JP2008108546A - 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、燃料電池の燃料極に改質ガスと異なる可燃性燃料が存在している場合、その存在している可燃性燃料が燃焼部に供給されても、燃焼部からの排気ガスのエミッションの悪化を防止する。
【解決手段】制御装置は、燃料電池の燃料極に改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が存在している場合、燃料極からのオフガスを燃焼部に供給するに際して、その存在している改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が燃焼部に供給されることを考慮して、燃焼部の燃焼を調整する（ステップ１１０）。
【選択図】 図３

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、燃料電池システムにおいて、システムを停止する際に改質器３０や燃料電池４０をパージするときには、調節弁３８を閉成して改質器３０に供給される改質原料としての都市ガスに水蒸気を供給するのを停止し、調節弁４７を閉成すると共に調節弁４８を開成して都市ガスにより燃料電池４０から押し出されるガスを燃焼器４８に導いて燃焼して排気する。そして、改質器３０やＣＯ選択酸化部３４，燃料電池４０のパージが完了するのを待って調節弁２８を閉成すると共に調節弁４８を閉成してパージ処理を完了する。これにより、改質原料に用いる都市ガスをパージ用のガスとして用いて改質器３０や燃料電池４０をパージするようになっている。
特開２００３−２２９１５６号公報

燃料電池システムにおいては、一般的に、起動運転時であって改質器３０の暖機が完了していない場合には、改質ガス中の一酸化炭素濃度が高く燃料電池４０の触媒にダメージを与えるのを防止するため、改質器３０からの改質ガスを燃料電池４０を迂回させて燃焼器４８に導いて燃焼するようになっている。そして、改質器３０の暖機が完了すると、改質ガス中の一酸化炭素濃度が低くなるので改質器３０からの改質ガスを燃料電池４０に供給するとともに燃料電池４０の燃料極からのオフガスを燃焼器４８に導いて燃焼するように切り替えるようになっている。

上述した特許文献１に記載の燃料電池システムのように、燃料電池４０の燃料極に都市ガスが存在している場合において、前述した燃焼器４８への可燃性燃料の切り替えを実施すると、それまで燃焼器４８へ供給されていた改質ガスと異なるオフガスが燃焼器４８に突然供給されるので、可燃性燃料に応じた適切な空気比が維持できなくなり、燃焼器４８からの排気ガスのエミッションが悪化するという問題があった。

本発明は、上述した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、燃料電池の燃料極に改質ガスと異なる可燃性燃料が存在している場合、その存在している可燃性燃料が燃焼部に供給されても、燃焼部からの排気ガスのエミッションの悪化を防止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、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、改質用燃料供給手段によって供給される改質用燃料から燃料ガスを生成する改質部と、燃焼用燃料供給手段によって供給される燃焼用燃料、改質部から供給される燃料ガス、および燃料極から供給されるオフガスの少なくとも何れかの可燃性燃料を、燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって改質部を加熱する燃焼部と、燃料電池の燃料極に改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方を供給する供給手段と、燃料電池の燃料極に改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が存在している場合、燃料極からのオフガスを燃焼部に供給するに際して、その存在している改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が燃焼部に供給されることを考慮して、燃焼部の燃焼を調整する燃焼調整手段を含んだ制御装置と、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、燃焼調整手段は、改質用燃料供給手段または燃焼用燃料供給手段を制御して、燃料極に存在している燃焼用燃料または改質用燃料が燃焼部に供給されない場合に比べて、改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給量を減少させることである。

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、燃焼調整手段は、燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御して、燃料極に存在している改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が燃焼部に供給されない場合に比べて、燃焼用酸化剤ガスの供給量を増加させることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、燃料電池の燃料極への改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給は、当該燃料電池システムの起動時、運転停止中および運転停止時の少なくとも何れかに実施されることである。

