JP5128072B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、起動停止による劣化の抑制、及び耐久性の向上を図った燃料電池発電システムに関するものである。
一般に、家庭用の燃料電池発電システムは、昼間に運転を行い、深夜は運転を停止するＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ Ｓｔａｒｔ ＆ Ｓｔｏｐ）運転とすることにより、光熱費削減効果及びＣＯ２削減効果を向上させることができるため、起動及び停止を含む運転パターンに柔軟に対応できる構成とすることが望ましい。
従来、このような燃料電池発電システムにおいては、起動または停止の際に、配管系や燃料電池本体内部の残留ガスを不活性ガスでパージする操作を行う構成とされていた。このような操作を行う理由としては、主として以下に説明する２つの問題が挙げられる。
第一の理由として、安全上の問題が挙げられる。即ち、水素が残留した配管系や燃料電池本体内部の空間に外部から空気が侵入した場合、燃焼や爆発が起こる虞があるためである。
第二の理由としては、燃料電池の劣化防止が挙げられる。燃料電池が、内部に水素及び空気が残留した状態で無負荷状態に置かれると、燃料極と空気極の間には開回路電圧に近い電位差が生じる。この際、空気極は高電位となるため、空気極側の触媒やガス拡散層等の電池構成部品の腐食が進行してしまう。
上述のような理由により、従来の燃料電池発電システムにおいては、残留ガスを不活性ガスでパージすることが行われていた。
しかしながら、この方法では不活性ガスを貯蔵しておくための高圧ガスボンベやその付帯設備を必要とするため、発電装置全体の容積の増加が避けられない。また、不活性ガスの充填や高圧ボンベの交換を定期的に実施する必要があるため、コストがかかるとともに、取扱いに慣れた人員の配置が必要となる。このため、近年注目されている車載用燃料電池等、移動体または可搬体用としての利用や、家庭用小型燃料電池等での利用には適さない。
このため、不活性ガスのパージを必要としない燃料電池発電システムの開発が進められているが、近年、不活性ガスのパージを実施しない場合に、燃料電池に深刻な劣化現象が発生することが報告されている。
不活性ガスのパージを実施しない燃料電池発電システムにおいては、起動操作及び停止操作中に、短時間ではあるものの、アノード電極上にＨ２／空気の二分領域が存在するのと同時に、カソード電極上に空気領域が存在するという時間帯が生じる。このような現象について、図１６を用いて以下に説明する。
燃料電池発電システムの停止操作においては、外部負荷が遮断された直後に、カソード空気及びアノード燃料（水素リッチガス）の供給が停止され、燃料電池本体は降温操作に移行する。停止操作直後の燃料電池本体内のガス状態は、図１６（ａ）に示すように、カソード側ガス流路１２１中には残留空気が充満し、アノード側ガス流路１３１中には残留燃料ガス（水素リッチガス）が充満している。そして、時間経過とともに、アノード側ガス流路１３１及びカソード側ガス流路１２１に存在する残留水素と残留酸素の一部は、電解質１０１中を拡散して、触媒１０４、１０５上で直接反応して水を生成する。このようなアノード３上における水素の消費は、アノード側ガス流路１３１内の減圧現象を進行させる。一方、燃料電池本体の停止直後からの降温操作も、燃料電池本体内の残留ガスの体積減少に伴って働くので、上述と同様にアノード側ガス流路１３１の減圧現象を加速する。一般に、常圧型燃料電池発電システムにおける燃料電池本体の出口ラインは開放となっているので、上述のようなアノード側ガス流路１３１内の減圧現象が生じると、アノード側ガス流路１３１の出口１３１ｂから外部空気を引き込んでしまい、図１６（ｂ）に示すように、アノード１０３上で、水素／空気の二分領域を形成する。このような、アノード１０３上に形成される水素／空気の二分領域は、時間経過に伴って水素の消費が続くため、水素／空気境界線が、アノード側ガス流路１３１の出口１３１ｂから入口１３１ａに向かって徐々に移動する。そして、一定時間経過後、図１６（ｃ）に示すように、アノード側ガス流路１３１内の全体が空気で満たされる。
また、燃料電池発電システムの起動操作においては、該燃料電池発電システムが長時間停止した後の起動操作である場合、起動時の燃料電池本体内のガス状態は、図１６（ｃ）に示すように、カソード側ガス流路１２１及びアノード側ガス流路１３１が空気で満たされている。そして、上述のようなガス状態を保持したまま、燃料電池本体の昇温操作が完了し、発電運転移行前に、アノード側ガス流路１３１には燃料ガス（水素リッチガス）が、カソード側ガス流路１２１には空気が導入される。これにより、アノード側ガス流路１３１への燃料ガス（水素リッチガス）導入直後の短時間ではあるが、図１６（ｄ）に示すように、アノード１０３上において水素／空気の二分領域が形成される。
以下に、アノード１０３上に水素／空気二分領域が存在し、且つ、カソード１０２上に空気領域が存在した場合に、燃料電池本体内で発生する電池劣化現象について、図１７及び図１８を用いて説明する。
アノード１０３上に水素と空気の両方が存在すると、その水素存在領域（図１７中の符号１３３）と、空気存在領域（図１７中の符号１３２）との間で、電池として短絡することになり、以下（１）式及び（２）式に示すような反応が進行する。
［１］水素存在領域１３３における反応： Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
［２］空気存在領域１３２における反応： Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ→２Ｈ２Ｏ ・・・（２）
上記（１）式及び（２）式に示すような反応が進行すると、図１７におけるＨ＋で表示された矢印の方向に、電解質１０１内でプロトン（Ｈ＋）の小さな面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）流れと、電解質１０１を横断するプロトンの、より大きな面通過（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｐｌａｎｅ）流れが生じるとともに、ｅ−の矢印で示すように、カソード１０２及びアノード１０３の各電極で電子（ｅ-）の面内流れが生じる。アノード１０３側では、電子が水素存在領域１３３から空気存在領域間１３２へと移動し、カソード１０２側では、電子が前記アノード１０３における電子と反対の方向へ移動する。この場合、水素存在領域１３３から空気存在領域１３２への電子の流れによって、アノード１０３上面の電位が若干変化（オーム損分）する。一方、電解質１は、相対的に弱い面内プロトン伝導体であり、プロトンの流れによって、水素存在領域１３３と空気存在領域１３２との間で電解質電位が大幅に降下する。
上述のような現象について、例えば、特許文献１によれば、前記水素存在領域と空気存在領域との間の電解質電位の低下は、０．９〜１．０ボルトの一般的な電池回路電圧程度と報告されている。このような電位降下により、カソード１０２側の領域１２２（図１７参照）からアノード１０３側の空気存在領域１３２へ向けて、電解質１中を横断するプロトンの流れが生じるが、これは、通常の電池作動条件下において生じる現象とは逆方向である。
これらの関係より、アノード１０３、カソード１０２、及び電解質１０１の平面方向の電位状態は、図１８に示すような関係になり、結果として、カソード１０２の領域１２１ｂ側（図１７参照）の電位（カソード１０２と電解質１０１との電位差）は、局部的な電解質電位の低下に伴って大きく上昇することが推定される。特許文献１によれば、この領域１２１ｂ側のカソード電位（カソード１０２と電解質１０１との電位差）が約１．５から１．８ボルト程度に上昇すると報告されている。この、顕著に上昇したカソード電位によって、特にカソード１０２の領域１２１ｂ側の触媒層１０４中の炭素担持体材料とカソード触媒の急速な腐食が生じ、電池性能が大幅に減衰してしまう。
特許文献１に記載の燃料電池発電システムでは、上述のような問題を解決するため、燃料電池発電システムの起動操作時、長時間停止中に外部から拡散侵入した空気が充満したアノード側ガス流路内に、アノード燃料ガス（水素リッチガス）を一時的に大量に供給することにより、アノード上の水素／空気の二分領域発生時間（アノード燃料ガスが、アノード側ガス流路の入口から出口に到達するまでの時間）を迅速に完了させる起動方法が提案されている。
特表２００４−５２３０６４号公報
しかしながら、特許文献１記載の燃料電池発電システムの起動方法では、不活性ガスによるパージを行わずに、電池寿命の限りに亘って性能要求を満足させるためには、アノード３上における前記水素／空気の二分領域発生時間を約１．０秒間以下にする必要があると報告されている。
