JPWO2010109863A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができる燃料電池システムを提供することを目的とする。燃料電池システムの起動運転時には、原料ガス供給装置６でバーナ部１２に供給する原料ガスと燃料処理器３中の触媒に吸着していた原料ガス成分のうち触媒の温度上昇により脱離してバーナ部１２に供給されてくる原料ガス量の推測値との合算量に応じて送風機でバーナ部１２に送る燃焼用空気の量を調整する。

Description

本発明は、炭化水素系の原料を改質して生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関する。
燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素や水素リッチガスを供給し、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して、電気化学反応によって発電を行う。近年、燃料電池で発電した電力とともに、燃料電池が発電する際に発生する熱を回収して熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが注目されている。
そして、燃料電池システムでは、燃料電池に必要な水素リッチガスを生成する方法の一つとして、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスを、水蒸気とともに改質触媒を充填した約７００℃の改質部で水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスにする方法がある。このとき、水蒸気改質において、改質部から出る改質ガス中に約１０〜１５％含まれる一酸化炭素が副生成物として生成される。なお、一酸化炭素は燃料電池の電極触媒を被毒して発電能力を低下させるため、改質ガス中の一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下に除去する必要がある。
そこで、通常、改質部の下流側には一酸化炭素低減部として、改質部から出た改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を反応させて水素と二酸化炭素に水性ガスシフト反応させる変成触媒を充填した変成部と、変成部で一酸化炭素濃度を低減させた改質ガスと空気を供給して一酸化炭素と空気中の酸素を選択酸化反応させて改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる選択酸化触媒を充填した選択酸化部とが連結されている。このとき、変成部では約２００℃以上で水性ガスシフト反応が行われ、選択酸化部では約１００℃で選択酸化反応が行われる。
また、改質部には昇温用のバーナ部が設けられている。そして、このバーナ部は、燃料電池システムの発電時、バーナ部に供給した空気とともに、燃料電池の発電で使用されなかった改質ガス（以下、「オフガス」と記す場合がある）中の水素を燃焼させて、吸熱反応である改質反応が行われる改質触媒の温度を約７００℃に維持している。さらに、燃料電池システムの起動運転時には、このバーナ部は、水素生成前の原料ガスおよび原料ガスと水素の混合ガスを燃焼させて、改質触媒の温度を昇温している。
なお、以下では、バーナ部を備えた改質部と変成部および選択酸化部を連結した水素製造装置を、適宜、燃料処理器と記して説明する場合がある。
また、燃料電池システムの起動運転時には、原料ガスから改質ガスを生成するために、燃料処理器の各触媒を所定の温度まで昇温させる必要がある。そこで、原料ガスを燃料処理器に供給して、燃料処理器から出てきた原料ガスを燃料電池をバイパスする経路からバーナ部に戻して燃焼させ、その燃焼熱で燃料処理器の各触媒を加熱する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、燃料電池システムの発電を停止する時には、改質部への原料ガスと水蒸気の供給を停止させる。このとき、燃料処理器内に残った改質ガスの温度低下による体積収縮や温度低下に伴う改質ガス中の水蒸気の凝縮により燃料処理器内が減圧される。そこで、これを回避するために、燃料電池システムを停止する時、まず原料ガスと水蒸気の供給を停止し、燃料処理器の温度が所定の温度に低下した後に、原料ガスで燃料処理器中の改質ガスをパージする。そして、燃料処理器内の圧力が所定の圧力以下に低下したら、燃料処理器に原料ガスを供給して正圧を維持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２参照）。
日本国特開２００８−２１８３５５号公報 日本国特許第４１３０６０３号公報
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、以下のような課題があった。
すなわち、従来の燃料電池システムは、燃料電池システムの発電を停止する時に、燃料処理器中の水蒸気を含む改質ガスのパージおよび燃料処理器内の圧力を正圧に保つために、燃料処理器に都市ガスやＬＰＧなどの原料ガスを供給する。このとき、燃料電池システムの停止中の各触媒の温度低下に伴い、各触媒に原料ガスもしくは原料ガスの一部の成分が吸着する。
一方、燃料電池システムの起動運転の時には、各触媒の温度を所定の温度に昇温するために、原料ガスを燃料処理器を介してバーナ部に供給し、空気とともに燃焼させて、各触媒の温度を上昇させる。このとき、各触媒の温度が上昇するに伴い、各触媒に吸着していた原料ガスの成分が脱離して、燃料処理器に供給した原料ガスとともにバーナ部に供給される。そのため、実際にバーナ部に供給される原料ガスの量は、燃料処理器に供給した原料ガスに比べて、脱離した原料ガスの成分だけ多くなる。そして、原料ガスと空気との比率がずれて、バーナ部で不完全燃焼が起こる。さらに、不完全燃焼により発生した一酸化炭素の燃料電池システムの外部への放出や、場合によってはバーナ部の失火が起こる。その結果、燃料処理器内の各触媒の昇温が行われなくなり、燃料電池システムの起動運転が阻害されるという課題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、一酸化炭素低減部を通った改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと原料ガスと改質ガスとの少なくとも１つを送風機で供給した燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、原料ガスを改質部と、改質部を介してまたは直接バーナ部と、に供給する原料ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部で燃やされる原料ガス供給装置で供給する原料ガスと、少なくとも改質触媒と一酸化炭素低減触媒の一方に吸着していた原料ガスの成分のうちの脱離してくる脱離原料ガスとの量に応じて、送風機でバーナ部に送る燃焼用空気の量を調整するものである。
これにより、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼を継続的に実現することができる。
本発明の燃料電池システムによれば、バーナ部で原料ガスを燃焼させることによって燃料処理器内の各触媒を所定の温度に昇温させて安定した起動運転を行うことができる燃料電池システムを実現できる。
本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図 同実施の形態における燃料電池システムに用いられる燃料処理器を説明する主要部断面図 同実施の形態の燃料電池システムの変成部の変成触媒の温度と変成触媒から脱離する脱離原料ガスの量との関係を示す模式図 同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート 同実施の形態の燃料電池システムにおける起動運転時での改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒の温度上昇の様子を示す特性図 同実施の形態の燃料電池システムにおける別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す模式図 同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート 同実施の形態の燃料電池システムにおける別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート 同実施の形態における燃料電池システムの別の例を説明する模式図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す模式図 同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成を示す模式図 同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
第１の発明は、原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、一酸化炭素低減部を通った改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと原料ガスと改質ガスとの少なくとも１つを送風機で供給した燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、原料ガスを改質部と、改質部を介してまたは直接バーナ部とに供給する原料ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部で燃やされる原料ガス供給装置で供給する原料ガスと、少なくとも改質触媒と一酸化炭素低減触媒の一方に吸着していた原料ガスの成分のうちの脱離してくる脱離原料ガスとの量に応じて、送風機でバーナ部に送る燃焼用空気の量を調整する燃料電池システムである。
この構成により、バーナ部に供給する燃焼用空気の量と、原料ガス供給装置から供給される原料ガスの量と脱離から供給される脱離原料ガスとの合算量との比率を所定の比率に調整して、安定した燃焼を行うことができる。その結果、燃料処理器内の各触媒を所定温度に昇温させて安定した起動運転を行う燃料電池システムを実現できる。
第２の発明は、第１の発明において、燃料電池システムの起動運転時に、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段を備える。
これにより、各触媒に吸着した原料ガスを効果的に脱離できる。
第３の発明は、第１または第２の発明において、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部に供給される原料ガス供給装置で供給する原料ガスと脱離原料ガスのうち、少なくとも脱離原料ガスの流量を計測する計測手段をさらに備える。これにより、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスが脱離してバーナ部に供給されてきても、バーナ部に供給される原料ガスの流量に応じて燃焼用空気の量を調整することが可能であるため、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
第４の発明は、第３の発明において、計測手段が少なくとも脱離原料ガスの流量を計測する流量計であるものである。これにより、比較的容易にバーナ部に供給される原料ガスの流量を正確に計測することが可能であるため、バーナ部に供給する燃焼用空気の流量をバーナ部に供給される原料ガスの流量に応じて調整することが可能であり、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
第５の発明は、第３の発明において、計測手段が少なくとも脱離原料ガスの圧力を検知する圧力計であるものである。これにより、比較的簡単な構成でバーナ部に供給される原料ガスの圧力から流量を計測することが可能であるため、バーナ部に供給する燃焼用空気の流量をバーナ部に供給される原料ガスの流量に応じて調整することが可能であり、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
第６の発明は、第１または第２の発明において、バーナ部で燃焼させた後の燃焼排ガス成分のうち、少なくとも一つの成分の濃度を検知する排ガス分析手段を備え、この排ガス分析手段で検知した濃度に基づいて燃焼用空気の量を調整するものである。
これにより、脱離原料ガスによって、バーナ部での燃焼状態が悪くなり始めたことを検知して燃焼用空気の流量を調整することが可能となり、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
第７の発明は、第１または第２の発明において、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、温度センサが検知した改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度に基づいて、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部で燃やされる改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分中の脱離してくる脱離原料ガスの量を推定する。
これにより、簡単な構成で、比較的精度よく脱離する脱離原料ガスの量を推定して、バーナ部における燃焼を安定させることできる。
第８の発明は、第１または第２または第７のいずれかの発明において、加熱手段の加熱開始からの経過時間を計測するタイマ手段を備え、タイマ手段が計測した時間に基づいて、バーナ部で燃やされる改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうち脱離してくる脱離原料ガスの量を推定する。
これにより、簡単な構成で、脱離原料ガスの量を検出できる。
第９の発明は、第２または第７または第８のいずれかの発明において、燃料電池システムの起動時に、加熱手段で改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、加熱手段による加熱開始から所定時間経過後に原料ガス供給装置を動作させる。
これにより、原料ガス供給装置による原料ガスの供給量を少なく絞ることなく、少量の原料ガスの燃焼で触媒の昇温速度を緩やかにすることができる。また、燃料電池システムの起動運転の前に、触媒に吸着した原料ガスの量が想定よりも少ない場合でも、バーナ部で脱離してくる脱離原料ガスのみによる燃焼を想定した時間帯で、脱離してくる脱離原料ガスの量が想定よりも少ないために失火しても、必要以上の未燃焼の原料ガスが燃焼排ガス経路から燃料電池システム外に放出されることを抑制することできる。さらに、所定時間経過後に、原料ガス供給装置から原料ガスを供給開始することにより、再度着火することが可能となる。
第１０の発明は、第２または第７または第８のいずれかの発明において、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、燃料電池システムの起動時に、加熱手段で改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、温度センサの検知する温度が所定の温度以上になった後に原料ガス供給装置を動作させる。
これにより、原料ガス供給装置による原料ガス供給量を少なく絞ることなく、少量の原料ガスの燃焼で触媒の昇温速度を緩やかにすることできる。また、燃料電池システムの起動運転の前に、触媒に吸着した原料ガスの量が想定よりも少ない場合でも、バーナ部で脱離してくる脱離原料ガスのみによる燃焼を想定した時間帯で、脱離してくる脱離原料ガスの量が想定よりも少ないために失火しても、温度センサによる触媒の温度上昇速度によって、失火を検知することができる。
第１１の発明は、第２または第７または第８のいずれかの発明において、燃料電池システムの起動時に、原料ガス供給装置と加熱手段とを動作させ、バーナ部で原料ガス供給装置から供給した原料ガスを所定時間燃焼させた後に原料ガス供給装置の動作を停止して、加熱手段の加熱開始から所定時間経過後に原料ガス供給装置を動作させる。これにより、触媒から脱離してくる脱離原料ガスの量にかかわらず、所定量の原料ガスを原料ガス供給装置によりバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部での安定した着火が可能となる。
第１２の発明は、第２または第７または第８のいずれかの発明において、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、燃料電池システムの起動時に、原料ガス供給装置と加熱手段とを動作させ、加熱手段による加熱開始から所定時間経過後または温度センサが第１所定温度以上を検知後に原料ガス供給装置の動作を停止して、温度センサが第２所定温度以上を検知した後に原料ガス供給装置を動作させる。これにより、触媒の加熱が不十分で触媒から脱離してくる脱離原料ガスの量がほとんどないくらい少ない場合でも、所定量の原料ガスを原料ガス供給装置によりバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部での安定した着火が可能となる。
第１３の発明は、第２から第１２のいずれかの発明において、加熱手段は、電気ヒータである。これにより、触媒の加熱開始および終了が比較的容易に制御できる。また、電気ヒータは、オン／オフ制御や入力電圧制御により加熱量の制御が容易であるため、触媒の昇温速度の制御が容易にできる。その結果、昇温速度を遅くして急激な温度変化による触媒の劣化を抑制したり、逆に昇温速度を速めて起動時間を短縮して、触媒から脱離する脱離原料ガスの量を調整することが可能となる。
第１４の発明は、第２から第１２のいずれかの発明において、加熱手段は、加熱用バーナ部からなり、加熱用バーナ部の燃焼排ガスで改質部と一酸化炭素低減部の少なくとも一方を加熱する。これにより、加熱用バーナ部の燃焼による排熱を触媒の加熱に有効に利用することができる。そのため、エネルギー効率に優れた起動特性を備える燃料電池システムを実現できる。
第１５の発明は、第１４の発明において、バーナ部を加熱用バーナ部として用いる。これにより、バーナ部を一つとすることが可能である。また、バーナ部に原料ガスおよび燃焼用空気を供給するための配管なども簡素化できる。その結果、簡単な構成で加熱手段としてのバーナ部を実現できるため、燃料電池システムの大型化や複雑化を抑制できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した従来の技術と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と燃料処理器３と水蒸気発生装置４と制御部５と原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７とカソード空気ブロワ８とから少なくとも構成されている。燃焼空気ファン７は燃焼用空気を後述するバーナ部へ供給する送風機である。このとき、燃料電池システム１に供給される原料ガスとしてＬＰＧを利用し、ＬＰＧのボンベ（図示せず）が燃料電池システム１の外部で原料ガス供給装置６と接続されている。なお、原料ガスとして、都市ガスなどの他の炭化水素系の原料も用いることができる。そして、炭化水素系の原料に付臭剤として添加される硫黄化合物は、原料ガス供給装置６の上流側もしくは原料ガス供給装置６と燃料処理器３との間に設置された脱硫部（図示せず）を通過するときに除去される。
また、燃料電池２は、固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで挟持した構造を有している。そして、アノード電極２ｂに燃料処理器３で生成した水素を多く含む改質ガスを供給し、カソード電極２ｃにカソード空気ブロワ８で空気を供給することにより発電が行われる。
また、燃料処理器３は、改質部９と、一酸化炭素低減部を構成する変成部１０と選択酸化部１１とが、順次接続された構成を有している。そして、改質部９の内部には改質触媒９ａが、変成部１０の内部には変成触媒１０ａが、選択酸化部１１の内部には選択酸化触媒１１ａがそれぞれ充填されている。
また、改質部９にはバーナ部１２が設けられ、原料ガスおよび燃料電池２で発電時に使用されなかった水素を含むオフガス中の水素を、燃焼空気ファン７で燃焼用空気経路７ａを介してバーナ部１２に送風した空気とともに燃焼させる。そして、燃焼排ガスとして燃焼排ガス経路１３を通って燃料電池システム１の外部に排出する。このとき、燃焼排ガス経路１３は、バーナ部１２から、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１の内部を、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａと直接接しないように区画された空間を通る構造で設けられている。
そして、原料ガス供給装置６により原料ガス供給経路１４から改質部９の改質触媒９ａが充填された空間に供給された原料ガスは、まず、改質触媒９ａの充填層中を通る。つぎに、原料ガスは、改質部９から出て変成部１０の変成触媒１０ａが充填された空間に供給され、変成触媒１０ａの充填層中を通る。つぎに、原料ガスは、変成部１０から出て選択酸化部１１の選択酸化触媒１１ａが充填された空間に供給され、選択酸化触媒１１ａの充填層中を通る。その後、原料ガスは、選択酸化部１１から原料ガス経路１５に出て行くように原料ガス供給経路１４、原料ガス経路１５を経由して流通する。
ここで、原料ガス経路１５は、燃料電池２のアノード電極２ｂ側入口の上流側で燃料電池入口経路１５ａと燃料電池バイパス経路１５ｂとに分岐した構造を有している。そして、燃料電池２のアノード電極２ｂ側の入口側に燃料電池入口経路１５ａが接続され、出口側にオフガス経路１５ｃが接続されている。このとき、オフガス経路１５ｃの燃料電池２と接続されていない側は、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂと接続されている。さらに、燃料電池バイパス経路１５ｂには燃料電池バイパス弁１６が、燃料電池入口経路１５ａには燃料電池入口弁１７が、オフガス経路１５ｃには燃料電池出口弁１８がそれぞれ設置されている。そして、制御部５で燃料電池バイパス弁１６、燃料電池入口弁１７および燃料電池出口弁１８の開閉を制御して、原料ガス経路１５を、燃料電池入口経路１５ａと燃料電池バイパス経路１５ｂとに切り替えている。さらに、原料ガス経路１５は、燃料電池バイパス経路１５ｂとオフガス経路１５ｃとが接続された下流側でバーナ部１２に接続されている。
