(57)【要約】【課題】運転停止時の燃料電池のアノードの酸化劣化を抑制した燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム３９は、アノード１ａに供給された燃料ガス中の水素とカソード１ｃに供給された酸化剤ガス中の酸素を用いて発電する燃料電池１と、可燃ガスを燃焼する燃焼器４とを備え、発電の停止後、カソード１ｃに可燃ガスを充填させ保持し、その後、カソード１ｃから可燃ガスを排出する際に燃焼器４で可燃ガスを燃焼させるシステムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された酸化剤ガス中の酸素を用いて発電する燃料電池と、可燃ガスを燃焼する燃焼器とを備え、前記発電の停止後、前記カソードに可燃ガスを充填させ保持し、その後、前記カソードから前記可燃ガスを排出する際に前記燃焼器で前記可燃ガスを燃焼させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給手段と、前記燃焼器に燃焼空気を前記燃焼器へ供給する燃焼空気供給装置とを備え、前記燃焼空気供給装置は、前記燃焼器に供給される前記可燃ガス及び前記燃焼ガスの少なくとも１つからなる可燃性のガスに対して、前記燃焼器内部における空燃比が１以上になる量の前記燃焼空気を供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池のカソードから排出されるガスは、前記燃焼ガスが前記燃焼器へ供給される経路上に供給されるよう構成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池のカソードから排出されるガスは、前記燃焼空気が前記燃焼器へ供給される経路上に供給されるよう構成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出されるガス中の酸素流量と前記燃焼ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、前記可燃性ガスと酸素との混合気基準での前記可燃性ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるよう前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼ガスの供給量を調整することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化剤ガスとして空気を用いる場合、少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記空気と前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出される空気流量と前記燃焼ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、前記可燃性ガスと前記空気との混合気基準での可燃性ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるよう前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼ガスの供給量を調整することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記可燃性ガスが水素ガスであることを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出されるガス中の酸素流量と前記燃焼ガス流量の総和に対する、燃焼ガス流量の割合が、前記燃焼ガスと酸素との混合気基準での前記燃焼ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるよう前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼ガスの供給量を調整することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記酸化剤ガスとして空気を用いる場合、少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記空気と前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出される空気流量と前記燃焼ガス流量の総和に対する、燃焼ガス流量の割合が、前記燃焼ガスと前記空気との混合気基準での燃焼ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるよう前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼ガスの供給量を調整することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出される可燃性ガス流量と前記燃焼空気流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、前記可燃性ガスと空気との混合気基準での前記可燃性ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるように前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼空気の供給量を調整することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出されるガス流量と前記燃焼空気流量の総和に対する、前記ガス流量の割合が、前記ガス流量と空気との混合気基準での前記カソードから排出されるガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるように前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼空気の供給量を調整することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
発電開始動作時に、カソードへ酸化剤ガスを供給することにより可燃ガスの排出を行なうことを特徴とする請求項５乃至１１の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