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、当該燃料電池システムの起動モードから発電モードへの移行モードにおいて、燃焼調整手段は燃焼部の燃焼を調整することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、制御装置は、燃料電池の燃料極に改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が存在している場合、燃料極からのオフガスを燃焼部に供給するに際して、その存在している改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が燃焼部に供給されることを考慮して、燃焼部の燃焼を調整する（燃焼調整手段）。したがって、それまで燃焼部へ供給されていた可燃性燃料と異なる、燃料電池の燃料極に存在している可燃性燃料が燃焼部に突然供給されても、燃料電池の燃料極に存在している可燃性燃料が燃焼部に供給されることを考慮して燃焼部の燃焼が調整されるので、可燃性燃料に応じた適切な空気比を維持し、燃焼部からの排気ガスのエミッションの悪化を防止することができる。

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、燃焼調整手段は、改質用燃料供給手段または燃焼用燃料供給手段を制御して、燃料極に存在している燃焼用燃料または改質用燃料が燃焼部に供給されない場合に比べて、改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給量を減少させる。これにより、燃料電池の燃料極に存在している可燃性燃料が燃焼部に供給されるとその分が燃焼部に供給される可燃性燃料の総供給量が増大するが、燃焼部に供給される改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給量が減少されるので、燃焼部に供給される可燃性燃料の総供給量を変化させることなく燃焼部の燃焼が適切に調整される。

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、燃焼調整手段は、燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御して、燃料極に存在している改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が燃焼部に供給されない場合に比べて、燃焼用酸化剤ガスの供給量を増加させる。これにより、燃料電池の燃料極に存在している可燃性燃料が燃焼部に供給されるとその分が燃焼部に供給される可燃性燃料の総供給量が増大するが、燃焼用酸化剤ガスの供給量も増大するので、空燃比を適切に維持することにより燃焼部の燃焼が適切に調整される。

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１乃至請求項３の何れか一項において、燃料電池の燃料極への改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給は、当該燃料電池システムの起動時、運転停止中および運転停止時の少なくとも何れかに実施される。これにより、燃料電池の燃料極を改質用燃料や燃焼用燃料でパージした後に、燃料電池の燃料極に改質ガスと異なる可燃性燃料が存在している場合、その存在している可燃性燃料が燃焼部に供給されても、燃焼部からの排気ガスのエミッションの悪化を防止することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、当該燃料電池システムの起動モードから発電モードへの移行モードにおいて、燃焼調整手段は燃焼部の燃焼を調整するので、燃焼部に供給される可燃性燃料に応じた適切な空気比が維持でき、燃焼部からの排気ガスのエミッションの悪化を防止することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一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（燃料ガス）を生成する改質装置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間に介在されたイオン交換膜からなる電解質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。

改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、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、冷却部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、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、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、改質用燃料に水蒸気が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。この改質部２１は、ステンレスで形成されている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（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が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

また、改質部２１内には、改質部２１内の温度例えば燃焼部２５との間の壁付近の温度（ＴＲ）を測定する温度センサ２１ｃが設けられている。温度センサ２１ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。

具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されている。燃料供給管４１には、上流から順番に改質用燃料ポンプ４２および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は燃料供給管４１を開閉するものである。改質用燃料ポンプ４２は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。また、燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。

ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

また、ＣＯシフト部２３内には、ＣＯシフト部２３内の温度を測定する温度センサ２３ｃが設けられている。温度センサ２３ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。

ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ選択酸化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ選択酸化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。

また、ＣＯ選択酸化部２４内には、ＣＯ選択酸化部２４内の温度を測定する温度センサ２４ｂが設けられている。温度センサ２４ｂの検出結果は制御装置３０に送信されている。

このＣＯ選択酸化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ選択酸化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。

したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

燃焼部２５は、燃焼用燃料ポンプ４５によって供給される燃焼用燃料、改質部２１から供給される改質ガス、および燃料電池１０の燃料極１１から供給されるオフガスの少なくとも何れかの可燃性燃料を、燃焼用空気ポンプ６５によって供給される燃焼用空気により燃焼してその燃焼ガスによって改質部２１を加熱するものである。この燃焼部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り、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。燃焼用燃料は改質用燃料と同様の可燃性燃料である。

