JP5525997B2 - 燃料電池発電システムおよびその始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電システム、および、その始動方法に関する。

燃料電池発電システムは、複合反応装置、および、燃料電池発電スタックを備えている。複合反応装置は、改質器、ＣＯ変成器、および、ＣＯ選択酸化器を有している。改質器は、原燃料を水蒸気と共に改質して、水素を含む改質ガスを生成する。ＣＯ変成器は、その内部に充填されたＣＯ変成触媒によって、改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）に変成する。ＣＯ選択酸化器は、改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素に酸化させる。また、燃料電池発電スタックは、複合反応装置により得られた改質ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う。

ここで、燃料電池発電システムの停止状態に、外気がＣＯ変成器内に侵入すると、外気中の酸素によりＣＯ変成触媒が酸化してしまう。そうすると、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるというＣＯ変成器の機能が損なわれてしまう。そこで、燃料電池発電システムの停止状態には、複合反応装置内にＮ_２ガスなどをパージし、複合反応装置内を密閉して、外気がＣＯ変成器内に侵入するのを抑制している（例えば特許文献１および２参照）。

特開２００８−３０８３５１号公報 特開２００８−８１３６９号公報

しかし、燃料電池発電システムの停止状態が長期間続いた場合には、外気が複合反応装置内に侵入するのを完全に防ぐことは難しい。特に、家庭用の燃料電池発電システムは、住宅の屋外に設置されることが多い。加えて、家庭用の燃料電池発電システムでは、引越し、居住者の長期外出、あるいは、新築住宅の販売遅延などによって、停止状態が長期間続くことがある。そうすると、複合反応装置内にパージされたガスと侵入した外気とが置換されて、ＣＯ変成触媒が酸化されてしまうことがある。

ここで、外気の侵入を防ぐために複合反応装置の密閉性を過剰に高く設計すると、複合反応装置が大型化・高コスト化してしまう。また、高い密閉性ゆえに、外気の温度変化により複合反応装置内のガスが膨張・収縮すると、複合反応装置にストレスが掛かってしまうこともある。したがって、外気の侵入によるＣＯ変成触媒の酸化は、ある程度許容せざるを得ない。

そこで、ＣＯ変成触媒が酸化した場合には、燃料電池発電システムの運転前に、予め、ＣＯ変成触媒を還元する還元作業が必要となる。この還元作業の方法としては、例えば、事業者が複合反応装置を回収し、工場においてＣＯ変成触媒を交換する方法や、事業者が水素ボンベを持ち込んで、複合反応装置（ＣＯ変成器）内に水素を流す方法が考えられる。しかし、これらの方法では、還元作業に多大な時間、手間および費用が掛かってしまう。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池発電システムのＣＯ変成触媒の還元作業を容易にすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池発電システムの始動方法は、改質触媒を有し、炭化水素系の原燃料を水蒸気と共に改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器と、アノードおよびカソードを有し、前記ＣＯ変成器を通過して前記アノードに供給される改質ガス中の水素と前記カソードに供給される酸化剤ガス中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池発電スタックと、を備えた燃料電池発電システムの始動方法であって、前記改質器により水素を含む改質ガスを生成するガス生成工程と、前記ガス生成工程で生成された改質ガスを前記ＣＯ変成器に供給するガス供給工程と、前記ＣＯ変成器に改質ガスを供給したことにより生じる前記ＣＯ変成触媒の温度上昇を検出する温度上昇検出工程と、前記温度上昇検出工程で検出された前記ＣＯ変成触媒の温度上昇に基づいて前記ＣＯ変成触媒の還元の要否を判定する還元要否判定工程と、を具備し、前記還元要否判定工程で前記ＣＯ変成触媒を還元する必要があると判定された場合には、前記燃料電池発電スタックで発電を行わずに、前記改質器により水素を含む改質ガスを生成する還元用ガス生成工程と、前記還元用ガス生成工程で生成された改質ガスを前記ＣＯ変成器に供給して前記ＣＯ変成触媒を還元する変成触媒還元工程と、前記温度上昇検出工程、および、前記還元要否判定工程を行うことを特徴とする。

