JP2016066567A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼触媒を備えた燃料電池システムにおいて、燃焼触媒の触媒反応を回復させることを目的とする。
【解決手段】燃料電池システム１００は、改質部３３によって生成された改質ガスと酸化剤ガスとにより発電をする燃料電池３４と、燃料電池３４から排気される可燃成分を含むアノードオフガスを、酸化剤ガスで燃焼させる燃焼部３６と、燃焼部３６から排気される燃焼排ガスが導入されて、燃焼排ガス中に含まれる可燃成分を触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒２８と、燃焼部３６においてアノードオフガスが着火しない条件を満たす場合に、原料ポンプ１１ａ２によって改質用原料を改質部３３に供給して、燃焼触媒２８においてアノードオフガスを燃焼させて、急激な温度変化を燃焼触媒２８に与えることにより、燃焼触媒２８を被覆して触媒反応を阻害する被膜を損傷させて、触媒反応を回復させる制御装置１５と、を有する。
【選択図】 図１

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、このような燃料電池システムは、供給された改質用原料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒（２１ａ）と、生成された改質ガスから一酸化炭素濃度を低減させるシフト触媒（２３ａ）と、改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池（１０）と、燃料電池から排出されるアノードオフガスとカソードオフガスを触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒（燃焼器８６）と、を備えている。

特許文献１に示される燃料電池システムでは、燃焼触媒から排出された燃焼排ガスは、熱交換器に供給されて改質ガスとの間で熱交換されるようになっている。この燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時に、改質ガスが燃焼触媒に供給され、改質ガスを燃焼触媒において燃焼させ、改質ガスを熱交換器内において燃焼排ガスとの熱交換によって昇温させる。そして、この昇温された改質ガスによってシフト触媒を昇温させ、硫黄被毒したシフト触媒から硫黄を離脱させている。

特開２００５−３５３３４８号公報

このような燃料電池システムは、燃料電池システムから熱が逃げるのを防止するために、シリカやアルミナを主成分とするセラミックファイバー製の断熱材で覆われていることが一般的である。ところが、燃料電池システムの運転の継続により、燃料電池システムから発生する熱や水蒸気によって、断熱材に含まれるシリカがガス化し、当該シリカが燃焼触媒の表面を被覆して、燃料触媒の表面にシリカ被膜が形成されてしまう。すると、燃焼触媒の表面が燃焼排ガスと接触できなくなり、燃焼触媒の触媒反応が低下してしまう。

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、燃焼触媒を備えた燃料電池システムにおいて、燃焼触媒の触媒反応を回復させることを目的とする。

上記の課題を解決するためになされた、請求項１に係る燃料電池システムの発明は、改質水と改質用原料とから改質ガスを生成する改質部と、前記改質部に前記改質用原料を供給する改質用原料供給部と、前記改質部によって生成された前記改質ガスと酸化剤ガスとにより発電をする燃料電池と、前記燃料電池から排気される可燃成分を含むアノードオフガスを、酸化剤ガスで燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部から排気される燃焼排ガスが導入されて、前記燃焼排ガス中に含まれる可燃成分を触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒と、急激な温度変化を前記燃焼触媒に与えることにより、前記燃焼触媒を被覆して前記触媒反応を阻害する被膜を損傷させて、前記触媒反応を回復させる燃焼触媒回復部と、を有する。

このように、燃焼触媒回復部は、急激な温度変化を燃焼触媒に与えることにより、燃焼触媒を被覆して触媒反応を阻害する被膜を損傷させる。これによれば、燃焼触媒を被覆している被膜が損傷して、この被膜に亀裂が入り、又はこの被膜が燃焼触媒から剥がれ落ちる。このため、燃焼触媒の表面が燃焼排ガスと接触できるようになり、燃焼触媒の触媒反応が回復する。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 「燃焼触媒回復処理」のタイムチャートである。 図１に示す制御装置で実行される第一実施形態の「燃焼触媒回復処理」のフローチャートである。 図１に示す制御装置で実行される第二実施形態の「燃焼触媒回復処理」のフローチャートである。

（燃料電池システムの構成）
以下、本発明による燃料電池システム１００の一実施形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１００は、発電ユニット１０及び貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、及び制御装置１５を備えている。

燃料電池モジュール１１は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３、及び燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。本実施形態では、断熱性材料は、シリカ及びアルミナを主成分とするセラミックファイバーで構成されている。蒸発部３２は、後述する燃焼部３６によって燃焼された燃焼排ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料とを混合して改質部３３に供給する。

蒸発部３２には、改質用原料供給管１１ａの一端が接続されている。改質用原料供給管１１ａの他端には、供給源Ｇｓが接続されている。供給源Ｇｓは、改質用原料を供給するものである。改質用原料としてはＬＰＧ（液化石油ガス）、メタンガスを主成分とする天然ガス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る。改質用原料としてＬＰＧを用いた実施形態について、本実施形態の燃料電池システム１００を説明する。

