JP5213703B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、水素及び酸素を用いて発電する燃料電池システムに関し、特に、可燃性物質の燃焼熱を利用して原料から水素を生成してこれを発電のための燃料として用いる燃料電池システムに関する。
従来から、高効率な小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステムの構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスが有する化学エネルギーを、所定の電気化学反応により、電気エネルギーに直接変換する。従って、燃料電池システムでは、発電運転の際、燃料電池に向けて燃料ガスと酸化剤ガスとが各々供給される。すると、燃料電池では、その供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが用いられる所定の電気化学反応が進行して、電気エネルギーが生成される。この燃料電池で生成される電気エネルギーが、燃料電池システムから負荷に向けて供給される。ここで、燃料電池システムは、通常、改質器及びブロアーを備えている。改質器では、天然ガス等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水とが用いられる水蒸気改質反応により、水素を豊富に含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスが、発電のための燃料として、燃料電池に供給される。尚、水蒸気改質反応は、改質器が有する改質触媒が例えば燃焼バーナーにより加熱されて進行する。又、ブロアーは、大気中から空気を吸入する。この空気が、発電のための酸化剤ガスとして、燃料電池に供給される。
ところで、従来の燃料電池システムでは、発電運転を停止する際、改質器への原料の供給が停止される。これにより、改質器から燃料電池への燃料ガスの供給が停止するので、燃料電池における電気化学反応の進行が停止して、燃料電池システムから負荷への電力の供給が停止する。ここで、改質器への原料の供給を停止した場合、その停止前に生成された燃料ガスが、発電運転の停止中に渡って燃料電池の内部及びその周辺部に滞留することになる。この場合、大気開放された燃焼バーナーから自然対流により滞留する燃料ガスに空気が混入すると、燃料ガスに含まれる水素が空気に含まれる酸素によって急激に酸化され、その酸化反応に伴う反応熱により燃料電池システムが損傷する恐れがある。
そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池システムの内部に燃料ガスが滞留することを防止するために、発電運転の停止時に窒素ガス等の不活性ガスを燃料ガスが滞留する経路内に供給して、その経路から押し出された燃料ガスを燃焼バーナーで燃焼させる構成が採用されている。かかる構成によれば、発電運転の停止中における燃料電池の内部等での燃料ガスの滞留が防止され、燃料ガスに含まれる水素が急激に酸化されることが防止されるので、安全性が確保された燃料電池システムを提供することが可能なる。
しかしながら、この従来の燃料電池システムでは、滞留する燃料ガスを窒素ガス等の不活性ガスで置換するために、窒素ボンベ等の不活性ガスの供給手段を燃料電池システムの内部若しくは近隣に配設する必要がある。そのため、燃料電池システムが大型化して、燃料電池システムを家庭用定置型分散発電装置又は電気自動車用電源として用いることが困難となる場合があった。又、窒素ガス等の不活性ガスの供給手段を既存の構成に加えて更に配設する必要があるため、燃料電池システムの初期コストが上昇するという問題があった。更に、この従来の燃料電池システムでは、窒素ボンベ等の不活性ガスの供給手段を定期的に交換若しくは補充する必要があるため、燃料電池システムのランニングコストが上昇するという問題があった。
又、この従来の燃料電池システムでは、発電運転の開始直後、改質器から燃料電池に一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが供給される。その理由は、発電運転の開始時では、改質器の運転温度が所定の温度に到達していないため、燃料ガス中の一酸化炭素が十分に除去されないからである。そして、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが例えば固体高分子電解質型燃料電池に供給される場合、その供給される一酸化炭素により、固体高分子電解質型燃料電池における燃料極の触媒が被毒される。この燃料極の触媒の被毒は、燃料電池において進行する電気化学反応の進行を著しく阻害する。そのため、従来の燃料電池システムでは、発電運転の停止及び開始の回数に応じて燃料電池の発電性能が劣化するという問題があった。
そこで、一般家庭や電気自動車内に設置し易くかつ触媒の被毒が進行し難い燃料電池システムを提供するために、発電運転の開始直後には燃料電池への燃料ガスの供給を停止すると共に、発電運転の停止後には燃料ガスの原料を置換ガスとして燃料電池の内部に注入する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この提案された燃料電池システムは、炭素及び水素を含む有機化合物を主成分とする原料から水素を豊富に含む燃料ガスを生成する改質器と、この改質器から燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路と、燃料電池から排出される発電に用いられなかった燃料ガス（以下、オフガスという）を改質器の燃焼バーナーに供給するオフガス供給経路と、燃料ガス供給経路とオフガス供給経路との間に設けられ燃料ガスの供給先を燃料電池から改質器の燃焼バーナーに切り替えるための第１のバイパス経路とを備えている。又、改質器に燃料ガスを生成するための原料を供給する原料供給部と、この原料供給部から燃料電池に改質器を迂回して原料を直接注入するための第２のバイパス経路とを備えている。
この提案された燃料電池システムでは、発電運転の開始直後、改質器で生成された一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスは、第１のバイパス経路を経由して、改質器の燃焼バーナーに供給される。そして、この燃焼バーナーにおいて、改質触媒を加熱するために燃焼される。一方、発電運転の開始後、改質器における改質触媒の温度が所定の温度にまで到達すると、改質器で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路を介して、燃料電池に供給される。そして、この燃料電池において、発電のための燃料として使用される。又、燃料電池から排出されるオフガスは、オフガス供給経路を介して、改質器の燃焼バーナーに供給される。そして、この燃焼バーナーにおいて、改質触媒を加熱するために燃焼される。
又、この提案された燃料電池システムでは、燃料電池システムの発電運転の停止後、第２のバイパス経路を介して、原料供給部から燃料電池の燃料ガス用流路に原料が置換ガスとして注入される。これにより、燃料電池システムの発電運転の停止中に渡って、燃料電池の内部及びその周辺部が窒素ガス等の不活性ガスに代えて原料により封止される。
かかる燃料電池システムによれば、発電運転の停止後、従来から配設されている原料供給部から燃料電池に原料を置換ガスとして注入するので、窒素ボンベ等の不活性ガスの供給手段を燃料電池システムの内部若しくは近隣に配設する必要が解消される。従って、燃料電池システムの大型化が防止されるので、燃料電池システムを家庭用定置型分散発電装置又は電気自動車用電源として用いることが可能になる。又、窒素ガス等の不活性ガスの供給手段を従来の構成に加えて更に配設する必要がないため、燃料電池システムの初期コストを抑えることが可能になる。又、窒素ボンベ等の不活性ガスの供給手段を定期的に交換等する必要がないため、燃料電池システムのランニングコストを抑えることが可能になる。
又、原料供給部から燃料電池に注入される原料は、燃料ガスに含まれる水素と比べて化学的に安定である。従って、発電運転の停止中に渡って燃料電池の内部に滞留する原料に空気が混入しても、急激な酸化反応が進行することはない。そのため、燃料電池に原料を注入することにより、酸化反応に伴う反応熱で燃料電池システムが損傷することを効果的に防止することができる。これにより、発電運転の停止中の安全性が確保された燃料電池システムを提供することが可能になる。
更に、この提案された燃料電池システムによれば、発電運転の開始直後においては一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスは燃料電池に供給されず、改質器における改質触媒の温度が所定の温度にまで到達して、一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスが生成されるようになった後、改質器から燃料電池に燃料ガスが供給されるので、固体高分子電解質型燃料電池における燃料極の触媒の被毒が解消される。従って、燃料電池において進行する電気化学反応の進行を阻害する要因が排除されるので、発電運転の停止及び開始の回数に応じて燃料電池の発電性能が劣化するという問題が解消される。
特開２００３−２２９１４９号公報
しかしながら、上記従来の提案では、改質器における改質触媒の温度が所定の温度にまで到達して、改質器から燃料電池への燃料ガスの供給を開始し始めた際には、発電運転の停止後に原料供給部から燃料電池に注入した原料が改質器から供給される燃料ガスにより燃料電池から押し出されて改質器の燃焼バーナーに所定の期間に渡り供給されるので、その所定の期間において燃焼バーナーでは酸素不足による不完全燃焼が発生して、大気中に一酸化炭素が排出されていた。
具体的に説明すると、改質器における燃焼バーナーは、水蒸気改質反応を進行させるために、基本的にはオフガスに含まれる水素を燃焼する。この際、水素を完全燃焼させるために、水素の供給量に応じた量の空気が、燃焼バーナーに隣接する燃焼ファンから供給される。