発電原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する改質器を有する燃料処理器を備え、前記燃焼器は、前記改質器を加熱する燃料処理バーナであることを特徴とする請求項５乃至１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池の燃料ガスとして、水素ガスを供給可能な水素供給装置を備えたことを特徴とする請求項５乃至１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃焼ガスは、前記燃料処理器から排出される燃料ガス、または、前記燃料電池から排出される残余燃料ガスであることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃焼ガスは、前記水素供給装置から排出される水素ガス、または、前記燃料電池から排出される残余水素ガスであることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、前記燃焼空気供給装置は、前記燃料処理バーナで前記可燃ガスと前記燃焼ガスとに対して、前記燃焼器内部における空燃比が１以上になる量の空気を供給することを特徴とする請求項１５または１６記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作前は、前記改質器の温度が、通常運転時の所定の目標温度よりも低い温度になるよう制御されることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に発電の停止後、燃料電池のカソードに充填した可燃ガスの処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムを停止方法としては、不活性ガスを用いて燃料電池システムの燃料ガス経路中の可燃性ガスを窒素等の不活性ガスでパージする方法が提案されている。しかしながら、このような不活性ガスを用いたパージ方法では、窒素、Ａｒボンベ等の供給設備を別途設ける必要があり、不都合であった。
【０００３】
従って、上記不活性ガスパージを用いない停止方法として様々なものが提案されている。例えば、燃料電池システムの燃料ガス経路内を空気でパージする方法が提案されている。以下にその概要について説明する。
【０００４】
燃料電池システム３９は主として、図５に示すように、アノード１ａとカソード１ｃを備えた固体高分子電解質形の燃料電池１と、発電原料ガスとしての都市ガスや天然ガスに水を添加してこれを改質させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器（図示せず）を有する燃料処理器２と、燃料処理器２内の改質器に水を供給する水供給装置３と、燃料処理器２内の改質器に発電原料ガスを供給する原料ガス供給装置６と、燃料電池１のアノード１ａで消費されずに排出された残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼器４と、酸素を含む酸化剤ガス（空気）を燃料電池１に供給して燃料電池１の外部に排出する酸化剤ガス供給手段としてのブロア５と、燃料電池システム３９の発電を停止させる際に燃料処理器２の内部をパージ処理する空気を供給するパージ用空気供給装置２６と、から構成されている。
【０００５】
そしてこの燃料電池システム３９は、燃料電池１のアノード１ａに燃料ガスとして供給される水素リッチな燃料ガスと、それのカソード１ｃに酸素を含む酸化剤ガスとして供給される空気とを燃料電池１の内部で反応させることで発電させ、燃料電池システム３９の停止の際には、最終的に空気によって燃料ガス経路のパージが行われる。なお、制御装置２１によってブロア５、原料ガス供給装置６、水供給装置３、空気供給装置２６等が適切に制御されて上記の発電と停止処理は行われる。
【０００６】
具体的には、燃料電池の発電の停止時、燃料処理器２内の改質器に水供給装置３から水を供給することで生成した水蒸気によって燃料ガス経路の内部に残留する水素ガス含有の燃料ガスを排除した後、パージ用空気供給装置２６から空気を流入せしめて燃料ガス経路の内部を最終的に空気パージされる（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
このような燃料電池システム３９によれば、燃料電池システム３９の発電を停止させる際、窒素ガスを流入せしめ、燃料処理器２および燃料電池１を経由してこれらの機器の内部に残留するガス（燃料ガス等）を燃焼器４に導いてこの燃焼器４で処理させるという従来のパージ処理法に比べて、窒素ガスの貯蔵装置を廃止できてコスト低減を図ることができる。さらに、燃料電池の水素ガスを水蒸気によって排除させた後、燃料電池の内部に空気を供給することで、水蒸気に起因する経路の水滴腐食の防止が図られる。
【０００８】
また、上記の停止方法以外にも発電の停止の際、燃料ガス（例えば、水素リッチな燃料ガス）または発電原料ガス（例えば、都市ガスや天然ガス）を燃料電池のアノードに充填して外部に排出させない処置を施して、アノードへの空気混入を防止して燃料電池の耐久性を維持させる方法もある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第０１／９７３１２号パンフレット
【特許文献２】特開２００３−２８２１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、固体高分子電解質形の燃料電池のアノードの電極には通常、白金とルテニウムの合金触媒が使用され、上記特許文献１に記載の燃料電池システムのようにアノードを空気に曝すと、酸化雰囲気によって触媒性能の劣化（酸化劣化）が懸念される。従って、燃料電池システムの発電の停止に際して、アノードを空気で充填させて保持することは燃料電池システムの耐久性維持の観点からは望ましくないと言える。
【００１１】
一方、上記特許文献２に記載の燃料電池システムの停止方法であれば、アノードの酸化劣化を防止できそうであるが、燃料電池システムの発電の停止後、仮にカソードに空気（酸素ガス）が残存すれば、多孔質の固体高分子電解質膜を通った空気（酸素ガス）がアノードに移動して、これによるアノード酸化劣化の可能性が懸念される。