また、上記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池発電システムは、改質触媒を有し、炭化水素系の原燃料を水蒸気と共に改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、ＣＯ変成触媒および前記ＣＯ変成触媒の温度を検出する変成触媒温度センサを有し、前記改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器と、アノードおよびカソードを有し、前記ＣＯ変成器を通過して前記アノードに供給される改質ガス中の水素と前記カソードに供給される酸化剤ガス中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池発電スタックと、前記変成触媒温度センサが検出した温度に基づいて前記ＣＯ変成触媒の温度上昇を検出する温度上昇検出部と、前記温度上昇検出部で検出された前記ＣＯ変成触媒の温度上昇に基づいて前記ＣＯ変成触媒の還元の要否を判定して、制御信号を出力する還元要否判定部と、前記還元要否判定部からの制御信号を受信して、前記ＣＯ変成器に供給される改質ガスの量または改質ガス中の水素の量を制御する水素量調節手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池発電システムのＣＯ変成触媒の還元作業を容易に行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの始動方法のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの始動方法のフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの始動方法のフローチャートである。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池発電システムの始動方法のフローチャートである。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムおよびその始動方法について、図１および図２を用いて説明する。

まず、本実施形態に係る燃料電池発電システムの構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの構成図である。

本実施形態に係る燃料電池発電システムは、例えば、住宅の屋外に設置されて、家庭用の電力を供給する小型電源である。燃料電池発電システムは、複合反応装置１０、燃料電池発電スタック７０、および、制御装置８０を備えている。燃料電池発電スタック７０は、複合反応装置１０で生成された改質ガス１２中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う。

複合反応装置１０は、脱硫器２０、気化器３０、改質器４０、ＣＯ変成器５０、および、ＣＯ選択酸化器６０などを備えている。複合反応装置１０は、炭化水素系の原燃料２４と改質水３４とから水素を含む改質ガス（以下、単に「改質ガス」という。）１２を生成する。本実施形態では、原燃料２４は、例えば天然ガスを含む都市ガスやプロパンガスである。また、改質水３４は、水（Ｈ_２Ｏ）である。

脱硫器２０は、脱硫触媒（図示省略）および脱硫器ヒータ（図示省略）を有している。脱硫触媒は、例えば銅系の触媒であって、脱硫器２０内に充填されている。脱硫器ヒータは、脱硫触媒を加熱する。脱硫器２０は、脱硫触媒により、原燃料タンク（図示省略）から原燃料ブロア２２を介して供給された原燃料２４中の硫黄化合物を除去する。なお、原燃料ブロア２２は、制御装置８０に電気的に接続されている。原燃料ブロア２２は、制御装置８０からの制御信号８０ａに基づいて、複合反応装置１０に供給される原燃料２４の量、ひいては、改質ガス１２の生成量を調節する。

気化器３０は、気化器ヒータ（図示省略）を有している。気化器３０は、改質水ポンプ３２を介して供給された改質水３４を気化器ヒータにより加熱して気化させて、水蒸気３６を得る。なお、改質水ポンプ３２は、制御装置８０に電気的に接続されている。改質水ポンプ３２は、制御装置８０からの制御信号８０ｂに基づいて、複合反応装置１０に供給される改質水３４の量、ひいては、改質ガス１２の生成量を調節する。

改質器４０は、改質触媒４２、改質器バーナ４６、および、改質触媒温度センサ４４を有している。改質触媒４２は、例えばルテニウム系の触媒であって、改質器４０内に充填されている。改質器バーナ４６は、加熱器の一例であって、後述する燃料電池発電スタック７０からのアノードオフガスを燃料として燃焼し、改質触媒４２を加熱する。改質器４０は、改質触媒４２により、脱硫器２０で脱硫された原燃料２４を気化器３０で気化された水蒸気３６と共に改質して、水素を含む改質ガス１２を生成する。改質触媒温度センサ４４は、改質触媒４２の温度を検出して、改質触媒４２の温度情報４４ａを制御装置８０に送信する。

ＣＯ変成器５０は、ＣＯ変成触媒５２、変成器ヒータ（図示省略）、および、変成触媒温度センサ５４を有している。ＣＯ変成触媒５２は、例えば銅−亜鉛系の触媒や鉄−クロム系の触媒であって、ＣＯ変成器５０内に充填されている。変成器ヒータは、ＣＯ変成触媒５２を加熱する。ＣＯ変成器５０は、ＣＯ変成触媒５２により、改質器４０で生成された改質ガス１２中の一酸化炭素の一部を二酸化炭素に変成して、改質ガス１２中の一酸化炭素の濃度を低減させる。変成触媒温度センサ５４は、ＣＯ変成触媒５２の温度を検出して、ＣＯ変成触媒５２の温度情報５４ａを制御装置８０に送信する。