一方、改質器における改質触媒の温度が所定の温度にまで到達して、改質器から燃料電池への燃料ガスの供給が開始された際には、上述の如く燃焼バーナーには燃料電池から排出された少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料（例えば、天然ガス）が所定の期間に渡り供給される。ここで、上記原料を完全燃焼させるためには、水素を完全燃焼させるために必要となる量よりも多い量の空気が必要になる。しかしながら、燃焼ファンから燃焼バーナーへの空気の供給量は、上述の如く水素を完全燃焼させるための供給量とされている。そのため、燃焼バーナーでは、所定の期間に渡って酸素不足が発生するので、原料の不完全燃焼が進行する。これにより、天然ガス等の原料が燃焼バーナーに供給される所定に期間においては、燃焼バーナーは一酸化炭素を排出する。
このように、上記従来の提案では、発電運転を開始する際、改質器から燃料電池への燃料ガスの供給を開始し始めてから所定の期間に渡って、燃料電池システムから大気中に一酸化炭素が排出されていた。尚、一酸化炭素は、人体に対して甚だ有毒であることが知られている。例えば、一酸化炭素は、血液中のヘモグロビンと結合してカルボニルヘモグロビンを生成することで、ヘモグロビンの酸素運搬機能を著しく阻害する。従って、燃料電池システムが普及して、燃料電池システムから大気中へ大量の一酸化炭素が排出される場合、人体への悪影響が懸念される。
本発明はこのような事情に鑑みてなされてものであり、発電運転の開始時における一酸化炭素の排出を簡易な構成により効果的に抑制する、生態系への悪影響が低減された環境に優しい燃料電池システムを提供することを目的としている。
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスを改質反応により原料を改質して生成する燃料ガス生成器と、前記燃料ガス生成器に前記改質反応を進行させるための熱を供給する燃焼器と、前記燃焼器への燃焼用燃料の供給量を調整する燃焼用燃料供給器と、前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス経路と、前記燃料電池から前記燃焼器に前記発電に用いられなかった余剰の前記燃料ガスを供給するためのオフガス経路と、前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスが前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給されるよう前記燃料ガス経路と前記オフガス経路とを接続するためのバイパス経路と、前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスの供給先を前記燃料電池と前記バイパス経路との間で切り替えるための切替弁と、制御器とを備え、発電運転の開始時において、前記制御器が前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給する前に前記燃料電池の内部の燃料ガス用流路が前記原料により充填されている燃料電池システムであって、前記制御器が、前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給する際、前記空気供給器から前記燃焼器への空気の供給量を維持させるよう制御しながら、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる。
かかる構成とすると、燃料ガス生成器で生成された燃料ガスをバイパス経路に替えて燃料電池に供給する前に燃料電池の内部が原料により充填されている構成の燃料電池システムにおいて、燃焼器に向けて適切な供給量で燃焼用燃料が供給されるので、発電運転の開始時における燃料電池システムからの一酸化炭素の排出を効果的に抑制することが可能になる。
この場合、前記燃焼用燃料供給器が前記燃料ガス生成器への原料の供給量を調整する原料供給器であって、前記制御器は、前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給する際、前記原料供給器を制御して前記原料の供給量を減少させる。
かかる構成とすると、燃焼用燃料供給器が燃料ガス生成器への原料の供給量を調整する原料供給器であるので、従来の燃料電池システムの構成に対して格別の構成を追加することなく、原料供給器を制御して原料の供給量を減少させることで、燃焼器への燃焼用燃料の供給量を減少させることが可能になる。
上記の場合、前記制御器が、前記燃料電池の内部に充填されている前記原料の組成に応じて前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量が減少するよう前記燃焼用燃料供給器を制御する。
かかる構成とすると、燃料電池の内部に充填されている原料の組成に応じて燃焼器への燃焼用燃料の供給量が減少されるので、燃料電池の内部に充填する原料の種類が限定されることを解消することが可能になる。
又、上記の場合、前記制御器が、前記空気供給器から前記燃焼器への空気の供給量を維持させるよう制御しながら、空気比１以上を満たすように前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる。
かかる構成とすると、空気供給器から燃焼器への空気の供給量が維持される場合において、空気比１以上を満たすように燃焼器への燃焼用燃料の供給量が減少されるので、発電運転の開始時における燃料電池システムからの一酸化炭素の排出を確実に抑制することが可能になる。
又、上記の場合、前記制御器が、前記燃料ガス生成器が所定の運転条件を満足するまでは前記切替弁により前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスが前記バイパス経路を介して前記燃焼器に供給されるよう制御し、前記所定の運転条件を満足した場合には、前記切替弁により前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスの供給先を前記バイパス経路から前記燃料電池に切り替えると共に、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる。
かかる構成とすると、燃料ガス生成器が所定の運転条件を満足するまでは一酸化炭素を高濃度に含有する燃料ガスが燃料電池に供給されることなく燃焼器に供給されるので、燃料電池における燃料極の触媒の被毒が抑制される。そして、燃料ガス生成器が所定の運転条件を満足した場合に燃料ガスが燃料電池に供給されると共に燃焼器への燃焼用燃料の供給量が減少されるので、燃料ガス生成器から燃料電池に燃料ガスを供給する際において燃料電池システムからの一酸化炭素の排出を効果的に抑制することが可能になる。
又、上記の場合、前記制御器が、前記切替弁により前記バイパス経路を遮断して前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給可能とする前に、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる。
かかる構成とすると、燃料ガス生成器から燃料電池に燃料ガスを供給可能とする前に燃焼器への燃焼用燃料の供給量を予め減少させるので、燃料電池システムからの一酸化炭素の排出を確実にかつ効果的に抑制することが可能になる。
又、上記の場合、前記制御器が、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させた後、所定時間の経過を以て前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を増加させる。
かかる構成とすると、所定時間の経過を以て燃焼器への燃焼用燃料の供給量を増加させるので、燃焼器への燃焼用燃料の供給量の変化を好適に制御することが可能になる。
又、上記の場合、前記燃焼器から排出される排ガス中の一酸化炭素を検出するＣＯ検出器を更に備え、前記制御器が、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させた後、前記ＣＯ検出器の出力値の所定値以下への低下又は前記ＣＯ検出器の出力値に基づく前記一酸化炭素の濃度の所定濃度以下への低下を以て前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を増加させる。
かかる構成としても、燃焼器から排出される排ガス中の一酸化炭素を検出するＣＯ検出器を更に備えているので、燃焼器への燃焼用燃料の供給量の変化を好適に制御することが可能になる。
又、上記の場合、前記制御器が、前記燃焼用燃料供給器を制御して、前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を１以上のステップを含むよう段階的に、又は、連続的に減少させるよう制御する。
かかる構成とすると、燃焼器への燃焼用燃料の供給量を理想的に減少させることができるので、一酸化炭素の排出量を効果的に抑制することが可能になる。
又、上記の場合、前記原料が炭化水素ガスである。
かかる構成とすると、炭化水素ガスとして一般的に普及している天然ガスやプロパンガス等を原料として用いることができるので、発電運転の開始時において一酸化炭素の排出が抑制される好適な燃料電池システムを容易に構成することが可能になる。
又、上記の場合、前記原料を供給するための原料供給器を備え、前記制御器が、停止動作時又は起動動作時に、前記原料供給器から前記燃料電池に前記原料を供給することにより前記燃料電池の内部を前記原料により充填させる。
かかる構成とすると、燃料電池の内部に原料を供給することが可能な原料供給器を備えているので、燃料電池システムの停止動作時又は起動動作時において、燃料電池の内部が原料により容易に充填される。