また、頻繁な始動及び停止を伴うような長寿命用途の燃料電池システムにおいては、前記水素／空気の二分領域発生時間を０．０５秒間、またはそれを下まわるような量のアノード燃料ガス（水素リッチガス）を、起動時に導入することが必要であると報告されている。
このような方法を実現させるには、起動時に多大のアノード燃料ガス（水素リッチガス）をアノード側ガス流路に供給することが必要となるため、家庭用燃料電池発電システム等の燃料改質処理系を有するシステムにおいては、定格負荷運転に必要なアノード燃料ガス（水素リッチガス）流量以上の処理能力を有する燃料改質処理系が必要となる。例えば、アノード流路設計に依存するが、アノード面上の前記水素／空気の二分領域発生時間を約０．０５秒間とするためには、燃料改質処理系の能力を概略で従来の１０倍以上とすることが必要になる（燃料電池本体の定格負荷：０．２Ａ／ｃｍ２、燃料利用率：８０％として概略計算）。この場合、システム設計上、バランスが成立し難くなるだけでなく、コスト面やコンパクト性等の面においても商品化が困難になるという問題があった。
また、特許文献１に記載の燃料電池発電システムでは、上述の構成により、起動操作時に発生するアノード上の水素／空気の二分領域の発生時間を抑制することができるものの、停止操作時のアノード上への水素／空気の二分領域発生に伴う同様の問題を解決できる構成では無かった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、装置が大型化すること無く、起動及び停止時、アノード側の電極上への水素／空気の二分領域の発生を防止し、燃料電池本体の劣化の抑制、及び耐久性の向上を図った燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池発電システムは、電解質と、該電解質を挟むアノード及びカソードを構成する一対の電極と、前記アノード側に水素を含む燃料ガスを供給させるとともに、前記カソード側に酸素を含有する酸化剤ガスを供給させるガス流路が設けられた一対のセパレータとを具備した燃料電池本体を有する燃料電池発電システムにおいて、
少なくとも燃料電池発電システム内に供給されるガスの内、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガス以外の非反応性ガスを、前記アノード側のガス流路に供給するガス供給手段が備えられ、燃料電池発電システムの起動の際に、前記ガス供給手段によって、前記アノード側のガス流路に所定量の前記非反応性ガスが供給され、該非反応性ガスに次いで前記燃料ガスが供給されることを特徴とする。
上記構成によれば、燃料電池発電システムの起動操作の際、ガス供給手段による非反応性ガスの供給に次いで燃料ガスが供給されるため、前記アノード側のガス流路内において、該ガス流路に供給される燃料ガスと、外部から侵入した空気との間が、電気化学反応に関与しない非反応性ガスによって遮断された状態となる。このため、アノード上において、燃料ガスに含有される水素と空気（酸素）の二分領域が生じることが無く、カソード電位が著しく上昇するのを防止することができる。
次に、本発明の燃料電池発電システムは、電解質と、該電解質を挟むアノード及びカソードを構成する一対の電極と、前記アノード側に水素を含む燃料ガスを供給させるとともに、前記カソード側に酸素を含有する酸化剤ガスを供給させるガス流路が設けられた一対のセパレータとを具備した燃料電池本体を有する燃料電池発電システムにおいて、少なくとも燃料電池発電システム内に供給されるガスの内、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガス以外の非反応性ガスを、前記アノード側のガス流路に供給するガス供給手段が備えられ、燃料電池発電システムの停止の際に、前記ガス供給手段によって、前記アノード側のガス流路に、前記燃料ガスに次いで前記非反応性ガスが供給されることを特徴とする。
上記構成によれば、燃料電池発電システムの停止操作の際、供給が停止される燃料ガスに次いで、前記ガス供給手段によって非反応性ガスが供給されるため、前記アノード側のガス流路内において、該ガス流路内に残留する燃料ガスが、電気化学反応に関与しない非反応性ガスによってガス流路外部へ押し出される。このため、アノード上において、燃料電池発電システムの停止中に外部からする空気と、燃料電池発電システム内に残留した燃料ガスとの間が遮断された状態となり、空気（酸素）と水素の二分領域が生じることが無く、カソード電位が著しく上昇するのを防止することができる。
また、本発明の燃料電池発電システムは、前記アノード側のガス流路に供給される前記非反応性ガスの量が、少なくとも前記アノード側のガス流路の容積相当未満であり、且つ、前記アノード側のガス流路内に滞留する残留ガスと、前記非反応性ガスに次いで供給される前記燃料ガスとを遮断できる量であることが好ましい。
また、本発明の燃料電池発電システムは、前記アノード側のガス流路に供給される前記非反応性ガスの量が、少なくとも前記アノード側のガス流路の容積相当以上であることが好ましい。
上記構成によれば、燃料電池発電システムの起動又は停止操作の際、アノード側のガス流路において、該ガス流路に外部から侵入する空気等からなる残留ガスと燃料ガスとを、必要な量の非反応性ガスを用いて確実に遮断することができる。
また、本発明の燃料電池発電システムは、原料ガスを浄化するガス清浄部と、該ガス清浄部で浄化された原料ガスを用いて前記燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する燃料改質処理系と、該燃料改質処理系に水蒸気を供給する水蒸気供給系とを備え、前記アノード側のガス流路に供給される前記非反応性ガスが、前記ガス清浄部で浄化された原料ガスである構成としても良い。
また、本発明の燃料電池発電システムは、原料ガスを浄化するガス清浄部と、該ガス清浄部で浄化された原料ガスを用いて前記燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する燃料改質処理系と、該燃料改質処理系に水蒸気を供給する水蒸気供給系とを備え、前記アノード側のガス流路に供給される前記非反応性ガスが、前記水蒸気供給系で生成された水蒸気である構成としても良い。
また、本発明の燃料電池発電システムは、原料ガスを浄化するガス清浄部と、該ガス清浄部で浄化された原料ガスを用いて前記燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する燃料改質処理系と、該燃料改質処理系に水蒸気を供給する水蒸気供給系とを備え、前記アノード側のガス流路に供給される前記非反応性ガスが、前記燃料改質処理系から排気される燃焼排ガスである構成としても良い。
上記構成によれば、前記アノード側のガス流路に供給される前記非反応性ガスとして、燃料電池発電システム内に備えられた各構成から供給されるガスが用いられ、外部から侵入する空気と燃料ガスとの間が遮断された状態となり、アノード上に空気（酸素）と水素の二分領域が生じることが無く、カソード側電位が著しく上昇するのを防止することができる。
また、本発明の燃料電池発電システムは、前記アノード側のガス流路の出口側が前記燃料改質処理系に備えられた燃焼部のバーナーに接続されているとともに、前記アノード側のガス流路の入口側に吸気装置が接続されており、該吸気装置は、燃料電池発電システムが停止されて前記燃料電池本体への燃料ガスの供給が遮断された際に吸気稼動を行い、前記アノード側のガス流路に残留した燃料ガスを外部に排気するとともに、前記燃焼部に残留した燃焼排ガスを前記バーナーから吸引して前記アノード側のガス流路に導入するものであることを特徴とする。
上記構成によれば、燃料電池発電システムの停止操作の際、燃料ガスの供給が遮断されるのに次いで、アノード側のガス流路から燃焼部にかけて残留した燃料ガスが逆流状態とされて外部に排気されるとともに、燃焼部内に残留した燃焼排ガスがアノード側のガス流路に導入される。これにより、燃料電池発電システムの停止中に、外部からアノード側のガス流路に侵入してくる空気と、燃料電池発電システム内に残留した燃料ガスとを遮断することができ、アノード上で水素と空気の二分領域が生じることが無く、カソード側電位が著しく上昇するのを防止することができる。
