第３の実施の形態である燃料電池発電システムの制御装置による外気導入流路の閉止バルブの開閉動作についてのフローチャートである。本発明の第４の実施の形態である燃料電池発電システムの制御装置による外気導入流路の閉止バルブの開閉動作についてのフローチャートである。本発明の第４の実施の形態の変形例である燃料電池発電システムの制御装置による外気導入流路の閉止バルブの開閉動作についてのフローチャートである。本発明の第４の実施の形態の別の変形例である燃料電池発電システムの制御装置による外気導入流路の閉止バルブの開閉動作についてのフローチャートである。本発明の第５の実施の形態である燃料電池発電システムの制御装置によるアノードオフガス導出流路の開閉バルブの開閉動作についてのフローチャートである。本発明に係る燃料電池発電システムの停止時におけるプロセスガス系内の圧力の経時変化の一例を示すグラフである。本発明の第６の実施の形態である燃料電池発電システムの制御装置による電気ヒータの入切動作についてのフローチャートである。本発明に係る燃料電池発電システムの停止時における選択酸化触媒充填層の温度の経時変化の一例を示すグラフである。

符号の説明

１原料燃料供給装置
２改質剤供給装置
４改質部
６一酸化炭素低減部
７変成部
８選択酸化部
１７一酸化炭素低減ガス導出流路
１８外気導入流路
１９アノードオフガス導出流路
２８閉止バルブ
２９開閉バルブ
３０制御装置
３１圧力検出器
３２温度測定器
３３タイマー
３５電気ヒータ
１００燃料電池発電システム
１２０燃料処理装置
１３０燃料電池
１３１燃料極
１３２空気極
Ｐ０大気圧
Ｐ１第１の所定の圧力
Ｐ２第２の所定の圧力
Ｐ３第３の所定の圧力
Ｐ４第４の所定の圧力
Ｐｘプロセスガス系内圧力
Ｔ１電気ヒータ通電開始温度
Ｔ２電気ヒータ通電停止温度
Ｔ３露点温度
ｇ一酸化炭素低減ガス
ｍ原料燃料
ｓ改質剤
ｒ改質ガス
ｔ酸化剤ガス

Claims

原料燃料と改質剤とを導入し、該原料燃料を改質して改質ガスを生成する改質部と；
前記改質部で改質された前記改質ガスを導入し、該改質ガス中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスを生成する一酸化炭素低減部と；
前記一酸化炭素低減ガスを導入する燃料極と、酸化剤ガスを導入する空気極とを有し、該一酸化炭素低減ガスと該酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と；
前記一酸化炭素低減ガスと前記酸化剤ガスとの反応で消費されなかった前記一酸化炭素低減ガスを含むアノードオフガスを前記燃料極から導出し、閉止手段を有するアノードオフガス導出流路と；
前記改質部への前記原料燃料の導入を停止する原料燃料停止手段の下流側又は前記改質部への前記改質剤の導入を停止する改質剤停止手段の下流側であって、かつ前記アノードオフガス導出流路の閉止手段の上流側であるプロセスガス系内に外気を導入するように配置され、閉止手段を有する外気導入流路とを備える；
燃料電池発電システム。
前記一酸化炭素低減部は、前記改質ガスを導入し該改質ガスを変成して変成ガスを生成する変成部と、該変成ガスを導入し該変成ガス中の一酸化炭素を酸化し除去して一酸化炭素低減ガスを生成する選択酸化部とを含んで構成され；
前記変成部に又は前記変成部より上流側に外気を導入するように前記外気導入流路が配置される；
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
前記アノードオフガス導出流路の閉止手段の開閉動作と前記外気導入流路の閉止手段の開閉動作とを制御する制御装置であって、前記改質部への前記原料燃料の導入と前記改質剤の導入とを停止するのと略同時に前記アノードオフガス導出流路の閉止手段を閉とし、前記改質部への前記原料燃料の導入と前記改質剤の導入とを停止した後の所定時間経過後に前記外気導入流路の閉止手段を開とするように構成された制御装置を備える；
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム。
前記改質部への前記原料燃料の導入を停止する原料燃料停止手段の下流側又は前記改質部への前記改質剤の導入を停止する改質剤停止手段の下流側であって、かつ前記アノードオフガス導出流路の閉止手段の上流側であるプロセスガス系内の圧力を検出する圧力検出手段と；
前記圧力検出手段により検出されるプロセスガス系内の圧力と第１の所定の圧力との比較に基づいて前記外気導入流路の閉止手段の開閉動作を制御する制御装置とを備え；
前記圧力検出手段により検出されるプロセスガス系内の圧力が前記第１の所定の圧力以下のときに前記外気導入流路の閉止手段を開とするように構成される；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
前記改質部への前記原料燃料の導入を停止する原料燃料停止手段の下流側又は前記改質部への前記改質剤の導入を停止する改質剤停止手段の下流側であって、かつ前記アノードオフガス導出流路の閉止手段の上流側であるプロセスガス系内の圧力を検出する圧力検出手段と；
前記圧力検出手段により検出されるプロセスガス系内の圧力と第２の所定の圧力との比較に基づいて前記外気導入流路の閉止手段の開閉動作を制御する制御装置とを備え；
前記圧力検出手段により検出されるプロセスガス系内の圧力が前記第２の所定の圧力以上のときに前記外気導入流路の閉止手段を閉とするように構成される；
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池発電システム。
前記改質部への前記原料燃料の導入を停止する原料燃料停止手段の下流側又は前記改質部への前記改質剤の導入を停止する改質剤停止手段の下流側であって、かつ前記アノードオフガス導出流路の閉止手段の上流側であるプロセスガス系内の圧力を検出する圧力検出手段と；
前記圧力検出手段により検出されるプロセスガス系内の圧力と第３の所定の圧力及び第４の所定の圧力との比較に基づいて、前記アノードオフガス導出流路の閉止手段の開閉動作を制御する制御装置とを備え；
前記圧力検出手段により検出されるプロセスガス系内の圧力が、前記第３の所定の圧力以上のときに前記アノードオフガス導出流路の閉止手段を開とし、前記第４の所定の圧力以下のときに前記アノードオフガス導出流路の閉止手段を閉とするように構成される；
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて；
制御装置により開閉動作を制御され、前記第３の所定の圧力以上のときに開とされ、前記第４の所定の圧力以下のときに閉とされるアノードオフガス導出流路の閉止手段に代えて、制御装置により開閉動作を制御され、前記第３の所定の圧力以上のときに開とされ、前記第４の所定の圧力以下のときに閉とされる外気導入流路の閉止手段を備える；
燃料電池発電システム。
前記一酸化炭素低減部に取り付けられ、前記一酸化炭素低減部の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知手段と；
前記一酸化炭素低減部に取り付けられ、前記一酸化炭素低減部温度検知手段によって検知される温度に応じて電気を入切する電気ヒータとを備える；
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
前記一酸化炭素低減部は、銅を含有する一酸化炭素低減触媒を備える；
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。