JP2009151986A - 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、起動時に一酸化炭素濃度を確実に低減する。
【解決手段】燃料電池システムにおいては、燃料電池システムの起動時に、一酸化炭素シフト反応部の全触媒領域内のうちの所定範囲が所定温度以上となると（ステップ１０６）、所定範囲以外の触媒領域が所定温度に達していない場合でも、燃料電池に燃料ガスを供給して発電を開始する（ステップ１０８；発電開始手段）。 燃料電池が最小能力で発電可能となった時点から最大能力で発電可能となった時点までの間に、一酸化炭素シフト反応部の全触媒領域内のうち入口から出口への燃料ガスの流れに沿って離れて位置する複数の場所の温度に基づいて設定される発電上限値を発電量の上限として燃料電池を発電させる（ステップ１１０〜１１８）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料極３６に供給された燃料ガスと酸化剤極３２に供給された酸化剤ガスとによって発電する燃料電池３０と、改質用燃料と改質水が供給されて燃料ガスを生成する改質部１４と、内部に触媒が充填され、改質部からの燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して燃料電池の燃料極に供給する一酸化炭素シフト反応部１６と、を備えている。

このように構成された燃料電池システムは、燃料電池システムを起動する（Ｓ１１）ときは、燃料電池へ一酸化炭素を多く含む燃料ガスを供給する一酸化炭素供給ステップと燃料電池の通常の発電温度より低い第１の温度から燃料電池の発電を開始する発電開始ステップと（Ｓ１５）を含んでいる。これにより、燃料電池システムを起動するときに、改質装置１０が完全に（安定して）立ち上がっておらず、一酸化炭素濃度が高い状態から燃料電池３０の発電を開始することができるため、この起動方法によれば、燃料電池発電システムの起動にかかる時間を短縮できるようになっている。
特開２００７−９５５６１号公報

ところで、上記一酸化炭素シフト反応部では、一般的に、下記化１に示すように、一酸化炭素と水蒸気は、触媒により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シフト反応が生じている。このシフト反応は発熱反応である。このシフト反応は、触媒が関与しているため、シフト反応を適切に行うために一酸化炭素低減部を適当な温度範囲（触媒の活性温度域）にとどめておく必要がある。換言すると、活性温度域にある触媒ではシフト反応が生じ、活性温度域にない触媒ではシフト反応がほとんど生じない。また、一酸化炭素シフト反応部の触媒量は、燃料電池の最大定格負荷に相当する改質部に投入される改質用燃料量に対応して設定されている。

（化１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２

したがって、上述した特許文献１に記載の燃料電池システムにおいて、起動時に改質装置１０が完全に（安定して）立ち上がっていない場合とは、一酸化炭素シフト反応部の全触媒領域が活性温度となっていない場合である。すなわち、一酸化炭素シフト反応部の全触媒領域のうち活性温度域にある範囲に対して、燃料電池の要求負荷（必要消費電力）に相当する改質部に投入される改質用燃料量が多い場合には、改質部から導出されたガス中の一酸化炭素の全部が適切にシフト反応を生じるわけではなく、活性温度域の触媒で処理できる量だけが適切にシフト反応を生じる。この結果、高濃度の一酸化炭素を燃料電池に供給している。

しかし、このように高濃度の一酸化炭素を燃料電池に供給すると、燃料電池の触媒が一酸化炭素により劣化するおそれがあり、一酸化炭素の低減が望まれている。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、起動時に一酸化炭素濃度を確実に低減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、燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、改質用燃料と改質水が供給されて燃料ガスを生成する改質部と、内部に触媒が充填され、改質部からの燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して燃料電池の燃料極に供給する一酸化炭素シフト反応部と、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起動時に、一酸化炭素シフト反応部の全触媒領域内のうちの所定範囲が所定温度以上となると、所定範囲以外の触媒領域が所定温度に達していない場合でも、燃料電池に燃料ガスを供給して発電を開始する発電開始手段を備えたことである。

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、発電開始手段は、燃料電池の定格運転より発電量の低い低発電量運転で燃料電池の発電を開始することである。

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において、燃料極からのアノードオフガスが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部をさらに備え、発電開始手段は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池の発電を開始することである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、燃料極からのアノードオフガスが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱することに加えて、アノードオフガスだけでは燃焼熱が不足する場合に燃焼用燃料が追加供給されその燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスによっても改質部を加熱する燃焼部をさらに備え、発電開始手段は、燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入して燃料電池の発電を開始することである。

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、発電開始手段は、燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するとともに、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池の発電を開始することである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、改質用燃料と改質水が供給されて燃料ガスを生成する改質部と、内部に触媒が充填され、改質部からの燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して燃料電池の燃料極に供給する一酸化炭素シフト反応部と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池が最小能力で発電可能となった時点から最大能力で発電可能となった時点までの間に、一酸化炭素シフト反応部の全触媒領域内のうち入口から出口への燃料ガスの流れに沿って離れて位置する複数の場所の温度に基づいて設定される発電上限値を発電量の上限として燃料電池を発電させる発電制御手段を備えたことである。

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、発電制御手段は、複数の場所の温度のうち最も入口側の場所の温度が所定温度以上になった場合には、発電上限値を第１上限値に設定する第１制限設定手段と、最も入口側の場所より出口側に位置する場所の温度が所定温度以上になった場合には、発電上限値を第１上限値より大きい第２上限値に設定する第２制限設定手段と、を有することである。

また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項６において、複数の場所の温度のうち最も入口側の第１場所の温度が第１温度センサによって検出され、第１温度センサは、第１場所の温度が所定温度以上で、燃料電池の定格発電量より低い第１発電量に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されていることである。

