JP5624606B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に供給される水素含有ガスに少量の酸化ガスを混入させる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。

図８は、従来の燃料電池システムの概略構成図である。図８に示されるように、従来の燃料電池システム７００において、発電運転時に必要となる水素含有ガスの供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されていない。そのため、発電運転時に必要となる水素含有ガスを生成するための水素生成装置が設けられている。

水素生成装置は改質器３を有する水素生成器２を備え、改質器３内の改質触媒において改質反応が進行することにより、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含む原料と水蒸気とから水素含有ガスが生成される。この際、改質器３が有する改質触媒は、改質器３に隣接する燃焼器５により改質反応の進行に適した温度に加熱される。ところで、従来の燃料電池システム７００は、起動時において水素生成装置で水素含有ガスの生成を開始してもしばらくは、改質器３を含む水素生成器２の暖機が完了し、水素含有ガスの組成が安定するまで、燃料電池１への水素含有ガスの供給を行わない。この間、第１の開閉弁７ａは閉止されるとともに、第２の開閉弁６は開放され、水素生成器２より送出される水素含有ガスは、バイパス流路である第２の流路８を介して燃焼器５に供給され、燃焼器５はこれを燃焼燃料として燃焼に用いるよう構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３１８７１４号公報

上記特許文献１記載の燃料電池システムにおいては、上述のように起動時において水素生成器２より供給される水素含有ガスは、燃料電池１に供給されず第２の流路８を通流するよう構成されている。しかし、水素含有ガスは第２の流路８への分岐部より下流の第１の流路１０にも徐々に拡散する。この時、分岐部より下流の第１の流路１０は、水素含有ガスが既に通流している流路（分岐部よりも上流の第１の流路１０、第２の流路８等）よりも温度が低いため、拡散した水素含有ガスより凝縮水が生じ、流路を閉塞する可能性がある。燃料電池システム７００を起動から発電運転に移行する際に、燃料電池への水素含有ガスの供給を開始するが、この流路閉塞が生じると、燃料電池への水素含有ガスの供給が阻害される可能性があり好ましくない。

本発明は、上記従来の課題を考慮して、起動時に、分岐部より下流の第１の流路１０に水素含有ガスが拡散流入し、生成した凝縮水により流路閉塞を起こす可能性を従来よりも抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料と水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、前記改質器に改質反応のための熱を供給する燃焼器と、前記水素生成器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記水素生成器より送出され前記燃料電池を通過する水素含有ガスが
流れる第１の流路と、第１の流路より分岐し、前記燃料電池をバイパスして燃焼器に供給される水素含有ガスが流れる第２の流路と、前記第２の流路への分岐部と前記燃料電池との間の第１の流路に供給される酸化ガスが流れる第３の流路と、前記第１の流路と前記第３の流路との合流部より下流の前記第１の流路に設けられた第１の開閉弁と、前記第２の流路に設けられた第２の開閉弁と、前記第３の流路に接続された酸化ガス供給器と、起動時において、第１の開閉弁が閉止されるとともに第２の開閉弁が開放され、前記水素生成器より水素含有ガスが送出されている時に、前記酸化ガス供給器を動作させ、前記第３の流路から前記第１の流路に酸素を供給するよう制御する制御器とを備える。

本発明の燃料電池システムの運転方法は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、前記改質器に前記改質反応のための熱を供給する燃焼器と、前記水素生成器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記水素生成器より送出され前記燃料電池を通過する水素含有ガスが流れる第１の流路と、前記第１の流路より分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に水素含有ガスを供給する第２の流路と、前記第２の流路への分岐部と前記燃料電池との間の前記第１の流路に供給される酸化ガスが流れる第３の流路と、前記第１の流路と前記第３の流路との合流部より下流の前記第１の流路に設けられた第１の開閉弁と、前記第２の流路に設けられた第２の開閉弁と、前記第３の流路に設けられた酸化ガス供給器とを備える燃料電池システムの運転方法であって、起動時において、前記第１の開閉弁を閉止するとともに前記第２の開閉弁を開放し、前記水素生成器より前記水素含有ガスを送出するステップ（ａ）と、ステップ（ａ）において前記酸化ガス供給器が動作し、前記第３の流路を通じて前記分岐部より上流の前記第１の流路に酸化ガスを供給するステップ（ｂ）とを備える。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、起動時に、分岐部より下流の燃料ガス流路に水素含有ガスが拡散流入して生成した凝縮水により流路閉塞を起こす可能性が従来よりも抑制される。

