JP4354792B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池発電装置に関し、特に発電の停止後、燃料電池のカソードに充填した可燃ガスの処理に関するものである。
燃料電池発電装置３９は主として、図９に示すように、アノード１ａとカソード１ｃを備えた固体高分子電解質形の燃料電池１と、発電原料ガスとしての都市ガスや天然ガスに水を添加してこれを改質させて水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理器２と、燃料処理器２に水を供給する水供給手段３と、燃料処理器２に発電原料ガスを供給する原料ガス供給手段３６と、燃料電池１のアノード１ａで消費されずに排出された残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼器４と、酸化剤ガス（空気）を燃料電池１に供給して燃料電池１の外部に排出する酸化剤ガス供給手段としてのブロア５と、燃料電池発電装置３９の発電を停止させる際に燃料処理器２の内部をパージ処理する空気を供給するパージ用空気供給手段６から構成されている。
そしてこの燃料電池発電装置３９は、燃料電池１のアノード１ａに燃料ガスとして供給される水素リッチな燃料ガスと、それのカソード１ｃに酸化剤ガスとして供給される空気とを燃料電池１の内部で反応させることで発電させ、燃料電池発電装置３９の停止の際には、最終的に空気によって燃料ガス経路のパージが行われる。なお、制御装置２１によってブロア５、原料ガス供給手段３６、水供給手段３、空気供給手段６等が適切に制御されて上記の発電と停止処理は行われる。
このような燃料電池発電装置３９によれば、燃料電池発電装置３９の発電を停止させる際、発電原料ガス供給経路から発電原料ガスの代わりに窒素ガスを流入せしめ、燃料処理器２および燃料電池１を経由してこれらの機器の内部に残留するガス（燃料ガス等）を燃焼器４に導いてこの燃焼器４で処理させるという従来のパージ処理法に比べて、窒素ガスの貯蔵装置を廃止できてコスト低減を図ることができる。
このような空気パージ技術を用いた燃料電池発電システムとして以下のものがある（特許文献１参照）。この燃料電池発電システムによれば、燃料電池の発電の停止時、燃料処理器に水供給手段から水を供給することで生成した水蒸気によって燃料ガス経路の内部に残留する水素ガス含有の燃料ガスを排除した後、パージ用空気供給手段から空気を流入せしめて燃料ガス経路の内部を最終的に空気パージする方法が示されている。こうして、この燃料電池発電システムでは、燃料電池の水素ガスを水蒸気によって排除させた後、燃料電池の内部に空気を供給することで、水蒸気に起因する経路の水滴腐食の防止が図られる。
ＷＯ０１／９７３１２号公報
ところが、固体高分子電解質形の燃料電池のアノードの電極には通常、白金とルテニウムの合金触媒が使用され、上記従来の燃料電池発電システムのようにアノードを空気に曝すと、酸化雰囲気によって触媒性能の劣化（酸化劣化）が懸念される。このため、燃料電池発電装置の発電の停止に際して、アノードを空気で充填させて保持することは燃料電池発電装置の耐久性維持の観点からは望ましくないと言える。
この問題を解消するため、例えば、発電の停止の際、燃料ガス（例えば水素リッチな燃料ガス）または発電原料ガス（例えば都市ガスや天然ガス）を燃料電池のアノードに充填して外部に排出させない処置を施して、アノードへの空気混入を防止して燃料電池の耐久性を維持させる方法もある。
この方法であれば一見、アノードの酸化劣化を防止できそうであるが、燃料電池発電装置の発電の停止後、仮にカソードに空気（酸素ガス）が残存すれば、多孔質の固体高分子電解質膜を通って空気（酸素ガス）がアノードに移動して、これによるアノード酸化劣化の可能性が懸念されており、本願発明者等は、アノードの酸化劣化を確実に回避するには、カソードも燃料ガスまたは発電原料ガスを充填させた状態に保持することが必要であると考察している。
しかし、発電の停止後、燃料電池のカソードに燃料ガスまたは発電原料ガスを充填させた状態に保持した場合には、次回の運転開始時に空気供給系から燃料電池のカソードに空気を供給すると、可燃性の発電原料ガスや燃料ガス等がそのまま大気中に排出されることになる。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池のカソードに充填された可燃ガスを適切に処理して排出できる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池発電装置は、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池を備えており、前記発電の停止後、前記カソードに可燃ガスを充填させ保持し、その後、前記可燃ガスを大気に排出する際、前記可燃ガスと非可燃ガスによって希釈する。これによって燃料電池のカソードに充填された可燃ガスを排出する際、カソード充填ガスを適切に処理できる。
適切な処理例として、前記可燃ガスと前記非可燃ガスとの混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈できるため、この状態で混合ガスを大気に排出できる。
例えば、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスを前記カソードに導きかつ前記カソードで消費されなかった酸化剤ガスを大気に放出するよう形成された酸化剤ガス流路と、前記カソードの上流および下流においてそれぞれその開閉により前記酸化剤ガス流路を開閉する第一及び第二の酸化剤ガス流路開閉手段と、前記酸化剤ガス流路の、前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段と前記カソードとの間に位置する部分に前記可燃ガスを供給する可燃ガス供給手段と、前記酸化剤ガス流路の前記カソードより下流に位置する部分に該カソードから流出した前記可燃ガスを前記非可燃ガスによって希釈して大気に排出する希釈手段と、制御装置と、を備え、前記燃料電池による前記発電の停止動作時には、前記制御装置は、前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段を閉じて前記可燃ガス供給手段から前記酸化剤ガス流路に可燃ガスを供給させることにより前記カソードに可燃ガスを充填させた後、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を閉じて前記カソードに前記可燃ガスを保持させ、前記燃料電池による前記発電の開始動作時には、前記制御装置は、少なくとも前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段を開いて前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガス流路を通じて前記カソードに酸化剤ガスを供給させることにより、前記可燃ガスを前記酸化剤ガス流路の前記カソードより下流に位置する部分に流出させ、かつ前記流出した前記可燃ガスを前記希釈手段により希釈して大気に排出させる構成を採用しても良い。こうして、カソードに充填された可燃ガスを適切に希釈できる。なおこの場合、前記非可燃ガスとして前記酸化剤ガスを使用しても良い。
ここで希釈手段の一例として、前記酸化剤ガス流路の前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段より上流に位置する部分と前記酸化剤ガス流路の前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段より下流に位置する部分とを接続するカソードバイパス流路と、その開閉により前記カソードバイパス流路を開閉するカソードバイパス開閉手段とを備え、前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第一、第二の酸化剤ガス開閉手段を開くとともに前記カソードバイパス開閉手段を開き、これによって前記酸化剤ガス流路の前記カソードより下流に位置する部分に流出した前記可燃ガスを、前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガスと混合しかつ希釈して大気に排出するように構成しても良い
なお、前記カソードバイパス流路の流路抵抗を調整することで前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガスの流量を制御できる。流体抵抗の具体的調整例として、前記カソードバイパス流路の途中に配置された前記カソードバイパス開閉手段としてのカソードバイパス開閉弁の口径を調整すること前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガスの流量を制御できる。
また、希釈手段の他の例として、前記酸化剤ガス流路の前記カソードより上流に位置する部分と前記酸化剤ガス流路の前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段より下流に位置する部分とを接続するカソードバイパス流路と、前記上流に位置する部分と前記カソードバイパス流路の接続部に配置され、前記希釈手段および前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段として前記酸化剤ガス流路を開閉させると共に、前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガス流量の前記酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガス流量に対する分流比率を変える分流手段とを備え、前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を開くと共に、前記酸化剤ガス流路の前記カソードより下流に位置する部分に流出した可燃ガスを、前記分流手段の分流比率を調整して前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガスと混合しかつ希釈して大気に排出するように構成しても良い。
更に、希釈手段の他の例として、燃焼器の火炎バーナに空気を供給する燃焼空気供給手段と、前記酸化剤ガス流路の、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段と前記カソードとの間に位置する部分から延びて前記火炎バーナに接続するカソード燃焼配管と、その開閉により前記カソード燃焼配管を開閉する燃焼配管開閉手段とを備え、前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を閉じると共に前記燃焼配管開閉手段を開き、それによって前記カソード燃焼配管を経由して前記火炎バーナに前記可燃ガスを導入させる際に、前記可燃ガスを前記燃焼空気供給手段から供給される空気と混合しかつ希釈して大気に排出するように構成しても良い。こうして既存の燃焼空気供給手段を活用して、カソードに充填された可燃ガスを適切に空気と混合しかつ希釈して大気に排出できる。
なおこの場合、前記燃焼器の燃焼の停止期間中に、前記火炎バーナに前記可燃ガスを導入する。可燃ガスの供給によって火炎バーナの燃焼状態を乱さないためである。