改質用原料供給管１１ａには、上流から順番に原料流量センサ１１ａ１、原料ポンプ１１ａ２が設けられている。原料流量センサ１１ａ１は、蒸発部３２に供給されている改質用原料の流量、すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果（検出信号）を制御装置１５に送信している。原料ポンプ１１ａ２（改質用原料供給部に該当）は、改質用原料を蒸発部３２に供給することにより、改質用原料を改質部３３に供給する装置であり、制御装置１５からの制御指令値によって供給源Ｇｓからの改質用原料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

蒸発部３２には、水供給管１１ｂの一端が接続されている。水供給管１１ｂの他端には、水タンク１４に接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。このような構成によって、水タンク１４から改質水が蒸発部３２に供給される。

燃料電池３４には、カソードエア供給管１１ｃの一端が接続されている。カソードエア供給管１１ｃの他端には、カソードエアブロワ１１ｃ１が接続されている。カソードエアブロワ１１ｃ１（酸化剤ガス供給部に該当）は、カソードエア（酸化剤ガス）を燃料電池３４に供給するものである。カソードエア供給管１１ｃのカソードエアブロワ１１ｃ１の下流側には、燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量を検出するカソードエア流量センサ１１ｃ２が設けられている。

改質部３３は、後述する燃焼部３６によって燃焼された燃焼排ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は、改質用原料と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

改質部３３には、改質部３３の温度（触媒の温度）を検出する改質部温度センサ３３ａ（改質部温度検出部に該当）が設けられている。改質部温度センサ３３ａの検出結果（検出信号）は制御装置１５に送信される。

燃料電池３４は、改質部３３によって生成された改質ガスとカソードエアブロワ１１ｃ１によって供給されたカソードエア（酸化剤ガス）とによって発電するものである。燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池３４は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。なお、燃料電池３４の動作温度は４００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。

セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。

燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。燃料電池３４には、燃料電池３４の温度を検出し、その検出結果（検出信号）を制御装置１５に出力する燃料電池温度検出センサ３４ｄが設けられている。燃料電池温度検出センサ３４ｄは、燃料電池３４の積層方向の中央部に設けられるのが好適である。

燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２及び改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４から排気される可燃成分を含むアノードオフガス（燃料オフガス）を、燃料電池３４から排気されるカソードオフガス（酸化剤オフガス）で燃焼させて、燃焼後に発生する燃焼排ガスによって蒸発部３２及び改質部３３を加熱する。

燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とを熱交換させる装置である。貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図１にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に循環ポンプ２２ａ及び熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、燃焼排ガス導入部１２ｂを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われて冷却され、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮され凝縮水が生成される。熱交換後の燃焼排ガスは排気管１２ｃを通り、筐体１０ａに設けられた排気口１０ｂを通って、筐体１０ａの外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１及び貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

熱交換器１２の燃焼排ガス導入部１２ｂの入口がケーシング３１に接続されている部分、すなわちケーシング３１の導出口３１ａには、燃焼触媒２８が設けられている。燃焼触媒２８には、燃焼部３６から排気される燃焼排ガスが導入される。燃焼触媒２８は、燃焼排ガスに含まれる燃焼部３６において未燃焼の可燃成分（例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など）を触媒反応によって燃焼させる。燃焼触媒２８には、プラチナやパラジウムなどの貴金属をセラミックの単体などに担持させたものが含まれる。なお、燃焼触媒２８は、水素、メタンガス、一酸化炭素などの可燃成分を火炎燃焼でなく触媒反応によって燃焼させるため、この可燃成分の燃焼速度が速く、この可燃成分の燃焼効率も高いため未燃焼排ガスの排出を抑制することができる。

燃焼触媒２８には、燃焼触媒ヒータ２８ａが設けられている。燃焼触媒ヒータ２８ａは、制御装置１５の指示によって加熱される電気式のヒータであり、燃焼触媒２８を加熱して、燃焼触媒２８を触媒の活性温度まで上昇させるために使用されるものである。また、燃焼触媒２８の直下流位置には、燃焼触媒２８の出口から排気されるガスの温度（以下、適宜、燃焼触媒出口ガス温度と略す）を検出するための出口ガス温度センサ２８ｂが設けられている。出口ガス温度センサ２８ｂの検出結果（検出信号）は制御装置１５に送信される。

インバータ装置１３は、燃料電池３４によって発電された電流を掃引する。この電流を以下に、掃引電流と呼ぶ。そして、インバータ装置１３は、掃引した直流電流である掃引電流を交流電流に変換し、当該交流電を交流の系統電源１６ａ及び外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。インバータ装置１３は、掃引電流の電流値を検出することができ、掃引電流量を増減させることができる。インバータ装置１３には、系統電源１６ａからの交流電流が電源ライン１６ｂを介して入力される。そして、インバータ装置１３は、入力された交流電流を所定の直流電流に変換して補機（各ポンプ、ブロワ、ヒータなど）や制御装置１５に出力する。