燃焼部２５には、図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されるとともに、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７２の他端が接続されている。基本的には、燃料電池１０の起動当初、燃焼用燃料が燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の起動運転中、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を経由しないで燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の定常運転中、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）が燃焼部２５に供給されるようになっている。また、改質ガスやオフガスの不足分を燃焼用燃料で補っている。なお、燃焼用燃料で補う必要がないように制御することもある。

また、燃焼部２５には、燃焼用空気供給管６４が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガスを燃焼（酸化）させるための燃焼用空気が大気から供給されるようになっている。

なお、燃焼用燃料供給管４４には上流から順番に燃焼用燃料ポンプ４５および燃焼用燃料バルブ４６が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４５は燃焼用燃料を供給しその供給量を調整する燃焼用燃料供給手段である。燃焼用燃料バルブ４６は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。また、燃焼用空気供給管６４には上流から順番に燃焼用空気ポンプ６５および燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気を供給しその供給量を調整する燃焼用酸化剤ガス供給手段である。燃焼用空気バルブ６６は燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。

このように構成された燃焼部２５は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部２１および蒸発部２６をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路２７は、改質部２１の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部２１の外周壁と断熱部２８との間に当接して配設され、折り返されて断熱部２８と蒸発部２６の間に当接して配設された流路である。

蒸発部２６は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を覆って当接して設けられている。

この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク（図示省略）に接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ選択酸化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２１へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉するものである。

また、蒸発部２６には、蒸発部２６内の水蒸気の温度（ＴＳ）を検出する温度センサ２６ａが設けられている。温度センサ２６ａの検出結果は制御装置３０に送信されている。なお、水蒸気の温度が検出できれば、例えば冷却部２２の入口付近や、蒸発部２６と冷却部２２との間の水蒸気供給管５１に温度センサ２６ａを設けるようにしてもよい。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。

また、改質ガス供給管７１には、第１改質ガスバルブ７４と燃料電池１０との間に改質用燃料供給管９１の一端が接続されている。改質用燃料供給管９１の他端は、改質用燃料ポンプ４２と改質用燃料バルブ４３との間の改質用燃料供給管４１に接続されている。この改質用燃料供給管９１には、バルブ９２が設けられている。これにより、バルブ９２を開け改質用燃料ポンプ４２が駆動されると燃料電池１０の燃料極１１に改質用燃料が供給される。改質用燃料供給管９１、バルブ９２および改質用燃料ポンプ４２から改質用燃料供給手段（特許請求の範囲の「供給手段」である。）が構成されている。なお、改質用燃料供給管９１の他端を燃焼用燃料供給管４４の燃焼用燃料ポンプ４５と燃焼用燃料バルブ４６との間に接続して、燃焼用燃料を燃料電池１０の燃料極１１に供給するように、改質用燃料供給管９１の代わりに燃焼用燃料供給管としてもよい。この場合、この燃焼用燃料供給管、バルブ９２および燃焼用燃料ポンプ４５から燃焼用燃料供給手段（特許請求の範囲の「供給手段」である。）が構成されている。

起動運転中には、改質装置２０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７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）中には、改質装置２０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７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６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６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。

また、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２６ａ、各ポンプ４２，４５，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４６，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６，９２、および燃焼部２５が接続されている（図３参照）。制御装置３０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、温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２６ａからの温度に基づいて、各ポンプ４２，４５，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４６，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６，９２、および燃焼部２５を制御することにより、燃料電池システムの運転を実施している。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。

上述した燃料電池システムの作動について図３〜図７を参照して説明する。制御装置３０は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの暖機運転（起動運転）を開始する（ステップ１０２）。具体的には、制御装置３０は、プログラムを図４に示す暖機運転ルーチンに進め、この暖機運転ルーチンにて改質装置２０の暖機運転を実施する。

制御装置３０は、このルーチンを開始するごとにステップ２０２以降の処理を実行する。制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開いてＣＯ選択酸化部２４を燃焼部２５に直接接続する（ステップ２０２）。

そして、制御装置３０は、燃焼用空気バルブ６６を開き燃焼用空気ポンプ６５を駆動して、燃焼部２５に燃焼用空気を予め設定されている規定流量Ｃ１（例えば２０ＮＬ／ｍｉｎ）で供給する（ステップ２０４）。制御装置３０は、燃焼部２５に内蔵のイグナイタ（図示省略）を通電する（ステップ２０６。イグナイタの代わりにグロープラグでもよい。）。