又、上記の場合、前記燃焼器若しくは前記オフガス経路に所定のガスの濃度を検知するガス濃度検知器を備え、前記制御器が、前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給可能とした後に、前記ガス濃度検知器の出力信号に基づき、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる。
かかる構成とすると、燃焼器若しくはオフガス経路に所定のガスの濃度を検知するガス濃度検知器を備え、このガス濃度検知器の出力信号に基づき、燃焼用燃料供給器を制御して燃焼器への燃焼用燃料の供給量を減少させるので、燃焼器への燃焼用燃料の供給量がより一層理想的に減少され、これにより、一酸化炭素の排出量をより一層効果的に抑制することが可能になる。
この場合、前記制御器が、前記ガス濃度検知器により原料濃度の増加が検知されると、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる。
かかる構成とすると、ガス濃度検知器により原料濃度の増加が検知された場合に燃焼器への燃焼用燃料の供給量を減少させるので、発電運転の開始時における燃料電池システムからの一酸化炭素の排出を好適に抑制することが可能になる。
この場合、前記ガス濃度検知器として、前記燃焼器にフレームロッド式の火炎検知器を備え、前記原料が、炭化水素を含むガスであり、前記制御器が、前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給可能とした後に、前記火炎検知器により、前記原料濃度の増加が検知されると、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる。
かかる構成とすると、ガス濃度検知器として、燃焼器が一般的に有するフレームロッド式の火炎検知器を備えているので、格別のガス濃度検知器を追加することなく、従来の燃料電池システムの構成において、発電運転の開始時における一酸化炭素の排出を抑制することが可能になる。
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムによれば、発電運転の開始時における一酸化炭素の排出を簡易な構成により効果的に抑制する、生態系への悪影響が低減された環境に優しい燃料電池システムを提供することが可能になる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス、電気信号等が流れる経路を示している。又、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガス又は酸化剤ガス等の通常運転時における流動方向を示している。又、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、その発電部の本体としての燃料電池１を備えている。この燃料電池１としては、本実施の形態では、固体高分子電解質型燃料電池を用いている。この燃料電池１は、後述する燃料ガス生成器から排出されて燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、後述するブロアー３により燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに供給される酸化剤ガス（通常、空気）とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。換言すれば、燃料電池１は、燃料ガス及び酸化剤ガスが有する化学エネルギーを、所定の反応触媒により進行する所定の電気化学反応によって、電気エネルギーに直接変換する。かかるエネルギー変換により、燃料電池１は、燃料電池システム１００に接続される負荷に向けて電気エネルギーを供給する。
本実施の形態では、燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに供給される酸化剤ガスは、燃料電池１の内部で発電のために使用した後の酸化剤ガスが有する水分が利用されて、予め所定の加湿状態に調整される。尚、酸化剤ガスの加湿度が不足する場合には、図１では特に図示しない貯水タンクに貯えられている水の一部を燃料電池１の内部で蒸発させることにより、酸化剤ガスの加湿度が適切な加湿度に調整される。又、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに供給される燃料ガスは、上述した燃料ガス生成器において、予め所定の加湿状態に調整される。
又、発電運転の際、上記エネルギー変換のための所定の電気化学反応により、燃料電池１は発熱する。この燃料電池１において発生する熱は、燃料電池１の内部に形成された図１では特に図示しない冷却水用流路に供給される冷却水により、逐次回収される。この冷却水により回収される熱は、後述する熱交換器４において、後述する貯湯タンク５から供給される水を加熱するために利用される。
尚、燃料電池１の内部構成に関する詳細な説明については、燃料電池１の内部構成と一般的な固体高分子電解質型燃料電池の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、本発明に係る燃料ガス生成器として、少なくとも改質器２を備えている。この改質器２は、天然ガス（メタンが主な成分）、プロパンガス等の炭化水素系成分、メタノール等のアルコール、或いは、ナフサ成分等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水とが用いられる水蒸気改質反応を主に進行させ、この水蒸気改質反応により水素を豊富に含む燃料ガスを生成する。この改質器２への原料の供給量の調整は、本発明に係る原料供給器の一例である後述の原料供給装置１０によって行われる。この際、改質器２への原料の供給の断続は、開閉弁７ａによって行われる。ここで、この燃料ガス生成器は、図１では特に図示しないが、水蒸気改質反応を進行させるための改質部と、この改質部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するための変成部及び浄化部とを備えている。
改質部は、水蒸気改質反応を進行させるための図１では特に図示しない改質触媒と、この改質触媒を加熱するために例えば燃料電池１から排出されるオフガスを燃焼する燃焼バーナー２ａと、この燃焼バーナー２ａでのオフガス等の燃焼に必要となる空気を大気中から供給する燃焼ファン２ｂとを備えている。ここで、燃焼バーナー２ａは、燃料電池１から排出されるオフガス、燃料ガス生成器で生成される燃料ガス、及び、原料供給装置１０により供給される原料等の内の少なくとも何れかの燃焼用燃料を燃焼して、これにより改質部の改質触媒を加熱するための熱エネルギーを生成する。
又、変成部は、改質部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を水との反応によって低減するための変成触媒を備えている。又、浄化部は、変成部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を酸化反応或いはメタン化反応によって更に低減するためのＣＯ除去触媒を備えている。尚、この変成部及び浄化部は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を効果的に低減するために、各々において進行する化学反応に適した温度条件の下、各々運転される。
尚、燃料ガス生成器の内部における上述した改質部及び変成部及び浄化部以外の構成に関する詳細な説明については、燃料ガス生成器の内部構成と一般的な改質器の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、原料供給装置１０を備えている。この原料供給装置１０は、燃料電池システム１００の発電運転時等において、天然ガスのインフラストラクチャー等から供給される天然ガス等の原料を昇圧する昇圧ポンプであり、上述した開閉弁７ａを介して、改質器２に原料を供給する。ここで、この原料供給装置１０は、後述する制御器１０１により出力が制御されることによって、必要に応じて改質器２に対する原料の供給量を適宜調整することが可能に構成されている。
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、ブロアー３を備えている。このブロアー３は、大気中から空気を吸入することにより、燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに酸化剤ガスとしての空気を供給する。このブロアー３としては、シロッコファン等が好適に用いられる。
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、熱交換器４を備えている。この熱交換器４は、燃料電池１の図１では特に図示しない冷却水用流路からポンプ６ａの動作により排出される温度上昇した冷却水と、給湯等の目的のために後述する貯湯タンク５からポンプ６ｂにより供給される水との間で熱を交換する。この熱交換器４において熱が交換されて冷却された冷却水は、ポンプ６ａの動作により、燃料電池１の冷却水用流路に向けて再び供給される。
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、貯湯タンク５を備えている。この貯湯タンク５は、熱交換器４において加熱された水を貯える。ここで、貯湯タンク５に貯えられる水は、ポンプ６ｂの動作により、熱交換器４を介して循環される。この際、貯湯タンク５から供給される水は、熱交換器４において、燃料電池１からポンプ６ａの動作により排出される温度上昇した冷却水の熱により加熱される。この熱交換器４で加熱された水が、貯湯タンク５に貯えられる。そして、貯湯タンク５に貯えられる加熱された水は、必要に応じて、給湯等のために利用される。