また請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項８において、第１場所より出口側の第２場所の温度が第２温度センサによって検出され、第２温度センサは、第２場所の温度が所定温度以上で、第１発電量より大きい第２発電量に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されていることである。

また請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項９において、第２場所より出口側の第３場所の温度が第３温度センサによって検出され、第３温度センサは、第３場所の温度が所定温度以上で、第２発電量より大きい第３発電量に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されていることである。

また請求項１１に係る発明の構成上の特徴は、請求項６において、複数の場所の温度が、一酸化炭素シフト反応部の入口側の温度から出口側の温度の順に所定温度以上に上がるにしたがって発電上限値を増大させることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、発電開始手段が、燃料電池システムの起動時に、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）の全触媒領域内のうちの所定範囲が所定温度以上となると、所定範囲以外の触媒領域が所定温度に達していない場合でも、燃料電池に燃料ガスを供給して発電を開始する。これにより、所定温度以上である（触媒の活性温度域である）触媒範囲で処理可能な量に、改質部からＣＯシフト部へのガス量ひいては改質部への投入する改質用燃料量を制限することが可能となり、起動時にＣＯシフト部で一酸化炭素を適切な濃度に確実に低減することができる。起動時とは、起動開始から最大能力で発電を開始可能となるまでのことをいい、最大能力より小さい発電の開始を含んでいる。起動は燃料電池システムのスタート開始時あるいは改質装置の運転開始時である。したがって、ＣＯシフト部の全触媒領域が活性温度域以上となって始めて発電を開始する場合と比べて、起動時間（起動開始から発電開始までの時間）、起動エネルギを低減することができる。このように、確実に一酸化炭素濃度を低減しつつ、起動時間・起動エネルギを低減することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、発電開始手段は、燃料電池の定格運転より発電量の低い低発電量運転で燃料電池の発電を開始するので、低発電量運転に相当する改質部への燃料投入量を少なく抑制でき、ひいては改質部からＣＯシフト部へのガス量を少なく抑制できる。これにより、所定温度以上である触媒範囲も小さくてすむので、確実に一酸化炭素濃度を低減しつつ、起動時間・起動エネルギを低減することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、燃料極からのアノードオフガスが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部をさらに備え、発電開始手段は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池の発電を開始する。これにより、燃料電池の燃料極からのアノードオフガス（未使用ガス）を利用して改質部を加熱する場合（例えばアノードオフガスを改質部を加熱する燃焼部で燃焼させる場合）、発電開始時には水素の利用量が少なくアノードオフガス中の水素が比較的多いので、その燃焼熱量が増大する。その増大した熱量により改質部ひいてはＣＯシフト部の暖機能力が増大する。この結果、ＣＯシフト部の暖機時間を短縮することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、燃料極からのアノードオフガスが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱することに加えて、アノードオフガスだけでは燃焼熱が不足する場合に燃焼用燃料が追加供給されその燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスによっても改質部を加熱する燃焼部をさらに備え、発電開始手段は、燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入して燃料電池の発電を開始する。このように、燃焼部においてアノードオフガスだけでなく不足熱量を燃焼用燃料で補うシステムを追い焚きシステムという。この追い焚きシステムにおいて、発電開始時には燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するので、その燃焼熱量が増大する。その増大した熱量により改質部ひいてはＣＯシフト部の暖機能力が増大する。この結果、ＣＯシフト部の暖機時間を短縮することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項４に係る発明において、発電開始手段は、燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するとともに、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池の発電を開始する。追い焚きシステムにおいて、発電開始時には燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するだけでなく、水素を比較的多く含むアノードオフガスを投入するので、その燃焼熱量がより増大する。その増大した熱量により改質部ひいてはＣＯシフト部の暖機能力がより増大する。この結果、ＣＯシフト部の暖機時間をより短縮することができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、発電制御手段が、燃料電池が最小能力で発電可能となった時点から最大能力で発電可能となった時点までの間に、一酸化炭素シフト反応部の全触媒領域内のうち入口から出口への燃料ガスの流れに沿って離れて位置する複数の場所の温度に基づいて設定される発電上限値を発電量の上限として燃料電池を発電させる。これにより、所定温度以上である（触媒の活性温度域である）触媒範囲を複数の場所の温度によって検知することができ、その検知した触媒範囲で処理可能な量に、改質部からＣＯシフト部へのガス量ひいては改質部への投入する改質用燃料量を制限することが可能となり、起動時にＣＯシフト部で一酸化炭素を適切な濃度に確実に低減することができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項６に係る発明において、第１制限設定手段が、複数の場所の温度のうち最も入口側の場所の温度が所定温度以上になった場合には、発電上限値を第１上限値に設定し、第２制限設定手段が、最も入口側の場所より出口側に位置する場所の温度が所定温度以上になった場合には、発電上限値を第１上限値より大きい第２上限値に設定する。起動時において、ＣＯシフト部の触媒が入口側から暖機されていくなかで、まず入口から所定範囲が所定温度以上になると、第１上限値を上限として発電出力を発電量電力に応じて制御し、さらに最も入口側の場所より出口側に位置する場所を含む範囲が所定温度以上になると、第１上限値より大きい第２上限値を上限として発電出力を発電量電力に応じて制御することができる。

上記のように構成した請求項８に係る発明においては、請求項６に係る発明において、複数の場所の温度のうち最も入口側の第１場所の温度が第１温度センサによって検出され、第１温度センサは、第１場所の温度が所定温度以上で、燃料電池の定格発電量より低い第１発電量に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。これにより、所定温度以上である触媒範囲を確実に検知することができ、その触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。

上記のように構成した請求項９に係る発明においては、請求項８に係る発明において、第１場所より出口側の第２場所の温度が第２温度センサによって検出され、第２温度センサは、第２場所の温度が所定温度以上で、第１発電量より大きい第２発電量に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。これにより、所定温度以上である触媒範囲を確実に検知することができ、その触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。