【００１２】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、運転停止時の燃料電池のアノードの酸化劣化を抑制した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、燃料電池のカソードに充填された可燃ガス排出させる際に、適切な排ガス処理（例えば、可燃ガス燃焼処理）を行える燃料電池システムを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、第１の本発明は、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された酸化剤ガス中の酸素を用いて発電する燃料電池と、可燃ガスを燃焼する燃焼器とを備え、前記発電の停止後、前記カソードに可燃ガスを充填させ保持し、その後、前記カソードから前記可燃ガスを排出する際に前記燃焼器で前記可燃ガスを燃焼させることを特徴とする。
【００１５】
第２の本発明は、前記燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給手段と、前記燃焼器に燃焼空気を前記燃焼器へ供給する燃焼空気供給装置とを備え、前記燃焼空気供給装置は、前記燃焼器に供給される前記可燃ガス及び前記燃焼ガスの少なくとも１つからなる可燃性のガスに対して、前記燃焼器内部における空燃比が１以上になる量の前記燃焼空気を供給することを特徴とする。
【００１６】
第３の本発明は、前記燃料電池のカソードから排出されるガスは、前記燃焼ガスが前記燃焼器へ供給される経路上に供給されるよう構成されていることを特徴とする。
【００１７】
第４の本発明は、前記燃料電池のカソードから排出されるガスは、前記燃焼空気が前記燃焼器へ供給される経路上に供給されるよう構成されていることを特徴とする。
【００１８】
第５の本発明は、少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出されるガス中の酸素流量と前記燃焼ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、前記可燃性ガスと酸素との混合気基準の前記可燃性ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるよう前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼ガスの供給量を調整することを特徴とする。
【００１９】
第６の本発明は、前記酸化剤ガスとして空気を用いる場合、少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記空気と前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出される空気流量と、前記燃焼ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、前記可燃性ガスと前記空気との混合気基準の前記可燃性ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるよう前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼ガスの供給量を調整することを特徴とする。
【００２０】
第７の本発明は、前記可燃性ガスが水素ガスであることを特徴とする。
【００２１】
第８の本発明は、少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出されるガス中の酸素流量と前記燃焼ガス流量の総和に対する、燃焼ガス流量の割合が、前記燃焼ガスと酸素との混合気基準での前記燃焼ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるよう前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼ガスの供給量を調整することを特徴とする。
【００２２】
第９の本発明は、前記酸化剤ガスとして空気を用いる場合、少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記空気と前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出される空気流量と前記燃焼ガス流量の総和に対する、燃焼ガス流量の割合が、前記燃焼ガスと前記空気との混合気基準での燃焼ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるよう前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼ガスの供給量を調整することを特徴とする。
【００２３】
第１０の本発明は、少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出される可燃性ガス流量と前記燃焼空気流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、前記可燃性ガスと空気との混合気基準の前記可燃性ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるように前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼空気の供給量を調整することを特徴とする。
【００２４】
第１１の本発明は、少なくとも前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、カソードから排出されるガス流量と前記燃焼空気流量の総和に対する、前記ガス流量の割合が、前記ガス流量と空気との混合気基準での前記カソードから排出されるガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるように前記カソードに供給されるガス量または前記燃焼空気の供給量を調整することを特徴とする。
【００２５】
第１２の本発明は、発電開始動作時に、カソードへ酸化剤ガスを供給することにより可燃ガスの排出を行なうことを特徴とする。
【００２６】
第１３の本発明は、発電原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する改質器を有する燃料処理器を備え、前記燃焼器は、前記改質器を加熱する燃料処理バーナであることを特徴とする。
【００２７】
第１４の本発明は、前記燃料電池の燃料ガスとして、水素ガスを供給可能な水素供給装置を備えたことを特徴とする。
【００２８】
