JPWO2011055523A1

JPWO2011055523A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JPWO2011055523A1
Application number: JP2011539281A
Authority: JP
Inventors: 龍井　洋; 洋龍井; 田口　清; 清田口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2013-03-21
Also published as: WO2011055523A1; US20110318659A1; EP2498328A1

Abstract

本発明の燃料電池システムは、燃料電池（１）と、燃料処理器と、燃料電池（１）での発電で消費しなかった水素を含むオフガスと原料ガスと燃料ガスのうち少なくとも１つのガスを燃焼させるバーナ（２ａ）と、燃料処理器と燃料電池（１）とを接続する第１のガス経路と、燃料電池（１）とバーナ（２ａ）とを接続する第２のガス経路と、燃料電池（１）をバイパスするように第１のガス経路と第２のガス経路とを接続する第３のガス経路と、第１のガス経路を通流するガスの通流先を燃料電池（１）と第３のガス経路との少なくとも一方に切り替えるように構成された流路切替手段と、燃料電池（１）に燃料ガスの供給を開始する場合、燃料ガスを第１のガス経路に断続的に供給するとともに第３のガス経路に断続的若しくは継続的に供給するように流路切替手段を制御する制御器（１０１）と、を有している。

Description

本発明は、炭化水素系の原料を改質して生成された燃料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ものである。

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高湿度の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ものである。燃料電池が発電する際には、電力と同時に熱が発生するが、燃料電池で発電した電力とともに、この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近年注目されている。

燃料電池の発電に必要な水素リッチガス（以下、燃料ガスと称す）を生成する方法の一つとして、水素インフラのない場所に設置された家庭用の燃料電池システムでは、都市ガス（天然ガス）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℃の改質器で水蒸気改質して水素を主成分とする燃料ガスにする方法が採用されていることが多い。

この水蒸気改質では一酸化炭素が副生成物として生成し、改質器から出る燃料ガス中には一酸化炭素が約１０〜１５％含まれる。この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、燃料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。

そのため通常、改質器の下流側には、変成器と選択酸化器とが順に配設されている。変成器では、改質器から出た燃料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が充填されている。選択酸化器では、変成器で一酸化炭素濃度を低減させた燃料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燃料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が充填されている。変成器では約２００℃以上で水性ガスシフト反応が行われ、選択酸化器では約１００℃で選択酸化反応が行われる。

上記のように、順次、改質器、変成器および選択酸化器を連結した水素製造装置を、以下適宜、燃料処理器と称する。

また、水性ガスシフト反応と選択酸化反応は発熱反応であるが、水蒸気改質反応は吸熱反応である。なお、燃料処理器には改質触媒の温度を反応に必要な温度である約７００℃にするためのバーナが設けられている。

燃料電池システムの発電時には、原料ガスと水蒸気を燃料処理器に供給し、燃料処理器で生成した燃料ガスを燃料電池に供給して発電が行われる。燃料電池に供給される燃料ガス及び空気は、ともに高い湿度を有している。これは、固体高分子形燃料電池のセルの電解質にはフッ素系樹脂系のイオン交換膜が一般に用いられ、この電解質膜の水分含有量が低下すると高分子電解質の水素イオン伝導度が低下する等により、燃料電池の発電性能が低下するためである。また、燃料電池が発電しているとき、燃料電池において水素と酸素とが電気化学的に反応して水が発生する。さらに、燃料電池の発電で使用されなかった水素を含む燃料ガス（以下適宜、オフガスと称す）はバーナに供給され、オフガス中の水素が燃焼して改質触媒の温度が約７００℃に維持される。

従来の燃料電池システムでは、発電運転の開始直後、燃料処理器から燃料電池に一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが供給される。その理由は、発電運転の開始時では、燃料処理器の運転温度が所定の温度に到達していないため、燃料ガス中の一酸化炭素が十分に除去されないからである。そして、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが例えば固体高分子電解質形燃料電池に供給される場合、その供給される一酸化炭素により、固体高分子電解質形燃料電池における燃料極の触媒が被毒される。この燃料極の触媒の被毒は、燃料電池において進行する電気化学反応の進行を著しく阻害する。そのため、従来の燃料電池システムでは、発電運転の停止および開始の回数に応じて燃料電池の発電性能が劣化するという問題があった。

そこで、一般家庭や電気自動車内に設置し易くかつ触媒の被毒が進行し難い燃料電池システムを提供するために、発電運転の開始直後には燃料電池への燃料ガスの供給を停止すると共に、発電運転の停止後には燃料ガスの原料を保圧のために燃料電池の内部に注入する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１３は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図１３に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、改質部５００と、改質部５００と燃料電池５０１とを接続する第１のガス経路５０２と、燃料電池５０１と改質部５００の燃焼部５００ａとを接続する第２のガス経路５０３と、を有している。改質部５００では、炭素及び水素を含む化合物を主成分とする原料から水素を豊富に含む燃料ガスを生成する。この燃料ガスが、第１のガス経路５０２を介し改質部５００から燃料電池５０１に供給される。さらに、燃料電池５０１から排出される発電に用いられなかった水素を含む燃料ガス（以下、オフガスと称す）が、第２のガス経路５０３を介し改質部５００の燃焼部５００ａに供給される。

また、燃料ガスの供給先を燃料電池５０１から改質部５００の燃焼部５００ａに切り替えるために、第３のガス経路５０４が第１のガス経路５０２と第２のガス経路５０３との間に設けられている。さらに、燃料ガスを生成するための原料を改質部５００に供給する原料ガス供給器５０５が設けられている。また、第１のガス経路５０２には改質ガス遮断弁５０７が、第２のガス経路５０３と第３のガス経路５０４との合流部よりも上流側にはアノードオフガス遮断弁５０８が、第３のガス経路５０４にはバイパス遮断弁５０９が、設けられている。また、燃料電池５０１に酸化剤ガスとしての空気を供給するためにブロワ５１０が設けられている。

特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、起動運転時の初期に改質部５００で生成された発電運転時よりも一酸化炭素の濃度が高い生成途中の燃料ガスは、第３のガス経路５０４を経由して改質部５００の燃焼部５００ａに供給される。つまり、改質部５００の起動初期は改質ガス遮断弁５０７及びアノードオフガス遮断弁５０８を閉かつバイパス遮断弁５０９を開とする。そして、燃焼ガスはこの燃焼部５００ａにおいて、触媒を加熱して触媒の温度を上昇させるために燃焼される。

さらに起動運転が進み、改質部５００における触媒の温度が所定の温度にまで到達すると、改質ガス遮断弁５０７及びアノードオフガス遮断弁５０８を閉から開に切り換えられ、改質部５００で生成された燃料ガスは、第１のガス経路５０２を介して燃料電池５０１に供給され始め、発電運転が開始される。このときに、バイパス遮断弁５０９は、複数回間欠的に開閉した後に閉とするように制御される。これにより、燃料電池５０１周辺に密封されていた改質されていない原料ガスが、改質ガスと混合され希釈されて燃焼部５００ａへ供給されるので、燃焼部の空燃比がずれて燃焼状態が不安定になることが軽減される。そして、燃料ガスは、この燃料電池５０１において、発電のための燃料として使用される。また、燃料電池５０１から排出されるオフガスは、第２のガス経路５０３を介して、改質部５００の燃焼部５００ａに供給され、燃焼部５００ａにおいて燃料処理器の触媒を加熱するために燃焼される。

また、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時には、燃料電池５０１内の水蒸気が水になることにより燃料電池５０１内が負圧になる。負圧になると、アノードに空気が逆流して流入することによりアノードの触媒の電極が酸化したり、スタック内の構造物が物理的に破壊したりするという問題が発生するため、この問題を抑制するため原料ガスが燃料電池５０１内に供給される。このとき、アノードオフガス遮断弁５０８は閉になっている。これは、アノードオフガス遮断弁５０８が開になっていると、原料ガスが燃料電池５０１内を通り過ぎて、改質部５００の燃焼部５００ａに供給されて、不必要に燃焼が行われ、原料ガスが無駄になるからである。そのため、アノードオフガス遮断弁５０８が閉になっている状態で、燃料電池５０１内に原料ガスが供給される。

このように、特許文献１に開示されている燃料電池システムによれば、起動運転の開始直後においては一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスは燃料電池５０１に供給されず、改質部５００における触媒の温度が所定の温度にまで到達して一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスが生成されるようになった後、改質部５００から燃料電池５０１に燃料ガスが供給される。そのため、固体高分子電解質形燃料電池におけるアノードの触媒の被毒が解消される。

また、改質ガス遮断弁５０７及びアノードオフガス遮断弁５０８を閉から開に切り換えるときに、バイパス遮断弁５０９を複数回間欠的に開閉した後に閉とするように制御する。これにより、燃料電池５０１周辺に密封されていた原料ガスが、改質ガスと混合され希釈されて燃焼部５００ａへ供給され、燃焼状態が不安定になることを軽減する。

特開２００８−０６６０９６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている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、上記特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、起動運転の開始時に改質ガス遮断弁５０７を閉から開にする場合、バイパス遮断弁５０９を複数回間欠的に開閉した後に閉にすることで原料ガスを改質ガスで希釈しているが、これだけでは燃焼部５００ａの燃焼を十分に安定させることができなかった。

この原因を本願の発明者が鋭意検討した結果、改質ガス遮断弁５０７が閉から開に変わるときに、燃焼のために必要となる酸素量が大きく変化することが分かった。つまり、例えば、原料ガスとしてメタンを使用し、燃料処理器の温度が所定の温度まで上昇した場合、燃料処理器では原料ガスであるメタンが水素に１００％転化される（これを転化率１００％とする。なお、一般的には、転化率７５％から９５％であり、燃料ガス中には、メタンが５％から２５％残存する。）とすると、改質ガス遮断弁５０７が閉の状態では第３のガス経路５０４を介して高濃度の水素が燃焼部５００ａに供給されているので、下記（１）式から分かる通り、供給される水素ガス量の半分に相当する酸素量が供給されれば、供給されるガスを完全に燃焼させることができる。

しかし、改質ガス遮断弁５０７が開になり、燃料電池５０１内に残存していたメタンが水素に押し出され、水素と同流量のメタンが燃焼部５００ａに供給されると、下記（２）式に表されるように、供給されるガス（メタン）の２倍もの酸素量が必要になる。したがって、このとき必要となる酸素量は、改質ガス遮断弁５０７が閉の状態のときの４倍になるので、改質ガス遮断弁５０７が閉から開になるときに、バイパス遮断弁５０９を複数回間欠的に開閉するのみでは、燃焼部５００ａの燃焼を充分に安定させることができなかった。

Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ・・・（１）
ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ・・・（２）
更に、例えば、原料ガスがプロパン１００％の場合は、下式（３）に表されるように、供給されるガス（プロパン）の５倍の酸素量が必要になるため、改質ガス遮断弁５０７が開になり、燃料電池５０１内に残存していたプロパンが水素に押し出されて、水素と同流量のプロパンが燃焼部５００ａに供給されたときに必要となる酸素量は、改質ガス遮断弁５０７が閉の状態のときの１０倍になるので、燃焼部５００ａでの燃焼を安定させるのが困難であった。

Ｃ_３Ｈ_８＋５Ｏ_２→３ＣＯ_２＋４Ｈ_２Ｏ・・・（３）
このため、上記特許文献１に開示されている燃料電池システムは、改質ガス遮断弁５０７が閉から開になるときに、燃焼部５００ａの燃焼が不安定になってしまう、という課題を有していた。

本発明は、従来の燃料電池システムの課題を考慮して、スタック内に燃料ガスを供給し始める場合にバーナでの燃焼を充分に安定させることができる燃料電池発電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、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料電池での発電で消費しなかった水素を含むオフガスと前記原料ガスと前記燃料ガスのうち少なくとも１つのガスを燃焼させるバーナと、前記燃料処理器と前記燃料電池とを接続する第１のガス経路と、前記燃料電池と前記バーナとを接続する第２のガス経路と、前記燃料電池をバイパスするように前記第１のガス経路と前記第２のガス経路とを接続する第３のガス経路と、前記第１のガス経路を通流するガスの通流先を前記燃料電池と前記第３のガス経路との少なくとも一方に切り替えるように構成された流路切替手段と、前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始する場合、前記燃料ガスを前記第１のガス経路に断続的に供給するとともに前記第３のガス経路に断続的若しくは継続的に供給するように前記流路切替手段を制御する制御器と、を有していることを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、流路切替手段とは、三方弁や複数の電磁弁など、供給されるガスの経路を切り替えるものであれば良い。

これによって、燃料電池システムの起動運転時に、燃料電池から押し出された原料ガスを、燃料ガスの通流する経路を第３のガス経路のみを通流する経路とした場合の燃料ガスで希釈してからバーナに供給することにより、バーナにおいて空燃比が大きくずれて燃焼が不安定になることを抑制することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池内に予め原料ガスが充填された燃料電池システムの起動運転時に、燃料処理器で生成した燃料ガスを燃料電池に供給開始する際に、バーナで空燃比がずれることを抑制することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示すフローチャートである。図３は、図２で示す動作の流れにおける弁の状態を相関的に示すタイミングチャートである。図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示すフローチャートである。図６は、図５で示す動作の流れにおける弁の状態を相関的に示すタイミングチャートである。図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示すフローチャートである。図９は、図８で示す動作の流れにおける弁の状態を相関的に示すタイミングチャートである。図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１１は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示すフローチャートである。ず１２は、図１１で示す動作の流れにおける弁の状態を相関的に示すタイミングチャートである。図１３は、特許文献１に開示されている燃料電池システムの構成を示す模式図である。

