JP5002220B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に改質器の燃焼部における燃焼状態が不安定になることを軽減することができる燃料電池システムに関するものである。

水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の原料を改質して燃料電池の発電に用いる水素を含む水素リッチガス（改質ガス）を生成する改質器を燃料電池に併設した燃料電池システムが構築されることが多い。改質器の一例として、水素リッチガスとなる原料を導入して改質する改質部と、燃焼用の燃料と空気とを導入して燃料を燃焼させ改質部における改質に利用される改質熱を発生する燃焼部とを有しているものがある。

ところで、改質ガスに所定の濃度以上の一酸化炭素が含まれていると燃料電池の電極が被毒されることになるため、一般に一酸化炭素の濃度を低減した改質ガスが燃料電池に供給される。一酸化炭素濃度の低減された組成が安定した改質ガスは、改質器の温度が約６００℃以上となった頃に生成される。したがって、改質器の起動初期に生成される改質ガスは、水素を含んではいるが一酸化炭素濃度が高いため、燃料電池には供給せずに改質器の燃焼部に燃焼用の燃料として供給し改質熱を得るために利用して改質器の温度を保つようにし、改質器の温度が上昇して組成が安定した改質ガスが生成されるようになったところで改質ガスを燃料電池に供給している。改質ガスを燃料電池に供給したときは、燃料電池に供給した改質ガス中の水素のうち電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスを燃焼用の燃料として燃焼部に供給し燃焼させて改質熱を得ることで改質器の温度を保つようにしている（例えば、特許文献１参照。）。なお、燃料電池に改質ガスを供給しないときは、燃料電池の電極が酸化により劣化することを防ぐため、原料のガス等を封入することが行われる。
特開２００６−３１９９５号公報（段落００３１、図１等）

しかしながら、組成が安定した改質ガスを燃料電池に供給するように切り換えることにより、改質器の燃焼部に燃焼用の燃料として供給されるのが改質ガスからアノードオフガスとなると、燃焼部に供給されるガスの種類や圧力の違いから、燃焼部における燃焼状態が不安定になりやすかった。

本発明は上述の課題に鑑み、改質器の燃焼部における燃焼状態が不安定になることを軽減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、原料ｍ１を導入し改質して水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、燃料ｐ（ｇ、ｍ２）を導入し燃焼させて改質部２５における改質に用いられる改質熱を発生させる燃焼部２３とを有する改質器２０と；酸素を含有する酸化剤ガスｔと改質ガスｇとを導入し、改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と；改質部２５から燃料電池３０へ改質ガスｇを導く改質ガスライン５１であって、改質ガスｇの流れを遮断可能な改質ガス遮断弁６１を有する改質ガスライン５１と；改質ガスｇ中の水素のうち燃料電池３０における電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃料電池３０から燃焼部２３へ導くアノードオフガスライン５２であって、アノードオフガスｐの流れを遮断可能なアノードオフガス遮断弁６２を有するアノードオフガスライン５２と；改質ガス遮断弁６１より上流側の改質ガスライン５１とアノードオフガス遮断弁６２より下流側のアノードオフガスライン５２とを連通し改質ガスライン５１を流れる改質ガスｇをアノードオフガスライン５２へ導くバイパスライン５３であって、改質ガスｇの流れを遮断可能なバイパス遮断弁６３を有するバイパスライン５３と；改質器２０の起動初期は改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を閉かつバイパス遮断弁６３を開とし、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を閉から開に切り換えたときに、バイパス遮断弁６３を複数回間欠的に開閉した後に閉として燃料電池３０内のガスを燃焼部２３へ間欠的に供給するように、改質ガス遮断弁６１、アノードオフガス遮断弁６２、及びバイパス遮断弁６３を制御する制御装置４０とを備える。