制御装置１５は、燃料電池システム１００を統括制御するものである。制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１００の運転を制御する。制御装置１５は、原料流量センサ１１ａ１によって検出された改質用原料の蒸発部３２への流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ２が蒸発部３２に供給する改質用原料の流量をフィードバック制御する。また、制御装置１５は、カソードエア流量センサ１１ｃ２によって検出されたカソードエアの燃料電池３４への流量に基づいて、カソードエアブロワ１１ｃ１が燃料電池３４に供給するカソードエアの流量をフィードバック制御する。

制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ２によって蒸発部３２に供給される改質用原料の流量を調整する。そして、制御装置１５は、改質水ポンプ１１ｂ１によって蒸発部３２に供給される改質水の流量を調整する。更に、制御装置１５は、カソードエアブロワ１１ｃ１によって燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量を調整する。このようにして、制御装置１５は、燃料電池３４で発電される発電電力を調整するとともに、燃焼部３６で発生した熱量を調整して、蒸発部３２及び改質部に供給される熱量を調整する。

（燃焼触媒回復処理の概要）
以下に、図２に示すタイムチャートを用いて、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜を損傷させて、燃焼触媒２８の触媒反応を回復させる「燃焼触媒回復処理」について説明する。「燃焼触媒回復処理」は、図２に示すように、燃焼触媒２８の表面を急激に昇温させるとともに（ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、ｔ５〜ｔ６、ｔ７〜ｔ８，ｔ９〜ｔ１０）、燃焼触媒２８の表面を急激に降温させて（ｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５、ｔ６〜ｔ７、ｔ８〜ｔ９、ｔ１０〜ｔ１１）、燃焼触媒２８に急激な温度変化を繰り返し与えることにより、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜に損傷を与える処理である。この「燃焼触媒回復処理」が実行されると、燃焼触媒２８を被覆しているシリカ被膜に亀裂が入り、又はこのシリカ被膜が燃焼触媒２８の表面から剥がれ落ちる。すると、燃焼触媒２８の表面が燃焼排ガスと接触できるようになり、燃焼触媒２８の触媒反応が回復する。なお、燃焼触媒２８の表面の昇温は一時的であるために、燃焼触媒２８の昇温に伴う燃焼触媒２８の劣化は無視できるほど小さい。以下、図３に示すフローチャートを用いて、第一実施形態の「燃焼触媒回復処理」について詳細に説明する。

（第一実施形態の燃焼触媒回復処理）
燃料電池システム１００に電源が投入されると、図３に示すように、プログラムはステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１において、制御装置１５は、燃料電池システム１００の運転時間が、前回「燃焼触媒回復処理」（ステップＳ２１以降の処理）を実行してから規定時間（例えば、１万時間）を越えたと判断した場合には（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ１２に進める。一方で、制御装置１５は、燃料電池システム１００の運転時間が、前回「燃焼触媒回復処理」を実行してから規定時間を越えていないと判断した場合には（ステップＳ１１：ＮＯ）、ステップＳ１１の処理を繰り返す。

ステップＳ１２において、制御装置１５は、燃料電池システム１００が運転待機中であると判断した場合には（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ１３に進める。一方で、制御装置１５は、燃料電池システム１００が運転待機中でないと判断した場合には（ステップＳ１２：ＮＯ）、ステップＳ１２の処理を繰り返す。なお、運転待機中とは、燃料電池３４における発電の準備中である起動運転の前の状態であり、燃料電池３４における発電が停止している待機状態である。このように、燃料電池システム１００が運転待機中である場合に限り、制御装置１５は、ステップＳ１３以降の処理を実行する。一方で、燃料電池システム１００が、上述した起動運転中や、燃料電池３４が発電している発電運転中、燃料電池３４の発電を停止している運転停止中である場合には、制御装置１５は、ステップＳ１３以降の処理を実行しない。

ステップＳ１３において、制御装置１５は、燃料電池温度検出センサ３４ｄからの検出結果に基づいて、燃料電池３４の温度が着火温度（例えば、３００℃）より低く、且つ改質部温度センサ３３ａからの検出結果に基づいて、改質部３３の温度がコーキング発生温度（例えば１００℃）より低いと判断した場合には（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ２１に進める。一方で、制御装置１５は、燃料電池３４の温度が着火温度以上であり、又は改質部３３の温度がコーキング発生温度以上であると判断した場合には（ステップＳ１３：ＮＯ）、ステップＳ１３の処理を繰り返す。なお、燃料電池３４の温度が着火温度よりも低い場合には、燃料流路３４ｂを通過したアノードオフガス（改質用原料）が燃焼部３６で自然に着火しない。また、改質部３３の温度がコーキング発生温度よりも低い場合には、改質部３３に改質用原料が供給されたとしても、改質部３３において改質用原料によるコーキングの発生が抑制される。

