JP5138324B2 - 改質器及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は改質器、燃料電池システム、及び改質器の停止方法に関し、特に改質器の停止からメンテナンスが可能となるまでの時間を短縮することができる改質器、燃料電池システム、及び改質器の停止方法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水蒸気改質して水素リッチな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を構築することが多い。改質器は、その運転中の温度が約６００℃以上になる。

燃料電池システム停止後に改質器をそのまま放置すると、運転中の温度である約６００℃から降温し水蒸気が凝縮するのに伴い、改質器の内部圧力が減少することとなる。内部圧力が所定の圧力よりも減少して外気が改質器内に混入した場合は改質器内の触媒が劣化するため、燃料電池システム停止後には改質器内の改質ガス及び水蒸気をパージすることが一般に行なわれる。このパージを、特別な装置が必要となる不活性ガスを用いることなく、改質ガスの原料となる原料ガスで行う技術がある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２８８９３０号公報

しかしながら、改質器の停止後に改質器が高温の状態（一般に約４００℃以上）で原料ガスを改質器内に投入すると、原料ガス中の炭化水素が熱分解され炭素が析出して改質器の性能低下を生じさせることとなるので、原料ガスの投入は改質器が高温の状態でなくなった後に行うことが好ましい。このような事情がある一方で、燃料電池システムを一旦停止してから電力需要や熱需要の発生等により再度運転する場合には改質器の温度を運転温度（約６００℃以上）に上昇させることとなるため、一時的な停止時には改質器の温度をできるだけ下げないようにするのが消費エネルギーを低減する観点から好ましいという事情から、改質器を強制的に冷却する手段が設けられていないのが実情である。改質器を強制的に冷却する手段が設けられていないと、燃料電池システムを長期間使用しない場合やメンテナンスを行うために、燃料電池システムへのユーティリティ（本明細書では、電気・ガス・水道等の公共サービスの総称の意）の供給を遮断したい場合にも、改質器を原料ガスでパージできる状態になるまでは、付帯機器の起動や公共サービスとしてのガス事業者のガスを原料ガスとして供給を受ける場合があるため遮断することができず、改質器の停止からユーティリティの供給の遮断が可能となるまで長時間要していた。

本発明は上述の課題に鑑み、改質器の停止からユーティリティの供給の遮断が可能となるまでの時間を短縮することができる改質器、この改質器を備える燃料電池システム、及び改質器の停止方法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改質器は、例えば図１に示すように、改質用原料ｒを改質して水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質部２１と；改質用原料ｒの改質に用いられる改質熱を発生させる加熱部１１と；前記改質熱により昇温した改質部２１を冷却する冷却流体ａを流す冷却流体流路１６と；改質ガスｇの生成を停止したときに冷却流体流路１６に冷却流体ａを流す強制冷却を行うか、又は改質ガスｇの生成を停止したときに冷却流体ａを流さない自然冷却を行うか、を制御する制御部４０とを備える。

このように構成すると、改質ガスの生成を停止したときに冷却流体流路に冷却流体を流す強制冷却を行うか、又は改質ガスの生成を停止したときに冷却流体を流さない自然冷却を行うか、を制御する制御部を備えるので、改質器の停止状態を状況に応じて選択することが可能となり、強制冷却とした場合は例えば改質器の停止からユーティリティの供給の遮断が可能となるまでの時間を短縮することができ、自然冷却とした場合は消費エネルギーを低減することができる。

また、請求項２に記載の発明に係る改質器は、例えば図１に示すように、請求項１に記載の改質器１０において、加熱部１１が、燃焼用燃料ｆと燃焼用空気ａとを導入して燃焼用燃料ｆを燃焼させるバーナー１２を有し；冷却流体流路１６が加熱部１１と連通し、前記強制冷却の際に燃焼用空気ａを冷却流体流路１６に流すように構成されている。

このように構成すると、強制冷却の際に燃焼用空気を冷却流体流路に流すように構成されているので、燃焼用空気を冷却流体として使用することなり、装置構成を単純にすることができる。

また、請求項３に記載の発明に係る改質器は、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の改質器１０において、制御部４０に、強制冷却及び自然冷却のいずれを行わせるのかについての手動入力を受け付ける冷却指定手段４５を備える。

このように構成すると、簡便な操作で改質器を停止したときの冷却方式を選択することができる。

また、請求項４に記載の発明に係る改質器は、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の改質器１０において、改質部２１に改質用原料ｒを供給する改質用原料供給手段３１と；改質部２１の温度を検出する改質部温度検出手段４２と；改質部２１の内部圧力を検出する改質部圧力検出手段４１と；改質部２１に改質用原料ｒ及び改質ガスｇの少なくとも一方を密閉する密閉手段３５〜３８と；改質ガスｇの生成を停止したときに、改質部２１の温度が所定の温度以下となるまでは改質ガスｇを改質部２１に封入し、改質部２１の温度が所定の温度以下となったときに改質用原料ｒを改質部２１に封入すると共に、改質部２１の内部圧力が所定の圧力以下となったときに改質用原料ｒを改質部２１に供給して改質部２１の内部圧力を上昇させるように、密閉手段３５〜３８及び改質用原料供給手段３１を制御する制御装置４０とを備える。

上述のように、改質器が高温（約４００℃以上）の状態で改質用原料のガスを封入すると、改質用原料の炭化水素が熱分解され炭素が析出して改質器の性能が低下することがある。しかし、前段落に記載のように構成すると、改質器の性能の低下を抑制しつつ改質触媒の劣化を防ぐことができる。

また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図２に示すように、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の改質器１０と；改質ガスｇと酸化剤ガスｔとを導入して発電する燃料電池６０とを備える。

このように構成すると、改質器の停止からユーティリティの供給の遮断が可能となるまでの時間を短縮することができる燃料電池システムとなる。

また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図２に示すように、請求項５に記載の燃料電池システム１００において、燃料電池システム１００に、自然冷却に優先して強制冷却を行う事情が発生したことを検出する強制冷却起動検出器４９と；強制冷却起動検出器４９が自然冷却に優先して強制冷却を行う事情が発生したことを検出したときに、制御部４０（例えば図１参照）に強制冷却を行わせるように制御部４０（例えば図１参照）を制御する制御装置７０とを備える。

このように構成すると、強制冷却起動検出器が自然冷却に優先して強制冷却を行う事情が発生したときに、制御部に強制冷却を行わせるようにするので、強制冷却を行う事情が発生してから燃料電池システムへのユーティリティの供給の遮断が可能となるまでの時間を短縮することができる。

上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明に係る改質器の停止方法は、例えば図１及び図３に示すように、改質用原料ｒを改質して水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質部２１と、改質用原料ｒの改質に用いられる改質熱を発生させる加熱部１１と、前記改質熱により昇温した改質部２１を冷却する冷却流体ａを流す冷却流体流路１６とを有する改質器１０を停止する方法であって；改質部２１への改質用原料ｒの供給を停止する改質用原料停止工程（ＳＴ２）と；前記改質熱の発生を停止する改質熱停止工程（ＳＴ１）と；冷却流体流路１６に冷却流体ａを流して改質部２１を冷却する冷却工程（ＳＴ４）とを備える。

このように構成すると、改質器の停止からユーティリティの供給の遮断が可能となるまでの時間を短縮することができる。

また、請求項８に記載の発明に係る改質器の停止方法は、例えば図１及び図３に示すように、請求項７に記載の改質器の停止方法において、改質部２１に改質ガスｇを封入する改質ガス封入工程（ＳＴ３）と；改質部２１の温度を検出する改質部温度検出工程（ＳＴ５）と；改質部２１の温度が所定の温度以下となったときに、改質部２１に封入された改質ガスｇを改質用原料ｒに置換して、改質部２１に改質用原料ｒを封入する改質用原料封入工程（ＳＴ７）とを備える。