図１は実施の形態１の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図 図２は実施の形態１の燃料電池システムの動作フローの概要の一例を示す図 図３は実施の形態２の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図 図４は実施の形態２の変形例１の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図 図５は実施の形態２の変形例２の燃料電池システムの特徴となる構成の概略の一例を示す図 図６は実施の形態２の変形例３の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図 図７は実施の形態２の変形例４の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図 図８は従来の燃料電池システムの概略構成図

（実施の形態１）
以下、実施の形態１の燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図中、矢印実線は燃料電池システムが運転するときに流れる水や原料ガス、酸化ガス、酸化剤ガスの流れる経路を示す。図中、矢印破線は信号を示す。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器３を有する水素生成器２と、改質器３に改質反応のための熱を供給する燃焼器５と、水素生成器２から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池１と、水素生成器２より送出され燃料電池１を通過する水素含有ガスが流れる第１の流路１０と、第１の流路１０より分岐し燃料電池１をバイパスして燃焼器５に水素含有ガスを供給する第２の流路８と、分岐部１０ａと燃料電池１との間の第１の流路１０に供給される酸化ガスが流れる第３の流路１６と、第１の流路１０と第３の流路１６との合流部１０ｃより下流の第１の流路１０に設けられた第１の開閉弁７ａ、７ｂと、第２の流路８に設けられた第２の開閉弁６と、第３の流路１６に設けられた酸化ガス供給器１５と、燃料電池システム１００を構成する各機器の動作を制御する制御器２００とを備える。

なお、改質器３は、原料供給器（図示せず）から供給された原料と蒸発器（図示せず）から供給された水蒸気とが改質触媒上で改質反応して水素含有ガスを生成する。上記改質触媒には、例えば、Ｎｉを触媒金属として含むＮｉ系触媒、Ｒｕを触媒金属として含むＲｕ系触媒等が使用される。蒸発器は、水供給器（図示せず）から供給される水を蒸発させることで水蒸気を生成し、改質器３に供給する。また、改質器３には、改質器３の温度を検出する温度検知器３ａが備えられている。温度検知器３ａで検出した温度のデータは、制御器２００にフィードバックされる。燃焼器５は、原料ガスや改質器３で生成された水素含有ガスを燃料として、高温の燃焼ガスを発生させ、改質器３を改質反応に適した温度にするように熱を供給する。また、燃焼器５は、蒸発器において水蒸気を生成するための熱も供給する。燃料電池１において、上記のように生成された水素含有ガスと、酸化剤ガス供給器１４から供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを反応させることにより、発電を行う。酸化剤ガス供給器１４としては、例えばブロア等が用いられる。

第１の流路１０は、水素生成器２から、燃料電池１を経て、燃焼器５まで連通している。第１の流路１０において、分岐部１０ａと燃料電池１との間には、第１の開閉弁７ａが設けられ、燃料電池１と合流部１０ｂとの間に第１の開閉弁７ｂが設けられている。第２の流路８は、第１の流路１０の分岐部１０ａから始まり燃料電池１をバイパスし、合流部１０ｂにて再び第１の流路１０に合流し、燃焼器５まで連通する流路である。つまり、本実施の形態では、第２の流路８は、合流部１０ｂから燃焼器５までにおいて、第１の流路１０と共通の流路を利用している。第２の流路８における分岐部１０ａと合流部１０ｂとの間には第２の開閉弁６が設けられているが、本例に限定されるものではなく、第２の流路上であれば、いずれの箇所もでも構わない。

