(57)【要約】【課題】燃料電池における急激な負荷変動等が発生した場合であっても、触媒燃焼器及びその後段のデバイスを劣化させることなく、アノードオフガス中の可燃性成分を完全燃焼させること。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電するＳＯＦＣ（１０）と、ＳＯＦＣから排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる触媒燃焼器（３０）と、触媒燃焼器の出口部（３０Ｂ）の近傍の温度を検出する温度センサ（３３）と、この温度センサで検出された温度に応じて触媒燃焼器内の温度を調整する調整機構と、を有する構成とした。【選択図】図１
2020123509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器の出口部の近傍の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサで検出された温度に応じて前記触媒燃焼器内の温度を調整する調整機構と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記調整機構は、前記固体酸化物形燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器の出口部と、前記触媒燃焼器の入口部又は前記触媒燃焼器内とを連結するバイパスラインと、
前記バイパスラインにおける前記酸化剤ガスの流量を調整する調整弁と、
前記調整弁の開度を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記温度センサで検出された温度に応じて前記調整弁の開度を制御す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。
【請求項３】
前記触媒燃焼器は、前記触媒燃焼器の前段に配置され、第１の温度以下で一定以上の燃焼反応を起こす第１の触媒と、前記触媒燃焼器の後段に配置され、前記第１の温度よりも高温の第２の温度以上で一定以上の燃焼反応を起こす第２の触媒とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の出口部の近傍の温度を検出する温度センサと、前記温度センサで検出された温度に応じて前記触媒燃焼器内の温度を調整する調整機構と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記温度センサで前記触媒燃焼器の出口部の近傍の温度を検出するステップと、
前記温度センサで検出された温度に応じて前記調整機構で前記触媒燃焼器内の温度を調整するステップと、を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。
【０００３】
特許文献１には、ＳＯＦＣから排出された燃料オフガス（オフガス水素）を燃焼する２つの触媒を備え、双方の触媒で順次に燃料オフガスを燃焼させる場合と、一方の触媒のみでアノードオフガスを燃焼させる場合とを切り替える燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、燃料オフガスの少ない燃料電池の定格運転時と非定格運転時とで使用する触媒の数を切り替えることで、触媒の消耗を抑制しつつ、効率的に熱交換を行っている。
【０００４】
特許文献２には、触媒燃焼器を、例えば白金系の低温着火性の高い触媒と、パラジウム系の高温耐久性の高い触媒との二段以上の構成として、燃料オフガス中の可燃性成分の完全燃焼を補助する燃料電池用触媒燃焼器の燃焼制御装置が開示されている。この燃料制御装置では、各触媒の出口温度を計測して、負荷の急減時や過負荷時に過昇温とならないように触媒燃焼器の入口空気及び入口燃料の流量を三方弁により調節して、触媒燃焼器の出口温度を一定に保ち、触媒燃焼器の高耐久化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５９２８２０６号公報
【特許文献２】特許第２５３３６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、制御部が、燃料電池の定格運転時と非定格運転時とで使用する触媒の数を切り替えている。このため、燃料電池における急激な負荷変動や負荷減少が発生すると、制御部による切替え制御が間に合わず、余剰の燃料オフガスが燃焼されることなく排出される事態が発生し得る。一般に、未燃焼の燃料オフガスには、可燃性成分の水素や有毒な一酸化炭素、温暖化係数の高い炭化水素が含まれるため、排出されることは好ましくない。
【０００７】
