JP2007200609A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、システム全体の小型化・低コスト化を図りつつ、発電前に燃料電池の燃料極側を燃料ガスでパージし、システム起動を的確に実施する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスを改質して改質ガスを生成して燃料電池１０の燃料極１１に供給する改質部２１と、燃料供給源Ｓｆ、改質部２１および燃料極１１からの各可燃ガスのうち何れか少なくとも一つを燃焼しその燃焼ガスを改質部２１の加熱に利用する燃焼部２５と、燃料供給源Ｓｆを改質部２１を経由して燃焼部２５に連通する第１ラインＬ１と、第１ラインＬ１に並設されて改質部２１をバイパスして燃料極１１を経由して燃焼部２５に連通する第２ラインＬ２と、を備えている。燃料電池システムは、システム起動時点から、燃料供給源Ｓｆからの燃料ガスを少なくとも第２ラインＬ２を介して燃焼部２５に供給するように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１「固体高分子型燃料電池用改質器の起動及び停止方法」に示されているものが知られている。特許文献１の図２に示されているように、水蒸気改質器を有するシステムは、原料ガスを脱硫器を経て改質部に供給する改質用燃料ラインと、燃料ガスを燃焼部に供給する燃焼用燃料ラインとを備えている。また、改質用燃料ラインの脱硫器と改質部の間から改質部に水蒸気が供給されるようになっている。このように構成された水蒸気改質器を有するシステムにおいては、その起動時に改質部の改質触媒を昇温するに際し、改質触媒の酸化を防止するため、空気、燃焼排ガス、水蒸気、原料ガス及び窒素によりなる群より選ばれた１種以上の流通ガス種を、改質触媒の温度如何により変更しながら、改質触媒に流通させて昇温するようになっている。

また、他の一形式として、特許文献２「燃料電池式発電システムとその起動方法」に示されているものが知られている。特許文献２の図１に示されているように、燃料電池式発電システムは、炭化水素系ガス（例えば都市ガス）と水とから高濃度の水素ガスを発生させる改質器２と、改質器２に水を供給する水供給装置４と、改質器２に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置６と、改質器２を加熱する燃焼器８と、改質器２で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池１０とから構成されている。改質器２を７００℃に維持するために、燃料にガス（例えば都市ガス）を使用して燃焼熱で改質器２を加熱する燃焼器８が用いられる。すなわち、上述した特許文献１と同様に改質用燃料ラインと燃焼用燃料ラインの２系統を有している。このように構成された燃料電池式発電システムにおいては、燃焼器８を点火してその燃焼熱によって改質器２の昇温を開始し、燃焼器８の燃焼開始に前後してまたは改質器２が所定温度（例えば７００℃）に達すると、水供給装置４によって水の供給を開始するとともに、改質器２が所定温度（例えば７００℃）に達すると、ガス供給装置６によって炭化水素系ガスの供給を開始するようになっている。

また、他の一形式として、特許文献３「燃料電池システム及びその起動方法」に示されているものが知られている。特許文献３の図１に示されているように、燃料電池システムにおいては、都市ガスを脱硫器１、エゼクタ２を経て改質器３に供給する改質用燃料ライン（配管５１，５５）と、都市ガスを改質器バーナ３０の都市ガス入口３２に供給する燃焼用燃料ライン（配管５２）と、都市ガスをスタートアップバーナ７のガス取入口７ｃに供給するライン（配管５３）を備えている。また、このように構成された燃料電池システムの起動時において、スタートバーナ７が発生した熱により、燃料電池５が昇温すると共に、スチーム発生器８はスタートアップバーナ７の熱によってスチームを発生するようになっている。発生したスチームが配管６４、スチームセパレータ１０、配管６２を通ってコイル管４６へ送給されることによって転化器４が昇温するようになっている。また、改質器バーナ３０の熱によって改質器３が昇温すると共に、改質器３から高温の改質ガスが転化器４に送られることにより、転化器４は内部から加熱されて昇温するようになっている。そして、転化器４から送出されるガスは、配管５９を通じて改質器バーナ３０に燃料として供給されるようになっている。

また、他の一形式として、特許文献４「燃料電池発電システムおよび燃料電池のパージ方法」に示されているものが知られている。特許文献４の図３に示されているように、燃料電池発電システムにおいては、ガス配管２２から改質器３０への供給管の脱硫器２７の後段側でパージ用配管７０を分岐して燃料電池４０のアノードへの供給管に接続し、パージ用配管７０に調節弁７２を取り付けると共に燃料電池４０のアノードへの供給管に調節弁７６を取り付けている。そして、パージ指示がなされたときには、特許文献４の図４に示されているパージ処理を実行し、ガス配管２２から供給され脱硫器２７で脱硫された後の都市ガスは、パージ用配管７０を介して燃料電池４０に供給され、燃料電池４０のアノード側から排出されるガスは、燃焼器４９で燃焼されて排気される。これにより、燃料電池４０は都市ガスでパージされるようになっている。
特開２００２−９３４４７号公報 特開２００４−１４６０８９号公報 特開平８−１６２１３７号公報 特開２００３−２２９１５６号公報

上述した特許文献１および特許文献２に記載の燃料電池システムにおいては、原料ガスを改質部に供給する改質用燃料ラインと、燃料ガスを燃焼部に供給する燃焼用燃料ラインとを有している。これら２つのラインに配管、開閉バルブ、ポンプなどを備える必要があるので、システム自体が大型化・高コスト化していた。