このように構成すると、改質器の起動初期は改質ガス遮断弁及びアノードオフガス遮断弁を閉かつバイパス遮断弁を開とし、改質ガス遮断弁及びアノードオフガス遮断弁を閉から開に切り換えたときに、バイパス遮断弁を複数回間欠的に開閉した後に閉として燃料電池内のガスを燃焼部へ間欠的に供給するように、改質ガス遮断弁、アノードオフガス遮断弁、及びバイパス遮断弁を制御するので、燃料電池に封入されていたガスが、間欠的にあるいは改質ガスと混合され希釈されて燃焼部へ供給されることとなり、燃焼部における燃焼状態が不安定になることを軽減することができる。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システム１０において、改質部２５の温度を検出する温度検出器２５ｔを備え；制御装置４０が、温度検出器２５ｔで検出した温度が所定の温度以上となったときに改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を閉から開に切り換えるように構成されている。

このように構成すると、組成が安定した改質ガスが生成される温度で改質ガス遮断弁及びアノードオフガス遮断弁を閉から開に切り換えることが可能となり、適切なタイミングで改質ガスを燃料電池に供給することができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム１０において、燃料電池システム１０の停止時に、燃料電池３０の改質ガスｇを導入する部分に燃料電池３０の劣化を低減する劣化低減ガスを封入するガス封入手段６１、６２を備える。

このように構成すると、外気が燃料電池内に侵入することを防ぐことができ、これによって燃料電池の電極触媒を酸化による劣化から防ぐことができる。

本発明によれば、改質器の起動初期は改質ガス遮断弁及びアノードオフガス遮断弁を閉かつバイパス遮断弁を開とし、改質ガス遮断弁及びアノードオフガス遮断弁を閉から開に切り換えたときに、バイパス遮断弁を複数回間欠的に開閉した後に閉とするように、改質ガス遮断弁、アノードオフガス遮断弁、及びバイパス遮断弁を制御するので、燃料電池に封入されていたガスが、間欠的にあるいは改質ガスと混合され希釈されて燃焼部へ供給されることとなり、燃焼部における燃焼状態が不安定になることを軽減することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１中、燃料電池３０内を除く破線は制御信号を表す。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０を説明する。図１は、燃料電池システム１０の模式的系統図である。燃料電池システム１０は、主要な構成部材として、水素に富む改質ガスｇを生成する改質器２０と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と、燃料電池システム１０の運転を制御する制御装置４０とを備えている。

改質器２０は、原料ｍ１とプロセス水ｓとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、原料ｍ１の水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する燃焼部２３とを備えている。原料ｍ１は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（都市ガスや天然ガス等も含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質部２５に導入するプロセス水ｓは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。

改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料ｍ１が改質されて生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び／又は選択酸化触媒が充填された選択酸化部（不図示）を有し、改質器２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。以下、本実施の形態では、改質部２５が変成部及び選択酸化部を有することとして説明する。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。

改質部２５には、内部（改質触媒が充填されている部分）の温度を検出する温度検出器としての温度センサ２５ｔが配設されている。温度センサ２５ｔは制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、検出した温度を信号として制御装置４０に送信することができるように構成されている。なお、変成部（不図示）及び／又は選択酸化部（不図示）にも温度センサを配設して温度信号を制御装置４０に送信できるように構成してもよい。変成部（不図示）及び／又は選択酸化部（不図示）の温度も検出できるようにすると、改質器２０のより詳しい状態を把握することができる。

改質部２５には、原料ｍ１を導入するための原料管５６Ａと、プロセス水ｓを導入するためのプロセス水管５９とが接続されている。プロセス水管５９は、改質部２５直近の原料管５６Ａに接続されていると、原料ｍ１とプロセス水ｓとが混合された状態で改質部２５に導入されて好適である。しかしながら、プロセス水管５９が改質部２５に直接接続されていてもよい。原料管５６Ａには、原料調節弁６６Ａが設けられている。原料調節弁６６Ａは、制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、制御装置４０からの信号を受信して弁の開度を調節することができるように構成されている。また、改質部２５の選択酸化部には改質ガスｇを導出する改質ガスライン５１が接続されている。

燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質器２０内に配設されている。燃焼部２３は、炭化水素系燃料である燃焼燃料ｍ２、並びに水素含有ガスであるアノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入すると共に、燃焼用空気ａを導入し、バーナー（不図示）でこれらを燃焼させて水蒸気改質反応に用いる改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部２３は、燃料電池システム１０の状態に応じて、いずれも燃料である燃焼燃料ｍ２、アノードオフガスｐ、改質ガスｇのいずれか１種類あるいは２種類以上を導入して燃焼させる。燃焼燃料ｍ２は、本実施の形態では、原料ｍ１と同じものが使用される。すなわち、原料ｍ１及び燃焼燃料ｍ２は、原料燃料管５６を流れる原料燃料ｍが分流したものを用途に応じて呼称を変えたものであり、成分は同じものである。原料燃料管５６には、気体の原料燃料ｍを送る燃料ブロワ４６が配設される。なお、原料燃料ｍが液体の場合は燃料ブロワ４６に代えて燃料ポンプ（不図示）が配設される。

燃焼部２３には、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。燃焼部２３には、アノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能なアノードオフガスライン５２と、燃焼燃料ｍ２を導入する燃料管５６Ｂとが接続されている。燃料管５６Ｂには、燃焼用空気ａを導入する燃焼用空気供給ラインとしての燃焼用空気管５８が接続されている。燃焼用空気管５８には、燃焼用空気ａを燃焼部２３へ送る燃焼空気ブロワ４２が配設されている。燃焼用空気管５８が接続された位置よりも上流の燃料管５６Ｂには、燃焼調節弁６６Ｂが配設されている。燃焼調節弁６６Ｂは、制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、制御装置４０からの信号を受信して弁の開度を調節することができるように構成されている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部（不図示）とを含んで構成されている。酸化剤ガスｔは、典型的には所定の加湿度に加湿された空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応を化学式で示すと、アノード３１側は以下の（１）式に示すようになり、カソード３２側は以下の（２）式に示すようになる。
２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- ・・・（１）
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池３０は、典型的には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ（不図示）と電気的に接続される。

燃料電池３０のアノード３１では、導入された改質ガスｇ中の水素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池３０における発電）に利用される訳ではなく、一部の水素が利用される。アノード３１からは、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐが排出される。アノードオフガスｐの成分は、典型的には、約半分が水素、残りの半分に二酸化炭素、窒素、メタンが含まれているが、発電状態に応じて組成が変化することがある。燃料電池３０のカソード３２では、導入された酸化剤ガスｔ中の酸素のすべてが上述の電気化学的反応（燃料電池３０における発電）に利用される訳ではなく、一部の酸素が利用される。カソード３２からは、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑが排出される。

アノード３１と改質部２５とは、改質ガスライン５１を介して接続されている。改質ガスライン５１には、改質ガス遮断弁６１が配設されている。また、アノード３１と燃焼部２３とは、アノードオフガスライン５２を介して接続され、アノードオフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。アノードオフガスライン５２には、アノードオフガス遮断弁６２が配設されている。また、改質ガス遮断弁６１よりも上流側の改質ガスライン５１とアノードオフガス遮断弁６２よりも下流のアノードオフガスライン５２とがバイパスライン５３で接続されている。バイパスライン５３には、バイパス遮断弁６３が配設されている。

改質ガス遮断弁６１、アノードオフガス遮断弁６２、バイパス遮断弁６３は、典型的には電磁弁が用いられる。電磁弁を用いることにより、電動弁に比べて急速な開閉動作を行うことができる。また、電磁弁は、一般に弁開度の調整を行うことはできないが、ノーマリクローズとすることにより電気の供給が停止されたときに改質ガスｇの燃料電池３０への供給を遮断することができフェールセーフとなること、電動弁に比べて安価であること、などの利点がある。改質ガス遮断弁６１、アノードオフガス遮断弁６２、バイパス遮断弁６３は、それぞれ信号ケーブルを介して制御装置４０と接続されており、制御装置４０から信号を受信して弁の開閉動作が行われるように構成されている。