第１の発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料電池での発電で消費しなかった水素を含むオフガスと前記原料ガスと前記燃料ガスのうち少なくとも１つのガスを燃焼させるバーナと、前記燃料処理器と前記燃料電池とを接続する第１のガス経路と、前記燃料電池と前記バーナとを接続する第２のガス経路と、前記燃料電池をバイパスするように前記第１のガス経路と前記第２のガス経路とを接続する第３のガス経路と、前記第１のガス経路を通流するガスの通流先を前記燃料電池と前記第３のガス経路との少なくとも一方に切り替えるように構成された流路切替手段と、前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始する場合、前記燃料ガスを前記第１のガス経路に断続的に供給するとともに前記第３のガス経路に断続的若しくは継続的に供給するように前記流路切替手段を制御する制御器と、を有していることを特徴とする燃料電池システムである。

これにより、燃料電池内に予め原料ガスが充填された燃料電池システムの起動運転時に、燃料処理器で生成した燃料ガスを燃料電池に供給開始する際に、バーナで空燃比がずれることを抑制することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記制御器は、前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記流路切替手段を制御して、前記燃料ガスを、前記第３のガス経路にのみ通流する場合と、前記第１のガス流路にのみ通流する場合とに、それぞれ所定時間間隔で所定回数切り替える燃料電池システムである。

これにより、燃料電池内に充填されていた原料ガスは、燃料ガスが燃料電池のみに通流するように流路を切り替えられた所定時間において燃料ガスによって押し出されることになり、前記所定時間経過後に、再び第３のガス経路のみを通流するように流路を切り替えることによって、所定量の原料ガスが燃料ガスで希釈されてバーナに供給される。

また、第２のガス経路上には、通常、燃料電池からバーナまでの間には、オフガス中の水蒸気を凝縮させるための熱交換器や凝縮水を貯めるための水タンクが備えられており、燃料電池から押し出された原料ガスと、第３のガス経路を通った燃料ガスとは、これら熱交換器等で混ざり合い、原料ガスが希釈された状態でバーナに供給されることになる。よって、所定時間を充分短く取ることによって、一回に押し出される原料ガスの量を、バーナで燃焼される際に空燃比に大きく影響を与えない程度まで少なくし、充分に希釈することが可能であり、また、所定回数繰り返すことによって、燃料電池内に充填されていた原料ガスの全量を押し出すことが可能であるため、安定した燃焼を行うことができる。

さらに、燃料ガスが燃料電池のみを通流する場合と、燃料電池を介さずに第３のガス経路のみを通流する場合とに切り替えるために、凝縮水の詰まり等によって燃料電池の圧力損失が変化した場合や、量産による機差等によって各経路の圧力損失の関係に違いが生じた場合でも、確実に燃料電池から原料ガスを希釈してバーナに供給することが可能である。

第３の発明は、第１の発明において、前記制御器は、前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記流路切替手段を制御して、前記燃料ガスを、前記第１及び第３のガス経路の両方に通流する場合と、前記第３のガス経路にのみ通流する場合とに、それぞれ所定時間間隔で所定回数切り替える燃料電池システムである。

これにより、燃料電池に充填された原料ガスが燃料ガスによって押し出されるのは、燃料ガスが通流する経路を燃料電池に通流する経路と第３のガス経路に通流する経路との両経路に通流するように切り替えた場合のみであり、この場合も、燃料電池の圧力損失と第３のガス経路の圧力損失との差によって燃料電池と第３のガス経路とに分流された燃料ガスが、燃料電池内の原料ガスを押し出すことになるため、燃料電池内の原料ガスを希釈してバーナに供給するのが第１の発明および第２の発明に比べて容易である。

第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明において、前記流路切替手段は、前記第１のガス経路と前記第３のガス経路との分岐点に設けられる流路切替弁としたもので、比較的簡単な構成で所定の流路に燃料ガスの経路を切り替えることが可能である。

第５の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明において、流路切替手段は、第３のガス経路と第２のガス経路との合流点に設けられる流路切替弁としたもので、比較的簡単な構成で所定の流路に燃料ガスの経路を切り替えることが可能である。

第６の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明において、流路切替手段は、第３のガス経路に設けられる第１の開閉弁と、第１のガス経路の第３のガス経路との分岐点よりも下流側で燃料電池の上流側、又は、第２のガス経路の第３のガス経路との合流点よりも上流側で燃料電池より下流側、に設けられる第２の開閉弁と、を有している燃料電池システムである。これにより、比較的簡単な構成で所定の流路に燃料ガスの経路を切り替えることが可能である。また、開閉弁とすることで一般的に流路切替弁よりも動作時間が短くてすみ、比較的短時間で流路の切り替えが可能である。

第７の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明において、流路切替手段は、第３のガス経路に設けられる第１の開閉弁と、第１のガス経路の第３のガス経路との分岐点よりも下流側で燃料電池より上流側に設けられる第２の開閉弁と、第２のガス経路の第３のガス経路との合流点よりも上流側で燃料電池より下流側に設けられる第３の開閉弁と、を有している燃料電池システムである。これにより、比較的簡単な構成で所定の流路に燃料ガスの経路を切り替えることが可能である。また、開閉弁とすることで一般的に流路切替弁よりも動作時間が短くてすみ、比較的短時間で流路の切り替えが可能である。

第８の発明は、第１から第７のいずれか１つの発明において、前記原料ガスの種類を判断する判断手段を備え、前記制御器は、前記判断手段が判断した前記原料ガスの種類によって、前記所定時間と前記所定回数の少なくとも一方を変える燃料電池システムである。これにより、原料ガスの種類が変わった場合においても、原料ガスの種類を判断して、所定時間および所定回数の少なくともいずれか一方を変化させることにより、燃料電池内に予め原料ガスが充填された燃料電池システムの起動運転時に、燃料処理器で生成した燃料ガスを供給開始する際に、バーナで空燃比がずれることを抑制し、安定した燃焼を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。

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。なお、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ一点鎖線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。

図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、その発電部の本体としての燃料電池１を備えている。この燃料電池１としては、本実施の形態では、固体高分子電解質形燃料電池を用いている。

燃料電池１は、後述する燃料処理器から排出されて燃料電池１内のアノード流路１ａに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、後述するブロワ３により燃料電池１内のカソード流路１ｂに供給される酸化剤ガス（通常、空気）とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。燃料ガスと酸化剤ガスとはともに、燃料電池１内のフッ素樹脂系イオン交換膜である電解質膜の乾燥を防ぐために、高い湿度に加湿されている。加湿は、オフガスとの全熱交換機や加湿ポンプで行われる。なお、燃料ガスの加湿は、後述の燃料処理器において、原料ガスから燃料ガスを生成する際に、原料ガスと合わせて供給される水によって行われても良い。また、燃料電池１が発電する際に発生する熱は、燃料電池１内の冷却水流路（図示せず）に供給する冷却水により回収され、燃料電池１外に排出される。燃料電池１の内部構成に関する詳細な説明については、燃料電池１の内部構成と一般的な固体高分子電解質形燃料電池の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。

また、図１に示すように、燃料電池システム１００は、本発明に係る燃料処理器として、少なくとも改質器２を備えている。この改質器２は、天然ガス（メタンが主な成分）、ＬＰＧ（プロパンが主な成分）等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスと水とを所定の温度に加熱した改質触媒の充填層（図示せず）中に供給することにより、水蒸気改質反応を進行させ、原料ガスから水素を豊富に含む燃料ガスを生成するものである。

改質器２への原料ガスの供給量の調整は、本発明に係る原料供給器の一例である後述の原料ガス供給装置８によって行われる。この際、改質器２への原料ガスの供給の断続は、開閉弁である原料ガス元弁７によって行われる。ここで、この燃料処理器は、図１では特に図示しないが、水蒸気改質反応を進行させるための改質器２と、この改質器２から排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するための変成器およびＣＯ除去器とが順次接続されている。

また、改質器２は、改質器２内に充填された改質触媒（図示せず）を加熱するために、例えば原料ガスを燃焼するバーナ２ａと、このバーナ２ａでの原料ガス等の燃焼に必要な空気を大気中から供給する燃焼空気ファン２ｂとを備えている。このバーナ２ａは、燃料電池１から排出されるオフガス、燃料処理器で生成される燃料ガス、および原料ガス供給装置８により供給される原料ガスの内の少なくともいずれか１つのガスを燃焼して、改質触媒を加熱する。

また、改質器２は、改質器２内に充填された改質触媒の温度ＴｈＫを計測するための温度センサ２ｃを備える。この温度センサ２ｃは、改質器２の外側から、改質器２の内部と外部とが連通しないようにシール構成を配慮して改質触媒中に埋設されている。また、温度センサ２は、改質触媒の温度を電気信号として後述する制御器１０１に出力するように配線されている。

また、変成器は、改質器２から排出される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、水生性ガスシフト反応によって低減するための変成触媒を備えている。また、ＣＯ除去器は、変成器から排出される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を酸化反応、またはメタン化反応によって更に低減するためのＣＯ除去触媒を備えている。この変成器およびＣＯ除去器は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を効果的に低減するために、各々において進行する化学反応に適した温度条件の下、各々運転される。

燃料処理器の内部における上述した改質器２および変成器、ＣＯ除去器以外の構成に関する詳細な説明については、本実施の形態の燃料処理器の内部構成と一般的な燃料処理器の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。また、改質器２と変成器とＣＯ除去器から成る燃料処理器を、以下、改質器２として記す。

また、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、原料ガス供給装置８を備えている。この原料ガス供給装置８は、燃料電池システム１００の発電運転時等において、天然ガス等のインフラストラクチャーから供給される天然ガス等の原料ガスを昇圧する昇圧ポンプであり、上述した原料ガス元弁７を介して、改質器２に原料を供給する。ここで、この原料ガス供給装置８は、後述する制御器１０１により出力が制御されることによって、必要に応じて改質器２に対する原料ガスの供給量を適宜調整することが可能に構成されている。

また、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、ブロワ３を備えている。このブロワ３は、大気中から空気を吸入することにより、燃料電池１のカソード流路１ｂに酸化剤ガスとしての空気を供給する。発電に利用されなかった酸素を含む空気（以下、カソードオフ空気と称す）は、燃料電池１のカソード流路１ｂを通った後、燃料電池システム１００から、外部に排気される。また、この際、カソードオフ空気の熱を、後述する貯湯タンク５の水を加熱するのに利用しても良い。

また、図１に示すように、改質器２で生成された燃料ガスを、燃料電池１のアノード流路１ａに供給するために、第１のガス経路に相当する経路が、燃料ガス経路Ｒ１と、燃料ガス経路Ｒ１と分岐点Ｘで接続された燃料電池入口経路Ｒ４とで構成され、燃料電池１と改質器２とを接続している。また、燃料電池１のアノード流路１ａとバーナ２ａとは、第２のガス経路に相当する、燃料電池出口経路Ｒ５と、燃料電池出口経路Ｒ５と合流点Ｙで接続されたオフガス経路Ｒ２とで構成された経路で接続されている。また、第３の経路に相当するバイパス経路Ｒ３は、一方が燃料ガス経路Ｒ１と分岐点Ｘ接続されており、他方が合流点Ｙでオフガス経路Ｒ２と接続されている。

また、分岐点Ｘには、流路切替手段として三方弁９が配設してあり、後述する制御器１０１が三方弁９を制御することにより、燃料ガス経路Ｒ１と燃料電池入口経路Ｒ４とを連通させるか、または、燃料ガス経路Ｒ１とバイパス経路Ｒ３とを連通させるかを任意に切り替えることが可能である。また、燃料電池出口経路Ｒ５には、後述する制御器１０１によって任意に開閉を制御できる開閉弁１０が配設してある。

すなわち、図１に示すように、三方弁９を燃料電池入口経路Ｒ４側に切り替え（三方弁９を燃料ガス経路Ｒ１と燃料電池入口経路Ｒ４とを連通し、バイパス経路Ｒ３を遮断するように作動させ）、加えて、開閉弁１０を開放することにより、燃料ガス経路Ｒ１と燃料電池入口経路Ｒ４とアノード流路１ａと燃料電池出口経路Ｒ５とオフガス経路Ｒ２とでガス経路Ａが構成されることになる。逆に、三方弁９をバイパス経路Ｒ３側に切り替える（三方弁９を燃料ガス経路Ｒ１とバイパス経路Ｒ３とを連通し、燃料電池入口経路Ｒ４を遮断するように作動させる）ことにより、燃料ガス経路Ｒ１とバイパス経路Ｒ３とオフガス経路Ｒ２とでガス経路Ｂが構成されることになる。また、開閉弁１０を閉止し、三方弁９をバイパス経路Ｒ３側に切り替えることにより、燃焼電池１のアノード流路１ａ、および、その周辺経路（ここでは、アノード流路１ａに接続された燃料電池入口経路Ｒ４や燃料電池出口経路Ｒ５の開閉弁１０よりも上流側の部分）を封止することが可能である。