上記のように構成した請求項１０に係る発明においては、請求項９に係る発明において、第２場所より出口側の第３場所の温度が第３温度センサによって検出され、第３温度センサは、第３場所の温度が所定温度以上で、第２発電量より大きい第３発電量に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。これにより、所定温度以上である触媒範囲を確実に検知することができ、その触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。

上記のように構成した請求項１１に係る発明においては、請求項６に係る発明において、複数の場所の温度が、一酸化炭素シフト反応部の入口側の温度から出口側の温度の順に所定温度以上に上がるにしたがって発電上限値を増大させる。ところで、一酸化炭素シフト反応部には、改質部から高温の改質ガスが供給される。供給された改質ガスの温度により一酸化炭素シフト反応部の上流側から順に昇温する。昇温された上流部分が一酸化炭素シフト反応部の活性温度にまると触媒反応の発熱による昇温も加わる、この結果、一酸化炭素シフト反応部は、起動時に上流から順に昇温し、所定温度以上の領域が上流から下流に広がっていく。このように、複数の場所の温度が、一酸化炭素シフト反応部の入口側の温度から出口側の温度の順に所定温度以上に上がるにしたがって発電上限値を増大させるので、所定温度に達した触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。

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とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む燃料ガス（改質ガス）を生成する改質装置２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。

改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって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、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が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）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。改質部２１の触媒２１ｂの活性温度域は４００℃から８００℃である。

また、改質部２１内には、改質部２１内の温度例えば燃焼部２５との間の壁付近の温度を測定する温度センサ２１ｃが設けられている。温度センサ２１ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。

具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１が接続されている。改質用燃料供給管４１には、上流から順番に燃料ポンプ４２、脱硫器４６および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は改質用燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４２は改質用燃料（および／または燃焼用燃料）を供給しその供給量を調整するものである。脱硫器４６は燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。燃料のうち改質部２１に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部２５に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。

また、改質用燃料供給管４１の脱硫器４６と改質用燃料バルブ４３との間には燃焼部２５に接続された燃焼用空気供給管６４に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されている。燃焼用燃料供給管４４には燃焼用燃料バルブ４５が設けられている。燃焼用燃料バルブ４５は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が閉じられ燃焼用燃料バルブ４５が開かれている場合、燃焼部２５に燃焼用燃料が供給され、また、燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が開かれ燃焼用燃料バルブ４５が閉じられている場合、改質部２１に改質用燃料が供給される。

さらに、改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。

ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより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。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

また、ＣＯシフト部２３内には、ＣＯシフト部２３の触媒２３ｂの温度を測定する複数（本実施の形態では３つ）の温度センサ２３ｃ〜２３ｅが設けられている。各温度センサ２３ｃ〜２３ｅの検出結果は制御装置３０に送信されている。これら温度センサ２３ｃ〜２３ｅは、ＣＯシフト部２３の全触媒領域内のうち入口から出口への改質ガスの流れに沿って離れて配設されている。

温度センサ（第１温度センサ）２３ｃは、ＣＯシフト部２３の最も入口側の第１場所Ｐ１の温度Ｓ１を検出するものである。この温度センサ２３ｃは、第１場所Ｐ１の温度が所定温度Ｓ１ａ以上で、燃料電池１０の定格発電量より低い第１発電量Ｗ１に相当する量の改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度（例えば５０００ｐｐｍ）以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。

温度センサ（第２温度センサ）２３ｄは、第１場所Ｐ１より出口側の第２場所Ｐ２の温度Ｓ２を検出するものである。この温度センサ２３ｄは、第２場所Ｐ２の温度が所定温度Ｓ２ａ以上で、第１発電量Ｗ１より大きい第２発電量Ｗ２に相当する量の改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度（例えば５０００ｐｐｍ）以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。

温度センサ（第３温度センサ）２３ｅは、第２場所Ｐ２より出口側の第２場所Ｐ３の温度Ｓ３を検出するものである。この温度センサ２３ｅは、第３場所Ｐ３の温度が所定温度Ｓ３ａ以上で、第２発電量Ｗ２より大きい第３発電量Ｗ３に相当する量の改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度（例えば５０００ｐｐｍ）以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。

例えば、第１位置Ｐ１は、触媒領域のうち入口部であり、最小発電量（２００Ｗ）である第１発電量Ｗ１に対応した位置である。第２位置Ｐ２は、触媒領域の中間部であり、中間発電量（５００Ｗ）である第２発電量Ｗ２に対応した位置である。第３位置Ｐ３は触媒領域のうち出口部であり、最大発電量（１０００Ｗ）である第３発電量Ｗ３に対応した位置である。

前記所定温度は、温度センサ毎に異なる値Ｓ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ３ａに設定したが、同一の値に設定してもよい。いずれの場合も所定温度は触媒２３ｂの活性温度域（例えば１８０〜３００℃）の値に設定される。

ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ選択酸化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ選択酸化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。

また、ＣＯ選択酸化部２４内には、ＣＯ選択酸化部２４内の温度を測定する温度センサ２４ｂが設けられている。温度センサ２４ｂの検出結果は制御装置３０に送信されている。

このＣＯ選択酸化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ選択酸化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。

したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。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、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間にアノードガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にアノードオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３にはバイパスバルブ７６が設けられている。

燃料電池システムの起動開始から発電開始までは、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、アノードガスバルブ７４およびアノードオフガスバルブ７５を閉じバイパスバルブ７６を開き、発電運転時には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、アノードガスバルブ７４およびアノードオフガスバルブ７５を開きバイパスバルブ７６を閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。