第１５の本発明は、前記燃焼ガスは、前記燃料処理器から排出される燃料ガス、または、前記燃料電池から排出される残余燃料ガスであることを特徴とする。
【００２９】
第１６の本発明は、前記燃焼ガスは、前記水素供給装置から排出される水素ガス、または、前記燃料電池から排出される残余水素ガスであることを特徴とする。
【００３０】
第１７の本発明は、前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作期間中は、前記燃焼空気供給装置は、前記燃料処理バーナで前記可燃ガスと前記燃焼ガスとに対して、前記燃焼器内部における空燃比が１以上になる量の空気を供給することを特徴とする。
【００３１】
第１８の本発明は、前記燃料電池のカソードに存在するガスを前記酸化剤ガスと前記可燃ガスとの間で置換させる動作前は、前記改質器の温度が、通常運転時の所定の目標温度よりも低い温度になるよう制御されることを特徴とする。
【００３２】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、燃料電池のカソードに都市ガス等の可燃性ガスを充填して運転を停止することで、運転停止中の燃料電池のカソード中の空気に起因するアノードの酸化劣化が解消され、さらに燃料電池のカソードに充填された可燃ガス排出させる際に、適切な排ガス処理（例えば、可燃ガス燃焼処理）を行える。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【図２】実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【図３】実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【図４】実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【図５】従来の燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３６】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。
【００３７】
燃料電池システム３９は主として、原料供給配管２３を介して都市ガスや天然ガス等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される可燃性の有機化合物を含む発電原料ガスを燃料処理器２内の改質器（図示せず）に供給する原料ガス供給装置６と、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（空気）を用いて発電を行う固体高分子電解質形の燃料電池１と、発電原料ガスに水を添加してこれを改質させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器を有する燃料処理器２と、燃料処理器２内の改質器に水を供給する水供給装置３と、燃料電池１のアノード１ａで消費されずに送出された残余の燃料ガスを燃焼させ、燃料処理器２内の改質器を加熱する燃料処理バーナである燃焼器４と、燃焼空気供給経路５０を経由して燃焼器４へ燃焼空気を供給する本願の燃焼空気供給手段（空気供給装置）である燃焼ファン１８と、燃料電池１のカソード１ｃに酸化剤ガスを供給すると共に、カソード１ｃから残余の酸化剤ガスを排出させ得る酸化剤ガス供給装置としてブロア５と、から構成されている。
【００３８】
また、燃料電池システム３９のガス配管系統は、ブロア５から燃料電池１のカソード１ｃに空気を導く酸化剤ガス流路としてのカソード供給配管７と、燃料電池１のカソード１ｃから送出された残余の空気を大気に放出する酸化剤ガス流路としてのカソード排出配管８と、燃料電池１のカソード１ｃの出入口をそれぞれ開閉する第一の出口側開閉弁１２ａ（第一の酸化剤ガス流路弁）および第二の入口側開閉弁１２ｂ（第二の酸化剤ガス流路弁）からなるカソード閉止手段１２と、原料ガス供給装置６から発電原料ガスを燃料処理器２に導く原料供給配管２３と、燃料処理器２から送出される燃料ガスを、流路切換手段１４を介して燃料電池１のアノード１ａに導くアノード供給配管２４と、本願の燃焼ガスである燃料処理器２から排出される燃料ガスまたは燃料電池１のアノード１ａから排出される残余の燃料ガスを、燃焼器４に供給するための本願の燃焼ガス供給手段である燃料ガス還流配管２５と、燃料ガス還流配管２５の途中に設けられ、燃料ガス還流配管２５を開閉する還流配管弁１５と、燃料処理器２から送出される燃料ガスを流路切換手段１４によって還流配管弁１５の下流の燃料ガス還流配管２５に導くアノードバイパス管１３と、原料供給配管２３と第二の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７を接続する原料カソード供給配管２２と、原料カソード供給配管２２の途中に配置され、発電原料ガスをカソード１ｃに導入させる原料カソード供給装置１１（可燃ガス供給手段）がある。
【００３９】
さらに、第一の出口側開閉弁１２ａよりも上流のカソード１ｃの出口と燃焼空気供給経路５０とをつなぐ第一のカソード燃焼配管１６と、この第一のカソード燃焼配管１６の流通／閉塞を切換える第一の燃焼配管開閉弁１７を配置している。このように構成することによりカソードライン（すなわち第一のカソード燃焼配管１６）を流れる酸化剤ガスを、アノードライン（すなわち燃料ガス還流配管２５）を流れる燃料ガスに接触させずに燃焼器４に導入することができるため、燃料ガスと酸化剤ガスの混合気体が燃焼器４に至る可燃性ガス経路上で形成されることがなく、燃焼器４の燃焼特性管理上好ましい。
【００４０】
ここで、流路切換手段１４は例えば三方弁で構成され、原料カソード供給装置１１は、例えば流量調整弁またはポンプで構成されている。
【００４１】
なお、制御装置２１は、ブロア５、原料ガス供給装置６、水供給装置３、原料カソード供給装置１１、燃焼ファン１８および各種弁１２ａ、１２ｂ、１４、１５、１７を制御して燃料電池システム３９のガス供給系の動作を司っている。なお、図中には、点線を付して制御装置の制御対象を示している。また、図示しないものの、制御装置２１は各種センサ（温度センサや流量計等）から検知信号を受け取り、この検知信号に基づいて適切に燃料電池システム３９の動作を制御している。
【００４２】
以下、燃料電池システム３９の発電期間中、発電停止時および発電開始時（起動時）に分けて燃料電池システム３９の動作を、図１を参照して説明する。
【００４３】