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００では、燃料ガス生成器で生成された燃料ガスを燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに供給するための第１経路Ｒ１及び第４経路Ｒ４の接続部に、三方弁８が配設されている。又、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａから排出されるオフガスを改質器２の燃焼バーナー２ａに供給するための第５経路Ｒ５の途中に、開閉弁７ｂが配設されている。又、三方弁８と第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３の接続部との間に、燃料ガス生成器で生成された燃料ガスを燃料電池１に供給せずに燃焼バーナー２ａに直接供給するための第２経路Ｒ２（バイパス経路）が配設されている。そして、図１に示すように、第１経路Ｒ１と第２経路Ｒ２と第３経路Ｒ３とにより、第１の燃料ガス経路Ａが構成されている。又、図１に示すように、第１経路Ｒ１と第４経路Ｒ４と燃料ガス用流路１ａと第５経路Ｒ５と第３経路Ｒ３とにより、第２の燃料ガス経路Ｂが構成されている。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、開閉弁７ｂ及び三方弁８を操作することにより、燃料ガス生成器から排出される燃料ガスを必要に応じて燃料電池１に供給することなく燃焼バーナー２ａに直接供給することが可能に構成されている。ここで、本実施の形態では、第１経路Ｒ１と第４経路Ｒ４とにより、燃料ガス生成器で生成された燃料ガスを燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに供給するための燃料ガス経路が構成されている。又、本実施の形態では、第５経路Ｒ５と第３経路Ｒ３とにより、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａから排出されるオフガスを改質器２の燃焼バーナー２ａに供給するためのオフガス経路が構成されている。
更に、この燃料電池システム１００は、制御器１０１を備えている。この制御器１０１は、燃料電池システム１００を構成する各構成要素の動作を適宜制御する。ここで、この制御器１０１は、例えば、図１では特に図示しないが、記憶部、計時部、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。尚、燃料電池システム１００の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御器１０１の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御器１０１が燃料電池システム１００の動作を適宜制御する。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
ここで、以下の説明では、燃料電池システム１００の停止動作時又は起動動作時において、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ及びその周辺部に置換ガスとしての少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料（本実施の形態では、炭化水素ガスである天然ガス）が予め充填されているとする。この燃料電池１等への原料の充填は、図１に示す原料供給装置１０により燃料電池１等に向けて原料が供給されることにより行われる。又、本実施の形態では、「起動動作時」とは「制御器１０１から起動指令が出力されてから燃料電池１の図１では特に図示しない発電制御部により電流が燃料電池１から取り出される迄」をいい、「停止動作時」とは「制御器１０１から停止指令が出力されてから燃料電池システム１００全体の動作が完全に停止する迄」をいう。
燃料電池システム１００は、制御器１０１の制御によって以下の動作を行う。
先ず、図１に示す燃料電池システム１００の発電運転を開始する際には、燃料電池１の発電運転において必要となる水素を豊富に含む燃料ガスを生成するために、燃料ガス生成器を作動させる。具体的には、水素を生成するための原料となる天然ガスを、図１に示す原料供給装置１０により改質器２に供給する。又、水蒸気改質反応を進行させるための水蒸気を生成するために、水道等のインフラストラクチャーから改質器２に水を供給する。又、改質器２において水蒸気改質反応を進行させるために、改質器２に設けられている改質触媒を燃焼バーナー２ａにより加熱する。
燃料電池システム１００の発電運転の開始当初では、改質器２における改質触媒の温度は、燃焼バーナー２ａにより加熱されて緩やかに温度上昇するため、所定の温度にまで到達していない。そのため、改質器２における水蒸気改質反応が好適に進行しないので、燃料ガス生成器から排出される燃料ガスには、大量の一酸化炭素が含まれている。そこで、本実施の形態では、燃料電池システム１００の発電運転の開始時、改質器２における改質触媒の温度が所定の温度に到達しかつ良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、制御器１０１により三方弁８が制御されて第１経路Ｒ１と第２経路Ｒ２とが接続されると共に、開閉弁７ｂが閉状態とされて、第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２及び第３経路Ｒ３により第１の燃料ガス経路Ａが形成される。そして、この第１の燃料ガス経路Ａに、燃料ガス生成器で生成された一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが供給される。これにより、燃焼バーナー２ａに、第１の燃料ガス経路Ａを介して、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが供給される。すると、燃焼バーナー２ａは、その供給される一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスを燃焼して、改質器２における改質触媒を加熱する。そして、改質触媒の温度が、所定の温度にまで加熱される。尚、燃焼バーナー２ａにおいて燃焼された燃料ガスは、排燃焼ガスとして燃料電池システム１００の外部に排出される。
又、この際、燃焼バーナー２ａにおいて一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスを燃焼させるために、燃焼ファン２ｂにより燃焼バーナー２ａに空気が供給される。この燃焼ファン２ｂによる燃焼バーナー２ａへの空気の供給量は、原料供給装置１０により改質器２に供給される天然ガス等の原料の供給量に応じて、適宜設定される。
具体的に説明すると、燃料電池システム１００の発電運転の開始後、改質器２では、理論的には、（１）式に示す化学反応によって天然ガスから水素が生成される。ここで、原料供給装置１０により改質器２に供給される天然ガスの供給量を便宜上Ｑ（Ｌ／分）とすると、（１）式に示す化学反応によれば、燃料ガス生成器から排出される水素の排出量は４Ｑ（Ｌ／分）となる。そこで、本実施の形態では、燃料ガス生成器から排出されて第１の燃料ガス経路Ａを介して４Ｑ（Ｌ／分）の割合で燃焼バーナー２ａに供給される水素を完全燃焼させるために、燃焼ファン２ｂから燃焼バーナー２ａに、（２）式に示す燃焼反応を進行させるべく、２Ｑ（Ｌ／分）の割合で酸素を供給する。この際、制御器１０１は、燃焼バーナー２ａへの酸素の供給量が２Ｑ（Ｌ／分）となるように、燃焼ファン２ｂの回転数を制御する。
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ2 ・・・（１）
４Ｈ2＋２Ｏ2→４Ｈ2Ｏ ・・・（２）
つまり、本実施の形態では、燃焼ファン２ｂによる燃焼バーナー２ａへの空気の供給量を、改質器２において理論的に生成される水素の生成量、即ち、原料供給装置１０により改質器２への天然ガスの供給量を基準として設定する。これにより、燃焼バーナー２ａにおいて、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが燃焼される。そして、この燃焼バーナー２ａにおいて発生する熱エネルギーにより、改質器２における改質触媒が加熱される。
その後の動作について、本発明をより具体的に説明するために、図２を参照しながら詳細に説明する。
図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示す流れ図である。
図２に示すように、燃焼バーナー２ａにおける一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスの燃焼により発生する熱で改質器２における改質触媒の温度が上昇すると、その改質触媒の温度が水蒸気改質反応に好適な所定の温度にまで到達したか否かが、制御器１０１によって判定される（ステップＳ１）。ここで、改質触媒の温度は、例えば、改質触媒に埋設された温度センサにより検出される。この温度センサの出力信号は、制御器１０１に入力される。そして、制御器１０１において出力信号の解析が行われることにより、改質触媒の温度が認識される。尚、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達していないと判定された場合（ステップＳ１でＮＯ）、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと判定されるまで、燃焼バーナー２ａによる改質触媒の加熱が継続される。
一方、ステップＳ１において、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと制御器１０１が判定すると（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御器１０１は、燃焼ファン２ｂの風量を維持させたまま、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を減少させるように制御する（ステップＳ２）。