また、特許文献２に記載の燃焼制御装置では、酸化剤オフガス及び燃料オフガスについて、それぞれ触媒燃焼器の入口部に温度調節用の流量制御弁が設けられている。このような流量制御弁は、耐熱性の高いものであっても、４５０℃程度のガス温度が限界であり、より高いガス温度の流通が想定されるＳＯＦＣを用いた燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）には適用することが困難である。一般に、発電の動作温度が高いＳＯＦＣシステムにおいても、触媒燃焼器やその後段の構成の劣化を抑制するために、触媒燃焼器の温度を適正に調整することが要請されている。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、燃料電池における急激な負荷変動等が発生した場合であっても、触媒燃焼器及びその後段の構成を劣化させることなく、燃料オフガス中の可燃性成分を完全燃焼させることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の出口部の近傍の温度を検出する温度センサと、前記温度センサで検出された温度に応じて前記触媒燃焼器内の温度を調整する調整機構と、を有することを特徴としている。
【００１０】
本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の出口部の近傍の温度を検出する温度センサと、前記温度センサで検出された温度に応じて前記触媒燃焼器内の温度を調整する調整機構と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記温度センサで前記触媒燃焼器の出口部の近傍の温度を検出するステップと、前記温度センサで検出された温度に応じて前記調整機構で前記触媒燃焼器内の温度を調整するステップと、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池における急激な負荷変動等が発生した場合であっても、触媒燃焼器及びその後段の構成を劣化させることなく、燃料オフガス中の可燃性成分を完全燃焼させることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態による燃料電池システムにおける運転方法を説明するためのフロー図である。
【図３】図２に示す運転方法を実施した際における燃料電池システムの運転パラメータの一例の説明図である。
【図４】第２の実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
以下、本実施形態に係る燃料電池システム１について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態による燃料電池システム１を示すブロック図である。図１においては、説明の便宜上、本発明に関連する構成要素のみを示している。図１においては、燃料ガスや酸化剤ガス等の流体の流路を実線で示し、燃料電池システム１の制御信号の信号線を破線で示している。なお、ＳＯＦＣ１０内の流体の流路は、便宜上、一点鎖線で示している。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池モジュール（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cellモジュール）１０を有している。ＳＯＦＣモジュール（以下、単に「ＳＯＦＣ」という）１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは、空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有している。セルスタックの各セルは、電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムを有する。
【００１５】
ＳＯＦＣ１０は、酸化剤ガス流路（カソードガス流路）１２と、燃料ガス流路（アノードガス流路）１４とを有している。酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａには、反応空気ブロア（酸化剤ガス供給器）２０が取り込んだ酸化剤ガス（空気）及びその他のガスが供給され、酸化剤ガス流路１２の出口部１２Ｂからは、酸化剤オフガスが排出される。酸化剤ガス（空気）は、反応空気ブロア２０の出口部２０Ａからと酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａとを接続する酸化剤ガス供給ライン４０を介して酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａに供給される。なお、酸化剤オフガスは、カソードオフガスとも呼ばれることもある。酸化剤ガス流路１２は、ＳＯＦＣ１０内にて直線（一点鎖線）で示しているが、セルスタックの形状にあわせて流路を設定してよい。
【００１６】
燃料ガス流路１４の入口部１４Ａには、燃料ガス供給器（図示略）からの燃料ガス（燃料）及びその他のガスが供給され、燃料ガス流路１４の出口部１４Ｂからは、燃料オフガスが排出される。なお、燃料オフガスは、アノードオフガスと呼ばれることもある。酸化剤ガス流路１２に供給された酸化剤ガスと、燃料ガス流路１４に供給された燃料ガスとが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（発電する）。