燃料電池システム３９の発電期間中、燃料処理器２内の改質器の温度を約７００℃程度に維持させた状態で、制御装置２１の制御により原料ガス供給装置６から供給された発電原料ガスと水供給装置３から供給された水を燃料処理器２内の改質器の内部で改質反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する。そして、燃料生成器２から送出された燃料ガスは、アノード供給配管２４の途中に設けられた流路切換手段１４を通過して（制御装置２１の制御により流路切換手段１４はアノード供給配管２４とアノード１ａを連通状態にする）、燃料電池１のアノード１ａに送り込まれる。また、ブロア５から送出される空気は、カソード供給配管７を介して開栓状態の第二の入口側開閉弁１２ｂを通過して、燃料電池１のカソード１ｃに送り込まれる。こうして燃料電池１の内部において、燃料ガス中の水素と空気中の酸素を消費して発電が行われる。
【００４４】
燃料電池１の発電によって消費されなかった残余の燃料ガスは、燃料ガス還流配管２５を介して開栓状態の還流配管弁１５を通過して燃焼器４へ送られた後、燃焼器４の内部で燃焼させられて燃料処理器２内の改質器を加熱するための熱源として活用される。また、燃料電池１の発電によって消費されなかった残余の空気は、カソード排出配管８を介して開栓状態の第一の出口側開閉弁１２ａを通過して大気中に排出される。
【００４５】
続いて燃料電池システム３９の発電停止の際、制御装置２１の制御によりブロア５の作動を停止することでブロア５からカソード１ｃに対する空気の供給が停止されると共に、第二の入口側開閉弁１２ｂと第一の出口側開閉弁１２ａが閉じ、第一の燃焼配管開閉弁１７を開にする。
【００４６】
また、制御装置２１の制御により流路切換手段１４はバイパス流路（アノード供給配管２４とアノードバイパス管１３を連通する経路）を形成すると共に、弁１５を閉栓させる。こうして燃料電池１のアノード１ａに滞留する燃料ガス（水素リッチガス）をアノード１ａの内部に封止でき、この状態を保って燃料処理器２からアノード１ａに対する燃料ガス供給が停止される。
【００４７】
この時点で、原料ガス供給装置６は、発電原料ガスの供給を維持することで燃焼器４での燃焼を継続しながら、制御装置２１により原料カソード供給装置１１が作動され、原料カソード供給配管２２を介して可燃ガスである発電原料ガスを第二の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に導いて、このカソード供給配管７を介して燃料電池１のカソード１ｃに供給する。原料カソード供給装置１１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給される発電原料ガスの量は、カソード１ｃの内容積の２〜３倍程度になるよう制御装置２１により設定されており、カソード１ｃ内部の空気が十分、可燃ガスである発電原料ガスで置換されるようにする。そのとき、カソード１ｃの内容積を越える分の発電原料ガスは、第一のカソード燃焼配管１６を経由して、燃焼空気供給経路５０上に供給され、これにより、発電原料ガスと燃焼空気とが混合されて燃焼器４へ運ばれて燃焼される。
【００４８】
なおここで、原料ガス供給装置６の出口直後の原料供給配管２３の内部の発電原料ガスの圧力は約２ｋＰａ程昇圧されている。このため、原料カソード供給配管２２の一方端を原料ガス供給装置６の出口直後の原料供給配管２３に接続させ、その他方端を第二の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に接続させた状態で、原料カソード供給配管２２の途中に配置された原料カソード供給装置１１としての流量調整弁を開けば、発電原料ガスの内圧を利用して発電原料ガスを第二の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７からカソード１ｃに流入させ得る。勿論、発電原料ガスを供給するための供給圧が不十分な場合には、原料カソード供給装置１１として供給ポンプを使って、発電原料ガスをカソード１ｃにポンプ圧送しても構わない。
【００４９】
また、燃焼ファン１８によって供給される燃焼空気流量と原料カソード供給装置１１によって供給される発電原料ガスの流量は、燃焼空気供給経路５０で逆火することのないよう、両者の混合ガス中の可燃ガス濃度が燃焼範囲外、好ましくは燃焼下限値未満になるよう制御装置２１により設定される。
【００５０】
一例としては、制御装置２１は、燃料電池１のカソード１ｃに存在する空気を、発電原料ガスとの間で置換させる燃料電池システム３９の発電停止の動作期間中は、カソード１ｃから排出される発電原料ガス流量と燃焼空気流量の総和に対する、発電原料ガス流量の割合が、発電原料ガスと空気との混合気基準の発電原料ガスの燃焼範囲外、好ましくは燃焼下限値未満になるように、カソード１ｃに供給する発電原料ガス量または燃焼ファン１８から供給される燃焼空気量を調整してなる。
【００５１】
これは、空気で充填されている燃焼空気供給経路５０に発電原料ガスが混合する際には燃焼下限値未満になるよう発電原料ガスの流量を調整し、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼範囲外にする方が、より可燃ガス燃焼の管理の容易化を図れることによるものである。何故なら、仮に燃焼上限値よりも大きくなるよう発電原料ガスの流量を調整すると、燃焼空気供給経路５０内の混合ガス中の可燃ガス濃度は、燃焼上限値より大きくなるまでの間、一時的に燃焼範囲に入ってしまうからである。
【００５２】
従って、例えば、発電原料ガスとして大都市圏内において使用される都市ガス１３Ａを使用する場合、この都市ガス１３Ａは空気との混合割合として約５〜１５％の燃焼範囲を有するため、制御装置２１により原料カソード供給装置１１が供給する発電原料ガス流量は、燃焼ファン１８によって供給される燃焼空気流量の２０分の１未満になるように調整される。
【００５３】
なお、上記発電原料ガス流量は、カソード１ｃから排出されるガス中の発電原料ガス流量を推測値でも構わないし、より安全性を確実にするためのカソード１ｃから排出されるガス中の全てが発電原料ガスであると仮定し、カソード１ｃから排出されるカソードオフガス流量としても構わない。
【００５４】