ＣＯ選択酸化器６０は、ＣＯ選択酸化触媒６２、選択酸化器ヒータ（図示省略）、および、選択酸化触媒温度センサ６４を有している。ＣＯ選択酸化触媒６２は、例えばルテニウム系の触媒や白金系の触媒であって、ＣＯ選択酸化器６０内に充填されている。選択酸化器ヒータは、ＣＯ選択酸化触媒６２を加熱する。ＣＯ選択酸化器６０は、ＣＯ選択酸化触媒６２により、ＣＯ変成器５０で変成されずに残った改質ガス１２中の一酸化炭素を別途供給された水蒸気と反応させて、二酸化炭素に酸化させる。そして、改質ガス１２中の一酸化炭素の濃度を低減させる。選択酸化触媒温度センサ６４は、ＣＯ選択酸化触媒６２の温度を検出して、ＣＯ選択酸化触媒６２の温度情報６４ａを制御装置８０に送信する。

燃料電池発電スタック７０は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）である。燃料電池発電スタック７０は、複数枚の膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）および複数枚のセパレータを有している。各膜電極複合体（図示省略）は、アノード、カソード、および、電解質膜を有している。電解質膜は、一価の陽イオン交換型の電解質膜であり、アノードとカソードとにより狭持されている。複数枚の膜電極複合体は、セパレータを介して積層されている。セパレータは、互いに隣接する膜電極複合体を仕切っている。

セパレータ（図示省略）には、複合反応装置１０で生成されて燃料電池発電スタック７０に供給された改質ガス１２をアノードに供給するための改質ガス供給路が形成されている。また、セパレータには、酸化剤ガスブロア７２を介して燃料電池発電スタック７０に供給された酸化剤ガス７４をカソードに供給するための酸化剤ガス供給路が形成されている。本実施形態では、酸化剤ガス７４は、例えば空気である。燃料電池発電スタック７０は、アノードに供給された改質ガス１２中の水素と、カソードに供給された空気中の酸素との反応によって、発電を行う。

なお、酸化剤ガスブロア７２は、制御装置８０に電気的に接続されている。酸化剤ガスブロア７２は、制御装置８０からの制御信号８０ｃに基づいて、燃料電池発電スタック７０に供給される酸化剤ガス７４の量、ひいては、燃料電池発電スタック７０の発電量を調節する。

燃料電池発電システムは、燃料電池発電スタック７０のアノードから排出されたアノードオフガスを改質器バーナ４６に供給するためのアノードオフガス供給路を有している。また、燃料電池発電システムは、燃料電池発電スタック７０のカソードから排出されたカソードオフガスを燃料電池発電システムの外部に排気するためのカソードオフガス排気路(図示省略)を有している。

制御装置８０は、上述したとおり、原燃料ブロア２２、改質水ポンプ３２、および、酸化剤ガスブロア７２に電気的に接続されている。制御装置８０は、原燃料ブロア２２、改質水ポンプ３２、および、酸化剤ガスブロア７２に制御信号８０ａ，８０ｂ，８０ｃを送信して、改質ガス１２の生成量および燃料電池発電スタック７０の発電量を制御する。

また、制御装置８０は、上述したとおり、改質触媒温度センサ４４、変成触媒温度センサ５４、および、選択酸化触媒温度センサ６４に電気的に接続されていて、各触媒４２，５２，６２の温度情報４４ａ，５４ａ，６４ａを受信する。さらに、制御装置８０は、図示しないが、脱硫器ヒータ、気化器ヒータ、改質器バーナ４６、変成器ヒータ、および、選択酸化器ヒータに電気的に接続されている。制御装置８０は、これらのヒータやバーナに制御信号を送信して、加熱量を制御する。

次に、本実施形態に係る燃料電池発電システムの始動方法（以下、単に「始動方法」という。）について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの始動方法のフローチャートである。

本実施形態に係る始動方法は、ＣＯ変成触媒が酸化しているか否かを判定し、酸化している場合には、ＣＯ変成触媒を還元した後、発電を開始する方法である。この始動方法は、起動工程（Ｓ１１）、ガス生成工程（Ｓ１２）、ガス供給工程（Ｓ１３）、温度上昇検出工程（Ｓ１４）、還元要否判定工程（Ｓ１５）、発電開始工程（Ｓ２１〜Ｓ２３）、および、還元工程（Ｓ３１，Ｓ３２）を備えている。