また、原料ガス供給経路１４には、必要に応じて、水蒸気発生装置４から水蒸気を原料ガス中に混合させて改質部９に供給するための水蒸気経路４ａが接続されている。
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システムに用いられる燃料処理器３について、図２を用いて説明する。
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムに用いられる燃料処理器３を説明する主要部断面図である。
図２に示すように、燃料処理器３は、内側から順に第１円筒体２０、第２円筒体２１、第３円筒体２２および第４円筒体２３が、略同心状に配置されて設けられている。そして、燃焼排ガス経路１３が第１円筒体２０と第２円筒体２１との間の空間で構成され、第１ガス流路２４が第２円筒体２１と第３円筒体２２との間の空間で環状に構成され、第２ガス流路２５が第３円筒体２２と第４円筒体２３との間の空間で構成されている。さらに、第１円筒体２０の内空間には、バーナ部１２と、バーナ部１２に原料ガスおよびオフガスを供給する原料ガス経路１５と、燃焼用空気経路７ａと、燃焼室２６とが設けられている。そして、燃焼室２６と燃焼排ガス経路１３とは、その端部近傍の排気折り返し部２７を介して連通している。同様に、第１ガス流路２４と第２ガス流路２５とは、その端部近傍の原料ガス折り返し部２８を介して連通している。
また、第１ガス流路２４には、例えばアルミナ担体に金属ルテニウムを担持した球状の改質触媒９ａを充填した改質部９が設けられている。なお、改質触媒９ａとしては、上記以外に、ニッケル触媒、白金系触媒、ロジウムなどの白金族系の触媒などを用いることができる。また、改質触媒９ａの形状として、球状以外に、円筒状のものなどを用いることも可能である。
また、第２ガス流路２５には、例えばＣｕ−Ｚｎ系（具体的には、ズードケミー社製のＭＤＣ−７）などの変成触媒１０ａを充填した変成部１０と、例えば球状のルテニウム系の選択酸化触媒１１ａを充填した選択酸化部１１が設けられている。なお、変成触媒１０ａや選択酸化触媒１１ａとして、上記以外に白金系の触媒を用いることもできる。
また、選択酸化部１１には、選択酸化触媒１１ａで酸化反応を行わせるための選択酸化空気供給経路１１ｂが接続されている。さらに、第１ガス流路２４の上方には、原料ガス供給経路１４が接続されている。なお、本実施の形態では、選択酸化部１１として選択酸化反応によって一酸化炭素濃度を低減させる選択酸化部１１を用いた例で説明したが、例えばメタネーション反応によって一酸化炭素濃度を低減してもよい。
また、変成部１０には、変成触媒１０ａの温度を計測する変成温度センサ１０ｂが設けられている。ここで、変成温度センサ１０ｂは、燃料電池システム１の起動運転時には、検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて、制御部５で変成触媒１０ａに吸着していた原料ガスの脱離する脱離原料ガスの量を推測する場合にも用いることができる。
なお、燃料処理器３の外部は、図示しない断熱材で覆われ、後述する温度バランスが成立するように各部の断熱を考慮して設けられている。
以下に、本発明のポイントである、燃料電池システム１の変成部１０の変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を図３を用いて説明する。
図３は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１の変成部１０の変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を示す模式図である。
なお、図３は、実験的に作成した変成部１０にのみ変成触媒１０ａを充填した燃料処理器３を用い、原料ガス供給装置６から直接バーナ部１２に一定量のＬＰＧを供給して所定の燃焼用空気とともに燃焼させて、その燃焼排ガスで変成触媒１０ａを加熱した際の、変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離してきた脱離原料ガスであるＬＰＧの量を経時的に測定した実験結果を示している。なお、以降では、脱離原料ガスであるＬＰＧを、適時、脱離ＬＰＧと記載して説明する。
そして、図３の横軸は変成触媒１０ａの加熱開始からの経過時間を示し、縦軸の第１軸はＬＰＧの流量を、縦軸の第２軸は変成触媒１０ａの温度を示している。ここで、図３中の破線は変成触媒１０ａから脱離してきた脱離ＬＰＧの量を示し、実線は変成触媒１０ａの温度を示している。なお、図３中には、変成触媒１０ａから脱離してきた脱離ＬＰＧの量と比較するために、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスであるＬＰＧの量を一点破線で示している。
図３に示すように、変成触媒１０ａの加熱を開始すると、外気温程度である約２５℃から変成触媒１０ａの温度は、徐々に、略一定速度で上昇する。そして、変成触媒１０ａの温度上昇とともに、変成触媒１０ａから脱離ＬＰＧの脱離が開始し、約６０℃まで脱離ＬＰＧの量が増え続ける。その後、変成触媒１０ａの温度が上昇して約１８０℃になるまでの間、脱離ＬＰＧの量は徐々に減少するけれども、排出され続ける。
そこで、制御部５に、図３に示す実験結果に基づいて、変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの量との相関を計算式として記憶させる。そして、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて脱離する脱離ＬＰＧの量を推測する。
これにより、制御部５は、脱離ＬＰＧの量とバーナ部に供給される原料ガスであるＬＰＧの量とに応じて、燃焼用空気量を制御する。
なお、変成触媒１０ａに吸着するＬＰＧの量は、充填する変成触媒１０ａの量や、変成触媒１０ａの形状および種類により異なる。また、都市ガスなどの他の炭化水素系の原料ガスを用いても、変成触媒１０ａに吸着する吸着量が異なる。また、変成温度センサ１０ｂは変成触媒１０ａの一部の温度を計測するため、変成温度センサ１０ｂの位置によって、温度と脱離原料ガス量は異なる。そこで、それらに対応して、制御部５に、予め、変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を求めて、記憶させることが重要である。
また、上記変成触媒１０ａと同様に、改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａの加熱により、改質触媒９ａ、選択酸化触媒１１ａから脱離してくる脱離ＬＰＧの量を測定することが可能である。そして、その測定結果に基づいて、制御部５に改質触媒９ａと選択酸化触媒１１ａの温度と脱離ＬＰＧの量との関係を記憶させておくことで、改質触媒９ａと選択酸化触媒１１ａから脱離する脱離ＬＰＧの量を推測できる。しかし、本実施の形態１で使用した改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａではＬＰＧの吸着がほとんど無く、原料ガス供給装置６から供給するＬＰＧの量に対して、温度上昇によって脱離してくる脱離ＬＰＧの量が充分に少なかった。そのため、変成触媒１０ａからの脱離原料ガスの量を主なパラメータとして、制御している。
以下に、上記構成の燃料電池システム１の動作および作用について、図１と図２を参照しながら説明する。
はじめに、燃料電池システム１の通常発電時の動作について説明する。
まず、水蒸気発生装置４から供給した水蒸気と混合した原料ガスであるＬＰＧを、改質触媒９ａの温度が約７００℃に維持された改質部９に、原料ガス供給装置６で供給する。そして、改質部９の改質触媒９ａを介して水蒸気改質反応により、水素、一酸化炭素、水蒸気を含む改質ガスが生成される。
つぎに、改質部９から出た改質ガスは、変成部１０の変成触媒１０ａの充填層中に供給され、充填層中を下方から上方に向け流通する。このとき、約２００〜３００℃に維持された変成触媒１０ａの作用により、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を生成する変成反応が起こる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が０．５％以下程度まで低減される。
つぎに、変成部１０から出た改質ガスは、別途、選択酸化空気供給経路１１ｂを介して供給した少量の空気とともに選択酸化部１１の選択酸化触媒１１ａの充填層中に供給され、充填層中を下方から上方に向け流通する。このとき、約１００〜２００℃に維持された選択酸化触媒１１ａの作用により、改質ガス中の一酸化炭素を酸化反応させる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下程度まで、さらに低減される。
つぎに、選択酸化部１１を出た改質ガスは、燃料電池バイパス弁１６が閉で、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８が開になった原料ガス経路１５を通って、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に供給される。そして、改質ガス中の水素の一部が発電で消費されて排出されたオフガスと、燃焼空気ファン７により供給された空気とがバーナ部１２に供給されて、バーナ部１２で燃やされる。このとき、オフガスの燃焼熱により、改質触媒９ａは熱せられて約７００℃に維持される。そして、その燃焼排ガスが、変成部１０および選択酸化部１１の内部流路を流通することにより、変成触媒１０ａが約２００〜３００℃に、選択酸化触媒１１ａが１５０〜２００℃に維持される。
一方、燃料電池２のカソード電極２ｃ側には、カソード空気ブロワ８で空気を供給し、空気中の酸素の一部が発電で消費され、排空気は燃料電池システム１の外に放出される。
そして、燃料電池２が発電した電力は、図示しない外部負荷により消費される。
以下に、燃料電池システム１の発電停止運転時の動作について説明する。
まず、燃料電池２と外部負荷との接続を遮断した後、燃料電池２へのカソード空気ブロワ８による空気の供給と、原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止する。同時に、燃料電池バイパス弁１６、燃料電池入口弁１７、燃料電池出口弁１８を閉止する。このとき、水蒸気発生装置４も同時に停止させ、水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４への水蒸気の供給も停止させる。
つぎに、所定時間経過後、改質触媒９ａの温度が約３００℃まで外気により冷却された場合、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により原料ガスであるＬＰＧを改質部９、変成部１０、選択酸化部１１に順次供給して、各触媒の充填層中に水蒸気を含む改質ガスをパージする。このとき、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度は１００℃以上であるため、改質ガス中の水蒸気が各触媒の表面に凝縮することはない。その後、各触媒の充填層中から水蒸気を含む改質ガスがＬＰＧにより充分パージできる所定時間、ＬＰＧを供給した後、燃料電池バイパス弁１６を閉止して原料ガス供給装置６を停止する。
さらに、燃料処理器３が雰囲気温度との温度差によって放熱して冷えると、燃料処理器３中で熱せられていたＬＰＧの体積収縮により、燃料処理器３中の圧力が低下する。しかし、所定時間ごとに原料ガス供給装置６でＬＰＧを供給することにより、燃料処理器３中の圧力が正圧に保たれる。なお、以下適宜、正圧を保つためにＬＰＧを燃料処理器３中に供給する動作を、圧張り動作と記して説明する。
上記パージおよび圧張り動作により、温度低下後の変成触媒１０ａには、充分にＬＰＧが吸着する。このとき、都市ガスやＬＰＧは、実際にはメタンやプロパンなどの炭化水素系ガス成分の混合ガスであるため、各炭化水素系ガスにより、触媒への吸着しやすさが異なる。具体的には、分子量が大きい炭化水素系ガス成分の方が、分子量の小さい炭化水素系ガス成分より吸着されやすい傾向にある。しかし、本実施の形態で用いたＬＰＧは、主成分のプロパンが構成の約９８％を占めるため、略プロパンの単一組成のガスとして取り扱っても支障がない。そこで、変成触媒１０ａに吸着していた原料ガス成分についても原料ガスとして記述している。
以下に、本実施の形態の燃料電池システムの起動運転の動作について、図面を用いて説明する。
図４は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。
図４に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する（ステップＳ１）。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され（ステップＳ１）、着火装置により着火される（ステップＳ２）。
そして、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３でＮｏ）、変成触媒１０ａに吸着していたＬＰＧのうち脱離してくる脱離ＬＰＧの量を制御部５に記憶された情報に基づいて推測する（ステップＳ４）。そして、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を、原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧの量と脱離してくる脱離ＬＰＧの量（推測値）との合算量に見合う流量に調整する（ステップＳ５）。
ここで、ステップＳ１およびステップＳ５で示したＬＰＧの流量に見合う燃焼用空気の量とは、バーナ部１２に供給したＬＰＧを完全に燃焼させて二酸化炭素と水（水蒸気）にするのに必要な酸素量を含む空気量の所定の倍数の量である。そこで、以下では、空気量とＬＰＧの量との比率を、空燃比と記して説明する。すなわち、例えば空燃比１．０とは、供給した空気中の酸素量とＬＰＧとが理想的に燃焼した場合に過不足なく二酸化炭素と水とになる比率で、例えば空燃比２．０とは、供給した空気中の酸素量の半分が、燃焼に使われないまま燃焼排ガス中に残存する比率であることを示す。
本実施の形態の燃料電池システム１では、ステップＳ１およびステップＳ５での空燃比を２．５〜３．０に設定した。なお、空燃比が大きすぎたり、逆に小さすぎる場合、着火性が悪くなったり、着火しても不完全燃焼が起こって一酸化炭素が発生し、燃焼排ガスとして燃料電池システム外に放出されたり、失火することになる。
この場合、変成温度センサ１０ｂで検知した温度に基づく燃焼用空気の量の調整（ステップＳ５）は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３でＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上で、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達するまで（ステップＳ６のＹｅｓ）続けられる。
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気の混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ７）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように燃焼用空気の量が調整される。なお、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度が１００℃を超えない場合に水蒸気を供給すると、水蒸気が凝縮してガスの流れを阻害することがある。そのため、ステップＳ６でＹｅｓとなる改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上および選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上という条件は、温度分布を持つ各触媒の全体の温度が１００℃以上となるための温度センサの温度である。また、改質触媒９ａの温度が４００℃を超えている場合に水蒸気が供給されていないと、改質触媒表面にカーボンが析出し、触媒の機能が低下してしまう恐れがある。そのため、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が４００℃を超えないうちに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１００℃を超えるように設計的な配慮が必要となる。
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒９ａが約６００〜７００℃、変成触媒１０ａが約２００〜３００℃、選択酸化触媒１１ａが約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップ８）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ８でＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ８でＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ８でＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
以上説明したように、本実施の形態１の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇による原料ガスの脱離を、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて推測し、この推測値と供給した原料ガスとの合算量に対して、所定の空燃比になるように燃焼用空気をバーナ部１２に供給して燃焼させる。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
なお、本実施の形態１の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時における変成触媒１０ａからの脱離ＬＰＧの脱離量を、変成触媒１０ａの温度を検知する変成温度センサ１０ｂの値に基づいて推測した例で説明したが、これに限られない。例えば、図５に示すように、加熱開始からの経過時間（ｔ１）を計測するタイマにより変成触媒１０ａの温度を推測し、さらにそこから変成触媒１０ａから脱離するＬＰＧの量を推測することもできる。そこで、以下に、図５を用いて、その方法を具体的に説明する。
図５は、本実施の形態の燃料電池システム１における起動運転時での改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａの温度上昇の様子を示す特性図である。
図５に示すように、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａの加熱開始からの経過時間（ｔ１）に対して、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）および選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）は決まる。そこで、燃料電池システムの起動運転時に、まず、タイマにより加熱開始からの経過時間（ｔ１）を計測し、そのときの変成触媒１０ａの温度を推測する。そして、この変成触媒１０ａの温度に基づいて、変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの量を推測する。さらに、この推測に基づいて、制御部５を介して燃焼用空気の量を調整して制御するものである。この場合、加熱を開始する際の変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が分からなければならないが、例えば、改質触媒９ａの温度を検知する温度センサや選択酸化触媒１１ａの温度を検知する温度センサなどで代用することが可能である。
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知する変成温度センサ１０ｂを設けた例で説明し、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＫ、ＴｈＳ）の温度を検知する手段についての記載はしていない。しかし、改質触媒９ａの温度を検知する改質温度センサおよび選択酸化触媒１１ａの温度を検知する選択酸化温度センサを個別に設けてもよく、また変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度から、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度を検知してもよい。
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１における別の起動運転の方法を、図６を用いて説明する。
図６は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１における別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
図６に示すように、燃料電池システム１の起動運転には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７を動作させて、原料ガスであるＬＰＧと空気を供給する（ステップＳ１）。そして、バーナ部１２に供給されたＬＰＧと燃焼用空気を、着火装置で着火する（ステップＳ２）。これにより、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始し、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が上昇する。
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ３）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を越えた場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、原料ガス供給装置６を停止する（ステップＳ４）。このとき、バーナ部１２には原料ガス供給装置６からの原料ガスであるＬＰＧの供給が停止するが、変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧがバーナ部１２に供給されているために燃焼が継続する。