また、燃料電池システム１００は第１の熱交換器４ａと第２の熱交換器４ｂとを備えている。第１の熱交換器４ａは、燃料電池１のオフガスと給湯等の目的のために後述する貯湯タンク５から貯湯水ポンプ６ｂにより供給される水との間で熱を交換する。第１の熱交換器４ａで冷却されたオフガスは、オフガス中に含まれる水蒸気が凝縮し、図示しない気液分離装置を通過して貯湯タンク５から供給される水の温度程度まで露点が低下した状態で、バーナ２ａに供給される。ここで、図示しない気液分離装置で分離した凝縮水は、図示はしない凝縮水回収経路から回収され、改質に必要な水として利用される。

また、第２の熱交換器４ｂは、燃料電池１内の冷却水流路（図示せず）から冷却水ポンプ６ａにより排出される温度上昇した冷却水と、貯湯タンク５から第１の熱交換器４ａを介して供給される水との間で熱を交換する。第２の熱交換器４ｂにおいて熱が交換されて冷却された冷却水は、冷却水ポンプ６ａの動作により、燃料電池１の冷却水流路に向けて再び供給される。

また、図１に示すように、燃料電池システム１００は、貯湯タンク５を備えている。この貯湯タンク５は、熱交換器４ａおよび４ｂにおいて加熱された水を貯える。ここで、貯湯タンク５に貯えられる水は、貯湯水ポンプ６ｂの動作により、熱交換器４ａおよび４ｂを介して循環される。この際、貯湯タンク５から供給される水は、熱交換器４ａおよび４ｂにおいて、燃料電池１から排出されるオフガスの熱と、冷却水ポンプ６ａの動作により排出される温度上昇した冷却水の熱とにより加熱される。この熱交換器４ａおよび４ｂで加熱された水が、貯湯タンク５に貯えられる。そして、貯湯タンク５に貯えられる加熱された水は、必要に応じて、給湯等のために利用される。

さらに、燃料電池システム１００は、制御器１０１を備えている。この制御器１０１は、燃料電池システム１００を構成する各構成要素の動作を適宜制御する。ここで、この制御器１０１は、例えば、図１では特に図示しないが、記憶部、計時部、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。燃料電池システム１００の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御器１０１の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御器１０１が燃料電池システム１００の動作を適宜制御する。

また、制御器１０１は、原料ガスの種類を判別する判別手段１０１ａを備えており、原料ガスの種類によって、あらかじめ記憶されている各原料ガスに対応したプログラムに基づいた制御を行う。この原料ガスの種類を判別する判別手段としては、燃料電池システムを動作させる前に、燃料電池システムに供給するガスの種類をユーザや設置者がリモコン等のインターフェースでソフト的に選択・設定する方法や、ハード的な切り替えスイッチなどによって選択・設定してガス種を識別する手動の方法が挙げられる。また、例えばバーナ２ａで所定時間、所定量の原料ガスを燃焼させ、燃焼熱による温度上昇を検知し、あらかじめ制御器１０１に記憶させていたガス種別の温度上昇の閾値と比較してガス種を識別することによって、自動的に原料ガスの種類を判別する方法が挙げられる。

次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、以下の説明では、燃料電池システム１００の起動運転時には、後述の停止運転の保圧操作によって、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路に少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスが予め充填されているとする。この燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路への原料ガスの充填は、図１に示す原料ガス供給装置８により燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路に向けて原料ガスが供給されることにより行われる。

また、本実施の形態における「起動運転時」とは、「制御器１０１から起動指令が出力されてから燃料電池１の図１では特に図示しない発電制御器により電力が燃料電池１から取り出される迄」を指し、「停止運転時」とは、「制御器１０１から停止指令が出力されてから燃料電池システム１００全体の動作が完全に停止する迄」を指す。なお、「停止運転時」であっても、制御器１０１は、その動作を停止せずに、作動している。

燃料電池システム１００は、制御器１０１の制御によって以下の動作を行う。

具体的には、水素を生成するための原料ガスを、図１に示す原料ガス供給装置８により改質器２に供給する。また、水蒸気改質反応を進行させるための水蒸気を生成するために、水道等のインフラストラクチャーから改質器２に水を供給する。また、改質器２において水蒸気改質反応を進行させるために、改質器２に設けられている改質触媒をバーナ２ａにより加熱する。

燃料電池システム１００の起動運転の開始初期では、改質器２の改質触媒の温度は、バーナ２ａにより加熱されて緩やかに温度上昇するため、所定の温度に到達していない。そのため、改質器２における水蒸気改質反応が好適に進行しないので、改質器２から排出される燃料ガスには、大量の一酸化炭素が含まれている。そこで、本実施の形態では、燃料電池システム１００の起動運転の開始時には、改質器２における改質触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、制御器１０１により、三方弁９をバイパス経路Ｒ３側に切り替え、燃料ガス経路Ｒ１とバイパス経路Ｒ３とオフガス経路Ｒ２とでガス経路Ｂを形成しておく。そして、このガス経路Ｂに改質器２で生成された一酸化炭素を高濃度で含む燃料ガスが供給され、バーナ２ａにガス経路Ｂを介して一酸化炭素を高濃度で含む燃料ガスが供給される。このとき、開閉弁１０は閉止した状態である。

バーナ２ａでは、この供給される一酸化炭素を高濃度で含む燃料ガスを、燃焼空気ファン２ｂでバーナ２ａに供給した空気と共に燃焼させて改質器２内の改質触媒を所定の温度まで加熱する。そして、バーナ２ａで燃焼された燃料ガスは、燃焼排ガスとして燃料電池システム１００の外部に排出される。また、燃焼空気ファン２ｂでバーナ２ａに供給される空気の量は、原料ガス供給装置８により改質器２に供給される原料ガスの供給量に応じて、適宜設定される。

ここで、燃焼空気ファン２ｂからバーナ２ａに供給される空気の量について、具体的に説明する。

まず、原料ガスがメタンを主成分とする天然ガスである場合について、以下に説明する。

具体的には、原料ガスを天然ガスとすると、燃料電池システム１００の起動運転開始後の改質器２では、理論的には、（１）式に示す化学反応によって天然ガスから水素が生成される。実際には、天然ガス中にはメタンの他にプロパン等が含まれるが、便宜的に１００％メタンとして、以下説明を行う。

ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２・・・（１）
すなわち、原料ガス供給装置８により改質器２に供給される天然ガスの供給流量を便宜上Ｑ（Ｌ／分）とすると、（１）式に示す化学反応によれば、改質器２で生成され、ガス経路Ｂを介してバーナ２ａに供給される水素流量は４Ｑ（Ｌ／分）となる。そこで、バーナ２ａにおいて、（２）式に示す燃焼反応を進行させ、バーナ２ａに供給される４Ｑ（Ｌ／分）の流量の水素を完全に燃焼させるためには、２Ｑ（Ｌ／分）の割合で酸素を供給する必要がある。

４Ｈ_２＋２Ｏ_２→４Ｈ_２Ｏ・・・（２）
ここで、空気中の酸素濃度を便宜上２０％とすると、理論上は１０Ｑ（Ｌ／分）の流量の空気を燃焼空気ファン２ｂでバーナ２ａに供給するように、制御器１０１で燃焼空気ファン２ｂを制御すればよいが、実際には、バーナ２ａの特性上、１０Ｑ（Ｌ／分）の流量の空気では不完全燃焼となることが多い。そこで、本実施の形態１では、理論上必要な空気の流量１０Ｑ（Ｌ／分）の１．５倍の１５Ｑ（Ｌ／分）をバーナ２ａに供給するように、制御器１０１で燃焼空気ファン２ｂの回転数を調整している。燃焼させるガス（この場合は、４Ｑ（Ｌ／分）の流量の水素）を、理論上、完全燃焼させるのに必要な空気流量に対する実際に供給する空気流量の比率を、以下、空燃比と称する。すなわち、Ｑ（Ｌ／分）の天然ガス流量に対して、１０Ｑ（Ｌ／分）の流量の空気を供給するときは、空燃比が１、１５Ｑ（Ｌ／分）の流量の空気を供給するときは、空燃比が１．５として示す。また、以下の説明において、便宜上、空気中の酸素濃度を２０％として説明する。

つまり、本実施の形態１では、燃料電池システム１００の起動運転時には、燃焼ファン２ｂによるバーナ２ａへの空気の供給量を、改質器２において理論的に生成される水素の生成量、すなわち、原料ガス供給装置８により改質器２への天然ガスの供給量を基準として設定する。これにより、バーナ２ａにおいて、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが燃焼される。そして、このバーナ２ａにおいて発生する熱エネルギーにより、改質器２内の改質触媒が加熱される。

その後の動作について、本発明をより具体的に説明するために、図２および図３を参照しながら詳細に説明する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示すフローチャートである。また、図３は、図２で示す動作の流れにおける弁の状態を相関的に示すタイミングチャートである。

図２および図３に示すように、バーナ２ａにおける一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスの燃焼により発生する熱で改質器２における改質触媒の温度が上昇すると、その改質触媒の温度が水蒸気改質反応に好適な所定の温度にまで到達したか否かが、制御器１０１によって判定される（ステップＳｌ）。

ここで、改質触媒の温度は、改質触媒に埋設された温度センサ２ｃにより検出される。この温度センサの出力信号は、制御器１０１に入力され、制御器１０１において入力信号の解析が行われることにより、改質触媒の温度が認識される。そして、制御器１０１が、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達していないと判定した場合（ステップＳ１でＮＯ）には、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと判定するまで、バーナ２ａによる改質触媒の加熱が継続される。

一方、ステップＳ１において、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと制御器１０１が判定すると（ステップＳ１でＹＥＳ）、燃料電池システム１００は後述するステップＳ２に移行する。

ここで、仮にステップＳ１において、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと制御器１０１が判定（ステップＳ１でＹＥＳ）した後に、従来の燃料電池システムと同様に、制御器１０１によって、三方弁９を燃料電池入口経路Ｒ４側に切り替え、同時に開閉弁１０を開放して、改質器２から供給される燃料ガスの通流する経路が、ガス経路Ｂからガス経路Ａに切り替えられたとした場合の課題を、以下に詳細に説明する。

すなわち、改質器２から供給される燃料ガスの通流する経路が、ガス経路Ｂからガス経路Ａに切り替えられると、三方弁９から開閉弁１０までの燃料電池１のアノード流路１ａを含むガス流路に充填されていた天然ガスが燃料ガスによって押し出されてバーナ２ａに供給される。このとき、バーナ２ａに供給される天然ガスの流量は、改質器２から燃料電池１に供給される燃料ガスの流量と概ね等しくなる。

上述した（１）式によれば、改質器２に供給される原料ガスである天然ガスの流量がＱ（Ｌ／分）の場合、改質器２からはＱ（Ｌ／分）の流量の二酸化炭素と４Ｑ（Ｌ／分）の流量の水素とが燃料電池１に向け供給される。よって、バーナ２ａへ向けて押し出される天然ガスの流量は、５Ｑ（Ｌ／分）となる。

ここで、（３）式で示すように、バーナ２ａにおいて、５Ｑ（Ｌ／分）の流量の天然ガスを完全燃焼させるためには、空燃比１としても１０Ｑ（Ｌ／分）の流量の酸素が必要となり、バーナ２ａに５０Ｑ（Ｌ／分）の流量の空気を供給する必要がある。

５ＣＨ_４＋１０Ｏ_２→５ＣＯ_２＋１０Ｈ_２Ｏ・・・（３）
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の起動運転時には、バーナ２ａには、天然ガスＱ（Ｌ／分）と、その天然ガスＱ（Ｌ／分）から生成される水素４Ｑ（Ｌ／分）に対して空燃比が１．５となる１５Ｑ（Ｌ／分）の流量の空気しか供給していない。

このため、上述したように燃料ガスの通流する経路をガス経路Ｂからガス経路Ａに切り替えると、燃料電池入口弁９から燃料電池出口弁１０までの燃料電池１のアノード流路１ａを含むガス流路に充填されていた天然ガスが、燃料ガスによって押し出されてバーナ２ａに供給され、バーナ２ａにおいて空燃比が０．３となる。ここで、三方弁９から開閉弁１０までの燃料電池１のアノード流路１ａを含むガス流路の体積をＶｔとすると、バーナ２ａにおいて、概ねＶｔ／５Ｑ（分）の間、空燃比が０．３の状態が続き、不完全燃焼が生じて一酸化炭素が発生し、発生した一酸化炭素が燃料電池システム１００から外部に排出される可能性がある。

そこで、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の起動運転では、ステップＳ１において、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと制御器１０１が判定（ステップＳ１でＹＥＳ）した場合、以下の制御を行う。

まず、制御器１０１は、三方弁９を燃料電池入口経路Ｒ４側に切り替え、同時に開閉弁１０を開放する（ステップＳ２）。これにより、ガス経路Ｂからガス経路Ａに切り替えられ、燃料電池１に改質器２で生成した燃料ガスの導入が開始される。

次に、制御器１０１は、ステップＳ２の弁操作を行ってからの経過時間ｔ１の計測を開始する（ステップＳ３）。経過時間ｔ１が後述する所定時間Ｔ１（分）を経過するまでの間（ステップＳ３でＮＯ）は、三方弁９は燃料電池入口経路Ｒ４側に流路を維持し、また、開閉弁１０は開放した状態を維持する。