［起動工程（Ｓ１１）］
燃料電池発電システムは、例えば、利用者が起動スイッチを押すことにより起動される。燃料電池発電システムの起動は、利用者でなく、燃料電池発電システムの始動に立会う事業者により行われても良い。

起動スイッチが押されると、制御装置８０は、脱硫器ヒータ、気化器ヒータ、改質器バーナ４６、変成器ヒータ、および、選択酸化器ヒータに制御信号を送信する。そして、脱硫器ヒータ、気化器ヒータ、改質器バーナ４６、変成器ヒータ、および、選択酸化器ヒータは、それぞれ、受信した制御信号に基づいて、脱硫触媒、気化器３０の内部、改質触媒４２、ＣＯ変成触媒５２、および、ＣＯ選択酸化触媒６２を加熱する。このとき、制御装置８０は、各温度センサ４４，５４，６４からの温度情報４４ａ，５４ａ，６４ａを受信し、各触媒４２，５２，６２の温度を監視しつつ、各触媒４２，５２，６２の温度が適正範囲に収まるように、バーナ４６および各ヒータの加熱量を制御する。

［ガス生成工程（Ｓ１２）］
各触媒４２，５２，６２の温度が適正範囲で安定した後、制御装置８０は、原燃料ブロア２２および改質水ポンプ３２に制御信号８０ａ，８０ｂを送信する。そうすると、原燃料ブロア２２および改質水ポンプ３２は、受信した制御信号に基づいて開栓され、原燃料２４および改質水３４が複合反応装置１０に供給される。なお、制御装置８０は、原燃料２４の流量および改質水３４の流量を制御することにより、改質器４０での改質ガス１２の生成量、ひいては、改質ガス１２中の水素量を制御することができる。

複合反応装置１０に供給された原燃料２４は、脱硫器２０で硫黄化合物が除去された後、改質器４０に供給される。また、複合反応装置１０に供給された改質水３４は、気化器３０で気化された後、改質器４０に供給される。脱硫器２０を通過した原燃料２４と気化器３０で気化された水蒸気３６とは、改質器４０で水素を含む改質ガス１２に改質される。

［ガス供給工程（Ｓ１３）］
ガス生成工程（Ｓ１２）において改質器４０で生成された改質ガス１２は、ＣＯ変成器５０に供給されて、ＣＯ変成器５０内を通過する。

ここで、改質ガス１２が酸化していないＣＯ変成触媒５２に接触すると、改質ガス１２中の一酸化炭素の一部が二酸化炭素に変成されて、改質ガス１２中の一酸化炭素の濃度が低減される。

一方、改質ガス１２が酸化しているＣＯ変成触媒５２に接触すると、ＣＯ変成触媒５２は、改質ガス１２中の水素により還元される。そして、この還元反応で生じる反応熱により、ＣＯ変成触媒５２の温度が急上昇する。

ＣＯ変成器５０を通過した改質ガス１２は、ＣＯ選択酸化器６０を通過した後、燃料電池発電スタック７０に供給される。なお、後述する還元要否判定工程（Ｓ１５）において、ＣＯ変成触媒５２を還元する必要がないと判定された場合には、改質ガス１２は、発電に用いられる。一方、後述する還元要否判定工程（Ｓ１５）において、ＣＯ変成触媒５２を還元する必要がないと判定された場合には、酸化剤ガスブロア７２は開栓されず、酸化剤ガス７４がカソードに供給されない。そのため、燃料電池発電スタックは、発電を行わない。したがって、燃料電池発電スタック７０に供給された改質ガス１２は、発電に用いられることなく、アノードオフガス７６としてそのまま排出されて、改質器バーナ４６の燃料として用いられる。

［温度上昇検出工程（Ｓ１４）］
制御装置８０は、温度上昇検出部を有していて、変成触媒温度センサ５４が検出した温度に基づいて、ガス供給工程（Ｓ１３）に伴うＣＯ変成触媒５２の温度上昇を検出する。

具体的には、制御装置８０は、第１サンプリング時間（ＣＯ変成器５０への改質ガス１２の供給開始から予め設定された時間（例えば１〜３分の時間）経過後までの時間）内にＣＯ変成触媒５２の温度が予め設定された温度（例えば３００〜３５０℃の温度）を超えるか否かを検出する。