このように構成すると、改質用原料の炭化水素が熱分解され炭素が析出することに起因する改質器の性能低下を抑制することができる。

また、請求項９に記載の発明に係る改質器の停止方法は、例えば図１及び図３に示すように、請求項８に記載の改質器の停止方法において、改質部２１の内部圧力を検出する改質部圧力検出工程（ＳＴ５）と；改質部２１の温度が所定の温度以下で改質部２１の内部圧力が所定の圧力以下となったときに、改質部２１に改質用原料ｒを供給して改質部２１の内部圧力を昇圧する昇圧工程（ＳＴ９）とを備える。

このように構成すると、改質器の性能の低下を抑制しつつ改質触媒の劣化を防ぐことができる。

本発明によれば、改質ガスの生成を停止したときに冷却流体流路に冷却流体を流す強制冷却を行うか、又は改質ガスの生成を停止したときに冷却流体を流さない自然冷却を行うか、を制御する制御部を備えるので、強制冷却とした場合は改質器の停止からユーティリティの供給の遮断が可能となるまでの時間を短縮することができる。

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。

まず図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る改質器１０を説明する。図１は、改質器１０の縦断面図である。改質器１０は、改質用原料としての原料ガスｒの水蒸気改質に用いる改質熱を発生させる加熱部としての燃焼部１１と、原料ガスｒを水蒸気改質して準改質ガスｊを生成する改質部２１と、準改質ガスｊから一酸化炭素濃度を低減した改質ガスｇを生成する一酸化炭素低減部２２と、燃焼部１１で生じた排ガスｅを外部に排出する排ガス流路１６と、原料ガスｒの水蒸気改質に用いる水ｓを流す水管２５と、改質器１０の運転を制御すると共に改質ガスｇの生成を停止したときの改質器１０の冷却方式を制御する制御部を有する制御装置４０と、制御装置４０に行わせる冷却方式の手動入力を受け付ける冷却指定手段としての操作パネル４５とを備えている。一酸化炭素低減部２２は、準改質ガスｊ中の一酸化炭素を変成して準改質ガスｊから一酸化炭素が低減した変成ガスｈとする変成部２３と、変成ガスｈ中の一酸化炭素を選択酸化して変成ガスｈからさらに一酸化炭素が低減した改質ガスｇを生成する選択酸化部２４とを有している。

燃焼部１１は、燃焼用燃料としての燃焼燃料ｆを燃焼させるバーナー１２と、燃焼によって生じる炎を収容する燃焼室１３とを含んでいる。燃焼室１３は、筒状部材である内筒１４の内側に形成されている。本実施の形態では、バーナー１２が内筒１４の内部に収容され、バーナー１２の先端の空間が内筒１４に囲まれることによって燃焼室１３が形成されている。本実施の形態では、内筒１４は、その軸が鉛直方向に対して略平行になるように配設されている。内筒１４の長さは、後述する改質部２１の鉛直方向の長さ以上となっている。バーナー１２は、火炎が下向きに形成されるように内筒１４内に配設されている。内筒１４の下端は開口になっている。他方、内筒１４の上端１４ａは閉塞されている。バーナー１２の、火炎が形成されるのと反対側は、内筒１４の上端１４ａを貫通して空気燃料導入管２９に接続されている。空気燃料導入管２９は、燃焼燃料ｆを流す流路を形成している。空気燃料導入管２９にはチーズ２９Ｔが取り付けられている。

内筒１４は、自身より一回り大きい筒状部材である外筒１５によって覆われている。外筒１５の下端１５ｂは閉塞されている。外筒１５は、その軸が内筒１４の軸と略一致するように配設されている。これにより、内筒１４の外側と外筒１５の内側との間に、バーナー１２で燃焼燃料ｆを燃焼させた後の排ガスｅを流す排ガス流路１６が形成されている。バーナー１２に向けて燃焼燃料ｆを供給せずに燃焼空気ａを冷却流体として送気することにより、燃焼空気ａが排ガス流路１６を流れるようにすることもできる。すなわち、本実施の形態の排ガス流路１６は、冷却流体流路を兼ねている。内筒１４よりも一回り大きい外筒１５のサイズは、排ガス流路１６を流れる排ガスｅ及び燃焼空気ａの流量を勘案して適宜決定すればよい。排ガス流路１６は排ガス管５４に接続され、排ガスｅを系外に排出することができるように構成されている。

改質部２１は、外筒１５の両端及び上部を除く外周に、改質触媒が設けられることにより構成されている。改質触媒は、内筒１４や外筒１５と同軸の筒状部材である改質触媒保持筒１７によって保持されている。言い換えると、外筒１５と改質触媒保持筒１７との間に改質触媒が充填されている。改質触媒は、原料ガスｒの水蒸気改質反応を促進させる触媒であり、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。また、改質触媒の形状は、水蒸気改質反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。水蒸気改質反応は吸熱反応である。それゆえ、燃焼部１１において燃焼燃料ｆを燃焼させて改質熱を発生させている。改質部２１とバーナー１２との位置関係は、改質部２１の鉛直方向の略中央にバーナー１２の火炎が位置するように構成されている。このような位置関係とすると、改質部２１全体を加熱することができる。

改質触媒保持筒１７の下端は開口になっている。この開口により改質部２１は変成部２３と連通している。他方、改質触媒保持筒１７の上端は閉塞しており、この上端の一部に原料ガスｒを改質部２１に導入する原料ガス導入管２６が接続されている。改質部２１の上部には、原料ガス導入管２６を介して導入した原料ガスｒが改質触媒保持筒１７の上部全体に行き渡るように改質触媒が充填されていない空間が形成されている。原料ガス導入管２６は、燃焼部１１と反対方向に（すなわち外側に）向かって延びている。原料ガス導入管２６には、原料ガスｒの流れを遮断する原料ガス遮断弁３６が配設されている。原料ガス遮断弁３６より下流の原料ガス導入管２６には、後に詳説する水管２５が接続されている。

変成部２３は、外筒１５の上部を残して、改質部２１より上方の外筒１５の外周に変成触媒が設けられることにより構成されている。変成触媒は、改質触媒保持筒１７の上部をも覆っている。この変成触媒が改質触媒保持筒１７を覆っている部分は、改質触媒保持筒１７で区画されているため改質部２１とは連通していない。上述のように、変成部２３は改質触媒保持筒１７の下端の開口により改質部２１と連通している。変成触媒は、改質部２１における水蒸気改質反応によって生成された準改質ガスｊに含まれる一酸化炭素を水と反応させる変成反応を促進させる触媒であり、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。また、変成触媒の形状は、変成反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。変成反応は、一酸化炭素を二酸化炭素にシフトする。変成反応は発熱反応である。

選択酸化部２４は、変成部２３より上方の外筒１５の外周に選択酸化触媒が設けられることにより構成されている。選択酸化部２４と変成部２３との境界は、パンチングメタル等で区画されていてもよいが、選択酸化部２４と変成部２３とは連通するように構成される。選択酸化触媒は、変成部２３における変成反応によって生成された変成ガスｈに含まれる一酸化炭素を酸素と反応させる選択酸化反応を促進させる触媒であり、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。また、選択酸化触媒の形状は、選択酸化反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。選択酸化反応は発熱反応である。