具体的に説明すると、後述するステップＳ３の後に燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から排出されて（押し出されて）燃焼バーナー２ａに供給される天然ガスの供給量は、燃料ガス生成器から燃料ガス用流路１ａに向けて供給される燃料ガスの供給量に概ね等しい。例えば、上述した（１）式によれば、改質器２に供給される天然ガスの供給量がＱ（Ｌ／分）の場合、燃料ガス生成器からはＱ（Ｌ／分）の二酸化炭素と４Ｑ（Ｌ／分）の水素とが排出される。従って、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から燃焼バーナー２ａへは、５Ｑ（Ｌ／分）の割合で天然ガスが供給されることになる。
ところで、（３）式に示すように、５Ｑ（Ｌ／分）の割合で供給される天然ガスを完全燃焼して、天然ガスを二酸化炭素及び水に変換するためには、燃焼バーナー２ａに向けて１０Ｑ（Ｌ／分）の割合で酸素を供給する必要がある。しかしながら、上述したように、燃料電池システム１００の発電運転の開始時は、燃焼バーナー２ａへの酸素の供給量は、改質器２への天然ガスの供給量に応じて、２Ｑ（Ｌ／分）とされている。そのため、燃焼バーナー２ａでは、供給される天然ガスの不完全燃焼が進行する。そして、この不完全燃焼により、燃料電池システム１００から一酸化炭素が排出されるようになる。
５ＣＨ4＋１０Ｏ2→５ＣＯ2＋１０Ｈ2Ｏ ・・・（３）
そこで、本実施の形態では、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から排出されて燃焼バーナー２ａに供給される天然ガスを完全燃焼させるために、ステップＳ３として示す開閉弁７ｂ及び三方弁８の制御による第２の燃料ガス経路Ｂの形成の前に、ステップＳ２として、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を適切に減少させる。そして、これにより、第２の燃料ガス経路Ｂが形成された場合の、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から押し出されて燃焼バーナー２ａに供給される天然ガスの供給量を、２Ｑ（Ｌ／分）の割合で供給される酸素の供給量に対応するよう適切に減少させる。
ここで、原料供給装置１０による改質器２へ向けての原料供給量の減少量は、本実施の形態では、（３）式に基づいて約１／５倍（約２／１０倍）としている。これにより、燃焼バーナー２ａへの天然ガスの供給量がＱ（Ｌ／分）となるので、燃焼ファン２ｂから燃焼バーナー２ａへの酸素の供給量が２Ｑ（Ｌ／分）に維持されていても、燃焼バーナー２ａではＱ（Ｌ／分）の割合で供給される天然ガスが概ね完全に燃焼され、燃料電池システム１００の外部への一酸化炭素の排出が抑制されるようになる。
換言すれば、本実施の形態では、制御器１０１が、燃焼ファン２ｂから燃焼バーナー２ａへの空気の供給量を維持させるよう制御しながら、空気比１以上を満たすように燃焼バーナー２ａへの天然ガスの供給量を減少させるよう、原料供給装置１０の動作を適切に制御する。ここで、空気比とは、燃焼用燃料が完全燃焼するのに必要な理論空気量に対する実際の空気量の比をいう。
ここで、原料供給装置１０による改質器２への原料の供給量の減少形態は、如何なる減少形態としてもよい。
図３は、原料供給装置１０による改質器２に供給する原料の供給量の減少形態を模式的に示す模式図である。尚、図３（ａ）〜図３（ｃ）において、縦軸は原料供給装置１０により調整された改質器２への原料の供給量を示しており、横軸は経過時間を示している。
図３に示すように、図２に示すステップＳ２においては、原料供給装置１０による改質器２への原料の供給量の減少を、例えば、図３（ａ）に示す曲線ａの如く一段階で減少させてもよく、又、図３（ｂ）の曲線ｂの如く段階的に減少させてもよい。又、図３（ｃ）に示す曲線ｃの如く、緩やかに減少させてもよい。かかる図３（ａ）〜図３（ｃ）の何れの減少形態によっても、燃焼バーナー２ａにおける天然ガスの不完全燃焼を効果的に抑制することが可能になる。
さて、ステップＳ２において原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量が減少された後、制御器１０１は、三方弁８及び開閉弁７ｂを制御して、第１経路Ｒ１と第４経路Ｒ４と燃料ガス用流路１ａと第５経路Ｒ５と第３経路Ｒ３とによって第２の燃料ガス経路Ｂを形成する（ステップＳ３）。
この時、改質器２における改質触媒の温度は水蒸気改質反応を好適に進行させることが可能な所定の温度にまで到達しているので、燃料ガス生成器からは一酸化炭素が十分に低減された燃料ガスが排出される。そして、燃料ガス生成器で生成された一酸化炭素が十分に低減された燃料ガスが、第１経路Ｒ１及び第４経路Ｒ４を介して、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等に供給される。すると、燃料ガス生成器から燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等に燃料ガスが供給されることにより、予め燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ及びその周辺部に注入されている置換ガスとしての天然ガスが押し出される。この天然ガスは、第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３を介して、燃焼バーナー２ａに供給される。
燃焼バーナー２ａでは、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から押し出された天然ガスが、燃焼ファン２ｂから供給される空気が用いられて燃焼される。この際、上述の如く改質器２への原料の供給量を減少させることにより、原料（天然ガス）を完全燃焼させるために必要な量の酸素が燃焼ファン２ｂによって供給されていることになるので、燃焼バーナー２ａでは天然ガスが完全燃焼される。これにより、燃料電池システム１００の外部への一酸化炭素の排出が抑制される。
原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を減少させ、燃焼バーナー２ａへの天然ガスの供給量を減少させた後、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から天然ガスの全量が排出され、かつ燃焼バーナー２ａにおいてその全量の天然ガスが燃焼される所定の時間が経過したと制御器１０１の計時部が判定すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量が増加される（ステップＳ５）。
具体的には、例えば、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を１／５Ｑ（Ｌ／分）から２Ｑ（Ｌ／分）とするよう減少前の原料供給量に戻すべく、制御器１０１が原料供給装置１０の流量調整部の動作を制御する。尚、このステップＳ５以降、燃焼バーナー２ａは、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａから排出されるオフガスを燃焼する。これにより、改質器２における改質触媒の温度が、水蒸気改質反応を進行させるための所定の温度に維持される。
ここで、ステップＳ４でＹＥＳと判定される上述した「所定の時間」とは、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａと第５経路Ｒ５と第３経路Ｒ３との内容積の和をＶ（Ｌ）とし、燃焼バーナー２ａへの天然ガスの供給量をＸ（Ｌ／分）とする場合、（４）式により算出されるＴ（分）として定義される。
Ｔ≧Ｖ／Ｘ ・・・（４）
尚、上記ステップＳ３以降、燃料ガス生成器から燃料電池１に燃料ガスが供給されると、燃料電池１は以下の如く発電動作を開始する。
即ち、燃料ガス生成器から燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスが供給されると共に、ブロアー３から燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに空気が供給されると、燃料電池１では、そのアノード側及びカソード側に供給される燃料ガス及び空気が用いられて、所定の電力を出力するべく発電が行われる。尚、発電に用いられなかったオフガスは、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａから排出された後、第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３を介して燃焼バーナー２ａに供給される。そして、この燃焼バーナー２ａにおいて、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。又、燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂから排出される排空気は、燃料電池システム１００の外部に排出される。
又、この発電運転の際、燃料電池１は、発電のための電気化学反応によって発熱する。この燃料電池１で発生する熱は、冷却水がポンプ６ａにより燃料電池１の内部に形成されている図１では特に図示しない冷却水用流路に循環されることにより、逐次回収される。そして、このポンプ６ａにより循環される冷却水によって回収された熱は、熱交換器４において、貯湯タンク５からポンプ６ｂによって循環される水の加熱のために利用される。
尚、本実施の形態では、燃料ガスを生成するための原料として天然ガスが用いられ、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ及びその周辺部に予め天然ガスが置換ガスとして充填されている形態について説明したが、かかる形態に限定されることはない。例えば、燃料ガスを生成するための原料としてプロパンガスが用いられ、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等に予めプロパンガスが置換ガスとして充填されていてもよい。