また、希釈手段の他の例として、燃焼器の燃焼によって生成された燃焼排ガスを大気に導く燃焼排気管と、前記酸化剤ガス流路の、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段と前記カソードとの間に位置する部分から延びて前記燃焼排気管に接続するカソード燃焼排気配管と、その開閉により前記カソード燃焼排気配管を開閉する燃焼排気配管開閉手段とを備え、
前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を閉じると共に前記燃焼排気配管開閉手段を開き、それによって前記カソード燃焼排気配管を経由して前記燃焼排気管に前記可燃ガスを導入させる際、前記可燃ガスを前記燃焼排ガスと混合しかつ希釈して大気に排出するように構成しても良い。
また更に、希釈手段の他の例として、燃焼器の燃焼によって生成された燃焼排ガスを大気に導く燃焼排気管を備え、前記酸化剤ガス流路の、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段の下流に位置する部分と前記燃焼排気管とを接続させた燃料電池発電装置であって、
前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を開き、それによって前記酸化剤ガス流路を経由して前記燃焼排気管に前記可燃ガスを導入させる際、前記可燃ガスを前記燃焼排ガスと混合しかつ希釈して大気に排出するように構成しても良い。
このように燃焼排気管にカソードに充填された可燃ガスを導入する場合、前記燃焼器の燃焼期間中に、前記燃焼排気管に前記可燃ガスを導入しても良い。これによって、火炎バーナの燃焼の有無に無関係に可燃ガスを導入できて処理プロセスの簡素化が図れる。
ここで、以上に述べた燃焼器は、前記燃料生成器を加熱するものであっても良い。
なおここで、発電原料ガスから燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記発電のために前記燃料生成器から前記燃料ガスを前記燃料電池のアノードに供給し、前記可燃ガスとして前記発電原料ガスおよび前記燃料ガスの何れか一方を使用できる。
もしくは、水素ガスを供給する水素ガス供給手段を備え、前記発電のために前記水素ガス供給手段から前記水素ガスを前記燃料電池のアノードに供給し、前記可燃ガスとして前記水素ガスを使用できる。
本発明によれば、燃料電池のカソードに充填された可燃ガスを適切に処理して排出できる燃料電池発電装置を得ることができる。
（実施の形態１）
以下、実施の形態１について図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。
燃料電池発電装置３９は主として、原料供給配管３３を介して都市ガスや天然ガス等の発電原料ガスを燃料処理器２に供給する原料ガス供給手段３６と、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）を用いて発電を行う固体高分子電解質形の燃料電池１と、発電原料ガスに水を添加してこれを改質させて水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理器２と、燃料処理器２に水を供給する水供給手段３と、燃料電池１のアノード１ａで消費されずに送出された残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼器４と、燃料電池発電装置３９の発電を停止させる際に燃料処理器２にパージ処理用の空気を供給するパージ用空気供給手段６と、燃料電池１のカソード１ｃに酸化剤ガスを供給すると共に、カソード１ｃから残余の酸化剤ガスを排出させ得る酸化剤ガス供給手段としてのブロア５から構成されている。
また、燃料電池発電装置３９のガス配管系統は、ブロア５から燃料電池１のカソード１ｃに空気を導く酸化剤ガス流路としてのカソード供給配管７と、燃料電池１のカソード１ｃから送出された残余の空気を大気に放出する酸化剤ガス流路としてのカソード排出配管８と、カソード供給配管７とカソード排出配管８を接続することで燃料電池１を経由せずにブロア５から供給される空気をカソード排出配管８へ導き得るカソードバイパス流路としてのカソードバイパス配管９と、カソードバイパス配管９の途中に設けられカソードバイパス配管９を開閉するカソードバイパス開閉手段１０と、燃料電池１のカソード１ｃの出入口をそれぞれ開閉する第一の出口側開閉弁１２ａ（第二の酸化剤ガス流路開閉手段）および第一の入口側開閉弁１２ｂ（第一の酸化剤ガス流路開閉手段）からなるカソード閉止手段１２と、原料ガス供給手段３６から発電原料ガスを燃料処理器２に導く原料供給配管３３と、燃料処理器２から送出される燃料ガスを、流路切換手段１４を介し燃料電池１のアノード１ａに導くアノード供給配管３４と、燃料電池１のアノード１ａから残余の燃料ガスを燃焼器４に排出させる燃料ガス還流配管３５と、燃料ガス還流配管３５の途中に設けられ、燃料ガス還流配管３５を開閉する還流配管開閉手段１５と、燃料処理器２から送出される燃料ガスを流路切換手段１４によって還流配管開閉手段１５の下流の燃料ガス還流配管３５に導くアノードバイパス管１３と、原料供給配管３３と第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７を接続する原料カソード供給配管３２と、原料カソード供給配管３２の途中に配置され、発電原料ガスをカソード１ｃに導入させる原料カソード供給手段１１（可燃ガス供給手段）がある。
なお、カソード供給配管７（酸化剤ガス流路）の第一の入口側開閉弁１２ｂ（第一の酸化剤ガス流路開閉手段）より上流に位置する部分とカソード排出配管８（酸化剤ガス流路）の第一の出口側開閉弁１２ａ（第二の酸化剤ガス流路開閉手段）より下流に位置する部分とを接続するカソードバイパス配管９（カソードバイパス流路）およびこのカソードバイパス配管９を開閉するカソードバイパス開閉手段１０によって可燃ガスの希釈手段が構成されている。
ここで、カソードバイパス開閉手段１０、カソード閉止手段１２の第一の出口側開閉弁１２ａと第一の入口側開閉弁１２ｂおよび還流配管開閉手段１５は何れも、例えば開閉用電磁弁で構成され、流路切換手段１４は例えば三方弁で構成され、原料カソード供給手段１１は、例えば開閉電磁弁またはポンプで構成されている。
なお、制御装置２１は、ブロア５、原料ガス供給手段３６、水供給手段３、パージ用空気供給手段６、原料カソード供給手段１１および各種弁１０、１２ａ、１２ｂ、１４、１５を制御して燃料電池発電装置３９のガス供給系の動作を司っている。なお、図中には、点線を付して制御装置の制御対象を示している。また、図示しないものの、制御装置２１は各種センサ（温度センサや流量計等）から検知信号を受け取り、この検知信号に基づいて適切に燃料電池発電装置３９の動作を制御している。
以下、燃料電池発電装置３９の発電期間中、発電停止時および発電開始時（起動時）に分けて燃料電池発電装置３９の動作を、図１を参照して説明する。
燃料電池発電装置の発電期間中、燃料処理器２の温度を約７００℃程度に維持させた状態で、原料ガス供給手段３６から供給された発電原料ガスと水供給手段３から供給された水を燃料処理器２の内部で改質反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する。そして、燃料生成器２から送出された燃料ガスは、アノード供給配管３４の途中に設けられた流路切換手段１４を通過して（流路切換手段１４によってアノード供給配管３４とアノード１ａを連通状態にする）、燃料電池１のアノード１ａに送り込まれる。また、ブロア５から送出される空気は、カソード供給配管７を介して開栓状態の第一の入口側開閉弁１２ｂを通過して、燃料電池１のカソード１ｃに送り込まれる。こうして燃料電池１の内部において、燃料ガス（水素ガス）と空気（酸素ガス）を消費して発電が行われる。燃料電池１の発電によって消費されなかった残余の燃料ガスは、燃料ガス還流配管３５を介して開栓状態の還流配管開閉手段１５を通過して燃焼器４へ送られた後、燃焼器４の内部で燃焼させられて燃料処理器２の温度維持の熱源として活用される。また、燃料電池１の発電によって消費されなかった残余の空気は、カソード排出配管８を介して開栓状態の第一の出口側開閉弁１２ａを通過して大気中に排出される。
続いて燃料電池発電装置３９の発電停止の際、燃料電池１のカソード１ｃに対するガス供給は次のように制御される。
ブロア５の作動を停止することでブロア５からカソード１ｃに対する空気の供給を停止する。そして、原料カソード供給手段１１の動作によって原料カソード供給配管３２を通って可燃ガスである発電原料ガスを第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に導いて、このカソード供給配管７を介して燃料電池１のカソード１ｃに供給する。なおこの時点においては、第一の入口側開閉弁１２ｂを閉めておくと共に、第一の出口側開閉弁１２ａを開いておく。このカソード１ｃに対する発電原料ガスの供給によって燃料電池１のカソード１ｃに滞留する空気が、カソード１ｃからカソード排出配管８を経由して外部（大気中）に排出される。そして、このカソード１ｃに滞留する空気をほぼ全量排出できたと判断した時点で、カソード閉止手段１２の第一の出口側開閉弁１２ａを閉栓状態にして、原料カソード供給手段１１によって発電原料ガスを燃料電池１のカソード１ｃに供給することを止める。なお、カソード１ｃに滞留する空気量は事前に把握可能であるため、この滞留空気量に基づいて空気をほぼ完全に排出できる発電原料ガス供給量が決定される。
なおここで、原料ガス供給手段３６の出口直後であって原料供給配管３３の内部の発電原料ガス圧力は約２ｋＰａ程昇圧されている。このため、原料カソード供給配管３２の一方端を原料ガス供給手段３６の出口直後の原料供給配管３３に接続させ、その他方端を第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に接続させた状態で、原料カソード供給配管３２の途中に配置された原料カソード供給手段１１としての開閉弁を開けば、発電原料ガスの内圧を利用して発電原料ガスを第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７からカソード１ｃに流入させ得る。勿論、発電原料ガスを供給するための供給圧が不十分な場合には、原料カソード供給手段１１として供給ポンプを使って、発電原料ガスをカソード１ｃにポンプ圧送しても構わない。
一方、燃料電池発電装置３９の発電停止の際、燃料処理器２および燃料電池１のアノード１ａのガス供給は次のように制御される。
流路切換手段１４によってバイパス流路（アノード供給配管３４とアノードバイパス配管１３を連通する経路）が形成されると共に、開閉手段１５を閉栓させる。こうして燃料電池１のアノード１ａに滞留する燃料ガス（水素リッチガス）をアノード１ａの内部に封止でき、この状態を保って燃料処理器２からアノード１ａに対する燃料ガス供給を停止させる。
このような動作によって発電の停止後、燃料ガス（水素リッチガス）をアノード１ａの内部に充填させた状態で保持すると共に、可燃ガス（発電原料ガス）をカソード１ｃの内部に充填させた状態で保持でき、アノード１ａの酸化劣化を防止できる。
続いて、水供給手段３を作動させて、水供給手段３から水を燃料処理器２に供給し続ける。燃料処理器２に供給される水は燃料処理器２の熱によって水蒸気に蒸発されて、この水蒸気によって燃料処理器２の内部に残留する水素リッチな燃料ガスがアノード供給配管３４に押し出され、燃料ガスおよび水蒸気は流路切換手段１４によってアノードバイパス管１３および燃料ガス還流配管３５を介して燃焼器４に還流させられて燃焼器４の内部で燃焼処理される。この処理を継続することで、燃料ガスの可燃ガス濃度が次第に希釈されて燃焼器４の燃焼は停止するものの、燃料処理器２の余熱によって水蒸気の生成は依然として継続される。