また、特許文献１の燃料電池システムの起動時においては、空気、燃焼排ガス、水蒸気、原料ガス及び窒素によりなる群より選ばれた１種以上の流通ガス種を、改質触媒に流通させて昇温しているが、原料ガスを供給する時点において、改質部内に水蒸気が少量の状態、またはない状態であるおそれがある。この場合、水蒸気が少量、またはない状態の改質部内に原料ガスを供給すると、改質触媒がコーキングされて劣化するという問題があった。

また、特許文献２の燃料電池システムの起動時においても、燃焼器８の燃焼開始に前後してまたは改質器２が所定温度（例えば７００℃）に達すると、水供給装置４によって水の供給を開始するとともに、改質器２が所定温度（例えば７００℃）に達すると、ガス供給装置６によって炭化水素系ガスの供給を開始しているが、原料ガスを供給する時点において、改質部内に水蒸気が少量の状態、またはない状態であるおそれがある。この場合にも、特許文献１の場合と同様に、改質触媒がコーキングされて劣化するという問題があった。

また、上述した特許文献３に記載の燃料電池システムにおいては、燃料を改質器３に供給する改質用燃料ラインと、燃料を改質器バーナ３０に供給する燃焼用燃料ライン（配管５２）と、燃料をスタートアップバーナ７に供給するラインとを有している。これら３つのラインに配管、開閉バルブ、ポンプなどを備える必要があるので、システム自体が上述した特許文献１，２と比べてより大型化・高コスト化していた。

また、上述した特許文献４に記載の燃料電池システムにおいては、都市ガスを改質器３０に供給するラインと改質器３０をバイパスして燃料電池４０に供給するラインが備えられている。これにより、システム自体は小型化・低コスト化が図られるが、燃料電池４０に供給するラインは燃料電池４０をパージするための都市ガスを供給するために使用されているのみであり、同ラインをシステム起動時、発電時に使用する記載はない。

また、特許文献４は燃料電池システム停止後に燃料電池の燃料極を天然ガス（都市ガス）でパージするものである。しかし、システム停止後、次の起動までに燃料電池の燃料供給ラインに燃料電池の高分子膜などを介して流入する空気と起動時に供給される改質ガスの間で燃料極にて酸化反応が起き、燃料電池の性能劣化を防止することに関しては有効でない。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、システム全体の小型化・低コスト化を図りつつ、発電前に燃料電池の燃料極側を燃料ガスでパージし、システム起動を的確に実施することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料供給源から供給される燃料ガスを改質して改質ガスを生成して燃料電池の燃料極に供給する改質部と、燃料供給源、改質部および燃料電池の燃料極からの各可燃ガスが供給可能であり、これら可燃ガスのうち何れか少なくとも一つを燃焼しその燃焼ガスを改質部の加熱に利用した後で外部に排出する燃焼部と、燃料供給源を改質部を経由して燃焼部に連通する第１ラインと、第１ラインに並設されて改質部をバイパスして燃料電池の燃料極を経由して燃焼部に連通する第２ラインと、システム起動時点から、燃料供給源からの燃料ガスを少なくとも第２ラインを介して燃焼部に供給するように制御する第１燃料供給制御手段と、を備えたことである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、第１ライン上の燃料供給源と改質部との間に脱硫器を備え、第２ラインは第１ラインの脱硫器と改質部の間から分岐されたことである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、水蒸気供給源からの水蒸気を改質部へ供給する水蒸気供給手段と、改質部へ供給される水蒸気の状態を検出する水蒸気状態検出手段と、システム起動時点以降であって水蒸気状態検出手段によって検出される水蒸気状態が所定状態となった時点から、第２ラインを第１ラインに切り替えるライン切り替え制御手段と、該ライン切り替えが完了した時点以降、燃料供給源からの燃料ガスを第１ラインを介して改質部に供給するように制御する第２燃料供給制御手段と、を備えたことである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、第２燃料供給制御手段が第１ラインを介して改質部への燃料ガスの供給を開始する際に、燃焼部を着火するように制御する燃焼部再着火手段を備えたことである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、酸化剤ガスを燃焼部へ供給する酸化剤ガス供給手段と、第１ラインから分岐して酸化剤ガス供給手段に連通する接続管と、を備えてなり、第１燃料供給制御手段は、システム起動時点から、燃料供給源から第２ライン経由で供給されている燃料ガスを第１ライン、接続管および酸化剤ガス供給手段を介して燃焼部に供給するように制御することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、システム起動時点から、燃料供給源からの燃料ガスが、改質部をバイパスする第２ラインを少なくとも介してすなわち改質部を通らないで燃料電池の燃料極を通って燃焼部に供給される。これにより、改質部をバイパスする第２ラインを設けるだけの簡単な変更を既存の構造に加えた構成によって、システム停止中に燃料電池の燃料極側に流入している空気をシステム起動時点からの暖機運転中（発電運転前の起動過程）にパージするとともに、システム起動時点から燃料供給源からの燃料ガスを燃焼部で燃焼し、その燃焼ガスによって改質部を暖機することができる。したがって、システム全体の小型化・低コスト化を図りつつ、発電前に燃料電池の燃料極側を燃料ガスでパージし、システム起動を的確に実施することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、第１ライン上の燃料供給源と改質部との間に脱硫器を備え、第２ラインは第１ラインの脱硫器と改質部の間から分岐されているので、脱硫器を共通化することにより、システム全体を小型化することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、ライン切り替え制御手段が、システム起動時点以降であって水蒸気状態検出手段によって検出される水蒸気状態が所定状態となった時点から、第２ラインを第１ラインに切り替え、第２燃料供給制御手段が、該ライン切り替えが完了した時点以降、燃料供給源からの燃料ガスを第１ラインを介して改質部に供給するように制御する。これにより、システム起動時点から水蒸気が所定状態となる時点までの間は、改質部に燃料供給源からの燃料ガスを通過させないで同改質部を暖機する。そして、水蒸気が所定状態となると、十分な量の水蒸気に燃料供給源からの燃料ガスを混合してその混合ガスを改質部に供給することができる。したがって、水蒸気不足によって引き起こされる改質部内触媒の燃料ガスによるコーキングを確実に防止し、その結果触媒の劣化を抑制し製品寿命を延ばすことができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項３に係る発明において、第２燃料供給制御手段が第１ラインを介して改質部への燃料ガスの供給を開始する際に、燃焼部再着火手段が燃焼部を着火するように制御するので、第１ラインに切り替えた際に燃焼部を確実に着火させることができる。