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ２）とを比較する（ステップＳ５）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ２）よりも低い温度の場合（ステップＳ５でＮｏ）、変成触媒１０ａに吸着していたＬＰＧのうち脱離してくる量を制御部５で推測する（ステップＳ６）。そして、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を、変成触媒１０ａから脱離してくるＬＰＧの量に見合う流量に調整する（ステップＳ７）。
また、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ２）を超える場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、再び原料ガス供給装置６を動作させて原料ガス供給装置６からバーナ部１２にＬＰＧを供給する（ステップＳ８）。このとき、燃焼空気ファン７でバーナ部に供給する燃焼用空気の量を、原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧの量と脱離してくる脱離ＬＰＧの量との合算量に見合う流量に調整する（ステップＳ９）。
この場合、変成温度センサ１０ｂで検知した温度に基づく燃焼用空気の量の調整（ステップＳ９）は、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達するまで（ステップＳ１０のＹｅｓ）続けられる。
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ１０でＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気の混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ１１）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように燃焼用空気の量は調整される。
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒９ａが約６００〜７００℃、変成触媒１０ａが約２００〜３００℃、選択酸化触媒１１ａが約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ１２）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ１２でＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ１２でＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。
以上説明したように、本実施の形態１の燃料電池システム１の別の起動運転の方法によれば、図６中のステップＳ８までの間において、各触媒の温度上昇が、図５に示した各触媒の温度上昇よりも緩やかにできる。これにより、各触媒の充填層中の温度分布（ばらつき）の発生を抑制することができる。また、各触媒および燃料処理器３を構成する各円筒体の急激な温度変化による劣化を抑制することが可能となる。
なお、本実施の形態１の別の起動運転の制御では、変成触媒１０ａの温度が所定の温度Ｔｈ１に到達した後、原料ガス供給装置によるＬＰＧの供給を停止したが、これに限られない。例えば、図５で示した加熱開始からの時間と変成触媒１０ａの温度との関係からも明らかなように、変成触媒１０ａの加熱開始から所定時間経過後に原料ガス供給装置６によるＬＰＧの供給を停止してもよい。
なお、本実施の形態１の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時にバーナ部１２で燃焼させる原料ガスが燃料処理器３を介してバーナ部１２に供給される構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、原料ガス供給装置から直接バーナ部１２に原料ガスを供給する経路（図示せず）を備えて、燃料電池システム１の起動運転時に原料ガスを直接バーナ部１２に供給して燃焼させる構成としてもよい。このとき、燃料処理器３の温度上昇による圧力上昇を抑制するために、燃料処理器３からバーナ部１２に至る原料ガス経路を連通させる必要がある。上記構成の場合には、各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を推測して燃焼用空気の量を調整することで同様の効果を得ることができる。
また、上記本実施の形態では、変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量のみを対象として燃焼用空気の量を調整する燃料電池システム１を例に説明した。この理由は、本実施の形態１で使用した改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａへの原料ガスであるＬＰＧの吸着量がほとんどなく、空燃比に与える影響が充分小さいという実験結果に基づいたものである。
しかし、通常、原料ガスの種類や触媒の種類、形状が異なれば、変成触媒１０ａ以外の改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａに原料ガスが吸着する。そして、温度上昇とともに脱離する脱離原料ガスの量が空燃比に与える影響が大きくなる場合がある。この場合には、まず、各触媒の温度上昇による脱離原料ガスの脱離量を、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１ごとに実験的に求めて、燃料電池システム１の起動運転時に、各触媒の温度から各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を推測する。そして、各触媒から脱離する脱離原料ガスの量と原料ガス供給装置から供給される原料ガスとの合算量に対して、空燃比が所定の比率となるように、燃焼用空気の量を調整して制御してもよい。これにより、より不完全燃焼の発生を抑制して、確実に起動運転できる信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。なお、図７において図１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７に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の変成部３０に変成ヒータを３１設け、選択酸化部３２に選択酸化ヒータ３３を設けた点で実施の形態１の燃料電池システム１と異なる。
すなわち、図７に示すように、本実施の形態２の燃料電池システム１は、変成部３０の変成触媒１０ａと接触しない外側に変成ヒータ３１を設置し、選択酸化部３２の選択酸化触媒１１ａと接触しない外側に選択酸化ヒータ３３を設けた構成である。ここで、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３は、通電することにより発熱し、変成部３０や選択酸化部３２を加熱する、例えば電気ヒータなどである。
以下に、本実施の形態２の燃料電池システム１の起動運転の動作について、図７を参照しながら、図８を用いて説明する。
図８は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の実施の形態１と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
図８に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、原料ガス供給装置６で原料ガスであるＬＰＧと燃焼空気ファン７で燃焼用空気とをバーナ部１２に供給する（ステップＳ１）。そして、バーナ部１２において、供給されたＬＰＧと燃焼用空気とが、図示しない着火装置により着火されて燃焼する（ステップＳ２）。これにより、燃焼排ガスが、変成触媒１０ａと直接接しない変成部３０と選択酸化触媒１１ａと直接接しない選択酸化部１１との内部に設けられた燃焼排ガス経路１３を順次流通して、内側から変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱し始める。
このとき、同時に、変成ヒータ３１と選択酸化ヒータ３３とに通電して外側からも変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａを加熱する（ステップＳ２ａ）。なお、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３による加熱は、変成温度センサ１０ｂが検知する変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈａ）に到達するまで（ステップＳ３ａでＹｅｓ）継続する。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度に到達または超えた後、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３の通電を停止して、燃焼排ガスによる加熱のみとする。なお、所定の温度（Ｔｈａ）については後で説明する。
つぎに、制御部５で、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）を比較する（ステップＳ３）。そして、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を超えるまでは（ステップＳ３でＮｏ）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）に基づいて変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの量を推測する（ステップＳ４）。さらに、原料ガス供給装置６で供給した原料ガスであるＬＰＧの量と合算して、所定量の燃焼用空気とともにバーナ部１２で燃焼させる（ステップＳ５）。
上記動作までは、実施の形態１と同様である。ただし、本実施の形態２では変成触媒１０ａは二重円筒状の充填層の内壁側と外壁側との両面から加熱されるため、変成温度センサ１０ｂの検知した温度において、変成触媒１０ａの温度分布が実施の形態１の場合と異なる場合がある。そのため、変成温度センサ１０ｂの検知した温度（ＴｈＨ）とＬＰＧの変成触媒１０ａからの脱離量が、変成温度センサ１０ｂの位置によっては変成ヒータ３１がある場合とない場合とで異なる場合がある。
なお、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３による加熱を続ける所定の温度（Ｔｈａ）とは、まず、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａが１００℃以上で、水蒸気を原料ガスと混合して供給しても凝縮しない温度で、かつ、水蒸気をＬＰＧと混合して燃料処理器３に供給する前までの温度である。具体的には、本実施の形態２の燃料電池システム１では、変成温度センサ１０ｂが約１８０℃を検知したときに変成ヒータ３１と選択酸化ヒータへの通電を切るように制御した。このとき、本実施の形態２の燃料電池システム１では、選択酸化触媒の温度も約１５０℃であった。
以上説明したように、本実施の形態２の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇による原料ガスの脱離を、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて推測し、この推測値と供給した原料ガスとの合算量に対して、所定の空燃比になるように燃焼用空気をバーナ部１２に供給して燃焼させる。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。さらに、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａを所定の温度へ短時間で昇温することにより、燃料電池システム１の起動運転の立ち上がり時間を短くできる。
なお、本実施の形態２の燃料電池システム１では、変成ヒータ３１と選択酸化ヒータ３３を用いて、燃料電池システム１を起動運転する例で説明したが、これに限られない。例えば、選択酸化ヒータ３３を設けず、変成ヒータのみでもよい。この場合、燃焼排ガスによる変成触媒１０ａの加熱に加えて変成ヒータ３１による変成触媒１０ａの加熱により、変成触媒１０ａの充填層中を流通する原料ガスが加熱され、加熱された原料ガスが選択酸化触媒１１ａの充填層中に供給されるので、変成ヒータ３１がない場合に比べて選択酸化触媒１１ａを短時間で昇温できる。その結果、低コストで、かつ短い起動運転の立ち上がり時間が要望される燃料電池システム１の構築に有効である。
また、本実施の形態２の燃料電池システム１では、変成ヒータ３１と選択酸化ヒータ３３として、電気ヒータを例に説明したが、これに限られない。例えば、バーナ部１２と同様な構成を有する加熱用バーナ部を設けてもよい。これにより、ヒータにより消費電力を無くして、簡単な構成で、かつシステム効率に優れた燃料電池システム１を実現できる。また、バーナ部を加熱用バーナ部として兼用してもよい。これにより、さらに、構成を簡略化できる。このとき、加熱用バーナ部は、さらに改質部９を加熱する構成としてもよい。
以下に、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１における別の起動運転の方法を、図９を用いて説明する。
図９は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１における別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
図９に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７とを駆動することによりバーナ部１２に原料ガスであるＬＰＧと燃焼用空気とを供給する（ステップＳ１）。そして、図示しない着火装置を用いて着火し、ＬＰＧの燃焼を開始する（ステップＳ２）。
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの昇温を確認した後、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３に通電を開始して、ヒータでの各触媒の加熱を開始する（ステップＳ３）。このとき、原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止し、変成触媒１０ａの昇温に伴って変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスのみを燃焼させる（ステップＳ４）。
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ５）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を越えるまで（ステップＳ５でＮｏ）、まず、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量を推測する（ステップＳ６）。その後、燃焼空気ファン７によって送風する空気の量を調整する（ステップＳ７）。そして、他の実施の形態と同等にステップＳ１０以降の制御の流れに従って燃料電池システムを起動動作させる。
また、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を超えた場合（ステップＳ５のＹｅｓ）、所定の時間が経過後、図示しない着火装置を動作させた状態で原料ガス供給装置６によって原料ガスであるＬＰＧの供給を再開する（ステップＳ８）。
つぎに、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を、原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧの量と脱離してくる脱離ＬＰＧの量との合算量に見合う流量に調整する（ステップＳ９）。
そして、他の実施の形態と同等にステップＳ１０以降の制御の流れに従って燃料電池システム１が起動動作する。
なお、上記では、変成触媒１０ａから脱離した脱離ＬＰＧのみによる燃焼を、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）になるまで継続する例で説明したが、所定の温度（Ｔｈ１）になるまでの所定の時間まで燃焼を継続させる方法でもよい。ここで、上記所定の温度（Ｔｈ１）および所定の時間とは、変成触媒１０ａに充分にＬＰＧが吸着されていた場合に、変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの流量が、原料ガス供給装置６によって供給する原料ガスであるＬＰＧの流量に対して、空燃比に大きく影響を与えない程度まで充分に小さくなる変成触媒１０ａの温度および、その経過時間を指す。
上記実施の形態２によれば、変成触媒１０ａに吸着した原料ガスから脱離する脱離原料ガスを優先的に燃焼させることにより、原料ガス供給装置から供給する原料ガスと同時に燃焼させる場合に比べ、原料ガス供給装置で供給する原料ガスの流量を多くしても、改質触媒９ａの温度上昇を緩やかにすることが可能となる。これにより、改質触媒９ａの温度上昇が急である場合に生じる、改質触媒９ａの充填層中で温度の分布のばらつきや、急激な温度変化によるストレスにより改質触媒９ａが破損することなどを未然に防止できる。その結果、安定した起動動作と、長期間に亘って確実に動作する燃料電池システム１を実現できる。
すなわち、起動運転時の特に触媒から脱離してくる脱離原料ガスと原料ガス供給装置で供給する原料ガスとを混合してバーナ部１２で燃す場合、原料ガス供給装置から供給する原料ガスの流量を充分に少なくする必要がある。一方で発電時には、吸熱反応である水蒸気改質を行う改質部９の温度を、オフガス中の水素の燃焼で約７００℃に維持しながら、発電に必要な改質ガスの原料となる量の原料ガスを供給する必要がある。そのため、広い範囲で流量を制御して原料ガスを供給可能な原料ガス供給装置が必要となり、装置の大型化や複雑化につながる。
また、本実施の形態２によれば、変成ヒータ３１のオンオフ制御や、ヒータ出力の調整により、変成触媒１０ａの温度上昇を制御することができる。さらに、変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの流量を調整することもできる。その結果、比較的簡単な構成で、改質触媒９ａの温度上昇速度を制御できる燃料電池システムを実現できる。
なお、本実施の形態２では、まず、原料ガス供給装置によって原料ガスであるＬＰＧをバーナ部１２に供給し、着火装置によって着火後、ヒータ加熱を開始して原料ガス供給装置からのＬＰＧの供給を停止し、変成触媒１０ａから脱離してくるＬＰＧのみの燃焼を開始する例で説明したが、これに限られない。例えば、まず、変成触媒１０ａのヒータ加熱を開始して、脱離してくる脱離ＬＰＧに着火を行ってもよく、同様の効果や作用が得られる。
また、本実施の形態２の燃料電池システム１では、変成ヒータ３１と選択酸化ヒータ３３として、電気ヒータを例に説明したが、これに限られない。例えば、バーナ部１２と同様な構成を有し、起動運転時に触媒の加熱に用いる加熱用バーナ部を設けてもよい。
そこで、以下に、加熱用バーナ部を備えた燃料電池システムの構成の一例について、図面を用いて説明する。
図１０は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの別の例を説明する構成図である。
図１０に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、バーナ部１２と、加熱用バーナ部３４と、バーナ前切換弁３５および燃焼用空気経路切換弁３６を、さらに備えている。ここで、バーナ前切換弁３５は、制御部５の信号に基づいて、原料ガス経路１５からの原料ガスを、バーナ部１２または加熱用バーナ部３４に切り替えて供給する。また、燃焼用空気経路切換弁３６は、制御部５の信号に基づいて、燃焼用空気をバーナ部１２または加熱用バーナ部３４に切り替えて供給する。そして、加熱用バーナ部３４は、バーナ部１２と同様に、燃焼熱および燃焼排ガスで改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａを加熱昇温する。
このとき、加熱用バーナ部３４は、バーナ部１２に比べて小型化が可能で、少量の原料ガスでも燃焼できるとともに、各触媒の温度上昇の速度の制御性を高めることができる。そのため、燃料電池システムの起動運転時に、加熱用バーナ部３４を用いることにより、触媒の加熱量を比較的精度よく調整することができる。
上記で説明したように、本実施の形態によれば、加熱用バーナ部３４を別途設けることにより、比較的精度よく触媒の温度上昇速度を制御して、脱離原料ガスの量を精度よく調整できる。その結果、バーナ部１２での空燃比を所定の範囲内に保ち、安定した起動運転が可能な燃料電池システムを実現できる。
（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。図１１において実施の形態１および２における燃料電池システム１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１１に示すように、本実施の形態３の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の原料ガス経路１５に、原料ガス経路１５を流通する流量計４０を設けた点で実施の形態１の燃料電池システムと異なる。
流量計４０は燃料電池システム１の起動運転時に、原料ガス供給装置６から供給される原料ガスの流量と、燃料処理器３の触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量との合算流量を計測するものである。ここで、燃料電池システム１の起動運転時においては、バーナ部１２に供給される燃焼用ガスとは、この原料ガス供給装置６から供給される原料ガスと、燃料処理器３の触媒から脱離してくる脱離原料ガスとのことを示す。そして流量計４０は、流量計４０で計測した燃焼用ガスの流量を信号として制御部５に入力するように配線されている。