ステップＳ２１において、制御装置１５は、カソードエアブロワ１１ｃ１を駆動させて、カソードエアの燃料電池３４への供給を開始する。このステップＳ２１の処理によって、燃焼触媒２８へのカソードエアの供給が開始される。

ステップＳ２２において、制御装置１５は、燃焼触媒ヒータ２８ａをＯＮする。このステップＳ２２の処理によって、燃焼触媒２８は、触媒の活性温度に向かって昇温する。

ステップＳ２３において、制御装置１５は、出口ガス温度センサ２８ｂの検出結果に基づいて、燃焼触媒出口ガス温度が触媒活性温度（例えば２００℃）以上であると判断した場合には（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ２４に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼触媒出口ガス温度が触媒活性温度よりも低いと判断した場合には（ステップＳ２３：ＮＯ）、ステップＳ２３の処理を繰り返す。なお、燃焼触媒出口ガス温度が触媒活性温度以上である場合には、燃焼触媒２８の表面が触媒の活性温度以上となっていて、燃焼触媒２８において可燃成分が燃焼可能となっている。

ステップＳ２４において、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ２を駆動させて、改質用原料の改質部３３への供給を開始させることにより、燃焼触媒２８の表面を昇温させる昇温処理を開始させる。このステップＳ２４の処理において、改質部３３に供給された改質用原料は、改質部３３において改質されず、燃料電池３４において発電に使用されず、燃焼部３６において燃焼されない。このため、可燃成分が多量に含まれるアノードオフガスが燃焼触媒２８に供給され、このアノードオフガスが燃焼触媒２８において触媒反応によって燃焼されて、燃焼触媒２８において多量の燃焼熱が発生する。原料ポンプ１１ａ２は、燃焼触媒２８の表面温度が第一温度勾配α以上で昇温するように、改質用原料を供給する。なお、第一温度勾配αとは、単位時間Δｔあたりの温度変化Δαを、前記単位時間Δｔで除した値（α＝Δα／Δｔ（図２示））であり、例えば１０℃／ｓである。燃焼触媒２８の表面温度が第一温度勾配α以上のような急激な温度変化で昇温すると、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜が確実に損傷する。

ステップＳ３１において、制御装置１５は、出口ガス温度センサ２８ｂの検出結果に基づいて、燃焼触媒出口ガス温度が規定昇温温度（例えば４００℃）以上であると判断した場合には（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ３２に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼触媒出口ガス温度が規定昇温温度より低いと判断した場合には（ステップＳ３１：ＮＯ）、ステップＳ３１の処理を繰り返す。なお、燃焼触媒出口ガス温度と燃焼触媒２８の表面温度との間には相関関係が有る。このため、燃焼触媒出口ガス温度が規定昇温温度に達した場合には、燃焼触媒２８の表面温度は、図２に示す第二温度Ｔ２（例えば８００℃）以上に昇温している。このように、燃焼触媒２８の表面温度が、第二温度Ｔ２以上に昇温すると、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜が確実に損傷する。

ステップＳ３２において、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ２を停止させて、改質用原料の改質部３３への供給を停止させる。このステップＳ３２の処理によって、可燃成分が多量に含まれるアノードオフガスの燃焼触媒２８への供給が停止され、燃焼触媒２８における燃焼熱の発生が停止される。

ステップＳ３３において、制御装置１５は、燃焼触媒ヒータ２８ａをＯＦＦすることにより、燃焼触媒２８の表面を降温させる降温処理を開始させる。このステップＳ３３の処理によって、燃焼触媒ヒータ２８ａによる燃焼触媒２８への熱の供給が停止されて、カソードエアブロワ１１ｃ１によってカソードエアが燃焼触媒２８に供給されて、燃焼触媒２８の表面は冷却されて降温する。カソードエアブロワ１１ｃ１は、燃焼触媒２８の表面温度が第二温度勾配β未満で降温するように、カソードエアを供給する。なお、第二温度勾配βとは、単位時間Δｔあたりの温度変化Δβを、前記単位時間Δｔで除した値（β＝Δβ／Δｔ（図２示））であり、例えば−１０℃／ｓである。燃焼触媒２８の表面温度が第二温度勾配β未満のような急激な温度変化で降温すると、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜が確実に損傷する。なお、温度変化Δβを絶対値でとった場合には、カソードエアブロワ１１ｃ１は、燃焼触媒２８の表面温度が第二温度勾配β以上で降温するように、カソードエアを供給する。