酸化ガス供給器１５は、第３の流路１６を通じて、酸化ガスを分岐部１０ａと燃料電池１との間の第１の流路１０に供給する。ここで、第３の流路１６は、分岐部１０ａと第１の開閉弁７ａとの間の第１の流路１０と合流部１０ｃにて合流するよう構成されている。

制御器２００は、制御機能を有するように構成されていればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。

なお、燃料電池システム１００においては、水素生成器２において水素含有ガスの生成に係わる反応器として改質器３のみを備える形態を採用したが、本例に限定されるものではない。例えば、改質器３から送出された水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する変成器（図示せず）、及び水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により低減するＣＯ除去器（図示せず）の少なくともいずれか一方を設けてもよい。

また、制御器２００は、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御器群であってもよい。

また、第２の流路８は、第１の流路１０のうち燃料電池１より下流において一部共通化されているが、本例に限定されるものではなく、共通化されている流路部分が、第１の流路１０及び第２の流路８とで、それぞれ独立した流路として構成されていてもよい。

次に、本実施の形態の燃料電池システム１００の動作フローについて説明する。図２は、実施の形態１の燃料電池システムの動作フローの概要の一例を示す図である。

燃料電池システム１００の起動時には、まず、水素生成器２において水素含有ガスが生成可能な温度になるよう水素生成器２を昇温する昇温動作を開始する。昇温に際しては、水素生成器２内を通過した原料ガスにより燃焼器５を燃焼するよう構成されている。具体的には、図２に示されるように、燃料電池システム１００が起動されると、制御器２００により閉止された第１の開閉弁７ａの閉止状態を維持したまま、第２の開閉弁６を開放する（ステップＳ２００）。

続いて原料供給器の動作を開始して水素生成器２に原料の供給を開始し、水素生成器２より送出された原料が第２の流路８を介して燃焼器５に供給され、燃焼器５はこの原料を用いて燃焼動作を開始する（ステップＳ２０１）。

このとき、改質器３にて改質反応は進行しておらず、原料はそのまま燃焼器５に供給される。そして、燃焼器５より排出された燃焼排ガスにより改質器３及び蒸発器が加熱され、昇温される。

次に、水素生成器２の昇温動作を開始後、改質器３の温度を検知する温度検知器３ａの検知温度Ｔが所定の閾値温度Ｔｔｈ（例えば、３００℃）以上であるか否かが判定される（ステップＳ２０２）。

検知温度Ｔが第１の閾値温度Ｔｔｈ以上になると（ステップＳ２０２でＹｅｓ）、制御器２００により酸化ガス供給器１５の動作が開始され、第３の流路１６を通じて分岐部１０ａより下流から第１の流路１０に酸化ガスの供給が開始される（ステップＳ２０３）。

第１の流路１０に酸化ガスの供給が開始された後、制御器２００により水供給器の動作が開始され、蒸発器に水供給が開始され、改質器３において水素含有ガスの生成が開始される（ステップＳ２０４）。

水素ガスの生成開始後、温度検知器３ａの検知温度Ｔが、第２の閾値温度Ｔｘ（例えば、６５０℃）に達しているか否かを判定する（ステップＳ２０５）。検知温度ＴがＴｘ以上であると、制御器２００は、第１の開閉弁７ａ及び７ｂを開放するとともに第２の開閉弁６を閉止して、水素生成器２より送出される水素含有ガスを燃料電池１への供給を開始し、燃料電池システム１００の発電運転を開始する（ステップＳ２０６）。上記ステップＳ２０６での燃料電池システム１００の発電運転への移行により燃料電池システムの起動が終了する。