カソード３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガスライン５４と、カソードオフガスｑを排出するカソードオフガスライン５５とが接続されている。酸化剤ガスライン５４には酸化剤ガスブロワ４４が配設されている。カソードオフガスライン５５には、カソードオフガス遮断弁６５が配設されている。カソードオフガス遮断弁６５は制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、制御装置４０から信号を受信して弁の開閉動作が行われるように構成されている。また、カソードオフガス遮断弁６５よりも下流のカソードオフガスライン５５と酸化剤ガスライン５４とがバイパスライン５５ｂで接続されている。酸化剤ガスライン５４からバイパスライン５５ｂが分岐する分岐部には、酸化剤ガス三方弁６４が設けられている。酸化剤ガス三方弁６４は制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、制御装置４０から信号を受信して酸化剤ガスｔの流路を切り換えることができるように構成されている。なお、酸化剤ガス三方弁６４を設ける代わりに、バイパスライン５５ｂが分岐する分岐部より下流側の酸化剤ガスライン５４に二方弁を設けると共にバイパスライン５５ｂに二方弁を設け、各二方弁の開閉動作により酸化剤ガスｔの流路を切り換えるようにしてもよい。酸化剤ガスライン５４には、燃料電池３０の固体高分子膜（段落００２１参照）の導電率を維持するために酸化剤ガスｔを所定の加湿度まで加湿するための加湿装置（不図示）が配設される。

制御装置４０は、改質ガス遮断弁６１、アノードオフガス遮断弁６２、バイパス遮断弁６３、酸化剤ガス三方弁６４、カソードオフガス遮断弁６５に各々信号を送信し、各弁の切り換え動作あるいは開閉動作をさせることができる。また、制御装置４０は、温度センサ２５ｔから信号を受信して、検出した状況に基づいて上記の各バルブを制御することにより燃料電池システム１０の制御を行う。また、制御装置４０は、時間を計測するタイマーを有している。また、制御装置４０は、原料調節弁６６Ａ及び燃焼調節弁６６Ｂの各々に信号を送信し、各弁の開度（全閉を含む）を調節することができるように構成されている。また、制御装置４０は、各ブロワ４２、４４、４６を制御する。なお、制御装置４０からの信号により、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を閉じることで、改質ガス遮断弁６１とアノードオフガス遮断弁６２との間の燃料電池３０の改質ガスｇを導入する部分に劣化低減ガスを封入することができる。このように、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２でガス封入手段を構成する。

次に図２を参照して、燃料電池システム１０の起動時の作用を説明する。図２は、燃料電池システム１０の起動方法のフローチャートである。なお、以下の説明における部材の符号については適宜図１を参照するものとする。燃料電池システム１０の停止中は、燃料電池３０のアノード３１に原料ｍ１のガスが劣化低減ガスとして封入され、アノード３１が大気圧よりもやや正圧に保たれて、アノード３１に外気が侵入することによる電極の劣化を防いでいる。アノード３１への劣化低減ガスの封入は、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を閉にすることにより行われる。すなわち燃料電池システム１０の停止中は、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２が閉になっている。なおカソード３２は、燃料電池システム１０の停止中、酸化剤ガス三方弁６４がバイパスライン５５ｂ側に開いており、酸化剤ガスｔがカソード３２に供給されないようになっている。これにより、燃料電池３０の固体高分子膜の乾燥を防ぐと共に触媒の酸化を防いで、燃料電池３０の性能低下を防いでいる。