以下に本実施の形態３の燃料電池システム１の起動運転時の動作について、図１１を参照しながら図１２を用いて説明する。
図１２は、本実施の形態３の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の他の実施の形態と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
図１２に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、原料ガス供給装置６で原料ガスであるＬＰＧと、燃焼空気ファン７で燃焼用空気とを、バーナ部１２にそれぞれ所定の流量で供給する（ステップＳ１）。ここで、原料ガスであるＬＰＧは、原料ガス供給経路１４を介してまず改質部９に供給され、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。この時点では、バーナ部１２には燃焼用ガスとしては、原料ガス供給装置６から供給された原料ガスであるＬＰＧのみが供給されることになる。
そして、バーナ部１２において、供給されたＬＰＧと燃焼用空気とが、図示しない着火装置により着火されて燃焼が開始される（ステップＳ２）。バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され始め、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇し始める。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部に構成された燃焼排ガス経路１３を通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱され始める。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇し始める。
変成触媒１０ａの温度上昇が開始すると、変成触媒１０ａに吸着していたＬＰＧが脱離し始め、バーナ部１２に脱離ＬＰＧとして供給される。そのため、バーナ部１２には、燃焼用ガスとして原料ガス供給装置６から供給された原料ガスであるＬＰＧと、脱離ＬＰＧとが供給される。このとき、流量計４０は燃焼用ガスの流量検知を開始し、制御部５では、流量計４０で検知した燃焼用ガスの流量に基づいて燃焼用空気の流量の調整を開始する（ステップＳ３）。
次に、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）と変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）をそれぞれ所定の温度と比較する（ステップＳ４）。改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）のいずれかが所定の温度よりも低い場合（ステップＳ４でＮｏ）は、流量計４０で検知した燃焼用ガスの流量に基づいた燃焼用空気の流量調整を継続する。ここで、本実施の形態３の燃料電池システム１では、他の実施の形態３の燃料電池システム１と同様に、所定温度を、それぞれ、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）は２００℃、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）は１５０℃とした。
改質触媒９ａ温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が全て所定の温度以上になると（ステップＳ４でＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始するとともに、流量計４０の計測値に基づいた燃焼用空気の流量制御を終了する。そして、ＬＰＧと水蒸気の混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ５）。
ここで、水蒸気の供給開始とともに流量計４０の計測値に基づいた燃焼用空気の流量制御を終了するのは、流量計４０を流通する燃焼用ガスの組成がこれまでのＬＰＧから水素を含む改質ガスへと変化し、加えて改質ガス中に水蒸気が含まれるため、流量計４０で燃焼用ガスの流量が正確に測定できなくなるためである。
しかしながら、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が全て所定の温度以上になると、触媒からの脱離原料ガス（本実施の形態では脱離ＬＰＧ）は図３で示したようにほとんどなくなり、バーナ部１２での燃焼に影響を与えなくなるため、燃焼用空気の流量は、原料ガス供給装置６で供給した原料ガスであるＬＰＧの流量に基づいて調整される。
次に、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップ６）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ６でＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ６でＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
以上説明したように、本実施の形態３の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇によって脱離してくる脱離原料ガスの流量を、原料ガス供給装置から供給する原料ガスの流量とあわせて流量計４０によって計測し、流量計４０の計測値に基づいて燃焼用空気の流量を調整することが可能であるため、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０を原料ガス経路に設けたが、これは燃料電池バイパス経路またはオフガス経路に設けても良い。
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時に燃料処理器３を介してバーナ部１２に原料ガス供給装置から供給する原料ガスを供給したが、これは、別途原料ガス供給経路から分岐してバーナ部１２に直接原料ガスを供給する分岐経路と、原料ガス供給装置から供給する原料ガスを燃料処理器３に供給するか、バーナ部１２に分岐経路を介して直接供給するかを切り替える流路切替手段とを設け、燃料電池システムの起動初期で、燃料処理器３の各触媒の温度が一酸化炭素濃度が十分低減され、水素を十分に含む良質の改質ガスを生成するのに適した所定の温度に到達するまでは、分岐経路を介してバーナ部に直接原料ガス供給装置から供給した原料ガスを供給する燃料電池システムでも良い。この場合、流量計では、燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量を計測することになり、制御部５では、流量計４０で計測した脱離原料ガスの流量と、原料ガス供給装置から供給した原料ガスとの合算量に対応した燃焼用空気の流量がバーナ部に供給されるように燃焼空気ファンを制御することで、本実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０を用いて原料ガス供給装置から供給した原料ガスの流量と、燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量の合算量を計測したが、これは圧力計を用いても良い。すなわち、例えば原料ガス経路に圧力計を接続しておき、事前に原料ガス経路を流れるガス流量と圧力との関係を制御部５に記憶させておき、燃料電池システム１の起動運転時に、この圧力計で計測した値に基づいてバーナ部１２に供給される原料ガスの流量（すなわち原料ガス供給装置から供給される原料ガスの流量と燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量との合算量）を推測し、その推測値に基づいて制御部が燃焼空気ファンから供給する燃焼用空気の流量を制御することで、本実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
また、なお、本実施の形態３においては、原料ガスとしてＬＰＧを用いて説明したが、他の実施の形態と同様に原料ガスはこれに限らず、都市ガスや灯油など他の炭化水素系の原料を用いることも可能である。灯油などの液体の炭化水素系原料を用いる場合は、気化させてガスとする事が好ましい。また、原料ガスの種類が変わった場合には、燃料処理器３の各触媒に吸着する原料ガスの量や各触媒の温度と脱離原料ガス流量の挙動が異なることが予測されるが、本実施の形態３の燃料電池システム１では、バーナ部１２に供給される脱離原料ガスを含む原料ガスの流量を計測し、その計測値に基づいて燃焼用空気の流量を調整するので、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。ただし、流量計４０は、原料ガスの種類によって、その原料ガスの流量を計測できる流量計４０を用いる必要がある。
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０で検知した原料ガスの流量に基づいた燃焼用空気の流量制御を終了するタイミングを、燃料処理器３の各触媒の温度が所定の温度以上に到達して、水蒸気を供給するタイミングと同じにしたが、これは、各触媒の温度が上昇して脱離原料ガスがバーナ部１２での燃焼に影響を与えなくなる温度を超えれば、これに限らない。
（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。図１３において先の実施の形態１から３における燃料電池システム１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１３に示すように、本実施の形態４の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の燃焼排ガス経路１３に、排ガス分析手段に相当する、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計４１を設けた点で実施の形態１の燃料電池システムと異なる。
酸素濃度計４１は、バーナ部１２で燃焼用空気とともに原料ガスやオフガス、改質ガスなどを燃焼させた後の燃焼排ガス中の酸素濃度を計測するものであり、計測した値を制御部５に信号として入力するように電気的に接続されている。
以下に本実施の形態４の燃料電池システム１の起動運転時の動作について、図１３を参照しながら図１４を用いて説明する。
図１４は、本実施の形態４の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の他の実施の形態と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
図１４に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、原料ガス供給装置６で原料ガスであるＬＰＧと、燃焼空気ファン７で燃焼用空気とを、バーナ部１２にそれぞれ所定の流量で供給する（ステップＳ１）。ここで、原料ガスであるＬＰＧは、原料ガス供給経路１４を介してまず改質部９に供給され、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。この時点では、バーナ部１２には燃焼用ガスとしては、原料ガス供給装置６から供給された原料ガスであるＬＰＧのみが供給されることになる。
そして、バーナ部１２において、供給されたＬＰＧと燃焼用空気とが、図示しない着火装置により着火されて燃焼が開始される（ステップＳ２）。バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され始め、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇し始める。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部に構成された燃焼排ガス経路１３を通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱され始める。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇し始める。
次に、酸素濃度計４１でバーナ部１２から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の計測を開始し、制御部５への入力を開始する。制御部５では、酸素濃度計４１で計測した酸素濃度に基づいて、酸素濃度計４１の計測する酸素濃度が所定の酸素濃度となるように燃焼ファンを制御して燃料用空気の流量を調整する（ステップＳ３）。具体的には、酸素濃度計４１で計測する燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度よりも低い場合は、燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の流量を増加させ、逆に燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度よりも高い場合は、燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の流量を減少させる。
燃料処理器３の各触媒の温度が上昇し始め、触媒に吸着していた原料ガスが脱離し始めると、バーナ部１２には原料ガス供給装置６から供給される原料ガスと、触媒からの脱離原料ガスとの合算量が供給されてくることになるが、燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて燃焼用空気の流量が調整されるために、バーナ部１２には供給される原料ガスの流量に対応した流量の燃焼用空気が供給されることになる。
次に、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）と変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）をそれぞれ所定の温度と比較する（ステップＳ４）。改質触媒９ａ温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）のいずれかが所定の温度よりも低い場合（ステップＳ４でＮｏ）は、酸素濃度計４１で検知した燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいた燃焼用空気の流量調整を継続する。ここで、本実施の形態４の燃料電池システムでは、他の実施の形態の燃料電池システム１と同様に、所定温度を、それぞれ、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）は２００℃、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）は１５０℃とした。
改質触媒９ａ温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が全て所定の温度以上になると（ステップＳ４でＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始するとともに、酸素濃度計４１の計測値に基づいた燃焼用空気の流量制御を終了する。そして、ＬＰＧと水蒸気の混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ５）。
変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（この場合は１８０℃）以上になると、触媒からの脱離原料ガス（本実施の形態では脱離ＬＰＧ）は図３で示したようにほとんどなくなり、バーナ部１２での燃焼に影響を与えなくなるため、燃焼用空気の流量は、原料ガス供給装置６で供給した原料ガスであるＬＰＧの流量に基づいて調整される。
次に、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ６）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ６でＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ６でＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
以上説明したように、本実施の形態４の燃料電池システム１によれば、起動運転時に、燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて燃焼用空気の流量が調整されるために、燃料処理器３の触媒の温度が上昇し、触媒に吸着していた原料ガスが脱離してバーナ部に供給された場合でも、バーナ部での燃焼を安定させることが可能である。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システムの起動運転を行うことができる。
なお、本実施の形態４の燃料電池システムでは、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計を用いて、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の濃度となるように燃焼用空気の流量を調整したが、これは、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計を用いても良い。この場合、燃料処理器３の触媒温度が上昇を開始して脱離原料ガスによってバーナ部で燃焼される原料ガスの流量が増加してくると、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度が上昇してくるため、それに対応して燃焼ファンによる燃焼用空気の供給量を増加させてやれば、本実施の形態４の燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。
本出願は、２００９年３月２７日出願の日本特許出願（特願２００９−０７８４４１）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明にかかる燃料電池システムは、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができるので、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系原料を水蒸気改質して利用する燃料電池システムの技術分野に有用である。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ａ 固体高分子電解質膜
２ｂ アノード電極
２ｃ カソード電極
３ 燃料処理器
４ 水蒸気発生装置
４ａ 水蒸気経路
５ 制御部
６ 原料ガス供給装置
７ 燃焼空気ファン
７ａ 燃焼用空気経路
８ カソード空気ブロワ
９ 改質部
９ａ 改質触媒
１０，３０ 変成部
１０ａ 変成触媒
１０ｂ 変成温度センサ
１１，３２ 選択酸化部
１１ａ 選択酸化触媒
１１ｂ 選択酸化空気供給経路
１２ バーナ部
１３ 燃焼排ガス経路
１４ 原料ガス供給経路
１５ 原料ガス経路
１５ａ 燃料電池入口経路
１５ｂ 燃料電池バイパス経路
１５ｃ オフガス経路
１６ 燃料電池バイパス弁
１７ 燃料電池入口弁
１８ 燃料電池出口弁
２０ 第１円筒体
２１ 第２円筒体
２２ 第３円筒体
２３ 第４円筒体
２４ 第１ガス流路
２５ 第２ガス流路
２６ 燃焼室
２７ 排気折り返し部
２８ 原料ガス折り返し部
３１ 変成ヒータ
３３ 選択酸化ヒータ
３４ 加熱用バーナ部
３５ バーナ前切換弁
３６ 燃焼用空気経路切換弁
４０ 流量計
４１ 酸素濃度計
本発明は、炭化水素系の原料を改質して生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関する。
燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素や水素リッチガスを供給し、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して、電気化学反応によって発電を行う。近年、燃料電池で発電した電力とともに、燃料電池が発電する際に発生する熱を回収して熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが注目されている。
そして、燃料電池システムでは、燃料電池に必要な水素リッチガスを生成する方法の一つとして、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスを、水蒸気とともに改質触媒を充填した約７００℃の改質部で水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスにする方法がある。このとき、水蒸気改質において、改質部から出る改質ガス中に約１０〜１５％含まれる一酸化炭素が副生成物として生成される。なお、一酸化炭素は燃料電池の電極触媒を被毒して発電能力を低下させるため、改質ガス中の一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下に除去する必要がある。
そこで、通常、改質部の下流側には一酸化炭素低減部として、改質部から出た改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を反応させて水素と二酸化炭素に水性ガスシフト反応させる変成触媒を充填した変成部と、変成部で一酸化炭素濃度を低減させた改質ガスと空気を供給して一酸化炭素と空気中の酸素を選択酸化反応させて改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる選択酸化触媒を充填した選択酸化部とが連結されている。このとき、変成部では約２００℃以上で水性ガスシフト反応が行われ、選択酸化部では約１００℃で選択酸化反応が行われる。
また、改質部には昇温用のバーナ部が設けられている。そして、このバーナ部は、燃料電池システムの発電時、バーナ部に供給した空気とともに、燃料電池の発電で使用されなかった改質ガス（以下、「オフガス」と記す場合がある）中の水素を燃焼させて、吸熱反応である改質反応が行われる改質触媒の温度を約７００℃に維持している。さらに、燃料電池システムの起動運転時には、このバーナ部は、水素生成前の原料ガスおよび原料ガスと水素の混合ガスを燃焼させて、改質触媒の温度を昇温している。
なお、以下では、バーナ部を備えた改質部と変成部および選択酸化部を連結した水素製造装置を、適宜、燃料処理器と記して説明する場合がある。