上述した発明においては、燃料電池の発電時を基準にして燃焼部が設計されている。すなわち、一般的には、燃料電池の燃料極からのオフガスを燃焼させる場合、排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素が低エミッションとなるように燃焼部が設計されている。したがって、上述したように、システム起動時点からしばらくの間、燃料ガスのみを燃焼部に供給する場合には、設計と異なる可燃ガスが供給されるので、排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素が高エミッションとなるおそれがある。これを解決するために、上記のように構成した請求項５に係る発明においては、第１燃料供給制御手段が、システム起動時点から、燃料供給源から第２ライン経由で供給されている燃料ガスを第１ライン、接続管および酸化剤ガス供給手段を介して燃焼部に供給するように制御する。これにより、システム起動時点から燃料ガスのみを燃焼部に供給する場合に、その燃料ガスに酸化剤ガスを予め混合させて燃焼部に供給させることができる。したがって、燃料ガスのみが供給されている間、燃焼部から排気される排気ガスの低エミッション化を達成することができ、ひいては、システム起動から発電までに渡って燃焼部から排気される排気ガスの低エミッション化を達成することができる。

１）第１実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第１実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

改質器２０は、改質用燃料（燃料ガス）を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、蒸発部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４およびバーナ（燃焼部）２５から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどがあり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、燃料供給源Ｓｆから供給された改質用燃料に蒸発部２２からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部２１に充填された触媒（例えば、Ｒｕ、Ｎｉ系の触媒）により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。

ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。また、ＣＯシフト部２３には、触媒の温度を検出する温度センサ２３ａが設けられている。温度センサ２３ａからの信号は制御装置６０に送信されている。

ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素とＣＯ酸化用空気供給管３８から供給されたＣＯ酸化用の空気（エア）とをその内部に充填された触媒（例えば、Ｒｕ系またはＰｔ系の触媒）により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。ＣＯ選択酸化部２４には、酸化剤ガスであるＣＯ酸化用空気を大気から供給するＣＯ酸化用空気供給管３８が接続されている。ＣＯ酸化用空気供給管３８上には、上流から順番に酸化用空気ポンプ３８ａおよび酸化用空気バルブ３８ｂが設けられている。酸化用空気ポンプ３８ａは空気供給源である大気から供給されるＣＯ酸化用空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２４に吐出するものであり、制御装置６０の指令に応じてＣＯ酸化用空気供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ３８ｂは制御装置６０の指令によってＣＯ酸化用空気供給管３８を開閉する電磁開閉弁である。

改質部２１には燃料供給源Ｓｆ（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管３１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料が供給されている。改質用燃料供給管３１には、上流から順番に一対の燃料バルブ３２，３２、燃料ポンプ３３、脱硫器３４、および改質用燃料バルブ３５が設けられている。燃料バルブ３２および改質用燃料バルブ３５は制御装置６０の指令によって改質用燃料供給管３１を開閉する電磁開閉弁である。燃料ポンプ３３は燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を改質用燃料（または燃焼用燃料）として吸い込み改質部２１（またはバーナ２５）に吐出するものであり、制御装置６０の指令に応じて改質用燃料供給量（または燃焼用燃料供給量）を調整するものである。脱硫器３４は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去されて改質部２１に供給される。

また、改質用燃料供給管３１の改質用燃料バルブ３５と改質部２１との間には水蒸気供給源である蒸発部２２に接続された水蒸気供給管４１が接続され、蒸発部２２から供給された水蒸気が改質用燃料に混合されて改質部２１に供給されている。また、水蒸気供給管４１には、改質部２１へ供給される水蒸気の状態である温度を検出する水蒸気状態検出手段である温度センサ４１ａが設けられている。温度センサ４１ａからの信号は制御装置６０に送信されている。なお改質部２１へ供給される水蒸気の状態として水蒸気の温度以外の物理量を検出するようにしてもよい。なお、水蒸気供給管４１、給水管４２、改質水ポンプ４３、改質水バルブ４４から水蒸気供給手段が構成されている。

