JP4421337B2

JP4421337B2 - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP4421337B2
Application number: JP2004070910A
Authority: JP
Inventors: 紀彦豊長
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP2005259582A

Description

本発明は改質器を高温領域に維持する燃焼器を有する燃料電池発電システムに関する。

従来、燃料電池発電システムとして、発電用の燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極とを有すると共に燃料と酸化剤とで発電反応を行う燃料電池と、改質用原料に基づいて改質反応により発電用の燃料を生成する改質器と、燃焼用の可燃剤を供給する可燃剤通路に繋がり可燃剤通路から供給された可燃剤により改質反応に適するように改質器を加熱する燃焼器とを具備するものが知られている（特許文献１）。

このものによれば、改質用原料が改質器に供給されると、改質器は改質用原料を改質反応により発電用の燃料として生成する。発電用の燃料は燃料電池に供給されて発電反応に使用される。そして、可燃剤通路から供給された可燃剤により改質反応に適するように、燃焼器は改質器を高温領域に加熱する。

上記した特許文献１等に係る従来のシステムによれば、燃焼器の温度を設定温度になるように可燃性ガスの供給量を調整することにしている。また、改質器で生成された燃料ガスを燃料電池に供給しないときには、その未利用燃料ガスを改質器に供給して燃焼させることにしている。この場合、特許文献１に係る技術によれば、未利用燃料ガスを燃焼器に供給するときには、タイマーによる時間信号、燃焼器の温度センサによる温度信号等に基づいて、可燃性ガスを燃焼器に供給することが停止される。
特開２００３−１５１５９６号公報

本発明は上記した改質器を改質反応に適するように高温状態に加熱する燃焼器に関して更に改良を進めたものであり、燃料電池の立ち上げ運転時において、燃焼器における燃焼反応を安定させるのに有利な燃料電池発電システムを提供することを課題とする。

（１）燃料電池発電システムによれば、燃料電池から吐出されるガスの燃料成分の濃度が運転条件等に応じて変動することがある。また燃料電池の運転停止時には、不燃性または難燃性を有する活性度が低いパージガス（窒素ガス等）を燃料電池の燃料極に封入させることがある。この場合、燃料電池の発電運転を再開するときには、パージガスを燃料電池の燃料極から排出させるパージガス放出処理を行うことがある。また、燃料電池の立ち上がり運転時に燃料電池の活性化処理を行うことがある。本発明は、上記したような燃料電池から吐出されるガスの燃料成分の濃度の変動、あるいは、パージガス放出処理、または燃料電池の活性化処理を行うときに対処するものである。

（２）本様相に係る燃料電池発電システムは、発電用の燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極とを有すると共に燃料と酸化剤とで発電反応を行う燃料電池と、
改質用原料が供給され改質用原料に基づいて改質反応により発電用の燃料を生成する改質器と、
改質器の出口と燃料電池の前記燃料極の入口とを繋ぐ燃料通路と、
燃焼用の可燃剤を供給する可燃剤通路に繋がり、可燃剤通路から供給された可燃剤を燃焼させて改質反応に適するように改質器を加熱する燃焼器と、
燃料電池の前記燃料極と燃焼器とを連通させると共に、前記燃料電池の燃料極から吐出されるガスを燃焼器に供給する吐出通路と、
燃料電池を迂回させるように吐出通路と燃料通路とを繋ぐ開閉可能なバルブをもち、改質器で生成されると共に燃料電池の燃料極で未利用の燃料を燃焼器に供給して燃焼器で燃焼させるバイパス通路と、
燃料電池の運転を停止するときにおいて燃料電池の燃料極に不燃性または難燃性のパージガスをガス源から供給して燃料電池の燃料極に封入させるパージ用バルブと、
燃料電池の燃料極から吐出されるガスに含まれている燃料成分の濃度に応じて、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う制御装置とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
制御装置は、
燃料電池の運転を停止させるとき、不燃性または難燃性の前記パージガスをガス源から供給して燃料電池の燃料極に封入させ、且つ、
燃料電池の立ち上げ運転時において、
改質器の改質反応で生成された可燃性をもつ燃料が燃料電池を迂回するようにバイパス通路を経て燃焼器に放出されて燃焼器で燃焼されるバイパス操作を実行しつつ、可燃剤通路から燃焼器に供給する可燃剤の単位時間当たりの流量を、バイパス操作が実行される前の流量よりも低下させる燃焼安定化処理を行い、
その後、燃焼器に供給される単位時間当たりの可燃剤の単位時間当たりの流量を前記バイパス操作時よりも増加させて燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行い、
その後、燃料電池の燃料極に封入されている不燃性または難燃性のパージガスを吐出通路を経て燃焼器へ放出させるパージガス放出処理を開始し、
その後、燃料電池から電流掃引して燃料電池から取り出す電流を増大させることにより燃料電池を活性化させると共に燃料電池の燃料極における水素濃度の低下を誘発する活性化処理を開始することを特徴とするものである。