ステップＳ４１において、制御装置１５は、出口ガス温度センサ２８ｂの検出結果に基づいて、燃焼触媒出口ガス温度が規定降温温度（例えば２５０℃）以下であると判断した場合には（ステップＳ４１：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ４２に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼触媒出口ガス温度が規定降温温度よりも高いと判断した場合には（ステップＳ４１：ＮＯ）、ステップＳ４１の処理を繰り返す。なお、燃焼触媒出口ガス温度が規定降温温度に達した場合には、燃焼触媒２８の表面温度は、図２に示す第一温度Ｔ１（例えば２５０℃）以下に降温している。燃焼触媒２８の表面温度が、第一温度Ｔ１以下に降温すると、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜が確実に損傷する。

ステップＳ４２において、制御装置１５は、カウンタを１加算する。
ステップＳ４３において、制御装置１５は、カウンタが規定回数（例えば５回）を越えたと判断した場合には（ステップＳ４３：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ４４に進める。一方で、制御装置１５は、カウンタが規定回数を越えていないと判断した場合には（ステップＳ４３：ＮＯ）、プログラムをステップＳ２２に戻す。このように、カウンタが規定回数を超えるまで、ステップＳ２２〜ステップＳ４１の処理が規定回数繰り返される。これにより、燃焼触媒２８の表面が急激な昇温と降温を繰り返し、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜が十分に損傷する。この結果、このシリカ被膜に亀裂が入り、又はこのシリカ被膜が燃焼触媒２８の表面から剥がれ落ちる。

ステップＳ４４において、制御装置１５は、カソードエアブロワ１１ｃ１によるカソードエアの供給を停止させる。

（本実施形態の効果）
以上の説明から明らかなように、制御装置１５（燃焼触媒回復部）は、図２に示すように、急激な温度変化を燃焼触媒２８に与えることにより、燃焼触媒２８を被覆して触媒反応を阻害するシリカ被膜を損傷させる。これによれば、燃焼触媒２８を被覆しているシリカ被膜が損傷して、このシリカ被膜に亀裂が入り、又はこのシリカ被膜が燃焼触媒２８から剥がれ落ちる。このため、燃焼触媒２８の表面が燃焼排ガスと接触できるようになり、燃焼触媒２８の触媒反応が回復する。

制御装置１５（燃焼触媒回復部）は、原料ポンプ１１ａ２（改質用原料供給部）によって改質用原料を改質部３３に供給して（図３のステップＳ２４）、燃焼触媒２８においてアノードオフガスに含まれる可燃成分を燃焼させることにより、燃焼触媒２８を昇温させる。これによれば、可燃成分の燃焼速度が速く、可燃成分の燃焼効率も高い触媒反応によって可燃成分が燃焼されるので、燃焼触媒２８の表面は急激な温度勾配で昇温し、燃焼触媒２８を被覆して触媒反応を阻害するシリカ被膜は確実に損傷する。

制御装置１５（燃焼触媒回復部）は、カソードエアブロワ１１ｃ１（酸化剤ガス供給部）によってカソードエア（酸化剤ガス）を燃焼触媒２８に供給することにより、燃焼触媒２８を降温させる。これによれば、燃焼触媒２８の昇温時だけでなく、燃焼触媒２８の降温時においても、急激な温度変化を燃焼触媒２８に与えることができ、燃焼触媒２８を被覆しているシリカ被膜は、より確実に損傷する。また、燃焼触媒２８を被覆しているシリカ被膜は、より短時間で損傷する。

制御装置１５（燃焼触媒回復部）は、燃焼部３６においてアノードオフガスが着火しない条件を満たす場合、つまり、燃料電池３４の温度が着火温度より低い場合に（図３のステップＳ１３でＹＥＳと判断）、原料ポンプ１１ａ２（改質用原料供給部）によって改質用原料を改質部３３に供給して、燃焼触媒２８においてアノードオフガスを燃焼させて、燃焼触媒２８の表面を昇温させる昇温処理を実行する。これによれば、燃焼部３６においてアノードオフガスが燃焼されずに、可燃成分が多量に含まれるアノードオフガスが燃焼触媒２８に供給される。そして、燃焼部３６においてアノードオフガスを燃焼させた場合と比較して、多量の可燃成分が含まれるアノードオフガスが燃焼触媒２８において触媒反応によって燃焼される。その結果、燃焼触媒２８において多量の燃焼熱が発生し、燃焼触媒２８の表面が急激な温度勾配で昇温される。このため、燃焼触媒２８を被覆して触媒反応を阻害するシリカ被膜はより確実に損傷し、より確実に燃焼触媒２８の触媒反応は回復する。