また、燃料電池システムの起動運転時には、原料ガスから改質ガスを生成するために、燃料処理器の各触媒を所定の温度まで昇温させる必要がある。そこで、原料ガスを燃料処理器に供給して、燃料処理器から出てきた原料ガスを燃料電池をバイパスする経路からバーナ部に戻して燃焼させ、その燃焼熱で燃料処理器の各触媒を加熱する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、燃料電池システムの発電を停止する時には、改質部への原料ガスと水蒸気の供給を停止させる。このとき、燃料処理器内に残った改質ガスの温度低下による体積収縮や温度低下に伴う改質ガス中の水蒸気の凝縮により燃料処理器内が減圧される。そこで、これを回避するために、燃料電池システムを停止する時、まず原料ガスと水蒸気の供給を停止し、燃料処理器の温度が所定の温度に低下した後に、原料ガスで燃料処理器中の改質ガスをパージする。そして、燃料処理器内の圧力が所定の圧力以下に低下したら、燃料処理器に原料ガスを供給して正圧を維持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２参照）。
特開２００８−２１８３５５号公報 特許第４１３０６０３号公報
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、以下のような課題があった。
すなわち、従来の燃料電池システムは、燃料電池システムの発電を停止する時に、燃料処理器中の水蒸気を含む改質ガスのパージおよび燃料処理器内の圧力を正圧に保つために、燃料処理器に都市ガスやＬＰＧなどの原料ガスを供給する。このとき、燃料電池システムの停止中の各触媒の温度低下に伴い、各触媒に原料ガスもしくは原料ガスの一部の成分が吸着する。
一方、燃料電池システムの起動運転の時には、各触媒の温度を所定の温度に昇温するために、原料ガスを燃料処理器を介してバーナ部に供給し、空気とともに燃焼させて、各触媒の温度を上昇させる。このとき、各触媒の温度が上昇するに伴い、各触媒に吸着していた原料ガスの成分が脱離して、燃料処理器に供給した原料ガスとともにバーナ部に供給される。そのため、実際にバーナ部に供給される原料ガスの量は、燃料処理器に供給した原料ガスに比べて、脱離した原料ガスの成分だけ多くなる。そして、原料ガスと空気との比率がずれて、バーナ部で不完全燃焼が起こる。さらに、不完全燃焼により発生した一酸化炭素の燃料電池システムの外部への放出や、場合によってはバーナ部の失火が起こる。その結果、燃料処理器内の各触媒の昇温が行われなくなり、燃料電池システムの起動運転が阻害されるという課題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、一酸化炭素低減部を通った改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと原料ガスと改質ガスとの少なくとも１つを送風機で供給した燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、原料ガスを改質部と、改質部を介してまたは直接バーナ部と、に供給する原料ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部で燃やされる原料ガス供給装置で供給する原料ガスと少なくとも改質触媒及び一酸化炭素低減触媒の一方に吸着していた原料ガスの成分のうちの脱離してくる脱離原料ガスとの合算量と、送風機でバーナ部に送る燃焼用空気の量と、の比率が所定の比率になるように調整するものである。
これにより、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼を継続的に実現することができる。
本発明の燃料電池システムによれば、バーナ部で原料ガスを燃焼させることによって燃料処理器内の各触媒を所定の温度に昇温させて安定した起動運転を行うことができる燃料電池システムを実現できる。
本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図 同実施の形態における燃料電池システムに用いられる燃料処理器を説明する主要部断面図 同実施の形態の燃料電池システムの変成部の変成触媒の温度と変成触媒から脱離する脱離原料ガスの量との関係を示す模式図 同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート 同実施の形態の燃料電池システムにおける起動運転時での改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒の温度上昇の様子を示す特性図 同実施の形態の燃料電池システムにおける別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す模式図 同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート 同実施の形態の燃料電池システムにおける別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート 同実施の形態における燃料電池システムの別の例を説明する模式図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す模式図 同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成を示す模式図 同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
第１の発明は、原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、一酸化炭素低減部を通った改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと原料ガスと改質ガスとの少なくとも１つを送風機で供給した燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、原料ガスを改質部と、改質部を介してまたは直接バーナ部とに供給する原料ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部で燃やされる原料ガス供給装置で供給する原料ガスと、少なくとも改質触媒及び一酸化炭素低減触媒の一方に吸着していた原料ガスの成分のうちの脱離してくる脱離原料ガスとの合算量と、送風機でバーナ部に送る燃焼用空気の量と、の比率が所定の比率になるように調整する燃料電池システムである。
この構成により、バーナ部に供給する燃焼用空気の量と、原料ガス供給装置から供給される原料ガスの量と脱離から供給される脱離原料ガスとの合算量との比率を所定の比率に調整して、安定した燃焼を行うことができる。その結果、燃料処理器内の各触媒を所定温度に昇温させて安定した起動運転を行う燃料電池システムを実現できる。
第２の発明は、第１の発明において、燃料電池システムの起動運転時に、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段を備える。
これにより、各触媒に吸着した原料ガスを効果的に脱離できる。
第３の発明は、第１または第２の発明において、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部に供給される原料ガス供給装置で供給する原料ガスと脱離原料ガスのうち、少なくとも脱離原料ガスの流量を計測する計測手段をさらに備える。これにより、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスが脱離してバーナ部に供給されてきても、バーナ部に供給される原料ガスの流量に応じて燃焼用空気の量を調整することが可能であるため、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
第４の発明は、第３の発明において、計測手段が少なくとも脱離原料ガスの流量を計測する流量計であるものである。これにより、比較的容易にバーナ部に供給される原料ガスの流量を正確に計測することが可能であるため、バーナ部に供給する燃焼用空気の流量をバーナ部に供給される原料ガスの流量に応じて調整することが可能であり、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
第５の発明は、第３の発明において、計測手段が少なくとも脱離原料ガスの圧力を検知する圧力計であるものである。これにより、比較的簡単な構成でバーナ部に供給される原料ガスの圧力から流量を計測することが可能であるため、バーナ部に供給する燃焼用空気の流量をバーナ部に供給される原料ガスの流量に応じて調整することが可能であり、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
第６の発明は、第１または第２の発明において、バーナ部で燃焼させた後の燃焼排ガス成分のうち、少なくとも一つの成分の濃度を検知する排ガス分析手段を備え、この排ガス分析手段で検知した濃度に基づいて燃焼用空気の量を調整するものである。
これにより、脱離原料ガスによって、バーナ部での燃焼状態が悪くなり始めたことを検知して燃焼用空気の流量を調整することが可能となり、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
第７の発明は、第２の発明において、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、温度センサが検知した改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度に基づいて、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部で燃やされる改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分中の脱離してくる脱離原料ガスの量を推定する。
これにより、簡単な構成で、比較的精度よく脱離する脱離原料ガスの量を推定して、バーナ部における燃焼を安定させることできる。
第８の発明は、第２または第７の発明において、加熱手段の加熱開始からの経過時間を計測するタイマ手段を備え、タイマ手段が計測した時間に基づいて、バーナ部で燃やされる改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうち脱離してくる脱離原料ガスの量を推定する。
これにより、簡単な構成で、脱離原料ガスの量を検出できる。
第９の発明は、第２または第７または第８のいずれかの発明において、燃料電池システムの起動時に、加熱手段で改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、加熱手段による加熱開始から所定時間経過後に原料ガス供給装置を動作させる。
これにより、原料ガス供給装置による原料ガスの供給量を少なく絞ることなく、少量の原料ガスの燃焼で触媒の昇温速度を緩やかにすることができる。また、燃料電池システムの起動運転の前に、触媒に吸着した原料ガスの量が想定よりも少ない場合でも、バーナ部で脱離してくる脱離原料ガスのみによる燃焼を想定した時間帯で、脱離してくる脱離原料ガスの量が想定よりも少ないために失火しても、必要以上の未燃焼の原料ガスが燃焼排ガス経路から燃料電池システム外に放出されることを抑制することできる。さらに、所定時間経過後に、原料ガス供給装置から原料ガスを供給開始することにより、再度着火することが可能となる。
第１０の発明は、第２または第７または第８のいずれかの発明において、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、燃料電池システムの起動時に、加熱手段で改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、温度センサの検知する温度が所定の温度以上になった後に原料ガス供給装置を動作させる。
これにより、原料ガス供給装置による原料ガス供給量を少なく絞ることなく、少量の原料ガスの燃焼で触媒の昇温速度を緩やかにすることできる。また、燃料電池システムの起動運転の前に、触媒に吸着した原料ガスの量が想定よりも少ない場合でも、バーナ部で脱離してくる脱離原料ガスのみによる燃焼を想定した時間帯で、脱離してくる脱離原料ガスの量が想定よりも少ないために失火しても、温度センサによる触媒の温度上昇速度によって、失火を検知することができる。
第１１の発明は、第２または第７または第８のいずれかの発明において、燃料電池システムの起動時に、原料ガス供給装置と加熱手段とを動作させ、バーナ部で原料ガス供給装置から供給した原料ガスを所定時間燃焼させた後に原料ガス供給装置の動作を停止して、加熱手段の加熱開始から所定時間経過後に原料ガス供給装置を動作させる。これにより、触媒から脱離してくる脱離原料ガスの量にかかわらず、所定量の原料ガスを原料ガス供給装置によりバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部での安定した着火が可能となる。
第１２の発明は、第２または第７または第８のいずれかの発明において、改質触媒と一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、燃料電池システムの起動時に、原料ガス供給装置と加熱手段とを動作させ、加熱手段による加熱開始から所定時間経過後または温度センサが第１所定温度以上を検知後に原料ガス供給装置の動作を停止して、温度センサが第２所定温度以上を検知した後に原料ガス供給装置を動作させる。これにより、触媒の加熱が不十分で触媒から脱離してくる脱離原料ガスの量がほとんどないくらい少ない場合でも、所定量の原料ガスを原料ガス供給装置によりバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部での安定した着火が可能となる。
第１３の発明は、第２、又は第７から第１２の発明のうちいずれかの発明において、加熱手段は、電気ヒータである。これにより、触媒の加熱開始および終了が比較的容易に制御できる。また、電気ヒータは、オン／オフ制御や入力電圧制御により加熱量の制御が容易であるため、触媒の昇温速度の制御が容易にできる。その結果、昇温速度を遅くして急激な温度変化による触媒の劣化を抑制したり、逆に昇温速度を速めて起動時間を短縮して、触媒から脱離する脱離原料ガスの量を調整することが可能となる。
第１４の発明は、第２、又は第７から第１２の発明のうちいずれかの発明において、加熱手段は、加熱用バーナ部からなり、加熱用バーナ部の燃焼排ガスで改質部と一酸化炭素低減部の少なくとも一方を加熱する。これにより、加熱用バーナ部の燃焼による排熱を触媒の加熱に有効に利用することができる。そのため、エネルギー効率に優れた起動特性を備える燃料電池システムを実現できる。
第１５の発明は、第１４の発明において、バーナ部を加熱用バーナ部として用いる。これにより、バーナ部を一つとすることが可能である。また、バーナ部に原料ガスおよび燃焼用空気を供給するための配管なども簡素化できる。その結果、簡単な構成で加熱手段としてのバーナ部を実現できるため、燃料電池システムの大型化や複雑化を抑制できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した従来の技術と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と燃料処理器３と水蒸気発生装置４と制御部５と原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７とカソード空気ブロワ８とから少なくとも構成されている。燃焼空気ファン７は燃焼用空気を後述するバーナ部へ供給する送風機である。このとき、燃料電池システム１に供給される原料ガスとしてＬＰＧを利用し、ＬＰＧのボンベ（図示せず）が燃料電池システム１の外部で原料ガス供給装置６と接続されている。なお、原料ガスとして、都市ガスなどの他の炭化水素系の原料も用いることができる。そして、炭化水素系の原料に付臭剤として添加される硫黄化合物は、原料ガス供給装置６の上流側もしくは原料ガス供給装置６と燃料処理器３との間に設置された脱硫部（図示せず）を通過するときに除去される。
また、燃料電池２は、固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで挟持した構造を有している。そして、アノード電極２ｂに燃料処理器３で生成した水素を多く含む改質ガスを供給し、カソード電極２ｃにカソード空気ブロワ８で空気を供給することにより発電が行われる。
また、燃料処理器３は、改質部９と、一酸化炭素低減部を構成する変成部１０と選択酸化部１１とが、順次接続された構成を有している。そして、改質部９の内部には改質触媒９ａが、変成部１０の内部には変成触媒１０ａが、選択酸化部１１の内部には選択酸化触媒１１ａがそれぞれ充填されている。
また、改質部９にはバーナ部１２が設けられ、原料ガスおよび燃料電池２で発電時に使用されなかった水素を含むオフガス中の水素を、燃焼空気ファン７で燃焼用空気経路７ａを介してバーナ部１２に送風した空気とともに燃焼させる。そして、燃焼排ガスとして燃焼排ガス経路１３を通って燃料電池システム１の外部に排出する。このとき、燃焼排ガス経路１３は、バーナ部１２から、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１の内部を、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａと直接接しないように区画された空間を通る構造で設けられている。
そして、原料ガス供給装置６により原料ガス供給経路１４から改質部９の改質触媒９ａが充填された空間に供給された原料ガスは、まず、改質触媒９ａの充填層中を通る。つぎに、原料ガスは、改質部９から出て変成部１０の変成触媒１０ａが充填された空間に供給され、変成触媒１０ａの充填層中を通る。つぎに、原料ガスは、変成部１０から出て選択酸化部１１の選択酸化触媒１１ａが充填された空間に供給され、選択酸化触媒１１ａの充填層中を通る。その後、原料ガスは、選択酸化部１１から原料ガス経路１５に出て行くように原料ガス供給経路１４、原料ガス経路１５を経由して流通する。
ここで、原料ガス経路１５は、燃料電池２のアノード電極２ｂ側入口の上流側で燃料電池入口経路１５ａと燃料電池バイパス経路１５ｂとに分岐した構造を有している。そして、燃料電池２のアノード電極２ｂ側の入口側に燃料電池入口経路１５ａが接続され、出口側にオフガス経路１５ｃが接続されている。このとき、オフガス経路１５ｃの燃料電池２と接続されていない側は、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂと接続されている。さらに、燃料電池バイパス経路１５ｂには燃料電池バイパス弁１６が、燃料電池入口経路１５ａには燃料電池入口弁１７が、オフガス経路１５ｃには燃料電池出口弁１８がそれぞれ設置されている。そして、制御部５で燃料電池バイパス弁１６、燃料電池入口弁１７および燃料電池出口弁１８の開閉を制御して、原料ガス経路１５を、燃料電池入口経路１５ａと燃料電池バイパス経路１５ｂとに切り替えている。さらに、原料ガス経路１５は、燃料電池バイパス経路１５ｂとオフガス経路１５ｃとが接続された下流側でバーナ部１２に接続されている。
また、原料ガス供給経路１４には、必要に応じて、水蒸気発生装置４から水蒸気を原料ガス中に混合させて改質部９に供給するための水蒸気経路４ａが接続されている。
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システムに用いられる燃料処理器３について、図２を用いて説明する。
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムに用いられる燃料処理器３を説明する主要部断面図である。
図２に示すように、燃料処理器３は、内側から順に第１円筒体２０、第２円筒体２１、第３円筒体２２および第４円筒体２３が、略同心状に配置されて設けられている。そして、燃焼排ガス経路１３が第１円筒体２０と第２円筒体２１との間の空間で構成され、第１ガス流路２４が第２円筒体２１と第３円筒体２２との間の空間で環状に構成され、第２ガス流路２５が第３円筒体２２と第４円筒体２３との間の空間で構成されている。さらに、第１円筒体２０の内空間には、バーナ部１２と、バーナ部１２に原料ガスおよびオフガスを供給する原料ガス経路１５と、燃焼用空気経路７ａと、燃焼室２６とが設けられている。そして、燃焼室２６と燃焼排ガス経路１３とは、その端部近傍の排気折り返し部２７を介して連通している。同様に、第１ガス流路２４と第２ガス流路２５とは、その端部近傍の原料ガス折り返し部２８を介して連通している。
また、第１ガス流路２４には、例えばアルミナ担体に金属ルテニウムを担持した球状の改質触媒９ａを充填した改質部９が設けられている。なお、改質触媒９ａとしては、上記以外に、ニッケル触媒、白金系触媒、ロジウムなどの白金族系の触媒などを用いることができる。また、改質触媒９ａの形状として、球状以外に、円筒状のものなどを用いることも可能である。
また、第２ガス流路２５には、例えばＣｕ−Ｚｎ系（具体的には、ズードケミー社製のＭＤＣ−７）などの変成触媒１０ａを充填した変成部１０と、例えば球状のルテニウム系の選択酸化触媒１１ａを充填した選択酸化部１１が設けられている。なお、変成触媒１０ａや選択酸化触媒１１ａとして、上記以外に白金系の触媒を用いることもできる。
また、選択酸化部１１には、選択酸化触媒１１ａで酸化反応を行わせるための選択酸化空気供給経路１１ｂが接続されている。さらに、第１ガス流路２４の上方には、原料ガス供給経路１４が接続されている。なお、本実施の形態では、選択酸化部１１として選択酸化反応によって一酸化炭素濃度を低減させる選択酸化部１１を用いた例で説明したが、例えばメタネーション反応によって一酸化炭素濃度を低減してもよい。
また、変成部１０には、変成触媒１０ａの温度を計測する変成温度センサ１０ｂが設けられている。ここで、変成温度センサ１０ｂは、燃料電池システム１の起動運転時には、検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて、制御部５で変成触媒１０ａに吸着していた原料ガスの脱離する脱離原料ガスの量を推測する場合にも用いることができる。
なお、燃料処理器３の外部は、図示しない断熱材で覆われ、後述する温度バランスが成立するように各部の断熱を考慮して設けられている。
以下に、本発明のポイントである、燃料電池システム１の変成部１０の変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を図３を用いて説明する。