［還元要否判定工程（Ｓ１５）］
制御装置８０は、還元要否判定部を有していて、温度上昇検出部で検出されたＣＯ変成触媒５２の温度上昇に基づいて、ＣＯ変成触媒５２の酸化状態が許容範囲内であるか否か、ひいては、ＣＯ変成触媒５２を還元する必要があるか否かを判定する。

具体的には、第１サンプリング時間内にＣＯ変成触媒５２の温度が設定温度（例えば３５０℃）を超えなかった場合には、還元要否判定部は、ＣＯ変成触媒５２を還元する必要がないと判定する。一方、第１サンプリング時間内にＣＯ変成触媒５２の温度が設定温度（例えば３５０℃）を超えた場合には、還元要否判定部は、ＣＯ変成触媒５２を還元する必要があると判定する。

［発電開始工程（Ｓ２１〜Ｓ２３）］
還元要否判定部がＣＯ変成触媒５２を還元する必要がないと判定した場合には、燃料電池発電システムは、発電を開始する。この発電開始工程は、発電用ガス生成工程（Ｓ２１）、ＣＯ変成工程（Ｓ２２）、および、発電工程（Ｓ２３）を有している。

具体的には、制御装置８０は、ガス生成工程（Ｓ１２）から引き続いて、複合反応装置１０に原燃料２４および改質水３４を供給する。その結果、改質器４０は、ガス生成工程（Ｓ１２）から引き続き、改質ガス１２を生成する（発電用ガス生成工程（Ｓ２１））。

改質器４０で生成された改質ガス１２は、ＣＯ変成器５０およびＣＯ選択酸化器６０を通過する。ＣＯ変成器５０は、ＣＯ変成触媒５２が酸化していないため、改質ガス１２中の一酸化炭素の一部を二酸化炭素に変成して、改質ガス１２中の一酸化炭素の濃度を低減させる（ＣＯ変成工程（Ｓ２２））。

その後、ＣＯ選択酸化器６０を通過した改質ガス１２は、改質ガス供給路を通って、燃料電池発電スタック７０のアノードに供給される。

また、還元要否判定部がＣＯ変成触媒５２を還元する必要がないと判定した場合には、制御装置８０は、酸化剤ガスブロア７２に制御信号８０ｃを送信する。そして、酸化剤ガスブロア７２は、受信した制御信号８０ｃに基づいて開栓され、酸化剤ガス７４を燃料電池発電スタック７０に供給する。酸化剤ガス７４は、酸化剤ガス供給路を通って、燃料電池発電スタック７０のカソードに供給される。

アノードに改質ガス１２が供給され、かつ、カソードに酸化剤ガス７４が供給されると、燃料電池発電スタック７０は、発電を開始する（発電工程（Ｓ２３））。

［還元工程（Ｓ３１〜Ｓ３２）］
一方、還元要否判定部がＣＯ変成触媒５２を還元する必要があると判定した場合には、燃料電池発電スタック７０での発電を開始させずに、改質器４０で生成した改質ガス１２によりＣＯ変成触媒５２を還元する。この還元工程は、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）および変成触媒還元工程（Ｓ３２）を有している。

本実施形態では、制御装置８０は、原燃料ブロア２２および改質水ポンプ３２に制御信号８０ａ，８０ｂを送信して、ガス生成工程（Ｓ１２）での供給量と同量の原燃料２４および改質水３４を複合反応装置１０に供給する。その結果、改質器４０は、ガス生成工程（Ｓ１２）での生成量と同量の改質ガス１２を生成する（還元用ガス生成工程（Ｓ３１））。

還元用ガス生成工程（Ｓ３１）で生成された改質ガス１２は、ＣＯ変成器５０の通過時にＣＯ変成触媒５２に接触して、ＣＯ変成触媒５２を還元する（変成触媒還元工程（Ｓ３２））。

ＣＯ変成器５０を通過した改質ガス１２は、ＣＯ選択酸化器６０を通過した後、燃料電池発電スタック７０に供給される。なお、還元工程では、酸化剤ガスブロア７２は閉栓されていて、酸化剤ガス７４がカソードに供給されない。そのため、燃料電池発電スタック７０は、発電を行わない。したがって、燃料電池発電スタック７０に供給された改質ガス１２は、アノードオフガス７６としてそのまま排出されて、改質器バーナ４６の燃料として用いられる。