制御装置１５（燃焼触媒回復部）は、改質部３３の温度が、改質用原料による改質部３３へのコーキングが発生しない温度である場合に（図３のステップＳ１３でＹＥＳと判断）、原料ポンプ１１ａ２（改質用原料供給部）によって改質用原料を改質部３３に供給して、燃焼触媒２８においてアノードオフガスを燃焼させて、燃焼触媒２８を昇温させる昇温処理を実行する。これによれば、改質部３３への改質用原料の供給に伴う、改質部の３３コーキングの発生が抑制される。

制御装置１５（燃焼触媒回復部）は、燃料電池３４における発電が停止している運転待機中に（図３のステップＳ１２でＹＥＳと判断）、急激な温度変化を燃焼触媒２８に与える「燃焼触媒回復処理」（ステップＳ２１以降の処理）を実行する。これによれば、燃料電池３４の起動運転中に「燃焼触媒回復処理」が実行される場合と比較して、燃料電池３４の起動が遅くならない。また、燃焼触媒２８の温度が燃料電池３４の発電中と比較して低下している運転待機中に、燃焼触媒２８が昇温されるので、燃焼触媒２８の温度上昇勾配が急となり、燃焼触媒２８を被覆して触媒反応を阻害するシリカ被膜はより確実に損傷する。

（第二実施形態の燃焼触媒回復処理）
以下に、第二実施形態の「燃焼触媒回復処理」について、第一実施形態の「燃焼触媒回復処理」と異なる点について説明する。第二実施形態の「燃焼触媒回復処理」では、燃焼触媒２８においてアノードオフガスに含まれる可燃成分を燃焼させて燃焼触媒２８を昇温させる代わりに、燃焼触媒ヒータ２８ａで直接燃焼触媒２８を昇温させる。
以下、図４に示すフローチャートを用いて、第二実施形態の「燃焼触媒回復処理」について詳細に説明する。

燃料電池システム１００に電源が投入されると、図４に示すように、プログラムはステップＳ１１１に進む。ステップＳ１１１、ステップＳ１１２の処理は、それぞれ、第一実施形態の図３に示すステップＳ１１、ステップＳ１２の処理と同様の処理である。

制御装置１５は、ステップＳ１１２でＹＥＳと判断すると、ステップＳ１２２において、燃焼触媒ヒータ２８ａをＯＮすることにより、燃焼触媒２８の表面を昇温させる昇温処理を開始させる。燃焼触媒ヒータ２８ａは、燃焼触媒２８の表面温度が上述の第一温度勾配α以上で昇温するように、燃焼触媒２８を加熱する。燃焼触媒２８の表面温度が第一温度勾配α以上のような急激な温度変化で昇温すると、燃焼触媒２８を被覆しているシリカ被膜が確実に損傷する。このステップＳ１２２の処理によって、燃焼触媒２８は、第一温度Ｔ１以下の温度から第二温度Ｔ２（図２示）に向かって昇温する。

ステップＳ１２３において、制御装置１５は、出口ガス温度センサ２８ｂの検出結果に基づいて、燃焼触媒出口ガス温度が規定昇温温度（例えば４００℃）以上であると判断した場合には（ステップＳ１２３：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ１３３に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼触媒出口ガス温度が規定昇温温度より低いと判断した場合には（ステップＳ１２３：ＮＯ）、ステップＳ１２３の処理を繰り返す。なお、燃焼触媒出口ガス温度が規定昇温温度に達した場合には、燃焼触媒２８の表面温度は、図２に示す第二温度Ｔ２（例えば８００℃）以上に昇温している。燃焼触媒２８の表面温度が、第二温度Ｔ２以上に昇温すると、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜が確実に損傷する。

ステップＳ１３３において、制御装置１５は、燃焼触媒ヒータ２８ａをＯＦＦする。このステップＳ１３３の処理によって、燃焼触媒ヒータ２８ａによる燃焼触媒２８への熱の供給が停止される。

ステップＳ１３４において、制御装置１５は、カソードエアブロワ１１ｃ１を駆動させて、カソードエアの燃料電池３４への供給を開始することにより、燃焼触媒２８の表面を降温させる降温処理を開始させる。このステップＳ１３４の処理によって、カソードエアが燃焼触媒２８に供給されて、燃焼触媒２８の表面は冷却されて降温する。カソードエアブロワ１１ｃ１は、燃焼触媒２８の表面温度が上述の第二温度勾配β未満で降温するように、カソードエアを供給する。燃焼触媒２８の表面温度が第二温度勾配β未満のような急激な温度変化で降温すると、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜が確実に損傷する。

ステップＳ１４１において、制御装置１５は、出口ガス温度センサ２８ｂの検出結果に基づいて、燃焼触媒出口ガス温度が規定降温温度（例えば２５０℃）以下であると判断した場合には（ステップＳ１４１：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ１４２に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼触媒出口ガス温度が規定降温温度よりも高いと判断した場合には（ステップＳ１４１：ＮＯ）、ステップＳ１４１の処理を繰り返す。なお、燃焼触媒出口ガス温度が規定降温温度に達した場合には、燃焼触媒２８の表面温度は、図２に示す第一温度Ｔ１（例えば２５０℃）以下に降温する。燃焼触媒２８の表面温度が、第一温度Ｔ１以下に降温すると、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜が確実に損傷する。