制御装置３０は、燃焼用燃料バルブ４６を開き燃焼用燃料ポンプ４５を駆動して、燃焼部２５に燃焼用燃料を予め設定されている規定流量Ｂ１（例えば、１．６ＮＬ／ｍｉｎ）で供給する（ステップ２０８）。これにより、燃焼部２５は着火する。

さらに、制御装置３０は、着火検知またはイグナイタ通電した時点から所定時間経過後にイグナイタ通電を停止する（ステップ２１０）。このように燃焼部２５において燃焼用燃料の燃焼が開始される。

制御装置３０は、燃焼部２５の目標燃焼状態である目標温度を第１目標燃焼状態である第１目標温度（例えば８００℃）に設定する（ステップ２１２）。この第１目標温度は定常運転（通常発電モード）に設定される第２目標温度（例えば７００℃）より高い温度である。これは次の理由による。すなわち、暖機運転ではできるだけ早期に改質装置２０を暖機したいため、改質触媒２１ｂの耐熱温度を考慮してできるだけ高温で加熱する必要がある。また、第２目標温度は改質触媒２１ｂの活性温度を考慮して最適な温度に設定されている。

そして、制御装置３０は、温度センサ２１ｃにより燃焼部２５の燃焼温度（壁面温度）を検出し（ステップ２１４）、燃焼用燃料ポンプ４８をフィードバック制御して検出した燃焼部２５の燃焼温度を先に設定した第１目標温度となるように調整する（ステップ２１６）。これにより、燃焼用燃料が燃焼されその燃焼ガスが燃焼ガス流路２７を流通して、その燃焼ガスにより改質部２１内の改質触媒２１ａおよび蒸発部２６が加熱される。

制御装置３０は、燃焼部２５の壁面温度（温度センサ２１ｃの温度）が所定温度ＴＲ１に到達すると（時刻ｔ１）、ステップ２１８で「ＹＥＳ」と判定し、改質用燃料で燃料電池１０の燃料極１１を所定時間（例えば５分）だけパージするとともに、改質水を供給する（ステップ２２０）。なお、所定温度ＴＲ１は、燃焼部２５の火炎が安定する温度であり、本実施形態では約３００℃である。具体的には、制御装置３０は、バルブ９２およびオフガスバルブ７５を開き改質用燃料ポンプ４２を規定流量（例えば１ＮＬ／ｍｉｎ）で駆動するとともに、水バルブ５４を開き水ポンプ５３を駆動させ改質水を所定流量だけ蒸発部２６を介して改質部２１に供給する。

このパージは次の理由による。後述するように、燃料電池システムの運転を停止する際に実施する停止運転では、燃料電池１０、改質装置２０に残存する改質ガスや改質用燃料を外部に排出した後に、各バルブを閉じて密封している。発電停止後、時間の経過にしたがって燃料電池１０が降温するとともに、燃料極１１内に残存する水素が僅かではあるが電解質１３を通って空気極１２に流出するので、密封された燃料電池１０の燃料極１１内の圧力は低下して負圧となる。負圧を防止するために、発電停止後から所定時間（例えば１時間）経過した時点に改質用燃料で燃料電池１０の燃料極１１を封入している（負圧分を補充する）。封入後バルブ９２は閉じられ密封される。しかし、燃料電池１０はまだ高温であるため、密封された燃料電池１０の燃料極１１内の圧力は低下して負圧となる。このとき、次回の運転開始まで、負圧状態が継続するので、燃料電池１０の燃料極１１内は密封されているとはいえ、大気中の空気が電解質膜１３などから侵入する。この侵入した空気をパージするために、起動時に改質用燃料で燃料電池１０の燃料極１１を所定時間（例えば５分）だけパージする。なお、パージが終了すると、制御装置３０は、改質用燃料ポンプ４２の駆動を停止し、バルブ９２およびオフガスバルブ７５を閉じる。