そして、制御器１０１が、経過時間ｔ１が後述する所定時間Ｔ１（分）を経過したと判断したら（ステップＳ３でＹＥＳ）、三方弁９をバイパス経路Ｒ３側に切り替え、同時に開閉弁１０を閉止する（ステップＳ４）。これにより、ガス経路Ａからガス経路Ｂに切り替えられ、燃料電池１への燃料ガスの導入が停止され、燃料ガスがバイパス経路Ｒ３を介してバーナ２ａに供給される。

ついで、制御器１０１は、ステップＳ４の弁操作を行ってからの経過時間ｔ２の計測を開始する（ステップＳ５）。経過時間ｔ２が後述する所定時間Ｔ２（分）を経過したと判断しない間（ステップＳ５でＮＯ）は、三方弁９はバイパス経路Ｒ３側に流路を維持し、また、開閉弁１０は閉止した状態を維持する。

そして、制御器１０１は、経過時間ｔ２が後述する所定時間Ｔ２（分）を経過したと判断した場合（ステップＳ５でＹＥＳ）は、制御器１０１は、ステップＳ２からステップＳ５までの一連のステップが行われた回数ｎをカウントする（ステップＳ６）。すなわち、制御器１０１は、前回カウントした回数ｎ−１に１を足して、ｎ回として記憶する。そして、制御器１０１は、カウントした回数ｎが後述する所定の回数Ｎよりも少ない場合（ステップＳ６でＮＯ）は、ステップＳ２に戻ってステップＳ２からステップＳ６までの動作を繰り返す。

制御器１０１でカウントした回数ｎが、後述する所定の回数Ｎと等しくなると（ステップＳ６でＹＥＳ）、三方弁９を燃料電池入口経路Ｒ４側に切り替え、同時に開閉弁１０を開放して、その状態を維持する（ステップＳ７）。すなわち、燃料電池１に対して、燃料ガスの供給が維持される。

このように、断続的に燃料電池１内に燃料ガスを供給することにより、燃料電池１内に残存していた凝縮水がバーナ２ａに連続して供給されることを防ぐことができるので、凝縮水によるバーナ２ａの失火を抑制することができる。

次に、所定時間Ｔ１、所定時間Ｔ２および所定の回数Ｎについて、以下に詳しく説明する。

上述した（１）式によれば、改質器２に供給される原料ガスである天然ガスの流量がＱ（Ｌ／分）の場合、改質器２からはＱ（Ｌ／分）の流量の二酸化炭素と４Ｑ（Ｌ／分）の流量の水素とが供給される。よって、改質器２から供給される燃料ガスの流量は、５Ｑ（Ｌ／分）となる。そのため、ステップＳ２でガス経路Ａが形成されると、ステップＳ４でガス経路Ｂが形成されるまでの所定時間Ｔ１（分）の間、５Ｑ（Ｌ／分）の流量で天然ガスが、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺の経路から押し出され、バーナ２ａに供給されることになる。すなわち、理論上、Ｔ１（分）の間、バーナ２ａでは空燃比がずれることになる。

次に、ステップＳ４でガス経路Ｂが形成されると、ステップＳ５およびステップＳ６を経由してステップＳ２に戻り、再びガス経路Ａが形成されるまでの所定時間Ｔ２（分）の間、バーナ２ａには５Ｑ（Ｌ／分）の流量の燃料ガスが供給される。すなわち、理論上、Ｔ２（分）の間、バーナ２ａにおける空燃比が適切に戻る。

よって、ステップＳ２からステップＳ６を繰り返す間は、Ｔ１（分）の間、空燃比がずれて、Ｔ１（分）経過後、Ｔ２（分）の間、適切な空燃比に戻ることを繰り返すことになる。また、Ｔ１（分）の間は、燃料電池１内に残存していた凝縮水がバーナ２ａに供給されることになるが、Ｔ１（分）経過後、Ｔ２（分）の間は、燃料電池１内に残存していた凝縮水がバーナ２ａへ供給されることを抑制することができる。

しかしながら、実際には、燃料電池１のアノード流路１ａとその周辺の経路から押し出された天然ガスは、燃料電池出口経路Ｒ５からオフガス経路Ｒ２を介してバーナ２ａに到達するまでの間に、第１の熱交換器４ａ等を通る間に燃料ガスと混合して希釈されてバーナ２ａに供給される。

ここで、所定時間Ｔ１を三方弁９および開閉弁１０による流路切替動作に必要な時間で、かつ、数百ミリ秒（例えば、２００ミリ秒、３００ミリ秒）から数秒（例えば、２秒、３秒）程度の短い時間に設定することにより、バーナ２ａにおいて空燃比がずれる時間を短くすることができる。これにより、バーナ２ａにおいて、不完全燃焼が発生することを抑制することが可能である。実際には、バーナ２ａの燃焼特性や、バーナ２ａまでの経路の体積などにより、不完全燃焼を発生させずに天然ガスを燃焼させることができる時間は異なってくるため、実験的に所定時間Ｔ１を決定する必要がある。また、所定時間Ｔ１が上述のように短い時間であれば、バーナ２ａに供給される凝縮水の量は微量であり、バーナ２ａに供給される課程で蒸発するなどして、バーナ２ａでの燃焼に影響を与えないことが期待できる。

さらに、所定時間Ｔ２により、空燃比がずれる間隔を断続的にすることが可能であるが、この所定時間Ｔ２は、所定時間Ｔ１によって空燃比がずれた影響が解消するまでの時間をとる必要がある。このため、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、所定時間Ｔ１≦所定時間Ｔ２となるように設定している。これにより、確実に空燃比がずれる影響を小さくするとともに、起動運転の時間が無駄に長くなることを抑制することが可能である。なお、所定時間Ｔ２は、所定時間Ｔ１によって空燃比がずれた影響をより解消する観点から、所定時間Ｔ１の２倍程度に設定することが好ましい。

また、所定の回数Ｎ（回）は、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺の経路に充填された天然ガスが全量押し出され、バーナ２ａに供給されるまでの回数を設定する。すなわち、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺の経路の体積をＶ（Ｌ）とすると、１回あたりに押し出される体積が５Ｑ×Ｔ１（Ｌ）なので、（４）式で算出される回数として設定することができる。

Ｎ＝Ｖ／（５Ｑ×Ｔ１）・・・（４）
以上のように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の起動運転では、ガス経路Ａとガス経路Ｂとを、所定回数、完全に切り替えるため、燃料電池１の圧力損失の機差ばらつきや、アノード流路１ａの水詰まりによる圧力損失の変化などの影響を受けることなく、確実に、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路から、原料ガスである天然ガスを全量、複数回に分けて希釈しながらバーナ２ａに供給することで、バーナ２ａでの燃焼を安定して行うことが可能である。

上記ステップＳ７以降、改質器２から燃料電池１に燃料ガスが供給されると、燃料電池１は以下の如く発電動作を開始する。

すなわち、改質器２から燃料電池１のアノード流路１ａに一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスが供給されると共に、ブロワ３から燃料電池１のカソード流路１ｂに空気が供給されると、燃料電池１では、そのアノード側及びカソード側に供給される燃料ガスおよび空気が用いられて、所定の電力を出力するべく発電が行われる。発電に用いられなかったオフガスは、燃料電池１のアノード流路１ａから排出された後、燃料電池出口経路Ｒ５およびオフガス経路Ｒ２を介してバーナ２ａに供給される。また、オフガスは、バーナ２ａに供給される前に第１の熱交換器４ａにおいて貯湯タンク５から貯湯水ポンプ６ｂによって循環される水と熱交換を行って冷却される。そのため、オフガス中の水蒸気が凝縮し、図示しない気液分離装置を通過することによって露点が低下した状態でバーナ２ａに供給される。また、オフガスから凝縮した凝縮水は、図示しない気液分離装置から凝縮水回収経路によって回収される。

そして、このオフガスは、バーナ２ａにおいて、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼され、改質器２内の改質触媒を加熱する。また、燃料電池１のカソード流路１ｂから排出される排空気は、燃料電池システム１００の外部に排出される。

また、この発電運転の際、燃料電池１は、発電のための電気化学反応によって発熱する。この燃料電池１で発生する熱は、冷却水が冷却水ポンプ６ａにより燃料電池１の内部に形成されている冷却水流路に循環されることにより、逐次回収される。そして、この冷却水ポンプ６ａにより循環される冷却水によって回収された熱は、第２の熱交換器４ｂにおいて、貯湯タンク５から貯湯水ポンプ６ｂによって循環される水の加熱のために利用される。

次に、燃料電池システム１００の停止運転時の説明を行う。まず、制御器１０１は、発電制御器による外部電力負荷への電力供給を停止させて、原料ガス供給装置８とブロワ３を停止させる。これにより、燃料電池１への燃料ガスと酸化剤ガスの供給が停止されて、燃料電池１での発電が停止される。また、バーナ２ａでは燃焼用ガス（オフガス）の供給が停止され、バーナ２ａにおける燃焼が停止する（失火する）。その後、制御器１０１は、原料ガス元弁７及び開閉弁１０の両方を閉止させる。このとき、制御器１０１は、三方弁９が燃料電池入口経路Ｒ４側に切り替えた状態を維持するように制御する。

そして、制御器１０１は、燃料電池１の発電停止時から所定時間、燃焼空気ファン２ｂを運転させることで、改質器２を冷却させるとともに、バーナ２ａ及びその周辺経路（例えば、バーナ２ａに接続されているオフガス経路Ｒ２等）に残存する未燃ガスを燃料電池システム１００外に排出させる。

その後、改質器２の温度が下がれば、改質器２内のガス温度も低下して、ガスの体積が小さくなり、改質器２内が負圧になるおそれがある。このため、制御器１０１は、改質器２の温度が所定の温度以下になると、原料ガス元弁７を定期的に所定時間開放させる。これにより、改質器２内に原料ガスが供給されて、改質器２内が負圧になることが抑制される。

また、燃料電池１では、発電の停止により燃料電池１の反応熱の発生が止まって冷却されることで、燃料電池１内に残存していた燃料ガス中に含まれる水蒸気が、水に凝縮するため、燃料電池１内も負圧になるおそれがある。しかいながら、三方弁９が燃料電池入口経路Ｒ４側に切り替えた状態を維持しているため、改質器２に供給された原料ガスの一部が、燃料電池１に供給され、燃料電池１内が負圧になることが抑制される。また、このとき、開閉弁１０は閉止状態であるため、改質器２および燃料電池１内に供給された原料ガスや残存していた燃料ガスが燃料電池システム１００外に排出されることがない。このため、供給された原料ガスは無駄にならない。

次に、改質器２の温度がさらに下がれば、改質器２内の水蒸気を排出するために、制御器１０１は、三方弁９をバイパス経路Ｒ３側に切り替え、同時に原料ガス元弁７を所定時間または原料ガスが所定の量（積算流量）流れるまで開放して、改質器２に原料ガスを通流させる。これにより、改質器２内に残存していた水蒸気を含んだガスは、バーナ２ａを介して、燃料電池システム１００外に排出される。このとき、水蒸気を含んだガスをバーナ２ａで燃焼させても良い。

そして、制御器１０１は、所定時間が経過するか、または原料ガスの供給量が所定の量に到達すれば、原料ガス元弁７を閉止して、原料ガスの供給を停止して、燃料電池システム１００の停止運転を完了する。

なお、改質器２内の水蒸気を排出する際にも、燃料電池１内が負圧になるのを抑制するため、所定の時間間隔で所定時間、三方弁９を燃料電池入口経路Ｒ４側に切り替えても良い。その場合、所定時間が経過すれば、三方弁９をバイパス経路Ｒ３側に切り替え、改質器２内からの水蒸気の排出を、改質器２内の水蒸気を排出する操作が完了する条件が整うまで（すなわち、所定時間が経過するか、原料ガスの供給量が所定の量に到達するかまで）継続する。

このように、燃料電池１の停止運転時には、開閉弁１０を閉じた状態で原料ガスが定期的に燃料電池１内に供給されるために、燃料電池１内には、原料ガスが充填されている。また、残存していた燃料ガス中の水蒸気が凝縮されて水として残る。

そのため、燃料電池１の起動時において、燃料電池１に燃料ガスの供給を開始する場合、制御器１０１が、燃料電池１に燃料ガスを断続的に供給するように三方弁９を制御する。このように制御することにより、燃料電池１内に残存していた原料ガスがバーナ２ａに供給されて空燃比がずれ、燃焼が不安定になることを抑制する。また、燃料電池１内に残存していた凝縮水が改質器２のバーナ２ａに継続的に供給されることによりバーナ２ａが失火することを抑制することができる。

なお、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００において、図２および図３で示す制御の流れでは、ステップＳ２以降において、三方弁９と開閉弁１０とを両方同時に操作することによって、ガス経路Ａからガス経路Ｂに切り替えているが、これに限定されない。例えば、制御器１０１は、ステップＳ２を最初に通過する際に開閉弁１０を開放した後、ステップＳ４では、開閉弁１０を閉止せずに、三方弁９の操作のみを行い、開閉弁１０を開放したままで、ガス経路Ａとガス経路Ｂとを切り替えるようにしてもよい。これにより、ガス経路Ａとガス経路Ｂとの流路切り替えが三方弁９の流路切り替え操作だけで済むため、開閉弁１０の弁動作を同時に行なう場合に比べ、弁動作のずれの影響を小さくすることが可能である。また、開閉弁１０の弁動作に必要な電力も少なく抑えることが可能である。

