JP4773790B2

JP4773790B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4773790B2
Application number: JP2005288672A
Authority: JP
Inventors: 繁飯山; 芳和阿部
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007103073A

Description

本発明は、水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックに供給して発電を行う燃料電池システムに関する。

水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムとしては、灯油燃料等の炭化水素燃料を改質器に供給して、水素を含有する燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、反応ガスとして空気を燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、燃料電池スタック内で水素と酸素を電気化学反応させて発電を行うように構成された燃料電池システムがある。

このような燃料電池システムの改質器では、水蒸気とともに供給された灯油燃料が、改質器内の触媒によって改質されることにより、水素を含有する燃料ガスが生成されている。なお、触媒が灯油燃料を改質するためには、約７００℃に加熱されている必要があるため、改質器をバーナによって加熱して触媒の温度を高めている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３１９３３０号公報（段落００３５、図３）

前記した従来の燃料電池システムの起動時には、改質器内の触媒が低温の状態であるため、改質器をバーナによって加熱して触媒の温度を上昇させた後に、改質器に灯油燃料と水を供給して燃料ガスを生成している。
すなわち、改質器の触媒が灯油燃料を改質可能な所定温度に達するまでの間は、燃料電池スタックに燃料ガスが供給されないため、燃料電池スタックの発電を行うことができなくなっている。

そこで、燃料電池システムの起動時には、バーナに供給する空気および燃料の流量を増やすことにより、バーナの火力を強くして、改質器内の触媒の温度上昇を早めることが望ましいが、空気の流量を増やすためには、高静圧かつ大流量の送風機を用いることになり、送風機が大型で高価になってしまうため、燃料電池システムの小型化が妨げられてしまうとともに、燃料電池システムの製造コストが高くなってしまうという問題がある。

本発明では、前記した問題を解決し、高静圧かつ大流量の送風機を用いてバーナに空気を供給することなく、燃料電池システムの起動から発電までの時間を短縮することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、炭化水素燃料を触媒で改質して燃料ガスを生成する改質器と、改質器を加熱するバーナと、バーナに連通しているバーナ用供給管と、燃料電池スタックのカソード極またはバーナ用供給管に連通可能なスタック用供給管と、改質器の温度に基づいて、スタック用供給管の連通先を切り替える制御部とを備え、バーナ用供給管には、バーナに空気を送り込むためのバーナ用送風機が設けられ、スタック用供給管には、燃料電池スタックのカソード極またはバーナ用供給管に空気を送り込むためのスタック用送風機が設けられており、制御部は、改質器が所定温度以下の場合には、スタック用供給管をバーナ用供給管に連通させるように構成されていることを特徴としている。

ここで、改質器の温度とは、例えば、改質器内の触媒の温度や、改質器から排出される燃料ガスの温度であり、改質器の所定温度は、改質器内の触媒が炭化水素燃料を改質可能な温度に達したことを示す温度に対応させることができる。

このように、改質器が所定温度以下の場合には、スタック用供給管をバーナ用供給管に連通させており、燃料電池システムの起動時のように、改質器の温度が低く、燃料電池スタックで発電を行っていない場合には、スタック用送風機の送風をバーナ用供給管内でバーナ用送風機の送風に合流させることができるため、バーナに供給される空気の静圧を高めることができ、バーナに供給される空気の流量を増やすことができる。
これにより、高静圧かつ大流量の送風機を用いることなく、バーナの火力を強くすることができ、改質器の温度上昇を早めることができるため、燃料電池システムの起動から発電までの時間を短縮することができる。
なお、スタック用供給管は、バーナ用供給管に設けられたバーナ用送風機の上流側または下流側に連通させることができる。

前記した燃料電池システムにおいて、制御部は、改質器が所定温度以上の場合には、スタック用供給管を燃料電池スタックのカソード極に連通させるように構成することができる。

このように、改質器が炭化水素燃料を改質可能な所定温度以上になった場合には、スタック用供給管を燃料電池スタックのカソード極に連通させることができ、スタック用送風機の送風によって、燃料電池スタックのカソード極に空気を供給して、燃料電池スタック内で燃料ガスの水素と空気の酸素とを反応させて発電を行うことができる。