蒸発部２２には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管４２が接続されている。給水管４２には、上流から順番に改質水ポンプ４３、改質水バルブ４４が設けられている。改質水ポンプ４３は水タンクＳｗから供給される改質水を吸い込み蒸発部２２に吐出するものであり、制御装置６０の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ４４は制御装置６０の指令によって給水管４２を開閉する電磁開閉弁である。蒸発部２２は例えばバーナ２５から排出される燃焼ガス（または、改質部２１、ＣＯシフト部２３などの排熱）によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。蒸発部２２には、蒸発部２２の温度を検出する温度センサ２２ａが設けられている。温度センサ２２ａからの信号は制御装置６０に送信されている。なお、水蒸気供給管４１および給水管４２により改質水供給管が構成されている。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管５１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管５２を介してバーナ２５が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスをバーナ２５に供給するようになっている。バイパス管５３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管５１およびオフガス供給管５２を直結するものである。改質ガス供給管５１にはバイパス管５３との分岐点と燃料極１１の導入口との間に第１改質ガスバルブ５１ａが設けられている。オフガス供給管５２にはバイパス管５３との合流点と燃料極１１の導出口との間にオフガスバルブ５２ａが設けられている。バイパス管５３には第２改質ガスバルブ５３ａが設けられている。第１および第２改質ガスバルブ５１ａ，５３ａおよびオフガスバルブ５２ａはそれぞれの管５１，５３，５２を開閉するものであり、制御装置６０により制御されている。起動運転時には、ＣＯ選択酸化部２４から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを閉じ第２改質ガスバルブ５３ａを開いている。定常運転時には、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを開き第２改質ガスバルブ５３ａを閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管５４が接続されており、空気極１２内に空気（カソードエア）が供給されるようになっている。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、排気管５５が接続されており、空気極１２からの空気（カソードオフガス）が外部に排出されるようになっている。

バーナ（燃焼部）２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ２５は、燃料供給源Ｓｆ、改質部２１および燃料電池１０の燃料極１１からの各可燃ガスが供給可能であり、これら可燃ガスのうち何れか少なくとも一つを燃焼用空気（エア）で燃焼するものである。すなわち、システム起動開始した時点から改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、バーナ２５には燃料供給源Ｓｆからの燃焼用燃料が第２ラインＬ２を介して改質部２１を通らないで燃料電池１０の燃料極１１を通って供給され、改質部２１への改質用燃料の供給開始以降から定常運転（発電）開始までの間は、バーナ２５にはＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を通らないで直接供給され、そして、定常運転（発電）中においてはバーナ２５には燃料電池１０の燃料極１１からのアノードオフガス（燃料電池１０の燃料極１１に供給され使用されずに排出された水素を含んだ改質ガスや未改質の改質用燃料）が供給される。バーナ２５が生成した燃焼ガスは改質部２１を（同改質部２１の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後排気管５６を通って外部に排出されるようになっている。

このバーナ２５には燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管５２の他端が接続されている。燃料電池１０の起動運転時にＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが改質ガス供給管５１、バイパス管５３およびオフガス供給管５２を通ってバーナ２５に供給され、燃料電池１０の定常運転時に燃料電池１０から排出されるアノードオフガスがオフガス供給管５２を通ってバーナ２５に供給されるようになっている。

また、バーナ２５には、酸化剤ガスである燃焼用空気（エア）を供給する燃焼用空気供給管５７が接続されている。燃焼用空気供給管５７上には、上流から順番に燃焼用空気ポンプ５７ａおよび燃焼用空気バルブ５７ｂが設けられている。燃焼用空気ポンプ５７ａは空気供給源である大気から供給される燃焼用空気を吸い込みバーナ２５に吐出するものであり、制御装置６０の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ５７ｂは制御装置６０の指令によって燃焼用空気供給管５７を開閉する電磁開閉弁である。燃焼用空気供給管５７、燃焼用空気ポンプ５７ａおよび燃焼用空気バルブ５７ｂから酸化剤ガス供給手段が構成されている。

燃焼用空気供給管５７には、オフガス供給管５２から分岐した接続管５８が連通している。接続管５８は、オフガス供給管５２の燃料電池１０とオフガスバルブ５２ａとの間から分岐し、燃焼用空気供給管５７の燃焼用空気バルブ５７ｂとバーナ２５との間に接続されている。接続管５８上には、第２燃焼用燃料バルブ５８ａが設けられている。第２燃焼用燃料バルブ５８ａは制御装置６０の指令によって接続管５８を開閉する電磁開閉弁である。

上述した改質用燃料供給管３１、改質ガス供給管５１およびオフガス供給管５２から第１ラインＬ１が構成されている。第１ラインＬ１は、燃料供給源Ｓｆを改質部２１を経由してバーナ２５に連通するラインである。したがって、燃料電池１０を経由しない、改質用燃料供給管３１、改質ガス供給管５１、バイパス管５３およびオフガス供給管５２の経路も第１ラインＬ１であり、燃料電池１０を経由する、改質用燃料供給管３１、改質ガス供給管５１およびオフガス供給管５２の経路も第１ラインＬ１である。