燃料処理器２の内部で生成された水蒸気の供給量が燃料処理器２の内部の水素リッチな燃料ガスを押し出し得る十分な量に達して、しかも、燃料処理器２の内部温度が４００℃程度まで降下した時点で、水供給手段３による水の供給を停止する。その後、パージ用空気供給手段６から空気を燃料処理器２の内部に供給して燃料生成器２の内部の水蒸気をアノード供給配管３４に送出させると共に、流路切換手段１４によってアノードバイパス管１３および燃料ガス還流配管３５を経由して燃焼器４に空気を還流させてこの燃焼器４から大気中に排出させる。燃料処理器２の内部や各部配管３４、１３、３５の内部の水蒸気を完全に空気によって排除できた後、パージ用空気供給手段６の作動を停止して空気の供給を止めて、燃料電池発電装置の停止動作を終了させる。
なお前記の基準として採用した４００℃という温度は、燃料処理器２においてルテニウム主成分の触媒使用を想定した場合、ルテニウム触媒が高温時に空気に曝されて酸化劣化による性能低下を引き起こさないよう所定の安全率を見込んで設定したものである。このため、安全率の決め方に応じてこの設定温度はシフトするものであり、また触媒自体が異なれば（例えばニッケル触媒等）、この設定温度は自ずと変化するものである。
次に、燃料電池発電装置３９の発電開始（起動）の場合、燃料電池１のカソード１ｃのガス供給は次のように制御される。
カソード閉止手段１２の第一の入口側および出口側開閉弁１２ｂ、１２ａおよびカソードバイパス開閉手段１０のいずれも開栓状態にしておき、ブロア５からカソード供給配管７を介してカソード１ｃに空気の供給を開始する。これによりブロア５から供給される空気の経路として、カソード供給配管７から燃料電池１のカソード１ｃを経由してカソード排出配管８に順次供給される経路Ａと、カソード供給配管７からカソードバイパス開閉手段１０を通過するようにカソードバイパス配管９に供給される経路Ｂの２つの経路が形成される。
経路Ａを流れる空気によってカソード１ｃに充填された可燃ガス含有の発電原料ガスを空気と共にカソード排出配管８に排出させ得る。こうして排出された可燃ガスは、カソード排出配管８の途中のカソードバイパス配管９との合流箇所において経路Ｂを流れる空気と合流し混合して、混合ガス中の可燃ガス濃度が燃焼下限未満に希釈され、最終的に燃料電池発電装置の外部（大気中）に排出される。
ここで、経路Ａを流れる空気流量と経路Ｂを流れる空気流量は、燃料電池発電装置３９の外部へ排出させる混合ガス中に含有する可燃ガスの濃度が燃焼下限濃度以下になるよう設定される。例えば発電原料ガスとして大都市圏内において使用される都市ガス１３Ａを使用する場合、この都市ガス１３Ａは空気との混合割合として約５〜１５％の燃焼範囲を有するため、経路Ｂを流れる単位時間当たりの空気量を、経路Ａを流れる単位時間当たりの空気量の２０倍の量よりも多くになるように経路Ａおよび経路Ｂの流路抵抗を設定すれば、最終的には排出される混合ガス中の可燃ガス濃度を５％未満にできる。なお、予め経路Ａを流れる混合ガスの流路抵抗は予測できるため、例えばカソードバイパス開閉手段１０としての開閉弁の口径を調整して経路Ｂの流路抵抗を制御することで、（経路Ｂの単位時間当たりの流量）／（経路Ａの単位時間当たりの流量）＞２０に設定することが可能である。若しくは経路Ａおよび経路Ｂの配管長を調整することで上記の流路抵抗を制御しても良い。
燃料電池１のカソード１ｃに充填された発電原料ガスを燃料電池発電装置３９の外部へ排出できた後、カソードバイパス開閉手段１０を閉栓状態にし、ブロア５の空気を燃料電池１のカソード１ｃのみに供給させて、燃料電池１のカソード１ｃに対するガス供給を発電開始可能な状態にする。
また、燃料電池発電装置３９の発電開始（起動）の際、燃料電池１のアノード１ａのガス供給は次のように制御される。
流路切換手段１４のバイパス流路を形成させた状態で、原料供給配管３３を介して原料ガス供給手段３６から発電原料ガスを燃料処理器２に供給する。そして、燃料処理器２の内部を通って送出されたガスを流路切換手段１４の切換動作によってアノードバイパス管１３および燃料ガス還流配管３５を経由して燃焼器４の火炎バーナ４１（図４参照）に還流させて、この排出ガスを燃焼器４の火炎バーナ４１で燃焼させる。併せて水供給手段３によって燃料処理器２に水を供給させる。そして、燃焼器４の燃料加熱によって燃料処理器２の温度を約７００℃まで昇温させて、燃料処理器２を発電原料ガスおよび水蒸気から水素リッチな燃料ガスを生成できる状態に維持させる。
燃料処理器２に収納された一酸化炭素除去部（図示せず）の温度を反応安定温度に到達させて、燃料ガス中に含有する一酸化炭素の濃度を燃料電池１のアノード電極を劣化させない程度（約２０ｐｐｍ）まで除去できた時点で、燃料ガス還流配管３５の途中に設けられた還流配管開閉手段１５を開いて、流路切換手段１４のアノード１ａの供給流路を形成させた状態（アノード供給配管３４とアノード１ａを連通させた状態）で、燃料処理器２から送出される燃料ガスを、流路切換手段１４を通って燃料電池１のアノード１ａに導き、かつアノード１ａで消費されなかった残余の燃料ガスを燃料ガス還流配管３５および還流配管開閉手段１５を介して燃焼器４に還流させて燃焼器４の内部で燃焼させて、燃料電池１のアノード１ａに対するガス供給を発電開始可能な状態にする。
以上のように燃料電池発電装置３９の発電開始の場合、ブロア５から供給される非可燃性の酸化剤ガス（例えば、空気）の経路として、カソード供給配管７から燃料電池１を経てカソード排出配管８に順次供給される経路Ａおよびカソードバイパス開閉手段１０を途中に配置したカソードバイパス配管９に供給される経路Ｂの２つの経路があって、これらの経路Ａおよび経路Ｂをそれぞれ、所定の流路抵抗に設定して通流させておく。
こうしてカソード１ｃに充填した可燃性の発電原料ガス（例えば、都市ガス１３Ａ）を、ブロア５から供給され、経路Ａを流れる空気によって押し出すことで空気と共に発電原料ガスをカソード排出配管８に排出する際、経路Ｂを流れる空気を発電原料ガスと合流させて混合させ、この混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈して大気に排出できる。これによってカソード１ｃに充填された可燃ガスを適切に後処理し得る。
また、燃料電池発電装置３９の発電の停止期間中、燃料電池１のカソード１ｃに発電原料ガスを充填させた状態で保持できるため、アノード１ａに可燃ガス（燃料ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１のアノード１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池発電装置３９のアノード１ａの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
更には、カソード閉止手段１２の第一の入口側および出口側開閉弁１２ｂ、１２ａを閉止状態にして燃料電池発電装置３９の停止保管動作を実行するため、原料カソード供給手段１１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給した発電原料ガスを燃料電池１の内部に確実に封止せしめて、仮に燃料電池１を停止させた状態で長期間保管しても外部から空気が燃料電池１のカソード１ｃに混入することがなく、燃料電池発電装置３９の耐久性低下を防ぎ得る。
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る燃料電池発電装置の概要を示すブロック図である。本実施の形態は、実施の形態１においてカソードバイパス経路を変形したものである。なお、図１に記載された構成要素と同じものには、同じ番号を付与して、その説明を省略する。
図２によれば、実施の形態１と比較して、カソードバイパス流路としてのカソードバイパス配管９の途中のカソードバイパス開閉手段１０（図１参照）に代えて、カソードバイパス配管９とカソード供給配管７の接続部１７に分流手段１６が配置されている。この分流手段１６によって上流側カソードバイパス配管７ｕを流れる空気を、下流側カソード供給配管７ｄに流れる空気とカソードバイパス配管９を流れる空気に分流できる。また、カソード開閉手段１２のうちの第一の入口側開閉弁１２ｂ（図１参照）の代用として分流手段１６を用いる一方、カソード出口閉止手段として第一の出口側開閉弁１２ａはそのまま残している。
なお、カソード供給配管７（酸化剤ガス流路のカソード１ｃより上流に位置する部分）とカソード排出配管８（酸化剤ガス流路）の第一の出口側開閉弁１２ａ（第二の酸化剤ガス流路開閉手段）より下流に位置する部分とを接続するカソードバイパス配管９（カソードバイパス流路）および、前記上流に位置する部分と前記カソードバイパス流路の接続部１７に配置され、第一の入口側開閉弁１２ｂの代用（第一の酸化剤ガス流路開閉手段）としてカソード供給配管７を開閉させると共に、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガス流量に対するカソードバイパス配管９を流れる酸化剤ガス流量の分流比率を変える分流手段によって可燃ガスの希釈手段が構成されている。
分流手段１６として、例えば分流比を任意に設定できる三方弁を用いることができ、この分流手段１６によって接続部１７の下流側カソード供給配管７ｄを流れる空気流量とカソードバイパス配管９を流れる空気流量の比率が調整される。なお、分流手段１６による分流比率の調整は制御装置２１によって制御されている。
以下、燃料電池発電装置３９の発電期間中、発電停止時および発電開始時（起動時）に分けて燃料電池発電装置３９の動作を、図２を参照して説明する。但し、実施の形態１と同様の動作については簡略化して述べる。
燃料電池発電装置３９の発電期間において、燃料生成器２から送出された燃料ガスは、アノード供給配管３４の途中に設けられた流路切換手段１４を通過して、燃料電池１のアノード１ａに送り込まれる。また、ブロア５から送出された空気が、接続部１７の下流側カソード供給配管７ｄに全量流れるように分流手段１６を動作させて、この空気を燃料電池１のカソード１ｃに送り込む。こうして燃料電池１の内部において、燃料ガス（水素ガス）と空気（酸素ガス）を消費して発電が行われる。
一方、燃料電池発電装置３９の発電停止の際には、燃料電池１のカソード１ｃのガス供給は次のように制御される。
ブロア５の作動を停止してブロア５からカソード１ｃに対する空気の供給を止める。そして、原料カソード供給配管３２を介して原料カソード供給手段１１としての開閉バルブを開くことで可燃性の発電原料ガスを接続部１７の下流側カソード供給配管７ｄに導いて、この下流側カソード配管７ｄを介して燃料電池１のカソード１ｃに供給させる。なおこの時点においては、第一の出口側開閉弁１２ａを開いておく。また、分流手段１６を動作させてカソードバイパス配管９の、接続部１７の上流側カソード供給配管７ｕを流れる空気に対する分流比率を１に設定する一方、接続部１７の下流側カソード供給配管７ｄの、上流側カソード供給配管７ｕを流れる空気に対する分流比率を０に設定しておく。続いて、発電原料ガスのカソード１ｃに対する供給（既に述べた実施の形態１の原料カソード供給手段１１の動作による供給）によって燃料電池１のカソード１ｃに滞留する空気をほぼ全量排出できたと判断した時点で、第一の出口側開閉弁１２ａを閉止状態にして、原料カソード供給手段１１によって発電原料ガスを燃料電池１のカソード１ｃに供給することを止める。
