JP2009206005A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池が長時間運転されても長期にわたり安定した発電電圧を維持させる燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。
【解決手段】原料ガス及び水蒸気から水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理器１１と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池１２と、燃料電池１２のアノードから排出されたオフガスが流れるオフガス経路と、オフガス経路を流れるオフガス中の水分を凝縮させるための水凝縮器１５と、水凝縮器１５を通過したオフガスを燃焼し、燃料処理器１１を加熱する燃焼器１７とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池システムの停止処理開始から次の燃料電池１２の発電開始までの間において、オフガス経路より排出され、水凝縮器１５を通過したオフガスを燃料電池１２のアノードに供給する循環処理を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその運転方法に関する。

燃料電池システムは、燃料電池のアノードに供給される水素を含有する燃料ガスと、それのカソードに酸化剤ガスとして供給される空気とを燃料電池の内部で反応させることにより発電するものである。そして、この燃料ガスは通常、改質器を含む燃料処理器内部の水蒸気改質反応によって都市ガス等の原料ガスと水蒸気から生成されている。

図６を用いて燃料電池システム１２０を説明する。

図６によれば、燃料処理器１０１の適所に燃焼器としてのバーナ１０２が配置され、これにより、バーナ１０２の燃料ガス燃焼より改質器を含む燃料処理器１０１は加熱される。また、燃料処理器１０１には、原料ガス遮断手段を介して、原料ガス供給器１０３から供給される原料ガスおよび水蒸気発生器１０４から供給される水蒸気が導かれるように構成されている。燃料処理器１０１から生成される燃料ガスは燃料電池１０９のアノード側に供給されたのち、発電に利用されなかった残りの燃料オフガス中の水分は、燃焼の安定性確保や熱発生に寄与しないガス成分を取り除くことによる熱効率の向上を目的とし、水凝縮器１０５で除去された上で、バーナ１０２へ導かれ、燃焼を行い熱を燃料処理器１０１に伝達した後で排気口から排出される。

燃料電池１０９は、燃料ガスが導かれるアノード１０９ａと、空気ブロア１１０から流出した酸化剤ガス(空気)が導かれるカソード１０９ｂと、によって構成され、これらのガスをその内部で消費して発電する。なお、燃料電池システム１２０を構成するこうした機器は、制御装置１１１により適切に制御されている。

ここで、この燃料電池システム１２０の通常動作を説明する。

燃料電池システム１２０は一般的に負荷に応じて、発電が行われ、負荷が一定値以下になった場合に発電が停止される。発電の停止時には、燃料電池１０９の劣化を抑制するためにアノード側の電位をあげないよう停止処理時にアノード側には燃料ガスを封止した状態で停止させることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２５９６６３号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の停止処理を実行する従来の燃料電池システムにおいて、長運転時間後に上記停止処理実行後、次回の燃料電池の発電おいて耐ＣＯ性が低下することで発電電圧が低下し、発電効率が低下する場合があるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、長時間運転が実施されても、次の燃料電池の発電において燃料電池の発電電圧が低下する可能性が低減される燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、長時間運転時は燃料電池のアノードの水分が過剰になって、アノード極の濡れ性が変化し、燃料ガス中に微量に含まれている一酸化炭素（ＣＯ）の被毒に対する耐ＣＯ性が低下する場合があり、このような場合において上記従来の燃料電池システムのように燃料電池のアノード経路を封止するだけで、次回の燃料電池の発電を開始すると、燃料電池のアノード極の濡れ性が改善せず、燃料電池の出力電圧が所望の値よりも低下してしまうという推論に至った。

そこで、上記課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、原料ガス及び水蒸気から水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池内のアノードから排出されたオフガスが流れるオフガス経路と、前記オフガス経路を流れるオフガス中の水分を凝縮させるための水凝縮器と、前記水凝縮器を通過した前記オフガスを燃焼し、前記燃料処理器を加熱する燃焼器とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムの停止処理開始から次の前記燃料電池の発電開始までの間において、前記オフガス経路より排出され、前記水凝縮器を通過した前記オフガスを前記燃料電池のアノードに供給する循環処理を行うことを特徴とする。