燃料電池から吐出されるガスに含まれている燃料成分（例えば水素）の濃度が運転条件などにより変動することがある。燃料成分の濃度の変動に応じて、燃焼器における燃焼が影響を受けることがある。そこで、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。即ち、燃料電池から吐出されるガスに含まれている燃料成分が相対的に少なめであったり、相対的に多めであったりするときには、燃料成分の濃度に応じて燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。この結果、燃料電池から吐出されるガスに含まれている燃料成分（例えば水素）の濃度が運転条件などにより変動するようなときであっても、燃焼器における燃焼の安定性が確保され、燃焼器で改質器を良好に加熱することができる。

（３）燃料電池の運転を停止するときには、燃料電池の燃料極を保護するため、活性度が低くて不燃性または難燃性のパージガスをガス源からパージ用バルブにより燃料電池の燃料極に封入する。このため燃料電池の運転を再開するとき、燃料電池に封入されているパージガスを吐出通路を経て燃焼器へ放出させるパージガス放出処理を行う。ここで、パージガスは窒素ガス等のように活性度が低く、不燃性または難燃性のガスである。このため、パージガス放出処理の際に、パージガスを吐出通路を経て燃料電池外の燃焼器に放出させると、不燃性または難燃性のパージガスが燃焼器において過剰に多くなり、燃焼器における燃焼の安定性が低下するおそれがある。

そこで本様相に係る燃料電池発電システムによれば、上記したパージガス放出処理を行うにあたり、パージガス放出処理の開始前に、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。この結果、燃料電池の燃料極に封入されていた不燃性または難燃性のパージガスが燃焼器に放出されたとしても、燃焼器における燃焼の安定性が確保され、燃焼器で改質器を良好に加熱することができる。

（４）燃料電池の運転の際に燃料電池の活性化処理を行う。活性化処理は、燃料電池から電流掃引して燃料電池から取り出す電流を増大させることにより行われる。この場合、燃料電池の燃料極の水素等の活物質の濃度は急激に低下する。この結果、活性化処理の際には、水素等の活物質の濃度が急激に低下した燃料オフガスが放出され、その燃料オフガスが燃焼器に供給されるため、燃焼器における燃焼の安定性が低下するおそれがある。

そこで本様相に係る燃料電池発電システムによれば、上記した活性化処理を行うにあたり、活性化処理の開始前に、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。この結果、水素等の活物質の濃度が低い燃料オフガスが燃焼器に供給されたとしても、燃焼器における燃焼の安定性が確保され、燃焼器で改質器を良好に加熱することができる。

本様相に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池から吐出されるガスに含まれている燃料成分の濃度に応じて、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。この結果、燃焼器における燃焼の安定性が確保され、改質反応に適するように改質器を良好に加熱することができる。

本様相に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池に封入されている不燃性または難燃性のパージガスを吐出通路を経て燃料電池外へ放出させるパージガス放出処理を行うにあたり、パージガス放出処理の開始前に、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。これによりパージガス放出処理の際に、不燃性または難燃性のパージガスを吐出通路を経て燃焼器に放出させたとしても、燃焼器における燃焼の安定性が確保され、改質反応に適するように改質器を良好に加熱することができる。

本様相に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池の活性化処理を行うにあたり、活性化処理の開始前に、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。これにより燃料電池の活性化処理の際に、水素等の活物質の濃度が低い燃料オフガスが燃焼器に供給されたとしても、燃焼器における燃焼の安定性が確保される。

本様相に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池から吐出されるガスに含まれている燃料成分の濃度に応じて、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。この結果、燃料電池から吐出される燃料成分の濃度が変動するときであっても、燃焼器における燃焼の安定性が確保され、燃焼器で改質器を良好に加熱することができる。燃料電池から吐出されるガスとしては、発電反応後のガス、あるいは、燃料電池に封入されていた活性度が低い不燃性または難燃性のパージガスが挙げられる。燃料成分としては水素が例示される。