次に、本発明の燃料電池発電システムは、電解質と、該電解質を挟むアノード及びカソードを構成する一対の電極と、前記アノード側に水素を含む燃料ガスを供給させるとともに、前記カソード側に酸素を含有する酸化剤ガスを供給させるガス流路が設けられた一対のセパレータとを具備した燃料電池本体を有する燃料電池発電システムにおいて、前記カソード側のガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系が備えられているとともに、該酸化剤ガス供給系が前記アノード側のガス流路に接続されており、燃料電池発電システムが停止された際、前記酸化剤ガス供給系から前記アノード側のガス流路に酸化剤ガスが供給されることにより、アノード側のガス流路に残留した燃料ガスがパージされることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池発電システムは、前記アノード側のガス流路の容積、水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）の拡散速度、前記燃料電池本体内の降温に伴う前記アノード側のガス流路の減少容積の各数値を用いて、前記燃料電池本体への燃料ガスの供給が遮断されてから外部の空気が前記アノード側のガス流路に侵入するまでの所要見込み時間を算出するガス流路演算制御手段を備え、該ガス流路演算制御手段は、前記燃料電池本体への燃料ガスの供給が遮断されてから前記所要見込み時間が経過するまでの間に、前記アノード側のガス流路に残留した燃料ガスをパージするものである構成としても良い。
上記構成によれば、燃料電池発電システムの停止操作において、アノード側のガス流路内に残留する燃料ガスが、酸化剤ガス（空気）によって強制的に外部に押し出される。これにより、アノード上で、残留水素と外部からの侵入空気とによる水素と空気の二分領域の発生時間を極めて短時間に抑えることができ、カソード側電位が著しく上昇するのを防止することができる。
本発明によれば、上述の構成により、装置を大型化させること無く、起動及び停止時におけるアノード側電極上での水素／空気の二分領域の発生を防止することができるため、燃料電池本体の劣化を抑制するとともに、耐久性を大きく向上させた燃料電池発電システムを得ることができる。
以下に、本発明の燃料電池発電システムの実施形態について、図１〜１６を適宜参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
「燃料電池発電システム」
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池発電システム２０の基本構成を示す概略図である。
この燃料電池発電システム２０は、外部より原料ガスの供給を受けて該原料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器３０と、該改質器３０で改質された改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスを生成するシフト反応器３３及びＣＯ選択酸化部３４とを有する燃料改質処理系Ａと、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池本体１０と、該燃料電池本体１０の冷却水と貯湯槽４４の低温水との熱交換を行なう熱交換器４２と、燃料電池本体１０からの直流電力の電圧及び電流を調整して所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、該ＤＣ／ＤＣコンバータ５２で変換された直流電力を、商用電源（系統）と同位相の交流電力に変換して商用電源（系統）に電力を供給するインバータ５４とから概略構成されている。
改質器３０は、原料ガスラインから昇圧ポンプ２６、硫黄分を除く脱硫器２７（ガス清浄部）及び調節弁２８を介して供給される原料ガスと、純水タンク３６及び蒸発器３７とを有する水蒸気供給系Ｂから調節弁３８によって流量が調整されて供給される水蒸気とによる次式（３）及び（４）に示す水蒸気改質反応（改質器３２）及びシフト反応（シフト反応器３３）により、水素リッチな改質ガスを生成する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ・・・（３）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ ・・・（４）
改質器３０には、このような反応に必要な熱を供給するための燃焼部３２が設けられており、該燃焼部３２には燃料電池本体１０のアノード３側の排出ガスが供給され、アノードオフガス中の未反応の水素を燃料として燃焼させることができるようになっている。
ＣＯ選択酸化部３４は、図示しない配管による空気の供給を受け、水素存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒（例えば、白金とルテニウムの合金による触媒）により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い（例えば、数ｐｐｍ程度）水素リッチな燃料ガスとする。
なお、本発明の燃料電池発電システムでは、上述した燃料を供給する燃料改質処理系Ａや、水蒸気供給系Ｂ等の、燃料電池本体１０に各種ガスを供給するための各構成をガス供給手段Ｃとして機能させることも可能である。例えば、燃料電池本体１０に供給する非反応性ガスとして原料ガスを用いる場合には、後述する方法により燃料改質処理系Ａをガス供給手段として機能させることができ、また、非反応性ガスとして水蒸気を用いる場合には、水蒸気供給系Ｂをガス供給手段として機能させることができる。
また、ガス供給手段としては、前記燃料改質処理系Ａや水蒸気供給系Ｂ等を用いる構成には限定されず、例えば、図４に示すような脱硫器２８出口側と燃料電池本体１０とを接続する配管を設けた構成とする等、適宜選択して採用することができる。
本発明の燃料電池発電システムで用いられる非反応性ガスは、燃料電池発電システム内に存在する酸素及び水素を含有しない非反応性ガスであり、例えば、原料ガス、水蒸気、燃焼排ガス等であるが、その他、酸素を含まない非反応性のガスであれば、適宜選択して採用することができる。
「燃料電池本体」
燃料電池本体１０は、図２の模式図に示すような燃料電池の単セル１が積層されて構成されるものであり、カソード電極（以下、カソードと記載する場合がある）２と、アノード電極（以下、アノードと記載する場合がある）３と、カソード２及びアノード３の間に挟持された電解質膜（以下、電解質と記載する場合がある）４と、カソード２の外側に配置された酸化剤ガス流路（カソード側ガス流路）５ａを有する酸化剤配流板（セパレータ）５と、アノード３の外側に配された燃料流路（アノード側ガス流路）６ａを有する燃料配流板（セパレータ）６とを有してなる単セル１が複数積層され、固体高分子型の燃料電池として構成されている。
アノード３及びカソード２は、それぞれ多孔質性の触媒層２ａ、３ａと、各触媒層２ａ、３ａを保持する多孔質カーボンシート（カーボン多孔質体）２ｂ、３ｂとから概略構成されている。触媒層２ａ、３ａには、電極触媒（触媒）と、この電極触媒を固化成形するための疎水性結着剤と、導電材とが含まれている。
触媒としては、水素の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であれば、特に限定されないが、例えば、鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ロジウムか、またはこれらの合金を挙げることができる。このような金属または合金を活性炭に担持させることによって電極触媒を構成することができる。
また、疎水性結着剤には、例えば、フッ素樹脂を用いることができる。フッ素樹脂の中でも融点が４００℃以下のものが好ましく、このようなフッ素樹脂として、ポリ四フッ化エチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体、パーフルオロエチレン等といった疎水性及び耐熱性に優れた樹脂を用いることができる。疎水性結着剤を添加することにより、発電反応に伴って生成した水によって触媒層２ａ、３ａが過剰に濡れるのを防止することができ、アノード３及びカソード２内部における燃料ガス及び酸素の拡散阻害を防止することができる。
更に、導電剤としては、電気伝導性物質であればどのようなものでも良く、各種金属や炭素材料等が挙げられる。例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭及び黒鉛等が挙げられ、これらは単独あるいは混合して使用される。
また、触媒層２ａ、３ａには、疎水性結着剤に代えて、または疎水性結着剤とともに電解質を含有させても良い。これにより、アノード３及びカソード２におけるプロトン伝導度を向上することができ、アノード３及びカソード２の内部抵抗を低減することができる。