【００１７】
燃料電池システム１は、触媒燃焼器３０を有している。触媒燃焼器３０は、燃料ガス流路１４の出口部１４Ｂからの燃料オフガスを通す燃料ガス排気ライン４１と、触媒燃焼器３０から排出された燃焼ガスを通す燃焼ガス排気ライン４２とを接続している。燃料ガス排気ライン４１には、酸化剤ガス流路１２の出口部１２Ｂからの酸化剤オフガスを通す反応空気ガス排気ライン４３が接続されている。ＳＯＦＣ１０から排出された酸化剤オフガスは、燃料ガス排気ライン４１で燃料オフガスと合流し、触媒燃焼器３０の入口部３０Ａに流れる。触媒燃焼器３０で燃焼された燃焼ガスは、出口部３０Ｂから燃焼ガス排気ライン４２に排出される。
【００１８】
触媒燃焼器３０は、ＳＯＦＣ１０から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる。触媒燃焼器３０は、燃焼特性の異なる複数の触媒を有し、これらの触媒における燃焼反応によりアノード側排出ガス中の可燃性成分を燃焼させる。本実施の形態では、２つの触媒として、第１触媒３１及び第２触媒３２を有する場合について説明する。しかしながら、触媒の数量については、これに限定されず、３つ以上であってもよい。
【００１９】
第１触媒３１は、概して低温燃焼性の高い触媒で構成される。言い換えると、第１触媒３１は、第１の温度以下で一定以上の燃焼反応を起こす触媒で構成される。例えば、第１触媒３１には、活性金属として白金（Ｐｔ）が用いられる。第１触媒３１は、触媒燃焼器３０の前段側（上流側、入口部３０Ａ側）に配置される。
【００２０】
第２触媒３２は、概して高温耐久性の高い触媒で構成される。言い換えると、第２触媒３２は、第１の温度よりも高温の第２の温度以上であっても一定以上の燃焼反応を起こす触媒で構成される。例えば、第２触媒３２には、活性金属としてパラジウム（Ｐｄ）が用いられる。第２触媒３２は、触媒燃焼器３０の後段側（下流側、出口部３０Ｂ側）に配置される。第２触媒３２は、炭化水素を完全燃焼するために６００℃程度で連続的に燃焼することができる触媒であることが好ましい。
【００２１】
触媒燃焼器３０には、温度センサ３３が設けられている。例えば、温度センサ３３は、Ｋ熱電対等の温度センサで構成される。温度センサ３３は、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度を検出する。触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度には、触媒燃焼器３０の内部における出口部３０Ｂ近傍の温度及び触媒燃焼器３０の外部における出口部３０Ｂ近傍の温度が含まれる。前者には、第２触媒３２の後段側における触媒燃焼器３０の内部温度が想定される。後者には、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の燃焼ガス排気ライン４２の内部温度が想定される。この場合、触媒燃焼器３０から排出された燃焼ガスの温度が検出される。温度センサ３３で検出された温度は、後述する制御部５０に出力される。
【００２２】
酸化剤ガス供給ライン４０と燃料ガス排気ライン４１には、酸化剤ガス供給ライン４０から分岐する反応空気バイパスライン（以下、単に「バイパスライン」という）４４が設けられている。バイパスライン４４には、反応空気ブロア２０から低温（常温）の酸化剤ガス（空気）が供給可能に構成されている。
【００２３】
バイパスライン４４には、調整弁４５が設けられている。調整弁４５は、自身の開閉状態を切り換えることにより、反応空気ブロア２０からバイパスライン４４に供給される反応空気の量（バイパスライン４４における反応空気の流量）を調整する。調整弁４５における開度は、後述する制御部５０からの制御信号により制御される。
【００２４】
燃料電池システム１は、システム全体を制御する制御部５０を有している。制御部５０は、温度センサ３３及び調整弁４５に接続される。制御部５０は、温度センサ３３で検出された温度に応じて触媒燃焼器３０内の温度を調整する制御を行う。制御部５０は、調整弁４５によってバイパスライン４４における反応空気の流量を調整することで、触媒燃焼器３０内の温度を調整する。例えば、制御部５０は、温度センサ３３で検出された温度が一定値以上になった場合に反応空気の流量を増加すべく調整弁４５の開度を上げる。一方、制御部５０は、温度センサ３３で検出された温度が一定値以下になった場合に反応空気の流量を減少すべく調整弁４５の開度を下げる。このような制御部５０、上述したバイパスライン４４及び調整弁４５は、触媒燃焼器３０内の温度を調整する調整機構を構成する。
【００２５】
制御部５０は、以下の観点から触媒燃焼器３０内の温度を調整することが好ましい。例えば、制御部５０は、予め定められた設定若しくは不図示の操作部から入力された指示に応じて触媒燃焼器３０内の温度を調整することができる。
・燃料オフガスにおける可燃性成分の完全燃焼