この第１ラインＬ１に並設されて改質部２１をバイパスして燃料電池１０の燃料極１１を経由してバーナ２５に連通する第２ラインＬ２である燃焼用燃料供給管３７が設けられている。燃焼用燃料供給管３７は、改質用燃料供給管３１の脱硫器３４と改質用燃料バルブ３５との間から分岐し、改質ガス供給管５１の第１改質ガスバルブ５１ａと燃料電池１０との間に接続されている。燃焼用燃料供給管３７上には、第１燃焼用燃料バルブ３７ａが設けられている。第１燃焼用燃料バルブ３７ａは制御装置６０の指令によって燃焼用燃料供給管３７を開閉する電磁開閉弁である。これにより、燃料供給源Ｓｆからの燃料ガス（改質用燃料と同様）である燃焼用燃料も脱硫器３４によって硫黄分が除去されて第２ラインＬ２、燃料電池１０、接続管５８（またはオフガス供給管５２）を通ってバーナ２５に供給される。

また、上述した各温度センサ２２ａ，２３ａ，４１ａ、各バルブ３２，３５，３７ａ，３８ｂ、４４，５１ａ，５２ａ，５３ａ，５７ｂ，５８ａ、各ポンプ３３，４３，３８ａ，５７ａ、およびバーナ２５は制御装置６０に接続されている（図２参照）。制御装置６０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図３のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムを起動し、発電するように制御している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

次に、上述した燃料電池システムの作動について図３のフローチャートと図４のタイムチャートを参照して説明する。制御装置６０は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、図３のステップ１００にてプログラムの実行を開始して、燃料電池システムを暖機する起動運転を開始する。制御装置６０は、ステップ１０２において、バーナ２５へ少なくとも第２ラインＬ２を介して燃料ガスの供給を開始する（第１燃料供給制御手段）とともにバーナ２５を着火する。

具体的には、制御装置６０は、燃料バルブ３２，３２、第１および第２燃焼用燃料バルブ３７ａ，５８ａを開き、改質用燃料バルブ３５、第１改質ガスバルブ５１ａ、オフガスバルブ５２ａを閉じる。また、制御装置６０は、燃料ポンプ３３を所定供給量Ｍｆ１となるように駆動させる。これにより、所定供給量Ｍｆ１の燃料ガスが、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料供給管３１、燃焼用燃料供給管３７、燃料電池１０の燃料極１１、接続管５８、および燃焼用空気供給管５７を介してバーナ２５に供給される。

さらに、制御装置６０は、燃焼用空気バルブ５７ｂを開くとともに、燃焼用空気ポンプ５７ａを所定供給量Ｍａ１となるように駆動させる。所定供給量Ｍａ１は燃料ガスの所定供給量Ｍｆ１に応じた値に設定されている。これにより、所定供給量Ｍａ１の燃焼用空気が、燃焼用空気供給管５７を介してバーナ２５に供給される。

したがって、システム起動時点から、燃料供給源Ｓｆから第２ラインＬ２経由で供給されている燃料ガスを第１ラインＬ１（すなわち改質ガス供給管５１、燃料電池１０の燃料極１１およびオフガス供給管５２）、接続管５８および燃焼用空気供給管５７を介してバーナ２５に供給するように制御することができる。これにより、システム起動時点から燃料ガスのみをバーナ２５に供給する場合に、その燃料ガスに酸化剤ガスである空気を予め混合させてバーナに供給させることができる。

また、制御装置６０は、バーナ２５を着火するので、前述のように空気に燃料ガスを予め混合させた混合ガスが燃焼され、その燃焼ガスにより改質部２１内の改質触媒および蒸発部２２が加熱される。

また、システム起動時から改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、燃料電池１０の燃料極１１に流入している空気を燃料ガスでパージする。したがって、改質用燃料の供給が開始されても燃料極１１に空気はないため、酸化反応が起こることはないので、燃料電池１０の性能劣化を防止することができる。

また、制御装置３０は、時刻ｔ０にて第２改質ガスバルブ５３ａを開状態として、改質部２１が加熱された際に上昇する圧力を逃がすようになっている。なお、改質水バルブ４４は閉じられ、改質水ポンプ４３は駆動されていないので、改質部２１には水蒸気（改質水）は供給されていない。また、酸化用空気バルブ３８ｂは閉じられ、酸化用空気ポンプ３８ａは駆動されていないので、ＣＯ選択酸化部２４には酸化用空気は供給されていない。

バーナ２５によって生成された燃焼ガスによって改質部２１および蒸発部２２が昇温する。一方、制御装置６０は、ステップ１０４において、温度センサ２２ａによって検出した蒸発部２２の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ａ以上であるか否かを判定する。蒸発部２２の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ａ未満である場合には、「ＮＯ」と判定し、ステップ１０４の処理を繰り返し実行する。蒸発部２２の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ａ以上となると（時刻ｔ１）、制御装置６０は、ステップ１０４において「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１０６に進める。

制御装置６０は、ステップ１０６において、改質部２１へ水蒸気（改質水）の供給を開始する。具体的には、制御装置６０は、改質水バルブ４４を開くとともに、改質水ポンプ４３を所定供給量Ｍｗ１となるように駆動させる。なお、その他のバルブ、ポンプは時刻ｔ１までと同様に制御されている。これにより、十分昇温した蒸発部２２に改質水が供給され水蒸気が生成されるとともに、その水蒸気（液体の水と混合している場合もある。）が昇温中の改質部２１に供給されるので、改質部２１の触媒が低温時に水蒸気によって酸化されて劣化するのを防止するとともに改質部２１を急激に昇温するのを防止することができる。改質部２１を通った水蒸気は、改質ガス供給管５１、バイパス管５３およびオフガス供給管５２を介してバーナ２５に供給され、その後排気管５６を通って排気される。