図３は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１の変成部１０の変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を示す模式図である。
なお、図３は、実験的に作成した変成部１０にのみ変成触媒１０ａを充填した燃料処理器３を用い、原料ガス供給装置６から直接バーナ部１２に一定量のＬＰＧを供給して所定の燃焼用空気とともに燃焼させて、その燃焼排ガスで変成触媒１０ａを加熱した際の、変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離してきた脱離原料ガスであるＬＰＧの量を経時的に測定した実験結果を示している。なお、以降では、脱離原料ガスであるＬＰＧを、適時、脱離ＬＰＧと記載して説明する。
そして、図３の横軸は変成触媒１０ａの加熱開始からの経過時間を示し、縦軸の第１軸はＬＰＧの流量を、縦軸の第２軸は変成触媒１０ａの温度を示している。ここで、図３中の破線は変成触媒１０ａから脱離してきた脱離ＬＰＧの量を示し、実線は変成触媒１０ａの温度を示している。なお、図３中には、変成触媒１０ａから脱離してきた脱離ＬＰＧの量と比較するために、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスであるＬＰＧの量を一点破線で示している。
図３に示すように、変成触媒１０ａの加熱を開始すると、外気温程度である約２５℃から変成触媒１０ａの温度は、徐々に、略一定速度で上昇する。そして、変成触媒１０ａの温度上昇とともに、変成触媒１０ａから脱離ＬＰＧの脱離が開始し、約６０℃まで脱離ＬＰＧの量が増え続ける。その後、変成触媒１０ａの温度が上昇して約１８０℃になるまでの間、脱離ＬＰＧの量は徐々に減少するけれども、排出され続ける。
そこで、制御部５に、図３に示す実験結果に基づいて、変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの量との相関を計算式として記憶させる。そして、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて脱離する脱離ＬＰＧの量を推測する。
これにより、制御部５は、脱離ＬＰＧの量とバーナ部に供給される原料ガスであるＬＰＧの量とに応じて、燃焼用空気量を制御する。
なお、変成触媒１０ａに吸着するＬＰＧの量は、充填する変成触媒１０ａの量や、変成触媒１０ａの形状および種類により異なる。また、都市ガスなどの他の炭化水素系の原料ガスを用いても、変成触媒１０ａに吸着する吸着量が異なる。また、変成温度センサ１０ｂは変成触媒１０ａの一部の温度を計測するため、変成温度センサ１０ｂの位置によって、温度と脱離原料ガス量は異なる。そこで、それらに対応して、制御部５に、予め、変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を求めて、記憶させることが重要である。
また、上記変成触媒１０ａと同様に、改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａの加熱により、改質触媒９ａ、選択酸化触媒１１ａから脱離してくる脱離ＬＰＧの量を測定することが可能である。そして、その測定結果に基づいて、制御部５に改質触媒９ａと選択酸化触媒１１ａの温度と脱離ＬＰＧの量との関係を記憶させておくことで、改質触媒９ａと選択酸化触媒１１ａから脱離する脱離ＬＰＧの量を推測できる。しかし、本実施の形態１で使用した改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａではＬＰＧの吸着がほとんど無く、原料ガス供給装置６から供給するＬＰＧの量に対して、温度上昇によって脱離してくる脱離ＬＰＧの量が充分に少なかった。そのため、変成触媒１０ａからの脱離原料ガスの量を主なパラメータとして、制御している。
以下に、上記構成の燃料電池システム１の動作および作用について、図１と図２を参照しながら説明する。
はじめに、燃料電池システム１の通常発電時の動作について説明する。
まず、水蒸気発生装置４から供給した水蒸気と混合した原料ガスであるＬＰＧを、改質触媒９ａの温度が約７００℃に維持された改質部９に、原料ガス供給装置６で供給する。そして、改質部９の改質触媒９ａを介して水蒸気改質反応により、水素、一酸化炭素、水蒸気を含む改質ガスが生成される。
つぎに、改質部９から出た改質ガスは、変成部１０の変成触媒１０ａの充填層中に供給され、充填層中を下方から上方に向け流通する。このとき、約２００〜３００℃に維持された変成触媒１０ａの作用により、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を生成する変成反応が起こる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が０．５％以下程度まで低減される。
つぎに、変成部１０から出た改質ガスは、別途、選択酸化空気供給経路１１ｂを介して供給した少量の空気とともに選択酸化部１１の選択酸化触媒１１ａの充填層中に供給され、充填層中を下方から上方に向け流通する。このとき、約１００〜２００℃に維持された選択酸化触媒１１ａの作用により、改質ガス中の一酸化炭素を酸化反応させる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下程度まで、さらに低減される。
つぎに、選択酸化部１１を出た改質ガスは、燃料電池バイパス弁１６が閉で、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８が開になった原料ガス経路１５を通って、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に供給される。そして、改質ガス中の水素の一部が発電で消費されて排出されたオフガスと、燃焼空気ファン７により供給された空気とがバーナ部１２に供給されて、バーナ部１２で燃やされる。このとき、オフガスの燃焼熱により、改質触媒９ａは熱せられて約７００℃に維持される。そして、その燃焼排ガスが、変成部１０および選択酸化部１１の内部流路を流通することにより、変成触媒１０ａが約２００〜３００℃に、選択酸化触媒１１ａが１５０〜２００℃に維持される。
一方、燃料電池２のカソード電極２ｃ側には、カソード空気ブロワ８で空気を供給し、空気中の酸素の一部が発電で消費され、排空気は燃料電池システム１の外に放出される。
そして、燃料電池２が発電した電力は、図示しない外部負荷により消費される。
以下に、燃料電池システム１の発電停止運転時の動作について説明する。
まず、燃料電池２と外部負荷との接続を遮断した後、燃料電池２へのカソード空気ブロワ８による空気の供給と、原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止する。同時に、燃料電池バイパス弁１６、燃料電池入口弁１７、燃料電池出口弁１８を閉止する。このとき、水蒸気発生装置４も同時に停止させ、水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４への水蒸気の供給も停止させる。
つぎに、所定時間経過後、改質触媒９ａの温度が約３００℃まで外気により冷却された場合、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により原料ガスであるＬＰＧを改質部９、変成部１０、選択酸化部１１に順次供給して、各触媒の充填層中に水蒸気を含む改質ガスをパージする。このとき、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度は１００℃以上であるため、改質ガス中の水蒸気が各触媒の表面に凝縮することはない。その後、各触媒の充填層中から水蒸気を含む改質ガスがＬＰＧにより充分パージできる所定時間、ＬＰＧを供給した後、燃料電池バイパス弁１６を閉止して原料ガス供給装置６を停止する。
さらに、燃料処理器３が雰囲気温度との温度差によって放熱して冷えると、燃料処理器３中で熱せられていたＬＰＧの体積収縮により、燃料処理器３中の圧力が低下する。しかし、所定時間ごとに原料ガス供給装置６でＬＰＧを供給することにより、燃料処理器３中の圧力が正圧に保たれる。なお、以下適宜、正圧を保つためにＬＰＧを燃料処理器３中に供給する動作を、圧張り動作と記して説明する。
上記パージおよび圧張り動作により、温度低下後の変成触媒１０ａには、充分にＬＰＧが吸着する。このとき、都市ガスやＬＰＧは、実際にはメタンやプロパンなどの炭化水素系ガス成分の混合ガスであるため、各炭化水素系ガスにより、触媒への吸着しやすさが異なる。具体的には、分子量が大きい炭化水素系ガス成分の方が、分子量の小さい炭化水素系ガス成分より吸着されやすい傾向にある。しかし、本実施の形態で用いたＬＰＧは、主成分のプロパンが構成の約９８％を占めるため、略プロパンの単一組成のガスとして取り扱っても支障がない。そこで、変成触媒１０ａに吸着していた原料ガス成分についても原料ガスとして記述している。
以下に、本実施の形態の燃料電池システムの起動運転の動作について、図面を用いて説明する。
図４は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。
図４に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する（ステップＳ１）。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され（ステップＳ１）、着火装置により着火される（ステップＳ２）。
そして、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３でＮｏ）、変成触媒１０ａに吸着していたＬＰＧのうち脱離してくる脱離ＬＰＧの量を制御部５に記憶された情報に基づいて推測する（ステップＳ４）。そして、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を、原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧの量と脱離してくる脱離ＬＰＧの量（推測値）との合算量に見合う流量に調整する（ステップＳ５）。
ここで、ステップＳ１およびステップＳ５で示したＬＰＧの流量に見合う燃焼用空気の量とは、バーナ部１２に供給したＬＰＧを完全に燃焼させて二酸化炭素と水（水蒸気）にするのに必要な酸素量を含む空気量の所定の倍数の量である。そこで、以下では、空気量とＬＰＧの量との比率を、空燃比と記して説明する。すなわち、例えば空燃比１．０とは、供給した空気中の酸素量とＬＰＧとが理想的に燃焼した場合に過不足なく二酸化炭素と水とになる比率で、例えば空燃比２．０とは、供給した空気中の酸素量の半分が、燃焼に使われないまま燃焼排ガス中に残存する比率であることを示す。
本実施の形態の燃料電池システム１では、ステップＳ１およびステップＳ５での空燃比を２．５〜３．０に設定した。なお、空燃比が大きすぎたり、逆に小さすぎる場合、着火性が悪くなったり、着火しても不完全燃焼が起こって一酸化炭素が発生し、燃焼排ガスとして燃料電池システム外に放出されたり、失火することになる。
この場合、変成温度センサ１０ｂで検知した温度に基づく燃焼用空気の量の調整（ステップＳ５）は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３でＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上で、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達するまで（ステップＳ６のＹｅｓ）続けられる。
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気の混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ７）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように燃焼用空気の量が調整される。なお、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度が１００℃を超えない場合に水蒸気を供給すると、水蒸気が凝縮してガスの流れを阻害することがある。そのため、ステップＳ６でＹｅｓとなる改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上および選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上という条件は、温度分布を持つ各触媒の全体の温度が１００℃以上となるための温度センサの温度である。また、改質触媒９ａの温度が４００℃を超えている場合に水蒸気が供給されていないと、改質触媒表面にカーボンが析出し、触媒の機能が低下してしまう恐れがある。そのため、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が４００℃を超えないうちに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１００℃を超えるように設計的な配慮が必要となる。
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒９ａが約６００〜７００℃、変成触媒１０ａが約２００〜３００℃、選択酸化触媒１１ａが約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップ８）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ８でＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ８でＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ８でＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
以上説明したように、本実施の形態１の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇による原料ガスの脱離を、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて推測し、この推測値と供給した原料ガスとの合算量に対して、所定の空燃比になるように燃焼用空気をバーナ部１２に供給して燃焼させる。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
なお、本実施の形態１の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時における変成触媒１０ａからの脱離ＬＰＧの脱離量を、変成触媒１０ａの温度を検知する変成温度センサ１０ｂの値に基づいて推測した例で説明したが、これに限られない。例えば、図５に示すように、加熱開始からの経過時間（ｔ１）を計測するタイマにより変成触媒１０ａの温度を推測し、さらにそこから変成触媒１０ａから脱離するＬＰＧの量を推測することもできる。そこで、以下に、図５を用いて、その方法を具体的に説明する。
図５は、本実施の形態の燃料電池システム１における起動運転時での改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａの温度上昇の様子を示す特性図である。
図５に示すように、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａの加熱開始からの経過時間（ｔ１）に対して、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）および選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）は決まる。そこで、燃料電池システムの起動運転時に、まず、タイマにより加熱開始からの経過時間（ｔ１）を計測し、そのときの変成触媒１０ａの温度を推測する。そして、この変成触媒１０ａの温度に基づいて、変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの量を推測する。さらに、この推測に基づいて、制御部５を介して燃焼用空気の量を調整して制御するものである。この場合、加熱を開始する際の変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が分からなければならないが、例えば、改質触媒９ａの温度を検知する温度センサや選択酸化触媒１１ａの温度を検知する温度センサなどで代用することが可能である。
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知する変成温度センサ１０ｂを設けた例で説明し、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＫ、ＴｈＳ）の温度を検知する手段についての記載はしていない。しかし、改質触媒９ａの温度を検知する改質温度センサおよび選択酸化触媒１１ａの温度を検知する選択酸化温度センサを個別に設けてもよく、また変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度から、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度を検知してもよい。
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１における別の起動運転の方法を、図６を用いて説明する。
図６は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１における別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
図６に示すように、燃料電池システム１の起動運転には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７を動作させて、原料ガスであるＬＰＧと空気を供給する（ステップＳ１）。そして、バーナ部１２に供給されたＬＰＧと燃焼用空気を、着火装置で着火する（ステップＳ２）。これにより、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始し、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が上昇する。
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ３）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を越えた場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、原料ガス供給装置６を停止する（ステップＳ４）。このとき、バーナ部１２には原料ガス供給装置６からの原料ガスであるＬＰＧの供給が停止するが、変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧがバーナ部１２に供給されているために燃焼が継続する。
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ２）とを比較する（ステップＳ５）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ２）よりも低い温度の場合（ステップＳ５でＮｏ）、変成触媒１０ａに吸着していたＬＰＧのうち脱離してくる量を制御部５で推測する（ステップＳ６）。そして、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を、変成触媒１０ａから脱離してくるＬＰＧの量に見合う流量に調整する（ステップＳ７）。
また、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ２）を超える場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、再び原料ガス供給装置６を動作させて原料ガス供給装置６からバーナ部１２にＬＰＧを供給する（ステップＳ８）。このとき、燃焼空気ファン７でバーナ部に供給する燃焼用空気の量を、原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧの量と脱離してくる脱離ＬＰＧの量との合算量に見合う流量に調整する（ステップＳ９）。
この場合、変成温度センサ１０ｂで検知した温度に基づく燃焼用空気の量の調整（ステップＳ９）は、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達するまで（ステップＳ１０のＹｅｓ）続けられる。
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ１０でＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気の混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ１１）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように燃焼用空気の量は調整される。
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒９ａが約６００〜７００℃、変成触媒１０ａが約２００〜３００℃、選択酸化触媒１１ａが約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ１２）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ１２でＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ１２でＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。
以上説明したように、本実施の形態１の燃料電池システム１の別の起動運転の方法によれば、図６中のステップＳ８までの間において、各触媒の温度上昇が、図５に示した各触媒の温度上昇よりも緩やかにできる。これにより、各触媒の充填層中の温度分布（ばらつき）の発生を抑制することができる。また、各触媒および燃料処理器３を構成する各円筒体の急激な温度変化による劣化を抑制することが可能となる。