この場合、改質器２においては、（５）式に示す化学反応によって、プロパンガスと水とが用いられて水素が生成される。ここで、原料供給装置１０により改質器２に供給されるプロパンガスの供給量をＱ（Ｌ／分）とすると、（５）式に示す化学反応によれば、燃料ガス生成器から排出される水素の排出量は１０Ｑ（Ｌ／分）となる。従って、燃焼バーナー２ａに１０Ｑ（Ｌ／分）の割合で供給される水素を完全燃焼させるためには、（６）式に基づいて、５Ｑ（Ｌ／分）の割合で酸素を供給すればよい。この際、制御器１０１は、燃焼バーナー２ａへの酸素の供給量が５Ｑ（Ｌ／分）となるように、燃焼ファン２ｂの回転数を制御すればよい。
Ｃ3Ｈ8＋６Ｈ2Ｏ→３ＣＯ2＋１０Ｈ2 ・・・（５）
１０Ｈ2＋５Ｏ2→１０Ｈ2Ｏ ・・・（６）
一方、上記の場合、図２のステップＳ３が実行され、開閉弁７ｂ及び三方弁８の制御により第２の燃料ガス経路Ｂが形成された場合、燃焼バーナー２ａに１３Ｑ（Ｌ／分）の割合で供給されるプロパンガスを完全燃焼させるためには、（７）式に基づいて６５Ｑ（Ｌ／分）の割合で酸素を供給する必要がある。そこで、図２のステップＳ３として示す開閉弁７ｂ及び三方弁８の制御による第２の燃料ガス経路Ｂの形成前、ステップＳ２として、原料供給装置１０により改質器２へのプロパンガスの供給量を減少させて、これにより、燃焼バーナー２ａへのプロパンガスの供給量を減少させる。具体的には、原料供給装置１０により改質器２へのプロパンガスの供給量を約１／１３倍（約５／６５倍）とすることにより、燃焼バーナー２ａへのプロパンガスの供給量を約１／１３倍とする。
１３Ｃ3Ｈ8＋６５Ｏ2→３９ＣＯ2＋４２Ｈ2Ｏ ・・・（７）
このように、本発明では、燃料電池１の内部に充填される置換ガスの種類に応じて、所定の期間、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を減少させる点を、技術的な特徴としている。
又、本実施の形態では、第２の燃料ガス経路Ｂを形成する前に原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を減少させる形態について説明したが、かかる形態に限定されることはなく、第２の燃料ガス経路Ｂを形成した後に、或いは、第２の燃料ガス経路Ｂの形成と同時に、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を減少させる形態としてもよい。かかる構成としても、本実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。但し、第２の燃料ガス経路Ｂの形成後に改質器２への原料の供給量を減少させる場合は、燃料電池１等から押し出された天然ガスが第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３を介して燃焼バーナー２ａに供給される前に、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を減少させる。
又、本実施の形態では、図２に示すステップＳ１において改質触媒の温度を検知する形態について説明したが、かかる形態に限定されることはなく、燃料ガス生成器を構成する改質部及び変成部及び浄化部の少なくとも何れかの構成要素の運転温度を検知する形態としてもよい。かかる構成としても、本実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
更に、本実施の形態では、燃料電池システム１００が固体高分子電解質型燃料電池を燃料電池１として備える形態について説明しているが、このような形態に限定されることはない。例えば、燃料電池システム１００がリン酸型燃料電池やアルカリ型燃料電池等を燃料電池１として備える形態としてもよい。かかる構成としても、本実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図４においても、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は水や燃料ガス又は酸化剤ガス等が流れる経路を示しており、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガス又は酸化剤ガス等の通常運転時における流動方向を示している。又、図４においても、本発明を説明するために必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。又、図４において、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
図４に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と概ね同一の構成を備えている。しかし、本実施の形態に係る燃料電池システム２００の構成は、ＣＯセンサ９を備えている点で、実施の形態１で示す燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、実施の形態１で示す燃料電池システム１００の構成と同様である。
上述したように、本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、ＣＯセンサ９を備えている。このＣＯセンサ９は、燃焼バーナー２ａから排出される排燃焼ガス中の一酸化炭素の濃度変化を電気信号の変化として制御器１０１に出力する。制御器１０１は、ＣＯセンサ９から出力される電気信号を解析することにより、例えば、排燃焼ガスに含まれる一酸化炭素の濃度変化を検知する。そして、本実施の形態では、図２のステップＳ４で示した「所定の時間」に代えて、燃焼バーナー２ａから排出される排燃焼ガス中の一酸化炭素の濃度が「所定の閾値濃度」以下になったことが制御器１０１により判定された場合に、原料供給装置１０の出力制御により改質器２への原料の供給量を増加させる。
具体的に説明すると、燃焼バーナー２ａにおいて、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ及びその周辺部に充填されていた天然ガスが燃焼される場合、（３）式に示すように二酸化炭素及び水が主たる生成物として生成される一方で、不完全燃焼により微量の一酸化炭素が発生する場合がある。そこで、本実施の形態では、ＣＯセンサ９によって検出される排燃焼ガス中の一酸化炭素の濃度が、例えば、１０ｐｐｍから所定の閾値濃度としての３ｐｐｍ以下になった場合、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を増加させることとしている。
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示す流れ図である。
図５に示すように、本実施の形態では、実施の形態１の場合と同様、改質器２における改質触媒の温度が所定の温度に到達したと判定されると（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御器１０１は、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を減少させるよう制御する（ステップＳ２）。又、その後、制御器１０１は、開閉弁７ｂ及び三方弁８を制御して、第１経路Ｒ１と第４経路Ｒ４と燃料ガス用流路１ａと第５経路Ｒ５と第３経路Ｒ３とによって第２の燃料ガス経路Ｂを形成する（ステップＳ３）。そして、本実施の形態では、図５に示すように、燃焼バーナー２ａから排出される排燃焼ガス中の一酸化炭素の濃度が所定の閾値濃度以下になったことが確認された場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御器１０１は、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を増加させる（ステップＳ５）。
かかる構成によれば、排燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度が所定の閾値濃度以下となり、置換ガスとしての天然ガスの燃焼が完全に終了したことが確認された後、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を増加させることができる。
ここで、本実施の形態では、燃焼バーナー２ａから排出される排燃焼ガス中の一酸化炭素の濃度に基づいて原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を増加させる形態について説明したが、かかる形態に限定されることはない。例えば、燃焼バーナー２ａから排出される排燃焼ガス中の一酸化炭素の濃度に代えて、ＣＯセンサ９から出力される電気信号の出力値に基づいて原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を増加させる形態としてもよい。
具体的には、本実施の形態に係る燃料電池システム２００において、ＣＯセンサ９が燃焼バーナー２ａから排出される排燃焼ガス中の一酸化炭素の濃度変化を電気信号の変化として制御器１０１に出力する場合、制御器１０１が、ＣＯセンサ９から出力される電気信号の出力値（例えば、電圧値）を検知する。そして、図２のステップＳ４で示した「所定の時間」や、図５のステップＳ４で示した「所定の閾値濃度」に代えて、燃焼バーナー２ａから排出される排燃焼ガス中の一酸化炭素の濃度に対応するＣＯセンサ９からの出力値が「所定の出力値」以下になったことが制御器１０１により確認された場合に、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を増加させる。このような構成とすると、制御器１０１において燃焼バーナー２ａから排出される排燃焼ガス中の一酸化炭素の濃度を演算する必要がなくなるので、制御器１０１の記憶部に予め記憶させるプログラムを簡略化することができる。
尚、その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。