セパレータ５、６は、導電性を有する金属等から構成されており、カソード２及びアノード３にそれぞれ接合することで、集電体として機能するとともに、カソード２及びアノード３に対して、酸素及び燃料ガスを供給する。すなわち、アノード３には、セパレータ６のアノード側ガス流路６ａを介して水素を主成分とする燃料ガスが供給され、また、カソード２には、セパレータ５のカソード側ガス流路５ａを介して酸化剤としての酸素が供給される。なお、燃料として供給される水素は、炭化水素もしくはアルコールの改質によって発生された水素が供給されるものであっても良く、また、酸化剤として供給される酸素は、空気に含まれる状態で供給されるものであっても良い。
上述のような燃料電池の単セル１においては、アノード３側で水素が酸化されてプロトンが生じ、このプロトンが電解質４を伝導してカソード２に到達し、カソード２においてプロトンと酸素が電気化学的に反応して水を生成するとともに、電気エネルギーを発生させる。
燃料電池本体１０は、ＣＯ選択酸化部３４から送り込まれる燃料ガス中の水素と、空気ブロア４１（酸化剤ガス供給系）から送り込まれる空気中の酸素との電気化学反応によって発電する。また、燃料電池本体１０内部に、純粋タンク３６からポンプ４３によって供給される冷却水を循環させるための流路が形成されており、燃料電池本体１０は、冷却水の循環によって適温（例えば、８０〜９０℃程度）に保持される。また、この冷却水の循環流路中には熱交換器４２が設けられており、貯湯槽４４からポンプ４６により供給される低温水が、燃料電池本体１０の冷却水と熱交換することにより加温されて貯湯槽４４に貯湯されるようになっている。
なお、燃料電池本体１０の出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、及びＤＣ／ＡＣインバータ５４を介して系統に接続されており、燃料電池本体１０で発電された直流電力が、前記系統と同位相の交流電力に変換され、前記系統に供給されるようになっている。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力側から分岐した電力ラインには、燃料電池発電システム２０で停止操作が実行された際に発電される余剰電極を消費するための補機動力５６、及び、調節弁２８、３８のアクチュエータや昇圧ポンプ２６、２８、空気ブロア４１、ポンプ４６等の補機に直流電力を供給する直流電源として機能するバッテリー５７が接続されている。
「起動操作方法」
以下に、上述のように構成された燃料電池発電システム２０で実行される起動操作の一例について、図１、２及び図６を参照しながら説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態の燃料電池発電システムで実行される起動操作を示すフローチャートである。
まず、燃料電池発電システム２０の起動指令が実行されると、空気ブロワー４１が稼動し、燃焼部３２へ空気を供給する。その後、原料ガスラインの昇圧ポンプ２６が稼動し、脱硫器２７を通過した原料ガスが配管を介して燃焼部３２に供給される。次に、燃焼部３２に配置されたバーナー３２ａを点火させることにより、供給された空気と燃焼ガスが燃焼し、改質器３０及び隣接するシフト反応器３３とＣＯ選択酸化器３４の昇温を行う。また図示を省略するが、燃焼部３２の熱を用いて純水タンク中の水の昇温も並行して実施されるので、燃料電池本体１０も昇温される。
次いで、改質器３０、シフト反応器３３、ＣＯ選択酸化器３４、及び燃料電池本体１０の昇温過程において夫々の機器が所定温度に到達した後、燃料ガス導入操作に移行する。この際、脱硫器２７の下流に配置した調節弁２８を開くことで、原料ガスを改質器３０に供給する。ここで、原料ガスは、改質器３０で改質反応することなく、改質器３０及びＣＯ選択酸化部３４を通過し、燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに非反応性ガスの状態で供給され、燃料電池発電システム２０の停止中にアノード側ガス流路６ａに外部から侵入した空気を押し出す。
そして、アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当未満の量であり、且つ、外部から侵入した空気と燃料ガスとを遮断できる量の原料ガスが供給された後、調節弁３８が開かれ、改質器３０に水蒸気が供給される。
この際、アノード側ガス流路６ａに供給される原料ガスの量は、アノード側ガス流路６ａの全容積の８０〜１００％程度の量とすることが好ましい。
原料ガスの供給量が、アノード側ガス流路６ａの全容積に対して８０％未満だと、短時間ではあるが、カソード２の局部（アノード側ガス流路６ａの出口側）の電位を１．２Ｖ程度まで上昇させる虞がある。
原料ガスの供給量が、アノード側ガス流路６ａの全容積に対して１００％を超えると、アノード側ガス流路６ａに外部から侵入した空気と燃料ガスを遮断するのに必要とする量以上となり、経済的に無駄となる。
この結果、改質器３０、シフト反応器３３及びＣＯ選択酸化器３４の各機器においては、（３）式に示す水蒸気改質反応、（４）式に示すシフト反応、及び選択酸化反応が起きるので、燃料電池本体１０のアノード３に水素リッチな燃料ガスが供給される。その後、調節弁４８を開いて、空気を燃料電池本体４０のカソード２へ供給することにより、燃料電池本体１０は発電運転スタンバイ状態に移行し、系統への負荷投入が実行される。
この際、図３（ａ）に示すように、アノード側ガス流路６ａ内においては、燃料ガスと外部から侵入した空気との間に、少なくとも酸素及び水素を含まない非反応性の原料ガスが存在する状態となり、燃料ガスに含有される水素と空気の二分領域が発生しない。このため、カソード電位が著しく上昇することが無く、カソード２の触媒層２ａに腐食が生じるのを防止でき、燃料電池本体１０の耐久性を大きく向上させることができる。
ここで、燃料ガスと外部から侵入した空気との間は、少なくとも非反応性ガスで遮断された状態であれば良いため、アノード側ガス流路６ａに非反応性ガスとして供給する原料ガスの量は、燃料ガスと外部から侵入した空気とを遮断できる量であれば、少量でも構わない。
以上、説明した本実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料電池発電システム２０の起動操作において、改質器３０に導入する原料ガスの供給の開始を、水蒸気の供給よりも所定時間だけ早めることで、アノード側ガス流路６ａに侵入滞留した空気と、燃料改質処理系から供給される水素リッチな燃料ガスとの間に、電気化学反応に関与しない原料ガスを介在させることができる。これにより、アノード３上で水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる。
なお、本例では、既存の配管構成を用いてガス供給手段とすることにより、起動操作において、アノード３に、水素リッチな燃料ガスが供給される前に原料ガスが供給される燃料電池発電システムを例に説明したが、図４に示す例のように、遮断弁６１を介して、脱硫器２７の下流から燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａ入口に接続する配管構成のガス供給手段としても、同様の作用を得ることができる。
この場合には、起動時の昇温過程において、前記各機器が所定温度に到達し、燃料ガス導入操作に移行した際、遮断弁６１を開いて原料ガスを燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに供給し、燃料電池発電システム２１の停止中にアノード側ガス流路６ａに外部から侵入した空気を押し出す。
そして、アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当未満の量であり、且つ、外部から侵入する空気と燃料ガスとを遮断できる量の原料ガスが供給された後、調節弁２８及び調節弁３８が開かれ、改質器３０に原料ガスと水蒸気が供給される。
この結果、改質器３０、シフト反応器３３及びＣＯ選択酸化器３４の機器においては、（３）式に示す水蒸気改質反応、（４）式に示すシフト反応、及び選択酸化反応が起きるので、燃料電池本体１０のアノード３に水素リッチな燃料ガスがされる。
このような構成とすることにより、既存の配管構成を用いた場合と全く同様に、アノード３上で水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる（図３（ａ）参照）。
［第２の実施形態］
以下、本発明の燃料電池発電システムの第２の実施形態について説明する。本実施形態においては、起動操作以外の燃料電池発電システム及び燃料電池本体の基本構成については第１の実施形態と同様であるので、その詳しい説明を省略する。