・触媒燃焼器３０内の触媒（第１触媒３１、第２触媒３２）、或いは、触媒燃焼器３０の後段に配置される構成（例えば、配管や熱交換器等）の劣化の抑制
【００２６】
ここで、本実施の形態に係る燃料電池システム１における運転方法について、図２を参照して説明する。図２は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１における運転方法を説明するためのフロー図である。図２においては、触媒燃焼器３０の後段にステンレス製の配管（以下、適宜「ステンレス配管」という）が配置され、このステンレス配管の劣化を抑制するべく、触媒燃焼器３０内の温度を調整する場合について説明するものとする。ここでは、ステンレス配管の劣化を抑制すべく、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂにおける管理温度が５８０℃に設定されている。
【００２７】
燃料電池システム１が運転を開始すると、温度センサ３３により触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度が検出され、制御部５０に出力される。温度センサ３３から検出温度Ｔを受け取ると、制御部５０は、検出温度Ｔが５８０℃を上回るかを監視する（ステップ（以下、「ＳＴ」という）２０１）。温度センサ３３からの検出温度が５８０℃を上回らない場合（ＳＴ２０１：Ｎｏ）、制御部５０は、この監視動作を継続する。
【００２８】
一方、温度センサ３３からの検出温度Ｔが５８０℃を上回る場合（ＳＴ２０１：Ｙｅｓ）、制御部５０は、触媒燃焼器３０内の温度の調整処理（以下、適宜「温度調整処理」という）を開始する（ＳＴ２０２）。この温度調整処理において、例えば、制御部５０は、温度センサ３３による検出温度Ｔに基づくＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御により調整弁４５の開度を調整する。このＰＩＤ制御により、触媒燃焼器３０内の温度が管理温度である５８０℃に接近するように、調整弁４５の開度が調整される。
【００２９】
例えば、管理温度である５８０℃に対する検出温度Ｔの偏差が大きい場合（すなわち、検出温度Ｔが５８０℃を大幅に上回る場合）、制御部５０は、当該偏差に応じて調整弁４５の開度を大きく設定し、バイパスライン４４内の反応空気の流量を増加させる。また、管理温度である５８０℃に対する検出温度の偏差が減少傾向である場合、制御部５０は、当該偏差に応じて調整弁４５の開度を小さく設定し、バイパスライン４４内の反応空気の流量を減少させる。
【００３０】
このような温度調整処理を実行しながら、制御部５０は、温度センサ３３による検出温度Ｔが５８０℃以下になったかを判定する（ＳＴ２０３）。温度センサ３３による検出温度Ｔが５８０℃以下になった場合（ＳＴ２０３：Ｙｅｓ）、制御部５０は、温度調整処理を終了する。そして、制御部５０は、再びＳＴ２０１における監視動作を繰り返す。
【００３１】
一方、温度センサ３３による検出温度Ｔが５８０℃以下にならない場合（ＳＴ２０３：Ｎｏ）、制御部５０は、温度調整処理を継続する。そして、ＳＴ２０３の判定結果が５８０℃以下になるまで温度調整処理が継続される。このようにして触媒燃焼器３０内の温度が、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度に応じて調整される。
【００３２】
図３は、図２に示す運転方法を実施した際における燃料電池システム１の運転パラメータの一例の説明図である。図３Ａは、ＳＯＦＣ１０における負荷の割合を示し、図３Ｂは、この負荷の割合に応じて供給される燃料ガスの割合を示している。図３Ｃは、図３Ａに示す負荷の割合の推移に応じた温度センサ３３の検出温度を示し、図３Ｄは、この検出温度に応じた調整弁４５の開度の割合を示している。なお、図３においては、ＳＯＦＣ１０における負荷が１００％に場合（定格運転の場合）に燃料ガスが１００％供給される場合について示している。
【００３３】
図３Ａに示すように、ＳＯＦＣ１０における負荷が１００％である場合、温度センサ３３により触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度として５８０℃が検出される（図３Ｃ参照）。温度センサ３３により５８０℃が検出されている場合、制御部５０の温度調整処理は開始されない（図２に示すＳＴ２０１参照）。このため、調整弁４５は、開度が０％に設定されている（図３Ｄ参照）。
【００３４】
時点ｔ１にて、ＳＯＦＣ１０における負荷が１０％まで急減するものとする。この場合、燃料ガスの供給量は、負荷の急減に追従することができない。このため、燃料ガスの供給量は、時点ｔ１から次第に減少する。この場合、燃料ガスの余剰分は、触媒燃焼器３０で燃焼することとなる。このため、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度が上昇する（図３Ｃ参照）。
【００３５】