制御装置３０は、燃焼部２５の壁面温度（温度センサ２１ｃの温度）が所定温度ＴＲ２に到達すると（時刻ｔ２）、ステップ２２２で「ＹＥＳ」と判定し、燃焼用燃料ポンプ４５を制御して燃焼用燃料の供給量を徐々に減少させ最終的に供給を停止する（ステップ２２４）。なお、所定温度ＴＲ２は、燃焼部２５の耐久限界温度であり、本実施形態では約６００℃である。

制御装置３０は、温度センサ２６ａにより蒸発部２６の温度を検出し、この検出した温度が所定温度ＴＳ１以上となれば（時刻ｔ３）、ステップ２２６で「ＹＥＳ」と判定し改質水を増量する（ステップ２２８）。

次に制御装置３０は、改質用燃料を供給する（ステップ２３０）。具体的には、制御装置３０は、改質用燃料バルブ４３を開き改質用燃料ポンプ４２を駆動させ改質用燃料を所定流量（例えば１．２ＮＬ／ｍｉｎ）だけ改質部２１に供給する。改質用燃料の供給は、改質水供給開始から時間をおいて開始するようにしてもよい。

さらに、制御装置３０は、改質用燃料供給から所定時間経過後、酸化用空気をＣＯ選択酸化部２４に供給する（ステップ２３２）。具体的には、制御装置３０は、酸化用空気バルブ６３を開き酸化用空気ポンプ６２を駆動させ酸化用空気を所定流量だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。

これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃料電池１０を経由しないで（迂回して）燃焼部２５に直接供給され燃焼される。

そして、制御装置３０は、ステップ２３２の処理を実行した後、プログラムをステップ２３４に進めてこのルーチンを終了し、図３に示すステップ１０４に進める。

このように改質ガスの生成中において、制御装置３０は、ステップ１０４にて各温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂにより改質部２１、ＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４の温度をそれぞれ検出する。そして、各温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂにより検出した温度がそれぞれの所定温度未満であれば、改質装置２０の暖機は完了していないと判定しステップ１０４の処理を繰り返し実行する。一方、各温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂにより検出した温度がそれぞれの所定温度以上となれば（時刻ｔ４）、改質装置２０の暖機が完了したと判定しプログラムをステップ１０６に進める。これにより、改質装置２０を暖機する改質装置暖機モードが終了しＦＣ結合制御モードが開始する。ＦＣ結合制御モードは、改質装置暖機モードから燃料電池１０が通常に発電する通常発電モードに移行する制御モードである。

制御装置３０は、ステップ１０６において、改質装置２０の暖機が完了した時点以降に、先にステップ２１２で第１目標温度に設定した燃焼部目標温度を第２目標温度に変更する。これにより、制御装置３０は、温度センサ２１ｃにより燃焼部２５の燃焼温度を検出し、燃焼用燃料ポンプ４８をフィードバック制御して検出した燃焼部２５の燃焼温度（温度センサ２１ｃの温度）を設定した第２目標温度となるように調整する。したがって、改質部２１の温度が改質触媒２１ｂの活性温度に降温される。

また、制御装置３０は、改質装置２０の暖機が完了した時点（時刻ｔ４）以降に、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開く（ステップ１０８）。これにより、時刻ｔ４にて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の導出口を燃焼部２５に接続する。これにより、改質部２１で生成した燃料ガスは、第１流路（燃料電池１０を経由する流路）と第２流路（燃料電池１０を経由しない流路）の両方を通って燃焼部２５に供給される。

さらに、制御装置３０は、燃焼用空気ポンプ６５を制御して燃焼用空気の供給量を増大させる（ステップ１１０）。その供給量は、燃料極１１に存在している改質用燃料（または燃焼用燃料）が燃焼部２５に供給されない場合に比べて大きい値に設定されている。例えば、４０ＮＬ／ｍｉｎから５０ＮＬ／ｍｉｎに増大する。このとき、供給する燃焼用空気はできるだけ多いほうがよいので、燃焼用空気ポンプ６５の最大吐出量に設定するのが好ましい。さらに、制御装置３０は、改質用燃料ポンプ４２を制御して改質用燃料の供給量を減少させる（ステップ１１０）。その供給量は、燃料極１１に存在している改質用燃料（または燃焼用燃料）が燃焼部２５に供給されない場合に比べて小さい値に設定されている。例えば、１．２ＮＬ／ｍｉｎから０．８ＮＬ／ｍｉｎに減少する。