なお、発電停止の際の燃料電池１のアノード１ａのガス供給は実施の形態１のそれと同様である。
以上のような動作によって発電の停止後、燃料ガス（水素リッチガス）をアノード１ａの内部に充填させた状態で保持すると共に、可燃ガス（発電原料ガス）をカソード１ｃの内部に充填させた状態で保持でき、アノード１ａの酸化劣化を防止できる。
また、燃料電池発電装置３９の発電開始（起動）の際、燃料電池１のカソード１ｃのガス供給は次のように制御される。
第一の出口側開閉弁１２ａを開栓にして、ブロア５からカソード供給配管７を介してカソード１ｃに対して空気供給を開始する。このとき、ブロア５から供給される空気の経路として、上流側カソード供給配管７ｕを通流する空気を分流手段１６によって分流させて接続部１７の下流の下流側カソード供給配管７ｄに流した後、カソード１ｃを経由させて空気をカソード排出配管８に排出させる経路Ａと、上流側カソード供給配管７ｕを通流する空気を分流手段１６によって分流させて接続部１７の下流のカソードバイパス配管９に流した後、この空気をカソード排出配管８に排出させる経路Ｂの２つの経路を形成させる。
こうして経路Ａを流れる空気によってカソード１ｃに充填された発電原料ガスを空気と共にカソード排出配管８に排出させる。そして排出された発電原料ガスは、カソード排出配管８の途中のカソードバイパス配管９との合流箇所において経路Ｂを流れる空気と合流して混合され、混合ガス中の可燃ガス濃度が燃焼下限未満に希釈され、最終的に燃料電池発電装置の外部（大気中）に排出される。
ここで、経路Ａを流れる空気流量および経路Ｂを流れる空気流量は分流手段１６によって調整され、両者の流量の分流比率は、燃料電池発電装置３９の外部へ排出させる混合ガス中に含有する可燃ガス濃度が燃焼下限濃度以下になるよう設定される。
例えば発電原料ガスとして大都市圏内において使用される都市ガス１３Ａを使用する場合、この都市ガス１３Ａは、空気との混合割合として約５〜１５％の燃焼範囲を有するため、経路Ｂを流れる単位時間当たりの空気量を、経路Ａを流れる単位時間当たりの空気量の２０倍の量よりも多くになるように分流手段１６の分流比率を設定すれば、最終的には排出される混合ガス中の可燃ガス濃度を５％未満にできる。
こうして燃料電池１のカソード１ｃに充填された発電原料ガスを燃料電池発電装置３９の外部に全量排出できた後、ブロア５から送出される空気を接続部１７の下流のカソード供給配管７ｄに全量流入させるよう、分流手段１６の分流比率を設定して、燃料電池１のカソード１ｃに対するブロア５からのガス供給を発電開始可能な状態にする。
なお、発電開始の際の燃料電池１のアノード１ａに対するガス供給は実施の形態１のそれと同様である。
以上のように燃料電池発電装置３９の発電開始の場合、ブロア５から供給される非可燃性の酸化剤ガス（例えば、空気）は、接続部１７に配置された分流手段１６によってカソード供給配管７から燃料電池１のカソード１ｃを経てカソード排出配管８に排出される経路Ａと、カソードバイパス配管９からカソード排出配管８に排出される経路Ｂの２つの経路に分流される。そして、経路Ａおよび経路Ｂを流れる空気の流量の比率を、分流手段１６によって調整しておく。
こうしてカソード１ｃに充填させた可燃性の発電原料ガス（例えば、都市ガス１３Ａ）を、経路Ａを流れる空気によって押し出して空気と共に発電原料ガスをカソード排出配管８に排出させる際、経路Ｂを流れる空気とこの発電原料ガスとを合流させて混合させ、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈して、この状態で混合ガスを大気に排出できる。これによってカソード１ｃに充填された可燃ガスを適切に後処理し得る。
また、燃料電池発電装置３９の発電の停止期間中、燃料電池１のカソード１ｃに発電原料ガスを充填させた状態で保持できるため、アノード１ａに可燃ガス（燃料ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１のアノード１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池発電装置３９のアノード１ａの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
更には、カソード閉止手段１２の第一の出口側開閉弁１２ａを閉止すると共に上流側カソード供給配管７ｕと下流側カソード供給配管７ｄの間を全閉にした状態で、燃料電池発電装置３９の停止保管動作を実行するため、原料カソード供給手段１１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給した発電原料ガスを燃料電池１の内部に確実に封止せしめて、仮に燃料電池１を停止させた状態で長期間保管しても外部から空気が燃料電池１のカソード１ｃに混入することがなく、燃料電池発電装置３９の耐久性低下を防ぎ得る。
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図であり、実施の形態１の構成に対してカソード１ｃに充填された発電原料ガスの後処理に絡む配管構成および弁構成を変更している。なお、図１に記載された構成要素と同じものには、同じ番号を付して、その説明を省略する。
図３によれば、実施の形態１と比較して、カソードバイパス配管９およびカソードバイパス開閉手段１０（図１参照）に代えて、第一の出口側開閉弁１２ａの上流側のカソード排出配管８の途中から分岐して延びて燃焼器４（より詳しくは図４に示す燃焼器４の火炎バーナ４１）に接続するカソード燃焼配管１９を設けると共に、このカソード燃焼配管１９の途中に、カソード燃焼配管１９に空気供給を開始および停止するための燃焼配管開閉手段としての燃焼配管開閉弁２０を配置している。燃焼配管開閉弁２０は、例えば開閉用の電磁弁を用いてこれを制御装置２１によって制御させる。
また、図３に示された燃焼ファン１８（燃焼空気供給手段）は、燃焼器４に接続されて燃焼器４の火炎バーナ４１に燃料処理器２の加熱用の空気を供給するものである。
なお、燃焼器４の火炎バーナ４１に空気を供給する燃焼ファン１８（燃焼空気供給手段）と、カソード排出配管８（酸化剤ガス流路）の第一の出口側開閉弁１２ａ（第二の酸化剤ガス流路開閉手段）とカソード１ｃとの間に位置する部分から延びて火炎バーナに接続するカソード燃焼配管１９と、カソード燃焼配管１９を開閉する燃焼配管開閉弁２０（燃焼配管開閉手段）によって可燃ガスの希釈手段は構成されている。
以下、燃料電池発電装置３９の発電停止時および発電開始時（起動時）に区分けして燃料電池発電装置３９の動作を説明する。なお、燃料電池発電装置３９の発電期間中の動作については実施の形態１と同様の動作であり、これに関連する記載事項は省略する。
燃料電池発電装置３９の発電停止の際、燃料電池１のカソード１ｃに対するガス供給は次のように制御される。
ブロア５の作動を停止して燃料電池１のカソード１ｃに対する空気供給を止める。そして、原料カソード供給配管３２を介して原料カソード供給手段１１によって可燃ガス含有の発電原料ガスを第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に導いて、このカソード供給配管７を介して燃料電池１のカソード１ｃに発電原料ガスを供給する（既に述べた実施の形態１の原料カソード供給手段１１の動作による供給）。なおこの時点においては、第一の入口側および出口側開閉弁１２ａ、１２ｂを閉めておき、燃焼配管開閉弁２０を開いておく。続いて、発電原料ガスのカソード１ｃに対する供給によって燃料電池１のカソード１ｃに滞留する空気を、燃焼配管開閉弁２０を通ってカソード燃焼配管１９を経由して燃焼器４から外部に排出する。そして、滞留する空気をほぼ全量排出できたと判断した時点で、燃焼配管開閉弁２０を閉止状態にして、原料カソード供給手段１１によって発電原料ガスを燃料電池１のカソード１ｃに供給することを止める。
なお、発電停止の際の燃料電池１のアノード１ａに対するガス供給は実施の形態１のそれと同様である。
以上のような動作によって発電の停止後、燃料ガス（水素リッチガス）をアノード１ａの内部に充填させた状態に保持すると共に、可燃ガス（発電原料ガス）をカソード１ｃの内部に充填させた状態で保持でき、アノード１ａの酸化劣化を防止できる。
また、燃料電池発電装置３９の発電開始（起動）の場合、燃料電池１のカソード１ｃのガス供給は次のように制御される。
第一の入口側開閉弁１２ｂおよび燃焼配管開閉弁２０を開栓すると共に第一の出口側開閉弁１２ａを閉栓する。この状態でブロア５からカソード供給配管７を介してカソード１ｃに空気供給を開始する。ブロア５から供給される空気はカソード１ｃに充填された可燃性の発電原料ガスを押し出す。即ち、カソード供給配管７から燃料電池１のカソード１ｃを経由してカソード排出配管８に排出する空気と共に発電原料ガスはカソード排出配管８に一旦排出される。続いて、排出された発電原料ガスは、燃焼配管開閉弁２０を通ってカソード燃焼配管１９を経由して燃焼器４の火炎バーナ４１に流入する。
ここで、図４に示す燃焼器４とその周辺構造の模式断面図を参照して、燃焼器４の内部の構成を述べたうえで、カソード１ｃに充填された可燃ガス（発電原料ガス）の燃焼器４の内部における後処理の動作を説明する。
カソード燃焼配管１９を流れるガスを、燃焼器４の火炎バーナ４１に導き得るように燃焼器４の第一の接続ポート４４にカソード燃焼配管１９は接続される。燃焼ファン１８も同様に、空気を燃焼器４の火炎バーナ４１に導き得るように燃焼器４に第二の接続ポート４５において接続される。また、火炎バーナ４１を覆うように筒状の燃焼筒４０が設けられており、この燃焼筒４０の側面に燃焼排気管２３が設けられ、この燃焼排気管２３を介して火炎バーナ４１の燃焼で生成する燃焼排ガス（窒素ガス主成分のガス）が外部（大気）に排出される。なお、原料供給配管３３から分岐する予備原料供給配管２２（図５参照）および燃料ガス還流配管３５が燃焼器４の第三の接続ポート４６に接続されており、これによってこれらの配管２２、３５を通流する発電原料ガスまたは／および燃料ガスが火炎バーナ４１に導かれ燃焼されて燃料処理器２の加熱に利用される。
もっとも、実施の形態３においては、カソード１ｃに充填された発電原料ガスを火炎バーナ４１に供給するよう構成されているため、この発電原料ガスの後処理を終了する前に、火炎バーナ４１の燃焼を開始してしまうと、火炎バーナ４１に対する発電原料ガスの供給によってその燃焼状態が乱されて好ましくない。よって発電原料ガスの火炎バーナ４１に対する供給は、火炎バーナ４１の燃焼前に開始される。その後、カソード１ｃに充填された発電原料ガスを全て燃焼器４に送出してこれを処理して外部に排出した後に、火炎バーナ４１の燃焼が開始される。なお、燃焼中に炎の中を流れるイオン電流を検知できるフレームロッド４２もしくは熱電対４３を火炎バーナに設置しておき、火炎バーナ４１において燃焼継続中か否かは、この検知信号に基づいて制御装置２１によってモニタされる。
以上のような燃焼器４において、カソード１ｃに充填された発電原料ガスは次のようにして処理される。
カソード１ｃに充填された発電原料ガスは、ブロア５から供給される空気に押し出され、カソード燃焼配管１９に排出され、燃焼器４の第一の接続ポート４４を介して火炎バーナ４１に供給される。同時に、燃焼ファン１８から供給される空気も第二の接続ポート４５を介して火炎バーナ４１に供給される。こうして、カソード燃焼配管１９を通流する発電原料ガスと燃焼ファン１８の空気は互いに、燃焼器４の火炎バーナ４１で混合されて、混合ガス中に含有する可燃ガス濃度が燃焼下限濃度未満に希釈された後、燃焼排気管２３を介して燃料電池発電装置３９の外部に排出される。