上記構成により、水凝縮器により水分が除去された燃料電池のアノードオフガスを燃料電池のアノードに供給することで、燃料電池のアノードの過剰な水分が除去され、濡れ性が一様に改善させる。従って、燃料電池のアノード極の耐ＣＯ性が回復した状態で、次の燃料電池の発電を開始されるため、燃料電池の発電初期から出力電力が安定した発電運転を行うことが可能になる。

また、第２の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記循環処理において前記水凝縮器を通過した前記オフガスを前記燃料処理器を経由して前記燃料電池のアノードに供給することを特徴とする。

上記構成により、燃料処理器内の水分も減少するため、燃料電池のアノードの濡れ性改善だけでなく、燃料処理器内の水分凝縮に伴う触媒劣化を抑制することが可能になる。

また、第３の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記循環処理において前記水凝縮器を通過した前記オフガスを前記燃料処理器を経由せず前記燃料電池のアノードに供給することを特徴とする。

上記構成により、循環処理において燃料処理器内の水分が燃料電池のアノード極に供給されるオフガス中に加味されることがないため、より短時間でアノード側の過剰な水分を除去し、濡れ性を改善させ耐ＣＯ性の低下を抑制させることが可能となる。従って、上記循環処理に要する仕事量が少なくて済み、燃料電池システムの省エネ性を向上させることが可能となる。

また、第４の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記原料ガスを供給する原料ガス供給経路を備え、前記循環処理中において、前記原料ガス供給経路より前記オフガスの循環経路に原料供給を行うことを特徴とする。

上記構成により、停止処理中において循環処理を実行した場合、循環処理実行中に、循環しているオフガス中の水蒸気も減少や、システムの温度低下に伴う循環経路内のオフガス体積の減少により循環経路内が負圧になることを抑制することが可能となる。さらに、負圧化することにより、一度凝縮した水分が再蒸発し、その水分がアノードや燃料処理器中の触媒に再付着することを抑制することが可能となる。

また、第５の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料処理器の温度が所定の閾値以下の場合に、前記循環処理を行うことを特徴とする。

上記構成により、燃料処理器内の触媒温度が下がった状態で循環処理が実行されるためオフガスの中に原料ガス成分が含まれていても、触媒表面上での炭素析出が抑制され、燃料処理器の耐久性や水素生成能力の維持の点から好適である。

また、第６の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池の発電時間が所定の閾値以上になった場合に、前記循環処理を行うことを特徴とする。

上記構成により、前記燃料電池の実発電時間が所定の閾値を超えた場合に、前記循環経路でのガス循環を行わせることで、発電によるアノードの濡れ性の変化が生じる可能性が高い状態になってから上述の燃料ガス循環処理が実行されるので、停止処理の度に燃料ガス循環処理を実行する場合に比べ、余分なガス循環を行うことがなく、無駄な駆動仕事を行うことがなく、省エネ性を向上させることが可能となる。

また、第７の本発明の燃料電池システムは、原料ガス及び水蒸気から水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されたオフガスが流れるオフガス経路と、前記オフガス経路を流れる前記オフガス中の水分を凝縮させるための水凝縮器と、前記オフガス中の可燃性ガスを燃焼することにより前記燃料処理器を加熱するための燃焼器と、前記燃焼器と前記水凝縮器との間の前記オフガス経路から分岐し、前記燃料電池のアノードよりも上流の経路と接続する分岐経路と、前記水凝縮器を通過した前記オフガスの流入先を前記燃焼器または前記分岐経路の間で切替える第１切替器と、前記オフガス経路、前記分岐経路、前記分岐経路との接続箇所と前記燃料電池との間の経路、及び前記燃料電池のアノード経路から構成される循環経路に設けられたオフガス送出器と、制御器とを備え、前記制御器は、停止処理開始から次の前記燃料電池の発電開始までの間において、前記切替器により前記分岐経路側に切替えるとともに、前記オフガス送出器を動作させ、前記水凝縮器を通過したオフガスを前記燃料電池のアノードに供給する循環処理を行うことを特徴とする。