変成触媒及び選択酸化触媒は、内筒１４等と同軸の筒状部材であるＣＯ低減触媒保持筒１８によって保持されている。言い換えると、外筒１５及び改質触媒保持筒１７の一部とＣＯ低減触媒保持筒１８との間に変成触媒が充填されており、外筒１５の上部とＣＯ低減触媒保持筒１８との間に選択酸化触媒が充填されている。ＣＯ低減触媒保持筒１８は、変成部２３の下方にも延びており、改質部２１の下部を覆っている。変成部２３より下方のＣＯ低減触媒保持筒１８は、改質触媒保持筒１７より一回り大きく形成されている。ＣＯ低減触媒保持筒１８の下端１８ｂは閉塞されている。改質触媒保持筒１７の下端はＣＯ低減触媒保持筒１８の下端１８ｂに接触しないように配設される。これにより改質部２１と変成部２３とが連通する。変成部２３より下方の、改質触媒保持筒１７の外側とＣＯ低減触媒保持筒１８の内側との間には、準改質ガスｊを流す準改質ガス流路１９が形成されている。準改質ガス流路１９は、変成触媒の直下で、変成触媒の下面全体に準改質ガスｊが行き渡るように、外側に向けて放射状に広がっている。改質触媒保持筒１７よりも一回り大きいＣＯ低減触媒保持筒１８のサイズは、準改質ガス流路１９を流れる準改質ガスｊの流量を勘案して適宜決定すればよい。

ＣＯ低減触媒保持筒１８には、変成部２３直近の選択酸化部２４で、選択酸化空気ｃを選択酸化部２４に導入する選択酸化空気導入管２７が接続されている。選択酸化空気導入管２７は、外側に向かって延びている。選択酸化空気導入管２７には、選択酸化空気ｃの流れを遮断する選択酸化空気遮断弁３７が配設されている。また、ＣＯ低減触媒保持筒１８には、変成部２３に隣接する側とは反対側の選択酸化部２４で、改質ガスｇを導出する改質ガス管２８が接続されている。改質ガス管２８は、外側に向かって延びている。改質ガス管２８には、改質ガスｇの流れを遮断する改質ガス遮断弁３８が配設されている。

水管２５は、以下のように配設されている。選択酸化部２４の上方からＣＯ低減触媒保持筒１８の外側に接触し、選択酸化部２４の上部からＣＯ低減触媒保持筒１８の外側を螺旋状に下方に巻いていく。螺旋状に下方に巻いていって変成部２３の上から２／３程度の位置に至ったところでＣＯ低減触媒保持筒１８から外側に離れ、さらに上方に向きを変えて原料ガス導入管２６に接続する。水管２５が原料ガス導入管２６に接続されることで水管２５は改質部２１に連通している。水管２５をこのように配設すると、水ｓは選択酸化部２４の傍らから変成部２３の傍らを流れ、原料ガス導入管２６に流入するまでに選択酸化部２４及び変成部２３から受熱して液体から気体となる。なお、図１に示すように、水管２５の一部が選択酸化部２４及び／又は変成部２３の内部を通り、外筒１５に接触するように配設されることとすると、受熱量が増加するので好ましい。水管２５には、ＣＯ低減触媒保持筒１８に接触するよりも上流に、水ｓの流れを遮断する水遮断弁３５が配設されている。

準改質ガス流路１９には、改質部２１の圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ４１が配設されている。改質部２１は、一酸化炭素低減部２２（変成部２３及び選択酸化部２４）と連通しているので、改質部２１の圧力を検出することで一酸化炭素低減部２２の圧力も検出することができる。また、改質触媒保持筒１７及びＣＯ低減触媒保持筒１８には、改質部２１、変成部２３、選択酸化部２４の温度をそれぞれ検出する温度検出手段としての温度センサ４２が取り付けられている。温度センサ４２の個数は、各部２１、２３、２４の大きさ等に応じて適宜決定するとよい。圧力センサ４１及び温度センサ４２は、それぞれ信号ケーブルを介して制御装置４０に接続されており、検出した圧力あるいは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。

水管２５の最下部（本実施の形態では変成部２３の上から２／３程度の位置）より下方の変成部２３及び改質部２１の外周は、断熱材４６で覆われている。断熱材４６よりも上方の変成部２３及び選択酸化部２４の外周は、断熱材４７で覆われている。各部２１、２３、２４が断熱材４６、４７で覆われていることにより、各部２１、２３、２４を運転時における反応に適した温度に維持することができると共に、改質器１０外周の温度を各部２１、２３、２４の温度よりも低くすることができて火傷防止等に寄与する。断熱材４６は、典型的には、珪石原料、石灰原料及び水を含有する原料スラリーと熱線反射材、耐熱性繊維等を配合した混合物を約５００ｋｇ／ｍ³以下の密度でプレス脱水成型させて成型した無機質多孔体である。断熱材４７は、典型的には、シリカ・アルミナ系微粒子粉末、アルカリ金属珪酸塩、過酸化水素、及び熱線反射材を配合した混合物を約５００ｋｇ／ｍ³以下の密度で発泡、硬化させて成型した無機質発泡体である。断熱材４６、４７は、表面材４８で覆われており、改質器１０の外観は概ね円筒状に形成されている。表面材４８は、典型的には無機質短繊維をフェルト状に成型した無機質短繊維フェルトである。

上述した各弁３５、３６、３７、３８及び空気燃料導入管２９に取り付けられたチーズ２９Ｔは、表面材４８の外側に配設されている。原料ガス遮断弁３６には原料ガス管５６が接続されている。原料ガス管５６には原料ガスｒを圧送する原料ガスブロワ３１が配設されている。原料ガスブロワ３１を起動したときと同等の圧力で原料ガスｒが系外から圧送されてくる場合は、原料ガスブロワ３１を備えていなくてもよい。選択酸化空気遮断弁３７には選択酸化空気管５７が接続されている。選択酸化空気管５７には選択酸化空気ｃを圧送する選択酸化ブロワ３３が配設されている。改質ガス遮断弁３８には改質ガス管６８が接続されている。また、水遮断弁３５には水供給管５５が接続されている。水供給管５５には水ｓを圧送する水ポンプ３４が配設されている。また、空気燃料導入管２９に取り付けられたチーズ２９Ｔの残りの接続口の１つには燃焼燃料ｆを流す燃焼燃料管５９が接続されており、他の残りの接続口には燃焼空気管５２が接続されている。燃焼空気管５２には燃焼空気ａを圧送する燃焼空気ブロワ３２が配設されている。

操作パネル４５は表面材４８の外側に配設されており、改質器１０の冷却方式を、強制冷却とするか自然冷却とするかの選択結果の入力を受け付ける装置である。強制冷却は、典型的には、改質ガスｇの生成を停止後に排ガス流路１６に冷却流体として燃焼空気ａを流して改質器１０の温度低下を促進させる冷却方式である。他方、自然冷却は、改質器１０を積極的に冷却せずに周囲環境の温度に依存した冷却方式である。操作パネル４５には、改質器１０停止後の冷却方式を強制冷却とするか自然冷却とするかを人が選択できるボタン（不図示）が設けられている。操作パネル４５に設けられているボタンは、例えば、改質器１０が停止したときに強制冷却を行わせるボタン、改質器１０が停止したときに自然冷却を行わせるボタン、改質器１０の運転中であっても直ちに強制冷却に移行させるボタン、将来の任意の時間（例えば１週間後の所定の時間）以降に強制冷却を行わせるボタン等がある。ボタンはタッチパネル等の画面に表示されるものを含む概念である。操作パネル４５は制御装置４０と電気的に接続されており、選択結果を制御装置４０に信号として伝達できるように構成されている。

制御装置４０は表面材４８の外側に配設されており、改質器１０の運転を制御する。制御装置４０は、圧力センサ４１から圧力信号を受信し、温度センサ４２から温度信号を受信する。また、制御装置４０は、各弁３５、３６、３７、３８のそれぞれに開閉信号を送信し、各弁３５、３６、３７、３８の開閉動作を制御する。また、制御装置４０は、各ブロワ３１、３２、３３に接続された動力系統（不図示）を介して供給される電力を調節することにより、各ブロワ３１、３２、３３の発停や流体の吐出量を制御する。また、制御装置４０は、強制冷却又は自然冷却のうち選択された冷却方式に従った改質器１０の停止工程を行うように、燃焼空気ブロワ３２の発停を制御する制御部を有している。制御部は、操作パネル４５や後述する強制冷却起動検出器から選択信号を受信して、選択された冷却方式に従った改質器１０の停止工程を行うように制御する。本実施の形態では、制御部は制御装置４０と一体不可分に構成されているが、別々に構成されていてもよい。また、制御装置４０と操作パネル４５とは、概念上は別物として示されているが、物理的には一体に構成されていてもよく、あるいは分離して構成されていてもよい。