制御装置８０の温度上昇検出部は、第２サンプリング時間（第１サンプリング時間の終了から予め設定された時間（例えば１〜３分の時間）経過後までの時間）内にＣＯ変成触媒５２の温度が設定温度（例えば３５０℃）を超えるか否かを検出する（２回目の温度上昇検出工程（Ｓ１４））。

その後、制御装置８０の還元要否判定部は、温度上昇検出部で検出されたＣＯ変成触媒５２の温度上昇に基づいて、ＣＯ変成触媒５２の酸化状態が許容範囲内であるか否か、ひいては、ＣＯ変成触媒５２を還元する必要があるか否かを判定する（２回目の還元要否判定工程（Ｓ１５））。そして、還元要否判定部がＣＯ変成触媒５２を還元する必要がないと判定した場合には、発電開始工程（Ｓ２１〜Ｓ２３）に移行して、燃料電池発電スタック７０は、発電を開始する。一方、還元要否判定部がＣＯ変成触媒５２を還元する必要があると判定した場合には、還元工程（Ｓ３１，Ｓ３２）、温度上昇検出工程（Ｓ１４）、および、還元要否判定工程（Ｓ１５）を繰り返す。

本実施形態に係る燃料電池発電システムおよびその始動方法の効果について説明する。

本実施形態によれば、ＣＯ変成触媒５２が酸化しているか否か、ひいては、ＣＯ変成触媒５２を還元する必要があるか否かを自動的に判定することができる。さらに、ＣＯ変成触媒５２を還元する必要がある場合には、改質器４０が生成する改質ガス１２を利用して、ＣＯ変成触媒５２を自動的に還元することができる。

したがって、ＣＯ変成触媒５２が酸化している場合にも、複合反応装置１０を新しいものと交換したり、水素ボンベを用いて複合反応装置内に水素を流すなどの作業が必要なく、容易にＣＯ変成触媒５２を還元することができる。また、本実施形態によれば、事業者がＣＯ変成触媒５２の還元作業を行う必要がなく、利用者が行うことができる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムおよびその始動方法について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの始動方法のフローチャートである。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態では、還元要否判定工程（Ｓ１５）において、還元要否判定部がＣＯ変成触媒５２を還元する必要があると判定した場合には、所定の時間（例えば３分間）、改質ガス１２の生成を停止した（降温待ち工程（Ｓ３３））後、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）に移行する。

本実施形態によれば、ガス供給工程（Ｓ１３）において上昇したＣＯ変成触媒５２の温度が低下して安定した後、再度、ＣＯ変成触媒５２の還元を行うことができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システムおよびその始動方法について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの始動方法のフローチャートである。なお、本実施形態は、第２の実施形態の変形例であって、第２の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態では、還元要否判定工程（Ｓ１５）において、還元要否判定部がＣＯ変成触媒５２を還元する必要があると判定した場合には、制御装置８０は、原燃料ブロア２２に制御信号８０ａを送信して、原燃料２４の供給を一時停止する。その結果、改質器４０、ＣＯ変成器５０、および、ＣＯ選択酸化器６０の内部は、水蒸気で充填される（蒸気充填工程（Ｓ３４））。この状態で、所定の時間（例えば３分間）を待った（降温待ち工程（Ｓ３３））後、制御装置８０は、原燃料ブロア２２に制御信号８０ａを送信して、複合反応装置１０に原燃料２４を供給させて、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）に移行する。

本実施形態によれば、改質器４０、ＣＯ変成器５０、および、ＣＯ選択酸化器６０の内部を水蒸気で充填させるため、ＣＯ変成触媒５２の温度を低下させやすく、ＣＯ変成触媒５２の温度が安定しやすい。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る燃料電池発電システムおよびその始動方法について、図１および図２を用いて説明する。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

第１の実施形態では、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）での改質ガス１２の生成量は、ガス生成工程（Ｓ１２）での改質ガス１２の生成量と同量である。一方、本実施形態では、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）での改質ガス１２の生成量は、ガス生成工程（Ｓ１２）での改質ガス１２の生成量に比べて、５〜３０％低減させる。具体的には、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）において、制御装置８０は、原燃料ブロア２２に制御信号８０ａを送信して、複合反応装置１０に供給される原燃料２４の流量を低減させる。