上記構成により、水凝縮器により水分が除去された燃料電池のアノードオフガスが燃料電池のアノードに供給されることで、燃料電池のアノードの過剰な水分が除去され、濡れ性が一様に改善させる。従って、燃料電池のアノード極の耐ＣＯ性が回復した状態で、次の燃料電池の発電を開始されるため、燃料電池の発電初期から出力電力の安定した発電運転を行うことが可能になる。

また、第８の本発明の燃料電池システムは、前記燃料処理器に供給される前記原料ガスが流れる原料ガス経路と、前記分岐経路は、前記原料ガス経路に接続される第１の分岐経路であり、前記オフガス送出器は、前記燃料処理器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器であることを特徴とする。

上記構成により、循環処理用の新たなオフガス送出器を設けずに、燃料処理器を有する燃料電池システムにおいて通常設けられる原料ガス供給器を用いて、上記循環処理が実行できる。また、燃料処理器内の水分も減少するため、燃料電池のアノード極の濡れ性改善だけでなく、燃料処理器内の水分凝縮に伴う触媒劣化を抑制することが可能になる。

また、第９の本発明の燃料電池システムは、前記原料ガス経路から分岐し、前記前記燃料処理器をバイパスして前記燃料処理器と前記燃料電池との間の経路と接続するバイパス経路と、前記原料ガス経路内のガスの流入先を前記燃料処理器とバイパス経路との間で切替える第２切替器とを備え、前記制御器は、前記循環処理において前記切替器を前記バイパス経路側に切替えることを特徴とする。

上記構成により、循環処理用の新たなオフガス送出器を設けずに、燃料処理器を有する燃料電池システムにおいて通常設けられる原料ガス供給器を用いて、上記循環処理が実行できる。上記循環処理において燃料処理器内の水分が燃料電池のアノード極に供給されるオフガス中に加味されることがないため、より短時間でアノード側の過剰な水分を除去し、濡れ性を改善させ耐ＣＯ性の低下を抑制させることが可能となる。従って、上記循環処理に要する仕事量が少なくて済み、燃料電池システムの省エネ性を向上させることが可能となる。

また、第１０の本発明の燃料電池システムは、前記分岐経路は、前記燃料処理器と前記燃料電池との間の経路に接続される第２分岐経路であることを特徴とする。

また、第１１の本発明の燃料電池システムは、前記燃料処理器の温度を検知する温度検知器を備え、前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が所定の閾値以下の場合に、前記循環処理を行うことを特徴とする。

上記構成により、燃料処理器内の触媒温度が下がった状態で循環処理が実行されるためオフガスの中に原料ガス成分が含まれていても、触媒表面上での炭素析出が抑制され、燃料処理器の耐久性や水素生成能力の維持の点から好適である。

また、第１２の本発明の燃料電池システムは、前記制御器は、前記燃料電池の発電時間が所定の閾値以上になった場合に、前記循環処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池を長時間運転した場合に起こる可能性のあるアノードの濡れ性の変化に伴う燃料電池のアノード極の耐ＣＯ性低下が適切に抑制されるため、燃料電池の出力電圧の低下が抑制され、安定した発電が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態による燃料電池システムの構成例を示したブロック図である。