このように改質部２１に水蒸気のみが供給される一方で、バーナ２５へ第２ラインＬ２経由で供給された燃料ガスが燃焼されその燃焼ガスによって蒸発部２２および改質部２１がさらに昇温する。一方、制御装置６０は、システム起動時点（時刻ｔ０）以降であって温度センサ４１ａによって検出される水蒸気の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２ａとなった時点から、第２ラインＬ２を第１ラインＬ１に切り替える（ライン切り替え制御手段）。

具体的には、制御装置６０は、ステップ１０８において、温度センサ４１ａによって検出した水蒸気の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２ａ以上であるか否かを判定する。水蒸気の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２ａ未満である場合には、「ＮＯ」と判定し、ステップ１０８の処理を繰り返し実行する。水蒸気の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２ａ以上となると（時刻ｔ２）、制御装置６０は、ステップ１０８において「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１１０に進める。

制御装置６０は、ステップ１１０において、これまで行っていた第２ラインＬ２を介してのバーナ２５への燃料供給を停止する、すなわち燃料ポンプ３３の駆動を停止するとともに、バーナ２５を消火する。そして、制御装置６０は、ステップ１１２において、第１および第２燃焼用燃料バルブ３７ａ，５８ａを閉じて、第２ラインＬ２を閉鎖する。

さらに、制御装置６０は、ステップ１１４において、バーナ２５を燃焼用空気でパージする。具体的には、制御装置６０は、燃焼用空気バルブ５７ｂを開くとともに、燃焼用空気ポンプ５７ａを所定供給量Ｍａ１から所定供給量Ｍａ１'となるように切り替え駆動させる。これにより、バーナ２５に残留する可燃ガスをパージすることで、バーナ２５を再着火する時の着火性が向上する。

制御装置６０は、ステップ１１６において、バーナ２５内の残留可燃ガスをパージするのに必要かつ十分な時間に設定されているタイマーＴｍ１が経過するのを待ってプログラムをステップ１１８に進める。タイマーＴｍ１の間は、バーナ２５は消えているが、パージ用の燃焼用空気を介して蒸発部２２へ熱が与えられるため、規定の水蒸気は改質部２１へ送られている。

制御装置６０は、ステップ１１８において、改質用燃料バルブ３５を開いて、第１ラインＬ１を開放する（時刻ｔ３）。これにより、第２ラインＬ２から第１ラインＬ１へのライン切り替えが完了する。

そして、制御装置６０は、ステップ１２０において、ライン切り替えが完了した時点以降、燃料供給源Ｓｆからの燃料ガス（改質用燃料）を第１ラインＬ１を介して改質部２１に供給するとともに、バーナ２５を再着火するように制御する（第２燃料供給制御手段）。

ライン切り替えが完了した時点においては、燃料バルブ３２，３２、改質用燃料バルブ３５、および第２改質ガスバルブ５３ａが開状態であり、第１および第２燃焼用燃料バルブ３７ａ，５８ａ、第１改質ガスバルブ５１ａ、オフガスバルブ５２ａが閉状態である。また、制御装置６０は、燃料ポンプ３３を所定供給量Ｍｆ２となるように駆動させる。これにより、所定供給量Ｍｆ２の燃料ガスが、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料供給管３１を介して改質部２１に供給される。このとき、すでに十分な量の水蒸気が改質部２１に供給されているので、改質部２１の触媒が燃料ガスによりコーキングするのを確実に防止することができる。

また、改質部２１に供給された燃料ガスは、改質部２１で上述したように改質ガスに改質され、その改質ガスはＣＯシフト部２３で一酸化炭素が低減され、その改質ガスはＣＯ選択酸化部で酸化剤供給手段によって供給される酸化用エアによってさらに一酸化炭素が低減され、改質ガス供給管５１、バイパス管５３、オフガス供給管５２を介してバーナ２５に供給される。

また、ライン切り替えが完了した時点（時刻ｔ３）においては、制御装置６０は、酸化用空気バルブ３８ｂを開き、燃焼用空気ポンプ５７ａを所定供給量Ｍａ１'から所定供給量Ｍａ２となるように切り替え駆動させる。所定供給量Ｍａ２は燃料ガスの所定供給量Ｍｆ２に応じた値に設定されている。これにより、所定供給量Ｍａ２の燃焼用空気が、燃焼用空気供給管５７を介してバーナ２５に供給される。

また、制御装置６０は、ライン切り替えが完了した時点（時刻ｔ３）において、バーナ２５を着火する。したがって、ライン切り替えが完了した時点から、燃料供給源Ｓｆからの燃料ガスを改質部２１に供給して改質ガスを燃料電池１０を通さないでバーナ２５に供給して燃焼用空気で燃焼させ、その燃焼ガスにより改質部２１内の改質触媒および蒸発部２２が加熱されてさらに昇温する。

一方、制御装置６０は、ステップ１２２において、改質器２０の暖機が完了したか否かを判定する。すなわち、温度センサ２３ａによって検出したＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３ａ以上であるか否かを判定する。ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３ａ未満である場合には、「ＮＯ」と判定し、ステップ１２２の処理を繰り返し実行する。ＣＯシフト部２３の温度Ｔ３が所定温度Ｔ３ａ以上となると（時刻ｔ４）、制御装置６０は、ステップ１２２において「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１２４に進める。