燃焼部２５は、燃焼用燃料供給管４４を通って供給される燃焼用燃料、改質部２１から供給される改質ガス、および燃料電池１０からのアノードオフガスの少なくとも何れか一を、燃焼用空気ポンプ６５によって供給される燃焼用空気により燃焼してその燃焼ガスによって改質部２１を加熱するものである。この燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。

燃焼部２５には、図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された燃焼用燃料供給管４４が燃焼用空気供給管６４を介して接続されるとともに、燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管７２の他端が接続されている。基本的には、燃料電池１０の起動当初、燃焼用燃料が燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の起動時のうちＣＯシフト部２３の温度Ｓ１が所定温度Ｓ１ａ未満である場合、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を経由しないで燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の発電が開始されると、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素や改質部で未改質な改質用燃料などを含んだ改質ガス）が燃焼部２５に供給されるようになっている。

また、発電運転中に、改質ガスやアノードオフガスによる燃焼熱量では改質部を所定温度に加熱するのに必要な熱量に足りない場合には、その不足分の燃焼熱量に相当する量の燃焼用燃料を追加供給して補うようにしている。このように、燃焼部２５においてアノードオフガスだけでなく不足熱量を燃焼用燃料で補うシステムを追い焚きシステムという。なお、燃料電池システムには、この追い焚きシステム以外に、発電運転中に、アノードオフガスのみ燃焼部２５に供給し、追い焚きシステムのように燃焼用燃料などの可燃ガスを追加供給しない、追い焚きレスシステムがある。本発明は追い焚きシステムだけでなく追い焚きレスシステムにも適用可能である。

また、燃焼部２５には、燃焼用空気供給管６４が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガスを燃焼（酸化）させるための燃焼用空気が大気から供給されるようになっている。燃焼用空気供給管６４には上流から順番に燃焼用空気ポンプ６５および燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気を供給しその供給量を調整する燃焼用酸化剤ガス供給手段である。燃焼用空気バルブ６６は燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。

このように構成された燃焼部２５は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部２１および蒸発部２６をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路２７は、改質部２１の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部２１の外周壁と断熱部２８との間に当接して配設され、折り返されて断熱部２８と蒸発部２６の間に当接して配設された流路である。

蒸発部２６は、改質水を沸騰（蒸発）させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を覆って当接して設けられている。

この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク（図示省略）に接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ選択酸化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２１へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉し改質水供給量を調整する改質水調整手段である。なお、改質水ポンプ５３で改質水の供給量を調整するようにしてもよい。

また、蒸発部２６には、蒸発部２６内の温度を検出する温度センサ２６ａが設けられている。温度センサ２６ａは蒸発部２６内の上流部（入口側）に設けることが好ましい。温度センサ２６ａの検出結果は制御装置３０に送信されている。

また、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２４ｂ，２６ａ、各ポンプ４２，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４５，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５（着火装置）が接続されている（図２参照）。制御装置３０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、温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２６ａからの温度に基づいて、各ポンプ４２，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４５，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５（着火装置）を制御することにより、燃料電池システムの運転を制御している。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の一例について説明する。制御装置３０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ１００にてプログラムを起動しプログラムをステップ１０２に進める。制御装置３０は、ステップ１０２において、運転を開始するか否かを判定する。制御装置３０は、図示しないスタートスイッチが押されて運転が開始される場合、運転計画にしたがって運転が開始される場合には、ステップ１０２で「ＹＥＳ」と判定し、改質装置２０の暖機を実施する（ステップ１０４）。そうでなければ、ステップ１０２で「ＮＯ」の判定を繰り返し実行する。

起動運転が開始されると、制御装置３０は、ステップ１０４において、燃焼用空気バルブ６６を開いて燃焼用空気ポンプ６５を駆動して、燃焼用空気を燃焼部２５に供給する。また、制御装置３０は、燃焼部２５の点火用電極に通電する。さらに、制御装置３０は、燃焼用燃料バルブ４５を開いて燃料ポンプ４２を駆動して、燃焼用燃料を燃焼部２５に供給する。これにより、燃焼用燃料が燃焼部２５で燃焼され、その燃焼ガスにより改質部２１および蒸発部２６が加熱される。なお、このとき、改質用燃料バルブ４３、改質水バルブ５４、酸化用空気バルブ６３、アノードガスバルブ７４、バイパスバルブ７６およびアノードオフガスバルブ７５は閉じられている。

そして、制御装置３０は、改質水バルブ５４と改質水ポンプ５３を制御して蒸発部２６に所定量の水を供給し、一旦、水の供給を停止する。その後、制御装置３０は、温度センサ２６ａが所定値（例えば、１００℃）以上になったら水蒸気が発生したと判断する。そして、制御装置３０は、水蒸気の発生を確認してから、改質水バルブ５４を開いて改質水ポンプ５３を駆動して蒸発部２６に所定流量の水を供給開始する。

その後、制御装置３０は、改質用燃料バルブ４３を開いて燃料ポンプ４２を駆動して、改質用燃料を改質部２１に供給する。また、制御装置３０は酸化用空気バルブ６３を開いて酸化用空気ポンプ６２を駆動させ酸化用空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、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て改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３（およびＣＯ選択酸化部２４）を暖機してＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃料電池１０を通らないで、バイパス管７３を通って直接燃焼部２５に供給され燃焼される。なお、このとき、改質部２１で改質のための熱量が不足する場合には、燃焼用燃料バルブ４５を開いて、燃焼用燃料を燃焼部２５に供給することにより、不足熱量を補充する。

このような改質ガスの生成中において、ＣＯシフト部２３には、改質部２１から高温の改質ガスが供給される。供給された改質ガスの温度によりＣＯシフト部２３の上流側から順に昇温する。昇温された上流部分がＣＯシフト部２３の活性温度になると触媒反応の発熱による昇温も加わる、この結果、ＣＯシフト部２３は、起動時に上流から順に昇温し、所定温度以上の領域が上流から下流に広がっていく。なお、ＣＯシフト部２３入口側に改質ガスを暖機するヒータを設け暖機を加速するようにしてもよく、同様な制御が可能である。