さらに、燃焼ファン１８により燃焼器４へ送られる空気量は、第一のカソード燃焼配管１６から排出されてくる発電原料ガスと燃料ガス還流配管２５から送られる燃料ガスとの混合気体を、少なくとも完全燃焼される量が必要とされる。言い換えれば、第一のカソード燃焼配管１６から排出されてくる発電原料ガスと燃料ガス還流配管２５から送られる燃料ガスとの混合気体に対して、燃焼器４の内部における空燃比が１以上になる量の空気量が必要とされる。よって、燃焼ファン１８は、燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスとの混合気体を少なくとも完全燃焼するような空気量（燃焼器４の内部における空燃比が１以上になる量の空気量）を燃焼器４に送るように制御装置２１により調整される。なお空燃比とは、実際に供給した空気量Ａと理論空気量（燃料を完全に燃焼させるために必要な最低の空気量）Ａ０の比（Ａ／Ａ０）を指し示し、この値が１未満であれば、燃料の不完全燃焼を招きかねない。
【００５５】
なお、上記においては、原料カソード供給装置１１の流量調整弁の開度により、第一のカソード燃焼配管１６より燃焼空気供給経路５０に供給される発電原料ガス流量が、燃焼ファン１８によって供給される燃焼空気流量の２０分の１未満になるように調整したが、代わりに燃焼ファン１８の出力により、燃焼空気供給経路５０に供給される発電原料ガス流量が燃焼空気流量の２０分の１未満になるように調整しても構わない。
【００５６】
この際、燃焼ファン１８は、燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスとの混合気体を完全燃焼させ、かつ、燃焼空気供給経路５０での燃焼空気と発電原料ガスとの混合ガス中の発電原料ガス濃度が燃焼下限値未満になるような空気量を燃焼器４に向けて送るように制御装置２１により調整される。
【００５７】
さらに、上述のように発電停止動作において、燃料電池１のカソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作期間中は、通常運転時に燃焼器４に供給されていた燃料ガスに加えて更に、発電原料ガスが燃焼器４に供給され、燃焼熱量が増加するため燃料処理器２の温度、特に改質器の温度が上昇しやすく改質触媒の熱耐久性を確保するための所定上限温度（例えば、７５０℃）よりも高くなる恐れがある。そこで、燃焼ファン１８の出力を、燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスとの混合気体を完全燃焼させるのに必要な空気供給量、あるいは、さらに燃焼空気供給経路５０での燃焼空気と発電原料ガスとの混合ガス中の発電原料ガス濃度が燃焼下限値未満になることも考慮した必要空気量をよりも多量の空気を燃焼器４に向けて送るように制御装置２１により調整されることが好ましい。例えば、燃焼器４の内部における空燃比が１を超えるような空気量供給が望まれる。これにより、燃焼ファン１８から供給される燃焼空気の空冷効果で改質器の温度上昇が抑制される。なお、燃料電池１のカソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作期間中に、継続的に上述のような多量の空気を供給しても構わないし、改質器の温度上昇に伴い適宜、燃焼ファン１８の出力を増加させて改質器の温度上昇を抑制しても構わない。
【００５８】
また、上記操作の代わりに、発電停止動作において、燃料電池１のカソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作前に、改質器の温度が、通常運転時の所定の目標温度（例えば、６５０℃）よりも低い温度（例えば、６２０℃）になるよう、制御手段２１により原料ガス供給装置６からの発電原料ガスの流量を通常運転時の流量よりも減少させ、カソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作期間中に、改質触媒の熱耐久性を確保するための所定上限温度（例えば、７５０℃）を超えないようにするのがエネルギー効率的に好ましい。
【００５９】
原料カソード供給装置１１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給される発電原料ガスの量が、カソード１ｃの内容積の２〜３倍程度に到達した時点で、制御装置２１により原料ガス供給装置６と原料カソード供給装置１１とは発電原料ガスの供給を停止するよう動作し、第一の燃焼配管開閉弁１７は閉じられ、燃焼ファン１８は停止する。
【００６０】
このような動作によって発電の停止後、水素リッチな燃料ガスをアノード１ａの内部に充填させた状態で保持すると共に、可燃ガスである発電原料ガスをカソード１ｃの内部に充填させた状態で保持でき、アノード１ａの酸化劣化を防止できる。
【００６１】
次に、燃料電池システム３９の発電開始（起動）の際、制御装置２１の制御により流路切換手段１４によってバイパス流路が形成された状態で、原料供給配管２３を介して原料ガス供給装置６から発電原料ガスが燃料処理器２に供給される。そして、燃料処理器２の内部を通って送出されたガスは流路切換手段１４を介してアノードバイパス管１３および燃料ガス還流配管２５を経由して燃焼器４で燃焼させる。併せて制御装置２１により水供給装置３が燃料処理器２に水を供給する。そして、燃焼器４の燃焼加熱によって燃料処理器２の改質器の温度を約７００℃まで昇温させて、改質器を発電原料ガスおよび水蒸気から水素リッチな燃料ガスを生成できる温度状態に維持させる。
【００６２】
燃料処理器２に収納された一酸化炭素除去部（図示せず）の温度を反応安定温度に到達させて、燃料ガス中に含有する一酸化炭素の濃度を燃料電池１のアノード電極を劣化させない程度（約２０ｐｐｍ）まで除去できた時点で、制御装置２１により燃料ガス還流配管２５の途中に設けられた還流配管弁１５を開いて、流路切換手段１４をアノードバイパス管１３側から切り換えてアノード１ａの供給流路を形成させた状態（アノード供給配管２４とアノード１ａを連通させた状態）で、燃料処理器２から送出される燃料ガスを、流路切換手段１４を通して燃料電池１のアノード１ａに導き、かつアノード１ａで消費されなかった残余の燃料ガスを燃料ガス還流配管２５および還流配管弁１５を介して燃焼器４に還流させて燃焼器４の内部で燃焼させて、燃料電池１のアノード１ａに対するガス供給を発電開始可能な状態にする。
【００６３】
同時に、制御装置２１によりカソード閉止手段１２の第二の入口側開閉弁１２ｂと第一の燃焼配管開閉弁１７とを開き、ブロア５の送風を開始する。
【００６４】