なお、本実施の形態１の別の起動運転の制御では、変成触媒１０ａの温度が所定の温度Ｔｈ１に到達した後、原料ガス供給装置によるＬＰＧの供給を停止したが、これに限られない。例えば、図５で示した加熱開始からの時間と変成触媒１０ａの温度との関係からも明らかなように、変成触媒１０ａの加熱開始から所定時間経過後に原料ガス供給装置６によるＬＰＧの供給を停止してもよい。
なお、本実施の形態１の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時にバーナ部１２で燃焼させる原料ガスが燃料処理器３を介してバーナ部１２に供給される構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、原料ガス供給装置から直接バーナ部１２に原料ガスを供給する経路（図示せず）を備えて、燃料電池システム１の起動運転時に原料ガスを直接バーナ部１２に供給して燃焼させる構成としてもよい。このとき、燃料処理器３の温度上昇による圧力上昇を抑制するために、燃料処理器３からバーナ部１２に至る原料ガス経路を連通させる必要がある。上記構成の場合には、各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を推測して燃焼用空気の量を調整することで同様の効果を得ることができる。
また、上記本実施の形態では、変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量のみを対象として燃焼用空気の量を調整する燃料電池システム１を例に説明した。この理由は、本実施の形態１で使用した改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａへの原料ガスであるＬＰＧの吸着量がほとんどなく、空燃比に与える影響が充分小さいという実験結果に基づいたものである。
しかし、通常、原料ガスの種類や触媒の種類、形状が異なれば、変成触媒１０ａ以外の改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａに原料ガスが吸着する。そして、温度上昇とともに脱離する脱離原料ガスの量が空燃比に与える影響が大きくなる場合がある。この場合には、まず、各触媒の温度上昇による脱離原料ガスの脱離量を、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１ごとに実験的に求めて、燃料電池システム１の起動運転時に、各触媒の温度から各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を推測する。そして、各触媒から脱離する脱離原料ガスの量と原料ガス供給装置から供給される原料ガスとの合算量に対して、空燃比が所定の比率となるように、燃焼用空気の量を調整して制御してもよい。これにより、より不完全燃焼の発生を抑制して、確実に起動運転できる信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。なお、図７において図１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７に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の変成部３０に変成ヒータを３１設け、選択酸化部３２に選択酸化ヒータ３３を設けた点で実施の形態１の燃料電池システム１と異なる。
すなわち、図７に示すように、本実施の形態２の燃料電池システム１は、変成部３０の変成触媒１０ａと接触しない外側に変成ヒータ３１を設置し、選択酸化部３２の選択酸化触媒１１ａと接触しない外側に選択酸化ヒータ３３を設けた構成である。ここで、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３は、通電することにより発熱し、変成部３０や選択酸化部３２を加熱する、例えば電気ヒータなどである。
以下に、本実施の形態２の燃料電池システム１の起動運転の動作について、図７を参照しながら、図８を用いて説明する。
図８は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の実施の形態１と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
図８に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、原料ガス供給装置６で原料ガスであるＬＰＧと燃焼空気ファン７で燃焼用空気とをバーナ部１２に供給する（ステップＳ１）。そして、バーナ部１２において、供給されたＬＰＧと燃焼用空気とが、図示しない着火装置により着火されて燃焼する（ステップＳ２）。これにより、燃焼排ガスが、変成触媒１０ａと直接接しない変成部３０と選択酸化触媒１１ａと直接接しない選択酸化部１１との内部に設けられた燃焼排ガス経路１３を順次流通して、内側から変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱し始める。
このとき、同時に、変成ヒータ３１と選択酸化ヒータ３３とに通電して外側からも変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａを加熱する（ステップＳ２ａ）。なお、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３による加熱は、変成温度センサ１０ｂが検知する変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈａ）に到達するまで（ステップＳ３ａでＹｅｓ）継続する。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度に到達または超えた後、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３の通電を停止して、燃焼排ガスによる加熱のみとする。なお、所定の温度（Ｔｈａ）については後で説明する。
つぎに、制御部５で、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）を比較する（ステップＳ３）。そして、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を超えるまでは（ステップＳ３でＮｏ）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）に基づいて変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの量を推測する（ステップＳ４）。さらに、原料ガス供給装置６で供給した原料ガスであるＬＰＧの量と合算して、所定量の燃焼用空気とともにバーナ部１２で燃焼させる（ステップＳ５）。
上記動作までは、実施の形態１と同様である。ただし、本実施の形態２では変成触媒１０ａは二重円筒状の充填層の内壁側と外壁側との両面から加熱されるため、変成温度センサ１０ｂの検知した温度において、変成触媒１０ａの温度分布が実施の形態１の場合と異なる場合がある。そのため、変成温度センサ１０ｂの検知した温度（ＴｈＨ）とＬＰＧの変成触媒１０ａからの脱離量が、変成温度センサ１０ｂの位置によっては変成ヒータ３１がある場合とない場合とで異なる場合がある。
なお、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３による加熱を続ける所定の温度（Ｔｈａ）とは、まず、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａが１００℃以上で、水蒸気を原料ガスと混合して供給しても凝縮しない温度で、かつ、水蒸気をＬＰＧと混合して燃料処理器３に供給する前までの温度である。具体的には、本実施の形態２の燃料電池システム１では、変成温度センサ１０ｂが約１８０℃を検知したときに変成ヒータ３１と選択酸化ヒータへの通電を切るように制御した。このとき、本実施の形態２の燃料電池システム１では、選択酸化触媒の温度も約１５０℃であった。
以上説明したように、本実施の形態２の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇による原料ガスの脱離を、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて推測し、この推測値と供給した原料ガスとの合算量に対して、所定の空燃比になるように燃焼用空気をバーナ部１２に供給して燃焼させる。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。さらに、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａを所定の温度へ短時間で昇温することにより、燃料電池システム１の起動運転の立ち上がり時間を短くできる。
なお、本実施の形態２の燃料電池システム１では、変成ヒータ３１と選択酸化ヒータ３３を用いて、燃料電池システム１を起動運転する例で説明したが、これに限られない。例えば、選択酸化ヒータ３３を設けず、変成ヒータのみでもよい。この場合、燃焼排ガスによる変成触媒１０ａの加熱に加えて変成ヒータ３１による変成触媒１０ａの加熱により、変成触媒１０ａの充填層中を流通する原料ガスが加熱され、加熱された原料ガスが選択酸化触媒１１ａの充填層中に供給されるので、変成ヒータ３１がない場合に比べて選択酸化触媒１１ａを短時間で昇温できる。その結果、低コストで、かつ短い起動運転の立ち上がり時間が要望される燃料電池システム１の構築に有効である。
また、本実施の形態２の燃料電池システム１では、変成ヒータ３１と選択酸化ヒータ３３として、電気ヒータを例に説明したが、これに限られない。例えば、バーナ部１２と同様な構成を有する加熱用バーナ部を設けてもよい。これにより、ヒータにより消費電力を無くして、簡単な構成で、かつシステム効率に優れた燃料電池システム１を実現できる。また、バーナ部を加熱用バーナ部として兼用してもよい。これにより、さらに、構成を簡略化できる。このとき、加熱用バーナ部は、さらに改質部９を加熱する構成としてもよい。
以下に、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１における別の起動運転の方法を、図９を用いて説明する。
図９は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１における別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
図９に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７とを駆動することによりバーナ部１２に原料ガスであるＬＰＧと燃焼用空気とを供給する（ステップＳ１）。そして、図示しない着火装置を用いて着火し、ＬＰＧの燃焼を開始する（ステップＳ２）。
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの昇温を確認した後、変成ヒータ３１および選択酸化ヒータ３３に通電を開始して、ヒータでの各触媒の加熱を開始する（ステップＳ３）。このとき、原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止し、変成触媒１０ａの昇温に伴って変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスのみを燃焼させる（ステップＳ４）。
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ５）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を越えるまで（ステップＳ５でＮｏ）、まず、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量を推測する（ステップＳ６）。その後、燃焼空気ファン７によって送風する空気の量を調整する（ステップＳ７）。そして、他の実施の形態と同等にステップＳ１０以降の制御の流れに従って燃料電池システムを起動動作させる。
また、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を超えた場合（ステップＳ５のＹｅｓ）、所定の時間が経過後、図示しない着火装置を動作させた状態で原料ガス供給装置６によって原料ガスであるＬＰＧの供給を再開する（ステップＳ８）。
つぎに、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を、原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧの量と脱離してくる脱離ＬＰＧの量との合算量に見合う流量に調整する（ステップＳ９）。
そして、他の実施の形態と同等にステップＳ１０以降の制御の流れに従って燃料電池システム１が起動動作する。
なお、上記では、変成触媒１０ａから脱離した脱離ＬＰＧのみによる燃焼を、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）になるまで継続する例で説明したが、所定の温度（Ｔｈ１）になるまでの所定の時間まで燃焼を継続させる方法でもよい。ここで、上記所定の温度（Ｔｈ１）および所定の時間とは、変成触媒１０ａに充分にＬＰＧが吸着されていた場合に、変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの流量が、原料ガス供給装置６によって供給する原料ガスであるＬＰＧの流量に対して、空燃比に大きく影響を与えない程度まで充分に小さくなる変成触媒１０ａの温度および、その経過時間を指す。
上記実施の形態２によれば、変成触媒１０ａに吸着した原料ガスから脱離する脱離原料ガスを優先的に燃焼させることにより、原料ガス供給装置から供給する原料ガスと同時に燃焼させる場合に比べ、原料ガス供給装置で供給する原料ガスの流量を多くしても、改質触媒９ａの温度上昇を緩やかにすることが可能となる。これにより、改質触媒９ａの温度上昇が急である場合に生じる、改質触媒９ａの充填層中で温度の分布のばらつきや、急激な温度変化によるストレスにより改質触媒９ａが破損することなどを未然に防止できる。その結果、安定した起動動作と、長期間に亘って確実に動作する燃料電池システム１を実現できる。
すなわち、起動運転時の特に触媒から脱離してくる脱離原料ガスと原料ガス供給装置で供給する原料ガスとを混合してバーナ部１２で燃す場合、原料ガス供給装置から供給する原料ガスの流量を充分に少なくする必要がある。一方で発電時には、吸熱反応である水蒸気改質を行う改質部９の温度を、オフガス中の水素の燃焼で約７００℃に維持しながら、発電に必要な改質ガスの原料となる量の原料ガスを供給する必要がある。そのため、広い範囲で流量を制御して原料ガスを供給可能な原料ガス供給装置が必要となり、装置の大型化や複雑化につながる。
また、本実施の形態２によれば、変成ヒータ３１のオンオフ制御や、ヒータ出力の調整により、変成触媒１０ａの温度上昇を制御することができる。さらに、変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの流量を調整することもできる。その結果、比較的簡単な構成で、改質触媒９ａの温度上昇速度を制御できる燃料電池システムを実現できる。
なお、本実施の形態２では、まず、原料ガス供給装置によって原料ガスであるＬＰＧをバーナ部１２に供給し、着火装置によって着火後、ヒータ加熱を開始して原料ガス供給装置からのＬＰＧの供給を停止し、変成触媒１０ａから脱離してくるＬＰＧのみの燃焼を開始する例で説明したが、これに限られない。例えば、まず、変成触媒１０ａのヒータ加熱を開始して、脱離してくる脱離ＬＰＧに着火を行ってもよく、同様の効果や作用が得られる。
また、本実施の形態２の燃料電池システム１では、変成ヒータ３１と選択酸化ヒータ３３として、電気ヒータを例に説明したが、これに限られない。例えば、バーナ部１２と同様な構成を有し、起動運転時に触媒の加熱に用いる加熱用バーナ部を設けてもよい。
そこで、以下に、加熱用バーナ部を備えた燃料電池システムの構成の一例について、図面を用いて説明する。
図１０は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの別の例を説明する構成図である。
図１０に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、バーナ部１２と、加熱用バーナ部３４と、バーナ前切換弁３５および燃焼用空気経路切換弁３６を、さらに備えている。ここで、バーナ前切換弁３５は、制御部５の信号に基づいて、原料ガス経路１５からの原料ガスを、バーナ部１２または加熱用バーナ部３４に切り替えて供給する。また、燃焼用空気経路切換弁３６は、制御部５の信号に基づいて、燃焼用空気をバーナ部１２または加熱用バーナ部３４に切り替えて供給する。そして、加熱用バーナ部３４は、バーナ部１２と同様に、燃焼熱および燃焼排ガスで改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａを加熱昇温する。
このとき、加熱用バーナ部３４は、バーナ部１２に比べて小型化が可能で、少量の原料ガスでも燃焼できるとともに、各触媒の温度上昇の速度の制御性を高めることができる。そのため、燃料電池システムの起動運転時に、加熱用バーナ部３４を用いることにより、触媒の加熱量を比較的精度よく調整することができる。
上記で説明したように、本実施の形態によれば、加熱用バーナ部３４を別途設けることにより、比較的精度よく触媒の温度上昇速度を制御して、脱離原料ガスの量を精度よく調整できる。その結果、バーナ部１２での空燃比を所定の範囲内に保ち、安定した起動運転が可能な燃料電池システムを実現できる。
（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。図１１において実施の形態１および２における燃料電池システム１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１１に示すように、本実施の形態３の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の原料ガス経路１５に、原料ガス経路１５を流通する流量計４０を設けた点で実施の形態１の燃料電池システムと異なる。
流量計４０は燃料電池システム１の起動運転時に、原料ガス供給装置６から供給される原料ガスの流量と、燃料処理器３の触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量との合算流量を計測するものである。ここで、燃料電池システム１の起動運転時においては、バーナ部１２に供給される燃焼用ガスとは、この原料ガス供給装置６から供給される原料ガスと、燃料処理器３の触媒から脱離してくる脱離原料ガスとのことを示す。そして流量計４０は、流量計４０で計測した燃焼用ガスの流量を信号として制御部５に入力するように配線されている。
以下に本実施の形態３の燃料電池システム１の起動運転時の動作について、図１１を参照しながら図１２を用いて説明する。
図１２は、本実施の形態３の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の他の実施の形態と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
図１２に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、原料ガス供給装置６で原料ガスであるＬＰＧと、燃焼空気ファン７で燃焼用空気とを、バーナ部１２にそれぞれ所定の流量で供給する（ステップＳ１）。ここで、原料ガスであるＬＰＧは、原料ガス供給経路１４を介してまず改質部９に供給され、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。この時点では、バーナ部１２には燃焼用ガスとしては、原料ガス供給装置６から供給された原料ガスであるＬＰＧのみが供給されることになる。
そして、バーナ部１２において、供給されたＬＰＧと燃焼用空気とが、図示しない着火装置により着火されて燃焼が開始される（ステップＳ２）。バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され始め、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇し始める。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部に構成された燃焼排ガス経路１３を通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱され始める。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇し始める。
変成触媒１０ａの温度上昇が開始すると、変成触媒１０ａに吸着していたＬＰＧが脱離し始め、バーナ部１２に脱離ＬＰＧとして供給される。そのため、バーナ部１２には、燃焼用ガスとして原料ガス供給装置６から供給された原料ガスであるＬＰＧと、脱離ＬＰＧとが供給される。このとき、流量計４０は燃焼用ガスの流量検知を開始し、制御部５では、流量計４０で検知した燃焼用ガスの流量に基づいて燃焼用空気の流量の調整を開始する（ステップＳ３）。
次に、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）と変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）をそれぞれ所定の温度と比較する（ステップＳ４）。改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）のいずれかが所定の温度よりも低い場合（ステップＳ４でＮｏ）は、流量計４０で検知した燃焼用ガスの流量に基づいた燃焼用空気の流量調整を継続する。ここで、本実施の形態３の燃料電池システム１では、他の実施の形態３の燃料電池システム１と同様に、所定温度を、それぞれ、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）は２００℃、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）は１５０℃とした。