次に図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１００を説明する。図２は燃料電池システム１００の模式的系統図である。燃料電池システム１００は、これまで説明した改質器１０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６０と、自然冷却に優先して強制冷却を行う事情が発生したことを検出する強制冷却起動検出器としての異常検出手段４９と、制御装置７０とを備えている。

燃料電池６０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池６０は、改質ガスｇを導入するアノード６１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード６２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６０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６１とカソード６２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６０では、アノード６１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６２に移動すると共に電子がアノード６１とカソード６２とを結ぶ導線（不図示）を通ってカソード６２に移動して、カソード６２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６０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６０のアノード６１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６０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６１からは、燃料電池６０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には、水素、二酸化炭素、窒素等が含まれている。燃料電池６０のカソード６２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６０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６２からは、燃料電池６０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６１には、改質ガスｇをアノード６１に供給する改質ガス管６８と、アノードオフガスｐを排出するアノードオフガス管６９とが接続されている。改質ガス管６８は改質ガス遮断弁３８に接続されている。改質ガス管６８には、改質ガス遮断弁８８が配設されている。アノードオフガス管６９は、燃焼用原料遮断弁３９よりも下流の燃焼燃料管５９に接続されている。燃焼燃料管５９は、原料ガスブロワ３１と原料ガス遮断弁３６との間の原料ガス管５６から分岐した管となっている。燃焼燃料管５９を原料ガス管５６から分岐することにより、原料ガスｒを燃焼燃料ｆとしてバーナー１２に導くことが可能となる。アノードオフガス管６９には、アノードオフガス遮断弁８９が配設されている。改質ガス遮断弁８８より上流の改質ガス管６８とアノードオフガス遮断弁８９より下流のアノードオフガス管６９とはバイパス管６７で接続されている。バイパス管６７にはバイパス遮断弁８７が配設されている。バイパス管６７の分岐と改質ガス遮断弁３８との間の改質ガス管６８には、改質器１０に封入されたガスを系外に排出するためのパージ管９８が接続されている。パージ管９８には、ガスの流通を遮断可能なパージ弁９９が配設されている。カソード６２には、酸化剤ガスｔをカソード６２に供給する酸化剤ガス管６５と、カソードオフガスｑを排出するカソードオフガス管６６とが接続されている。酸化剤ガス管６５には、酸化剤ガスｔを圧送する酸化剤ガスブロワ６４が配設されている。なお、酸化剤ガスブロワ６４は、燃焼空気ブロワ３２及び／又は選択酸化空気ブロワ３３を兼ねていてもよい。

異常検出手段４９は、燃料電池システム１００を即時に停止すべき異常が改質器１０又は燃料電池６０に発生したことを検出する装置である。異常検出手段４９としては、例えば、可燃性のガスが漏洩したことを検知する可燃性ガス漏洩検知器、燃料電池６０の発電電圧が低下したことを検出するスタック電圧低下検知器等が挙げられ、典型的にはメンテナンス員によるメンテナンスを必要とするような改質器１０又は燃料電池６０についての異常を検出する装置である。本実施の形態では、異常検出手段４９は、改質器１０の異常も燃料電池６０の異常も検出する装置であるが、改質器１０及び燃料電池６０のうち少なくとも一方の異常を検出するように構成されていてもよい。

制御装置７０は、燃料電池システム１００を制御する。制御装置７０は、燃焼用原料遮断弁３９、バイパス遮断弁８７、改質ガス遮断弁８８、アノードオフガス遮断弁８９に各々信号を送信し、各弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置７０は、酸化剤ガスブロワ６４を制御する。また、制御装置７０は、改質器１０の制御装置４０（図１参照）と連係して改質器１０を制御する。また、制御装置７０は、異常検出手段４９から信号を受信して、燃料電池システム１００（改質器１０及び燃料電池６０を含む）を停止することができる。なお、制御装置７０は、異常検出手段４９と一体に構成されていてもよい。また、制御装置７０は、制御装置４０（図１参照）と一体に構成されていてもよい（すなわち、制御装置４０（図１参照）、操作パネル４５（図１参照）、制御装置７０、異常検出手段４９が一体に構成されていてもよい。）。

引き続き図１及び図２を参照して、改質器１０及び燃料電池システム１００の作用を説明する。ここで、改質器１０の作用は、燃料電池システム１００の作用の一環として説明する。

燃料電池システム１００の停止時は、弁３５、３６、３７、３８、８８、８９が閉になっている。燃料電池システム１００を停止中の状態から起動すると、制御装置７０は、燃焼用原料遮断弁３９を開にして、原料ガスブロワ３１及び燃焼空気ブロワ３２を起動する。すると、原料ガスｒが燃焼燃料ｆとして改質器１０内のバーナー１２に供給されると共に、燃焼空気ａもバーナー１２に供給される。原料ガスｒ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）であるが、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を気化したものであってもよい。燃焼燃料ｆ及び燃焼空気ａがバーナー１２に供給されたらバーナー１２を点火して改質部２１を昇温する。燃焼によって生じた排ガスｅは、排ガス流路１６を流れて排ガス管５４に流入し、系外に排出される。また、水遮断弁３５を開にし水ポンプ３４を起動して水ｓを水管２５に送水する。これとほぼ同時に原料ガス遮断弁３６を開にして原料ガスｒを原料ガス導入管２６に供給する。

水ｓは、水管２５を流れて原料ガス導入管２６に至るまでに受熱して水蒸気となる。水蒸気と原料ガスｒとは原料ガス導入管２６内で混合されて改質部２１に到達する。改質部２１では、原料ガスｒ中の炭化水素と水ｓが気化した水蒸気とが燃焼部１１から改質熱を得て反応し（水蒸気改質反応）、水素と一酸化炭素とを含む準改質ガスｊが生成される。許容量を超えた一酸化炭素含むガスを燃料電池６０のアノード６１に供給すると燃料電池６０の電極触媒（不図示）が被毒するので、準改質ガスｊ中の一酸化炭素濃度を低減するために改質部２１で生成された準改質ガスｊは変成部２３に送られる。

変成部２３に送られた準改質ガスｊは、生成された一酸化炭素が残存していた水蒸気と反応して（変成反応）、水素と二酸化炭素とになる。つまり、変成部２３で生成される変成ガスｈは、準改質ガスｊに比べて、一酸化炭素が減少し、水素と二酸化炭素が増加している。変成ガスｈは、準改質ガスｊに比べて一酸化炭素濃度が低減しているものの、通常、定常運転時で５０００〜１００００ｐｐｍ程度の一酸化炭素を含んでおり、この一酸化炭素濃度では燃料電池６０の電極触媒が被毒するおそれがある。このため、変成ガスｈ中の一酸化炭素濃度を低減するために変成部２３で生成された変成ガスｈは選択酸化部２４に送られる。

選択酸化部２４に変成ガスｈが送られるとき、制御装置７０は選択酸化空気遮断弁３７及び改質ガス遮断弁３８を開にし選択酸化空気ブロワ３３を起動して、選択酸化空気ｃを選択酸化部２４に供給する。なお、選択酸化空気遮断弁３７及び改質ガス遮断弁３８の開並びに選択酸化空気ブロワ３３の起動は、原料ガス遮断弁３６開等の動作と同時に行ってもよく、あるいは原料ガス遮断弁３６を開いてから所定の時間が経過した後に行ってもよい。また、選択酸化空気遮断弁３７及び改質ガス遮断弁３８の動作は異なるタイミングで行ってもよい。