また、このような改質ガスの生成中において、制御装置３０は、ステップ１０６において、ＣＯシフト部２３の触媒の第１場所Ｐ１の温度Ｓ１を温度センサ２３ｃで検出し、この検出した温度Ｓ１が所定温度Ｓ１ａ以上であるか否かを判定する。温度Ｓ１が所定温度Ｓ１ａ未満である場合には、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度より高いとして、すなわち暖機が完了していないとして、制御装置３０は、ステップ１０６の処理を繰り返す。

一方、温度Ｓ１が所定温度Ｓ１ａ以上となれば（図４の時刻Ｔｍ１）、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度以下となったとして、制御装置３０は、アノードガスバルブ７４およびアノードオフガスバルブ７５を開きバイパスバルブ７６を閉じてＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口を燃焼部２５に接続する（ステップ１０８）。そして、制御装置３０は、定格運転より発電量の低い第１発電量Ｗ１（例えば３００Ｗ）で発電する低発電量運転で燃料電池１０の発電を開始する（発電開始手段）。このとき、制御装置３０は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量Ｗ３における水素利用率Ｕｆ３より低い低水素利用率Ｕｆ１で燃料電池１０の発電を開始する。

定常状態とは、定格運転が可能になったときの運転状態である（時刻Ｔｍ３以降）。起動中における水素利用率は、定常状態における所定発電量の水素利用率より低くなるように制御されている。定格運転とは、燃料電池１０をその最大発電量で運転することである。定格運転時の発電量を定格発電量という。なお、起動運転（起動時）は、燃料電池１０を定格運転できるまで改質装置２０を暖機するための運転であり、ＣＯシフト部２３の温度Ｓ３が所定温度Ｓ３ａ未満である状態である（時刻Ｔｍ０からＴｍ３の間）。起動運転中であっても、ＣＯシフト部２３の温度Ｓ１が所定温度Ｓ１ａ以上となれば（時刻Ｔｍ１以降）、出力制限のもと発電可能（発電運転中）である。

なお、温度が所定温度Ｓ１ａ以上である入口から第１場所Ｐ１までの触媒領域では、改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定の濃度以下に低減することができる。しかし、その触媒領域で一酸化炭素濃度を所定の濃度に低減できるのは、最低発電出力（第１発電量）に相当するガス流量に限られる。すなわち、そのガス流量以上の流量が流れると、その触媒領域の処理能力を超えるため、一酸化炭素濃度は所定の濃度より大きい値となる。

ここで、水素利用率の制御について説明する。水素利用率＝（発電に利用される水素量（水素流量）／燃料電池に供給される水素量（水素流量））である。燃料電池１０の発電量は制御装置３０により制御可能である。本実施の形態では、制御装置３０に接続されているインバータ（図示省略）により制御されている。燃料電池１０に供給される水素流量は、燃料電池１０に供給される燃料ガス（改質ガス）流量にほぼ比例する。燃料ガス流量は、改質部２１に供給される改質用燃料流量で決まる。水素利用率の制御は、改質用燃料流量で制御（流量が大きいほど水素利用率が下がる）するか、発電量で制御（発電量が小さいほど水素利用率が下がる）する。

本実施の形態では、改質用燃料流量で制御している。すなわち、起動時の各段階に対応した発電量（各発電上限値を上限としてユーザ負荷に応じて変化させている）は予め決定されている。また起動時に各段階に対応した目標水素利用率が予め決定されている（だだし、目標水素利用率は発電量によって変化させてもよい）。発電量と目標水素利用率から演算により求められた改質用燃料流量を改質部２１に供給する。もちろん、改質用燃料流量と目標水素利用率を決定して発電量を制御することも可能である。目標水素利用率は、予め決定された値でなく、ＣＯシフト部２３などの温度や発電量などにより最適な値に決定して制御してもよい。

制御装置３０は、ステップ１１０において、燃料電池１０の最大出力をＷ１に制限して発電するとともに水素利用率を低水素利用率Ｕｆ１に設定する。

さらに、改質部２１から供給される改質ガスや自己発熱によってＣＯシフト部２３が暖機され、第１場所Ｐ１より下流側の温度が上昇する。制御装置３０は、ステップ１１２において、ＣＯシフト部２３の触媒の第２場所Ｐ２の温度Ｓ２を温度センサ２３ｄで検出し、この検出した温度Ｓ２が所定温度Ｓ２ａ以上であるか否かを判定する。温度Ｓ２が所定温度Ｓ２ａ未満である場合には、制御装置３０は、ステップ１１２の処理を繰り返す。一方、温度Ｓ２が所定温度Ｓ２ａ以上となれば（図４の時刻Ｔｍ２）、制御装置３０は、ステップ１１４において、燃料電池１０の最大出力をＷ１からＷ２に変更しＷ２に設定して発電するとともに水素利用率をＵｆ１からＵｆ２に変更しＵｆ２に設定して発電する。Ｕｆ２は低水素利用率Ｕｆ１より大きく、かつ定格発電量で発電運転可能な定常状態での水素利用率Ｕｆ３より小さい値である。

さらに、ＣＯシフト部２３が暖機されるなかで、制御装置３０は、ステップ１１６において、ＣＯシフト部２３の触媒の第３場所Ｐ３の温度Ｓ３を温度センサ２３ｅで検出し、この検出した温度Ｓ３が所定温度Ｓ３ａ以上であるか否かを判定する。温度Ｓ３が所定温度Ｓ３ａ未満である場合には、制御装置３０は、ステップ１１６の処理を繰り返す。一方、温度Ｓ３が所定温度Ｓ３ａ以上となれば（図４の時刻Ｔｍ３）、制御装置３０は、ステップ１１８において、燃料電池１０の最大出力をＷ２からＷ３に変更しＷ３に制限して発電するとともに水素利用率をＵｆ２からＵｆ３に変更しＵｆ３に設定して発電する。これにより、定常状態が開始される。