この燃料電池システム５０は主として、水素を含有する燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を消費して発電する燃料電池１２と、燃料電池１２によって発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ１４と、燃料電池１２のアノード経路１２ａに水素を含有する燃料ガスを供給する燃料処理器１１と、燃料電池１２のカソード経路１２ｂに酸化剤ガス（空気）を供給する空気ブロア１３（酸化剤ガス供給器）と、燃料電池１２のアノード１２ａから排出され、燃料電池１２で消費されなかった水素を含む燃料オフガスが流れるオフガス経路２４と、オフガス経路２６上に設けられ、燃料オフガス中に含有された水分を凝縮させる水凝縮器１５と、水凝縮器１５で凝縮した水を貯える回収水タンク１６と、燃焼ファン（図示せず）から供給された空気と燃料オフガスとを混合し燃焼して燃料処理器１１に熱を供給する本発明の燃焼器の一例であるバーナ１７と、バーナ１７と水凝縮器１５の間のオフガス経路に設けられた第１弁２３ａと、燃料処理器１１に水蒸気改質用の水を供給す水供給器２２と、燃料処理器１１に供給される原料ガスが流れる原料ガス経路２５と、原料ガス経路２５に設けられた、原料ガスを燃料処理器１１に供給する本発明の原料ガス供給器としてのブースターポンプ１９と、原料ガス経路２５に設けられた、原料ガス弁１８と、水凝縮器１５とバーナ１７との間のオフガス経路２４から分岐し、ブースターポンプ１９の上流の上記原料ガス経路２５に接続される分岐経路２６と、分岐経路２６の分岐部より下流のオフガス経路２４に設けられた第１弁２３ａと、分岐経路２６に設けられた第２弁２３ｂと、燃料処理器１１から送出されるガスを燃料電池１２をバイパスしオフガス経路２４に流入させるための第１バイパス経路２７と、燃料処理器１１から送出される燃料ガスの流入先を燃料電池１２及び第１バイパス経路２７との間で切替える流路切替器２８と、第１バイパス経路２７とオフガス経路２４との合流部より上流のオフガス経路２４に設けられたアノード出口弁２９と、燃料処理器１１の温度を検知する温度検知器３０と、燃料電池システムの各機器を制御する制御器３１とを備える。なお、上記回収水タンク１６に貯えられた水は、ポンプを動作させることで、不純物イオンを除去するイオン交換樹脂を有する水浄化器２０に回収水タンク１６から取出した水を通過させ、浄化された水は冷却水タンク２１に供給されるよう構成されている。

また、上記燃料処理器１１は通常、原料ガスと水蒸気から水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質器（図示せず）と、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素ガスを水蒸気とシフト反応させ、水素ガスと二酸化炭素に変換させる変成器（図示せず）と、変成器を通過後の水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を酸化反応により二酸化炭素に変換し、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を約１０ｐｐｍ以下に低濃度化させるＣＯ除去器（図示せず）を内蔵している。

そして、改質器には改質反応を促進する改質触媒体（図示せず）があり、この改質触媒体への反応熱供給用の燃焼器として、上記のバーナ１７が設置され、バーナ１７の内部の燃料ガスを燃焼ファン（図示せず）から送風される空気によって可燃濃度範囲に希釈し混合した後、この混合ガスをバーナ１７の内部で燃焼させて生成した高温の燃焼ガスとの熱交換によって改質触媒体は加熱される。加熱された改質触媒体に含水素有機化合物を含む原料ガス及び水蒸気が供給され水素を含む燃料ガスを生成する。なお、改質触媒体と熱交換した燃焼ガスは、燃料処理器に設けられた排気口（図示せず）から大気中に放出される。また、本実施の形態の燃料電池システムにおいて、本発明の第１切替器は、第１弁２３ａ及び第２弁２３ｂにより構成されるが、オフガス経路２４から分岐経路２６に分岐する分岐部に設けられた流路切替器であっても構わない。