また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、開閉弁１０を燃料電池出口経路Ｒ５上に配設したが、これに限定されない。開閉弁１０は、オフガス経路Ｒ２上に配設してもよい。この場合には、ガス経路Ａとガス経路Ｂとの切り替えは、三方弁９のみによって切り替えられることになる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。

図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図４においても、図１と同様に、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ一点鎖線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図４でも、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。また、図４において、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。

図４に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１１０は、実施の形態１で係る燃料電池システム１００と概ね同一の構成を示している。しかし、本実施の形態２に係る燃料電池システム１１０の構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の三方弁９および開閉弁１０の代わりに、燃料電池入口経路Ｒ４上に開閉弁１１２を配設し、合流点Ｙに三方弁１１３を配設した点で実施の形態１に係る燃料電池システム１００と異なっている。つまり、燃料電池入口経路Ｒ４の設けた開閉弁１１２と、合流点Ｙに設けた三方弁１１３とが流路切替手段に相当する。その他の点については、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と同様である。

三方弁１１３は、制御器１１１により制御され、少なくとも燃料電池出口経路Ｒ５とオフガス経路Ｒ２とを連通させる場合と、バイパス経路Ｒ３とオフガス経路Ｒ２とを連通させる場合とに任意に切り替えることができるものである。

上述したように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１１０は、三方弁１１３を燃料電池出口経路Ｒ５とオフガス経路Ｒ２とが連通するように切り替え、加えて開閉弁１１２を開放することにより、燃料ガス経路Ｒ１と燃料電池入口経路Ｒ４とアノード流路１ａと燃料電池出口経路Ｒ５とオフガス経路Ｒ２とでガス経路Ａを構成する。また、三方弁１１３をバイパス経路Ｒ３側に切り替え、バイパス経路Ｒ３とオフガス経路Ｒ２とが連通するようにすることで、燃料ガス経路Ｒ１とバイパス経路Ｒ３とオフガス経路Ｒ２とでガス経路Ｂを構成する。さらに、開閉弁１１２を閉止し、三方弁９をバイパス経路Ｒ３側に切り替えることにより、燃焼電池１のアノード流路１ａ、および、その周辺経路（ここでは、燃料電池入口経路Ｒ４の開閉弁１１２よりも下流側の部分と燃料電池出口経路Ｒ５）を封止することが可能である。

次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１１０の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。

ここで、以下の説明では、燃料電池システム１１０の起動運転時には後述の停止運転の保圧操作によって、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路に少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスが予め充填されているとする。この燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路への原料ガスの充填は、図４に示す原料ガス供給装置８により燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路に向けて原料ガスが供給されることにより行われる。本実施の形態２に係る燃料電池システム１１０においては、原料ガスとして天然ガスを用いた。

燃料電池システム１１０は、制御器１１１の制御によって以下の動作を行う。

まず、図４に示す燃料電池システム１１０の起動運転を開始する際には、燃料電池１の発電において必要となる水素を豊富に含む燃料ガスを生成するために、改質器２を作動させる点においては、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様である。

また、燃料電池システム１１０の起動運転において、改質触媒の温度が所定の温度に到達して一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様に、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高い燃料ガスが燃料電池１に入らないように、制御器１１１は、三方弁１１３をバイパス経路Ｒ３側に切り替え（三方弁１１３をオフガス経路Ｒ２とバイパス経路Ｒ３とが連通し、燃料電池出口経路Ｒ５を遮断するように作動させ）、また、開閉弁１１２を閉止しておき、ガス経路Ｂを構成しておく。そして、このガス経路Ｂに改質器２で生成された一酸化炭素を高濃度で含む燃料ガスが供給され、バーナ２ａにガス経路Ｂを介して一酸化炭素を高濃度で含む燃料ガスが供給される。

その後の動作について、本発明をより具体的に説明するために、図５および図６を参照しながら詳細に説明する。

図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示すフローチャートである。また、図６は、図５で示す動作の流れにおける弁の状態を相関的に示すタイミングチャートである。

図５および図６に示すように、バーナ２ａにおける一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスの燃焼により発生する熱で改質器２における改質触媒の温度が上昇すると、その改質触媒の温度が水蒸気改質反応に好適な所定の温度にまで到達したか否かが、制御器１１１によって判定される（ステップＳ１１）。そして、制御器１１１が、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達していないと判定した場合（ステップＳ１１でＮＯ）には、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと判定するまで、バーナ２ａによる改質触媒の加熱が継続される。

一方、ステップＳ１１において、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと制御器１１１が判定すると（ステップＳ１１でＹＥＳ）、制御器１１１は、三方弁１１３を燃料電池出口経路Ｒ５側に切り替え（三方弁１１３をオフガス経路Ｒ２と燃料電池出口側経路Ｒ５とが連通し、かつ、バイパス経路Ｒ３を遮断するように作動させ）、同時に開閉弁１１２を開放する（ステップＳ１２）。これにより、ガス経路Ｂからガス経路Ａに切り替えられ、燃料電池１に改質器２で生成した燃料ガスの導入が開始される。

次に、制御器１１１は、ステップＳ１２の弁操作を行ってからの経過時間ｔ１の計測を開始する（ステップＳ１３）。経過時間ｔ１が後述する所定時間Ｔ１（分）を経過するまでの間（ステップＳ１３でＮＯ）は、三方弁１１３は燃料電池出口経路Ｒ５側に流路を維持し、また、開閉弁１１２は開放した状態を維持する。

そして、制御器１１１が、経過時間ｔ１が後述する所定時間Ｔ１（分）を経過したと判断したら（ステップＳ１３でＹＥＳ）、三方弁１１３をバイパス経路Ｒ３側に切り替える（ステップＳ１４）。これにより、燃料ガスの通流する経路が、ガス経路Ａから、ガス経路Ｂに通流するように切り替えられ、燃料ガスがバイパス経路Ｒ３およびオフガス経路Ｒ２を介してバーナ２ａに供給される。このとき、開閉弁１１２は開放した状態を維持するが、三方弁１１３によって、燃料電池出口経路Ｒ５が閉止されているため、燃料ガスは通流しない。なお、三方弁１１３をバイパス経路Ｒ３側に切り替えると同時に、開閉弁１１２を閉止してもよい。

次に、制御器１１１は、ステップＳ１４の弁操作を行ってからの経過時間ｔ２の計測を開始する（ステップＳ１５）。制御器１１１において、経過時間ｔ２が所定時間Ｔ２（分）を経過したと判断されない場合（ステップＳ１５でＮＯ）、三方弁１１３はバイパス経路Ｒ３側に流路を維持し、ガス経路Ｂが形成された状態を維持する。

そして、制御器１１１が、経過時間ｔ２が所定時間Ｔ２（分）を経過したと判断した場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）は、制御器１１１は、ステップＳ１２からステップＳ１５までの一連のステップが行われた回数ｎをカウントする（ステップＳ１６）。制御器１１１は、カウントした回数ｎが所定の回数Ｎよりも少ない場合（ステップＳ１６でＮＯ）は、ステップＳ１２に戻ってステップＳ１２からステップＳ１６までの動作を繰り返す。なお、所定の回数Ｎは、実施の形態１に係る燃料電池システム１００で示した所定の回数Ｎと同様にして設定される。

制御器１１１でカウントした回数ｎが、所定の回数Ｎと等しくなると（ステップＳ１６でＹＥＳ）、三方弁１１３を燃料電池出口経路Ｒ５側に切り替える（ステップＳ１７）。すなわち、ガス経路Ａのみが形成されて燃料電池１に連続的に燃料ガスが導入される。ステップＳ１７以降の動作については、実施の形態１に説明した動作と同じである。

ここで、本実施の形態２に係る燃料電池システム１１０の起動運転の特徴となる、図５におけるステップＳ１２から次の弁動作を行うまでの挙動について詳細に説明する。

ステップＳ１２から次の弁動作を行うまで（ステップＳ１５およびステップＳ１６を経由して、再びステップＳ１２に戻るまで）は、燃料ガスの通流する経路は、ガス経路Ａを通流する経路となり、原料ガスが燃料ガスによって押し出されてくるが、所定時間Ｔ１を十分短く取ることにより、バーナ２ａで空燃比がずれるのを抑制することが可能である点は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じである。

次に、燃料電池システム１１０の停止運転時の説明を行う。燃料電池システム１１０の停止運転時において、まず、制御器１１１は、発電制御器による外部電力負荷への電力供給を停止させて、原料ガス供給装置８およびブロワ３を停止させる。これにより、燃料電池１での発電が停止される。その後、制御器１１１は、原料ガス元弁７及び開閉弁１１２の両方を閉止させる。また、制御器１１１は、三方弁１１３をバイパス経路Ｒ３側に切り替える。

そして、制御器１１１は、燃料電池１の発電停止時から所定時間燃焼空気ファン２ｂを運転させることで、改質器２を冷却させるとともに、バーナ２ａ及びその周辺経路に残存する未燃ガスを燃料電池システム１１０外に排出させる。

その後、改質器２の温度が下がれば、改質器２内のガス温度も低下して、ガスの体積が小さくなり、改質器２内が負圧になるおそれがある。このため、制御器１１１は、改質器２の温度が所定の温度以下になると、原料ガス元弁７を定期的に所定時間開放させる。これにより、改質器２内に原料ガスが供給されて、改質器２内が負圧になることが抑制される。

また、燃料電池１では、発電の停止により燃料電池１の反応熱の発生が止まって冷却されることで、燃料電池１内に残存していた燃料ガス中に含まれる水蒸気が、水に凝縮するため、燃料電池１内も負圧になるおそれがある。このため、制御器１１０は、原料ガス元弁７を複数回開放するうちの一回、開閉弁１１２を開放することで、燃料電池１内が負圧になることを抑制する。なお、このとき、三方弁１１３はバイパス経路Ｒ３側に向いたままであるため、燃料電池１内に供給した原料ガスや残存していた燃料ガスが燃料電池システム１００外に排出されることがない。

次に、改質器２の温度がさらに下がれば、改質器２内の水蒸気を排出するために、原料ガス元弁７を所定時間または原料ガスが所定の量流れるまで開放し、改質器２に原料ガスを通流させ、改質器２内の水蒸気を含んだガスは、バーナ２ａを介して、燃料電池システム１１０外に排出される。このとき、バーナ２ａに燃焼空気を供給して、バーナ２ａで水蒸気を含んだガスを燃焼させてもよい。

一般的に、燃料電池システム１１０が発電運転中には、燃料電池１と改質器２の温度を比較すると改質器２の方が高い温度で作動しているため、停止運転において燃料電池１の方が早く冷却される。よって、通常は、この段階で燃料電池１が負圧になることはなく、燃料電池入口弁１１２は閉止しておく。しかしながら、燃料電池１内が負圧になる場合には、開閉弁１１２を定期的に所定時間、開放することで燃料電池１内が負圧になることを抑制することが好ましい。

そして、制御器１１１は、改質器２内の水蒸気を排出する動作が開始してから所定時間が経過、または原料ガスの供給量が所定の量に到達すれば、原料ガス元弁７を閉止し、改質器２のパージを完了する。

このように、燃料電池システム１１０の停止運転時には、開閉弁１１２を閉じた状態で原料ガスが定期的に燃料電池１内に供給されるため、燃料電池１内には原料ガスが充填されており、また、燃料電池１内に残存していた燃料ガス中の水蒸気が凝縮されて水として残る。

そのため、燃料電池システム１１０の起動時において、燃料電池１に燃料ガスの供給を開始する場合、制御器１１１が、燃料電池１に燃料ガスを断続的に供給するように開閉弁１１２を制御する。このように制御することにより、燃料電池１内に残存していた原料ガスがバーナ２ａに供給されて空燃比がずれ、燃焼が不安定になることを抑制する。また、燃料電池１内に残存していた凝縮水が改質器２のバーナ２ａに継続的に供給されることによりバーナ２ａが失火することを抑制することができる。

以上のように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１１０によれば、三方弁１１３のみの弁動作によって燃料電池１およびその周辺経路に充填した原料ガスをバーナ２ａに希釈して押し出すことが可能であるため、開閉弁１１２と三方弁１１３の動作タイミングのずれを考慮する必要がなく、確実に不完全燃焼を抑制することが可能である。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。

図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図７においても、図１および図４と同様に、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ一点鎖線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図７でも、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。また、図７において、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。

図７に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１２０は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と概ね同一の構成を示している。しかし、本実施の形態３に係る燃料電池システム１２０の構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の三方弁９および開閉弁１０の代わりに、燃料電池入口経路Ｒ４上に開閉弁である燃料電池入口弁１２３を配設し、バイパス経路Ｒ３上に開閉弁であるバイパス弁１２４を配設した点で実施の形態１に係る燃料電池システム１００と異なっている。つまり、燃料電池入口弁１２３及びバイパス弁１２４が流路切替手段に相当する。また、オフガス経路Ｒ２上には、燃料電池システム１２０が停止した際に、燃料電池１のアノード経路１ａを封止するための開閉弁１２２を配設している点で実施の形態１に係る燃料電池システム１００と異なっている。その他の点については、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と同様である。