このように、制御装置３０は、温度Ｓ１が所定温度Ｓ１ａ以上となれば最大出力Ｗ１、温度Ｓ２が所定温度Ｓ２ａ以上となれば最大出力Ｗ２、温度Ｓ３が所定温度Ｓ３ａ以上となれば最大出力Ｗ３で制限して発電し、最大出力以下の範囲でユーザー負荷に追従するように発電を行う。

発電運転中に、制御装置３０は、ステップ１２０において、運転を停止するか否かを判定する。制御装置３０は、図示しないストップスイッチが押されて運転が停止される場合、運転計画にしたがって運転が停止される場合には、ステップ１２０で「ＹＥＳ」と判定し、燃料電池システムの停止を実施する（ステップ１２２）。そうでなければ、ステップ１２０で「ＮＯ」の判定を繰り返し実行する。

制御装置３０は、ステップ１２２において、燃料ポンプ４２の駆動を停止し改質用燃料の供給を停止し、改質用燃料バルブ４３を閉じる。制御装置３０は、改質水ポンプ５３の駆動を停止し改質水の供給を停止し、改質水バルブ５４を閉じる。制御装置３０は、酸化用空気ポンプ６２の駆動を停止し酸化用空気の供給を停止し、酸化用空気バルブ６３を閉じる。制御装置３０は、燃料ポンプ４２の駆動を停止し燃焼用燃料の供給を停止し、燃焼用燃料バルブ４５を閉じる。制御装置３０は、燃焼用空気ポンプ６５の駆動を停止し燃焼用空気の供給を停止し、燃焼用空気バルブ６６を閉じる。そして、制御装置３０は、アノードガスバルブ７４、アノードオフガスバルブ７５、バイパスバルブ７６を閉じる。これにより、燃料電池１０の発電が停止される。その後、プログラムをステップ１２４に進めて本プログラムを終了する。

さらに、上述した燃料電池システムの作動について図４および図５のタイムチャートを参照して説明する。図４は、上段でＣＯシフト部２３の各場所Ｐ１〜Ｐ３の温度、中段でユーザー負荷（破線で示す）と制限値（一点破線で示す）、下段で発電量（実線）と制限値（中段と同一であり一点破線で示す）とで決定される発電量を示している。図５は、上段でＣＯシフト部２３の各場所Ｐ１〜Ｐ３の温度、下段で水素利用率を示している。

図４および図５に示すように、時刻Ｔｍ０で起動が開始される。その後、時刻Ｔｍ１に、ＣＯシフト部２３の第１場所Ｐ１の温度Ｓ１が所定温度Ｓ１ａ以上となると、発電が開始される。時刻Ｔｍ１から時刻Ｔｍ２まで（ＣＯシフト部２３の第２場所Ｐ２の温度Ｓ２が所定温度Ｓ２ａ以上となるまで）の間、発電量の上限値はＷ１に制限される。したがって、図４に示すように、ユーザー負荷（破線で示す）がＷ１を超えても燃料電池１０の発電はＷ１に維持される。このとき、水素利用率はＵｆ１に制限される。これにより、燃料電池１０から燃焼部２５に導出されるアノードオフガスの熱量が大きく、ＣＯシフト部２３を早期に暖機することが可能となる。

時刻Ｔｍ２に、ＣＯシフト部２３の第２場所Ｐ２の温度Ｓ２が所定温度Ｓ２ａ以上となると、発電量の上限値がＷ１からＷ２に増大される。時刻Ｔｍ２から時刻Ｔｍ３まで（ＣＯシフト部２３の第３場所Ｐ３の温度Ｓ３が所定温度Ｓ３ａ以上となるまで）の間、発電量の上限値はＷ２に制限される。したがって、図４に示すように、ユーザー負荷がＷ２を超えない場合にはユーザー負荷に追従して発電が行われ、ユーザー負荷がＷ２を超えると燃料電池１０の発電はＷ２に維持される。このとき、水素利用率はＵｆ１からＵｆ２に増大されてＵｆ２に制限される。これにより、燃料電池１０から燃焼部２５に導出されるアノードオフガスの熱量が大きく、ＣＯシフト部２３を早期に暖機することが可能となる。

時刻Ｔｍ３に、ＣＯシフト部２３の第３場所Ｐ３の温度Ｓ３が所定温度Ｓ３ａ以上となると、発電量の上限値がＷ２からＷ３に増大される。時刻Ｔｍ３以降（定常状態開始）においては、発電量の上限値はＷ３に制限される。したがって、図４に示すように、ユーザー負荷がＷ３を超えない場合にはユーザー負荷に追従して発電が行われ、ユーザー負荷がＷ３を超えると燃料電池１０の発電はＷ３に維持される。このとき、水素利用率はＵｆ２からＵｆ３に増大されてＵｆ３に制限される。なお、図４、５は、模式的にあらわした図であり、特にＣＯシフト部の温度の所定値以上になった後の温度は一定ではなく、所定値より高い温度範囲で変動している。

なお、上述したステップ１０６〜１１８の処理は発電制御手段であり、ステップ１０６，１１０の処理は第１制限設定手段であり、ステップ１１２，１１４（またはステップ１１６，１１８）の処理は第２制限設定手段である。