（実施の形態３）
実施の形態１及び２では、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量の減少形態として、一段階に減少させる形態、段階的に減少させる形態、或いは、緩やかに減少させる形態を例示した。しかしながら、燃焼バーナー２ａにおける燃焼反応を理想的に進行させるためには、燃焼バーナー２ａにおいて失火や不完全燃焼が発生しないように、燃焼バーナー２ａに供給される燃焼用燃料の組成に応じて、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量が適切に減少される形態が望ましい。
そこで、本発明に係る切替手段である三方弁８により、改質器２で生成された燃料ガスを第２経路Ｒ２に替えて燃料電池１に供給する際に、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を単に減少させる形態に代えて、燃焼バーナー２ａに供給される燃焼用燃料の組成（実際には、水素と天然ガスとの組成比）を所定の検知手段により逐次検知し、その検知結果に応じて、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を適切に減少させることが好ましい。本発明に係るオフガス経路Ｒ３，Ｒ５若しくは燃焼バーナー２ａにおける水素濃度若しくは原料濃度の何れか一方の濃度を検知すれば、他方の濃度も推定可能であることから、本実施の形態では、本発明に係る原料濃度検知器として燃焼バーナー２ａにフレームロッド式の火炎検知器１１を備え、この火炎検知器１１により検知された原料濃度が増加すると、燃焼バーナー２ａへの燃焼用燃料（原料）の供給量が減少するよう制御する。以下に、その詳細な構成について説明する。
図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図６においても、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は水や燃料ガス又は酸化剤ガス等が流れる経路を示しており、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガス又は酸化剤ガス等の通常運転時における流動方向を示している。又、図６においても、本発明を説明するために必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。又、図６において、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
図６に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム３００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と概ね同一の構成を備えている。
しかし、本実施の形態に係る燃料電池システム３００の構成は、本発明に係る原料濃度検知器として、燃焼バーナー２ａの内部にフレームロッド式の火炎検知器１１を備えている点で、実施の形態１で示す燃料電池システム１００の構成とは異なっている。又、この燃料電池システム３００の構成は、流量調整弁１２を更に備え、この流量調整弁１２を介して原料供給装置１０により燃焼バーナー２ａに原料を供給することが可能に構成されている点で、実施の形態１で示す燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、実施の形態１で示す燃料電池システム１００の構成と同様である。
上述したように、本実施の形態に係る燃料電池システム３００は、火炎検知器１１を備えている。この火炎検知器１１は、燃焼バーナー２ａにおいて原料に含まれる炭化水素を燃焼した際に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流の大きさに応じた電気信号を制御器１０１に出力する。制御器１０１は、火炎検知器１１から出力される電気信号を解析することにより、燃焼バーナー２ａに供給されるガス中の原料濃度、ひいては燃焼用燃料の組成を検知する。そして、本実施の形態では、その検知された燃焼用燃料の組成に応じて、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を適切に減少させる。
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示す流れ図である。
図７に示すように、本実施の形態では、実施の形態１の場合と同様、改質器２における改質触媒の温度が所定の温度に到達したと判定されると（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御器１０１は、開閉弁７ｂ及び三方弁８を制御して、第１経路Ｒ１と第４経路Ｒ４と燃料ガス用流路１ａと第５経路Ｒ５と第３経路Ｒ３とによって、第２の燃料ガス経路Ｂを形成させる（ステップＳ２）。
次いで、制御器１０１は、燃焼バーナー２ａに供給される燃焼用燃料中の炭化水素の濃度を火炎検知器１１により継続的に検知して、その検知される炭化水素濃度の増加に応じて、燃焼用燃料中の組成の変化（原料濃度の増加）を推定し、その燃焼用燃料の組成の変化に応じて、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を緩やかに減少させるよう制御する。ここで、制御器１０１の図６では図示しない記憶部には、燃焼用燃料の組成に応じた適切な原料供給量に関するデータテーブルが予め格納されている。この予め格納されるデータテーブルの情報に基づき、制御器１０１は、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を適切に減少させる（ステップＳ３）。
その後、制御器１０１は、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から原料（天然ガス）の全量が燃焼バーナー２ａに排出され、かつ燃焼バーナー２ａにおいてその全量の原料（天然ガス）が燃焼される所定の時間が経過したと制御器１０１の計時部が判定すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を増加させる（ステップＳ５）。
かかる構成によれば、本発明に係る原料濃度検知器である火炎検知器１１により確認された燃焼バーナー２ａに供給される燃焼用燃料中の組成の変化（原料濃度の増加）に応じて、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量が適切に減少されるので、燃焼バーナー２ａにおいて失火や不完全燃焼が発生することを効果的に防止することが可能になる。これにより、燃料ガス生成器としての改質器２で生成された燃料ガスが燃料電池１に供給され始める過渡期において、燃焼バーナー２ａにおける燃焼反応を理想的に進行させることが可能になる。
尚、上述した本実施の形態に係る燃料電池システム３００においては、燃焼バーナー２ａにフレームロッド式の火炎検知器１１を備え、これにより、燃焼用燃料中の原料の濃度を検知し、燃焼用燃料の組成の変化を確認したが、本発明に係るオフガス経路（第３経路Ｒ３、又は、第５経路Ｒ５）に本発明に係るガス濃度検知器としての水素濃度検知器を備え、この水素濃度検知器により検知される水素濃度の減少に応じて燃焼用燃料中の組成の変化（原料濃度の増加）を推定し、この推定される燃焼用燃料の組成の変化に応じて、原料供給装置１０の出力を制御して、燃焼バーナー２ａに供給される原料の供給量を適切に減少させても構わない。
又、上述した本実施の形態に係る燃料電池システム３００においては、本発明に係る原料濃度検知器である火炎検知器１１により検知された原料濃度に基づき燃焼用燃料の組成を推定し、この推定された燃焼用燃料の組成に基づき、記憶部に格納された燃焼用燃料の組成に応じた適切な原料供給量に関するテーブルデータを参照して、適切な原料供給量になるように原料の供給量を減少させているが、原料濃度検知器により検知された原料濃度とこれに対する適切な原料供給量との関係をテーブルデータとして記憶部に格納し、燃焼用燃料の組成を推定せず、原料濃度検知器により検知された原料濃度から、直接、最適な原料供給量を決定しても構わない。これは、上述のような原料濃度検知器に代えて、水素濃度検知器を用いて燃焼用燃料の組成の変化を推定する場合についても同様である。
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
本変形例においては、燃料電池システム３００の起動動作時には、燃料ガス生成器が生成した燃料ガスだけでなく、原料供給装置１０から流量調整弁１２を介して燃焼バーナー２ａに天然ガスがアシストガスとして供給される。
そこで、燃焼バーナー２ａに供給される燃焼用燃料の組成の変化（原料濃度の増加）に応じて原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を適切に減少させる上記形態に代えて、燃焼バーナー２ａに供給される燃焼用燃料の組成の変化（原料濃度の増加）に応じて、制御器１０１が流量調整弁１２の開度を絞るように制御することにより、原料供給装置１０により燃焼バーナー２ａへの原料の供給量を適切に減少させる形態を採ってもよい。この場合、図７に示すステップＳ３において、「原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を緩やかに減少させる」を「流量調整弁１２により燃焼バーナー２ａへの原料の供給量を緩やかに減少させる」と読み替えればよい。尚、本変形例においては、流量調整弁１２が、本発明に係る燃焼用燃料供給器となる。
尚、上記変形例は、本実施の形態に限定されず、実施の形態１又は２においても、同様に本変形例を適用しても構わない。