本実施形態によれば、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）での改質ガス１２の生成量、ひいては、改質ガス１２中の水素量が低減される。その結果、変成触媒還元工程（Ｓ３２）での還元反応を低下されて、ＣＯ変成触媒５２の温度上昇を抑制することができる。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る燃料電池発電システムおよびその始動方法について、図１および図２を用いて説明する。なお、本実施形態は、第４の実施形態の変形例であって、第４の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

第４の実施形態では、変成触媒還元工程（Ｓ３２）において、ＣＯ変成触媒５２の温度上昇を抑制するために、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）において、複合反応装置１０に供給される原燃料２４の流量を低減させた。一方、本実施形態では、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）において、制御装置８０は、改質水ポンプ３２に制御信号８０ｂを送信して、複合反応装置１０に供給される改質水３４の流量を低減させて、改質ガス１２の生成量を５〜３０％に低減させる。本実施形態によっても、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に係る燃料電池発電システムおよびその始動方法について、図１および図２を用いて説明する。なお、本実施形態は、第４の実施形態の変形例であって、第４の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

第４の実施形態では、変成触媒還元工程（Ｓ３２）において、ＣＯ変成触媒５２の温度上昇を抑制するために、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）において、複合反応装置１０に供給される原燃料２４の流量を低減させた。一方、本実施形態では、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）において、制御装置８０は、改質器バーナ４６に制御信号を送信して、改質器４０の温度を低下させて、改質器４０での改質反応を低下させて、改質ガス１２の生成量を５〜３０％に低減させる。したがって、本実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態に係る燃料電池発電システムおよびその始動方法について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの始動方法のフローチャートである。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態では、還元要否判定工程（Ｓ１５）において、還元要否判定部がＣＯ変成触媒５２を還元する必要があると判定した場合には、改質器異常判定工程（Ｓ３５）に移行する。

改質器異常判定工程（Ｓ３５）において、制御装置８０は、改質触媒温度センサ４４が検出した温度上昇に基づいて、改質器４０に異常があるか否かを判断する。改質器４０に異常がないと判断された場合には、還元工程（Ｓ３１，Ｓ３２）に移行する。一方、改質器４０に異常があると判断された場合には、燃料電池発電システムを停止する（Ｓ３６）。

［他の実施形態］
上記の実施形態は、単なる例示であって、本発明は、これらに限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、家庭用の小型の燃料電池発電システムを例にして説明したが、本発明を事業者用の大型の燃料電池発電システムに適用しても良い。

また、上記の２以上の実施形態を組み合わせても良い。例えば、第４ないし第６の実施形態を組み合わせて、還元用ガス生成工程（Ｓ３１）において、原燃料２４の流量および改質水３４の流量を低減させて、かつ、改質器４０の温度を低下させても良い。

１０…複合反応装置、１２…改質ガス、２０…脱硫器、２２…原燃料ブロア、２４…原燃料、３０…気化器、３２…改質水ポンプ、３４…改質水、３６…水蒸気、４０…改質器、４２…改質触媒、４４…改質触媒温度センサ、４４ａ…改質触媒の温度情報、４６…改質器バーナ、５０…ＣＯ変成器、５２…ＣＯ変成触媒、５４…変成触媒温度センサ、５４ａ…ＣＯ変成触媒の温度情報、６０…ＣＯ選択酸化器、６２…ＣＯ選択酸化触媒、６４…選択酸化触媒温度センサ、６４ａ…ＣＯ選択酸化触媒の温度情報、７０…燃料電池発電スタック、７２…酸化剤ガスブロア、７４…酸化剤ガス、７６…アノードオフガス、８０…制御装置、８０ａ，８０ｂ，８０ｃ…制御信号

Claims (13)