前記した燃料電池システムに、改質器と、改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ変成器と、ＣＯ変成器を通過した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ除去器とから構成される燃料改質装置を設け、制御部は、改質器が所定温度以上であるとともに、燃料改質装置が所定温度以上の場合には、スタック用供給管を燃料電池スタックのカソード極に連通させるように構成することができる。

ここで、燃料改質装置が所定温度以上である状態とは、例えば、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器から排出される燃料ガスの各温度が、燃料改質装置に供給される炭化水素燃料および水の量に対応してそれぞれ設定された所定温度以上となった状態であり、燃料改質装置によって生成された燃料ガスが、燃料電池スタックを発電可能な一酸化炭素濃度以下に達した状態に対応させることができる。

このように、改質器が所定温度以上であるとともに、燃料改質装置が所定温度以上の場合に、スタック用供給管を燃料電池スタックのカソード極に連通させることにより、燃料ガスが燃料電池スタックを発電可能な一酸化炭素濃度以下に達するまでの間は、バーナの火力を強くすることができるため、燃料電池スタックが発電を行うまでの時間を短縮することができる。

前記した燃料電池システムにおいて、改質器と、改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ変成器と、ＣＯ変成器を通過した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ除去器とから構成される燃料改質装置が設けられており、制御部は、改質器が所定温度以上であるとともに、燃料改質装置によって生成された燃料ガス中の一酸化炭素濃度が所定濃度以下の場合には、スタック用供給管を燃料電池スタックのカソード極に連通させるように構成することができる。

このように、一酸化炭素センサ等によって測定された燃料ガス中の一酸化炭素濃度に基づいて、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が所定濃度以下であるか否かを判定することにより、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を正確に求めることができ、一酸化炭素濃度を確実に所定濃度以下に低下させた状態で、燃料ガスを燃料電池スタックに供給することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、改質器が所定温度以下の場合には、スタック用供給管をバーナ用供給管に連通させており、燃料電池システムの起動時のように、改質器の温度が低く、燃料電池スタックで発電を行っていない場合には、スタック用送風機の送風をバーナ用供給管内でバーナ用送風機の送風に合流させることができるため、バーナに供給される空気の静圧を高めることができ、バーナに供給される空気の流量を増やすことができる。
これにより、高静圧かつ大流量の送風機を用いることなく、バーナの火力を強くすることができるため、改質器の温度上昇を早めることができ、燃料電池システムの起動から発電までの時間を短縮することができる。
したがって、小型で安価な送風機を用いることができ、燃料電池システムを小型化することができるとともに、燃料電池システムの製造コストを低減することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の燃料電池システム全体を示した概略構成図である。図２は、本実施形態の燃料電池システムにおける空気の供給経路を示した概略構成図である。
本実施形態では、家庭用の電力を供給する小型の燃料電池システムを想定して説明する。

［燃料電池システムの構成］
燃料電池システム１は、図１に示すように、炭化水素燃料である灯油燃料から水素を含有する燃料ガスを生成する燃料改質装置２と、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３で発電された直流電流を交流電流に変換するインバータ４と、燃料電池システム１の動作を制御する制御部５とを備えている。
制御部５は、与えられたプログラムをＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）が実行することにより、燃料電池システム１内の各装置の動作を制御するように構成されている。

［燃料改質装置の構成］
燃料改質装置２は、燃料電池システム１の外部から供給された灯油燃料中の硫黄を除去する脱硫器２ａと、硫黄が除去された灯油燃料と水を触媒によって水蒸気改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質器２ｂと、改質器２ｂで生成された燃料ガス中のＣＯ（一酸化炭素）の濃度を低下させるＣＯ変成器２ｃと、ＣＯ変成器２ｃを通過した燃料ガス中のＣＯの濃度を更に低下させるＣＯ除去器２ｄとから構成されている。この燃料改質装置２は、公知の装置を用いているため、詳細な説明は省略する。
また、改質器２ｂから排出される燃料ガスの温度を測定する温度センサ２ｆ、ＣＯ変成器２ｃから排出される燃料ガスの温度を測定する温度センサ２ｇ、ＣＯ除去器２ｄから排出される燃料ガスの温度を測定する温度センサ２ｈが設けられている。さらに、改質器２ｂには、改質器２ｂ内の触媒の温度を測定する温度センサ２ｉが設けられている。
この燃料改質装置２で生成された燃料ガスは、燃料電池スタック３のアノード極３ａに供給される。