従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電停止指令があると、燃料電池のアノード極を酸化劣化から防止するために、すみやかに燃料電池のアノード経路を封止し、燃料電池のアノード経路に燃料ガスを封入した状態で停止を行う。これは、燃料ガス中に含まれる水素ガスの水素電位にアノード極を維持するためである。このような停止処理を実行する従来の燃料電池システムの場合、燃料電池１２の発電を長時間継続すると、次回発電時の燃料電池の耐ＣＯ性が低下し、発電電圧が低下する場合があるという問題を発見した。より、具体的には、図２に示すように燃料電池１２を２５００ｈｒ連続で発電運転して停止した後の次の燃料電池の発電運転においては、ＣＯ濃度が上昇するにつれて、初期状態と比べて耐ＣＯ性が低下し、ＣＯ濃度に対する発電電圧が初期状態に比べ低下するという結果が得られた。

そこで、本発明者等が鋭意検討した結果、燃料電池の発電停止後に、燃料電池１２のアノード極に発電時に供給される燃料ガスよりも含水蒸気量の少ない低湿度ガスを、例えば、一昼夜供給し続け、燃料電池のアノード極の濡れ性を初期化する処理を実行し、その後、燃料電池の発電を行うと、燃料電池１２の発電電圧が回復することがわかった。より具体的には、図２に示すように燃料電池１２を２５００ｈｒ連続で発電運転し、停止処理を開始してから次の発電運転を開始するまでの間に、上記低湿度ガスを燃料のアノードに供給し続ける処理を実行すると、次の燃料電池の発電運転において耐ＣＯ性及びＣＯ濃度に対する発電電圧は初期状態と変わらないという結果が得られた。

また、長期運転終了後に取り出したアノード電極の触媒には劣化等の影響が見られないことから、長期運転終了後の次の燃料電池の発電時の電圧低下は、燃料電池アノード電極の濡れ性の変化によって、アノード極の耐ＣＯ特性が低下し、アノード電位が上昇したことに起因する電圧低下である可能性が高いと推定される。

そこで、本実施の形態の燃料電池システムは、上記従来のシステム構成に代えて、燃料電池の停止処理が開始されてから次の燃料電池の発電が開始されるまでの間に、低湿度ガスを燃料電池のアノードに供給する処理を実行する。より具体的には、燃料電池１２のアノードから排出され、水凝縮器１５を通過し、含水分量が低減されたガスを燃料電池１２のアノードに供給する循環処理を実行する。

本実施の形態の燃料電池システムにおける上記循環処理について図３に示すフロー図を用いて詳細に説明する。

制御器３１より運転停止指令が出力され、インバータ１４の出力が停止し、燃料電池１２の発電が停止されるとともに空気ブロア１３、ブースターポンプ１９の動作も停止される。

そして、制御器３１の制御により、流路切替器２８を第１バイパス経路２７側に切替え、アノード出口弁２９を閉止することで、燃料電池１２のアノード経路１２ａを封止する（ステップＳ０１）。

上記運転停止指令が出力され、ステップＳ０１により燃焼器１７に燃料処理器１１を通過した可燃性ガスの供給が停止され燃焼が停止した後も、バーナ１７に設けられた燃焼ファン（図示せず）の動作を継続し、温度検知器３０で検知された温度が原料ガスが供給されても炭素析出しない所定の温度閾値（例えば、５００℃）以下になると、ブースターポンプ１９の動作を再開し、燃料処理器１１内を原料ガスで置換する原料ガスパージ動作を実行する（ステップＳ０２）。このパージ動作期間中は、燃料処理器１１内部を通過してバーナ１７に供給される原料ガスと燃焼ファン（図示せず）により供給される空気とを用いて燃焼し、燃料電池システムの外部に燃焼排ガスを排出する。