上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、発電開始手段（ステップ１０６，１０８）が、燃料電池システムの起動時に、ＣＯシフト部２３の全触媒領域内のうちの所定範囲が所定温度以上となると、所定範囲以外の触媒領域が所定温度に達していない場合でも、燃料電池に燃料ガスを供給して発電を開始する。これにより、所定温度以上である（触媒の活性温度域である）触媒範囲で処理可能な量に、改質部２１からＣＯシフト部２３へのガス量ひいては改質部２１への投入する改質用燃料量を制限することが可能となり、起動時にＣＯシフト部２３で一酸化炭素を適切な濃度に確実に低減することができる。起動時とは、起動開始（時刻Ｔｍ０）から最大能力で発電を開始可能となるまで（時刻Ｔｍ３）のことをいい、最大能力より小さい発電の開始（時刻Ｔｍ１）を含んでいる。

また、ＣＯシフト部２３の全触媒領域が活性温度域以上となって始めて発電を開始する場合と比べて、起動時間（起動開始から発電開始までの時間）、起動エネルギを低減することができる。このように、確実に一酸化炭素濃度を低減しつつ、起動時間・起動エネルギを低減することができる。

また、起動時の過渡的な状態においても、確実に一酸化炭素濃度を低減することができる。さらに、低濃度の一酸化炭素の供給で安定運転が可能であり、効率的な運転が可能である。

また、発電開始手段は、燃料電池１０の定格運転より発電量の低い低発電量運転で燃料電池１０の発電を開始するので、低発電量運転に相当する改質部２１への燃料投入量を少なく抑制でき、ひいては改質部２１からＣＯシフト部２３へのガス量を少なく抑制できる。これにより、所定温度以上である触媒範囲も小さくてすむので、確実に一酸化炭素濃度を低減しつつ、起動時間・起動エネルギを低減することができる。また、特にユーザーによって低発電量運転が続く場合には、一酸化炭素濃度を低減するとともにエネルギー低減ができ、効率を向上することができる。

また、燃焼部２５は燃料極１１からのアノードオフガスが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部２１を加熱する。発電開始手段は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池１０の発電を開始する。燃料電池１０の燃料極１１からの未使用ガス（アノードオフガス）を利用して改質部２１を加熱する場合（例えばアノードオフガスを改質部を加熱する燃焼部で燃焼させる場合）、発電開始時には水素の利用量が少なくアノードオフガス中の水素が比較的多いので、その燃焼熱量が増大する。その増大した熱量により改質部２１ひいてはＣＯシフト部２３の暖機能力が増大する。この結果、ＣＯシフト部２３の暖機時間を短縮することができる。また、起動時にＣＯシフト部２３の暖機に余剰な熱量を使用可能なため、夏季など給湯の少ない場合にも発電・給湯のバランスが保たれ、エネルギー効率が低下しにくい。

また、発電制御手段が、燃料電池１０が最小能力で発電可能となった時点（時刻Ｔｍ１）から最大能力で発電可能となった時点（時刻Ｔｍ３）までの間に、ＣＯシフト部２３の全触媒領域内のうち入口から出口への燃料ガスの流れに沿って離れて位置する複数の場所Ｐ１〜Ｐ３の温度Ｓ１〜Ｓ３に基づいて設定される発電上限値を発電量の上限として燃料電池を発電させる。これにより、所定温度以上である（触媒の活性温度域である）触媒範囲を複数の場所の温度によって検知することができ、その検知した触媒範囲で処理可能な量に、改質部２１からＣＯシフト部２３へのガス量ひいては改質部２１への投入する改質用燃料量を制限することが可能となり、起動時にＣＯシフト部２３で一酸化炭素を適切な濃度に確実に低減することができる。

また、起動時などにおいて、温度外乱の影響がある場合も、確実に一酸化炭素濃度を低減することが可能である。

また、第１制限設定手段が、一酸化炭素シフト反応部２３内の最も入口側の場所Ｐ１の温度Ｓ１が所定温度Ｓ１ａ以上になった場合には、発電上限値を第１上限値Ｗ１に設定し、第２制限設定手段が、最も入口側の場所より出口側に位置する場所Ｐ２（またはＰ３）の温度Ｓ２（またはＳ３）が所定温度Ｓ２ａ（またはＳ３ａ）以上になった場合には、発電上限値を第１上限値Ｗ１より大きい第２上限値Ｗ２（またはＷ３）に設定する。起動時において、ＣＯシフト部２３の触媒が入口側から暖機されていくなかで、まず入口から所定範囲が所定温度以上になると、第１上限値を上限として発電出力を発電量電力に応じて制御し、さらに最も入口側の場所より出口側に位置する場所を含む範囲が所定温度以上になると、第１上限値より大きい第２上限値を上限として発電出力を発電量電力に応じて制御することができる。

また、一酸化炭素シフト反応部２３内の最も入口側の第１場所Ｐ１の温度が第１温度センサ２３ｃによって検出され、第１温度センサ２３ｃは、第１場所Ｐ１の温度Ｓ１が所定温度Ｓ１ａ以上で、燃料電池の定格発電量より低い第１発電量である第１上限値Ｗ１に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。これにより、所定温度以上である触媒範囲を確実に検知することができ、その触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。

また、第１場所Ｐ１より出口側の第２場所Ｐ２の温度Ｓ２が第２温度センサ２３ｄによって検出され、第２温度センサ２３ｄは、第２場所Ｐ２の温度Ｓ２が所定温度Ｓ２ａ以上で、第１発電量Ｗ１より大きい第２発電量である第２上限値Ｗ２に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。これにより、所定温度以上である触媒範囲を確実に検知することができ、その触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。

また、第２場所Ｐ２より出口側の第３場所Ｐ３の温度Ｓ３が第３温度センサ２３ｅによって検出され、第３温度センサ２３ｅは、第３場所Ｐ３の温度Ｓ３が所定温度Ｓ３ａ以上で、第２発電量より大きい第３発電量である第３上限値Ｗ３に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。これにより、所定温度以上である触媒範囲を確実に検知することができ、その触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。