この場合、燃焼用空気の供給量はポンプの最大吐出量までしか増量できないので、それでも目標空燃比とならない場合には、改質用燃料の供給量を減少させて目標空燃比とすることができるので有効である。

また、ステップ１１０では、燃焼用空気の増大と改質用燃料の減少の両方を実施したが、何れか一方を実施するようにしてもよい。

制御装置３０は、改質装置２０の暖機が完了した時点（時刻ｔ４；第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開いた時点）から第１所定時間Ｔ１（例えば５秒）が経過した時点（時刻ｔ５）までの間、ステップ１１２で「ＮＯ」と判定し、燃焼用空気の供給量を徐々に減少させる（ステップ１１４）。そして、制御装置３０は、改質装置２０の暖機が完了した時点（時刻ｔ４）から第１所定時間Ｔ１が経過すると（時刻ｔ５）、ステップ１１２で「ＹＥＳ」と判定し、第２改質ガスバルブ７６を閉じる（ステップ１１６）。

制御装置３０は、改質装置２０の暖機が完了した時点（時刻ｔ４）から第２所定時間Ｔ２（例えば１００秒）が経過した時点（時刻ｔ６）までの間、ステップ１１８で「ＮＯ」と判定し、改質用燃料を固定値（ステップ１１０で設定した値；０．８ＮＬ／ｍｉｎ）で供給を継続するとともに、ステップ１１４と同様に燃焼用空気の供給量を徐々に減少させる（ステップ１２０）。そして、制御装置３０は、改質装置２０の暖機が完了した時点（時刻ｔ４）から第２所定時間Ｔ２が経過すると（時刻ｔ６）、ステップ１１８で「ＹＥＳ」と判定し、改質用燃料ポンプ４２を駆動して燃料利用率を通常発電中の所定値となる供給量（例えば１．０ＮＬ／ｍｉｎ）で改質用燃料を供給する（ステップ１２２）。

制御装置３０は、改質装置２０の暖機が完了した時点（時刻ｔ４）から第３所定時間Ｔ３（例えば１５０秒）が経過した時点（時刻ｔ７）までの間、ステップ１２４で「ＮＯ」と判定し、ステップ１１４と同様に燃焼用空気の供給量を徐々に減少させる（ステップ１２６）。そして、制御装置３０は、改質装置２０の暖機が完了した時点（時刻ｔ４）から第３所定時間Ｔ３が経過すると（時刻ｔ７）、ステップ１２４で「ＹＥＳ」と判定し、燃焼用空気ポンプ６４を駆動して通常発電中の供給量（例えば２０ＮＬ／ｍｉｎ）で燃焼用空気を供給する（ステップ１２８）。

制御装置３０は、運転停止指示があるまで、ステップ１３０，１３２の処理を繰り返して実行する。すなわち、制御装置３０は、改質装置２０で生成される水素量が所定量となるようにすなわち燃料電池システムの出力電流が電力使用場所で消費される電流・電力に基づいて決定される所望の出力電流となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている（ステップ１３０）。そして、制御装置３０は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があると、燃料電池システムを停止する（ステップ１３２，１３４）。

制御装置３０は、ステップ１３４において、燃料電池システムの停止処理（停止運転）を行う。具体的には、制御装置３０は、プログラムを図５に示す停止運転ルーチンに進め、この停止運転ルーチンにて改質装置２０の停止運転を実施する。