そして、パージ動作完了後、流路切替器２８を燃料電池１２側に切替えるとともに、アノード出口弁２９を開放し、更に第１弁２３ａを閉止するとともに、第２弁２３ｂを開放し、オフガス経路２４を流れるガスの流入先をバーナ１７から分岐路２６に切替える。そして、原料ガス弁１８も閉止する。すると、燃料電池１２のオフガス経路、分岐経路２６、分岐経路２６と原料ガス経路２５との接続部と燃料電池のアノードの間の経路と、燃料電池１２のアノード経路１２ａから構成される循環経路内をガスが循環する（ステップＳ０４）。この循環処理を実施することで水凝縮器１５で凝縮され、水分を除去され、低湿度化された燃料電池１２のアノードオフガスが再度燃料電池１２のアノードガス流路１２ａに供給され、燃料電池１２のアノード極の水分を低減し、アノード極の濡れ性を一様にする。なお、凝縮器１５は、構造的に空冷されるフィン式であってもよいし、冷却媒体との間で熱交換する熱交換器であってもよく、凝縮器１５が冷却媒体との間で熱交換する熱交換器である場合は、上記循環動作中において上記冷却媒体が流れる冷却媒体経路内の冷却媒体を通流させ、凝縮器１５における冷却動作を実行する。

上記循環処理を所定時間継続した後、ブースターポンプ１９の動作を停止するとともに、切替器２８を第１バイパス経路２７側に切替え、アノード出口弁２９を閉止する（ステップＳ０５）。更に、第２弁２３ｂも閉止する。また、上記ステップＳ０４の循環動作の開始以降、燃料処理器１１の温度が外気温度近くになるまでの間、アノードオフガスからの水分除去により循環経路内のガス収縮、もしくは燃料処理器１１の温度の低下に伴う燃料処理器１１経路内のガス収縮を補うため、適宜原料ガス弁１８を開放し、原料ガスを補給し、外気圧よりも高い圧力（例えば、原料ガスが都市ガスなら、都市ガス圧である外気圧＋２ｋＰａ）に保持する補圧処理を実行する（ステップＳ０６）。

このように、燃料電池１２の発電停止後に所定時間（例えば、約０．１〜８ｈｒ）の間、上記循環処理を行うことで、燃料電池１２の次回発電時に発電電圧の低下の発生が抑制され、安定し且つ高い発電効率を実現することが可能となる。循環させる時間は、燃料電池１２の発電運転時の温度や、発電時間等を考慮し、最適な時間を適宜設定することが好ましい。具体的には、燃料電池の発電運転時の温度が高いほど、また、燃料電池の発電運転時間が短いほど循環処理時間はより短時間でアノードの濡れ性の改善効果が得られる。一方、燃料電池の発電運転時の温度が低いほど、また、燃料電池の発電運転時間が長時間であるほど、燃料電池のアノードの濡れ性を改善し、次回発電時の燃料電池の電圧低下を抑制するには、上記循環処理時間は、より長時間行う必要があることがわかった。

また、上記循環処理において、アノードオフガスが流れる循環経路は系外に対して密閉されるよう構成されているため、上記循環経路内で循環している可燃性ガスが系外に排出されることがなく、燃料処理器１１、燃料電池１２及びこれを動作させるための補機類を含む燃料電池システム５０を収納する筐体（図示せず）内部での爆燃気形成等の可能性を低減し、安全性を向上することができる。また、上記循環処理において水素を含有するアノードオフガスを燃料電池１２のアノード経路を含む循環経路内で循環動作させるため、アノード電極の電位を上昇させることがなく、アノード電極の劣化を抑制できる。さらに、燃料処理器１１内の変成器（図示せず）で使用されるシフト触媒（Ｃｕ−ＺｎＯ）にとって、水分の凝縮は劣化原因となるが、上記循環処理のステップＳ０４で燃料処理器１１を含む循環経路内において水凝縮器１５で水分除去されたアノードオフガスが循環されるので、燃料電池のアノードの水分除去と燃料処理器内のシフト触媒の水分除去が同時に行われるため、燃料電池の発電電圧の低下の抑制だけでなく、燃料処理器の耐久性を向上させることが可能となる。