上述のように、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池システム１００の起動時において、第１の開閉弁７ａが閉止されるとともに第２の開閉弁６が開放され、水素生成器２より水素含有ガスが送出されている時に、制御器２００により酸化ガス供給器１５を動作させ、第３の流路１６を通じて分岐部１０ａより下流の第１の流路１０に酸化ガスを供給する。これにより、燃料電池システムの起動時に、分岐部１０ａより下流の第１の流路１０に水素含有ガスが拡散流入して生成した凝縮水により流路閉塞を起こす可能性が従来よりも抑制される。

なお、上記所定の第１の閾値温度Ｔｔｈは、改質器３において改質反応の進行が可能な温度であるとともに、蒸発器において水蒸発可能な温度であることを判定する閾値温度として設定される。第２の閾値温度Ｔｘは、燃料電池システムの発電運転において水素生成器２より燃料電池１に水素含有ガスを供給可能な温度である。また、第２の閾値温度Ｔｘは、第１の閾値温度Ｔｔｈよりも高い温度として設定される。第１の閾値温度Ｔｔｈ及び第２の閾値温度Ｔｘは、燃料電池システム１００の構成、サイズ等に応じて適宜設定される。

また、上記制御フローは、水素含有ガスの生成が開始される前に、酸化ガス供給器１５より第１の流路１０に酸化ガスを供給するよう構成されている。これは、水素生成器２で水素含有ガスの生成を開始した後、酸化ガス供給器１５が動作を開始する場合に比べて、分岐部１０ａより下流の第１の流路１０に水素含有ガスが拡散流入する可能性をより低減するためである。ただし、酸化ガス供給器１５の動作を開始するタイミングは、本例に限定されるものではなく、水素生成器２において水素含有ガスの生成が開始された後や、同時であっても構わない。ただし、そのような場合、水素含有ガスの生成時に酸化ガス供給器１５が動作していない時間中には分岐部１０ａより下流の第１の流路１０に水素含有ガスが流入し、凝縮水が生成する可能性がある。しかしながら、仮に凝縮水が生成しても、その後の酸化ガス供給器１５の動作により第１の流路１０に供給された酸化ガスの流れに乗って凝縮水が第２の流路８に排出され、分岐部１０ａより下流の第１の流路１０の流路閉塞が従来の燃料電池システムに比べて抑制される。

また、起動時において水素生成器２より送出される水素含有ガスが第２の流路８を流れている期間において、酸化ガス供給器１５より連続的に酸化ガスを第１の流路１０に供給するよう制御しても構わないし、間欠的に動作するよう制御しても構わない。ただし、酸化ガス供給器１５を間欠的に動作させた場合、酸化ガス供給器１５の非動作期間中には分岐部１０ａより下流の第１の流路１０に水素含有ガスが流入し、凝縮水が生成する可能性がある。しかしながら、仮に凝縮水が生成しても、次の動作再開時にこの凝縮水が第１の流路１０に供給された酸化ガスの流れにより第２の流路８に排出され、分岐部より下流の第１の流路１０の流路閉塞が従来の燃料電池システムに比べて抑制される。

また、上記動作フローにおいて、第１の開閉弁７ａを閉止している時の第１の開閉弁７ｂの開閉動作について説明しなかったが、第１の開閉弁７ｂは、開放していても閉止していてもいずれであっても構わない。また、上記動作フローにおける第１の開閉弁７ａの閉止制御に代えて、第１の開閉弁７ｂを閉止制御するよう構成され、第１の開閉弁７ａは開放制御されるよう構成されていても構わない。また、第１の開閉弁７ａ及び第１の開閉弁７ｂのいずれか一方のみを設けて閉止制御するよう構成されていても構わない。つまり、水素生成器２において生成している水素含有ガスの流入先を燃料電池１ではなく、第２の流路８になるよう制御する際に閉止する「第１の開閉弁」は、合流部１０ｃより下流の第１の流路１０上に設けられた開閉弁であればいずれの開閉弁であっても構わない。