この際、ブロア５の空気量と燃焼ファン１８の空気量は共に、火炎バーナ４１の内部の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満になるように制御装置２１によって調整される。例えば発電原料ガスとして大都市圏内において使用される都市ガス１３Ａを使用する場合、この都市ガス１３Ａは空気との混合割合として約５〜１５％の燃焼範囲を有するため、燃焼ファン１８から供給される空気量を、ブロア５から供給される空気量の２０倍の量よりも多くになるように両者の空気供給出力を設定すれば、最終的には排出される混合ガス中の可燃ガス濃度を５％未満にできる。そして燃料電池１のカソード１ｃに充填された発電原料ガスを全量、可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈しながら燃料電池発電装置３９の外部に排出させた後、燃焼配管開閉弁２０を閉栓させる。
その後、発電を開始するための燃料電池発電装置３９の一連の動作を実行する。なお、この動作は実施の形態１と同様である。
以上のように燃料電池発電装置３９の発電開始の場合、ブロア５から供給される非可燃性の酸化剤ガス（例えば、空気）によってカソード１ｃに充填された可燃性の発電原料ガス（例えば、都市ガス１３Ａ）を押し出して、これらのガスを燃焼器４の火炎バーナ４１に排出させると共に、燃焼ファン１８から供給される非可燃性の酸化剤ガス（例えば、空気）を燃焼器４の火炎バーナ４１に供給して両者を燃焼器４の内部で混合させる際、ブロア５および燃焼ファン１８の供給出力を調整することで、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈できて、この状態で混合ガスを大気に排出できる。こうしてカソード１ｃに充填された可燃ガスを適切に後処理し得る。
また、燃料電池発電装置３９の発電の停止期間中、燃料電池１のカソード１ｃに発電原料ガスを封入できるため、アノード１ａに可燃ガス（燃料ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１のアノード１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池発電装置３９のアノード１ｃの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
更には、カソード閉止手段１２の第一の入口側および出口側開閉弁１２ｂ、１２ａおよび燃焼配管開閉弁２０を閉栓して燃料電池発電装置３９の停止保管動作を実行するため、原料カソード供給手段１１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給した発電原料ガスを燃料電池１の内部に確実に封止せしめて、仮に燃料電池１を停止させた状態で長期間保管しても外部から空気が燃料電池１のカソード１ｃに混入することがなく、燃料電池発電装置３９の耐久性低下を防ぎ得る。
（実施の形態４）
図５は、実施の形態４に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。本実施の形態は、実施の形態３に記載された配管配置の変形例である。なお、図３に記載された構成要素と同じものには、同じ番号を付して、その説明を省略する。
図５によれば実施の形態３と比較して、第一の出口側開閉弁１２ａの上流のカソード排出配管８と燃焼器４を接続するカソード燃焼配管１９（図３参照）に代えて、第一の出口側開閉弁１２ａの上流側のカソード排出配管８（酸化剤ガス流路）の途中から分岐して延び、燃焼排気管２３（図４参照）に接続するカソード燃焼排気配管２５を設けると共に、このカソード燃焼排気配管２５の途中に、空気供給の開始および停止を制御する燃焼排気配管開閉手段としての燃焼排気配管開閉弁２６を配置している。また、原料ガス供給手段３６の出口直後の原料供給配管３３と第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７を接続する原料カソード供給配管３２（図３参照）に代えて、燃料処理器２の出口直後のアノード供給配管３４と第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７を接続する燃料カソード供給配管４９を設ける。また、原料カソード供給配管３２の途中の原料カソード供給手段１１（図３参照）に代えて、燃料カソード供給配管４９の途中に燃料カソード供給手段２４（可燃ガス供給手段）を配置する。更にまた、原料供給配管３３から分岐して燃焼器４の火炎バーナ４１に発電原料ガスを導く予備原料供給配管２２が設けられている。
なお、燃焼器４の燃焼によって生成された燃焼排ガスを大気に導く燃焼排気管２３と、酸化剤ガス流路としてのカソード排出配管８（酸化剤ガス流路）の第一の出口側開閉弁１２ａ（第二の酸化剤ガス流路開閉手段）とカソード１ｃとの間に位置する部分から延びて火炎バーナに接続するカソード燃焼排気配管２５と、カソード燃焼排気配管２５を開閉する燃焼排気配管開閉弁２６（燃焼排気配管開閉手段）によって可燃ガスの希釈手段は構成されている。
以下、燃料電池発電装置３９の発電期間中、発電停止時および発電開始時（起動時）に分けて燃料電池発電装置３９の動作を、図４および図５を参照して説明する。但し、実施の形態３と共通する動作は簡略化して説明する。
燃料電池発電装置３９の発電期間中、燃料処理器２の温度を約７００℃程度に維持させた状態で、原料ガス供給手段３６から供給された発電原料ガスと水供給手段３から供給された水を燃料処理器２の内部で改質反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する。そして、燃料生成器２から送出された燃料ガスは、アノード供給配管３４の途中に設けられた流路切換手段１４を通過して（流路切換手段１４によってアノード供給配管３４とアノード１ａを連通状態）、燃料電池１のアノード１ａに送り込まれる。また、ブロア５から送出される空気は、カソード供給配管７を介して開栓状態の第一の入口側開閉弁１２ｂを通過して、燃料電池１のカソード１ｃに送り込まれる。こうして燃料電池１の内部において、燃料ガス（水素ガス）と空気（酸素ガス）を消費して発電が行われる。燃料電池１の発電によって消費されなかった残余の燃料ガスは、燃料ガス還流配管３５を介して開栓状態の還流配管開閉手段１５を通過して燃焼器４へ送られた後、燃焼器４の内部で燃焼させて燃料処理器２の温度維持の熱源として活用される。ここで、残余の燃料ガスのみの燃料では、燃料処理器２の温度を適切に維持できない場合には、予備原料供給配管２２を通して発電原料ガスを燃焼器４の火炎バーナ４１に付加的に供給させると共に、この追加の発電原料ガスを安定して燃焼させ得るよう、空気供給量を調整しながら燃焼ファン１８から空気を火炎バーナ４１に供給する。一方、燃料電池１の発電によって消費されなかった残余の空気は、カソード排出配管８を介して開栓状態の第一の出口側開閉弁１２ａを通過して大気中に排出される。
続いて、燃料電池発電装置３９の発電停止の際、燃料電池１のカソード１ｃのガス供給動作は次のように制御される。
ブロア５の作動を停止して燃料電池１のカソード１ｃに対する空気供給を止める。そして、燃料カソード供給配管４９を介して燃料カソード供給手段２４によって可燃ガスを含む燃料ガスを第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に導いて、このカソード供給配管７を介して燃料電池１のカソード１ｃに燃料ガスを供給する。なお、この時点においては、第一の入口側および出口側開閉弁１２ａ、１２ｂを閉めておき、燃焼排気配管開閉弁２６を開いておく。続いて、燃料ガスのカソード１ｃに対する供給によって燃料電池１のカソード１ｃに滞留する空気を、燃焼排気配管開閉弁２６を通ってカソード燃焼排気配管２５を経由して燃焼排気管２３から外部に排出する。そして、滞留する空気を全量排出できたと判断した時点で、燃焼排気配管開閉弁２６を閉栓して、燃料カソード供給手段２４によって燃料ガスを燃料電池１のカソード１ｃに供給することを止める。
なお、燃料生成器２の出口直後の燃料ガス圧力は昇圧されており、燃料カソード供給配管４９の一方端を燃料生成器２の出口直後のアノード供給配管３４に接続させ、その他方端を第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に接続させた状態で、燃料カソード供給配管４９の途中の燃料カソード供給手段２４としての開閉弁を開けば、燃料ガスの内圧を利用して燃料ガスを第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に導くことができカソード１ｃに流入させ得る。もっとも燃料ガスの供給圧が不足する場合には、燃料カソード供給手段２４として供給ポンプを使って、燃料ガスをカソード１ｃにポンプ圧送しても構わない。
なおここでは、カソード１ｃに充填する燃料ガスとして、例えば水素リッチなガス（例えば、水素ガス含有率が８０％のガス）が用いられる。
なお、発電停止の際の燃料電池１のアノード１ａに対するガス供給は、実施の形態１と同様である。
以上のような動作によって発電の停止後、燃料ガス（水素リッチガス）をアノード１ａの内部に充填させた状態で保持すると共に、可燃ガス（水素リッチな燃料ガス）をカソード１ｃの内部に充填させた状態に保持でき、アノード１ａの酸化劣化を防止できる。
また燃料電池発電装置３９の発電開始（起動）の場合、燃料電池１のカソード１ｃに対するガス供給は次のように制御される。
第一の入口側開閉弁１２ｂおよび燃焼排気配管開閉弁２６を開栓すると共に第一の出口側開閉弁１２ａを閉栓する。この状態でブロア５からカソード供給配管７を介してカソード１ｃに空気供給を開始する。ブロア５から供給される酸化剤ガス（空気）はカソード１ｃに充填された可燃性の燃料ガスを押し出す。そして、カソード供給配管７から燃料電池１のカソード１ｃを経由してカソード排出配管８に排出させた空気と共に燃料ガスは一旦カソード排出配管８に排出される。排出された燃料ガスは、燃焼排気配管開閉弁２６を通ってカソード燃焼排気配管２５を経由して燃焼排気管２３に流入する。
図４を参照して、カソード１ｃに充填された可燃ガス（燃料ガス）の燃焼排気管２３の内部における後処理の動作を説明する。なお、実施の形態３において既に説明した事項は省略する。
実施の形態４においては、カソード１ｃに充填した燃料ガスを燃焼排気管２３に導くように構成されている。こうすることで、火炎バーナ４１の燃焼期間中に燃焼排気管２３に燃料ガスを供給することができ、この燃料ガスを、非可燃性の窒素ガス主成分の燃焼排ガスと燃焼排気管２３において混合させて、この混合ガス中に含有する可燃ガスの濃度が燃焼下限濃度未満に希釈されて燃焼排気管２３から大気に排出できる。よって燃料ガスの燃焼排気管２３における後処理においては、実施の形態３に比較して火炎バーナ４１の燃焼開始時期を遅らせる必要がなくなり、燃料ガス後処理のプロセスの簡素化を図り得る。