上記のような燃料電池システム１０を停止中の状態から起動したとき、制御装置４０は、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を引き続き閉に、バイパス遮断弁６３を開にする（ＳＴ１）。この状態で、燃料ブロワ４６及び燃焼空気ブロワ４２を起動して燃焼部２３で燃焼燃料ｍ２を燃焼させると共に、プロセス水ポンプ（不図示）及び改質部２５の選択酸化部へ選択酸化空気を供給する選択酸化空気ブロワ（不図示）を起動して、改質部２５に原料ｍ１、プロセス水ｓ、選択酸化空気を供給する（ＳＴ２）。なお、選択酸化空気ブロワ（不図示）の機能は、燃焼空気ブロワ４２又は酸化剤ガスブロワ４４が兼ねることとしてもよい。改質器２０を低温（典型的には周囲環境温度）の状態から立ち上げたときの起動初期は、改質部２５で生成される改質ガスｇに許容量以上の一酸化炭素が含まれており組成が安定していないため、改質部２５で生成された改質ガスｇを燃料電池３０には供給せずに燃焼部２３へと導いて燃焼させる。改質ガスｇが燃焼部２３に供給されるようになると燃焼調節弁６６Ｂを閉にし、燃焼部２３への燃焼燃料ｍ２の供給を停止する。改質器２０は、組成が安定していない改質ガスｇが燃焼部２３で燃焼されることにより昇温される（ＳＴ３）。

改質器２０で生成される改質ガスｇは、改質部２５の温度が所定の温度に達すると組成が安定する（燃料電池３０に改質ガスｇを供給しても電極触媒が被毒しない程度に一酸化炭素濃度が低減される）ようになる。そこで、制御装置４０は、温度センサ２５ｔから温度信号を受信して、改質部２５の温度が所定の温度以上か否かを判断する（ＳＴ４）。制御装置４０は、温度センサ２５ｔが検出する温度が所定の温度以上となるまでこの判断を続ける。なお、改質部２５が有する変成部（不図示）及び／又は選択酸化部（不図示）にも温度センサ２５ｔを配設し、各部のそれぞれに配設された温度センサ２５ｔが検出する温度が、各部のそれぞれについてあらかじめ決められた所定の温度以上か否かを判断するようにしてもよい。改質器２０で安定した改質ガスｇが生成されるときの温度は、改質触媒で約６００℃以上、変成触媒で約２００〜３００℃、選択酸化触媒で約１００〜１５０℃である。したがって、各部のそれぞれについてあらかじめ決められた所定の温度は、例えば、改質部２５は６５０℃、変成部（不図示）は２５０℃、選択酸化部（不図示）は１２０℃とすることができる。

改質部２５の温度が所定の温度以上となったら（あるいは、すべての部位の温度が所定の温度以上となったら）、制御部４０は、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を開にする（ＳＴ５）。改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を開にすると、アノード３１側の圧力損失とバイパスライン５３側の圧力損失とに応じた配分となるように、一部の改質ガスｇがアノード３１に供給される。改質ガスｇの一部がアノード３１に供給されると、燃料電池システム１０の停止時に封入されていた劣化低減ガスが追い出されるように燃焼部２３に向かって流れることとなる。仮に、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を開にすると同時にバイパス遮断弁を閉にして改質ガスｇの全量をアノード３１に供給することとすると、アノード３１に封入されていた劣化低減ガスが一斉に燃焼部２３に供給されることとなる。すると、それまで燃焼部２３に供給されていた改質ガスｇとの種類の違い、圧力の違いにより、燃焼部２３における燃焼が不安定になる。そこで、以下のような制御をすることにより、燃焼部２３における燃焼状態が不安定になることを軽減する。なお、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を開にした後のある時間、燃焼部２３のバーナーに設置されたイグナイタを作動させて劣化低減ガスの導入に起因する失火を防ぐこととしてもよい。

制御装置４０は、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を開にした後、所定時間が経過したか否かを判断する（ＳＴ６）。一般に、アノード３１側の圧力損失の方がバイパスライン５３側の圧力損失よりも大きいため、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２が開になってアノード３１側の圧力がバイパスライン５３側の圧力まで低下すると、改質部２５から導出された改質ガスｇの大半はバイパスライン５３を通って燃焼部２３へと導入されることとなり、アノード３１側には劣化低減ガスが滞留することとなる。本工程（ＳＴ６）における所定時間は、典型的には、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を開にしてから、アノード３１側の圧力とバイパスライン５３側の圧力とがバランスして燃焼部２３に流入するガスの成分が安定するまでの時間であり、例えば３０秒程度である。制御装置４０は、所定時間が経過するまでこの判断を続ける。