「起動操作方法」
以下に、上述のように構成された燃料電池発電システム２０で起動操作が実行される他の例について、図１、２及び図７を参照しながら説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態の燃料電池発電システムで実行される起動操作を示すフローチャートである。
本例では、燃料電池システムの起動指令が実行されてから、改質器３０、シフト反応器３３及びＣＯ選択酸化器３４が昇温する過程は、第１の実施形態（図６参照）と同様である。
次いで、前記各機器が所定温度に到達した後、燃料ガス導入操作に移行する。まず、調節弁３８を開いて改質器３０に水蒸気を供給する。ここで、水蒸気は、改質器３０で改質反応することなく改質器３０、及びＣＯ選択酸化部３４を通過し、燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに供給され、燃料電池システム２０の停止中にアノード側ガス流路６ａに外部から侵入した空気を押し出す。
そして、アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当未満の量であり、且つ、外部から侵入した空気と燃料ガスとを遮断できる量の水蒸気が供給された後、調節弁２８が開かれ、改質器３０に原料ガスが供給される。
この際、アノード側ガス流路６ａに供給される水蒸気の量は、アノード側ガス流路６ａの全容積の８０〜１００％程度の量とすることが好ましい。
水蒸気の供給量が、アノード側ガス流路６ａの全容積に対して８０％未満だと、短時間ではあるが、カソード２の局部（アノード側ガス流路６ａの出口側）の電位を１．２Ｖ程度まで上昇させる虞がある。
水蒸気の供給量が、アノード側ガス流路６ａの全容積に対して１００％を超えると、アノード側ガス流路６ａに外部から侵入した空気と燃料ガスを遮断するのに必要とする量以上となり、経済的に無駄となる。
この結果、改質器３０、シフト反応器３３及びＣＯ選択酸化器３４の各機器においては、（３）式に示す水蒸気改質反応、（４）式に示すシフト反応、及び選択酸化反応が起きるので、燃料電池本体１０のアノード３には、水素リッチな燃料ガスが供給される。その後、調節弁４８を開いて、空気を燃料電池本体１０のカソード２へ供給することにより、燃料電池本体１０は発電運転スタンバイ状態に移行し、系統への負荷投入が実行される。
以上、説明した本実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料電池発電システム２０の起動操作において、改質器３０に導入する水蒸気の供給の開始を、原料ガス供給よりも所定時間だけ早めることで、アノード側ガス流路６ａに侵入滞留した空気と水素リッチな燃料ガスとの間に、少なくとも電気化学反応に関与しない水蒸気を介在させることができる（図３（ａ）参照）。これにより、アノード３上で水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる。
なお、本実施形態の燃料電池発電システムは、水蒸気のみが所定時間、アノード３に供給されることになるので、燃料電池本体１０の運転温度が１００℃以上の燃料電池発電システムに適する。
また、本例では、既存の配管構成を用いたガス供給手段とすることにより、起動操作において、アノード３に、水素リッチな燃料ガスが供給される前に水蒸気が供給される燃料電池発電システムを例に説明したが、図４に示す例のように、遮断弁６２を介して蒸発器３７の下流から燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａ入口に接続する配管構成のガス供給手段としても、同様の作用を得ることができる。
この場合には、起動時の昇温過程において、前記各機器が所定温度に到達し、燃料ガス導入操作に移行した後、遮断弁６２を開いて水蒸気を燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに供給し、燃料電池発電システム２０の停止中にアノード側ガス流路６ａに外部から侵入した空気を押し出す。
そして、アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当未満の量であり、且つ、外部から侵入した空気と燃料ガスとを遮断できる量の水蒸気が供給された後、調節弁２８、３８が開かれ、改質器３０に原料ガス及び水蒸気が供給される。この際の、アノード側ガス流路６ａに供給される水蒸気の好ましい量は、上述と同様であり、省略する。
この結果、改質器３０、シフト反応器３３及びＣＯ選択酸化器３４の各機器においては、（３）式に示す水蒸気改質反応、（４）式に示すシフト反応、及び選択酸化反応が起きるので、燃料電池本体１０のアノード３に水素リッチな燃料ガスが供給される。
このような構成とすることにより、既存の配管構成を用いた場合と全く同様に、アノード３上で水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる（図３（ａ）参照）。
［第３の実施形態］
以下、本発明の燃料電池発電システムの第３の実施形態について説明する。本実施形態においては、起動操作以外の燃料電池発電システム及び燃料電池本体の基本構成については第１の実施形態と同様であるので、その詳しい説明を省略する。
「起動操作方法」
以下に、本発明の燃料電池発電システムで起動操作が実行される他の例について、図２、５及び図８を参照しながら説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態の燃料電池発電システムで実行される起動操作を示すフローチャートである。また、図５は、本実施形態の起動操作を実行する燃料電池発電システム２２の構成を示す概略図である。
図５に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム２２は、燃焼部３２排気側ラインを、蒸発器３７を通過した後に分岐するラインとして配することにより、燃焼部３２の燃焼排ガスが、蒸発器３７で熱交換を行った後、遮断弁６０を介して燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａ入口に供給されるように構成されている。また、蒸発器３７の排気出口側の排ガスラインと、燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａの出口ラインは、夫々、遮断弁６４、６３を介して排気側に接続されている。
本例では、燃料電池発電システム２２の起動指令が実行されてから、改質器３０、シフト反応器３３及びＣＯ選択酸化器３４が昇温する過程は、第１の実施形態（図６）と同様である。
そして、前記各機器が所定温度に到達した後、燃料ガス導入操作に移行する。まず、遮断弁６４を閉めるとともに、遮断弁６０、６３を開くことにより、燃焼部３２の燃焼排ガスを燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに供給し、燃料電池システム１０の停止中にアノード側ガス流路６ａに外部から侵入した空気を押し出す。
アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当未満の量であり、且つ、外部から侵入した空気と燃料ガスとを遮断できる量の燃焼排ガスが供給された後、遮断弁６４が開かれるとともに、遮断弁６０、６３が締められることにより、燃焼排ガスが遮断弁６４側に導かれる。そして、調節弁２８、３８が開かれ、改質器３０に原料ガスが供給される。
この際、アノード側ガス流路６ａに供給される燃焼排ガスの量は、アノード側ガス流路６ａの全容積の８０〜１００％程度の量とすることが好ましい。
燃焼排ガスの供給量が、アノード側ガス流路６ａの全容積に対して８０％未満だと、短時間ではあるが、カソード２の局部（アノード側ガス流路６ａの出口側）の電位を１．２Ｖ程度まで上昇させる虞がある。
燃焼排ガスの供給量が、アノード側ガス流路６ａの全容積に対して１００％を超えると、アノード側ガス流路６ａに外部から侵入した空気と燃料ガスを遮断するのに必要とする量以上となり、経済的に無駄となる。
この結果、改質器３０、シフト反応器３３及びＣＯ選択酸化器３４の各機器においては、（３）式に示す水蒸気改質反応、（４）式に示すシフト反応、及び選択酸化反応が起きるので、燃料電池本体１０のアノード３（アノード側ガス流路６ａ）に水素リッチな燃料ガスが供給される。その後、調節弁４８を開くことにより、空気を燃料電池本体１０のカソード２（カソード側ガス流路５ａ）に供給することで、燃料電池本体１０は発電運転スタンバイ状態に移行し、系統への負荷投入が実行される。