選択酸化部２４に送られた変成ガスｈは、残存している一酸化炭素が、供給された選択酸化空気ｃ中の酸素と反応して（選択酸化反応）二酸化炭素となる。選択酸化反応により生成された改質ガスｇは、含有する一酸化炭素が、定常運転時で１０ｐｐｍ以下程度となる。この程度の一酸化炭素濃度とすると、燃料電池６０の電極触媒が被毒することを回避することができる。

なお、改質器１０の定常運転時とは、改質部２１、変成部２３、選択酸化部２４の各部が、それぞれの部における反応に適した温度となっている状態である。定常運転時の各部の温度は、改質部２１が約５５０℃〜８００℃、変成部２３が約１６０℃〜２８０℃、選択酸化部が約１００℃〜２５０℃である。改質器１０の起動初期で、各部２１、２３、２４が定常運転時の温度に達していないときは、改質ガス管２８に導出される改質ガスｇは組成が安定しておらず、燃料電池６０の電極触媒が被毒するおそれのある濃度の一酸化炭素を含んでいる。したがって、組成が安定していない改質ガスｇは、燃料電池６０のアノード６１に供給せずに燃焼部１１に導いて、燃焼燃料ｆとして燃焼することとしている。

制御装置７０は、バイパス遮断弁８７を開にし、燃焼用原料遮断弁３９を閉にして、組成が安定していない改質ガスｇを、改質ガス管６８、バイパス管６７、アノードオフガス管６９、燃焼燃料管５９を経由して空気燃料導入管２９からバーナー１２に供給する。このとき、制御装置４０は、温度センサ４２により各部２１、２３、２４の温度を検出している。各部の温度が定常運転時の温度になったら、制御装置７０は、改質ガス遮断弁８８及びアノードオフガス遮断弁８９を開にし、バイパス遮断弁８７を閉にする。この弁の動作により、改質ガスｇが燃料電池６０のアノード６１に供給される。改質ガスｇがアノード６１に供給されるようになると、制御装置７０は酸化剤ガスブロワ６４を起動して酸化剤ガスｔをカソード６２に供給する。

燃料電池６０ではアノード６１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード６２に導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行なわれる。電気化学的反応は、アノード６１では以下の（１）式に示す反応が行なわれ、カソード６２では以下の（２）式に示す反応が行なわれる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード６１の電子が外部電気回路（不図示）を通ってカソード６２に移動する際に電力を得ることができる。アノード６１の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード６２に移動し、酸素と結合して水分が発生する。上述のように、この電気化学的反応は発熱反応である。

燃料電池６０によって得られる電力は直流電力であり、必要に応じて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。他方、燃料電池６０で発生する熱は、燃料電池６０を冷却する冷却水（不図示）を媒体として、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。貯湯タンク（不図示）には、蓄えられている温水の再加熱（炊き上げ）を行う加熱装置（不図示）が設けられていてもよい。加熱装置（不図示）が作動するときは、燃料電池６０の冷却水温度が許容値以上となる場合があるため、燃料電池６０の発電（ひいては改質器１０における改質ガスｇの生成）を速やかに停止させることが好ましい。したがって、加熱装置（不図示）が作動したことは、自然冷却に優先して強制冷却を行う事情と捉えることができるため、加熱装置（不図示）が設けられた場合は強制冷却起動検出器としての加熱装置作動検出器（不図示）を併せて設けることが好ましい。燃料電池６０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１００の効率が向上することとなる。

また、貯湯タンク（不図示）内の水（温水）によって、燃料電池６０を冷却する冷却水（不図示）を、燃料電池６０の運転の継続ができるように冷却することができなくなった場合も、自然冷却に優先して強制冷却を行う事情が発生したこととなる。貯湯タンク（不図示）内の水によって冷却水（不図示）を冷却することができなくなった場合の例としては、貯湯タンク（不図示）内の水を抜く必要が生じた場合や、給湯や暖房等の熱を利用する側において異常が発生して貯湯タンク（不図示）に蓄えられた熱を利用することができなくなった場合等が挙げられる。例えば、貯湯タンク（不図示）から導出された温水と暖房に用いられる空気との熱交換を行う暖房熱交換器（不図示）において流体（温水又は空気）のリークが発生したときは、暖房熱交換器（不図示）への温水の供給を停止して暖房熱交換器（不図示）のメンテナンスを行うことになるが、暖房熱交換器（不図示）への温水の供給を停止すると貯湯タンク（不図示）内の温度が下がらずに燃料電池６０の冷却水温度が許容値以上となる場合がある。燃料電池６０の冷却水温度が許容値以上となると、燃料電池６０を冷却することができなくなって発電の継続ができなくなるため、燃料電池６０の発電、ひいては改質器１０における改質ガスｇの生成を速やかに停止させることが好ましい。このように、燃料電池システム１００の運転を継続しがたい異常（例えば、貯湯タンク（不図示）内の水を抜いてメンテナンスを行う必要があるような異常や、給湯や暖房等の熱を利用する側の機器等の２次側機器（不図示）における異常）が発生した場合は、強制冷却を行うことが好ましい。このとき、２次側機器（不図示）において燃料電池システム１００の運転を継続しがたい異常が発生したことを検出する強制冷却起動検出器としての２次側機器異常検出器（不図示）を併せて設けることが好ましい。なお、異常検出手段４９が２次側機器異常検出器（不図示）を兼ねていてもよい。

燃料電池６０の作動中、アノード６１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、改質器１０の燃焼部１１に導かれ、燃焼燃料ｆとして燃焼させられる。つまり、アノード６１から排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管６９、燃焼燃料管５９を経由して空気燃料導入管２９からバーナー１２に流入する。燃焼部１１におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２１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。

次に図３のフローチャートを併せて参照して、燃料電池システム１００の停止時の作用を説明する。図３のフローチャートに示される例では、燃料電池システム１００は、停止時における改質器１０の冷却方式が自然冷却であるか強制冷却であるかが操作パネル４５を介してあらかじめ入力されている。自然冷却が指定されている場合は、燃料電池システム１００を停止する旨の指令が制御装置７０に入力されると、アノードオフガス遮断弁８９を閉にして（燃焼燃料ｆとして原料ガスｒがバーナー１２に供給されている場合は燃焼用原料遮断弁３９を併せて閉にして）バーナー１２への燃焼燃料ｆの供給を停止し、バーナー１２の燃焼を停止する（ＳＴ１）。併せて、酸化剤ガスブロワ６４を停止すると共に遮断弁（不図示）を閉にすることにより、酸化剤ガスｔがカソード６２に供給されないようにする。これにより、燃料電池６０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６０の性能低下を防いでいる。また、各ブロワ３１、３２、３３及び水ポンプ３４を停止すると共に水遮断弁３５、原料ガス遮断弁３６、選択酸化空気遮断弁３７、改質ガス遮断弁３８を閉にして、改質器１０への水ｓ、原料ガスｒ、選択酸化空気ｃの供給を停止する（ＳＴ２）。これにより、改質器１０の改質部２１及び一酸化炭素低減部２２が準改質ガスｊ等（改質器１０で原料ガスｒが改質されて生成されたガスであり、準改質ガスｊ、変成ガスｈ、改質ガスｇのいずれか、又はこれらの混合ガス）で密封される（ＳＴ３）。なお、改質器１０の停止時に改質器１０の内部に封入される改質ガスとは、改質ガスｇのみならず準改質ガスｊ、変成ガスｈを含む概念である（一酸化炭素濃度にかかわらず改質用原料が改質されたガスの意）。このように、改質部２１及び一酸化炭素低減部２２を、準改質ガスｊ等で封入してその外部よりも正圧にすることにより、改質部２１及び一酸化炭素低減部２２への外気の侵入を防ぎ、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒が酸素に触れることに起因して劣化することを防いでいる。なお、燃料電池システム１００の停止時は、改質ガス遮断弁８８も閉にする。自然冷却では、強制冷却に比べて改質器１０の温度低下が小さいので、次回燃料電池システム１００を起動するときに定常運転時の温度まで昇温するのに要する時間及びエネルギー（燃料）が少なくて済み、燃料電池システム１００が発電可能となるまでに要する時間も短くなる。