触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度が上昇すると、温度センサ３３による検出温度が５８０℃を上回る。これにより、制御部５０により温度調整処理が開始される（図２に示すＳＴ２０２参照）。この場合、温度センサ３３の検出温度に応じて調整弁４５の開度が設定される。ここでは、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度が時点ｔ１から次第に上昇し、時点ｔ２で６００℃に到達した場合について示している。また、調整弁４５の開度が時点ｔ１から次第に大きく設定され、時点ｔ２で７０％の開度に設定される場合について示している。
【００３６】
調整弁４５の開度が大きく設定されることにより、バイパスライン４４における反応空気の流量が増加される。バイパスライン４４を流れる反応空気は、燃料ガス排気ライン４１に流入し、ＳＯＦＣ１０からのオフガス（燃料オフガス及び酸化剤オフガス）と混合される。これにより、触媒燃焼器３０内に流入するオフガスの温度が下げられる。この結果、触媒燃焼器３０内の温度が低下する。
【００３７】
触媒燃焼器３０内に温度の低下に伴い、温度センサ３３による検出温度が低下する。そして、時点ｔ３にて、温度センサ３３による検出温度が５８０℃以下になると、温度調整処理が終了される（図２に示すＳＴ２０３参照）。温度調整処理が終了すると、調整弁４５開度が徐々に下げられ、最終的に０％に設定される。これにより、ＳＯＦＣ１０の負荷が急減した場合においても、触媒燃焼器３０内の温度が６００℃以下に保たれる。この結果、触媒燃焼器３０の後段にステンレス配管の劣化が抑制される。
【００３８】
また、時点ｔ４にて、ＳＯＦＣ１０における負荷が１０％から徐々に増加するものとする。この場合、燃料ガスの供給量は、時点ｔ４から負荷の増加に追従して増加する。これにより、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度が徐々に上昇する（図３Ｃ参照）。
【００３９】
触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度が上昇すると、温度センサ３３による検出温度が５８０℃を上回る。これにより、制御部５０により温度調整処理が開始される（図２に示すＳＴ２０２参照）。この場合、温度センサ３３の検出温度に応じて調整弁４５の開度が設定される。ここでは、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度が時点ｔ４から次第に上昇し、時点ｔ５で５９０℃に到達した場合について示している。また、調整弁４５の開度が時点ｔ４から次第に大きく設定され、時点ｔ６で４０％の開度に設定される場合について示している。
【００４０】
調整弁４５の開度が大きく設定されることにより、バイパスライン４４における反応空気の流量が増加される。バイパスライン４４を流れる反応空気は、燃料ガス排気ライン４１に流入し、ＳＯＦＣ１０からのオフガス（燃料オフガス及び酸化剤オフガス）と混合される。これにより、触媒燃焼器３０内に流入するオフガスの温度が下げられる。この結果、触媒燃焼器３０内の温度が低下する。
【００４１】
触媒燃焼器３０内に温度の低下に伴い、温度センサ３３による検出温度が低下する。そして、時点ｔ６にて、温度センサ３３による検出温度が５８０℃以下になると、温度調整処理が終了される（図２に示すＳＴ２０３参照）。温度調整処理が終了すると、調整弁４５の開度徐々に下げられ、最終的に０％に設定される。これにより、ＳＯＦＣ１０の負荷が急減した状態から徐々に増加した場合においても、触媒燃焼器３０内の温度が６００℃以下に保たれる。この結果、触媒燃焼器３０の後段にステンレス配管の劣化が抑制される。
【００４２】
このように第１の実施の形態に係る燃料電池システム１では、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度に応じて触媒燃焼器３０内の温度が調整されることから、ＳＯＦＣ１０における急激な負荷変動等が発生した場合であっても、柔軟に触媒燃焼器３０内の温度を所望の温度に調整することができる。この場合において、所望の温度を、触媒燃焼器３０及びその後段の構成が劣化せず、燃料オフガス中の可燃性成分が完全燃焼する温度に設定することにより、ＳＯＦＣ１０における急激な負荷変動等が発生した場合であっても、触媒燃焼器３０及びその後段の構成を劣化させることなく、燃料オフガス中の可燃性成分を完全燃焼させることができる。
【００４３】
特に、燃料電池システム１では、ＳＯＦＣ１０における酸化剤ガス流路の出口部１２Ｂから排出される酸化剤オフガスと、燃料ガス流路１４の出口部１４Ｂから排出される燃料オフガスとが高温状態（例えば、４５０℃以上の高温状態）を維持しながら触媒燃焼器３０に供給される。これにより、触媒燃焼器３０における出口部３０Ｂの温度が低下するのを回避でき、燃焼オフガス中の可燃性成分（炭化水素、水素、一酸化炭素）を完全に燃焼させることができる。
【００４４】