以上、説明した本実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料電池発電システム２２の起動操作において、アノード側ガス流路６ａに水素リッチな燃料ガスが供給される前に、燃焼部３２の燃焼排ガスを一時的にアノード側ガス流路６ａに導入し、アノード側ガス流路６ａに侵入滞留した空気と水素リッチな燃料ガスとの間に、電気化学反応に関与しない燃焼排ガスを介在させることにより、アノード３上で水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる（図３（ａ）参照）。
［第４の実施形態］
以下、本発明の燃料電池発電システムの第４の実施形態について説明する。本実施形態においては、停止操作以外の燃料電池発電システム及び燃料電池本体の基本構成については第１の実施形態と同様であるので、その詳しい説明を省略する。
「停止操作方法」
以下に、上述した構成の燃料電池発電システムで停止操作が実行される一例について、図１、２及び図１１を参照しながら説明する。
図１１は、本発明の第４の実施形態の燃料電池発電システム２０で実行される停止操作を示すフローチャートである。
まず、燃料電池システム２０の停止指令が実行されると、遮断器６５が開状態とされ、系統と燃料電池システム２０とが遮断される。次に、遮断弁４８を閉じて、燃料電池本体１０のカソード側ガス流路５ａへの空気供給を停止する。この際、燃料電池本体１０のカソード側ガス流路５ａには空気が残留しているため発電可能状態にあるが、電池電圧が上限値を超えないように、図示略の制御系により燃料電池本体１０の負荷の制御を行う。この際に取り出された電力は、補機動力５６で消費されるか、若しくはバッテリー５７に充電される。カソード側流路５ａ内に残留していた空気が消費されると、燃料電池本体１０の出力電圧が低下するが、該出力電圧が下限値に到達した際、前記制御系は燃料電池本体１０の負荷を遮断し、次いで遮断弁３８を閉じることにより、改質器３０への水蒸気供給を停止する。一方、原料ガスは、改質器３０に供給される状態が保持されているので、改質反応することなく、改質器３０及びＣＯ選択酸化部３４を通過して、燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに供給され、該アノード側ガス流路６ａに残留する水素リッチな燃料ガスを押し出す。
そして、アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当以上の量の原料ガスが供給された後、調節弁２８が閉じられ、原料ガスのアノード側ガス流路６ａへの供給が停止される。
そして、遮断弁６６を閉じて燃焼部３２への燃焼空気の供給を停止し、燃焼部３２内のバーナー３２ａの燃焼を失火させ、最終的に燃料電池発電システムの停止に移行する。
ここで、図３（ｂ）に示すように、燃料電池発電システムが停止してから一定時間経過後に、アノード側ガス流路６ａ内に外部から空気が侵入した際は、流路内において侵入空気と原料ガスとが接した状態となる。これにより、燃料ガスと外部から侵入した空気との間には、少なくとも酸素を含まない非反応性の原料ガスが存在する状態となり、燃料ガスに含有される水素と空気の二分領域が発生しない。このため、カソード電位が著しく上昇することが無く、カソード２の触媒層２ａに腐食が生じるのを防止でき、燃料電池本体１０の耐久性を大きく向上させることができる。
以上、説明した本実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料電池システム２０の停止操作において、改質器３０への原料ガスの供給を停止するのを、水蒸気供給停止よりも所定時間だけ遅らせることにより、電気化学反応に関与しない原料ガスを用いてアノード側ガス流路６ａに残留する水素リッチの燃料ガスを外部へ押し出すことが可能となる。これにより、長期停止中に外部からアノード側ガス流路６ａ内へ侵入してくる空気とアノード側ガス流路６ａ内に残留している水素リッチな燃料ガスとで、アノード３上において水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる（図３（ｂ）参照）。
なお、本例では、既存の配管構成を用いたガス供給手段とすることにより、停止操作において、原料ガスの供給によってアノード側ガス流路６ａ内の水素リッチな燃料ガスを外部に追い出し、前記原料ガスを滞留させる燃料電池発電システムを例に説明したが、図４に示す例のように、アノード側ガス流路６ａ入口の上流に遮断弁６３を配し、且つ、遮断弁６１を介して脱硫器２７下流から燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａ入口に接続する配管構成のガス供給手段としても、同様の作用を得ることができる。
この場合には、停止操作において、カソード側ガス流路５ａへの空気供給が停止されて燃料電池本体１０の出力電圧が低下し、該出力電圧が下限値に到達した際、図示略の制御系が燃料電池本体１０の負荷を遮断し、次いで調節弁２８と調節弁３８を閉じることにより、改質器３０への原料ガスと水蒸気の供給を停止する。また、これと同時に遮断弁６３を閉じ、且つ遮断弁６１を開くことにより、原料ガスを燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに供給し、該アノード側ガス流路６ａに残留する水素リッチな燃料ガスを外部へ押し出す。
そして、アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当以上の量の原料ガスが供給された後、遮断弁６１が閉じられ、原料ガスのアノード側ガス流路６ａへの供給が停止される。そして、遮断弁６６を閉じて燃焼部３２への燃焼空気の供給を停止し、燃焼部３２内のバーナー３２ａの燃焼を失火させ、最終的に燃料電池発電システムの停止に移行する。
このような構成とすることにより、既存の配管構成を用いた場合と全く同様に、アノード３上で水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる。
［第５の実施形態］
以下、本発明の燃料電池発電システムの第５の実施形態について説明する。本実施形態においては、停止操作以外の燃料電池発電システム及び燃料電池本体の基本構成については第１の実施形態と同様であるので、その詳しい説明を省略する。
「停止操作方法」
以下に、燃料電池発電システムで停止操作が実行される他の例について、図１、２及び図１２を参照しながら説明する。
図１２は、本発明の第５の実施形態の燃料電池発電システムで実行される停止操作を示すフローチャートである。
まず、燃料電池発電システム２０の停止指令が実行されて、カソード側ガス流路５ａへの空気供給が停止され、燃料電池本体１０の出力電圧が低下し、該出力電圧が下限値に到達した際に、図示略の制御系が燃料電池本体１０の負荷を遮断する過程は、第４の実施形態（図１１参照）と同様である。
次いで、遮断弁２８を閉じることにより、改質器３０への原料ガスの供給が停止される。一方、水蒸気は、改質器３０に供給される状態が保持されているので、改質反応することなく、改質器３０及びＣＯ選択酸化部３４を通過して燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに供給され、該アノード側ガス流路６ａ内に残留する水素リッチな燃料ガスを外部へ押し出す。この際、アノード側ガス流路６ａ出口から燃焼部３２への水素リッチな燃料ガスの供給が途切れると、燃焼部３２内のバーナー３２ａは失火に移行する。そして、アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当以上の量の水蒸気が供給された後、調節弁３８が閉じられ、水蒸気のアノード側ガス流路６ａへの供給が停止される。その後、遮断弁６６を閉じて燃焼部３２への燃焼空気の供給を停止し、燃焼部３２内のバーナー３２ａの燃焼を失火させ、最終的に燃料電池発電システムの停止に移行する。
なお、前記調節弁２８及び調節弁３８を閉じたタイミングで、燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａへの水素リッチな燃料ガスの供給が停止されるため、燃焼部３２内のバーナー３２ａへの燃料ガスの供給も遮断され、失火状態となる。燃焼部３２の停止により、蒸発器３７における、アノード側ガス流路６ａの容積相当の水蒸気生成が困難な場合には、燃料電池発電システム起動時の改質器３０の昇温操作時と同様に、図示しない配管を介して原料ガスを燃焼部３２に供給し、燃焼部３２（バーナー３２ａ）の燃焼を継続することで、アノードへの水蒸気供給を継続することが可能になる。