他方、強制冷却が指定されている場合は、燃料電池システム１００を停止する旨の指令が制御装置７０に入力されると、改質熱の発生を停止し（ＳＴ１）、改質部２１への改質ガスｒの供給を停止し（ＳＴ２）、改質部２１を準改質ガスｊ等で封入する（ＳＴ３）ことは自然冷却の場合と同様であるが、以下の点で自然冷却の場合と異なっている。すなわち、強制冷却の場合は、改質部２１を準改質ガスｊ等で封入（ＳＴ３）した後に燃焼室１３に燃焼空気ａを供給することにより改質部２１を強制的に冷却する（ＳＴ４）。冷却工程（ＳＴ４）では、バーナー１２への燃焼燃料ｆの供給が停止されているので、燃焼室１３に供給された燃焼空気ａはそのまま冷却流体流路としての排ガス流路１６を流れて改質器１０外へ排出される。燃焼空気ａは典型的には外気であるので、停止直後の改質部２１の温度（約６００℃前後）に比べて著しく温度が低い。したがって、燃焼空気ａを排ガス流路１６に流すことにより、改質器２１の温度が低下するまでの時間（改質器１０の停止からメンテナンスが可能となるまでの時間）を自然冷却の場合に比べて短縮することができる。

なお、改質器１０が強制冷却されるのは、操作パネル４５を介してあらかじめ強制冷却が選択されていた場合以外に、改質器１０の運転中であっても直ちに強制冷却に移行させるボタン（不図示）をユーザーが押したことにより操作パネル４５を介して強制冷却が選択された場合、異常検出手段４９が改質器１０又は燃料電池６０の異常を検出した場合、加熱装置作動検出器（不図示）が加熱装置（不図示）の作動を検出した場合も起こりうる。つまり、操作パネル４５を介してあらかじめ自然冷却が選択されていたとしても、ユーザーによって直ちに強制冷却に移行させるボタン（不図示）が押された場合、異常検出手段４９が改質器１０又は燃料電池６０の異常を検出した場合、加熱装置作動検出器（不図示）が加熱装置（不図示）の作動を検出した場合は異常が発生した旨の信号が制御装置４０に送信されて強制冷却（ＳＴ４）が行なわれる。

ところで、定常運転時の改質器１０の温度は上述したような温度（例えば改質部２１で約５５０℃〜８００℃）であるが、燃料電池システム１００の停止に伴い改質器１０が停止すると、改質器１０の温度が低下する。改質器１０の温度が低下すると改質部２１及び一酸化炭素低減部２２の圧力が低下し、許容値以上の負圧になると外気が侵入して各部２１、２２の触媒、特に変成触媒が劣化することとなる。これを防ぐために、改質部２１及び一酸化炭素低減部２２の圧力が所定の圧力以下の場合に、原料ガス遮断弁３６を開けて原料ガスブロワ３１を起動し、改質部２１に原料ガスｒを導入して圧力低下を防ぐとよい。原料ガスｒを用いて改質部２１等を正圧に維持するようにすると、他のガスを用いる場合に必要となる特別な設備が不要となり、システムを簡略化することができる。しかしながら、改質部２１が高温の状態で炭化水素系の原料ガスｒを導入すると炭化水素が熱分解されて炭素が析出し、改質器１０の性能が低下することとなる。このような不都合を回避するため、制御装置４０は以下のような制御を行う。

以降の図３についての説明は自然冷却の場合及び強制冷却の場合共通である。自然冷却の場合は改質部２１を準改質ガスｊ等で封入（ＳＴ３）した後に、強制冷却の場合は改質部２１の強制冷却（ＳＴ４）が開始した後に、制御装置４０は温度センサ４２により改質部２１の温度を随時検出し、圧力センサ４１により改質部２１の圧力を随時検出する（ＳＴ５）。温度センサ４２及び圧力センサ４１による改質部２１の温度及び圧力の検出（ＳＴ５）は、改質器１０の停止直後から、あるいは改質器１０の定常運転時から随時検出するようにしてもよい。

改質部２１の温度及び圧力を検出したら（ＳＴ５）、制御装置４０は改質部２１の温度が所定の温度以下であるか否かを判断する（ＳＴ６）。所定の温度は、原料ガスｒが熱分解をする温度をやや下回る温度（原料ガスｒが熱分解する温度に余裕分を見込んだ温度）であり、例えば４００℃である。所定の温度以下となっていなければ、改質部２１の温度及び圧力の随時の検出（ＳＴ５）、並びに改質部２１の温度が所定の温度以下であるか否かの判断（ＳＴ６）を続ける。他方、所定の温度以下の場合、制御装置４０は、原料ガスブロワ３１を起動すると共に原料ガス遮断弁３６、改質ガス遮断弁３８、パージ弁９９を開にして改質器１０内に封入されている準改質ガスｊ等を原料ガスｒで置換し、置換したら原料ガス遮断弁３６、改質ガス遮断弁３８、パージ弁９９を閉にすることで改質器１０内に原料ガスｒを封入する（ＳＴ７）。

改質器１０内に準改質ガスｊ等が封入されている状態のときは、温度低下に伴って改質器１０内に残存する水蒸気が結露することがある。結露した水蒸気が改質器１０内の触媒に付着すると、次回改質器１０を起動して昇温したときに触媒に付着した結露水が蒸発し、この蒸発によって触媒が粉化する可能性がある。しかし、改質器１０内に封入されている準改質ガスｊ等を原料ガスｒで置換することにより、改質器１０内で水蒸気が結露することを回避することができる。改質器１０内に封入されている準改質ガスｊ等を原料ガスｒで完全に置換し、改質器１０内に原料ガスｒを封入したら、ユーティリティの供給の遮断が可能になるが、本実施の形態では、さらなる温度低下に伴う圧力低下に起因して改質器１０内に外気が侵入することを回避するため、以下の制御を続行する。

その後制御装置４０は、改質器１０の内部圧力が所定の圧力以下であるか否かを判断する（ＳＴ８）。ここで、所定の圧力は、改質部２１及び一酸化炭素低減部２２への外気の侵入が生じない圧力に余裕分を見込んだ圧力であり、例えば１５ｋＰａ（ゲージ圧）あるいは２０ｋＰａ（ゲージ圧）である。水遮断弁３５、原料ガス遮断弁３６、選択酸化空気遮断弁３７、改質ガス遮断弁３８のシール性が優れていること等により許容される場合には、所定の圧力は負圧（例えば−２０ｋＰａ（ゲージ圧）程度まで）であってもよい。所定の圧力以下でなければ、改質器１０の内部圧力が所定の圧力以下であるか否かを判断する工程（ＳＴ８）に戻る。他方、所定の圧力以下の場合、制御装置４０は、原料ガスブロワ３１を起動すると共に原料ガス遮断弁３６を開にして、改質部２１に原料ガスｒを圧送する（ＳＴ９）。そして、制御装置４０は、圧力センサ４１からの信号により改質部２１の内部圧力が昇圧したか否かを判断する（ＳＴ１０）。昇圧していなければ改質部２１への原料ガスｒの圧送（ＳＴ９）を続ける。他方、昇圧していれば、改質器１０の内部圧力が所定の圧力以下であるか否かを判断する工程（ＳＴ８）に戻って以降の工程を続ける。上述の、改質器１０の内部圧力を所定の圧力以上に維持する工程（ＳＴ８〜１０）においては、改質器１０内に原料ガスｒが封入されている（される）ので、適切な時期（例えば改質器１０の温度が低下しても外気の侵入が生じるほどに内部圧力が低下することがないと判断される時期）にユーティリティの供給の遮断をしてもよい。