所定時間が経過したら、制御装置４０はバイパス遮断弁６３を所定回数間欠的に開閉させる（ＳＴ７）。バイパス遮断弁６３を閉にすると改質ガスｇがアノード３１に供給されるので、アノード３１側に滞留している劣化低減ガスが排出されることとなる。また、バイパス遮断弁６３を間欠的に開閉させるので、アノード３１側に滞留している劣化低減ガスが一斉に燃焼部２３に流入することがなく、燃焼部２３における不安定な燃焼が発生することを回避することができる。本工程（ＳＴ７）における所定回数は、燃焼部２３における不安定な燃焼を生じさせることなくアノード３１側に滞留している劣化低減ガスを排出できる回数であり、例えば５回の開閉動作を、例えば閉にする時間を５秒間、開にする時間を３秒間として行う。なお、バイパス遮断弁６３を開閉させる回数やバイパス遮断弁６３を開あるいは閉にしている時間は、燃焼部２３における燃焼が不安定にならずに劣化低減ガスをアノード３１側から排出させることができように適宜調整することができる。

バイパス遮断弁６３を所定回数間欠的に開閉させたら、バイパス遮断弁６３を閉にして、改質ガスｇの全量をアノード３１に供給する（ＳＴ８）。そして酸化剤ガスブロワ４４を起動して酸化剤ガスｔをカソード３２に供給する（ＳＴ９）。燃料電池３０に改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが供給されると、燃料電池３０では上述の（１）式及び（２）式に示したような電気化学的反応により発電が行われる（ＳＴ１０）。燃料電池３０によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ（不図示）で交流電力に変換されて電力負荷（不図示）に送電される。また、燃料電池３０で発生した熱は、例えば貯湯タンク（不図示）に蓄えられ、必要に応じて給湯や暖房等の熱負荷において消費される。燃料電池３０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１０の効率が向上することとなる。

なお、定常運転時の燃料電池システム１０は以下のように作用する。燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガスライン５２を介して改質器２０の燃焼部２３に導かれて燃焼される。燃焼部２３におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２５における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部２３における燃焼によって生じた排ガスは、排ガス管（不図示）を介して系外に排出される。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガスライン５５を介して系外に排出される。

なお、燃料電池システム１０の停止時は、アノード３１及びカソード３２に空気が流入することにより燃料電池３０が劣化することを防ぐため、改質ガス遮断弁６１、アノードオフガス遮断弁６２、酸化剤ガス三方弁６４、カソードオフガス遮断弁６５を閉にして、改質ガス遮断弁６１とアノードオフガス遮断弁６２との間、及び酸化剤ガス三方弁６４とカソードオフガス遮断弁６５との間をそれぞれ密閉空間とする。燃料電池システム１０の停止時に燃料電池３０が冷えることによってアノード３１の内部圧力が所定の圧力よりも低下したら、アノード３１が周囲環境の圧力よりも負圧になるのを防ぐため、アノード３１に原料ｍ１のガスを劣化低減ガスとして封入する。

以上で説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１０によれば、改質器２０の起動初期は改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を閉かつバイパス遮断弁６３を開とし、改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を閉から開に切り換えたときに、バイパス遮断弁６３を複数回間欠的に開閉した後に閉とするように制御するので、燃料電池システム１０の停止時にアノード３１側に封入されていた劣化低減ガスが、間欠的にあるいは改質ガスｇと混合され希釈されて燃焼部２３へ供給されることとなり、燃焼部２３における燃焼状態が不安定になることを軽減することができる。なお、このような本発明に係る燃料電池システム１０の制御は、アノード３１側に劣化低減ガスが封入されている状態から起動する場合に限らず、例えば凍結防止対策として、アノード３１を窒素や空気でパージした次に起動する場合等においても利用することができる。この場合は、パージに使用した窒素や空気が、間欠的にあるいは改質ガスｇと混合され希釈されて燃焼部２３へ供給されることとなり、燃焼部２３における燃焼状態が不安定になることを軽減することができる。