本様相に係る燃料電池発電システムによれば、不燃性または難燃性のパージガスを放出させるパージガス放出処理を行うとき、パージガス放出処理の開始前に、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行なう。この場合、パージガス放出処理の開始前に燃焼安定化処理を行なう。

本様相に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池の活性化処理を行うにあたり、活性化処理の開始前に、燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。

上記した燃焼安定化処理としては、好ましくは、燃焼器に供給される可燃剤の量を増加または減少させることにより行われる形態を採用することができる。この場合、燃焼器に供給される酸化剤（例えば空気）の量を増加または減少させることにより行われる形態を採用することができる。例えば、燃料電池から吐出されるガスの燃料成分の濃度が低下するときには、燃焼器に供給される可燃剤の量を増加すれば、燃料成分の濃度の低下に対処することができる。

また、燃料電池から吐出されるガスの燃料成分の濃度が増加するときには、燃焼器に供給される可燃剤の量を減少または無くしたりすることができる。この場合、燃焼器に供給される酸化剤の量を増加させたりすれば、対処することができる。

ここで、燃焼安定化処理の一例としては、燃焼器に供給される酸化剤（例えば空気）の量を一定に維持したまま、燃焼器に供給される可燃剤を増加または減少させることにより行われる形態を採用することができる。この場合、操作が簡便で済む。燃焼器に供給される可燃剤としては、ガス状でも、液体状でも、固体状でも良く、改質用原料と同種または同系のものとしても良い。

燃焼安定化処理の一例としては、燃焼器に供給される可燃剤を増加させると共に燃焼器に供給される酸化剤（例えば空気）の量を増加させることにより行われる形態を採用することができる。可燃剤の量及び酸化剤の量を増加すれば、燃料電池から吐出されるガスの燃料成分の濃度の低下に対処することができ、燃焼器における燃焼の一層の安定化を期待できる。

また、燃焼安定化処理の一例としては、燃焼器に、可燃剤を積極的に補充することにより行われる形態を採用する。この場合、燃焼器に可燃剤を補充する可燃剤補充要素が設けられていることが好ましい。補充される可燃剤としては燃焼器で燃焼できるものであれば良く、ガス状、液体状、固体状、粉末状を問わない。

また、燃焼安定化処理の一例としては、メインの燃焼器の他に副燃焼器を設け、可燃剤を副燃焼器に供給して副燃焼器で燃焼反応を生成させることにより、燃焼器全体の燃焼反応の安定性を高める形態を採用することもできる。また、燃焼安定化処理の一例としては、電気または化学反応等により発熱するヒータを燃焼器に付設し、ヒータを発熱させることにより、燃焼器で再着火できるように燃焼器の温度を維持する形態を採用することもできる。

また本発明に係るシステムは、改質器で生成されると共に燃料電池の燃料極で未利用の燃料を燃焼器に供給して燃焼器で燃焼させるバイパス通路を具備する。改質器の改質運転の立ち上がり時には、改質器で生成される燃料は燃料電池の燃料極に供給するにあたり、必ずしも充分ではない。そこで、改質器の改質運転の立ち上がり時には、改質器で生成されると共に燃料電池の燃料極で未利用の燃料をバイパス通路を介して燃焼器に供給し、燃焼器で燃焼させる。

以下、本発明の実施例１を図１〜図４を参照して具体的に説明する。本実施例に係る燃料電池発電システムは、発電反応を行う燃料電池１を複数組み付けたスタック１０と、改質用原料が供給され改質用原料に基づいて改質反応により発電用の燃料を生成する改質器２と、燃焼用の可燃剤を供給する可燃剤通路４０に繋がる燃焼器４と、燃料電池１の燃料極１１の出口１１ｅと燃焼器４とを連通させる吐出通路３４とを具備する。

燃料電池１を組み付けたスタック１０は、発電用の燃料が供給される燃料極１１と、酸化剤が供給される酸化剤極１２とを有すると共に、燃料と酸化剤とで発電反応を行う。燃料電池１は、パージガスを貯留するガス源６０にバルブ６２を介して接続されている。改質器２は、改質用原料が供給される改質用原料供給通路２０に繋がり、改質用原料供給通路２０から供給された改質用原料を改質反応により改質して発電用のガス状の燃料（水素ガスまたは水素含有ガス）を生成する。改質用原料としては、一般的には、メタン、メタノール、プロパン等の燃料系原料と水（水蒸気を含む）とが例示される。なお、改質器２の温度を検知する温度センサ２８、改質ガスのＣＯ濃度を検知するＣＯセンサ２９が設けられている。