制御装置６０は、ステップ１２４において、第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを開き第２改質ガスバルブ５３ａを閉じてＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口をバーナ２５に接続する。これにより、ＣＯ選択酸化部２４から導出された改質ガスは燃料極１１に供給され発電に使用される。燃料極１１からのアノードオフガスはバーナ２５に供給されて燃焼される。すなわち、起動運転が終了され、引き続いて定常運転（発電運転）が開始される。

制御装置６０は、ステップ１２６において、発電運転（定常運転）を実施する。制御装置６０は、定常運転中において、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソードエアおよび改質水を供給するように制御する。改質用燃料の供給量は、所望の出力電流に応じた供給量と改質部２１に必要な熱量に応じた供給量の合計値に設定されている。燃焼用空気の供給量および改質水の供給量は、改質用燃料の供給量に応じて決定されている。

制御装置６０は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があるまでは、ステップ１２８にて「ＮＯ」と判定し続けて定常運転を継続する。運転停止指示があると、ステップ１２８にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１３０に進めて燃料電池システムの運転を停止すべく規定の停止運転を実施する。

上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、システム起動時点（時刻ｔ０）から、燃料供給源Ｓｆからの燃料ガスが、改質部２１をバイパスする第２ラインＬ２を少なくとも介してすなわち改質部２１を通らないで燃料電池１０の燃料極１１を通って燃焼部２５に供給される（第１燃料供給制御手段；ステップ１０２）。これにより、改質部２１をバイパスする第２ラインＬ２を設けるだけの簡単な変更を既存の構造に加えた構成によって、システム停止中に燃料電池１０の燃料極１１側に流入している空気をシステム起動時点からの暖機運転中（発電運転前の起動過程）にパージするとともに、システム起動時点から燃料供給源Ｓｆからの燃料ガスを燃焼部２５で燃焼し、その燃焼ガスによって改質部２１を暖機することができる。したがって、システム全体の小型化・低コスト化を図りつつ、発電前に燃料電池１０の燃料極１１側を燃料ガスでパージし、システム起動を的確に実施することができる。

また、第１ラインＬ１上の燃料供給源Ｓｆと改質部２１との間に脱硫器３４を備え、第２ラインＬ２は第１ラインＬ１の脱硫器３４と改質部２１の間から分岐されているので、脱硫器３４を共通化することにより、システム全体を小型化することができる。

また、ライン切り替え制御手段（ステップ１１０から１１８）が、システム起動時点（時刻ｔ０）以降であって温度センサ４１ａによって検出される水蒸気温度が所定状態となった時点（時刻ｔ２）から、第２ラインＬ２を第１ラインＬ１に切り替え、第２燃料供給制御手段（ステップ１２０）が、該ライン切り替えが完了した時点以降、燃料供給源Ｓｆからの燃料ガスを第１ラインＬ１を介して改質部２１に供給するように制御する。これにより、システム起動時点（時刻ｔ０）から水蒸気が所定状態となる時点（時刻ｔ２）までの間は、改質部２１に燃料供給源Ｓｆからの燃料ガスを通過させないで同改質部２１を暖機する。そして、水蒸気が所定状態となると、十分な量の水蒸気に燃料供給源Ｓｆからの燃料ガスを混合してその混合ガスを改質部２１に供給することができる。したがって、水蒸気不足によって引き起こされる改質部２１内触媒の燃料ガスによるコーキングを確実に防止し、その結果触媒の劣化を抑制し製品寿命を延ばすことができる。

また、第２燃料供給制御手段（ステップ１２０）が第１ラインＬ１を介して改質部２１への燃料ガスの供給を開始する際に、燃焼部再着火手段（ステップ１２０）が燃焼部２５を着火するように制御するので、第１ラインＬ１に切り替えた際に燃焼部２５を確実に着火させることができる。

また、上述した実施形態においては、燃料電池１０の発電時を基準にして燃焼部２５が設計されている。すなわち、一般的には、燃料電池１０の燃料極１１からのオフガスを燃焼させる場合、排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素が低エミッションとなるように燃焼部２５が設計されている。したがって、上述したように、システム起動時点（時刻ｔ０）からしばらくの間、燃料ガスのみを燃焼部２５に供給する場合には、設計と異なる可燃ガスが供給されるので、排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素が高エミッションとなるおそれがある。これを解決するために、第１燃料供給制御手段（ステップ１０２）が、システム起動時点（時刻ｔ０）から、燃料供給源Ｓｆから第２ラインＬ２経由で供給されている燃料ガスを第１ラインＬ１、接続管５８および酸化剤ガス供給管５７を介して燃焼部２５に供給するように制御する。これにより、システム起動時点（時刻ｔ０）から燃料ガスのみを燃焼部２５に供給する場合に、その燃料ガスに酸化剤ガスを予め混合させて燃焼部２５に供給させることができる。したがって、燃料ガスのみが供給されている間、燃焼部２５から排気される排気ガスの低エミッション化を達成することができ、ひいては、システム起動から発電までに渡って燃焼部２５から排気される排気ガスの低エミッション化を達成することができる。
２）第２実施形態
次に、本発明による燃料電池システムの第２実施形態について図５および図６を参照して説明する。図５は第２実施形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図であり、図６は第２実施形態にかかる燃料電池システムの作動し示すタイムチャートである。