また、上記実施の形態の燃料電池システムにおいて、第３の流路１６上に開閉弁を設け、上記動作フローのステップＳ２０３において、この開閉弁を開放するとともに酸化ガス供給器１５の動作を開始するよう構成する形態を採用しても構わない。

［変形例］
次に、実施の形態１の燃料電池システムの変形例について説明する。本変形例の燃料電池システムは、実施の形態１と同様の構成を有するのでその説明を省略する。本変形例の燃料電池システムは、起動時における動作フローは実施の形態１と同様であるが、燃料電池システム１００を起動した後に、発電運転に移行した後においても酸化ガス供給器１５を動作させ、燃料電池１に供給される水素含有ガスに第３の流路１６を介して酸化ガスを添加することを特徴とする。

これは、一般的に、エアブリードと呼ばれる動作であり、発電運転時に燃料電池のアノードに一酸化炭素が吸着することによる発電性能の低下が抑制される。本変形例により、１つの酸化ガス供給機構（酸化ガス供給器１５及び第３の流路１６）を用いて、実施の形態１で説明した分岐部１０ａより下流の第１の流路１０の凝縮水による流路閉塞抑制と、発電運転時に燃料電池のアノードへの一酸化炭素吸着に伴う発電性能の低下抑制の両方の効果が得られる。

また、発電運転時の酸化ガス供給器１５からの酸化ガス供給は、発電運転中において連続的に実行してもいいし、間欠的に実行しても構わない。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２における燃料電池システムについて説明する。図３は、実施の形態２の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図３において、実施の形態１に係る図１の概略図と同じ構成要素については、同じ符号を用い説明を省略する。

図３に示されるように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムとほぼ同様の構成を有する。しかし、水素生成器２内に、改質器３で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するＣＯ除去器１９と、第３の流路１６において分岐し、ＣＯ除去器１９に供給される酸化ガスが流れる第４の流路１８とを備える点が、実施の形態１と異なる。

ＣＯ除去器１９は、水素生成器２内の改質器３で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減する。具体的には、供給された水素含有ガスに酸化ガスを付加し、一酸化炭素を酸化反応により二酸化炭素にすることで低減する。

第４の流路１８は、第３の流路１６から分岐し、ＣＯ除去器１９に連通する。第４の流路１８を通じて、酸化ガス供給器１５はＣＯ除去器１９に酸化ガスを供給する。つまり、酸化ガス供給器１５より送出された酸化ガスは、第３の流路１６及び第４の流路１８のそれぞれに分流するよう構成されている。

これにより、起動時におけるＣＯ除去器１９への酸化ガス供給機能と、分岐部１０ａより下流の第１の流路１０への酸化ガス供給機能が兼用され、好ましい。

なお、本実施の形態の燃料電池システムは、起動時だけでなく発電運転時においても、同様に酸化ガス供給器１５を動作させ、ＣＯ除去器１９への酸化ガス供給と燃料電池１に供給される水素含有ガスへの酸化ガス供給（エアブリード）とを実行する形態を採用しても構わない。

これにより、１つの酸化ガス供給器１５を用いて、発電運転時の水素含有ガス中の一酸化炭素低減と、燃料電池のアノードへの一酸化炭素吸着に伴う発電性能の低下抑制の両方の効果が得られる。

なお、供給される酸化ガスの流量は、改質器３で生成される水素含有ガスの量に応じて設定されるのが好ましい。これは、改質器３で生成される水素含有ガス量に比例して水素含有ガスに含まれる一酸化炭素量も変化するからである。具体的には、改質器３への原料の供給量が増加すると、上記酸化ガスの供給量も増加させ、改質器３への原料の供給量が減少すると上記酸化ガスの供給量も減少させる。