なお、改質器２ｂが灯油燃料を改質するためには、改質器２ｂ内の触媒が約５５０℃〜７００℃に加熱されている必要があるため、改質器２ｂを加熱するためのバーナ２ｅが設けられている。このバーナ２ｅは、灯油燃料と空気の混合気および燃料電池スタック３から排出されたアノードオフガスを燃焼させる公知の燃焼装置である。

［燃料電池スタックの構成］
燃料電池スタック３は、燃料改質装置２から燃料ガスが供給されるアノード極３ａと、反応ガスとして空気が供給されるカソード極３ｂとが形成されており、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われ、発電した直流電流をインバータ４に出力するように構成されている。この燃料電池スタック３は、公知の装置を用いているため、詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック３のアノード極３ａから排出されたアノードオフガスは水素を含有しているため、改質器２ｂを加熱するためのバーナ２ｅの燃焼部に供給されることにより、バーナ２ｅの燃料として燃焼されることになる。
燃料電池スタック３のカソード極３ｂから排出されたカソードオフガスは、燃料電池システム１の外部に排気されることになる。
また、燃料電池スタック３を冷却するための冷却器３ｃが設けられており、この冷却器３ｃから排出された冷却水は、熱交換器６で冷却された後に、再度、冷却器３ｃに供給され、燃料電池システム１内で循環するように構成されている。

［燃料電池システムにおける空気の供給経路の構成］
次に、改質器２ｂのバーナ２ｅおよび燃料電池スタック３のカソード極３ｂに空気を供給するための供給経路について説明する。

バーナ２ｅには、一次空気用供給管１０（特許請求の範囲における「バーナ用供給管」）および二次空気用供給管２０を通じて空気が供給され、燃料電池スタック３のカソード極３ｂには、スタック用供給管３０を通じて空気が供給されるように構成されている。

一次空気用供給管１０は、一端（下流側）がバーナ２ｅの燃焼部（図示せず）に連通し、他端（上流側）には塵等を除去するフィルタ１１が取り付けられており、燃焼部で灯油燃料と混合される一次空気を供給するための配管である。
また、一次空気用供給管１０には、バーナ２ｅの燃焼部に空気を送り込むための一次空気用送風機１２（特許請求の範囲における「バーナ用送風機」）が設けられており、この一次空気用送風機１２は、フィルタ１１側（上流側）からバーナ２ｅ側（下流側）に向かって送風するように構成されている。

二次空気用供給管２０は、一端（下流側）がバーナ２ｅの燃焼部に連通し、他端（上流側）には塵等を除去するフィルタ２１が取り付けられており、燃焼用の二次空気を供給するための配管である。
また、二次空気用供給管２０には、バーナ２ｅの燃焼部に空気を送り込むための二次空気用送風機２２が設けられており、この二次空気用送風機２２は、フィルタ２１側（上流側）からバーナ２ｅ側（下流側）に向かって送風するように構成されている。

スタック用供給管３０は、一端（下流側）が燃料電池スタック３のカソード極３ｂに連通し、他端（上流側）には塵等を除去するフィルタ３１が取り付けられており、カソード極３ｂに反応ガスとして空気を供給するための配管である。
また、スタック用供給管３０には、燃料電池スタック３のカソード極３ｂに空気を送り込むためのスタック用送風機３２が設けられており、フィルタ３１側（上流側）から燃料電池スタック３側（下流側）に向かって送風するように構成されている。

また、スタック用供給管３０は、連絡管４０を通じて一次空気用供給管１０に連通可能となっている。
この連絡管４０は、スタック用供給管３０のスタック用送風機３２よりも下流側で分岐し、一次空気用供給管１０の一次空気用送風機１２よりも上流側に連通している。