なお、以上の説明では、改質器１０内に封入されている準改質ガスｊ等を原料ガスｒで置換する（ＳＴ７）際に、改質ガス遮断弁３８及びパージ弁９９を開にしてそれまで改質器１０内に封入されていた準改質ガスｊ等を系外に排出することとしたが、準改質ガスｊ等をそのまま系外に排出しないようにすることもできる。この場合、パージ管９８及びパージ弁９９を設けなくてもよい。準改質ガスｊ等をそのまま系外に排出しないようにするには、例えば、改質器１０内に封入されていた準改質ガスｊ等を燃焼部１１に導いて燃焼させればよい。ただし、準改質ガスｊ等を燃焼部１１で燃焼させると改質部２１の温度が上昇し、改質部２１の温度が４００℃を超えると、置換した原料ガスｒの炭化水素成分が熱分解するおそれがあるため、封入していた準改質ガスｊ等を燃焼部１１で燃焼させても改質部２１の温度が４００℃を超えないような改質部２１の温度（例えば１７０℃程度）を工程（ＳＴ６）における所定の温度に設定するとよい。

以上説明したように、本発明に係る改質器１０によれば、特別な設備を設けることなく改質部２１及び一酸化炭素低減部２２の内圧の低下を防ぐことができ、改質器１０の劣化を防ぐことができる。このような改質器１０を備えた本発明に係る燃料電池システム１００は、耐久性に優れた燃料電池システム１００となる。

以上の説明では、改質用原料が原料ガスｒであるとしたが、液体の原料を改質用原料として用いてもよい。この場合、改質効率の観点から、気化器を備えて液体の改質用原料を改質部２１に導入する前に気化することが好ましい。

以上の説明では、加熱部がバーナー１２を有する燃焼部１１であるとしたが、バーナー１２に代えて電気ヒータを設け、電気ヒータにより改質熱を発生させるようにしてもよい。しかしながら、バーナー１２とすると、排ガス流路１６を冷却流体流路と兼用することができて改質器１０の小型化を図ることができると共に、改質熱を発生させるのに必要なエネルギー単価も少なくて済むので好ましい。

以上の説明では、改質器１０を停止するときの強制冷却の際の冷却流体として燃焼空気ａを用いるとしたが、他の用途の空気や空気以外のガスを用いてもよく、あるいは冷却流体として水等の液体を用いてもよい。以下に図４を参照して冷却流体として水を用いた改質器を説明する。

図４は、本発明の第３の実施の形態に係る改質器１０Ａの模式的系統図である。改質器１０Ａと改質器１０（図１参照）との主な相違点として、改質器１０Ａには、改質器１０（図１参照）における水管２５（図１参照）に相当する部材の構成と、排ガス流路１６（図１参照）に代えて選択酸化部２４の近傍を通過しない排ガス流路１６Ａが設けられている点が挙げられる。改質器１０Ａでは、水管２５（図１参照）に代えて水管８３が設けられている。水管８３は、内部に冷却流体としての水ｗを流す流路である。水管８３は、改質部２１に隣接する部分を通り、次に変成部２３に隣接する部分を通り、次に選択酸化部２５に隣接する部分を通るように配設されている。ここで「隣接する」とは、当該隣接する部位（改質部２１等）と水管８３内の水ｗとの間で熱の授受がある程度の近さで両者が配置されていることをいう。水管８３は、当該隣接する部位と水ｗとの交換熱量を増やすために、当該部位と隣接する部分で蛇行するように配設してもよい。交換熱量の増加という趣旨に鑑み、水管８３を例えば渦巻状に配設することも蛇行の概念に含まれることとする。また、当該部位と隣接する部分における伝熱面積を増加するために、当該部位と隣接する部分の水管８３をジャケット（熱交換器）などのように流路面積を大きく構成したものも「流路」の概念に含まれることとする。

水管８３の、改質部２１に隣接して配設された部分から変成部２３への方向とは逆の方向に延びた先の端部は、改質用の水ｓを改質部２１に導く改質用水管８５に接続されている。換言すれば、水管８３と改質用水管８５とは、接続点Ｊ１で接続されている。改質用水管８５の接続点Ｊ１とは反対側の端部は、改質部２１に接続されている。改質用水管８５には、改質用水ｓの流れを遮断可能な開閉弁８５ｖが挿入配置されている。開閉弁８５ｖ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閉をすることができるように構成されている。

また、接続点Ｊ１には、内部に水ｗを流す強制冷却水管８２が接続されている。強制冷却水管８２は、接続点Ｊ１とは反対側の端部で、水管８３の選択酸化部２５に隣接して配設された部分から変成部２３への方向とは逆の方向に延びた先の端部と接続されている。換言すれば、強制冷却水管８２と水管８３とは、接続点Ｊ２で接続されている。強制冷却水管８２には、水ｗの流れを遮断可能な開閉弁８２ｖが挿入配置されている。接続点Ｊ２と選択酸化部２５に隣接する部分との間の水管８３には、水ｗの流れを遮断可能な開閉弁８３ｖが挿入配置されている。開閉弁８２ｖ及び開閉弁８３ｖは、それぞれ制御装置４０と信号ケーブルで接続されており、それぞれ制御装置４０からの信号を受信して弁の開閉をすることができるように構成されている。

また、接続点Ｊ２には、系外から強制冷却水管８２及び水管８３に水ｗを導く水供給管５５が接続されている。水ポンプ３４は制御装置４０から信号を受信して強制冷却水管８２又は水管８３への水ｗの導入量を調節することができるように構成されている。選択酸化部２５に隣接する部分と接続点Ｊ２との間の水管８３には、水ｗを改質器１０外へ導出する冷却水導出管８４が接続されている。冷却水導出管８４には、水ｗの流れを遮断可能な開閉弁８４ｖが挿入配置されている。開閉弁８４ｖ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閉をすることができるように構成されている。

制御装置４０は、上述の改質器１０（図１参照）に設けられた場合の構成のほか、各開閉弁８２ｖ、８３ｖ、８４ｖ、８５ｖのそれぞれに、弁の開度（全開及び全閉を含む）を調節する開度信号を送信する。また、制御装置４０は、水ポンプ３４に対し、流体（水ｗ）の流量を調節する流量調節信号を送信する。

改質器１０Ａは以下のように作用する。なお、本実施の形態では、冷却流体及び改質用の水を共に水としている。したがって、両者は物質としては同じものであるが、その機能に着目して、水が冷却流体として作用しているときは水ｗと、改質用原料ｒの改質に用いる水として作用しているときは水ｓと呼称している。定常運転（改質ガスｇの生成を行う運転）の際は、制御装置４０は開閉弁８２ｖ、８４ｖを閉にし、開閉弁８３ｖ、８５ｖを開にして、水ｓを改質部２１に供給する。このとき水ｓは、選択酸化部２４に隣接する部分、変成部２３に隣接する部分、改質部２１に隣接する部分を順に流れて改質部２１に導入される。次に改質器１０Ａを停止する際、自然冷却が行なわれる場合は制御装置４０は開閉弁８２ｖ、８３ｖ、８４ｖ、８５ｖを閉にし、さらに水ポンプ３４も停止する。

他方、強制冷却が行なわれる場合、制御装置４０は、開閉弁８３ｖ、８５ｖを閉にすると共に、開閉弁８２ｖ、８４ｖを開にして、水ｗを水管８３に供給する。このとき水ｗは、改質部２１に隣接する部分、変成部２３に隣接する部分、選択酸化部２４に隣接する部分を順に流れ、冷却水導出管８４を介して改質器１０Ａ外に排出される。このように、冷却流体を水ｗとしても強制冷却を行うことができる。