また、上述した実施の形態においては、複数の場所（本実施の形態では第１〜第３場所Ｐ１〜Ｐ３）の温度が、ＣＯシフト部２３の入口側の温度から出口側の温度の順に所定温度以上に上がるにしたがって発電上限値を増大させる。これによれば、ＣＯシフト部２３は、起動時に上流から順に昇温し、所定温度以上の領域が上流から下流に広がっていくなかで、所定温度に達した触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。

なお、上述した実施の形態においては、発電開始手段は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池１０の発電を開始するようにしたが、追い焚きシステムにて、発電開始手段は、燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入して燃料電池の発電を開始するようにしてもよい。これによれば、追い焚きシステムにおいて、発電開始時には燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するので、その燃焼熱量が増大する。その増大した熱量により改質部２１ひいてはＣＯシフト部２３の暖機能力が増大する。この結果、ＣＯシフト部２３の暖機時間を短縮することができる。追加供給の規定は、定常状態において通常補おうとしている熱量に相当する追加供給量である。

また、発電開始手段は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池１０の発電を開始するとともに、これと合わせて燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するようにしてもよい。これによれば、追い焚きシステムにおいて、発電開始時には燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するだけでなく、水素を比較的多く含むアノードオフガスを投入するので、その燃焼熱量がより増大する。その増大した熱量により改質部ひいてはＣＯシフト部の暖機能力がより増大する。この結果、ＣＯシフト部の暖機時間をより短縮することができる。また、必要に応じて両方を適宜調整することも可能となる。

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に示す制御装置で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に示すフローチャートによるＣＯシフト部の温度、ユーザー負荷、発電量制限値、発電量の一例を示すタイムチャートである。 図３に示すフローチャートによるＣＯシフト部の温度と水素利用率の一例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ｃ…温度センサ、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ…温度センサ、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２４ｂ…温度センサ、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２６ａ…温度センサ、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、３０…制御装置（発電開始手段、発電制御手段、第１および第２制限設定手段）、４１…改質用燃料供給管、４２…燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料バルブ、４６…脱硫器、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…燃焼用空気ポンプ、６６…燃焼用空気バルブ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１，７７…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…アノードガスバルブ、７５…アノードオフガスバルブ、７６…バイパスバルブ、７８…第３改質ガスバルブ、８１，８２…排気管、８９…接続管。

Claims (11)

1. 燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、
   改質用燃料と改質水が供給されて前記燃料ガスを生成する改質部と、
   内部に触媒が充填され、前記改質部からの前記燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して前記燃料電池の燃料極に供給する一酸化炭素シフト反応部と、
   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起動時に、前記一酸化炭素シフト反応部の全触媒領域内のうちの所定範囲が所定温度以上となると、前記所定範囲以外の触媒領域が前記所定温度に達していない場合でも、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給して発電を開始する発電開始手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記発電開始手段は、前記燃料電池の定格運転より発電量の低い低発電量運転で前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記燃料極からのアノードオフガスが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより前記改質部を加熱する燃焼部をさらに備え、
   前記発電開始手段は、前記燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１または請求項２において、前記燃料極からのアノードオフガスが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより前記改質部を加熱することに加えて、前記アノードオフガスだけでは燃焼熱が不足する場合に燃焼用燃料が追加供給されその燃焼用燃料を前記燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスによっても前記改質部を加熱する燃焼部をさらに備え、
   前記発電開始手段は、前記燃焼用燃料を前記追加供給の規定より多く投入して前記燃料電池の発電を開始する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、前記発電開始手段は、前記燃焼用燃料を前記追加供給の規定より多く投入するとともに、前記燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、
   改質用燃料と改質水が供給されて前記燃料ガスを生成する改質部と、
   内部に触媒が充填され、前記改質部からの前記燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して前記燃料電池の燃料極に供給する一酸化炭素シフト反応部と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池が最小能力で発電可能となった時点から最大能力で発電可能となった時点までの間に、前記一酸化炭素シフト反応部の全触媒領域内のうち入口から出口への前記燃料ガスの流れに沿って離れて位置する複数の場所の温度に基づいて設定される発電上限値を発電量の上限として前記燃料電池を発電させる前記発電制御手段を備えた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、前記発電制御手段は、前記複数の場所の温度のうち最も入口側の場所の温度が所定温度以上になった場合には、前記発電上限値を第１上限値に設定する第１制限設定手段と、前記最も入口側の場所より出口側に位置する場所の温度が所定温度以上になった場合には、前記発電上限値を前記第１上限値より大きい第２上限値に設定する第２制限設定手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項６において、前記複数の場所の温度のうち最も入口側の第１場所の温度が第１温度センサによって検出され、前記第１温度センサは、前記第１場所の温度が所定温度以上で、燃料電池の定格発電量より低い第１発電量に相当する量の前記燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８において、前記第１場所より出口側の第２場所の温度が第２温度センサによって検出され、前記第２温度センサは、前記第２場所の温度が所定温度以上で、前記第１発電量より大きい第２発電量に相当する量の前記燃料ガス中の一酸化炭素濃度を前記所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項９において、前記第２場所より出口側の第３場所の温度が第３温度センサによって検出され、前記第３温度センサは、前記第３場所の温度が所定温度以上で、前記第２発電量より大きい第３発電量に相当する量の前記燃料ガス中の一酸化炭素濃度を前記所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項６において、前記複数の場所の温度が、前記一酸化炭素シフト反応部の入口側の温度から出口側の温度の順に所定温度以上に上がるにしたがって前記発電上限値を増大させることを特徴とする燃料電池システム。
    

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