改質器２の出口２ｅとスタック１０の燃料電池１の燃料極１１の入口１１ｉとは、燃料通路３０で繋がれている。燃料通路３０は第１開閉バルブ３１を有する。第１開閉バルブ３１は燃料通路３０の開閉を行い、スタック１０の燃料電池１への燃料の供給及び供給停止を行う。

燃焼器４は、可燃剤通路４０から供給されたガス状の可燃剤と、空気通路４１から供給された空気により改質反応に適するように、改質器２を高温状態に加熱する。可燃剤通路４０は可燃剤源４３に繋がり、第１供給源４５（ポンプ、ブロア、ファン、コンプレッサ等）を有する。空気通路４１は外気に繋がり、第２供給源４６（ポンプ、ブロア、ファン、コンプレッサ等）を有する。

吐出通路３４は、燃料電池１の燃料極１１の出口１１ｅと燃焼器４とを連通させると共に、燃料電池１の燃料極１１の出口１１ｅから吐出された発電反応後の燃料オフガスを燃焼器４に放出させる。発電反応後の燃料オフガスといえども、水素を含有するので吐出通路３４で燃焼器４に供給して燃焼器４で燃焼させる。吐出通路３４は第２開閉バルブ３５を有する。第２開閉バルブ３５は吐出通路３４の開閉を行い、スタック１０の燃料電池１への発電反応後の燃料オフガスの供給及び供給停止を行う。

吐出通路３４の分岐部３４ｋと燃料通路３０の分岐部３０ｋとはバイパス通路３７で繋がれている。バイパス通路３７はスタック１０（燃料電池１）に対して並列に配置されており、スタック１０（燃料電池１）を迂回する。バイパス通路３７は第３開閉バルブ３８を有する。第３開閉バルブ３８はバイパス通路３７の開閉を行い、燃料電池１で未利用の燃料をバイパス通路３７及び吐出通路３４を介して燃焼器４に供給したり、停止したりする。

改質器２の改質運転の立ち上がり時には、改質器２で生成されるガス状の燃料はＣＯガスの濃度が高く、燃料電池１の燃料極１１に供給するためには、必ずしも充分ではない。そこで、改質器２の改質運転の立ち上がり時には、第１開閉バルブ３１及び第２開閉バルブ３５を閉鎖させると共に第３開閉バルブ３８を開放させる。これにより改質器２の改質運転の立ち上がり時には、改質器２で生成されたガス状の燃料を、燃料電池１の燃料極１１の入口１１ｉに供給することなく、バイパス通路３７を介して燃焼器４に放出させ、燃焼器４で燃焼させる。即ち、燃料電池１の燃料極１１で利用されていない未利用の燃料を、開放状態の第３開閉バルブ３８及びバイパス通路３７を介して燃焼器４に供給し、燃焼器４で燃焼させる。

図２に示すように、温度センサ２８及びＣＯセンサ２９の信号は制御装置７に入力される。制御装置７は、第１供給源４５、第２供給源４６、第１開閉バルブ３１、第２開閉バルブ３５、第３開閉バルブ３８、パージ用バルブ６２の作動を制御する。

さて燃料電池１の運転を開始するときには、第１供給源４５を作動させて可燃剤供給源４３から可燃剤（可燃ガス）を可燃剤通路４０を介して燃焼器４に供給すると共に、第２供給源４６を作動させて空気を空気通路４１を介して燃焼器４に供給する。これにより改質器２が改質反応に適する温度領域となるように、改質器２を高温状態に加熱する。この状態で、改質用原料供給通路２０から改質用原料が改質器２に供給される。

この結果、改質器２は改質用原料を改質反応により改質して発電用のガス状の燃料を生成する。しかし改質器２の改質運転の立ち上がり時には、前述したように、改質器２で生成される燃料はＣＯガスを有していることがあり、燃料電池１の燃料極１１に供給するに必ずしも充分ではない。