燃料電池入口弁１２３およびバイパス弁１２４は、制御器１２１により制御され、燃料電池入口弁１２３を開放し、バイパス弁１２４を閉止する（バイパス弁１２４の閉止状態を維持する）ことにより、燃料ガス経路Ｒ１と燃料電池入口経路Ｒ４とアノード流路１ａと燃料電池出口経路Ｒ５とオフガス経路Ｒ２とでガス経路Ａが構成され、バイパス弁１２４を開放し、燃料電池入口弁１２３を閉止する（燃料電池入口弁１２３の閉止状態を維持する）ことにより、燃料ガス経路Ｒ１とバイパス経路Ｒ３とオフガス経路Ｒ２とでガス経路Ｂが構成される。

また、開閉弁１２２は制御器１２１により制御され、オフガス経路Ｒ２にガスを通流させるときは開放され、開閉弁１２２、燃料電池入口弁１２３、およびバイパス弁１２４を閉止することにより、燃焼電池１のアノード流路１ａ、および、その周辺経路（ここでは、アノード流路１ａに接続された燃料電池入口流路Ｒ４の開閉弁１２３から下流側の部分や燃料電池出口流路Ｒ５、バイパス流路Ｒ３のバイパス弁１２４から下流側の部分、オフガス流路Ｒ２の開閉弁１２２より上流側の部分）を封止することが可能である。

また、制御器１２１は、燃料電池システム１２０を構成する各構成要素の動作を適宜制御する。燃料電池システム１２０の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御器１２１の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御器１２１が燃料電池システム１２０の動作を適宜制御する。

さらに、制御器１２１は、原料ガスの種類を判別する判別手段１２１ａを備えており、原料ガスの種類によって、あらかじめ記憶されている各原料ガスに対応したプログラムに基づいた制御を行う。この原料ガスの種類を判別する判別手段としては、燃料電池システムを動作させる前に、燃料電池システムに供給するガスの種類をユーザや設置者がリモコン等のインターフェースでソフト的に選択・設定する方法や、ハード的な切り替えスイッチなどによって選択・設定してガス種を識別する手動の方法が挙げられる。また、例えばバーナ２ａで所定時間、所定量の原料ガスを燃焼させ、燃焼熱による温度上昇を検知し、あらかじめ制御器１２１に記憶させていたガス種別の温度上昇の閾値と比較してガス種を識別することによって、自動的に原料ガスの種類を判別する方法が挙げられる。

次に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１２０の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。

ここで、以下の説明では、燃料電池システム１２０の起動運転時において、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路に少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスが予め充填されているとする。この燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路への原料ガスの充填は、図７に示す原料ガス供給装置８により燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路に向けて原料ガスが供給されることにより行われる。本実施の形態３に係る燃料電池システム１２０においては、原料ガスとして天然ガスを用いた。

燃料電池システム１２０は、制御器１２１の制御によって以下の動作を行う。

まず、図７に示す燃料電池システム１２０の起動運転を開始する際には、燃料電池１の発電において必要となる水素を豊富に含む燃料ガスを生成するために、改質器２を作動させる点においては、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様である。

また、燃料電池システム１２０の起動運転において、改質触媒の温度が所定の温度に到達して一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様に、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高い燃料ガスが燃料電池１に入らないように、制御器１２１は、燃料電池入口弁１２３を閉止し、また、バイパス弁１２４を開放しておき、ガス経路Ｂを構成しておく。そして、このガス経路Ｂに改質器２で生成された一酸化炭素を高濃度で含む燃料ガスが供給され、バーナ２ａにガス経路Ｂを介して一酸化炭素を高濃度で含む燃料ガスが供給される。このとき、制御器１２１は、開閉弁１２２を開放していることは前述の通りである。

その後の動作について、本発明をより具体的に説明するために、図８および図９を参照しながら詳細に説明する。

図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示すフローチャートである。また、図９は、図８で示す動作の流れにおける弁の状態を相関的に示すタイミングチャートである。

図８および図９に示すように、バーナ２ａにおける一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスの燃焼により発生する熱で改質器２における改質触媒の温度が上昇すると、その改質触媒の温度が水蒸気改質反応に好適な所定の温度にまで到達したか否かが、制御器１２１によって判定される（ステップＳ２１）。そして、制御器１２１が、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達していないと判定した場合（ステップＳ２１でＮＯ）には、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと判定するまで、バーナ２ａによる改質触媒の加熱が継続される。

一方、ステップＳ２１において、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと制御器１２１が判定すると（ステップＳ２１でＹＥＳ）、制御器１２１は、燃料電池入口弁１２３を開放する（ステップＳ２２）。このとき、バイパス弁１２４は開放されたままである。これにより、ガス経路Ｂから、ガス経路Ａとガス経路Ｂとの両経路が同時に形成され、改質器２で生成した燃料ガスの一部が、燃料電池１に導入される。そして、その燃料ガスにより燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路から原料ガスが押し出され、バイパス経路Ｒ３側に供給された残りの燃料ガスと混合されてバーナ２ａに供給され、燃焼される。

次に、制御器１２１は、ステップＳ２２の弁操作を行ってからの経過時間ｔ１の計測を開始する（ステップＳ２３）。経過時間ｔ１が後述する所定時間Ｔ１（分）を経過するまでの間（ステップＳ２３でＮＯ）は、制御器１２１は、燃料電池入口弁１２３とバイパス弁１２４とが開放された状態を維持する。

制御器１２１は、経過時間ｔ１が後述する所定時間Ｔ１（分）を経過したと判断すると（ステップＳ２３でＹＥＳ）、燃料電池入口弁１２３を閉止する（ステップＳ２４）。すなわち、制御器１２１は、ガス経路Ａとガス経路Ｂとを同時に形成している状態から、ガス経路Ｂのみに切り替え（ガス経路Ａの形成を消滅させ、ガス経路Ｂが形成されている状態を維持し）、燃料電池入口経路Ｒ４への燃料ガスの流入を停止し、燃料ガスがバイパス経路Ｒ３のみを介してバーナ２ａに供給されるようになる。

次に、制御器１２１は、ステップＳ２４の弁操作を行ってからの経過時間ｔ２の計測を開始する（ステップＳ２５）。制御器１２１は、経過時間ｔ２が所定時間Ｔ２（分）を経過したと判断しない場合（ステップＳ２５でＮＯ）、ガス経路Ｂのみが形成された状態を維持する。

そして、制御器１２１は、経過時間ｔ２が所定時間Ｔ２（分）を経過したと判断した場合（ステップＳ２５でＹＥＳ）は、制御器１２１は、ステップＳ２２からステップＳ２５までの一連のステップが行われた回数ｎをカウントする（ステップＳ２６）。制御器１２１は、カウントした回数ｎが後述する所定の回数Ｎよりも少ない場合（ステップＳ２６でＮＯ）は、ステップＳ２２に戻って、ステップＳ２２からステップＳ２６までの動作を繰り返す。

制御器１２１は、カウントした回数ｎが、後述する所定の回数Ｎと等しくなると（ステップＳ２６でＹＥＳ）、燃料電池入口弁１２３を開放し、同時にバイパス弁１２４を閉止する（ステップＳ２７）。すなわち、ガス経路Ａのみが形成されて（ガス経路Ｂの形成が消滅されて、ガス経路Ａのみが形成されて）、燃料電池１に連続的に燃料ガスが導入される。ステップＳ２７以降の動作については、実施の形態１に説明した動作と同じである。

次に、燃料電池システム１２０の停止運転時の説明を行う。燃料電池システム１２０の停止運転時において、まず、制御器１２１は、発電制御器による外部電力負荷への電力供給を停止させて、原料ガス供給装置８およびブロワ３を停止させる。これにより、燃料電池１での発電が停止される。その後、制御器１２１は、原料ガス元弁７及び開閉弁１２２の両方を閉止する。また、制御器１２１は、燃料電池入口弁１２３は開放状態を維持しており、バイパス弁１２４は閉止状態を維持してある。このとき、必ずしも燃料電池入口弁１２３は開放しておく必要なない。

そして、制御器１２１は、燃料電池１の発電停止時から所定時間、燃焼空気ファン２ｂを運転させることで、改質器２を冷却させるとともに、バーナ２ａ及びその周辺流路に残存する未燃ガスを燃料電池システム１２０外に排出させる。

その後、制御器１２１は、改質器２が所定温度に下がれば、燃料電池入口弁１２３を閉止する。改質器２の温度が下がれば、改質器２内のガス温度も低下して、ガスの体積が小さくなり、改質器２内が負圧になるおそれがある。このため、制御器１２１は、改質器２の温度が所定の温度以下になると、原料ガス元弁７を定期的に所定時間開放させる。これにより、改質器２内に原料ガスが供給されて、改質器２内が負圧になることが抑制される。

また、燃料電池１では、発電の停止により燃料電池１の反応熱の発生が止まって冷却されることで、燃料電池１内に残存していた燃料ガス中に含まれる水蒸気が、水に凝縮するため、燃料電池１内も負圧になるおそれがある。このため、原料ガス元弁７を定期的に所定時間、複数回開くうちの一回、燃料電池入口弁１２３を開放することで、燃料電池１内が負圧になることを抑制する。また、このとき、開閉弁１２２は閉じたままであるため、改質器２内および燃料電池１内に供給した原料ガスや残存していた燃料ガスが燃料電池システム１２０外に排出されることがないので、原料ガスが無駄にならない。

次に、制御器１２１は、改質器２の温度がさらに下がれば、改質器２内の水蒸気を排出するために、バイパス弁１２４と開閉弁１２２を開放するとともに、原料ガス元弁７を所定時間または原料ガスが所定の量、流れるまで開放し、改質器２に原料ガスを通流させる。これにより、改質器２内の水蒸気を含んだガスが、バーナ２ａを介して、燃料電池システム１２０外に排出される。このとき、バーナ２ａに燃焼空気を供給して、バーナ２ａで水蒸気を含んだガスを燃焼させてもよい。

一般的に、燃料電池システム１２０が発電運転中には、燃料電池１と改質器２の温度を比較すると改質器２の方が高い温度で作動しているため、停止運転において燃料電池１の方が早く冷却される。よって、通常は、この段階で燃料電池１が負圧になることはなく、燃料電池入口弁１２３は閉止されている。しかしながら、燃料電池１内が負圧になる場合には、制御器１２１は、燃料電池入口弁１２３を定期的に所定時間、開放してもよい。

そして、改質器２内の水蒸気を排出する動作が開始してから所定時間が経過、または原料ガスの供給量が所定の量に到達すれば、制御器１２１は、原料ガス元弁７、開閉弁１２２、およびバイパス弁１２４を閉止する。

このように、燃料電池システム１２０の停止運転時には、開閉弁１２２を閉じた状態で原料ガスが定期的に燃料電池１内に供給されるため、燃料電池１内には、原料ガスが充填されると共に、燃料電池１内に残存していた燃料ガス中の水蒸気が凝縮されて水として残る。

そのため、燃料電池システム１２０の起動時において、燃料電池１に燃料ガスの供給を開始する場合、制御器１２１が、燃料電池１に燃料ガスを断続的に供給するように燃料電池入口弁１２３を制御する。このように制御することにより、燃料電池１内に残存していた原料ガスにより、空燃比がずれて燃焼が不安定になることを抑制できると共に、凝縮水が改質器２のバーナ２ａに継続的に供給されることによりバーナ２ａが失火することを抑制することができる。

ここで、本実施の形態３に係る燃料電池システム１２０の起動運転の特徴となる、図８におけるステップＳ２２から次の弁動作を行うまでの挙動について詳細に説明する。

ステップＳ２２から次の弁動作を行うまでは、燃料ガスの通流する経路が、ガス経路Ａとガス経路Ｂとの両方が連通した状態となる。ここで、燃料電池１の圧力損失とバイパス経路Ｒ３との圧力損失の比を調整することで、燃料ガス経路Ｒ１から供給されてくる燃料ガスが、ガス経路Ａとガス経路Ｂとへ分流する分流比を調整することが可能である。

具体的には、改質器２に供給される天然ガスの流量をＱ（Ｌ／分）とした場合、上述した（１）式によれば、改質器２からはＱ（Ｌ／分）の流量の二酸化炭素と４Ｑ（Ｌ／分）の流量の水素とが供給される。そして、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路の圧力損失をＰ１、バイパス経路Ｒ３の圧力損失をＰ２とすると、燃料電池１側に供給される燃料ガスの流量Ｑ１（Ｌ／分）は、上述した（５）式となり、同量の天然ガスが押し出されてくる。一方、オフガス経路Ｒ３側に供給される燃料ガスの流量Ｑ２（Ｌ／分）は、（７）式のようになる。

Ｑ２＝５Ｑ×Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）・・・（７）
よって、実施の形態１および実施の形態２に係る燃料電池システム１００、１１０の起動運転に比べ、燃料電池１とその周辺の経路に充填され、Ｑ１（Ｌ／分）の割合で押し出されてくる天然ガスを、オフガス経路Ｒ２において、バイパス経路Ｒ３を介してオフガス経路Ｒ２にＱ２（Ｌ／分）の割合で供給される燃料ガスによって希釈してバーナ２ａに供給することができるため、バーナ２ａにおいて空燃比がずれにくくなり、不完全燃焼を起こさせない所定時間Ｔ１を長く設定することが可能である。このため、動作速度が遅い開閉弁や流路制御弁を使っても同様の効果を得ることができるため、本実施の形態３に係る燃料電池システム１２０では、コストを低減することが可能である。