なおこの際、ブロア５から供給される酸化剤ガス（空気）および火炎バーナ４１にて生成される燃焼排ガスの供給量は互いに、燃焼排気管２３の内部の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満になるように制御装置２１によって調整される。例えば燃料ガスの主成分の水素ガスの場合、水素ガスは、空気との混合割合として約４〜７５％の燃焼範囲を有するため、ブロア５から供給される空気量を、火炎バーナ４１の燃焼で生成される燃焼排ガス量の１／２５未満にするようブロア５の空気供給出力を設定すれば、最終的には排出される混合ガス中の可燃ガス濃度を４％未満にできる。
そしてカソード１ｃに充填された発電原料ガスを全量、可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈しながら燃料電池発電装置３９の外部に排出させた後、燃焼排気配管開閉弁２６を閉栓させる。
その後、発電を開始するため、燃料電池発電装置３９の一連の動作を実行する。なお、この動作は実施の形態１と同様である。
以上のように燃料電池発電装置３９の発電開始の場合、ブロア５から供給される非可燃の酸化剤ガス（例えば、空気）によってカソード１ｃに充填された可燃性の燃料ガス（例えば、水素リッチなガス）を押し出して、燃料ガスを燃焼排気管２３に排出させると共に、燃焼器４の火炎バーナ４１の燃焼で生成される窒素ガス主成分の燃焼排ガスを燃焼排気管２３に導いて両者を燃焼排気管２３の内部で混合させる。そして、ブロア５の供給出力を調整することで、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈できて、この状態で混合ガスを大気に排出できる。こうしてカソード１ｃに充填された可燃ガスを適切に後処理し得る。
また、燃料電池発電装置３９の発電の停止期間中、燃料電池１のカソード１ｃに燃料ガスを封入できるため、アノード１ａに可燃ガス（燃料ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１のアノード１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池発電装置３９のアノード１aの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
更には、カソード閉止手段１２の第一の入口側および出口側開閉弁１２ｂ、１２ａおよび燃焼排気配管開閉弁２６を閉止状態にして燃料電池発電装置３９の停止保管動作を実行するため、原料カソード供給手段１１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給した燃料ガスを燃料電池１の内部に確実に封止せしめて、仮に燃料電池１を停止させた状態で長期間保管しても外部から空気が燃料電池１のカソード１ｃに混入することがなく、燃料電池発電装置３９の耐久性低下を防ぎ得る。
（実施の形態５）
図６は、実施の形態５に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。本実施の形態は、実施の形態４に記載されたカソード燃焼排気配管の配置の変形例である。なお、図５に記載された構成要素と同じものには、同じ番号を付して、その説明を省略する。
図６によれば、実施の形態４と比較して、第一の出口側開閉弁１２ａの上流側のカソード排出配管８の途中から分岐して延びて、燃焼排気管２３に接続するカソード燃焼排気配管２５（図５参照）に代えて、酸化剤ガス流路としてのカソード排出配管８を直接、燃焼排気管２３に接続させる。また、カソード燃焼排気配管２５の途中に配置され、カソード燃焼排気配管２５に空気供給の開始および停止を制御する燃焼排気配管開閉弁２６を取り除く。こうすることで、実施の形態４に比較して燃焼排気配管開閉弁２６やカソード燃焼排気配管２５を無くすことができ、ガス供給配管系の簡素化を図れる。
なお、燃焼器４の燃焼によって生成された燃焼排ガスを大気に導く燃焼排気管２３と、カソード排出配管８（酸化剤ガス流路）の第一の出口側開閉弁１２ａ（第二の酸化剤ガス流路開閉手段）の下流に位置する部分とこの燃焼排気管２３とを接続させることによって可燃ガスの希釈手段は構成されている。
以下、燃料電池発電装置３９の発電停止時および発電開始時（起動時）に分けて燃料電池発電装置３９の動作を、図６を参照して説明する。但し、発電期間中の動作は実施の形態４および実施の形態１のそれと共通するため、これに関する説明は省略する。
燃料電池発電装置３９の発電停止の際、燃料電池１のカソード１ｃに対するガス供給は次のように制御される。
ブロア５の作動を停止させて燃料電池１のカソード１ｃに対する空気供給を止める。そして、燃料カソード供給配管４９を介して燃料カソード供給手段２４によって可燃ガスを含む燃料ガスを第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に導いて、このカソード供給配管７を介して燃料電池１のカソード１ｃに供給する（既に述べた実施の形態４の燃料カソード供給手段２４と同様な動作による供給）。なおこの時点においては、第一の入口側開閉弁１２ｂを閉めておき、第一の出口側開閉弁１２ａを開いておく。その後、燃料ガスのカソード１ｃへの供給によって燃料電池１のカソード１ｃに滞留する空気を、第一の出口側開閉弁１２ｂを通ってカソード排出配管８を経由して燃焼排気管２３から外部に排出する。そして、滞留する空気を全量排出できたと判断した時点で、第一の出口側開閉弁１２ａを閉止状態にして、原料カソード供給手段１１によって発電原料ガスを燃料電池１のカソード１ｃに供給することを止める。
この実施の形態５においては、燃料ガスとして、例えば水素リッチなガス（例えば、水素ガス含有率が８０％のガス）が用いられる。
なお、発電停止の際の燃料電池１のアノード１ａのガス供給は実施の形態１のそれと同様である。
以上のような動作によって発電の停止後、燃料ガス（水素リッチガス）をアノード１ａの内部に充填させた状態で保持すると共に、可燃ガス（水素リッチな燃料ガス）をカソード１ｃの内部に充填させて保持でき、アノード１ａの酸化劣化を防止できる。
また燃料電池発電装置３９の発電開始（起動）の場合、燃料電池１のカソード１ｃのガス供給は次のように制御される。
第一の入口側開閉弁１２ｂおよび第一の出口側開閉弁１２ａを開栓する。この状態でブロア５からカソード供給配管７を介してカソード１ｃに空気供給を開始する。ブロア５から供給される酸化剤ガス（空気）はカソード１ｃに充填された可燃性の燃料ガスをカソード排出配管８に押し出す。カソード供給配管７から燃料電池１のカソード１ｃを経由してカソード排出配管８に排出させた空気と共に燃料ガスを、カソード排出配管８を介して燃焼排気管２３に流入させる。
カソード１ｃに充填された可燃ガス（燃料ガス）の燃焼排気管２３の内部における処理の動作においては、実施の形態４において既に説明した事項と同様である。
以上のように燃料電池発電装置３９の発電開始の場合、ブロア５から供給される非可燃の酸化剤ガス（例えば、空気）によってカソード１ｃに充填された可燃性の燃料ガス（例えば、水素リッチなガス）を押し出して、燃料ガスを燃焼排気管２３に排出させると共に、燃焼器４の火炎バーナ４１の燃焼で生成される窒素ガス主成分の燃焼排ガスを燃焼排気管２３に導いて両者を燃焼排気管２３の内部で混合させる際、ブロア５の供給出力を調整することで、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈できて、この状態で混合ガスを大気に排出できる。こうしてカソード１ｃに充填された可燃ガスを適切に後処理し得る。
また、燃料電池発電装置３９の発電の停止期間中、燃料電池１のカソード１ｃに燃料ガスを充填させた状態で保持できるため、アノード１ａに可燃ガス（燃料ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１のアノード１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池発電装置３９のアノード１ａの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
更には、カソード閉止手段１２の第一の入口側および出口側開閉弁１２ｂ、１２ａを閉栓にして燃料電池発電装置３９の停止保管動作を実行するため、原料カソード供給手段１１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給した燃料ガスを燃料電池１の内部に確実に封止せしめて、仮に燃料電池１を停止させた状態で長期間保管しても外部から空気が燃料電池１のカソード１ｃに混入することがなく、燃料電池発電装置３９の耐久性低下を防ぎ得る。
（実施の形態６）
図７は、実施の形態６に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。本実施の形態では、実施の形態１に記載された燃料電池発電装置３９のガス供給系を変更している。なお、図１に記載された構成要素と同じものには、同じ番号を付与して、その説明を省略する。
燃料電池発電装置３９は、水素ガスと酸化剤ガス（空気）を用いて発電を行う固体高分子電解質形の燃料電池１と、燃料ガスとして水素ガスを貯留する水素タンク２７および水素供給配管３７を介して水素タンク２７から燃料電池１のアノード１ａに水素ガスを送出する水素供給ポンプ２８からなる水素ガス供給手段４７と、燃料電池１のアノード１ａから水素排出配管３８に排出される残余の水素ガスを再度燃料電池１へ送出する水素還流ポンプ２９と、燃料電池１のアノード１ａの出入口を開閉する第二の入口側開閉弁３０ａおよび第二の出口側開閉弁３０ｂからなるアノード閉止手段３０と、酸化剤ガスとして空気を、酸化剤ガス流路としてのカソード供給配管７を経由して燃料電池１のカソード１ｃに供給すると共に、カソード１ｃから残余の空気を、酸化剤ガス流路としてのカソード排出配管８に排出する酸化剤ガス供給手段としてのブロア５と、ブロア５から送出される空気を、燃料電池１を経由することなくカソード排出配管８に導入するソードバイパス配管９（カソードバイパス流路）と、カソードバイパス配管９の途中に設けられ、この配管９の開閉させるカソードバイパス開閉手段１０と、燃料電池１のカソードの出入口を開閉する第一の入口側開閉弁１２ｂ（第一の酸化剤ガス流路開閉手段）および第一の出口側開閉弁１２ａ（第二の酸化剤ガス流路開閉手段）からなるカソード閉止手段１２と、燃料電池１のカソード１ｃに水素カソード供給配管４８を介して水素ガスを供給する水素カソード供給手段３１（可燃ガス供給手段）を有している。
なお、カソード供給配管７の第一の入口側開閉弁１２ｂ（第一の酸化剤ガス流路開閉手段）より上流に位置する部分とカソード排出配管８（酸化剤ガス流路）の第一の出口側開閉弁１２ａ（第二の酸化剤ガス流路開閉手段）より下流に位置する部分とを接続するカソードバイパス配管９（カソードバイパス流路）およびこのカソードバイパス配管９を開閉するカソードバイパス開閉手段１０によって可燃ガスの希釈手段が構成されている。
ここで、カソードバイパス開閉手段１０、カソード閉止手段１２の第一の出口側開閉弁１２ａと第一の入口側開閉弁１２ｂおよびアノード閉止手段３０の第二の入口側開閉弁３０ａと第二の出口側開閉弁３０ｂは例えば、開閉用電磁弁で構成され、水素カソード供給手段３１は、例えば開閉弁またはポンプで構成されている。
また、制御装置２１は、ブロア５、水素ガス供給ポンプ２８、水素ガス還流ポンプ２９、水素カソード供給手段３１および各種弁１０、１２ａ、１２ｂ、３０ａ、３０ｂを制御して燃料電池発電装置３９の動作を適切に司っている。なお、図中に点線を付して制御装置２１の制御対象を示している。
以下、燃料電池発電装置３９の発電期間中、発電停止時および発電開始時（起動時）に分けて燃料電池発電装置３９の動作を、図７を参照して説明する。