本第２実施形態は、第１実施形態から接続管５８、第２燃焼用燃料バルブ５８ａを削除したものである。他の構成は第１実施形態と同様であるので、同一符号を付してその説明を省略する。また、この第２実施形態による燃料電池システムの作動も第１実施形態と異なる制御のみ説明し、その他の部分は第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

具体的には、制御装置６０は、システム起動時点（時刻ｔ０）から時刻ｔ２までの間において、第１実施形態では閉じていたオフガスバルブ５２ａを開くとともに、第１改質ガスバルブ５１ａを第１実施形態と同様に閉じている。これにより、所定供給量Ｍｆ１の燃料ガスが、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料供給管３１、燃焼用燃料供給管３７、燃料電池１０の燃料極１１、およびオフガス供給管５２を介してバーナ２５に供給される。

したがって、第２実施形態によっても、システム起動時点（時刻ｔ０）から、燃料供給源Ｓｆからの燃料ガスが、改質部２１をバイパスする第２ラインＬ２を少なくとも介してすなわち改質部２１を通らないで燃料電池１０の燃料極１１を通って燃焼部２５に供給される（第１燃料供給制御手段）。これにより、改質部２１をバイパスする第２ラインＬ２を設けるだけの簡単な変更を既存の構造に加えた構成によって、システム停止中に燃料電池１０の燃料極１１側に流入している空気をシステム起動時点からの暖機運転中（発電運転前の起動過程）にパージするとともに、システム起動時点から燃料供給源Ｓｆからの燃料ガスを燃焼部２５で燃焼し、その燃焼ガスによって改質部２１を暖機することができる。したがって、システム全体の小型化・低コスト化を図りつつ、発電前に燃料電池１０の燃料極１１側を燃料ガスでパージし、システム起動を的確に実施することができる。

本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの第１実施形態の動作を示すタイムチャートである。 本発明による燃料電池システムの第２実施形態の概要を示す概要図である。 本発明による燃料電池システムの第２実施形態の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、２１…改質部、２２…蒸発部、２２ａ…温度センサ、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…バーナ（燃焼部）、３１…改質用燃料供給管、３２…燃料バルブ、３３…燃料ポンプ、３４…脱硫器、３５…改質用燃料バルブ、３７…燃焼用燃料供給管、３７ａ…第１燃焼用燃料バルブ、３８…ＣＯ酸化用空気供給管、３８ａ…酸化用空気ポンプ、３８ｂ…酸化用空気バルブ、４１…水蒸気供給管、４１ａ…温度センサ（水蒸気状態検出手段）、４２…給水管、４３…改質水ポンプ、４４…改質水バルブ、５１…改質ガス供給管、５１ａ…第１改質ガスバルブ、５２…オフガス供給管、５２ａ…オフガスバルブ、５３…バイパス管、５３ａ…第２改質ガスバルブ、５４…カソード用空気供給管、５５，５６…排気管、５７…燃焼用空気供給管、５７ａ…燃焼用空気ポンプ、５７ｂ…燃焼用空気バルブ、５８…接続管、５８ａ…第２燃焼用燃料バルブ、６０…制御装置、Ｌ１…第１ライン、Ｌ２…第２ライン。

Claims (5)

1. 燃料供給源から供給される燃料ガスを改質して改質ガスを生成して燃料電池の燃料極に供給する改質部と、
   前記燃料供給源、前記改質部および前記燃料電池の燃料極からの各可燃ガスが供給可能であり、これら可燃ガスのうち何れか少なくとも一つを燃焼しその燃焼ガスを前記改質部の加熱に利用した後で外部に排出する燃焼部と、
   前記燃料供給源を前記改質部を経由して前記燃焼部に連通する第１ラインと、
   前記第１ラインに並設されて前記改質部をバイパスして前記燃料電池の燃料極を経由して前記燃焼部に連通する第２ラインと、
   システム起動時点から、前記燃料供給源からの前記燃料ガスを少なくとも前記第２ラインを介して前記燃焼部に供給するように制御する第１燃料供給制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記第１ライン上の前記燃料供給源と前記改質部との間に脱硫器を備え、前記第２ラインは前記第１ラインの前記脱硫器と前記改質部の間から分岐されたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、水蒸気供給源からの水蒸気を前記改質部へ供給する水蒸気供給手段と、
   前記改質部へ供給される水蒸気の状態を検出する水蒸気状態検出手段と、
   前記システム起動時点以降であって前記水蒸気状態検出手段によって検出される水蒸気状態が所定状態となった時点から、前記第２ラインを前記第１ラインに切り替えるライン切り替え制御手段と、
   該ライン切り替えが完了した時点以降、前記燃料供給源からの前記燃料ガスを前記第１ラインを介して前記改質部に供給するように制御する第２燃料供給制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３において、前記第２燃料供給制御手段が前記第１ラインを介して前記改質部への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃焼部を着火するように制御する燃焼部再着火手段をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、酸化剤ガスを前記燃焼部へ供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記第１ラインから分岐して前記酸化剤ガス供給手段に連通する接続管と、を備えてなり、
   前記第１燃料供給制御手段は、前記システム起動時点から、前記燃料供給源から前記第２ライン経由で供給されている前記燃料ガスを前記第１ライン、前記接続管および前記酸化剤ガス供給手段を介して前記燃焼部に供給するように制御することを特徴とする燃料電池システム。

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