制御装置３０は、このルーチンを開始するごとにステップ３０２以降の処理を実行する。制御装置３０は、改質用燃料ポンプ４２の駆動を停止し改質用燃料の供給を停止し、改質用燃料バルブ４３を閉じる（ステップ３０２）。制御装置３０は、改質水ポンプ５３の駆動を停止し改質水の供給を停止し、改質水バルブ５４を閉じる（ステップ３０４）。制御装置３０は、酸化用空気ポンプ６２の駆動を停止し酸化用空気の供給を停止し、酸化用空気バルブ６３を閉じる（ステップ３０６）。制御装置３０は、燃焼用燃料ポンプ４５の駆動を停止し燃焼用燃料の供給を停止し、燃焼用燃料バルブ４６を閉じる（ステップ３０８）。制御装置３０は、燃焼用空気ポンプ６５の駆動を停止し燃焼用空気の供給を停止し、燃焼用空気バルブ６６を閉じる（ステップ３１０）。そして、制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４、オフガスバルブ７５、第２改質ガスバルブ７６、バルブ９２を閉じる。これにより、燃料電池１０の発電が停止される。

そして、制御装置３０は、燃料電池１０の発電が停止した時点（時刻１１）から所定時間（例えば１時間）経過した時点で、改質用燃料を封入する（ステップ３１６）。具体的には、制御装置３０は、バルブ９２のみを開き改質用燃料ポンプ４２を駆動させて燃料電池１０の燃料極１１に改質用燃料を供給する。これにより、発電停止後、時間の経過にしたがって燃料電池１０が降温するとともに、燃料極１１内に残存する水素が僅かではあるが電解質１３を通って空気極１２に流出するので、密封された燃料電池１０の燃料極１１内の圧力は低下して負圧となる。改質用燃料の供給により、負圧分が補充され燃料電池１０の燃料極１１内の圧力が発電停止時の値に戻る。なお、封入後、改質用燃料ポンプ４２の駆動が停止されバルブ９２は閉じられ密封される。

上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、制御装置３０は、燃料電池１０の燃料極１１に改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が存在している場合、燃料極１１からのオフガスを燃焼部に供給するに際して、その存在している改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が燃焼部２５に供給されることを考慮して、燃焼部２５の燃焼を調整する（ステップ１１０；燃焼調整手段）。したがって、それまで燃焼部２５へ供給されていた可燃性燃料と異なる、燃料電池１０の燃料極１１に存在している可燃性燃料が燃焼部２５に突然供給されても、燃料電池１０の燃料極１１に存在している可燃性燃料が燃焼部２５に供給されることを考慮して燃焼部２５の燃焼が調整されるので、可燃性燃料に応じた適切な空気比（空燃比）を維持し、燃焼部２５からの排気ガスのエミッションの悪化を防止することができる。

また、燃焼調整手段は、改質用燃料供給手段である改質用燃料ポンプ４２または燃焼用燃料供給手段である燃焼用燃料ポンプ４２を制御して、燃料極１１に存在している燃焼用燃料または改質用燃料が燃焼部に供給されない場合に比べて、改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給量を減少させる。これにより、燃料電池１０の燃料極１１に存在している可燃性燃料が燃焼部２５に供給されるとその分が燃焼部２５に供給される可燃性燃料の総供給量が増大するが、燃焼部２５に供給される改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給量が減少されるので、燃焼部２５に供給される可燃性燃料の総供給量を変化させることなく燃焼部２５の燃焼が適切に調整される。

また、燃焼調整手段は、燃焼用酸化剤ガス供給手段である燃焼用空気ポンプ６５を制御して、燃料極１１に存在している改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が燃焼部２５に供給されない場合に比べて、燃焼用酸化剤ガスの供給量を増加させる。これにより、燃料電池１０の燃料極１１に存在している可燃性燃料が燃焼部２５に供給されるとその分が燃焼部２５に供給される可燃性燃料の総供給量が増大するが、燃焼用酸化剤ガスの供給量も増大するので、空燃比を適切に維持することにより燃焼部２５の燃焼が適切に調整される。