以上、説明した本実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料電池発電システム２０の停止操作において、改質器３０への水蒸気供給を停止するのを、原料ガスの供給停止よりも所定時間だけ遅らせることにより、電気化学反応に関与しない水蒸気ガスを用いてアノード側ガス流路６ａに残留する水素リッチな燃料ガスを外部へ押し出すことができる。これにより、長期停止中に外部からアノード側ガス流路６ａへ侵入する空気とアノード側ガス流路６ａに残留した水素とで、アノード３上で水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる（図３（ｂ）参照）。
なお、本実施形態の燃料電池発電システムは、水蒸気のみが所定時間、アノード３側に供給されることになるので、燃料電池本体１０の運転温度が１００℃以上の燃料電池発電システムに適する。
また、本例では、既存の配管構成を用いたガス供給手段とすることにより、停止操作において、水蒸気ガスの供給によってアノード側ガス流路６ａ内の水素リッチな燃料ガスを外部に追い出す構成の燃料電池発電システムを例に説明したが、図４に示す例のように、アノード側ガス流路６ａ入口の上流に遮断弁６２を配し、蒸発器３７の水蒸気流路下流側から燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａ入口に接続する配管構成のガス供給手段としても、同様の作用を得ることができる。
この場合には、停止操作において、カソード側ガス流路５ａへの空気供給が停止されて燃料電池本体１０の出力電圧が低下し、該出力電圧が下限値に到達した際、図示略の制御系が燃料電池本体１０の負荷を遮断し、次いで調節弁２８及び調節弁３８を閉じることにより、改質器３０への原料ガス及び水蒸気の供給を停止する。また、これと同時に遮断弁６２を開くことにより、水蒸気を燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに供給し、該アノード側ガス流路６ａ内に残留する水素リッチな燃料ガスを押し出す。そして、アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当以上の量の水蒸気が供給された後、遮断弁６２が閉じられ、水蒸気のアノード側ガス流路６ａへの供給が停止される。
その後、遮断弁６６を閉じて燃焼部３２への燃焼空気の供給を停止し、燃焼部３２内のバーナー３２ａの燃焼を失火させ、最終的に燃料電池発電システムの停止に移行する。
このような構成とすることにより、既存の配管構成を用いた場合と全く同様に、アノード３上で水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる（図３（ｂ）参照）。
［第６の実施形態］
以下、本発明の燃料電池発電システムの第６の実施形態について説明する。本実施形態においては、停止操作以外の燃料電池発電システム及び燃料電池本体の基本構成については第１の実施形態と同様であるので、その詳しい説明を省略する。
「停止操作方法」
以下に、燃料電池発電システムで停止操作が実行される他の例について図２、５及び図１３を参照しながら説明する。
図１３は、本発明の第６の実施形態の燃料電池発電システムで実行される停止操作を示すフローチャートである。
図５に示す本実施形態の燃料電池発電システム２２の概略構成は、第３の実施例（起動）における説明と同様である。
また、燃料電池発電システムの停止指令が実行されてから、カソード側ガス流路５ａへの空気供給が停止され、燃料電池本体１０の出力電圧が低下し、該出力電圧が下限値に到達した際に、図示略の制御系が燃料電池本体１０の負荷を遮断する過程については、第４の実施形態（図１１参照）と同様である。
次いで、本実施形態では、遮断弁２８及び遮断弁３８を閉じることにより、改質器３０への原料ガス及び水蒸気の供給を停止する。なお、これと同時に、燃料電池発電システム起動時の改質器３０の昇温操作時と同様、原料ガスを、配管を介して燃焼部３２に供給することにより、燃焼部３２の燃焼を継続することができる。
次いで、遮断弁６４を閉め、遮断弁６０、６３を開くことにより、燃焼部３２の排ガスを燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに供給し、アノード側ガス流路６ａ内に残留する水素リッチな燃料ガスを外部へ押し出す。そして、アノード側ガス流路６ａに、該アノード側ガス流路６ａの容積相当以上の量の燃焼排ガスが供給された後、遮断弁６４が開かれ、遮断弁６０、６３が閉じられることにより、燃焼排ガスが遮断弁６４側に導かれる。
その後、遮断弁６６及び燃焼部３２への図示略の原料ガス供給弁を閉じ、燃焼部３２への燃焼空気及び原料ガスの供給を停止することにより、燃焼部３２内のバーナー３２ａの燃焼を失火させ、最終的に燃料電池発電システムの停止に移行する。
以上、説明した本実施形態の燃料電池発電システムによれば、停止操作において、アノード側ガス流路６ａへの水素リッチな燃料ガスの供給を遮断した後に、燃焼部３２の燃焼排ガスを一時的にアノード側ガス流路６ａに導入することにより、電気化学反応に関与しない燃焼排ガスを用いてアノード側ガス流路６ａに残留する水素リッチの燃料ガスを外部へ押し出すことができる。これにより、長期停止中に外部からアノード側ガス流路６ａ内へ侵入してくる空気とアノードに残留した水素とから、アノード３上に水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる（図３（ｂ）参照）。
［第７の実施形態］
以下、本発明の燃料電池発電システムの第７の実施形態について説明する。本実施形態においては、停止操作以外の燃料電池発電システム及び燃料電池本体の基本構成については第１の実施形態と同様であるので、その詳しい説明を省略する。
「停止操作方法」
以下に、燃料電池発電システムで停止操作が実行される他の例について図２、９及び図１４を参照しながら説明する。
図１４は、本発明の、第７の実施形態の燃料電池発電システムで実行される停止操作を示すフローチャートである。また、図９は、本実施形態の停止操作を実行する場合の燃料電池発電システム２３の構成を示す概略図である。
図９に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム２３は、燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａ入口側に、遮断弁６８を介してブロワー６７が接続されている。
まず、燃料電池システムの停止指令が実行されて、カソード側ガス流路５ａへの空気の供給が停止され、燃料電池本体１０の出力電圧が低下し、該出力電圧が下限値に到達した際に、図示略の制御系が燃料電池本体４０の負荷を遮断する過程については、第４の実施形態（図１１参照）と同様である。
次いで、遮断弁２８及び遮断弁３８を閉じることにより、改質器３０への原料ガス及び水蒸気の供給を停止する。また、この動作と同時に、燃焼部３２への燃焼空気供給を停止して燃焼部３２の燃焼を失火させる。次に、アノード側ガス流路６ａ入口に接続された遮断弁６３を閉じ、且つ、遮断弁６８を開き、更にブロワー６７を稼動させる操作を行う。この結果、燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａのガスの流れは、通常の発電時とは逆の方向になり、アノード側ガス流路６ａ内に残留している水素リッチの燃料ガスがブロワー６７を介して排気され、続いて、燃焼部３２よりも下流の燃焼排ガス（つまり、蒸発器３７側の燃焼排ガス）は、燃焼部３２内のバーナー３２ａから吸引され、アノード側ガス流路６ａ内に導かれる。
そして、アノード側ガス流路６ａに、バーナー３２ａから吸引される前記燃焼部３２よりも下流の燃焼排ガスが、アノード側ガス流路６ａの容積相当以上の量で供給された後、ブロワー６７が停止され、遮断弁６８が閉じられることにより、最終的に燃料電池発電システムの停止に移行する。
以上、説明した本実施形態の燃料電池発電システム２３によれば、停止操作において、アノード側への水素リッチな燃料ガスを遮断した後に、アノードラインの残留ガスを逆流させる構成とすることにより、アノード側ガス流路６ａに残留する水素リッチの燃料ガスを外部へ押し出し、連続して、電気化学反応に関与しない燃焼部３２の燃焼排ガスをアノード側ガス流路６ａに導入することができる。これにより、アノード３上において、長期停止中に外部からアノード側ガス流路６ａに侵入してくる空気とアノードに残留した水素（燃料ガス）とで、水素と空気の二分領域が生じるのを防止することが可能となる（図３（ｂ）参照）。
［第８の実施形態］