スタック用供給管３０と連絡管４０の分岐箇所には、三方弁であるスタック側バルブ３３が設けられており、このスタック側バルブ３３を切り替えることにより、スタック用供給管３０を燃料電池スタック３のカソード極３ｂに連通させたり、連絡管４０を通じて一次空気用供給管１０に連通させたりすることができる。
また、一次空気用供給管１０において、連絡管４０の連通箇所よりも上流側には、二方弁である一次空気側バルブ１３が設けられており、この一次空気側バルブ１３を開けることにより、一次空気用供給管１０の上流側と下流側を連通させることができ、一次空気側バルブ１３を閉じることにより、一次空気用供給管１０の上流側と下流側を遮断することができる。

［制御部の構成］
制御部５には、改質器２ｂ内の触媒が灯油燃料を改質可能な所定温度が記憶されているとともに、燃料ガスが燃料電池スタック３で発電可能なＣＯ濃度以下に達した状態において、改質器２ｂ、ＣＯ変成器２ｃ、ＣＯ除去器２ｄから排出される燃料ガスの各温度（以下、「燃料改質装置２の所定温度」という場合がある。）が記憶されている。

この制御部５は、改質器２ｂの温度センサ２ｉで測定された触媒の温度が、予め記憶されている所定温度以下の場合には、一次空気側バルブ１３を閉じて、一次空気用供給管１０の上流側と下流側を遮断させるとともに、スタック側バルブ３３を切り替えて、スタック用供給管３０と連絡管４０を連通させることにより、スタック用供給管３０を一次空気用供給管１０に連通させるように構成されている。

また、制御部５は、改質器２ｂ内の触媒が所定温度以上となり、さらに、燃料改質装置２が所定温度以上の場合には、一次空気側バルブ１３を開けて、一次空気用供給管１０の上流側と下流側を連通させるとともに、スタック側バルブ３３を切り替えて、スタック用供給管３０と連絡管４０を遮断させ、スタック用供給管３０の上流側と下流側を連通させることにより、スタック用供給管３０を燃料電池スタック３のカソード極３ｂに連通させることができる。

［燃料電池システムの起動から発電までの動作］
次に、燃料電池システム１の起動から燃料電池スタック３の発電までの動作について説明する。
図３は、バーナおよび燃料電池スタックへの空気の供給を示した図で、（ａ）は一次空気用供給管およびスタック用供給管を示した概略構成図、（ｂ）は各送風機の吐出量、改質器の温度変化、各バルブの制御状態を示したグラフである。図４および図５は、燃料電池システムの起動から燃料電池スタックの発電までの動作を示したフローチャートである。

ここでは、燃料電池システム１の起動から燃料電池スタック３の発電までの動作について、図４および図５のフローチャートを適宜に参照して説明する。

まず、燃料電池システムを起動したときには（ステップＳ１）、図２および図３に示すように、制御部５は、一次空気側バルブ１３を閉じて、一次空気用供給管１０の上流側と下流側を遮断させるとともに、スタック側バルブ３３を切り替えて、スタック用供給管３０と連絡管４０を連通させることにより、スタック用供給管３０を一次空気用供給管１０に連通させる（ステップＳ２）。

続いて、制御部５は、一次空気用送風機１２およびスタック用送風機３２の送風を開始させる。これにより、スタック用送風機３２の送風が連絡管４０を通じて一次空気用供給管１０に流入し、一次空気用供給管１０内で一次空気用送風機１２の送風と合流して、バーナ２ｅの燃焼部に一次空気が供給される（ステップＳ３）。
このように、燃料電池システム１の起動時には、一次空気用送風機１２およびスタック用送風機３２の送風によってバーナ２ｅの燃焼部に一次空気が供給される。

また、制御部５は、一次空気用送風機１２およびスタック用送風機３２の送風を開始させると同時に、二次空気用送風機２２の送風を開始させる。これにより、バーナ２ｅの燃焼部に二次空気が供給される（ステップＳ４）。

そして、制御部５は、バーナ２ｅの燃焼部を点火させて燃焼を開始する（ステップＳ５）。このバーナ２ｅの燃焼によって改質器２ｂは加熱され、改質器２ｂ内の触媒の温度が上昇する。
このとき、制御部５では、改質器２ｂの温度センサ２ｉで測定された触媒の温度と、記憶されている所定温度とを比較し（ステップＳ６）、触媒の温度が所定温度以下である場合には、一次空気用送風機１２およびスタック用送風機３２による一次空気の供給を継続する。