［変形例１］
次に、実施の形態２の燃料電池システムの変形例１について説明する。図４は、本変形例の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図４に示されるように本変形例の燃料電池システムは、第４の流路１８への分岐部よりも上流の第３の流路１６に第３の開閉弁２０が設けられ、この第３の開閉弁２０を開放することで、第３の流路１６及び前記第４の流路１８が導通するよう構成されていることを特徴とする。そして、酸化ガス供給器１５より酸化ガスを供給する場合には、第３の開閉弁２０が開放される。

［変形例２］
次に、実施の形態２の燃料電池システムの変形例２について説明する。図５（ａ）−（ｃ）は、本変形例の燃料電池システムの特徴的な構成の概略の一例を示す図である。本変形例の燃料電池システムは、変形例１の燃料電池システムと異なり、第３の流路１６を連通／遮断する第３の開閉弁２０と、第４の流路１８を連通／遮断する第４の開閉弁２１とを備えることを特徴とする。第３の開閉弁２０及び第４の開閉弁２１の具体的な構成については、図５（ａ）−（ｃ）に示される通りである。

図５（ａ）において、第３の開閉弁２０は、第３の流路１６において、第４の流路１８への分岐部よりも下流側（第１の流路１０側）に設けられている。第４の開閉弁２１は、第３の流路１６において、第４の流路１８への分岐部よりも上流側（酸化ガス供給器１５側）に設けられている。第３の流路１６、第４の流路１８の両方に酸化ガスを供給する場合には、第３の開閉弁２０、第４の開閉弁２１をともに開放する。第４の流路１８のみに酸化ガスを供給する場合には、第３の開閉弁２０を閉止し、かつ第４の開閉弁２１を開放する。

図５（ｂ）において、第３の開閉弁２０は、第３の流路１６において、第４の流路１８への分岐部よりも上流側（酸化ガス供給器１５路側）に設けられている。第４の開閉弁２１は、第４の流路１８に設けられている。第３の流路１６、第４の流路１８の両方に酸化ガスを供給する場合には、第３の開閉弁２０、第４の開閉弁２１をともに開放する。第３の流路１６のみに酸化ガスを供給する場合には、第３の開閉弁２０を開放し、かつ第４の開閉弁２１を閉止する。

図５（ｃ）において、第３の開閉弁２０は、第３の流路１６において、第４の流路１８への分岐部よりも下流側（第１の流路１０側）に設けられている。第４の開閉弁２１は、第４の流路１８に設けられている。第３の流路１６、第４の流路１８の両方に酸化ガスを供給する場合には、第３の開閉弁２０、第４の開閉弁２１をともに開放する。第３の流路１６のみに酸化ガスを供給する場合には、第３の開閉弁２０を開放し、かつ第４の開閉弁２１を閉止する。第４の流路１８のみに酸化ガスを供給する場合には、第３の開閉弁２０を閉止し、かつ第４の開閉弁２１を開放する。

以上のように本変形例は、変形例１に比べ、第３の流路１６及び第４の流路に設けられる開閉弁の数が増加するが、制御器２００により第３の開閉弁２０及び第４の開閉弁２１の開閉動作をそれぞれ独立して制御することで第３の流路１６及び第４の流路の少なくともいずれか一方の流路について酸化ガスの供給／遮断を独立して制御することが可能になる点で、変形例１に比べより好ましい。