そこで本実施例によれば、改質器２の改質運転の立ち上がり時には、第１開閉バルブ３１及び第２開閉バルブ３５を閉鎖することにより改質器２と燃料電池１とを非連通状態とすると共に、第３開閉バルブ３８を開放する。この結果、立ち上がり当初の改質器２で生成されたガス状の燃料を燃料電池１に供給することなく、バイパス通路３７及び吐出通路３４を介して燃焼器４に放出し、燃焼器４で燃焼させる。このように燃料電池１で未利用の燃料は燃焼器４で燃焼されると、排気通路３３から排気ガスとして放出される。

改質器２の運転が立ち上がると、第１開閉バルブ３１が開放し、改質器２で生成された燃料を燃料電池１の燃料極１１に供給すると共に、酸化剤ガスである空気が燃料電池１の酸化剤極１２に供給される。これにより燃料電池１で発電反応が行われ、負荷１００が作動する。このとき第３開閉バルブ３８が閉鎖しているものの、第２開閉バルブ３５が開放しているため、燃料電池１で発電反応した後の燃料オフガスは第２開閉バルブ３５及び吐出通路３４を経て燃焼器４に放出され、燃焼器４で燃焼される。

また、燃料電池１の運転を停止するときには、活性度が低くて不燃性または難燃性のパージガス（一般的には窒素ガス）を貯留するガス源６０のパージ用バルブ６２を開放させて、そのパージガスを燃料電池１の燃料極１１に封入する。パージガスにより燃料電池１の燃料極１１の内部が空気に触れることが抑制され、燃料電池１の非運転時において燃料電池１の燃料極１１が保護される。

このため燃料電池１の運転を再開するとき、燃料電池１の燃料極１１に封入されているパージガスを吐出通路３４を経て燃料電池１外へ放出させるパージガス放出処理を行う必要がある。パージガス放出処理には、第２開閉バルブ３５が開放すると共に、第１開閉バルブ３１及び第３開閉バルブ３８が閉鎖する。ここで、パージガスは窒素ガス等のように活性度が低いガスであり、不燃性または難燃性を有する。

このため、パージガス放出処理の際に、第２開閉バルブ３５を開放させて、燃料極１１の内部の不燃性または難燃性のパージガスを吐出通路３４を経て燃料電池１外の燃焼器４に放出させると、不燃性または難燃性のパージガスの濃度が燃焼器４において過剰に多くなり、燃焼器４における燃焼の安定性が低下するおそれがある。

そこで本実施例によれば、上記したパージガス放出処理の開始前に、燃焼器４に供給される可燃剤の量を増加させる。具体的には第１供給源４５の作動により燃焼器４に供給する可燃剤の単位時間当たりの供給流量を増加させる。これにより燃焼器４における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。この結果、不燃性または難燃性のパージガス（窒素ガス等）、または、パージガスを含有するガスが、燃料電池１の燃料極１１の出口１１ｅから第２開閉バルブ３５及び吐出通路３４を介して燃焼器４に放出されたとしても、燃焼器４における燃焼の安定性が良好に確保される。

本実施例は、上記したようにパージガス放出処理の開始前に燃焼器４に供給される可燃剤の供給流量を増加させることにより、燃焼器４における燃焼安定化処理を行うものである。ここで、パージガス放出処理の開始時刻からΔＴＡ時間前に安定化処理を行うことができる。ΔＴＡ時間とは燃料電池発電システムの種類によって適宜選択できるが、０．１秒〜６００秒、０．５秒〜１２０秒、１秒〜６０秒、１秒〜２０秒、１秒〜１０秒を例示することができる。但しこれらに限定されるものではない。

また、燃料電池１の立ち上がり運転時には、燃料電池１の発電運転を良好に行うべく、燃料電池１を活性化させる活性化処理を行う。活性化処理は、燃料電池１から電流掃引して燃料電池１から取り出す電流を増大させることにより行われる。この場合、燃料電池１の燃料極１１の活物質である水素の濃度は急激に低下する。この結果、活性化処理の際には、水素の濃度が急激に低下した燃料オフガスが、開放状態の第２開閉バルブ３５及び吐出通路３４を介して燃焼器４に供給されるため、燃焼器４における燃焼の安定性が低下するおそれがある。

そこで本実施例によれば、上記した活性化処理を行うとき、活性化処理の開始前に、可燃剤通路４０から燃焼器４に供給される可燃剤の流量を増加させる。具体的には第１供給源４５の作動により燃焼器４に供給される単位時間当たりの可燃剤供給流量を増加させる。これにより燃焼器４における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。