ステップＳ１４２、ステップＳ１４３、ステップＳ１４４の処理は、それぞれ、第一実施形態の図３に示すステップＳ４２、ステップＳ４３、ステップＳ４４の処理と同様の処理である。但し、ステップＳ１４３において、カウンタが規定回数を超えた場合には、プログラムはステップＳ１１１に戻り、カウンタが規定回数を越えていない場合には、プログラムは、ステップＳ１４４に進む。このような、ステップＳ１４２〜ステップＳ１４４の処理によって、ステップＳ１２２〜ステップＳ１４１の処理が規定回数繰り返される。これにより、燃焼触媒２８の表面が急激な昇温と降温を繰り返し、燃焼触媒２８の表面を被覆しているシリカ被膜が十分に損傷する。この結果、このシリカ被膜に亀裂が入り、又はこのシリカ被膜が燃焼触媒２８の表面から剥がれ落ちる。

以上の説明から明らかなように、制御装置１５（燃焼触媒回復部）は、燃焼触媒ヒータ２８ａによって燃焼触媒２８を加熱することにより、燃焼触媒２８を昇温させる。これによれば、燃焼触媒２８は確実に昇温し、燃焼触媒２８を被覆して触媒反応を阻害するシリカ被膜は確実に損傷する。また、電気式の燃焼触媒ヒータ２８ａによって、燃焼触媒２８を昇温させているので、燃焼触媒２８を昇温させるために改質用原料が消費されない。また、電気料金が安い時間帯の電力、例えば、深夜電力を燃焼触媒ヒータ２８ａに用いれば、低コストで燃焼触媒２８の触媒反応を回復させることができる。

（別の実施形態）
以上説明した第一実施形態の「燃焼触媒回復処理」では、燃焼部３６においてアノードオフガスが着火しない条件を満たす場合に（図３のステップＳ１３においてＹＥＳ判断）、原料ポンプ１１ａ２によって改質用原料を改質部３３に供給して、燃焼部３６においてアノードオフガスを着火させずに、燃焼触媒２８においてアノードオフガスに含まれる可燃成分を燃焼させて、燃焼触媒２８を昇温させている。しかし、燃焼部３６においてアノードオフガスを燃焼させて、燃焼触媒２８において燃焼排ガス中に含まれる可燃成分を燃焼させて、燃焼触媒２８を昇温させる実施形態であっても差し支え無い。

以上説明した実施形態では、燃焼触媒２８の昇温と降温を規定回数繰り返して、燃焼触媒２８の表面を被覆するシリカ被膜を損傷させている。しかし、燃焼触媒２８の昇温と降温を１回だけ行うことにより、燃焼触媒２８の表面を被覆するシリカ被膜を損傷させる実施形態であっても差し支え無い。また、燃焼触媒２８の表面温度が第一温度Ｔ１以下である状態において、燃焼触媒２８の表面温度を第二温度Ｔ２以上に第一温度勾配α以上の温度勾配で１回だけ昇温させて、燃焼触媒２８の表面を被覆するシリカ被膜を損傷させる実施形態であっても差し支え無い。また、燃焼触媒２８の表面温度が第二温度Ｔ２以上である状態において、燃焼触媒２８の表面温度を第一温度Ｔ１以下に第二温度勾配β未満の温度勾配で１回だけ降温させて、燃焼触媒２８の表面を被覆するシリカ被膜を損傷させる実施形態であっても差し支え無い。

改質用原料としてメタンガスを用いた実施形態であっても差し支え無い。この実施形態では、図３のステップＳ１３における着火温度は例えば４００℃であり、ステップＳ２３における触媒活性温度は例えば４００℃であり、ステップＳ３１における規定昇温温度は例えば５００℃であり、ステップＳ４１における規定降温温度は例えば４５０℃である。

以上説明した実施形態では、図３のステップＳ１１や図４のステップＳ１１１において、燃料電池システム１００の運転時間が、前回「燃焼触媒回復処理」（ステップＳ２１やステップＳ１２２以降の処理）を実行してから規定時間を越えた場合に、プログラムがステップＳ１２やステップＳ１１２に進み、「燃焼触媒回復処理」が実行される。しかし、燃焼触媒２８の触媒反応の低下が検出された場合に、「燃焼触媒回復処理」が実行される実施形態であっても差し支え無い。この実施形態では、例えば、燃焼触媒２８の出口から排気されるガス中に含まれる一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素濃度センサ（図示せず）によって、上記ガス中に含まれる一酸化炭素が既定値以上となった場合に、燃焼触媒２８の触媒反応の低下が検出される。