以下図５を参照して実施例を説明する。図５（ａ）は自然冷却による改質器１０の停止時における改質部２１の温度Ｔ１、改質部２１内部の圧力Ｐ１、供給した燃焼空気ａの流量Ｑ１の推移を示すグラフであり、図５（ｂ）は強制冷却による改質器１０の停止時における改質部２１の温度Ｔ２、改質部２１内部の圧力Ｐ２、供給した燃焼空気ａの流量Ｑ２の推移を示すグラフである。図５中、改質部２１の温度Ｔ１、Ｔ２は実線で、改質部２１内部の圧力Ｐ１、Ｐ２は一点鎖線で、燃焼空気ａの流量Ｑ１、Ｑ２は二点鎖線で示している。

自然冷却（図５（ａ）参照）の際は、改質器１０の停止と共に燃焼空気ａの供給を停止した。すると、時間経過と共に改質部２１の温度Ｔ１及び改質部２１内部の圧力Ｐ１が徐々に低下した。改質器１０の停止から５時間弱経過したところで改質部２１内部の圧力Ｐ１が２０ｋＰａ（本実施例における所定の圧力）以下となったので、改質部２１の温度Ｔ１が４００℃以下になっていることを確認し、原料ガスｒを改質部２１に供給して改質部２１内部の圧力Ｐ１を上昇させた。なお、改質部２１内部の圧力Ｐ１が上昇することとリンクして燃焼空気ａの流量Ｑ１が増加しているのは、本実施例では、安全を考慮して、原料ガス遮断弁３６を閉止したときに燃焼空気ａを燃焼部１１に供給して燃焼系統をパージする制御としているためである。改質部２１への原料ガスｒの供給に伴っていずれ改質器１０から押し出されることとなるそれまで封入されていた改質ガスｇは、燃焼部１１に導いて燃焼させることにしてある。最終的に改質器１０の停止から約９時間経過したところで改質部２１の温度Ｔ１が約１７０℃となり、この温度になると改質器１０に封入されている改質ガスｇを燃焼部１１に導いて燃焼させても改質部２１の温度Ｔ１が４００℃超（原料ガスｒ中の炭化水素が熱分解を起こすおそれがある温度）となるおそれがなくなるので、改質器１０に封入されていた改質ガスｇを改質器１０から押し出して原料ガスｒで完全に置換する一方、押し出された改質ガスｇは燃焼部１１に導いて燃焼させた。この燃焼によっても改質部２１の温度Ｔ１は４００℃以上に上昇しなかった。改質器１０の停止から約９時間経過したところで改質器１０に封入されていた改質ガスｇを原料ガスｒで置換することが完了し、ユーティリティの供給の遮断が可能となった。

強制冷却（図５（ｂ）参照）の際は、改質器１０の停止直後に冷却流体としての燃焼空気ａの供給量Ｑ２を０Ｌ／ｍｉｎから６５Ｌ／ｍｉｎに増加した。すると、改質部２１の温度Ｔ２は自然冷却の場合に比べて急激に低下し、改質器１０の停止から約８０分で改質部２１の温度Ｔ２が約１７０℃（改質器１０に封入されている改質ガスｇを燃焼部１１に導いて燃焼させても改質部２１の温度Ｔ２が４００℃超（原料ガスｒ中の炭化水素が熱分解を起こすおそれがある温度）となるおそれがなくなる温度）となり、改質器１０に封入されていた改質ガスｇを改質器１０から押し出して原料ガスｒで完全に置換する一方、押し出された改質ガスｇを燃焼部１１に導いて燃焼させた。改質器１０の停止から約８０分経過したところで改質器１０に封入されていた改質ガスｇを原料ガスｒで置換することが完了し、ユーティリティの供給の遮断が可能となった。そして、改質部２１の温度Ｔ２がユーティリティの供給の遮断が可能な温度となったので冷却流体としての燃焼空気ａの供給を停止した。その後、改質部２１の温度Ｔ２は低下速度が小さくなりゆるやかに低下した。なお、本実施例では強制冷却の際に改質部２１内部の圧力Ｐ２が負圧になっても昇圧していないが、これは各遮断弁３５、３６、３７、３８が−２０ｋＰａ（ゲージ圧）程度でもシール性を有するため、所定の圧力を−２０ｋＰａ（ゲージ圧）に設定しているためである。このように、強制冷却によれば、改質器１０の停止からユーティリティの供給の遮断が可能となるまでに要する時間を大幅に短縮（約９時間から約８０分に短縮）できることが確認できた。

本発明の第１の実施の形態に係る改質器の縦断面図である。 本発明の第２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。 改質器停止時の制御を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る改質器の模式的系統図である。 改質器の停止時における改質部の温度、改質器内部の圧力、燃焼用空気の流量の推移を示すグラフである。（ａ）は自然冷却時、（ｂ）は強制冷却時のものである。

符号の説明

１０ 改質器
１１ 加熱部
１２ バーナー
１６ 冷却流体流路
２１ 改質部
３１ 原料ガスブロワ
３２ 燃焼空気ブロワ
３５ 水遮断弁
３６ 原料ガス遮断弁
３７ 選択酸化空気遮断弁
３８ 改質ガス遮断弁
４０、７０ 制御装置
４１ 圧力センサ
４２ 温度センサ
４５ 操作パネル
４９ 異常検出手段
６０ 燃料電池
１００ 燃料電池システム
ａ 冷却流体兼燃焼用空気
ｆ 燃焼用燃料
ｇ 改質ガス
ｒ 改質用原料
ｔ 酸化剤ガス

Claims (3)

1. 改質用原料を水蒸気改質して水素を主成分とする準改質ガスを生成する改質部と；
   前記準改質ガスから一酸化炭素濃度を低減した改質ガスを生成する一酸化炭素低減部と；
   前記改質用原料の改質に用いられる改質熱を発生させる加熱部と；
   前記改質熱により昇温した前記改質部を冷却する冷却流体を流す冷却流体流路と；
   前記改質ガスの生成を停止したときに前記冷却流体流路に前記冷却流体を流す強制冷却を行うか、又は前記改質ガスの生成を停止したときに前記冷却流体を流さない自然冷却を行うか、を制御する制御部とを備え；
   前記加熱部が、燃焼用燃料と燃焼用空気とを導入して前記燃焼用燃料を燃焼させるバーナーを有し；
   前記冷却流体流路が前記改質部とは連通せずに前記加熱部と連通し、前記強制冷却の際に前記燃焼用空気を前記冷却流体として前記冷却流体流路に流すように構成され；
   前記制御部に、前記強制冷却及び前記自然冷却のいずれを行わせるのかについての手動入力を受け付ける冷却指定手段を備え；
   前記改質部に前記改質用原料を供給する改質用原料供給手段と；
   前記改質部の温度を検出する改質部温度検出手段と；
   前記改質部の内部圧力を検出する改質部圧力検出手段と；
   前記改質部に前記改質用原料及び前記準改質ガスの少なくとも一方を密閉する密閉手段と；
   前記改質ガスの生成を停止したときに、前記改質部の温度が所定の温度以下となるまでは前記準改質ガスを前記改質部に封入し、前記改質部の温度が所定の温度以下となったときに前記改質用原料を前記改質部に封入すると共に、前記改質部の内部圧力が所定の圧力以下となったときに前記改質用原料を前記改質部に供給して前記改質部の内部圧力を上昇させるように、前記密閉手段及び前記改質用原料供給手段を制御する制御装置とを備える；
   改質器。
2. 請求項１に記載の改質器と；
   前記改質ガスと酸化剤ガスとを導入して発電する燃料電池とを備える；
   燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムに、前記自然冷却に優先して前記強制冷却を行う事情が発生したことを検出する強制冷却起動検出器と；
   前記強制冷却起動検出器が前記自然冷却に優先して前記強制冷却を行う事情が発生したことを検出したときに、前記制御部に前記強制冷却を行わせるように前記制御部を制御する制御装置とを備える；
   請求項２に記載の燃料電池システム。

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