この結果、燃料電池１の活性化処理の際に、水素濃度が低い燃料オフガスが開放状態の第２開閉バルブ３５及び吐出通路３４を介して燃焼器４に供給されたとしても、燃焼器４における燃焼の安定性が良好に確保される。ここで、活性化処理の開始時刻からΔＴＢ時間前に安定化処理を行うことができる。ΔＴＢ時間とは燃料電池発電システムの種類によっても異なるものの、０．０５秒〜６００秒、０．５秒〜１２０秒、１秒〜６０秒、１秒〜２０秒、１秒〜１０秒を例示することができる。これらに限定されるものではない。

図３は、上記した燃料電池発電システムの発電運転を開始するにあたり行われる処理のタイミングチャートの一例を示す。図４は図３の詳細を示す。このタイミングチャートについて説明を加える。

図３において特性線Ａ１は可燃剤通路４０から燃焼器４に供給されるガス状の可燃剤の単位時間当たりの流量を示す。特性線Ａ２は改質器２に供給される改質用原料の単位時間当たりの流量を示す。特性線Ａ３は燃焼器４の温度を示す。特性線Ａ４は吐出通路３４を流れる未利用の燃料における水素濃度を示す。

図３に示すように、時刻ｔ０で可燃剤通路４０からガス状の可燃剤が燃焼器４に供給される。燃焼器４が着火するため、時刻ｔ１で可燃剤の供給流量を低下させる。時刻ｔ１〜時刻ｔ４間において、可燃剤通路４０から燃焼器４への可燃剤の供給が継続される。改質器２の作動が開始されると、改質器２の改質反応で生成された可燃性をもつ燃料が開放状態の第３開閉バルブ３８及びバイパス通路３７を経て燃焼器４に供給されるため、時刻ｔ４〜時刻ｔ５にかけて、可燃剤通路４０から燃焼器４に供給する可燃剤の流量を次第に低減させる。

時刻ｔ５〜時刻ｔ６にかけて、改質器２の改質反応で生成された可燃性をもつ燃料が開放状態の第３開閉バルブ３８、バイパス通路３７及び吐出通路３４を経て燃焼器４に供給されるため、可燃剤通路４０から燃焼器４に供給する可燃剤の流量を減少または０とする。

時刻ｔ８から時刻ｔ１０にかけて、燃料電池１の前記した活性化処理が開始される。このため時刻８よりもΔＴＢ前の時刻である時刻ｔ６から、第１供給源４５の作動量を増加させる。この結果、可燃剤通路４０から燃焼器４に供給する単位時間当たりのガス状の可燃剤の流量を増加させ、燃焼器４における燃焼反応を安定させている。時刻ｔ６〜時刻ｔ１１にかけて、可燃剤通路４０から燃焼器４に供給する可燃剤の流量を維持する。活性化処理が終了した時刻１１から、燃料電池１の発電反応が本格化するため、特性線Ａ２に示すように改質用原料の供給流量が増加する。

改質器２の作動が立ち上がるとき、図４の特性線Ａ４に示すように、吐出通路３４を流れる未利用の燃料における水素濃度をＣ_０と仮定する。改質器２の作動の立ち上がりが終了した時刻ｔ８においては、バイパス通路３７の第３開閉バルブ３８が閉鎖されると共に、燃料電池１の燃料極１１から発電反応後の燃料オフガスが吐出通路３４に吐出されるため、吐出通路３４を流れる未利用の燃料における水素濃度は時刻ｔ８から急激に低下し、Ｃ_１となる。

ここで、図４の特性線Ａ４において、矢印Ｂ１に示すように、時刻ｔ７において、吐出通路３４を流れる未利用の燃料における水素濃度が急激に低下している。これは、前記したパージガス放出処理が時刻ｔ７から開始されるため、燃料電池１に封入されていた不燃性または難燃性のパージガス（窒素ガス等）が開放状態の第２開閉バルブ３５を介して吐出通路３４に供給されたためである。