また、制御部５は、改質器２ｂ内の触媒の温度が所定温度以上である場合、すなわち、触媒が灯油燃料を改質可能な温度に達している場合には、燃料改質装置２への灯油燃料および水蒸気の供給を開始させる。
これにより、燃料改質装置２の改質器２ｂ内の触媒によって灯油燃料が改質され、水素を含有する燃料ガスが生成される（ステップＳ７）。

さらに、制御部５では、改質器２ｂの温度センサ２ｆで測定された燃料ガスの温度、ＣＯ変成器２ｃの温度センサ２ｇで測定された燃料ガスの温度、ＣＯ除去器２ｄの温度センサ２ｈで測定された燃料ガスの温度と、記憶されている燃料改質装置２の所定温度とを比較し（ステップＳ８）、燃料改質装置２内の各装置から排出される燃料ガスの温度が所定温度以下である場合には、一次空気用送風機１２およびスタック用送風機３２による一次空気の供給を継続させる。

また、制御部５は、燃料改質装置２内の各装置から排出される燃料ガスの温度が所定温度以上である場合、すなわち、燃料ガスが燃料電池スタック３を発電可能なＣＯ濃度以下に達している場合には、一次空気側バルブ１３を開けるとともに、スタック用送風機３２の送風を一旦停止した状態で、スタック側バルブ３３を切り替えて、スタック用供給管３０の上流側と下流側を連通させる。これにより、スタック用供給管３０が燃料電池スタック３のカソード極３ｂに連通する（ステップＳ９）。
なお、スタック側バルブ３３を切り替えるときに、スタック用送風機３２を一旦停止することにより、スタック用送風機３２の送風が切り替え途中のスタック側バルブ３３に遮られて過負荷状態になることを防ぐことができる。

スタック用供給管３０を燃料電池スタック３のカソード極３ｂに連通させた後に、制御部５は、燃料電池スタック３が必要とされている発電量を発電するための空気量が供給されるように、スタック用送風機３２の流量を調整して送風を再開させる。これにより、スタック用送風機３２から燃料電池スタック３のカソード極３ｂに反応ガスとして空気が供給されることになる（ステップＳ１０）。

このようにして、燃料電池スタック３のカソード極３ｂに供給された空気の酸素が、燃料電池スタック３のアノード極３ａに供給された燃料ガスの水素と電気化学反応して、燃料電池スタック３で発電が行われる（ステップＳ１１）。

なお、スタック用送風機３２が燃料電池スタック３のカソード極３ｂに空気の供給を開始した後は、一次空気用送風機１２のみからバーナ２ｅに一次空気が供給され、バーナ２ｅの燃焼部に供給される空気の流量が少なくなるが、発電を開始した燃料電池スタック３のアノード極３ａから水素を含有するアノードオフガスが燃焼部に供給されるため、触媒の温度が安定するように、バーナ２ｅの火力を保つことができる。
ここで、アノードオフガスを燃焼させるために必要な空気量は、灯油燃料と比較して少ないため、バーナ２ｅにアノードオフガスが供給されたときには、灯油燃料のみによってバーナ２ｅを燃焼させていたときよりも空気量が少なくてもよい。したがって、一次空気用送風機１２および二次空気用送風機２２からの送風によってバーナ２ｅを燃焼させて火力を保つことができる。

［燃料電池システムの作用効果］
以上のように構成された燃料電池システムは次のような作用効果を奏する。
図１に示す燃料電池システム１では、起動時に改質器２ｂ内の触媒の温度が所定温度以下の場合には、スタック用供給管３０を一次空気用供給管１０に連通させることにより、スタック用送風機３２の送風を一次空気用供給管１０内で一次空気用送風機１２の送風に合流させることができるため、バーナ２ｅに供給される空気の静圧を高めることができ、バーナ２ｅに供給される空気の流量を増やすことができる。
これにより、高静圧かつ大流量の送風機を用いることなく、バーナ２ｅの火力を強くすることができ、改質器２ｂ内の触媒の温度上昇を早めることができるため、燃料電池システム１の起動から発電までの時間を短縮することができる。
したがって、小型で安価な送風機を用いることができ、燃料電池システム１を小型化することができるとともに、燃料電池システム１の製造コストを低減することができる。