以上説明した実施形態では、「燃焼触媒回復処理」は、燃料電池システム１００の運転待機中に実行される。しかし、「燃焼触媒回復処理」が、燃料電池システム１００の起動運転中や運転停止中に実行される実施形態であっても差し支え無い。

以上説明した実施形態では、昇温処理や降温処理において、燃焼触媒２８の表面を昇温又は降温させている。しかし、昇温処理や降温処理において、燃焼触媒２８の内部を昇温又は降温させることにより、燃焼触媒２８の表面を昇温又は降温させる実施形態であっても差し支え無い。

出口ガス温度センサ２８ｂの代わりに、燃焼触媒２８の温度を直接検出する燃焼触媒温度センサ（図示せず）を設けても差し支え無い。この実施形態では、図３のステップＳ２３において、制御装置１５は、燃焼触媒温度センサからの検出結果に基づいて、燃焼触媒２８の表面温度が触媒の活性温度以上であるか否かを判断する。また、図３のステップＳ３１や図４のステップＳ１２３において、制御装置１５は、燃焼触媒温度センサからの検出結果に基づいて、燃焼触媒２８の表面温度が図２に示す第二温度Ｔ２以上に昇温しているか否かを判断する。また、図３のステップＳ４１や図４のステップＳ１４１において、制御装置１５は、燃焼触媒温度センサからの検出結果に基づいて、燃焼触媒２８の表面温度が図２に示す第一温度Ｔ１以下に降温しているか否かを判断する。

以上の説明では、燃焼触媒２８の表面を被覆するシリカ被膜を損傷させる実施形態について本発明を説明した。しかし、燃焼触媒２８の表面を被覆して触媒反応を阻害する被膜であって、急激な温度変化の付与によって損傷する被膜であれば、本発明の技術的思想は適用可能である。

原料ポンプ１１ａ２（改質用原料供給部）、１１ｃ１…カソードエアブロワ（酸化剤ガス供給部）、１５…制御装置（燃焼触媒回復部）、２８…燃焼触媒、２８ａ…燃焼触媒ヒータ、３３…改質部、３３ａ…改質部温度センサ（改質部温度検出部）、３４…燃料電池、３６…燃焼部。

Claims (7)

1. 改質水と改質用原料とから改質ガスを生成する改質部と、
   前記改質部に前記改質用原料を供給する改質用原料供給部と、
   前記改質部によって生成された前記改質ガスと酸化剤ガスとにより発電をする燃料電池と、
   前記燃料電池から排気される可燃成分を含むアノードオフガスを、酸化剤ガスで燃焼させる燃焼部と、
   前記燃焼部から排気される燃焼排ガスが導入されて、前記燃焼排ガス中に含まれる可燃成分を触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒と、
   急激な温度変化を前記燃焼触媒に与えることにより、前記燃焼触媒を被覆して前記触媒反応を阻害する被膜を損傷させて、前記触媒反応を回復させる燃焼触媒回復部と、を有する燃料電池システム。
2. 前記燃焼触媒回復部は、前記改質用原料供給部によって前記改質用原料を前記改質部に供給して、前記燃焼触媒において前記アノードオフガスに含まれる前記可燃成分を燃焼させることにより、前記燃焼触媒を昇温させる昇温処理を実行して、前記急激な温度変化を前記燃焼触媒に与える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃焼触媒を加熱する燃焼触媒ヒータを更に有し、
   前記燃焼触媒回復部は、前記燃焼触媒ヒータによって前記燃焼触媒を加熱することにより、前記燃焼触媒を昇温させる昇温処理を実行して、前記急激な温度変化を前記燃焼触媒に与える請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 酸化剤ガスを前記燃焼触媒に供給する酸化剤ガス供給部を更に有し、
   前記燃焼触媒回復部は、前記酸化剤ガス供給部によって前記酸化剤ガスを前記燃焼触媒に供給することにより、前記燃焼触媒を降温させる降温処理を実行することにより、前記急激な温度変化を前記燃焼触媒に与える請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃焼触媒回復部は、前記燃焼部において前記アノードオフガスが着火しない条件を満たす場合に、前記改質用原料供給部によって前記改質用原料を前記改質部に供給して、前記燃焼触媒において前記アノードオフガスを燃焼させて、前記燃焼触媒を昇温させる前記昇温処理を実行する請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記改質部の温度を検出する改質部温度検出部を更に有し、
   前記燃焼触媒回復部は、前記改質部温度検出部によって検出された前記改質部の温度が、前記改質用原料による前記改質部へのコーキングが発生しない温度である場合に、前記昇温処理を実行する請求項２又は請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃焼触媒回復部は、前記燃料電池における前記発電が停止している運転待機中に、前記急激な温度変化を前記燃焼触媒に与える請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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