改質触媒９ａ温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が全て所定の温度以上になると（ステップＳ４でＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始するとともに、流量計４０の計測値に基づいた燃焼用空気の流量制御を終了する。そして、ＬＰＧと水蒸気の混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ５）。
ここで、水蒸気の供給開始とともに流量計４０の計測値に基づいた燃焼用空気の流量制御を終了するのは、流量計４０を流通する燃焼用ガスの組成がこれまでのＬＰＧから水素を含む改質ガスへと変化し、加えて改質ガス中に水蒸気が含まれるため、流量計４０で燃焼用ガスの流量が正確に測定できなくなるためである。
しかしながら、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が全て所定の温度以上になると、触媒からの脱離原料ガス（本実施の形態では脱離ＬＰＧ）は図３で示したようにほとんどなくなり、バーナ部１２での燃焼に影響を与えなくなるため、燃焼用空気の流量は、原料ガス供給装置６で供給した原料ガスであるＬＰＧの流量に基づいて調整される。
次に、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップ６）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ６でＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ６でＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
以上説明したように、本実施の形態３の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇によって脱離してくる脱離原料ガスの流量を、原料ガス供給装置から供給する原料ガスの流量とあわせて流量計４０によって計測し、流量計４０の計測値に基づいて燃焼用空気の流量を調整することが可能であるため、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０を原料ガス経路に設けたが、これは燃料電池バイパス経路またはオフガス経路に設けても良い。
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時に燃料処理器３を介してバーナ部１２に原料ガス供給装置から供給する原料ガスを供給したが、これは、別途原料ガス供給経路から分岐してバーナ部１２に直接原料ガスを供給する分岐経路と、原料ガス供給装置から供給する原料ガスを燃料処理器３に供給するか、バーナ部１２に分岐経路を介して直接供給するかを切り替える流路切替手段とを設け、燃料電池システムの起動初期で、燃料処理器３の各触媒の温度が一酸化炭素濃度が十分低減され、水素を十分に含む良質の改質ガスを生成するのに適した所定の温度に到達するまでは、分岐経路を介してバーナ部に直接原料ガス供給装置から供給した原料ガスを供給する燃料電池システムでも良い。この場合、流量計では、燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量を計測することになり、制御部５では、流量計４０で計測した脱離原料ガスの流量と、原料ガス供給装置から供給した原料ガスとの合算量に対応した燃焼用空気の流量がバーナ部に供給されるように燃焼空気ファンを制御することで、本実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０を用いて原料ガス供給装置から供給した原料ガスの流量と、燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量の合算量を計測したが、これは圧力計を用いても良い。すなわち、例えば原料ガス経路に圧力計を接続しておき、事前に原料ガス経路を流れるガス流量と圧力との関係を制御部５に記憶させておき、燃料電池システム１の起動運転時に、この圧力計で計測した値に基づいてバーナ部１２に供給される原料ガスの流量（すなわち原料ガス供給装置から供給される原料ガスの流量と燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量との合算量）を推測し、その推測値に基づいて制御部が燃焼空気ファンから供給する燃焼用空気の流量を制御することで、本実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
また、なお、本実施の形態３においては、原料ガスとしてＬＰＧを用いて説明したが、他の実施の形態と同様に原料ガスはこれに限らず、都市ガスや灯油など他の炭化水素系の原料を用いることも可能である。灯油などの液体の炭化水素系原料を用いる場合は、気化させてガスとする事が好ましい。また、原料ガスの種類が変わった場合には、燃料処理器３の各触媒に吸着する原料ガスの量や各触媒の温度と脱離原料ガス流量の挙動が異なることが予測されるが、本実施の形態３の燃料電池システム１では、バーナ部１２に供給される脱離原料ガスを含む原料ガスの流量を計測し、その計測値に基づいて燃焼用空気の流量を調整するので、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。ただし、流量計４０は、原料ガスの種類によって、その原料ガスの流量を計測できる流量計４０を用いる必要がある。
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０で検知した原料ガスの流量に基づいた燃焼用空気の流量制御を終了するタイミングを、燃料処理器３の各触媒の温度が所定の温度以上に到達して、水蒸気を供給するタイミングと同じにしたが、これは、各触媒の温度が上昇して脱離原料ガスがバーナ部１２での燃焼に影響を与えなくなる温度を超えれば、これに限らない。
（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。図１３において先の実施の形態１から３における燃料電池システム１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１３に示すように、本実施の形態４の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の燃焼排ガス経路１３に、排ガス分析手段に相当する、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計４１を設けた点で実施の形態１の燃料電池システムと異なる。
酸素濃度計４１は、バーナ部１２で燃焼用空気とともに原料ガスやオフガス、改質ガスなどを燃焼させた後の燃焼排ガス中の酸素濃度を計測するものであり、計測した値を制御部５に信号として入力するように電気的に接続されている。
以下に本実施の形態４の燃料電池システム１の起動運転時の動作について、図１３を参照しながら図１４を用いて説明する。
図１４は、本実施の形態４の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の他の実施の形態と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
図１４に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、原料ガス供給装置６で原料ガスであるＬＰＧと、燃焼空気ファン７で燃焼用空気とを、バーナ部１２にそれぞれ所定の流量で供給する（ステップＳ１）。ここで、原料ガスであるＬＰＧは、原料ガス供給経路１４を介してまず改質部９に供給され、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。この時点では、バーナ部１２には燃焼用ガスとしては、原料ガス供給装置６から供給された原料ガスであるＬＰＧのみが供給されることになる。
そして、バーナ部１２において、供給されたＬＰＧと燃焼用空気とが、図示しない着火装置により着火されて燃焼が開始される（ステップＳ２）。バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され始め、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇し始める。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部に構成された燃焼排ガス経路１３を通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱され始める。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇し始める。
次に、酸素濃度計４１でバーナ部１２から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の計測を開始し、制御部５への入力を開始する。制御部５では、酸素濃度計４１で計測した酸素濃度に基づいて、酸素濃度計４１の計測する酸素濃度が所定の酸素濃度となるように燃焼ファンを制御して燃料用空気の流量を調整する（ステップＳ３）。具体的には、酸素濃度計４１で計測する燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度よりも低い場合は、燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の流量を増加させ、逆に燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度よりも高い場合は、燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の流量を減少させる。
燃料処理器３の各触媒の温度が上昇し始め、触媒に吸着していた原料ガスが脱離し始めると、バーナ部１２には原料ガス供給装置６から供給される原料ガスと、触媒からの脱離原料ガスとの合算量が供給されてくることになるが、燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて燃焼用空気の流量が調整されるために、バーナ部１２には供給される原料ガスの流量に対応した流量の燃焼用空気が供給されることになる。
次に、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）と変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）をそれぞれ所定の温度と比較する（ステップＳ４）。改質触媒９ａ温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）のいずれかが所定の温度よりも低い場合（ステップＳ４でＮｏ）は、酸素濃度計４１で検知した燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいた燃焼用空気の流量調整を継続する。ここで、本実施の形態４の燃料電池システムでは、他の実施の形態の燃料電池システム１と同様に、所定温度を、それぞれ、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）は２００℃、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）は１５０℃とした。
改質触媒９ａ温度（ＴｈＫ），変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ），選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が全て所定の温度以上になると（ステップＳ４でＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始するとともに、酸素濃度計４１の計測値に基づいた燃焼用空気の流量制御を終了する。そして、ＬＰＧと水蒸気の混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ５）。
変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（この場合は１８０℃）以上になると、触媒からの脱離原料ガス（本実施の形態では脱離ＬＰＧ）は図３で示したようにほとんどなくなり、バーナ部１２での燃焼に影響を与えなくなるため、燃焼用空気の流量は、原料ガス供給装置６で供給した原料ガスであるＬＰＧの流量に基づいて調整される。
次に、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ６）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ６でＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ６でＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
以上説明したように、本実施の形態４の燃料電池システム１によれば、起動運転時に、燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて燃焼用空気の流量が調整されるために、燃料処理器３の触媒の温度が上昇し、触媒に吸着していた原料ガスが脱離してバーナ部に供給された場合でも、バーナ部での燃焼を安定させることが可能である。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システムの起動運転を行うことができる。
なお、本実施の形態４の燃料電池システムでは、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計を用いて、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の濃度となるように燃焼用空気の流量を調整したが、これは、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計を用いても良い。この場合、燃料処理器３の触媒温度が上昇を開始して脱離原料ガスによってバーナ部で燃焼される原料ガスの流量が増加してくると、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度が上昇してくるため、それに対応して燃焼ファンによる燃焼用空気の供給量を増加させてやれば、本実施の形態４の燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。
本出願は、２００９年３月２７日出願の日本特許出願（特願２００９−０７８４４１）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明にかかる燃料電池システムは、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができるので、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系原料を水蒸気改質して利用する燃料電池システムの技術分野に有用である。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ａ 固体高分子電解質膜
２ｂ アノード電極
２ｃ カソード電極
３ 燃料処理器
４ 水蒸気発生装置
４ａ 水蒸気経路
５ 制御部
６ 原料ガス供給装置
７ 燃焼空気ファン
７ａ 燃焼用空気経路
８ カソード空気ブロワ
９ 改質部
９ａ 改質触媒
１０，３０ 変成部
１０ａ 変成触媒
１０ｂ 変成温度センサ
１１，３２ 選択酸化部
１１ａ 選択酸化触媒
１１ｂ 選択酸化空気供給経路
１２ バーナ部
１３ 燃焼排ガス経路
１４ 原料ガス供給経路
１５ 原料ガス経路
１５ａ 燃料電池入口経路
１５ｂ 燃料電池バイパス経路
１５ｃ オフガス経路
１６ 燃料電池バイパス弁
１７ 燃料電池入口弁
１８ 燃料電池出口弁
２０ 第１円筒体
２１ 第２円筒体
２２ 第３円筒体
２３ 第４円筒体
２４ 第１ガス流路
２５ 第２ガス流路
２６ 燃焼室
２７ 排気折り返し部
２８ 原料ガス折り返し部
３１ 変成ヒータ
３３ 選択酸化ヒータ
３４ 加熱用バーナ部
３５ バーナ前切換弁
３６ 燃焼用空気経路切換弁
４０ 流量計
４１ 酸素濃度計

Claims (15)

  1. 原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減部を通った前記改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと前記原料ガスと前記改質ガスとの少なくとも１つを送風機で供給した燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、前記原料ガスを前記改質部と、前記改質部を介してまたは直接前記バーナ部と、に供給する原料ガス供給装置とを備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムの起動運転時に、前記バーナ部で燃やされる前記原料ガス供給装置で供給する前記原料ガスと、少なくとも前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の一方に吸着していた前記原料ガスの成分のうちの脱離してくる脱離原料ガスとの量に応じて、前記送風機で前記バーナ部に送る前記燃焼用空気の量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池システムの起動運転時に、前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池システムの起動運転時に、前記バーナ部に供給される前記原料ガス供給装置で供給する前記原料ガスと前記脱離原料ガスのうち、少なくとも前記脱離原料ガスの流量を計測する計測手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記計測手段は、少なくとも前記脱離原料ガスの流量を計測する流量計であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記計測手段は、少なくとも前記脱離原料ガスの圧力を検知する圧力計であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記バーナ部で燃焼させた後の燃焼排ガス成分のうち、少なくとも一つの成分の濃度を検知する排ガス分析手段を備え、前記排ガス分析手段で検知した濃度に基づいて燃焼用空気の量を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  7. 前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、前記温度センサが検知した前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度に基づいて、前記燃料電池システムの起動運転時に、前記バーナ部で燃やされる前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた前記原料ガスの成分中の脱離してくる前記脱離原料ガスの量を推定する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  8. 前記加熱手段の加熱開始からの経過時間を計測するタイマ手段を備え、前記タイマ手段が計測した時間に基づいて、前記バーナ部で燃やされる前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた前記原料ガスの成分のうち脱離してくる前記脱離原料ガスの量を推定する請求項１または２または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段で前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、前記加熱手段による加熱開始から所定時間経過後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項２または７または８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段で前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、前記温度センサの検知する温度が所定の温度以上になった後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項２または７または８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料電池システムの起動時に、前記原料ガス供給装置と前記加熱手段とを動作させ、前記バーナ部で前記原料ガス供給装置から供給した前記原料ガスを所定時間燃焼させた後に前記原料ガス供給装置の動作を停止して、前記加熱手段の加熱開始から所定時間経過後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項２または７または８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、前記燃料電池システムの起動時に、前記原料ガス供給装置と前記加熱手段とを動作させ、前記加熱手段による加熱開始から所定時間経過後または前記温度センサが第１所定温度以上を検知後に前記原料ガス供給装置の動作を停止して、前記温度センサが第２所定温度以上を検知した後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項２または７または８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  13. 前記加熱手段は、電気ヒータである請求項２から１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  14. 前記加熱手段は、加熱用バーナ部からなり、前記加熱用バーナ部の燃焼排ガスで前記改質部と前記一酸化炭素低減部の少なくとも一方を加熱する請求項２から１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  15. 前記バーナ部を前記加熱用バーナ部として用いる請求項１４に記載の燃料電池システム。
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