燃料電池発電装置３９の発電期間中、水素タンク２７に貯蔵された水素ガスを、水素供給ポンプ２８によって水素供給配管３７を介して燃料電池１のアノード１ａに送出させると共に、燃料電池１のアノード１ａにおいて発電で消費されなかった残余の水素ガスは一旦、水素排出配管３８に排出されて、この水素排出配管３８の途中に配置された水素還流ポンプ２９によって再度、燃料電池１のアノード１ａに還流される。なお、第二の入口側開閉弁３０ａおよび第二の出口側開閉弁３０ｂは共に開栓されている。
また一方、ブロア５から供給される空気は、カソード供給配管７を介して燃料電池１のカソード１ｃに供給されると共に、カソード１ｃにおいて発電で消費されなかった残余の空気は、カソード排出配管８を介して大気中に排出される。なお、第一の出口側開閉弁１２ａおよび第一の入口側開閉弁１２ｂは共に開栓されている。
一方、燃料電池発電装置３９の発電停止の際、燃料電池１のカソード１ｃのガス供給動作は次のように制御される。
ブロア５の作動を停止させ燃料電池１のカソード１ｃに対する空気供給を止める。これにより燃料電池１の発電が停止する。そして、水素カソード供給手段３１によって水素カソード供給配管４８を通って可燃性の水素ガスを第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に導いて、このカソード供給配管７を介して燃料電池１のカソード１ｃに供給する。なおこの時点においては、第一の入口側開閉弁１２ｂを閉めておき、第一の出口側開閉弁１２ａを開いておく。その後、水素ガスのカソード１ｃへの供給によって燃料電池１のカソード１ｃの内部に滞留する空気をほぼ全量、カソード１ｃからカソード排出配管８を経て外部（大気中）に排出できたと判断した時点で、カソード閉止手段１２の第一の出口側開閉弁１２ａを閉栓にして、水素カソード供給手段１１によって水素ガスを燃料電池１のカソード１ｃに供給することを止める。
なお、水素供給ポンプ２８の出口直後の水素ガス圧力は昇圧されており、水素カソード供給配管４８の一方端を水素供給ポンプ２８の出口直後の水素供給配管３７に接続させ、その他方端を第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に接続させた状態で、水素カソード供給配管４８の途中の水素カソード供給手段３１としての開閉弁を開けば、水素ガスの内圧を利用して水素ガスを第一の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に導くことができカソード１ｃに流入させ得る。もっとも水素ガスの供給圧が不足する場合には、水素カソード供給手段３１として供給ポンプを使って、水素ガスをカソード１ｃにポンプ圧送しても構わない。
なお、カソード１ｃに滞留する空気量は事前に把握可能であるため、この滞留空気量に基づいて空気をほぼ完全に排出できる水素ガス供給量が制御装置２１によって決定される。
燃料電池発電装置３９の発電停止の動作においては、アノード閉止手段３０の第二の出口側および入口側の開閉弁３０ｂ、３０ａを共に閉めることで、燃料電池１のアノード１ａに滞留する水素ガスを封入させた後、水素供給ポンプ２８および水素還流ポンプ２９の作動を停止させることで終了できる。
以上のような動作によって発電の停止後、水素ガスをアノード１ａの内部に充填させた状態で保持すると共に、可燃ガス（水素ガス）をカソード１ｃの内部に充填させた状態に保持でき、アノード１ａの酸化劣化を防止できる。
また、燃料電池発電装置３９の発電開始（起動）の場合、燃料電池１のカソード１ｃに対するガス供給は次のように制御される。
カソード閉止手段１２の第一の入口側および出口側開閉弁１２ａ、１２ｂおよびカソードバイパス開閉手段１０のいずれも開栓状態にしておき、ブロア５からカソード供給配管７を介してカソード１ｃに空気供給を開始する。これによりブロア５から供給される空気の経路として、カソード供給配管７から燃料電池１のカソード１ｃを経てカソード排出配管８に順次供給される経路Ａと、カソード供給配管７からカソードバイパス開閉手段１０を通過するようにカソードバイパス配管９に供給される経路Ｂの２つの経路が形成される。こうして、経路Ａを流れる空気によってカソード１ｃに充填された水素ガスを空気と共にカソード排出配管８に排出させる。そしてこの水素ガスは、カソード排出配管８の途中のカソードバイパス配管９との合流箇所において経路Ｂを流れる空気と合流して混合され、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼下限未満に希釈され、最終的に燃料電池発電装置の外部（大気中）に排出される。
ここで、経路Ａを流れる空気流量と経路Ｂを流れる空気流量は以下に述べる流路抵抗によって互いに調整されており、両者の流量は、燃料電池発電装置３９の外部へ排出させる混合ガス中に含有する可燃ガスの濃度が燃焼下限濃度以下になるよう設定される。具体的には、水素ガスは、空気との混合割合として約４〜７５％の燃焼範囲を有するため、経路Ｂを流れる単位時間当たりの空気量を、経路Ａを流れる単位時間当たりの空気量の２５倍の量よりも多くになるように経路Ａおよび経路Ｂの流路抵抗を設定すれば、最終的には排出される混合ガス中の可燃ガス濃度を４％未満にできる。なお、予め経路Ａを流れる混合ガスの流路抵抗は予測できるため、例えばカソードバイパス開閉手段１０としての開閉弁の口径を調整して経路Ｂの流路抵抗を制御することで、（経路Ｂの単位時間当たりの流量）／（経路Ａの単位時間当たりの流量）＞２５に設定することが可能である。
こうして燃料電池１のカソード１ｃに充填された水素ガスを燃料電池発電装置３９の外部へ排出できた後、カソードバイパス開閉手段１０を閉栓状態にし、ブロア５の空気を燃料電池１のカソード１ｃのみに供給させて、燃料電池１のカソード１ｃに対するガス供給を発電開始可能な状態にする。
なお、本実施の形態では、カソード排出配管８を流れる可燃ガスにカソード供給配管７を流れる空気を混合する手段として、カソードバイパス開閉手段を例に説明しているが、実施の形態２で述べた分流手段を用いても構わない。すなわち図７の一点さ線で囲った部分に示しているように、カソードバイパス配管９の途中のカソードバイパス開閉手段１０に代えて、カソードバイパス配管９とカソード供給配管７の接続部１７に分流手段１６を配置する。この分流手段１６によって上流側カソードバイパス配管７ｕを流れるガスを、下流側カソード供給配管７ｄに流れるガスとカソードバイパス配管９を流れるガスに分流できる。また、カソード開閉手段１２のうちの第一の入口側開閉弁１２ｂを分流手段１６で代用する一方、カソード出口閉止手段として第一の出口側開閉弁１２ａはそのまま残す。これにより、分流手段１６によって接続部１７の下流側カソード供給配管７ｄを流れるガス流量と接続部１７の下流のカソードバイパス配管９を流れるガス流量の比率が調整される。なお、分流手段１６による分流比率の調整は制御装置２１によって制御される。
更にまた、実施の形態３、４、５の欄に記載の動作と同様にして燃焼器４または燃焼排気管２３を使用して、カソード充填ガス（水素ガス）と空気または燃焼排ガスとの混合および希釈の処理を行っても良い。例えば、図８に図示した各変形例に示すように、カソード排出配管８の途中から分岐して延びるカソード燃焼配管１９を燃焼器４の火炎バーナ４１に接続させて、このカソード燃焼配管１９の途中に燃焼配管開閉弁２０を配置させた構成（実施の形態３に相当の構成）、カソード排出配管８の途中から分岐して延びるカソード燃焼排気配管２５を燃焼排気管２３と接続させて、このカソード燃焼排気配管２５の途中に燃焼排気配管開閉弁２６を配置させた構成（実施の形態４に相当の構成）またはカソード排出配管８を直接、燃焼排気管２３に接続させた構成（実施の形態５に相当の構成）を採用して、カソード１ｃに充填された水素ガスを燃焼器４または燃焼排気管２３において非可燃ガスと混合して希釈させたうえで大気に放出しても構わない。
また一方、燃料電池発電装置３９の発電開始（起動）の動作においては、アノード閉止手段３０の第二の出口側および入口側の開閉弁３０ａ、３０ｂを共に開栓させた後、水素供給ポンプ２８および水素還流ポンプ２９の作動を開始させることで準備が整う。
以上のように燃料電池発電装置３９の発電開始の場合、ブロア５から供給される非可燃性の酸化剤ガス（例えば、空気）の経路として、カソード供給配管７から燃料電池１を経てカソード排出配管８に順次供給される経路Ａおよびカソードバイパス開閉手段１０を途中に配置したカソードバイパス配管９に供給される経路Ｂの２つの経路があって、これらの経路Ａおよび経路Ｂをそれぞれ、所定の流路抵抗に設定して通流させておく。
こうしてカソード１ｃに充填させた可燃性の水素ガスを、経路Ａを流れる空気によって押し出してカソード排出配管８に排出する際、経路Ｂを流れる空気と排出された水素ガスを混合させる。そして、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈して、この状態で混合ガスを大気に排出できる。これによってカソード１ｃに充填された可燃ガスを適切に後処理し得る。
なお、燃料電池発電装置３９の発電の停止期間中、燃料電池１のカソード１ｃに水素ガスを充填させた状態で保持できるため、アノード１ａに可燃ガス（水素ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１のアノード１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池発電装置３９のアノード１aの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
更には、カソード閉止手段１２の第一の入口側および出口側開閉弁１２ｂ、１２ａを閉止状態にして燃料電池発電装置３９の停止保管動作を実行するため、水素カソード供給手段３１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給した水素ガスを燃料電池１の内部に確実に封止せしめて、仮に燃料電池１を停止させた状態で長期間保管しても外部から空気が燃料電池１のカソード１ｃに混入することがなく、燃料電池発電装置３９の耐久性低下を防ぎ得る。
なおここまで、燃料電池発電装置３９の発電停止の際、実施の形態１（図１）および実施の形態２（図２）並びに実施の形態３（図３）においてはカソード１ｃに充填する可燃ガスとして原料ガス供給系３６からアノード１ａに供給される発電原料ガスが流用され、実施の形態４（図５）および実施の形態５（図６）においてはカソード１ｃに充填される可燃ガスとして燃料生成器２で発電原料ガスから製造された燃料ガス（水素ガス含有率が約８０％の水素リッチなガス）が流用され、実施の形態６（図７）においては水素ガス供給手段４７からアノード１ａに供給される水素ガス（水素ガス含有率が約１００％の純水素ガス）が流用されている。
しかし、水素ガスを使用した実施の形態６を除き実施の形態１〜５においては、所定の配管配置の変更によって可燃ガスとして発電原料ガスおよび燃料ガスのうちのいずれも適宜選択することが可能である。もっとも水素ガス濃度を高めた状態で充填して保持させた方が、白金触媒の耐久性の観点から好ましいと考えられている。もちろん反面、水素ガスの燃焼濃度範囲が、他の可燃ガスのそれよりも広くて、水素ガスを大気に排出させる際にはより慎重に取り扱う必要があると言える。
本発明に係る燃料電池発電装置は、燃料電池のアノードの酸化劣化を防止して耐久性の向上が図れると共に、カソードに充填した可燃ガスを適切に処置できて、例えば、家庭用の発電システム等として有用である。