また、所定時間Ｔ２は、所定時間Ｔ１の間に空燃比がずれた影響が解消するまでの時間をとる。

さらに、所定回数Ｎは、燃料電池１およびその周辺の経路に充填された天然ガスが全量押し出され、バーナ２ａに供給されるまでの回数を設定する。すなわち、燃料電池１およびその周辺の経路の体積をＶ（Ｌ）とすると、１回あたりに押し出される体積がＱ１×Ｔ１（Ｌ）なので、（８）式で算出される回数として設定することができる。ただし、Ｑ１は（５）式で算出される。
Ｎ＝Ｖ／（Ｑ１×Ｔ１）・・・（８）
これにより、燃料電池１およびその周辺の経路に充填された天然ガスを、全量、希釈してバーナ２ａに供給することができるため、燃料電池システム１２０の起動運転時に、バーナ２ａでの燃焼が安定し、一酸化炭素の排出を抑制することができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。

図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１０においても、図１，図４および図７と同様に、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ一点鎖線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図１０でも、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。また、図１０において、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。

図１０に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム１３０は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と概ね同一の構成を示している。しかし、本実施の形態４に係る燃料電池システム１３０の構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の三方弁９の代わりに、燃料電池入口経路Ｒ４上に開閉弁である燃料電池入口弁１３２を配設し、バイパス経路Ｒ３上に開閉弁であるバイパス弁１３３を配設した点で実施の形態１に係る燃料電池システム１００と異なっている。つまり、燃料電池入口弁１３２及びバイパス弁１３３が、流路切替手段に相当する。また、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の開閉弁１０と同様に、燃料電池出口経路Ｒ５上に開閉弁を配設しているが、便宜上、燃料電池出口弁１３４として以下説明を行なう。その他の点については、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と同様である。

燃料電池入口弁１３２，バイパス弁１３３および燃料電池出口弁１３４は、制御器１３１により制御される。制御器１３１が、燃料電池入口弁１３２と燃料電池出口弁１３４とを開放するとともに、バイパス弁１３３を閉止する（バイパス弁１３３の閉止状態を維持する）ことにより、燃料ガス経路Ｒ１と燃料電池入口経路Ｒ４とアノード流路１ａと燃料電池出口経路Ｒ５とオフガス経路Ｒ２とでガス経路Ａが構成され、バイパス弁１３３を開放するとともに、燃料電池入口弁１３２と燃料電池出口弁１３４を閉止する（燃料電池入口弁１３２と燃料電池出口弁１３４の閉止状態を維持する）ことにより、燃料ガス経路Ｒ１とバイパス経路Ｒ３とオフガス経路Ｒ２とでガス経路Ｂが構成される。また、制御器１３１が、燃料電池入口弁１３２と燃料電池出口弁１３４とを閉止することにより、燃焼電池１のアノード流路１ａ、および、その周辺経路（ここでは、燃料電池入口経路Ｒ４の燃料電池入口弁１３２よりも下流側の部分と燃料電池出口経路Ｒ５の燃料電池出口弁１３４よりも上流側の部分）を封止することが可能である。

また、制御器１３１は、燃料電池システム１３０を構成する各構成要素の動作を適宜制御する。燃料電池システム１３０の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御器１３１の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御器１３１が燃料電池システム１３０の動作を適宜制御する。

さらに、制御器１３１は、原料ガスの種類を判別する判別手段１３１ａを備えており、原料ガスの種類によって、あらかじめ記憶されている各原料ガスに対応したプログラムに基づいた制御を行う。この原料ガスの種類を判別する判別手段としては、燃料電池システムを動作させる前に、燃料電池システムに供給するガスの種類をユーザや設置者がリモコン等のインターフェースでソフト的に選択・設定する方法や、ハード的な切り替えスイッチなどによって選択・設定してガス種を識別する手動の方法が挙げられる。また、例えばバーナ２ａで所定時間、所定量の原料ガスを燃焼させ、燃焼熱による温度上昇を検知し、あらかじめ制御器１３１に記憶させていたガス種別の温度上昇の閾値と比較してガス種を識別することによって、自動的に原料ガスの種類を判別する方法が挙げられる。

次に、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１３０の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。

ここで、以下の説明では、燃料電池システム１３０の起動運転時において、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路に少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスが予め充填されているとする。この燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路への原料ガスの充填は、図１０に示す原料ガス供給装置８により燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路に向けて原料ガスが供給されることにより行われる。

燃料電池システム１３０は、制御器１３１の制御によって以下の動作を行う。

まず、図１０に示す燃料電池システム１３０の起動運転を開始する際には、燃料電池１の発電において必要となる水素を豊富に含む燃料ガスを生成するために、改質器２を作動させる点においては、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様である。また、制御器１３１において原料ガスの種類を判断し、その原料ガスの種類に応じたプログラムで起動運転を開始する。原料ガスの判断の方法としては、上述のように、原料ガスの種類を入力する方法などがある。

また、燃料電池システム１３０の起動運転において、改質触媒の温度が所定の温度に到達して一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様に、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高い燃料ガスが燃料電池１に入らないように、制御器１３１は、燃料電池入口弁１３２および燃料電池出口弁１３４を閉止し、また、バイパス弁１３３を開放してガス経路Ｂを構成しておく。そして、このガス経路Ｂに改質器２で生成された一酸化炭素を高濃度で含む燃料ガスが供給され、バーナ２ａにガス経路Ｂを介して一酸化炭素を高濃度で含む燃料ガスが供給される。

その後の動作について、本発明をより具体的に説明するために、図１１および図１２を参照しながら詳細に説明する。

図１１は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示すフローチャートである。また、図１２は、図１１で示す動作の流れにおける弁の状態を相関的に示すタイミングチャートであり、図１２（ａ）は原料ガスが天然ガスである場合を示し、図１２（ｂ）は原料ガスがＬＰＧである場合を示す。

図１１および図１２に示すように、バーナ２ａにおける一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスの燃焼により発生する熱で改質器２における改質触媒の温度が上昇すると、その改質触媒の温度が水蒸気改質反応に好適な所定の温度にまで到達したか否かが、制御器１３１によって判定される（ステップＳ３ｌ）。そして、制御器１３１が、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達していないと判定した場合（ステップＳ３１でＮＯ）には、制御器１３１が改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと判定するまで、バーナ２ａによる改質触媒の加熱が継続される。

一方、ステップＳ３１において、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと制御器１３１が判定すると（ステップＳ３１でＹＥＳ）、制御器１３１は、燃料電池入口弁１３２と燃料電池出口弁１３４とを開放させ、同時にバイパス弁１３３が閉止させる（ステップＳ３２）。これにより、ガス経路Ｂからガス経路Ａに切り替えられ、燃料電池１に改質器２で生成した燃料ガスの導入が開始される。そして、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路から原料ガスが燃料ガスによって押し出されてくる。

次に、制御器１３１は、ステップＳ３２の弁操作を行ってからの経過時間ｔ１の計測を開始する（ステップＳ３３）。制御器１３１は、経過時間ｔ１が後述する所定時間Ｔ１（分）を経過するまでの間（ステップＳ３３でＮＯ）は、燃料電池入口弁１３２と燃料電池出口弁１３４とが開放した状態を維持し、また、バイパス弁１３３は閉止した状態を維持する。

制御器１３１は、経過時間ｔ１が後述する所定時間Ｔ１（分）を経過したと判断すると（ステップＳ３３でＹＥＳ）、燃料電池入口弁１３２を閉止し、同時にバイパス弁１３３を開放する（ステップＳ３４）。これにより、ガス経路Ａからガス経路Ｂに切り替えられ、燃料電池１のアノード流路１ａおよびその周辺経路から原料ガス及び凝縮水が押し出されるのが停止し、燃料ガスがバーナ２ａに供給される。

次に、制御器１３１は、ステップＳ３４の弁操作を行ってからの経過時間ｔ２の計測を開始する（ステップＳ３５）。制御器１３１は、経過時間ｔ２が所定時間Ｔ２（分）を経過したと判断しない場合（ステップＳ３５でＮＯ）には、ガス経路Ｂが形成された状態を維持する。

そして、制御器１３１は、経過時間ｔ２が所定時間Ｔ２（分）を経過したと判断した場合（ステップＳ３５でＹＥＳ）は、制御器１３１でステップＳ３２からステップＳ３５までの一連のステップが行われた回数ｎをカウントする（ステップＳ３６）。制御器１３１は、カウントした回数ｎが後述する所定の回数Ｎよりも少ない場合（ステップＳ３６でＮＯ）は、ステップＳ３２に戻ってステップＳ３２からステップＳ３６までの動作を繰り返す。ここで、ステップＳ３６からステップＳ３２に戻った際は、燃料電池出口弁１３４は開放した状態のままであるため、二回目以降のステップＳ３２では燃料電池出口弁１３４を開放する制御は必要ないが、開放している燃料電池出口弁１３４に制御器１３１から開放の指令を出しても動作上、問題はない。

制御器１３１は、カウントした回数ｎが、後述する所定の回数Ｎと等しくなると（ステップＳ３６でＹＥＳ）、燃料電池入口弁１３２を開放し、同時にバイパス弁１３３を閉止する（ステップＳ３７）。すなわち、ガス経路Ａが形成されて燃料電池１に連続的に燃料ガスが導入される。ステップＳ３７以降の動作については、実施の形態１に説明したステップＳ７以降の動作と同じである。

ここで、本実施の形態４に係る燃料電池システム１３０の起動運転の特徴となる、原料ガスの種類による所定時間Ｔ１，所定時間Ｔ２および所定回数Ｎの設定の違いについて詳細に説明する。

まず、原料ガスが天然ガスの場合について説明する。

原料ガスが天然ガスの場合については、上述の実施の形態１で詳細に説明したように、ステップＳ３２においてガス経路Ｂからガス経路Ａに切り替えられると、原料ガスである天然ガスが燃料ガスによって押し出されてくるが、その押し出されてくる天然ガスの流量は、上述した（１）式によれば、改質器２に供給される原料ガスである天然ガスの流量をＱ（Ｌ／分）とした場合、４Ｑ（Ｌ／分）の水素とＱ（Ｌ／分）の二酸化炭素の合算量である５Ｑ（Ｌ／分）となる。この５Ｑ（Ｌ／分）の天然ガスを完全に燃焼させるためには、空燃比を１としても、（３）式で示すように、１０Ｑ（Ｌ／分）の酸素、すなわち５０Ｑ（Ｌ／分）の空気が必要である。

しかしながら、バーナ２ａでは、改質器２に供給される原料ガスである天然ガスの流量をＱ（Ｌ／分）から生成される４Ｑ（Ｌ／分）の水素に対し、空燃比１．５を満たす１５Ｑ（Ｌ／分）の空気しか燃焼空気ファン２ｂによって供給されていない。

そのため、５Ｑ（Ｌ／分）の天然ガスが連続的にバーナ２ａに供給されないように、十分短い時間である所定時間Ｔ１が経過してステップＳ４に移行すると、ガス経路Ａからガス経路Ｂに切り替え、バーナ２ａに天然ガスが供給されないようにする。これは、実施の形態１に係る燃料電池システムと同じである。

そして、ガス経路Ｂが形成されてから再びステップＳ３２に戻るまでの時間である所定時間Ｔ２を、所定時間Ｔ１の間、バーナ２ａに押し出されてくる原料ガスによって空燃比がずれる影響がなくなるまでの時間として設定する点においても、実施の形態１に係る燃料電池システムと同じである。

また、燃料電池１およびその周辺の経路の体積をＶ（Ｌ）とした場合に、所定回数Ｎは、（４）式で算出される、燃料電池１およびその周辺の経路に充填された天然ガスが全量押し出され、バーナ２ａに供給されるまでの回数を設定する点においても、実施の形態１に係る燃料電池システムと同じである。

次に、原料ガスがプロパンを主成分とするＬＰＧの場合について説明する。すなわち、燃料電池１のアノード流路１ａ等には、燃料電池システム１３０の起動運転の前に、予めＬＰＧが置換ガスとして充填されている。ただし、実際のＬＰＧにはプロパンの他にメタンやエタン，ブタン等の炭化水素ガスが含まれているが、便宜上、１００％プロパンとして、以下、説明を行う。

原料ガスがＬＰＧの場合は、改質器２において（９）式に示す化学反応によって、ＬＰＧと水とが用いられて水素が生成される。

Ｃ_３Ｈ_８＋６Ｈ_２Ｏ→３ＣＯ_２＋１０Ｈ_２・・・（９）
ここで、原料ガス供給装置８により改質器２に供給されるＬＰＧの供給量をＱ（Ｌ／分）とすると、（９）式に示す化学反応によれば、燃料処理器から排出される水素の排出量は１０Ｑ（Ｌ／分）となる。従って、バーナ２ａに１０Ｑ（Ｌ／分）の割合で供給される水素を完全燃焼させるためには、（１０）式に基づいて、５Ｑ（Ｌ／分）の割合で酸素を供給すればよく、空気中の酸素濃度を便宜上２０％とすると、理論上、２５Ｑ（Ｌ／分）の流量の空気を供給してやればよい。