また、燃料電池システム１では、ＳＯＦＣ１０に酸化剤ガスを供給する反応空気ブロア２０の出口部２０Ａと、触媒燃焼器３０の入口部３０Ａとを連結するバイパスライン４４と、このバイパスライン４４における酸化剤ガスの流量を調整する調整弁４５と、この調整弁４５の開度を制御する制御部５０と、を有し、触媒燃焼器３０内の温度を調整する調整機構を備えている。このような調整機構によりＳＯＦＣ１０に供給される酸化剤ガスの流量が、温度センサ３３で検出された温度に応じて調整されることから、熱交換器等の構成を用意することなく触媒燃焼器３０内の温度を調整することができる。また、調整弁４５により、ＳＯＦＣ１０から排出されるオフガスの流量ではなく、ＳＯＦＣ１０に供給される酸化剤ガスの流量が調整されるので、耐熱性の高い調整弁を用意する必要がなく、システムが要する材料コストの上昇を抑制することができる。
【００４５】
さらに、触媒燃焼器３０は、触媒燃焼器３０の前段に配置され、低温燃焼性の高い燃焼特性を有する第１触媒３１と、触媒燃焼器３０の後段に配置され、高温耐久性の高い燃焼特性を有する第２触媒３２とを有している。これにより、それぞれの触媒（第１触媒３１、第２触媒３２）で段階的に燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させることができる。特に、後段に高温燃焼性の高い第２触媒３２が配置されることから、安定的に温暖化係数の高い炭化水素等を効果的に除去することができる。
【００４６】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る燃料電池システム１１においては、バイパスライン４４が燃料ガス排気ライン４１ではなく、触媒燃焼器３０の内部に接続される点で、第１の実施の形態と相違する。つまり、第２の実施の形態に係る燃料電池システム１１では、バイパスライン４４から供給される反応空気は、触媒燃焼器３０の入口部３０Ａではなく、触媒燃焼器３０の内部に供給される。より具体的にいうと、反応空気は、触媒燃焼器３０内における第１触媒３１と第２触媒３２の間（第１触媒３１の後段且つ第２触媒３２の前段）に供給される。
【００４７】
第２の実施の形態に係る燃料電池システム１１においても、温度センサ３３で検出される温度により調整弁４５の開度が調整され、バイパスライン４４における反応空気の流量が調整されるのは、第１の実施の形態と同様である。したがって、第２の実施の形態に係る燃料電池システム１１においても、ＳＯＦＣ１０の急激な負荷変動等が発生した場合であっても、触媒燃焼器３０及びその後段の構成を劣化させることなく、燃料オフガス中の可燃性成分を完全燃焼させることができる。
【００４８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００４９】
上記実施の形態に係る燃料電池システム１（１１）では、触媒燃焼器３０内の温度を調整する調整機構として、酸化剤ガス供給ライン４０から分岐したバイパスライン４４と、このバイパスライン４４における酸化剤ガスの流量を調整する調整弁４５とを含んで構成される場合について説明している。しかしながら、触媒燃焼器３０内の温度を調整する調整機構の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。
【００５０】
例えば、バイパスライン４４及び調整弁４５の代わりに、反応空気ブロア２０とは異なる反応空気ブロアを備え、この反応空気ブロアからの反応空気を触媒燃焼器３０の入口部３０Ａ又は触媒燃焼器３０内に供給する構成としてもよい。この場合、反応空気ブロアは、上記実施の形態と同様に、制御部５０の制御の下、温度センサ３３の検出温度に応じて反応空気の供給量を調整することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池における急激な負荷変動等が発生した場合であっても、触媒燃焼器及びその後段のデバイスを劣化させることなく、燃料オフガス中の可燃性成分を完全燃焼させることができ、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システム及びその運転方法に適用して好適である。
【符号の説明】
【００５２】
１、１１：燃料電池システム
１２    ：酸化剤ガス流路
１２Ａ  ：入口部
１２Ｂ  ：出口部
１４    ：燃料ガス流路
１４Ａ  ：入口部
１４Ｂ  ：出口部
２０    ：反応空気ブロア
２０Ａ  ：出口部
３０    ：触媒燃焼器
３０Ａ  ：入口部
３０Ｂ  ：出口部
３１    ：第１触媒
３２    ：第２触媒
３３    ：温度センサ
４０    ：酸化剤ガス供給ライン
４１    ：燃料ガス排気ライン
４２    ：燃焼ガス排気ライン
４３    ：反応空気ガス排気ライン
４４    ：反応空気バイパスライン（バイパスライン）
４５    ：調整弁
５０    ：制御部
【図１】
2020123509.tif 000003
【図２】
2020123509.tif 000004
【図３】
2020123509.tif 000005
【図４】
2020123509.tif 000006