上記したようにパージガス放出処理が行われると、特性線Ａ４において矢印Ｂ１に示すように、吐出通路３４を流れる未利用の燃料における水素濃度が急激に低下する。これに対処するため、本実施例によれば、パージガス放出処理時刻の開始時刻である時刻ｔ７よりもΔＴＡ時間前である時刻ｔ６において、可燃剤通路４０から燃焼器４に供給する単位時間当たりのガス状の可燃剤の流量を増加させて燃焼器４における燃焼反応を安定させている。これにより不燃性または難燃性をもつパージガスを燃焼器４に放出させるパージガス放出処理が行われるときであっても、燃焼器４における燃焼反応が安定する。なお、時刻ｔ６〜時刻ｔ１１にかけて、可燃剤通路４０から燃焼器４に供給する可燃剤の流量を維持する。

以上説明したように本実施例によれば、燃料電池１に封入されている不燃性または難燃性のパージガスを放出させるパージガス放出処理を行うにあたり、パージガス放出処理の開始前において、燃焼器４における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。これによりパージガス放出処理の際に、不燃性または難燃性のパージガスを吐出通路３４を経て燃焼器４に放出させたとしても、燃焼器４における燃焼の安定性が確保され、改質器２を良好に加熱することができる。

また本実施例によれば、燃料電池１の活性化処理を行うにあたり、活性化処理の開始前において、燃焼器４における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う。これにより活性化処理を行い、水素濃度が低い燃料オフガスを吐出通路３４を経て燃焼器４に放出させたとしても、燃焼器４における燃焼の安定性が確保され、改質器２を良好に加熱することができる。

本発明の実施例２について説明する。実施例２は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施例によれば、燃焼安定化処理のときには、第１供給源４５の作動量を増加させて可燃剤通路４０から燃焼器４に供給される単位時間当たりのガス状の可燃剤の流量を増加させると共に、第２供給源４６の作動量を増加させて燃焼器４に供給される単位時間当たりの空気の流量を増加させることにより行われる。これによりパージガス放出処理及び／または活性化処理が行われるときであっても、燃焼器４における燃焼反応が安定する。

図５は本発明の実施例３を示す。実施例３は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下異なる部分を中心として説明する。本実施例によれば、吐出通路３４の部位３４ｘと可燃剤供給源４３とに繋がる通路６５と、通路６５を開閉する第４開閉弁６６とが設けられている。第４開閉弁６６は一般的には閉鎖されている。

上記したパージガス放出処理及び活性化処理が行われるときには、制御装置７は第４開閉弁６６を開放させ、通路６５からガス状の可燃剤を吐出通路３４に補充する。可燃剤の補充量は適宜することができる。このため、吐出通路３４を流れる不燃性または難燃性のパージガス、水素濃度が低い燃料オフガスに、通路６５からのガス状の可燃剤が混入する。この結果、不燃性燃性または難燃性のパージガス、水素濃度が低い燃料オフガスが燃焼器４に供給されたとしても、燃焼器４の燃焼反応の安定性は良好に確保される。従って、第４開閉弁６６及び通路６５は、吐出通路３４を流れる不燃性または難燃性のパージガスや水素濃度が低い燃料オフガスに可燃剤を補充することにより、パージガスや燃料オフガスの可燃性を高める可燃剤補充要素として機能することができる。なお、パージガス放出処理及び／または活性化処理が行われるときには、第４開閉弁６６は所定時間連続して開放しても良いし、あるいは、間欠的に開放しても良い。

（他の例）
上記した実施例によれば、燃料電池１の立ち上がり運転時に、燃料電池１の発電運転を良好に行うべく、燃料電池１を活性化させる活性化処理を行うが、立ち上がり運転時に限らず、活性化処理は燃料電池１の運転中において行ってもよい。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

（付記項）上記した記載から次の技術的思想が把握される。

［付記項１］発電用の燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極とを有すると共に燃料と酸化剤とで発電反応を行う燃料電池と、改質用原料が供給され改質用原料に基づいて改質反応により発電用の燃料を生成する改質器と、燃焼用の可燃剤を供給する可燃剤通路に繋がり、前記可燃剤通路から供給された可燃剤を燃焼させて改質反応に適するように前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃料電池の燃料極と前記燃焼器とを連通させると共に、前記燃料電池の燃料極から吐出されるガスを前記燃焼器に供給する吐出通路とを具備する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池から吐出されるガスに含まれている燃料成分の濃度に応じて、前記燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。