また、改質器２ｂ内の触媒が所定温度以上であるとともに、燃料改質装置２が所定温度以上、すなわち、燃料ガスが燃料電池スタック３を発電可能なＣＯ濃度以下に達している場合に、スタック用供給管３０が燃料電池スタック３に連通され、燃料電池スタック３に空気が供給されるように構成されているため、燃料ガスが燃料電池スタック３を発電可能なＣＯ濃度以下に達するまでの間は、バーナ２ｅの火力が強くなり、燃料電池スタック３が発電を行うまでの時間を短縮することができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。図６は、バーナおよび燃料電池スタックへの空気の供給の他の構成を示した図で、（ａ）は連絡管に連絡側バルブを設けた構成の概略構成図、（ｂ）は各送風機の吐出量、改質器の温度変化、各バルブの制御状態を示したグラフである。図７は、バーナおよび燃料電池スタックへの空気の供給の他の構成を示した図で、（ａ）は連絡管を一次空気用送風機の下流側に連通させた構成の概略構成図、（ｂ）は各送風機の吐出量、改質器の温度変化、各バルブの制御状態を示したグラフである。図８は、バーナおよび燃料電池スタックへの空気の供給の他の構成を示した図で、（ａ）は連絡管を一次空気用送風機の下流側に連通させ、連絡管に連絡側バルブを設けた構成の概略構成図、（ｂ）は各送風機の吐出量、改質器の温度変化、各バルブの制御状態を示したグラフである。

例えば、本実施形態では、図３に示すように、スタック側バルブ３３が三方弁であるが、図６に示すように、スタック側バルブ３３´を二方弁によって構成することができる。
この構成では、スタック用供給管３０のスタック側バルブ３３´よりも上流側で連絡管４０が分岐しており、連絡管４０に設けられた二方弁である連絡側バルブ４１を閉じることにより、スタック用供給管３０と一次空気用供給管１０を遮断することができる。このように、スタック側バルブ３３´を二方弁によって構成することにより、スタック側バルブ３３´を簡易な構成にすることができる。

また、本実施形態では、図３に示すように、一次空気用供給管１０の一次空気用送風機１２よりも上流側に連絡管４０を連通させているが、図７に示すように、一次空気用送風機１２の下流側に連絡管４０を連通させることもできる。
この構成では、一次空気用供給管１０と連絡管４０の連結箇所よりも上流側にバルブを設ける必要がなくなるため、燃料電池システムにおける空気の供給経路を簡易な構成にすることができる。

なお、図７に示す構成の変形例として、図８に示すように、連絡管４０に二方弁である連絡側バルブ４１を設け、この連絡側バルブ４１を閉じることにより、スタック用供給管３０と一次空気用供給管１０を遮断するように構成した場合には、スタック側バルブ３３´に三方弁を用いる必要がなくなるため、スタック側バルブ３３´を簡易な構成にすることができる。

さらに、本実施形態では、図２に示すように、改質器２ｂ内の触媒の温度を温度センサ２ｉで測定しているが、触媒の温度を直接測定することなく、改質器２ｂの外面の温度を測定し、改質器２ｂの外面の温度と触媒の温度との関係に基づいて、触媒の温度を算出するように構成することができる。

また、本実施形態では、改質器２ｂの温度センサ２ｆで測定された燃料ガスの温度、ＣＯ変成器２ｃの温度センサ２ｇで測定された燃料ガスの温度、ＣＯ除去器２ｄの温度センサ２ｈで測定された燃料ガスの温度に基づいて、燃料改質装置２によって生成された燃料ガス中のＣＯ濃度を求めているが、燃料改質装置２にＣＯ濃度センサを設けて燃料ガス中のＣＯ濃度を求めてもよい。この場合には、最終的に燃料ガス中のＣＯを低下させるＣＯ除去器２ｄにＣＯ濃度センサを設けることが望ましい。

また、本実施形態では、改質器２ｂ内の触媒が所定温度以上であるとともに、燃料改質装置２が所定温度以上に達している場合に、スタック用供給管３０を燃料電池スタック３に連通させて、燃料電池スタック３に空気を供給しているが、改質器２ｂ内の触媒が所定温度以上となった場合に、スタック用供給管３０を燃料電池スタック３に連通させるように構成することもできる。