このとき、ブロア５によって燃料電池１のカソード１ｃへ供給される空気の流量と、カソード１ｃに供給される空気により第一のカソード燃焼配管１６から燃焼器４へ押し出される発電原料ガスの流量は同じになるため、上述と同様に燃焼空気供給経路５０での混合ガス中の可燃ガス濃度が燃焼下限値未満になるようにブロア５によって供給される空気流量は燃焼ファン１８によって供給される燃焼空気流量の２０分の１未満になるように制御装置２１により調整される。
【００６５】
一例としては、制御装置２１は、燃料電池１のカソード１ｃに存在する発電原料ガスを、空気との間で置換させる燃料電池システム３９の発電開始の動作期間中は、カソード１ｃから排出される発電原料ガス流量と燃焼空気流量の総和に対する、発電原料ガス流量の割合が、発電原料ガスと空気との混合気基準の発電原料ガスの燃焼範囲外、好ましくは燃焼下限値未満になるように、カソード１ｃに供給する空気量または燃焼ファン１８から供給される燃焼空気量を調整してなる。
【００６６】
なお、上記においては、原料カソード供給装置１１の流量調整弁の開度により、第一のカソード燃焼配管１６より燃焼空気供給経路５０に供給される発電原料ガス流量が、燃焼ファン１８によって供給される燃焼空気流量の２０分の１未満になるように調整したが、代わりに燃焼ファン１８の出力により、燃焼空気供給経路５０に供給される発電原料ガス流量が燃焼空気流量の２０分の１未満になるように調整しても構わない。
【００６７】
この際、燃焼ファン１８は、燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスとの混合気体を完全燃焼させ、かつ、燃焼空気供給経路５０での燃焼空気と発電原料ガスとの混合ガス中の発電原料ガス濃度が燃焼下限値未満になるような空気量を燃焼器４に向けて送るように制御装置２１により調整される。
【００６８】
なお、上記発電原料ガス流量は、カソード１ｃから排出されるガス中の発電原料ガス流量を推測値でも構わないし、より安全性を確実にするためのカソード１ｃから排出されるガス中の全てが発電原料ガスであると仮定し、カソード１ｃから排出されるカソードオフガス流量としても構わない。
【００６９】
さらに、燃焼器４へ送られる空気量は、第一のカソード燃焼配管１６から排出されてくる発電原料ガスと燃料ガス還流配管２５から送られる燃料ガスの混合気体を少なくとも完全燃焼される量（燃焼器４の内部における空燃比が１以上になる空気量）が必要とされる。つまり、燃焼ファン１８は、燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスとを、少なくとも完全燃焼するような空気量を燃焼器４に向けて送るように制御装置２１により調整される。
【００７０】
さらに、上述のように発電開始動作において、燃料電池１のカソード１ｃ内の発電原料ガスを空気で置換する動作期間中は、通常運転時に燃焼器４に供給されていた燃料ガスに加えて更に、発電原料ガスが燃焼器４に供給され、燃焼熱量が増加するため燃料処理器２の温度、特に改質器の温度が上昇しやすく改質触媒の熱耐久性を確保するための所定上限温度（例えば、７５０℃）よりも高くなる恐れがある。そこで、燃焼ファン１８の出力を、燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスとの混合気体を、少なくとも完全燃焼させるのに必要な供給量、あるいは、さらに燃焼空気供給経路５０での燃焼空気と発電原料ガスとの混合ガス中の発電原料ガス濃度が燃焼下限値未満になることも考慮した必要空気量をよりも多量の空気を燃焼器４に向けて送るように制御装置２１により調整されることが好ましい。例えば、燃焼器４の内部における空燃比が１を超えるような空気量供給が望まれる。これにより、燃焼ファン１８から供給される燃焼空気の空冷効果で改質器の温度上昇が抑制される。なお、燃料電池１のカソード１ｃ内の発電原料ガスを空気で置換する動作期間中に、継続的に上述のような多量の空気を供給しても構わないし、改質器の温度上昇に伴い適宜、燃焼ファン１８の出力を増加させて改質器の温度上昇を抑制しても構わない。
【００７１】
また、上記操作の代わりに、発電開始動作において、燃料電池１のカソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作前は、改質器の温度が、通常運転時の所定の目標温度（例えば、６５０℃）よりも低い温度（例えば、６２０℃）であるよう、制御手段２１により原料ガス供給装置６からの発電原料ガスの流量を通常運転時の流量よりも低くし、カソード１ｃ内の発電原料ガスを空気で置換する動作期間中に、改質触媒の熱耐久性を確保するための所定上限温度（例えば、７５０℃）を超えないようにし、カソード１ｃ内の発電原料ガスを空気で置換する動作終了後に、発電原料ガスの流量を通常運転時の流量に上昇させるのがエネルギー効率的に好ましい。
【００７２】
そして、燃料電池１のカソード１ｃに充填された発電原料ガスが空気に置換された後、制御装置２１によりカソード閉止手段１２の第一の出口側開閉弁１２ａが開き、第一の燃焼配管開閉弁１７が閉じて、ブロア５の空気供給量を燃料電池１の発電に必要な量に設定し、燃料電池１での発電を開始する。
【００７３】
以上のように燃料電池システム３９の発電開始時や停止時に燃料電池１のカソード１ｃから排出される発電原料ガスを、第一のカソード燃焼配管１６から燃焼空気供給経路５０へ送り燃焼空気と混合させ燃焼器４に送ることにより、カソード１ｃから排出される発電原料ガスを完全燃焼させて、燃料電池システム３９から排出することができる。
【００７４】
また、第一のカソード燃焼配管１６から燃焼空気供給経路５０へ送られる発電原料ガス流量を燃焼ファン１８が供給する燃焼空気量の２０分の１未満に制御装置２１により調整されることにより、燃焼器４から燃焼空気供給経路５０へ逆火する恐れの無い適正な運転が可能になる。
【００７５】
さらに、燃料電池システム３９の発電の停止期間中、燃料電池１のカソード１ｃに発電原料ガスを充填させた状態で保持できるため、アノード１ａに可燃ガス（燃料ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１のアノード１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池システム３９のアノード１ａの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る燃料電池システムの概要を示すブロック図である。本実施の形態は、実施の形態１におけるカソードバイパス経路である第一のカソード燃焼配管１６の配置構成を変形したものである。なお、図１に記載された構成要素と同じものには、同じ番号を付与して、その詳細な説明を省略する。