実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。 実施の形態２に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。 実施の形態３に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。 燃焼器およびその周辺構造の模式断面図である。 実施の形態４に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。 実施の形態５に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。 実施の形態６に係る燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。 実施の形態６に係る燃料電池発電装置の構成の変形例を示すブロック図である。 従来の燃料電池発電装置の構成の概要を示すブロック図である。
符号の説明
１ 燃料電池
２ 燃料処理器
３ 水供給手段
４ 燃焼器
５ ブロア
６ パージ用空気供給手段
７ カソード供給配管
７ｕ 上流側カソード供給配管
７ｄ 下流側カソード供給配管
８ カソード排出配管
９ カソードバイパス配管
１０ カソードバイパス開閉手段
１１ 原料カソード供給手段
１２ カソード閉止手段
１２ａ 第一の出口側開閉弁
１２ｂ 第一の入口側開閉弁
１３ アノードバイパス配管
１４ 流路切換手段
１５ 還流配管開閉手段
１６ 分流手段
１７ 接続部
１８ 燃焼ファン
１９ カソード燃焼配管
２０ 燃焼配管開閉弁
２１ 制御装置
２２ 予備原料供給配管
２３ 燃焼排気管
２４ 燃料カソード供給手段
２５ カソード燃焼排気配管
２６ 燃焼排気配管開閉弁
２７ 水素タンク
２８ 水素供給ポンプ
２９ 水素還流ポンプ
３０ アノード閉止手段
３０ａ 第二の入口側開閉弁
３０ｂ 第二の出口側開閉弁
３１ 水素カソード供給手段
３２ 原料カソード供給配管
３３ 原料供給配管
３４ アノード供給配管
３５ 燃料ガス還流配管
３６ 原料ガス供給手段
３７ 水素供給配管
３８ 水素排出配管
３９ 燃料電池発電装置
４０ 燃焼筒
４１ 火炎バーナ
４２ フレームロッド
４３ 熱電対
４４ 第一の接続ポート
４５ 第二の接続ポート
４６ 第三の接続ポート
４７ 水素ガス供給手段
４８ 水素カソード供給配管
４９ 燃料カソード供給配管

Claims (15)

  1. カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池を備え、前記発電の停止後、前記カソードに可燃ガスを充填させ保持し、その後、前記可燃ガスを大気に排出する際、前記可燃ガスを非可燃ガスによって希釈する燃料電池発電装置であって、
    前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスを前記カソードに導きかつ前記カソードで消費されなかった酸化剤ガスを大気に放出するよう形成された酸化剤ガス流路と、前記カソードの上流および下流においてそれぞれその開閉により前記酸化剤ガス流路を開閉する第一及び第二の酸化剤ガス流路開閉手段と、前記酸化剤ガス流路の、前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段と前記カソードとの間に位置する部分に前記可燃ガスを供給する可燃ガス供給手段と、前記酸化剤ガス流路の前記カソードより下流に位置する部分に該カソードから流出した前記可燃ガスを前記非可燃ガスによって希釈して大気に排出する希釈手段と、制御装置と、を備え、
    前記燃料電池による発電の停止動作時には、前記制御装置は、前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段を閉じて前記可燃ガス供給手段から前記酸化剤ガス流路に可燃ガスを供給させることにより前記カソードに可燃ガスを充填させた後、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を閉じて前記カソードに前記可燃ガスを保持させ、
    前記燃料電池による前記発電の開始動作時には、前記制御装置は、少なくとも前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段を開いて前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガス流路を通じて前記カソードに酸化剤ガスを供給させることにより、前記可燃ガスを前記酸化剤ガス流路の前記カソードより下流に位置する部分に流出させ、かつ前記流出した前記可燃ガスを前記希釈手段により希釈して大気に排出させる燃料電池発電装置。
  2. 前記可燃ガスと前記非可燃ガスとの混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼下限濃度未満に希釈してこれを大気に排出する請求項１記載の燃料電池発電装置。
  3. 前記非可燃ガスが前記酸化剤ガスである請求項１記載の燃料電池発電装置。
  4. 前記希釈手段として、前記酸化剤ガス流路の前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段より上流に位置する部分と前記酸化剤ガス流路の前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段より下流に位置する部分とを接続するカソードバイパス流路と、その開閉により前記カソードバイパス流路を開閉するカソードバイパス開閉手段とを備え、
    前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第一、第二の酸化剤ガス開閉手段を開くとともに前記カソードバイパス開閉手段を開き、これによって前記酸化剤ガス流路の前記カソードより下流に位置する部分に流出した前記可燃ガスを、前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガスと混合しかつ希釈して大気に排出する請求項３記載の燃料電池発電装置。
  5. 前記カソードバイパス流路の流路抵抗を調整することで前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガスの流量を制御する請求項４記載の燃料電池発電装置。
  6. 前記カソードバイパス流路の途中に配置された前記カソードバイパス開閉手段としてのカソードバイパス開閉弁の口径を調整することで前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガスの流量を制御する請求項５記載の燃料電池発電装置。
  7. 前記希釈手段として、前記酸化剤ガス流路の前記カソードより上流に位置する部分と前記酸化剤ガス流路の前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段より下流に位置する部分とを接続するカソードバイパス流路と、前記上流に位置する部分と前記カソードバイパス流路の接続部に配置され、前記希釈手段および前記第一の酸化剤ガス流路開閉手段として前記酸化剤ガス流路を開閉させると共に、前記酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガス流量に対する前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガス流量の分流比率を変える分流手段とを備え、
    前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を開くと共に、前記酸化剤ガス流路の前記カソードより下流に位置する部分に流出した可燃ガスを、前記分流手段の分流比率を調整して前記カソードバイパス流路を流れる酸化剤ガスと混合しかつ希釈して大気に排出する請求項３記載の燃料電池発電装置。
  8. 前記希釈手段として、燃焼器の火炎バーナに空気を供給する燃焼空気供給手段と、前記酸化剤ガス流路の、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段と前記カソードとの間に位置する部分から延びて前記火炎バーナに接続するカソード燃焼配管と、その開閉により前記カソード燃焼配管を開閉する燃焼配管開閉手段とを備え、
    前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を閉じると共に前記燃焼配管開閉手段を開き、これによって前記カソード燃焼配管を経由して前記火炎バーナに前記可燃ガスを導入させる際、前記可燃ガスを前記燃焼空気供給手段から供給される空気と混合しかつ希釈して大気に排出する請求項１記載の燃料電池発電装置。
  9. 前記燃焼器の燃焼の停止期間中に、前記火炎バーナに前記可燃ガスを導入する請求項８記載の燃料電池発電装置。
  10. 前記希釈手段として、燃焼器の燃焼によって生成された燃焼排ガスを大気に導く燃焼排気管と、前記酸化剤ガス流路の、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段と前記カソードとの間に位置する部分から延びて前記燃焼排気管に接続するカソード燃焼排気配管と、その開閉により前記カソード燃焼排気配管を開閉する燃焼排気配管開閉手段とを備え、
    前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を閉じると共に前記燃焼排気配管開閉手段を開き、それによって前記カソード燃焼排気配管を経由して前記燃焼排気管に前記可燃ガスを導入させる際、前記可燃ガスを前記燃焼排ガスと混合しかつ希釈して大気に排出する請求項１記載の燃料電池発電装置。
  11. 前記希釈手段として、燃焼器の燃焼によって生成された燃焼排ガスを大気に導く燃焼排気管を備え、前記酸化剤ガス流路の、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段の下流に位置する部分と前記燃焼排気管とを接続させた燃料電池発電装置であって、
    前記カソードに充填され保持された可燃ガスの排出時には、前記第二の酸化剤ガス流路開閉手段を開き、それによって前記酸化剤ガス流路を経由して前記燃焼排気管に前記可燃ガスを導入させる際、前記可燃ガスを前記燃焼排ガスと混合しかつ希釈して大気に排出する請求項１記載の燃料電池発電装置。
  12. 前記燃焼器の燃焼期間中に、前記燃焼排気管に前記可燃ガスを導入する請求項１０または１１記載の燃料電池発電装置。
  13. 前記燃焼器によって前記燃料生成器を加熱する請求項８乃至１２の何れかに記載の燃料電池発電装置。
  14. 発電原料ガスから燃料ガスを生成する燃料生成器を備え、前記発電のために前記燃料生成器から前記燃料ガスを前記燃料電池のアノードに供給し、前記可燃ガスが前記発電原料ガスおよび前記燃料ガスの何れか一方である請求項１乃至１３の何れかに記載の燃料電池発電装置。
  15. 水素ガスを供給する水素ガス供給手段を備え、前記発電のために前記水素ガス供給手段から前記水素ガスを前記燃料電池のアノードに供給し、前記可燃ガスが前記水素ガスである請求項１乃至１２の何れかに記載の燃料電池発電装置。
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