以上では、温度センサ２５ｔで改質部２５の温度を検出して改質部２５の温度が所定の温度以上となったら改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を開にすることとして説明したが、温度センサ２５ｔに代えて改質ガスライン５１に一酸化炭素濃度計を配設し、改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が所定の濃度（例えば１０体積ｐｐｍ）以下になったときに改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を開にするようにしてもよい。このようにすると、一酸化炭素濃度が所定の濃度以下の改質ガスｇのみがアノード３１に供給されることとなり、燃料電池３０の電極触媒の被毒を確実に防ぐことができる。あるいは、温度センサ２５ｔに代えて制御装置４０が有するタイマーを用いて燃焼部２３における燃焼を開始してから所定の時間が経過したときに改質ガス遮断弁６１及びアノードオフガス遮断弁６２を開にするようにしてもよい。このようにすると、燃料電池システム１０の構成を簡略化することができる。

以上では、アノード３１に封入する劣化低減ガスとして原料ｍ１のガスを用いることとして説明したが、劣化低減ガスは不活性ガス等であってもよい。しかしながら、劣化低減ガスとして原料ｍ１のガスを用いると、特別な装置を用意しなくてもよいのでシステムが複雑になることを回避することができる。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの起動方法を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
２０ 改質器
２３ 燃焼部
２５ 改質部
２５ｔ 温度検出器
３０ 燃料電池
４０ 制御装置
５１ 改質ガスライン
５２ アノードオフガスライン
５３ バイパスライン
６１ 改質ガス遮断弁
６２ アノードオフガス遮断弁
６３ バイパス遮断弁
ｇ 改質ガス
ｐ アノードオフガス
ｔ 酸化剤ガス
ｍ１ 原料
ｍ２ 燃焼燃料

Claims (3)

1. 原料を導入し改質して水素に富む改質ガスを生成する改質部と、燃料を導入し燃焼させて前記改質部における改質に用いられる改質熱を発生させる燃焼部とを有する改質器と；
   酸素を含有する酸化剤ガスと前記改質ガスとを導入し、前記改質ガス中の水素と前記酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池と；
   前記改質部から前記燃料電池へ前記改質ガスを導く改質ガスラインであって、前記改質ガスの流れを遮断可能な改質ガス遮断弁を有する改質ガスラインと；
   前記改質ガス中の水素のうち前記燃料電池における電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスを前記燃料電池から前記燃焼部へ導くアノードオフガスラインであって、前記アノードオフガスの流れを遮断可能なアノードオフガス遮断弁を有するアノードオフガスラインと；
   前記改質ガス遮断弁より上流側の前記改質ガスラインと前記アノードオフガス遮断弁より下流側の前記アノードオフガスラインとを連通し前記改質ガスラインを流れる改質ガスを前記アノードオフガスラインへ導くバイパスラインであって、前記改質ガスの流れを遮断可能なバイパス遮断弁を有するバイパスラインと；
   前記改質器の起動初期は前記改質ガス遮断弁及び前記アノードオフガス遮断弁を閉かつ前記バイパス遮断弁を開とし、前記改質ガス遮断弁及び前記アノードオフガス遮断弁を閉から開に切り換えたときに、前記バイパス遮断弁を複数回間欠的に開閉した後に閉として前記燃料電池内のガスを前記燃焼部へ間欠的に供給するように、前記改質ガス遮断弁、前記アノードオフガス遮断弁、及び前記バイパス遮断弁を制御する制御装置とを備える；
   燃料電池システム。
2. 前記改質部の温度を検出する温度検出器を備え；
   前記制御装置が、前記温度検出器で検出した温度が所定の温度以上となったときに前記改質ガス遮断弁及び前記アノードオフガス遮断弁を閉から開に切り換えるように構成された；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムの停止時に、前記燃料電池の前記改質ガスを導入する部分に前記燃料電池の劣化を低減する劣化低減ガスを封入するガス封入手段を備える；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
   
   

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