また、ステップＳ０６により水分除去器１５での水分除去による循環経路内のガス収縮や、燃料処理器１１の温度低下による燃料処理器１１経路内のガス収縮を補うため制御器３１の指令により原料ガス弁１８を適宜開閉し原料ガスを補給することで、循環経路内の負圧化により循環経路内の微小な隙間から大気混入し、アノード電位が上昇すること、または、燃料処理器１１内の触媒が酸化することが抑制される。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成例を示したブロック図である。実施の形態１の燃料電池システムと同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略し、異なる構成について説明する。本実施の形態の燃料電池システムは、ブースターポンプ１９と燃料処理器１１との間に燃料処理器１１をバイパスする第２バイパス経路３２と、この第２バイパス経路３２を開閉する第３弁３３を有する。なお、バイパス経路３２は、流路切替器２８の燃料電池１２との間の経路に接続するよう構成されている。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の循環処理において、水凝縮器１５により水分除去されたアノードオフガスを、燃料処理器１１をバイパスさせて燃料処理器１１に供給せずに、燃料電池１２に直接供給することを特徴とする。

より具体的には、実施の形態１の燃料電池システムの循環処理の制御フロー中のステップＳ０４において、第３弁３３を開放することで第２バイパス経路３２を開放し、切替器２８を第１バイパス経路２７側に切替える点以外は、実施の形態１の燃料電池システムの循環処理と同一とする。これにより、水凝縮器１５により水分除去されたアノードオフガスは、燃料処理器１１よりも流路抵抗の低い第２バイパス経路側３２に流れ、燃料電池１２のアノード経路に直接供給されることになる。

本実施の燃料電池システムでは、実施の形態１の燃料電池システムにより得られる効果に加え、水分除去されたアノードオフガスにより燃料処理器１１内の水分除去を行う必要がなくなるため、燃料電池１２のアノード極の濡れ性改善のための循環処理時間がより短時間（例えば、約０．１〜２ｈｒ）で完了することが可能になる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成例を示したブロック図である。実施の形態１の燃料電池システムと同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略し、異なる構成について説明する。本実施の形態の燃料電池システムは、分岐路２６が、原料ガス経路２５ではなく、切替器２８と燃料電池１２との間の経路と接続するとともに、分岐路２６にガス循環ポンプを設けるよう構成されている。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態２と同様に、水凝縮器１５により水分除去されたアノードオフガスを、燃料処理器１１をバイパスさせて燃料処理器１１に供給せずに、燃料電池１２に直接供給することを特徴とする。

より具体的には、実施の形態１の燃料電池システムの循環処理の制御フロー中のステップＳ０４において、ブースターポンプ１９の動作を停止し、上記ガス循環ポンプの動作を開始するとともに、切替器２８を第１バイパス経路２７側に切替える点以外は、実施の形態１の燃料電池システムの循環処理と同一とする。これにより、凝縮器１５により水分除去されたアノードオフガスは、燃料処理器１１をバイパスし、分岐経路２６を通じて、燃料電池１２のアノード経路に直接供給されることになる。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態２と異なる構成により同様の効果を得ることが可能になる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池を長時間運転した場合の燃料電池のアノード極の耐ＣＯ性低下が適切に抑制され、燃料電池の出力電圧の低下が抑制されるので、燃料電池自動車や家庭用燃料電池システム等として有用である。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成例を示したブロック図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの発電電圧挙動の一例を示す図 本発明の実施の形態１による燃料電池システムの構成例を示したブロック図 本発明の実施の形態２による燃料電池システムの構成例を示したブロック図 本発明の実施の形態３による燃料電池システムの構成例を示したブロック図 従来の燃料電池システムの構成例を示したブロック図