［変形例３］
次に、実施の形態２の燃料電池システムの変形例３について説明する。図６は、本変形例の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図６に示すように本変形例の燃料電池システムは、変形例１と同様に第４の流路１８への分岐部よりも上流の第３の流路１６に第３の開閉弁２０が設けられ、この第３の開閉弁２０を開放することで、第３の流路１６及び第４の流路１８が導通するよう構成されている。これに加え、水素生成器２に対して、燃料電池１が上方に位置するように構成されている。よって、水素生成器の水素含有ガスの出口よりも燃料電池の水素含有ガスの入口が上方になるよう構成されている。より具体的には、第２の流路８への分岐部１０ａより下流の第１の流路１０が分岐部１０ａより上がり勾配になるよう構成されている点が実施の形態２及び他の変形例の燃料電池システムと異なる。このように、分岐部１０ａより下流の第１の流路１０が上がり勾配になるよう構成されると、仮に起動時において、水素生成器２より送出された水素含有ガスが分岐部１０ａより下流の第１の流路１０に拡散流入して凝縮水が生じると、この凝縮水が逆流して高温のＣＯ除去器１９に流入して突沸を起こすことがある。突沸が起こると燃焼器５の流入する水素含有ガスの流量が大きく変動し、燃焼器５が失火や不完全燃焼を起こす場合がある。

ここで、本変形例の燃料電池システムは、変形例１の燃料電池システムと同様に、起動時に分岐部１０ａより下流の第１の流路１０が遮断される一方、第２の流路が導通されている状態で水素生成器２において水素含有ガスが生成している時に、第３の開閉弁を開放するとともに酸化ガス供給器１５を動作させる。これにより、凝縮水による第１の流路１０の流路閉塞が抑制されるとともにＣＯ除去器１９へ逆流した凝縮水の突沸に伴う燃焼器５の燃焼安定性の低下が抑制される。

なお、本変形例では、第２の流路８に気液分離器２２を設け、分岐部１０ａより気液分離器２２に至るまでの第２の流路８を下り勾配になるよう構成している。これは、第２の流路８内で生じた凝縮水がＣＯ除去器１９に逆流することなく気液分離器２２へ排出させるためである。
［変形例４］
変形例４の燃料電池システムは、実施の形態２及びその変形例１−３のいずれかの燃料電池システムにおいて、第３の流路と第４の流路が共通化されておらず、独立して設けられているとともに、エアブリード用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器とＣＯ除去器１９での酸化反応用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器とを別個に設けられている。

上記特徴以外は、実施の形態２及びその変形例１−３のいずれかの燃料電池システムと同様に構成されていてもよい。

次に、本変形例の燃料電池システム１００の詳細について説明する。

図７は、本変形例の燃料電池システム１００の概略構成の一例を示す図である。

図７に示すように、本変形例の燃料電池システム１００は、第３の流路１６と第４の流路１８とが、それぞれ独立して設けられているとともに、エアブリード用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器１５とＣＯ除去器１９での酸化反応用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器２３とを備えている。

本発明に係る燃料電池システムは、起動時に、分岐部より下流の燃料ガス流路に水素含有ガスが拡散流入して生成した凝縮水により流路閉塞を起こす可能性が従来よりも抑制されるので、燃料電池システム等として有用である。

１００，７００ 燃料電池システム
１ 燃料電池
２ 水素生成器
３ 改質器
３ａ 温度検知器
５ 燃焼器
６ 第２の開閉弁
７ａ，７ｂ 第１の開閉弁
８ 第２の流路
１０ 第１の流路
１０ａ 分岐部
１０ｂ，１０ｃ 合流部
１４ 酸化剤ガス供給器
１５ 酸化ガス供給器
１６ 第３の流路
１８ 第４の流路
１９ ＣＯ除去器
２０ 第３の開閉弁
２１ 第４の開閉弁
２２ 気液分離器
２００ 制御器

Claims (8)

1. 
   原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、前記改質器に前記改質反応のための熱を供給する燃焼器と、
   
   前記水素生成器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記水素生成器より送出され前記燃料電池を通過する水素含有ガスが流れる第１の流路と、
   
   前記第１の流路より分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給される水素含有ガスが流れる第２の流路と、
   前記第２の流路への分岐部と前記燃料電池との間の前記第１の流路に供給される酸化ガスが流れる第３の流路と、
   前記第１の流路と前記第３の流路との合流部よりも下流の前記第１の流路に設けられた第１の開閉弁と、
   