以下、本発明の燃料電池発電システムの第８の実施形態について説明する。本実施形態においては、停止操作以外の燃料電池発電システム及び燃料電池本体の基本構成については第１の実施形態と同様であるので、その詳しい説明を省略する。
「停止操作方法」
以下に、燃料電池発電システムで停止操作が実行される他の例について図２、１０及び図１５を参照しながら説明する。
図１５は、本発明の第８の実施形態の燃料電池発電システムで実行される停止操作を示すフローチャートである。また、図１０は、本実施形態の停止操作を実行する場合の燃料電池発電システム２４の構成を示す概略図である。
本実施形態の燃料電池発電システム２４は、空気ブロワー４１から供給される空気（酸化剤ガス）が、遮断弁６９を介して燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａに導かれる配管の構成とされている。また、燃料電池発電システム２４は、アノード側ガス流路６ａの容積、水素及び酸素の拡散速度、燃料電池本体１１内の降温に伴うアノード側ガス流路６ａの減少容積の各数値を用いて、燃料電池本体１１への燃料ガスの供給が遮断されてから外部の空気がアノード側ガス流路６ａに侵入するまでの所要見込み時間を算出し、空気ブロワー４１及び遮断弁６９を制御するガス流路演算制御手段７０を備えている。
まず、燃料電池発電システムの停止指令が実行されて、カソード側ガス流路５ａへの空気の供給が停止され、燃料電池本体１０の出力電圧が低下し、該出力電圧が下限値に到達した際に、図示略の制御系が燃料電池本体１０の負荷を遮断する過程については、第４の実施形態（図１１参照）と同様である。
次いで、遮断弁２８及び遮断弁３８を閉じることにより、改質器３０への原料ガス及び水蒸気の供給を停止する。また、この動作と同時に、燃焼部３２への燃焼空気供給を停止し、燃焼部３２内のバーナー３２ａの燃焼を失火させる。その後、燃料電池発電システム２４は降温状態に移行するが、燃料電池本体１０のアノード側ガス流路６ａ内に残留する水素は、電解質１の拡散に伴うカソード残留酸素との直接反応による消費、更には降温に伴う体積収縮等により、アノード側ガス流路６ａ内の減圧現象が進行する。この減圧現象により、外部空気が、アノード出口ラインからアノード側ガス流路６ａ内に引き込まれるので、予め、燃料電池発電システム２４に備えられたガス流路演算制御手段７０が、配管容積、各種ガスの物性値等を用いて、外部空気がアノード側ガス流路６ａ内に侵入するまでの時間を算出し、その算出時間以内に空気ブロワー４１（酸化剤ガス供給系）を稼動し、遮断弁６９を開くように制御する。これにより、アノード側ガス流路６ａ入口側から該アノード側ガス流路６ａ内に、空気ブロワー４１からの空気が供給される。
そして、アノード側ガス流路６ａに、空気ブロワー４１から供給される空気が、アノード側ガス流路６ａの容積相当以上の量で供給された後、空気ブロワー４１が停止され、遮断弁６９が閉じられることにより、最終的に燃料電池発電システムの停止に移行する。
以上、説明した本実施形態の燃料電池発電システム２４によれば、ガス流路演算制御手段７０を備え、燃料電池発電システムの停止操作において、アノード側ガス流路６ａ内に残留する水素を、空気によって強制的に外部へ押し出すことで、従来、アノード３上で生じていた、残留水素と外部からの侵入空気とによる水素と空気の二分領域の発生時間を極めて短時間に抑えることができるので、燃料電池本体１０の腐食劣化を抑制することができる（図３（ｂ）も参照）。また、アノード側ガス流路６ａ内に外部空気が侵入する直前まで、該アノード側ガス流路６ａへの空気供給を待機状態とすることで、燃料電池本体１０の温度がより低下した状態となる。これにより、アノード側ガス流路６ａへの強制的な空気供給中に、アノード３上の水素と空気の二分領域によって生じる虞がある腐食現象を、温度効果の面でも抑制することが可能となる。
本発明の燃料電池発電システムの一例を示す概略図であり、システム構成を説明する図である。 本発明の燃料電池発電システムの燃料電池本体を模式的に示す断面図である。 本発明の燃料電池発電システムの燃料電池本体を模式的に示す図であり、内部のガスの状態を説明する断面図である。 本発明の燃料電池発電システムの他例を示す概略図であり、システム構成を説明する図である。 本発明の燃料電池発電システムの他例を示す概略図であり、システム構成を説明する図である。 本発明の燃料電池発電システムで実行される処理の一例を説明するフローチャートである。 本発明の燃料電池発電システムで実行される処理の他例を説明するフローチャートである。 本発明の燃料電池発電システムで実行される処理の他例を説明するフローチャートである。 本発明の燃料電池発電システムの他例を示す概略図であり、システム構成を説明する図である。 本発明の燃料電池発電システムの他例を示す概略図であり、システム構成を説明する図である。 本発明の燃料電池発電システムで実行される処理の他例を説明するフローチャートである。 本発明の燃料電池発電システムで実行される処理の他例を説明するフローチャートである。 本発明の燃料電池発電システムで実行される処理の他例を説明するフローチャートである。 本発明の燃料電池発電システムで実行される処理の他例を説明するフローチャートである。 本発明の燃料電池発電システムで実行される処理の他例を説明するフローチャートである。 従来の燃料電池発電システムの燃料電池本体を模式的に示す図であり、内部のガスの状態を説明する断面図である。 従来の燃料電池発電システムの燃料電池本体を模式的に示す図であり、内部のガスの状態を説明する断面図である。 従来の燃料電池発電システムを説明する図であり、図１７に示す燃料電池本体の各位置における電位状態を説明するグラフである。
符号の説明
１…単セル（燃料電池）、２…カソード電極（カソード）、３…アノード電極（アノード）、４…電解質膜（電解質）、５…酸化剤配流板（セパレータ）、６…燃料配流板（セパレータ）、５ａ…酸化剤ガス流路（カソード側ガス流路）、６ａ…燃料流路（アノード側ガス流路）、１０…燃料電池本体、２０、２１、２２、２３、２４…燃料電池発電システム、２７…脱硫器（ガス清浄部）、２８、３８、６０、６１、６２、６３、６４、６６、６８、６９…遮断弁、３０…改質器、３２…燃焼部、３２ａ…バーナー、３３…シフト反応器、３４…ＣＯ選択酸化器、３６…純水タンク、３７…蒸発器、４１…空気ブロワー（酸化剤ガス供給系）、７０…ガス流路演算制御手段、Ａ…燃料改質処理系、Ｂ…水蒸気供給系、Ｃ…ガス供給手段

Claims (2)

  1. 電解質と、該電解質を挟むアノード及びカソードを構成する一対の電極と、前記アノード側に水素を含む燃料ガスを供給させるとともに、前記カソード側に酸素を含有する酸化剤ガスを供給させるガス流路が設けられた一対のセパレータとを具備した燃料電池本体を有する燃料電池発電システムにおいて、
    少なくとも燃料電池発電システム内に供給されるガスの内、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガス以外の非反応性ガスを、前記アノード側のガス流路に供給するガス供給手段と、
    原料ガスを浄化するガス清浄部と、
    該ガス清浄部で浄化された原料ガスを用いて前記燃料電池本体に供給する燃料ガスを生成する燃料改質処理系と、
    該燃料改質処理系に水蒸気を供給する水蒸気供給系と、
    が備えられ、
    燃料電池発電システムの起動の際に、前記ガス供給手段によって、前記アノード側のガス流路に前記非反応性ガスが前記アノード側のガス流路の全容積の８０〜１００％の量で供給され、該非反応性ガスに次いで前記燃料ガスが供給され、
    前記アノード側のガス流路に供給される前記非反応性ガスが、前記水蒸気供給系で生成された水蒸気又は前記燃料改質処理系から排気される燃焼排ガスであることを特徴とする燃料電池発電システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
    前記アノード側のガス流路に供給される前記非反応性ガスが、前記燃料改質処理系から排気される燃焼排ガスである場合、前記アノード側のガス流路の出口側が前記燃料改質処理系に備えられた燃焼部のバーナーに接続されているとともに、前記アノード側のガス流路の入口側に吸気装置が接続されており、
    該吸気装置は、燃料電池発電システムが停止されて前記燃料電池本体への燃料ガスの供給が遮断された際に吸気稼動を行い、前記アノード側のガス流路に残留した燃料ガスを外部に排気するとともに、前記燃焼部に残留した燃焼排ガスを前記バーナーから吸引して前記アノード側のガス流路に導入するものであることを特徴とする燃料電池発電システム。
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