なお、本実施形態では、図１に示すように、一次空気用供給管１０および二次空気用供給管２０の二系統によってバーナ２ｅに空気を供給しているが、さらに、三次空気用、四次空気用・・・の供給管を設けて、三系統以上でバーナ２ｅに空気を供給するように構成することもできる。または、バーナ２ｅに供給する燃焼用の空気を分けることなく、一系統の供給管によって供給するように構成することもできる。

本実施形態の燃料電池システム全体を示した概略構成図である。本実施形態の燃料電池システムにおける空気の供給経路を示した概略構成図である。バーナおよび燃料電池スタックへの空気の供給を示した図で、（ａ）は一次空気用供給管およびスタック用供給管を示した概略構成図、（ｂ）は各送風機の吐出量、改質器の温度変化、各バルブの制御状態を示したグラフである。燃料電池システムの起動から燃料電池スタックの発電までの動作を示したフローチャートである。燃料電池システムの起動から燃料電池スタックの発電までの動作を示したフローチャートである。バーナおよび燃料電池スタックへの空気の供給経路の他の構成を示した図で、（ａ）は連絡管に連絡側バルブを設けた構成の概略構成図、（ｂ）は各送風機の吐出量、改質器の温度変化、各バルブの制御状態を示したグラフである。バーナおよび燃料電池スタックへの空気の供給経路の他の構成を示した図で、（ａ）は連絡管を一次空気用送風機の下流側に連通させた構成の概略構成図、（ｂ）は各送風機の吐出量、改質器の温度変化、各バルブの制御状態を示したグラフである。バーナおよび燃料電池スタックへの空気の供給経路の他の構成を示した図で、（ａ）は連絡管を一次空気用送風機の下流側に連通させ、連絡管に連絡側バルブを設けた構成の概略構成図、（ｂ）は各送風機の吐出量、改質器の温度変化、各バルブの制御状態を示したグラフである。

符号の説明

１燃料電池システム
２燃料改質装置
２ｂ改質器
２ｅバーナ
３燃料電池スタック
３ａアノード極
３ｂカソード極
３ｃ冷却器
５制御部
１０一次空気用供給管
１２一次空気用送風機
１３一次空気側バルブ
２０二次空気用供給管
２２二次空気用送風機
３０スタック用供給管
３２スタック用送風機
３３スタック側バルブ
４０連絡管

Claims

水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、
炭化水素燃料を触媒で改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱するバーナと、
前記バーナに連通しているバーナ用供給管と、
前記燃料電池スタックのカソード極または前記バーナ用供給管に連通可能なスタック用供給管と、
前記改質器の温度に基づいて、前記スタック用供給管の連通先を切り替える制御部と、を備え、
前記バーナ用供給管には、前記バーナに空気を送り込むためのバーナ用送風機が設けられ、前記スタック用供給管には、前記燃料電池スタックのカソード極または前記バーナ用供給管に空気を送り込むためのスタック用送風機が設けられており、
前記制御部は、
前記改質器が所定温度以下の場合には、前記スタック用供給管を前記バーナ用供給管に連通させるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
前記制御部は、
前記改質器が所定温度以上の場合には、前記スタック用供給管を前記燃料電池スタックのカソード極に連通させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムには、
前記改質器と、
前記改質器で生成された前記燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ変成器と、
前記ＣＯ変成器を通過した前記燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ除去器と、から構成される燃料改質装置が設けられており、
前記制御部は、
前記改質器が所定温度以上であるとともに、前記燃料改質装置が所定温度以上の場合には、前記スタック用供給管を前記燃料電池スタックのカソード極に連通させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムには、
前記改質器と、
前記改質器で生成された前記燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ変成器と、
前記ＣＯ変成器を通過した前記燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ除去器と、から構成される燃料改質装置が設けられており、
前記制御部は、
前記改質器が所定温度以上であるとともに、前記燃料改質装置によって生成された前記燃料ガス中の一酸化炭素濃度が所定濃度以下の場合には、前記スタック用供給管を前記燃料電池スタックのカソード極に連通させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。