１０Ｈ_２＋５Ｏ_２→１０Ｈ_２Ｏ・・・（１０）
ここで、原料ガスが天然ガスの時と同様に、空燃比を１．５とすると、２５Ｑ（Ｌ／分）で空燃比１なので、その１．５倍の３７．５Ｑ（Ｌ／分）の流量の空気をバーナ２ａに送るように、制御器１３１は、燃焼ファン２ｂの回転数（操作量）を制御すればよい。

一方、図１１のステップＳ３２が実行され、燃料電池入口弁１３２と燃料電池出口弁１３４とが開放し、同時にバイパス弁１３３が閉止して、改質器２から供給される燃料ガスの通流する経路が、ガス経路Ｂからガス経路Ａに切り替えられた場合、バーナ２ａには、１０Ｑ（Ｌ／分）の水素と３Ｑ（Ｌ／分）の二酸化炭素の合算量である１３Ｑ（Ｌ／分）の割合で原料ガスであるＬＰＧが、燃料電池１およびその周辺の経路から押し出されて供給される。

この、１３Ｑ（Ｌ／分）の流量のＬＰＧを完全に燃焼させるためには、（１１）式で示すように、６５Ｑ（Ｌ／分）の流量の酸素、すなわち、３２５Ｑ（Ｌ／分）の空気流量が最低限必要となる。

１３Ｃ_３Ｈ_８＋６５Ｏ_２→３９ＣＯ_２＋５２Ｈ_２Ｏ・・・（１１）
しかしながら、本実施の形態４に係る燃料電池システム１３０では、原料ガスがＬＰＧの場合には、バーナ２ａには、原料ガスであるＬＰＧの流量Ｑ（Ｌ／分）に対して空燃比が１．５となる３７．５Ｑ（Ｌ／分）の空気流量しか供給していないため、空燃比が約０．１に低下することになる。これは、原料ガスが天然ガスである場合の約１／３である。

よって、原料ガスがＬＰＧである場合は、原料ガスが天然ガスであるときの所定時間Ｔ１をＴ１ａ，原料ガスがＬＰＧであるときの所定時間Ｔ１をＴ１ｂとすると、所定時間Ｔ１ａの約１／３の時間を所定時間Ｔ１ｂに設定することにより、バーナ２ａにおいて空燃比がずれる影響を原料ガスが天然ガスの時と同様に抑制し、一酸化炭素が排出されるのを抑えることができる。

また、所定時間Ｔ２は、原料ガスが天然ガスであるときの所定時間Ｔ２をＴ２ａ、原料ガスがＬＰＧである時の所定時間Ｔ２をＴ２ｂとすると、Ｔ２ａとＴ２ｂはともに原料ガスの天然ガスもしくはＬＰＧが、燃料電池１およびその周辺の経路から押し出されてバーナ２ａに供給されて空燃比がずれたことによる影響が収まるまでの時間であるので、ほぼ同じ時間となる。

また、所定の回数Ｎは、原料ガスが天然ガスのときと同様に（４）式で算出されるため、原料ガスが天然ガスの時の所定回数をＮａ（回）、原料ガスがＬＰＧのときの所定回数をＮｂ（回）とすると、Ｎｂ（回）はＮａ（回）に比べ、約３倍の回数となる。

このように、本発明では、燃料電池１およびその周辺の経路に充填される置換ガス、すなわち原料ガスの種類に応じて所定の時間Ｔ１，Ｔ２および所定の回数Ｎの少なくともいずれか一方を変化させることを技術的な特徴としている。

これにより、燃料電池システムが設置される場所の既存の原料ガスのインフラストラクチャーを、同じ構成の燃料電池システムでそのまま利用することができるため、新たに原料ガスのインフラストラクチャーを配設するための設置コストや、燃料電池システムを原料ガスのインフラストラクチャーに合わせた仕様に改造するための初期コストを抑えることができる。

また、例えば、天然ガスを原料ガスとして用いた場合、地震等によって、天然ガスの供給が一時的に停止した場合でも、ＬＰＧのガスボンベを接続して、原料ガスの設定を変更してやることにより、ＬＰＧを原料ガスとして燃料電池システムを運転することが可能であるため、緊急用の電源としての利用も可能となる。

次に、本実施の形態４に係る燃料電池システム１３０の停止運転時の説明を行う。燃料電池システム１３０の停止運転時において、まず、制御器１３１は、発電制御器による外部電力負荷への電力供給を停止させて、原料ガス供給装置８およびブロワ３を停止させる。これにより、燃料電池１での発電が停止される。その後、制御器１３１は、原料ガス元弁７及び燃料電池出口弁１３４の両方を閉止する。また、制御器１３１は、燃料電池入口弁１３２は開放状態を維持し、バイパス弁１３３は閉止状態を維持する。

そして、制御器１３１は、燃料電池１の発電停止時から所定時間、燃焼空気ファン２ｂを運転させることで、改質器２を冷却させるとともに、バーナ２ａ及びその周辺流路に残存する未燃ガスを燃料電池システム１３０外に排出させる。

その後、制御器１３１は、改質器２が所定温度に下がれば、燃料電池入口弁１２３を閉止する。改質器２の温度が下がれば、改質器２内のガス温度も低下して、ガスの体積が小さくなり、改質器２内が負圧になるおそれがある。このため、制御器１３１は、改質器２の温度が所定の温度以下になると、原料ガス元弁７を定期的に所定時間開放させる。これにより、改質器２内に原料ガスが供給されて、改質器２内が負圧になることが抑制される。

また、燃料電池１は、発電の停止により燃料電池１の反応熱の発生が止まって冷却されることで、燃料電池１内に残存していた燃料ガス中に含まれる水蒸気が、水に凝縮するため、燃料電池１内も負圧になるおそれがある。そのため、原料ガス元弁７を複数回開くうちの一回、燃料電池入口弁１３２を開放することで、燃料電池１内が負圧になることを抑制する。また、このとき、燃料電池出口弁１３４は閉じたままであるため、燃料電池１内に供給した原料ガスや残存していた燃料ガスが燃料電池システム１３０外に排出されることがないので、原料ガスが無駄にならない。

次に、制御器１３１は、改質器２の温度がさらに下がれば、改質器２内の水蒸気を排出するために、バイパス弁１３３を開放するとともに、原料ガス元弁７を所定時間または原料ガスが所定の量、流れるまで開放し、改質器２に原料ガスを通流させる。これにより、改質器２内の水蒸気を含んだガスが、バーナ２ａを介して、燃料電池システム１３０外に排出される。このとき、バーナ２ａに燃焼空気を供給して、バーナ２ａで水蒸気を含んだガスを燃焼させてもよい。この場合、燃料電池１内が負圧になるのを抑制するため、燃料電池入口弁１３２を定期的に開放してもよい。そして、制御器１３１は、改質器２内の水蒸気を排出する動作が開始してから所定時間経過、または原料ガスの供給量が所定の量に到達すれば、燃料電池入口弁１３２、バイパス弁１３３および原料ガス供給弁７を閉止する。

このように、燃料電池１の停止運転時には、燃料電池出口弁１３４を閉じた状態で原料ガスが定期的に燃料電池１内に供給されるため、燃料電池１内には原料ガスが充填されており、また燃料電池１内に残存していた燃料ガス中の水蒸気が凝縮されて水として残る。

このため、燃料電池１の起動時において、燃料電池１に燃料ガスの供給を開始する場合、制御器１３１が、燃料電池１に燃料ガスを断続的に供給するように燃料電池入口弁１３２を制御する。このように制御することにより、燃料電池１内に残存していた原料ガスがバーナ２ａに供給されて空燃比がずれ、燃焼が不安定になることを抑制すると共に、凝縮水が改質器２のバーナ２ａに継続的に供給されることによりバーナ２ａが失火することを抑制することができる。

なお、本実施の形態１から４において示した、燃料電池システムの構成と燃料電池システムの起動運転の組み合わせは、それを限定するものではなく、例えば実施の形態４の図１で示した燃料電池システム１３０で図５に示した起動運転の制御の流れを行っても、同様の効果を得ることが可能である。また、例えば、実施の形態１および実施の形態２の三方弁の代わりに混合器を用い、制御器で混合器の混合比を調整すれば、燃料電池入口経路Ｒ４とバイパス経路Ｒ３との両経路に燃料ガスを通流させることが可能であり、燃料電池１に供給される燃料ガスの量と、バイパス経路Ｒ３に供給される燃料ガスの量との分流比を調整して、燃料電池１およびその周辺経路から押し出される原料ガスの量を調整し、バーナ２ａにおいて空燃比がずれて不完全燃焼が発生することを抑制することが可能である。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池内に予め原料ガスが充填された燃料電池システムの起動運転時に、燃料処理器で生成した燃料ガスを燃料電池に供給開始する際に、バーナで空燃比がずれることを抑制することができるため、燃料電池の分野で有用である。

１燃料電池
１ａアノード流路
１ｂカソード流路
２改質器
２ａバーナ
２ｂ燃焼空気ファン
２ｃ温度センサ
３ブロワ
４水素
４ａ第１の熱交換器
４ｂ第２の熱交換器
５貯湯タンク
６ａ冷却水ポンプ
６ｂ貯湯水ポンプ
７原料ガス元弁
８原料ガス供給装置
９三方弁
１０開閉弁
１００燃料電池システム
１０１制御器
１０１ａ判別手段
１１０燃料電池システム
１１１制御器
１１２開閉弁
１１３三方弁
１２０燃料電池システム
１２１制御器
１２１ａ判別手段
１２２開閉弁
１２３燃料電池入口弁
１２４バイパス弁
１３０燃料電池システム
１３１制御器
１３１ａ判別手段
１３２燃料電池入口弁
１３３バイパス弁
１３４燃料電池出口弁
５００改質部
５００ａ燃焼部
５０１燃料電池
５０２第１のガス経路
５０３第２のガス経路
５０４第３のガス経路
５０５原料ガス供給器
５０７改質ガス遮断弁
５０８アノードオフガス遮断弁
５０９バイパス遮断弁
５１０ブロワ

特開２００８−０６６０９６号公報

まず、原料ガスが天然ガスの場合について説明する。

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、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料電池での発電で消費しなかった水素を含むオフガスと前記原料ガスと前記燃料ガスのうち少なくとも１つのガスを燃焼させるバーナと、前記燃料処理器と前記燃料電池とを接続する第１のガス経路と、前記燃料電池と前記バーナとを接続する第２のガス経路と、前記燃料電池をバイパスするように前記第１のガス経路と前記第２のガス経路とを接続する第３のガス経路と、前記第１のガス経路を通流するガスの通流先を前記燃料電池と前記第３のガス経路との少なくとも一方に切り替えるように構成された流路切替手段と、前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始する場合、前記燃料ガスを前記第１のガス経路から前記燃料電池に断続的に供給するとともに前記第１のガス経路から前記燃料電池をバイパスして前記第３のガス経路に断続的若しくは継続的に供給するように前記流路切替手段を制御する制御器と、を有していることを特徴とする燃料電池システムである。

Claims

水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、
原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する燃料処理器と、
前記燃料電池での発電で消費しなかった水素を含むオフガスと前記原料ガスと前記燃料ガスのうち少なくとも１つのガスを燃焼させるバーナと、
前記燃料処理器と前記燃料電池とを接続する第１のガス経路と、
前記燃料電池と前記バーナとを接続する第２のガス経路と、
前記燃料電池をバイパスするように前記第１のガス経路と前記第２のガス経路とを接続する第３のガス経路と、
前記第１のガス経路を通流するガスの通流先を前記燃料電池と前記第３のガス経路との少なくとも一方に切り替えるように構成された流路切替手段と、
前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始する場合、前記燃料ガスを前記第１のガス経路に断続的に供給するとともに前記第３のガス経路に断続的若しくは継続的に供給するように前記流路切替手段を制御する制御器と、を有していることを特徴とする、燃料電池システム。
前記制御器は、前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記流路切替手段を制御して、前記燃料ガスを、前記第３のガス経路にのみ通流する場合と、前記第１のガス流路にのみ通流する場合とに、それぞれ所定時間間隔で所定回数切り替えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記流路切替手段を制御して、前記燃料ガスを、前記第１及び第３のガス経路の両方に通流する場合と、前記第３のガス経路にのみ通流する場合とに、それぞれ所定時間間隔で所定回数切り替えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記流路切替手段は、前記第１のガス経路と前記第３のガス経路との分岐点に設けられる流路切替弁であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記流路切替手段は、前記第３のガス経路と前記第２のガス経路との合流点に設けられる流路切替弁であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記流路切替手段は、前記第３のガス経路に設けられる第１の開閉弁と、前記第１のガス経路の前記第３のガス経路との分岐点よりも下流側で前記燃料電池の上流側、又は、前記第２のガス経路の前記第３のガス経路との合流点よりも上流側で前記燃料電池より下流側、に設けられる第２の開閉弁と、を有していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記流路切替手段は、前記第３のガス経路に設けられる第１の開閉弁と、前記第１のガス経路の前記第３のガス経路との分岐点よりも下流側で前記燃料電池より上流側に設けられる第２の開閉弁と、前記第２のガス経路の前記第３のガス経路との合流点よりも上流側で前記燃料電池より下流側に設けられる第３の開閉弁と、を有していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記原料ガスの種類を判断する判断手段を備え、
前記制御器は、前記判断手段が判断した前記原料ガスの種類によって、前記所定時間と前記所定回数の少なくとも一方を変えることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。