   前記第２の流路に設けられた第２の開閉弁と、
   前記第３の流路に設けられた酸化ガス供給器と、
   
   起動時において、前記第１の開閉弁が閉止されるとともに前記第２の開閉弁が開放され、前記水素生成器より前記水素含有ガスが送出されている時に、前記酸化ガス供給器を動作させ、前記第３の流路を通じて前記分岐部より下流の前記第１の流路に酸化ガスを供給する制御器とを備える、
   
   燃料電池システム。
2. 
   前記制御器は、発電運転時において、前記酸化ガス供給器より前記第３の流路を通じて前記燃料電池に供給される水素含有ガスに酸化ガスを供給する、
   
   請求項１記載の燃料電池システム。
3. 
   前記水素生成器は、前記改質器より送出される前記水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するためのＣＯ除去器と、前記第３の流路より分岐し、前記ＣＯ除去器に供給される酸化ガスが流れる第４の流路とを備え、
   
   前記制御器は、起動時において、前記第１の開閉弁が閉止されるとともに前記第２の開閉弁が開放され、前記水素生成器より前記水素含有ガスが送出されている時に、前記酸化ガス供給器供給するより送出された酸化ガスが分流し、前記第３の流路及び前記第４の流路のそれぞれを流れるよう構成されている、
   
   請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記第４の流路への分岐部よりも上流の前記第３の流路に設けられた第３の開閉弁を備え、
   
   前記第３の開閉弁を開放することで、前記第３の流路及び前記第４の流路が導通するよう構成され、
   
   前記制御器は、起動時において、前記第１の開閉弁が閉止されるとともに前記第２の開閉弁が開放され、前記水素生成器より前記水素含有ガスが送出されている時に、前記第３の開閉弁を開放するとともに前記酸化ガス供給器を動作させ、前記第３の流路と前記第４の流路とに酸化ガスを供給する、
   
   請求項３記載の燃料電池システム。
5. 
   前記第３の流路を連通／遮断する第３の開閉弁と、前記第４の流路を連通／遮断する第４の開閉弁とを備え、
   
   前記制御器は、起動時において、前記第１の開閉弁が閉止されるとともに前記第２の開閉弁が開放され、前記水素生成器より前記水素含有ガスが送出されている時に、前記第３の開閉弁及び前記第４の開閉弁を開放するとともに前記酸化ガス供給器を動作させ、前記第３の流路と前記第４の流路とに酸化ガスを供給する、
   
   請求項３記載の燃料電池システム。
6. 
   前記水素生成器の水素含有ガスの出口よりも前記燃料電池の水素含有ガスの入口が上方になるよう構成されている、
   
   請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記第２の流路への分岐部よりも下流の第１の流路が上り勾配になるよう構成されている、
   請求項６記載の燃料電池システム。
8. 
   原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、
   
   前記改質器に前記改質反応のための熱を供給する燃焼器と、
   前記水素生成器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記水素生成器より送出され前記燃料電池を通過する水素含有ガスが流れる第１の流路と、
   
   前記第１の流路より分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に水素含有ガスを供給する第２の流路と、
   前記第２の流路への分岐部と前記燃料電池との間の前記第１の流路に供給される酸化ガスが流れる第３の流路と、
   前記第１の流路と前記第３の流路との合流部より下流の前記第１の流路に設けられた第１の開閉弁と、
   
   前記第２の流路に設けられた第２の開閉弁と、
   
   前記第３の流路に設けられた酸化ガス供給器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   起動時において、前記第１の開閉弁を閉止するとともに前記第２の開閉弁を開放し、前記水素生成器より前記水素含有ガスを送出するステップ（ａ）と、
   
   ステップ（ａ）において前記酸化ガス供給器が動作し、前記第３の流路を通じて前記分岐部より下流の前記第１の流路に酸化ガスを供給するステップ（ｂ）とを備える、燃料電池システムの運転方法。

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