1. 改質触媒を有し、炭化水素系の原燃料を水蒸気と共に改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器と、
   アノードおよびカソードを有し、前記ＣＯ変成器を通過して前記アノードに供給される改質ガス中の水素と前記カソードに供給される酸化剤ガス中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池発電スタックと、
   を備えた燃料電池発電システムの始動方法であって、
   前記改質器により水素を含む改質ガスを生成するガス生成工程と、
   前記ガス生成工程で生成された改質ガスを前記ＣＯ変成器に供給するガス供給工程と、
   前記ＣＯ変成器に改質ガスを供給したことにより生じる前記ＣＯ変成触媒の温度上昇を検出する温度上昇検出工程と、
   前記温度上昇検出工程で検出された前記ＣＯ変成触媒の温度上昇に基づいて前記ＣＯ変成触媒の還元の要否を判定する還元要否判定工程と、
   を具備し、
   前記還元要否判定工程で前記ＣＯ変成触媒を還元する必要があると判定された場合には、前記燃料電池発電スタックで発電を行わずに、前記改質器により水素を含む改質ガスを生成する還元用ガス生成工程と、前記還元用ガス生成工程で生成された改質ガスを前記ＣＯ変成器に供給して前記ＣＯ変成触媒を還元する変成触媒還元工程と、前記温度上昇検出工程、および、前記還元要否判定工程を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの始動方法。
2. 前記還元要否判定工程で前記ＣＯ変成触媒を還元する必要がないと判定された場合には、前記改質器により水素を含む改質ガスを生成する発電用ガス生成工程、前記ＣＯ変成器により前記発電用ガス生成工程で生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成工程、および、前記ＣＯ変成器を通過した改質ガスを前記アノードに供給し、かつ、酸化剤ガスを前記カソードに供給して発電を行う発電工程を開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システムの始動方法。
3. 前記還元要否判定工程で前記ＣＯ変成触媒を還元する必要がないと判定されるまで、前記還元用ガス生成工程、前記変成触媒還元工程、前記温度上昇検出工程、および、前記還元要否判定工程を繰り返すことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システムの始動方法。
4. 前記還元要否判定工程で前記ＣＯ変成触媒を還元する必要があると判定された場合には、前記改質器による改質ガスの生成を所定の時間停止した後に前記還元用ガス生成工程を行うことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池発電システムの始動方法。
5. 前記還元要否判定工程で前記ＣＯ変成触媒を還元する必要があると判定された場合には、前記ＣＯ変成触媒の温度が所定の温度に低下した後に前記還元用ガス生成工程を行うことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池発電システムの始動方法。
6. 前記還元用ガス生成工程で生成される改質ガス中の水素の量は、前記ガス生成工程で生成される改質ガス中の水素の量に比べて少ないことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池発電システムの始動方法。
7. 前記改質触媒の温度および前記水蒸気の量の少なくともひとつを制御することによって前記改質器で生成される改質ガス中の水素の量を調節することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システムの始動方法。
8. 前記還元用ガス生成工程で生成される改質ガス中の水素の量は、前記発電用ガス生成工程で生成される改質ガス中の水素の量に比べて少ないことを特徴とする請求項２ないし７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システムの始動方法。
9. 前記還元要否判定工程で前記ＣＯ変成触媒を還元する必要があると判定された場合には、前記ＣＯ変成器の内部に水蒸気を充填させた後、前記還元用ガス生成工程を再度行うことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池発電システムの始動方法。
10. 前記還元要否判定工程で前記ＣＯ変成触媒を還元する必要があると判定された場合には、前記カソードに酸化剤ガスを供給しないことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池発電システムの始動方法。
11. 改質触媒を有し、炭化水素系の原燃料を水蒸気と共に改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
    ＣＯ変成触媒および前記ＣＯ変成触媒の温度を検出する変成触媒温度センサを有し、前記改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器と、
    アノードおよびカソードを有し、前記ＣＯ変成器を通過して前記アノードに供給される改質ガス中の水素と前記カソードに供給される酸化剤ガス中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池発電スタックと、
    前記変成触媒温度センサが検出した温度に基づいて前記ＣＯ変成触媒の温度上昇を検出する温度上昇検出部と、
    前記温度上昇検出部で検出された前記ＣＯ変成触媒の温度上昇に基づいて前記ＣＯ変成触媒の還元の要否を判定して、制御信号を出力する還元要否判定部と、
    前記還元要否判定部からの制御信号を受信して、前記ＣＯ変成器に供給される改質ガスの量または改質ガス中の水素の量を制御する水素量調節手段と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
12. 前記水素量調節手段は、前記改質器の内部に設けられた加熱器であって、前記還元要否判定部からの制御信号を受信すると前記改質触媒の温度を低下させることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
13. 前記水素量調節手段は、前記水蒸気となる水を前記改質器に供給するためのポンプであって、前記還元要否判定部からの制御信号を受信すると前記改質器への水の供給量を低減させることを特徴とする請求項１１または１２に記載の燃料電池発電システム。

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