［付記項２］発電用の燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極とを有すると共に燃料と酸化剤とで発電反応を行う燃料電池と、改質用原料が供給され改質用原料に基づいて改質反応により発電用の燃料を生成する改質器と、燃焼用の可燃剤を供給する可燃剤通路に繋がり、前記可燃剤通路から供給された可燃剤を燃焼させて改質反応に適するように前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃料電池の燃料極と前記燃焼器とを連通させると共に、前記燃料電池の燃料極から吐出されるガスを前記燃焼器に供給する吐出通路とを具備する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池に封入されているパージガスを前記吐出通路を経て前記燃焼器へ放出させるパージガス放出処理を行うとき、前記パージガス放出処理の開始前、開始時または開始直後に、前記燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。

［付記項３］発電用の燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極とを有すると共に燃料と酸化剤とで発電反応を行う燃料電池と、改質用原料が供給され改質用原料に基づいて改質反応により発電用の燃料を生成する改質器と、燃焼用の可燃剤を供給する可燃剤通路に繋がり、前記可燃剤通路から供給された可燃剤を燃焼させて改質反応に適するように前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃料電池の燃料極と前記燃焼器とを連通させると共に、前記燃料電池の燃料極から吐出されるガスを前記燃焼器に供給する吐出通路とを具備する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池の活性化処理を行うとき、前記活性化処理の開始前、開始時または開始直後に、前記燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。

本発明は改質器を有する定置用、車両用、電気機器用、電子機器用等の用途に用いられる燃料電池発電システムに適用することができる。

燃料電池発電システムの配管図である。制御系のブロック図である。タイミングチャートである。タイミングチャートである。他の実施例に係り、燃料電池発電システムの配管図である。

符号の説明

図中、１は燃料電池、２は改質器、３０は燃料通路、３１は第１開閉バルブ、３４は吐出通路、３５は第２開閉バルブ、４は燃焼器、４０は可燃剤通路、４１は空気通路、４５は第１供給源、４６は第２供給源、３７はバイパス通路、３８は第３開閉バルブを示す。

Claims

発電用の燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極とを有すると共に燃料と酸化剤とで発電反応を行う燃料電池と、
改質用原料が供給され前記改質用原料に基づいて改質反応により発電用の燃料を生成する改質器と、
前記改質器の出口と前記燃料電池の前記燃料極の入口とを繋ぐ燃料通路と、
燃焼用の可燃剤を供給する可燃剤通路に繋がり、前記可燃剤通路から供給された可燃剤を燃焼させて改質反応に適するように前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃料電池の前記燃料極と前記燃焼器とを連通させると共に、前記燃料電池の燃料極から吐出されるガスを前記燃焼器に供給する吐出通路と、
前記燃料電池を迂回させるように前記吐出通路と前記燃料通路とを繋ぐ開閉可能なバルブをもち、前記改質器で生成されると共に前記燃料電池の前記燃料極で未利用の燃料を前記燃焼器に供給して前記燃焼器で燃焼させるバイパス通路と、
前記燃料電池の運転を停止するときにおいて前記燃料電池の前記燃料極に不燃性または難燃性のパージガスをガス源から供給して前記燃料電池の前記燃料極に封入させるパージ用バルブと、
前記燃料電池の前記燃料極から吐出されるガスに含まれている燃料成分の濃度に応じて、前記燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行う制御装置とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記制御装置は、
前記燃料電池の運転を停止させるとき、不燃性または難燃性の前記パージガスを前記ガス源から供給して前記燃料電池の前記燃料極に封入させ、且つ、
前記燃料電池の立ち上げ運転時において、
前記改質器の改質反応で生成された可燃性をもつ燃料が前記燃料電池を迂回するように前記バイパス通路を経て前記燃焼器に放出されて前記燃焼器で燃焼されるバイパス操作を実行しつつ、前記可燃剤通路から前記燃焼器に供給する可燃剤の単位時間当たりの流量を、前記バイパス操作が実行される前の流量よりも低下させる燃焼安定化処理を行い、
その後、前記燃焼器に供給される単位時間当たりの前記可燃剤の単位時間当たりの流量を前記バイパス操作時よりも増加させて前記燃焼器における燃焼を安定させる燃焼安定化処理を行い、
その後、前記燃料電池の前記燃料極に封入されている不燃性または難燃性の前記パージガスを前記吐出通路を経て前記燃焼器へ放出させるパージガス放出処理を開始し、
その後、前記燃料電池から電流掃引して前記燃料電池から取り出す電流を増大させることにより前記燃料電池を活性化させると共に前記燃料電池の前記燃料極における水素濃度の低下を誘発する活性化処理を開始することを特徴とする燃料電池発電システム。