符号の説明

１１ 燃料処理器
１２ 燃料電池
１３ 空気ブロア
１４ インバータ
１５ 水凝縮器
１６ 回収水タンク
１７ バーナ
１８ 原料ガス弁
１９ ブースターポンプ
２０ 水浄化器
２１ 冷却水タンク
２２ 水供給器
２３ａ 第１弁
２３ｂ 第２弁
２４ オフガス経路
２５ 原料ガス経路
２６ 分岐経路
２７ 第１バイパス経路
２８ 流路切替器
２９ アノード出口弁
３０ 温度検知器
３１ 制御器
３２ 第２バイパス経路
３３ 第３弁
１０１ 燃料処理器
１０２ バーナ
１０３ 原料ガス供給器
１０４ 水蒸気発生器
１０５ 水凝縮器
１０９ 燃料電池
１０９ａ アノード
１０９ｂ カソード
１１０ 空気ブロア
１１１ 制御装置

Claims (12)

1. 原料ガス及び水蒸気から水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されたオフガスが流れるオフガス経路と、前記オフガス経路を流れるオフガス中の水分を凝縮させるための水凝縮器と、前記水凝縮器を通過した前記オフガスを燃焼し、前記燃料処理器を加熱する燃焼器とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池システムの停止処理開始から次の前記燃料電池の発電開始までの間において、前記オフガス経路より排出され、前記水凝縮器を通過した前記オフガスを前記燃料電池のアノードに供給する循環処理を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
2. 前記循環処理において前記水凝縮器を通過した前記オフガスを前記燃料処理器を経由して前記燃料電池のアノードに供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの運転方法。
3. 前記循環処理において前記水凝縮器を通過した前記オフガスを前記燃料処理器を経由せず前記燃料電池のアノードに供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの運転方法。
4. 前記原料ガスを供給する原料ガス供給経路を備え、
   前記循環処理中において、前記原料ガス供給経路より前記オフガスの循環経路に原料供給を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
5. 前記燃料処理器の温度が所定の閾値以下の場合に、前記循環処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
6. 前記燃料電池の発電時間が所定の閾値以上になった場合に、前記循環処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
7. 原料ガス及び水蒸気から水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されたオフガスが流れるオフガス経路と、前記オフガス経路を流れる前記オフガス中の水分を凝縮させるための水凝縮器と、前記オフガス中の可燃性ガスを燃焼することにより前記燃料処理器を加熱するための燃焼器と、前記燃焼器と前記水凝縮器との間の前記オフガス経路から分岐し、前記燃料電池のアノードよりも上流の経路と接続する分岐経路と、前記水凝縮器を通過した前記オフガスの流入先を前記燃焼器または前記分岐経路の間で切替える第１切替器と、前記オフガス経路、前記分岐経路、前記分岐経路との接続箇所と前記燃料電池との間の経路、及び前記燃料電池のアノード経路から構成される循環経路に設けられたオフガス送出器と、制御器とを備え、前記制御器は、停止処理開始から次の前記燃料電池の発電開始までの間において、前記切替器により前記分岐経路側に切替えるとともに、前記オフガス送出器を動作させ、前記水凝縮器を通過したオフガスを前記燃料電池のアノードに供給する循環処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記燃料処理器に供給される前記原料ガスが流れる原料ガス経路と、
   前記分岐経路は、前記原料ガス経路に接続される第１の分岐経路であり、前記オフガス送出器は、前記燃料処理器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記原料ガス経路から分岐し、前記前記燃料処理器をバイパスして前記燃料処理器と前記燃料電池との間の経路と接続するバイパス経路と、前記原料ガス経路内のガスの流入先を前記燃料処理器とバイパス経路との間で切替える第２切替器とを備え、前記制御器は、前記循環処理において前記切替器を前記バイパス経路側に切替えることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
10. 前記分岐経路は、前記燃料処理器と前記燃料電池との間の経路に接続される第２分岐経路であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料処理器の温度を検知する温度検知器を備え、前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が所定の閾値以下の場合に、前記循環処理を行うことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
12. 前記制御器は、前記燃料電池の発電時間が所定の閾値以上になった場合に、前記循環処理を行うことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。

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