以上、本発明によれば、置換ガスとしての原料（天然ガス）を燃焼バーナー２ａで燃焼する際、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を減少させて燃焼バーナー２ａへの天然ガスの供給量を減少させるので、天然ガスを燃焼する際の一酸化炭素の発生を抑制することができる。これにより、発電運転の開始時における一酸化炭素の排出を簡易な構成により効果的に抑制する、生態系への悪影響が低減された環境に優しい燃料電池システムを提供することが可能になる。
尚、原料供給装置１０により改質器２への原料の供給量を増加させるか否かの判断基準に関しては、実施の形態１及び３では所定の時間を判断基準としており、実施の形態２では所定の閾値濃度又は所定の出力値を判断基準としているが、何れかの判断基準のみを単独で用いる必要はなく、これらの両方を判断基準として用いてもよい。
つまり、図２及び図７において、ステップＳ４として所定の時間が経過したことが制御器１０１により認識され、かつＣＯセンサ９により検出される一酸化炭素の濃度が所定の閾値濃度以下（又は、ＣＯセンサ９の出力値が所定の出力値以下）となった場合に、図２及び図７のステップＳ５に進む形態としてもよい。かかる構成としても、実施の形態１〜３の場合と同様の効果を得ることができる。
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、発電運転の開始時における一酸化炭素の排出を簡易な構成により効果的に抑制する、生態系への悪影響が低減された環境に優しい燃料電池システムとして産業上利用することが可能である。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示す流れ図である。 図３は、原料供給装置から改質器に供給する原料の供給量の変化を模式的に示す模式図であって、図３（ａ）は原料の供給量を一段階で減少させる場合の様子を示しており、図３（ｂ）は原料の供給量を段階的に減少させる場合の様子を示しており、図３（ｃ）は原料の供給量を緩やかに減少させる場合の様子を示している。 図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示す流れ図である。 図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示す流れ図である。
符号の説明
１ 燃料電池
１ａ 燃料ガス用流路
１ｂ 酸化剤ガス用流路
２ 改質器
２ａ 燃焼バーナー
２ｂ 燃焼ファン
３ ブロアー
４ 熱交換器
５ 貯湯タンク
６ａ，６ｂ ポンプ
７ａ，７ｂ 開閉弁
８ 三方弁
９ ＣＯセンサ
１０ 原料供給装置
１１ 火炎検知器
１２ 流量調整弁
１００〜３００ 燃料電池システム
１０１ 制御器
Ｒ１ 第１経路
Ｒ２ 第２経路
Ｒ３ 第３経路
Ｒ４ 第４経路
Ｒ５ 第５経路
Ａ 第１の燃料ガス経路
Ｂ 第２の燃料ガス経路

Claims (14)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料ガスを改質反応により原料を改質して生成する燃料ガス生成器と、
    前記燃料ガス生成器に前記改質反応を進行させるための熱を供給する燃焼器と、
    前記燃焼器への燃焼用燃料の供給量を調整する燃焼用燃料供給器と、
    前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、
    前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス経路と、
    前記燃料電池から前記燃焼器に前記発電に用いられなかった余剰の前記燃料ガスを供給するためのオフガス経路と、
    前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスが前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給されるよう前記燃料ガス経路と前記オフガス経路とを接続するためのバイパス経路と、
    前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスの供給先を前記燃料電池と前記バイパス経路との間で切り替えるための切替弁と、
    制御器とを備え、
    発電運転の開始時において、前記制御器が前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給する前に前記燃料電池の内部の燃料ガス用流路が前記原料により充填されている燃料電池システムであって、
    前記制御器が、前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給する際、前記空気供給器から前記燃焼器への空気の供給量を維持させるよう制御しながら、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる、燃料電池システム。
  2. 前記燃焼用燃料供給器が前記燃料ガス生成器への原料の供給量を調整する原料供給器であって、
    前記制御器は、前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給する際、前記原料供給器を制御して前記原料の供給量を減少させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御器が、前記燃料電池の内部に充填されている前記原料の組成に応じて前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量が減少するよう前記燃焼用燃料供給器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御器が、前記空気供給器から前記燃焼器への空気の供給量を維持させるよう制御しながら、空気比１以上を満たすように前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御器が、前記燃料ガス生成器が所定の運転条件を満足するまでは前記切替弁により前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスが前記バイパス経路を介して前記燃焼器に供給されるよう制御し、
    前記所定の運転条件を満足した場合には、前記切替弁により前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスの供給先を前記バイパス経路から前記燃料電池に切り替えると共に、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御器が、前記切替弁により前記バイパス経路を遮断して前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給可能とする前に、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御器が、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させた後、所定時間の経過を以て前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を増加させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃焼器から排出される排ガス中の一酸化炭素を検出するＣＯ検出器を更に備え、
    前記制御器が、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させた後、前記ＣＯ検出器の出力値の所定値以下への低下又は前記ＣＯ検出器の出力値に基づく前記一酸化炭素の濃度の所定濃度以下への低下を以て前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を増加させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御器が、前記燃焼用燃料供給器を制御して、前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を１以上のステップを含むよう段階的に、又は、連続的に減少させるよう制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
  10. 前記原料が炭化水素ガスである、請求項１乃至９記載の燃料電池システム。
  11. 前記原料を供給するための原料供給器を備え、
    前記制御器が、停止動作時又は起動動作時に、前記原料供給器から前記燃料電池に前記原料を供給することにより前記燃料電池の内部を前記原料により充填させる、請求項１乃至１０記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃焼器若しくは前記オフガス経路に所定のガスの濃度を検知するガス濃度検知器を備え、
    前記制御器が、前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給可能とした後に、前記ガス濃度検知器の出力信号に基づき、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  13. 前記制御器が、前記ガス濃度検知器により原料濃度の増加が検知されると、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる、請求項１２記載の燃料電池システム。
  14. 前記ガス濃度検知器として、前記燃焼器にフレームロッド式の火炎検知器を備え、
    前記原料が、炭化水素を含むガスであり、
    前記制御器が、前記切替弁を制御して前記燃料ガス生成器で生成された前記燃料ガスを前記バイパス経路に替えて前記燃料電池に供給可能とした後に、前記火炎検知器により、前記原料濃度の増加が検知されると、前記燃焼用燃料供給器を制御して前記燃焼器への前記燃焼用燃料の供給量を減少させる、請求項１３記載の燃料電池システム。
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