また、燃料電池１０の燃料極１１への改質用燃料および燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給は、当該燃料電池システムの起動時、運転停止中および運転停止時の少なくとも何れかに実施される。これにより、燃料電池１０の燃料極１１を改質用燃料や燃焼用燃料でパージした後に、燃料電池１０の燃料極１１に改質ガスと異なる可燃性燃料が存在している場合、その存在している可燃性燃料が燃焼部２５に供給されても、燃焼部２５からの排気ガスのエミッションの悪化を防止することができる。起動時とは、改質装置２０の暖機時、暖機中のこと（ステップ１０２）であり、運転停止中とは、運転停止ルーチンにて燃焼部２５の冷却中のこと（ステップ３００からステップ３１４で「ＹＥＳ」となるまで）であり、運転停止時とは、燃焼部２５の冷却後のこと（ステップ３１６）である。

また、当該燃料電池システムの起動モードである暖機モードから発電モードである通常発電モードへの移行モードであるＦＣ結合制御モードにおいて、燃焼調整手段は燃焼部２５の燃焼を調整するので、燃焼部２５に供給される可燃性燃料に応じた適切な空気比（空燃比）が維持でき、燃焼部２５からの排気ガスのエミッションの悪化を防止することができる。起動モードは、改質装置２０に起動指令が出てから燃料電池１０の燃料極１１（アノード）に燃料ガスが供給されるまで（改質装置暖機モード）であり、発電モードは、燃料電池１０の燃料極１１に燃料ガスが供給されてから停止処理命令がでるまで（改質装置２０の通常発電モード）である。

本発明による燃料電池システムの一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に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される暖機運転ルーチンの制御プログラムのフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される停止運転ルーチンの制御プログラムのフローチャートである。 図３に示すフローチャートによる燃料電池システムの動作のうち改質装置暖機モード、ＦＣ結合制御モードおよび通常発電モードの推移を示すタイムチャートである。 図３に示すフローチャートによる燃料電池システムの動作のうち発電停止後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（酸化剤極）、２０…改質装置、２１…改質部、２１ｃ…温度センサ、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２３ｃ…温度センサ、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２４ｂ…温度センサ、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２６ａ…温度センサ、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、３０…制御装置、４１…燃料供給管、４２…改質用燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料ポンプ、４６…燃焼用燃料バルブ、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…燃焼用空気ポンプ、６６…燃焼用空気バルブ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、８１，８２…排気管、８９…接続管、９１…改質用燃料供給管、９２…バルブ。

Claims (5)

1. 燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
   改質用燃料供給手段によって供給される改質用燃料から前記燃料ガスを生成する改質部と、
   燃焼用燃料供給手段によって供給される燃焼用燃料、前記改質部から供給される前記燃料ガス、および前記燃料極から供給されるオフガスの少なくとも何れかの可燃性燃料を、燃焼用酸化剤ガス供給手段によって供給される燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって前記改質部を加熱する燃焼部と、
   前記燃料電池の燃料極に前記改質用燃料および前記燃焼用燃料の少なくとも何れか一方を供給する供給手段と、
   前記燃料電池の燃料極に前記改質用燃料および前記燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が存在している場合、前記燃料極からのオフガスを前記燃焼部に供給するに際して、その存在している前記改質用燃料および前記燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が前記燃焼部に供給されることを考慮して、前記燃焼部の燃焼を調整する燃焼調整手段を含んだ制御装置と、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、前記燃焼調整手段は、前記改質用燃料供給手段または前記燃焼用燃料供給手段を制御して、前記燃料極に存在している前記燃焼用燃料または前記改質用燃料が前記燃焼部に供給されない場合に比べて、前記改質用燃料および前記燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給量を減少させる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、前記燃焼調整手段は、前記燃焼用酸化剤ガス供給手段を制御して、前記燃料極に存在している前記改質用燃料および前記燃焼用燃料の少なくとも何れか一方が前記燃焼部に供給されない場合に比べて、前記燃焼用酸化剤ガスの供給量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記燃料電池の燃料極への前記改質用燃料および前記燃焼用燃料の少なくとも何れか一方の供給は、当該燃料電池システムの起動時、運転停止中および運転停止時の少なくとも何れかに実施される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、当該燃料電池システムの起動モードから発電モードへの移行モードにおいて、前記燃焼調整手段は前記燃焼部の燃焼を調整することを特徴とする燃料電池システム。

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