【００７６】
図２によれば、実施の形態１と比較して、燃料電池１のカソード１ｃから排出される発電原料ガスを燃焼空気と混合させてから燃焼器４へ送るためにカソード１ｃの出口と燃焼空気供給経路５０をつなぐ第一のカソード燃焼配管１６と、この第一のカソード燃焼配管１６上に設けられた燃焼配管開閉弁１７に代えて、燃料電池１のカソード１ｃから排出される発電原料ガスを燃料ガスと混合させてから燃焼器４へ送るために第一の出口側開閉弁１２ａよりも上流のカソード１ｃの出口と還流配管弁１５よりも下流の燃料ガス還流配管２５とをつなぐ第二のカソード燃焼配管１９と、この第二のカソード燃焼配管１９上に設けられた燃焼配管開閉弁２０が配置されている。
【００７７】
燃料電池システム３９の発電期間中、燃料処理器２内の改質器の温度を約７００℃程度に維持させた状態で、制御装置２１の制御により原料ガス供給装置６から供給された発電原料ガスと水供給装置３から供給された水を改質器の内部で改質反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する。そして、燃料処理器２から送出された燃料ガスは、アノード供給配管２４の途中に設けられた流路切換手段１４を通過して（制御装置２１の制御により流路切換手段１４はアノード供給配管２４とアノード１ａを連通状態にする）、燃料電池１のアノード１ａに送り込まれる。また、ブロア５から送出される空気は、カソード供給配管７を介して開栓状態の第二の入口側開閉弁１２ｂを通過して、燃料電池１のカソード１ｃに送り込まれる。こうして燃料電池１の内部において、燃料ガ中の水素と空気中の酸素を消費して発電が行われる。燃料電池１の発電によって消費されなかった残余の燃料ガスは、燃料ガス還流配管２５を介して開栓状態の還流配管弁１５を通過して燃焼器４へ送られた後、燃焼器４の内部で燃焼されて燃料処理器２内の改質器を加熱するための熱源として活用される。また、燃料電池１の発電によって消費されなかった残余の空気は、カソード排出配管８を介して開栓状態の第一の出口側開閉弁１２ａを通過して大気中に排出される。
【００７８】
続いて燃料電池システム３９の発電停止の際、制御装置２１の制御によりブロア５の作動を停止することでブロア５からカソード１ｃに対する空気の供給が停止されると共に、第二の入口側開閉弁１２ｂと第一の出口側開閉弁１２ａが閉じ、第二の燃焼配管開閉弁２０が開にする。
【００７９】
また、制御手段２１により流路切換手段１４はバイパス流路（アノード供給配管２４とアノードバイパス管１３を連通する経路）を形成すると共に、弁１５を閉栓させる。こうして燃料電池１のアノード１ａに滞留する燃料ガス（水素リッチガス）をアノード１ａの内部に封止でき、この状態を保って燃料処理器２からアノード１ａに対する燃料ガス供給が停止される。
【００８０】
この時点で、原料ガス供給装置６は、発電原料ガスの供給を維持することで燃焼器４での燃焼を継続しながら、制御手段２１により原料カソード供給装置１１が作動され、原料カソード供給配管２２を介して可燃ガスである発電原料ガスを第二の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に導いて、このカソード供給配管７を介して燃料電池１のカソード１ｃに供給する。
【００８１】
なお、カソード１ｃに滞留する空気量は事前に把握可能であるため、原料カソード供給装置１１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給される発電原料ガスの量は、この滞留空気量と同等以上（通常、内容積の２〜３倍）になるように制御装置２１により設定される。
【００８２】
なおここで、原料ガス供給装置６の出口直後の原料供給配管２３の内部の発電原料ガスの圧力は約２ｋＰａ程昇圧されている。このため、原料カソード供給配管２２の一方端を原料ガス供給装置６の出口直後の原料供給配管２３に接続させ、その他方端を第二の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７に接続させた状態で、原料カソード供給配管２２の途中に配置された原料カソード供給装置１１としての流量調整弁を開けば、発電原料ガスの内圧を利用して発電原料ガスを第二の入口側開閉弁１２ｂの下流のカソード供給配管７からカソード１ｃに流入させ得る。勿論、発電原料ガスを供給するための供給圧が不十分な場合には、原料カソード供給装置１１として供給ポンプを使って、発電原料ガスをカソード１ｃにポンプ圧送しても構わない。
【００８３】
また、燃料ガス還流配管２５から燃焼器４へ供給される燃料ガスは、原料カソード供給装置１１で発電原料ガスを燃料電池１のカソード１ｃへ供給することにより、燃料電池１のカソード１ｃ内から第二のカソード燃焼配管１９を経由して燃料ガス還流配管２５を流れる発電原料ガスと合流する。要するに、カソード１ｃから排出された発電原料ガスは、第二のカソード燃焼配管１９を経由して、燃料ガス還流配管２５上に供給され、これにより、発電原料ガスと燃料ガスとが混合されて燃焼器４へ運ばれて燃焼される。
【００８４】
燃料ガス還流配管２５を流れて燃焼器４へ供給される空気流量は、燃料ガス還流配管２５で逆火することのないように、燃料ガス還流配管２５における可燃性ガス（ここでは、燃料ガス還流配管２５を流れる燃料ガス中の水素ガス）と上記空気との混合気体中の可燃ガス濃度が燃焼範囲外、好ましくは燃焼上限値より大きくなるよう制御装置２１により設定される。
【００８５】
一例としては、制御装置２１は、燃料電池１のカソード１ｃに存在する空気を、発電原料ガスとの間で置換させる燃料電池システム３９の発電停止の動作期間中は、カソード１ｃから排出される空気流量と燃料ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、可燃性ガスと空気との混合気基準の可燃性ガスの燃焼範囲外、好ましくは燃焼上限値より大きくなるよう、カソード１ｃに供給される発電原料ガス量または燃料ガス還流配管２５を流れる燃料ガス量を調整してなる。
【００８６】
これは、燃料ガスで充填されている燃料ガス還流配管２５に、第二のカソード燃焼配管１９から空気が流入する際には（特に発電原料ガスによるカソード１ｃ中のガス置換直後）、混合ガス中の可燃ガス濃度が燃焼上限値より大きくなるよう空気の流量（すなわちカソード１ｃの空気置換に供される発電原料ガスの流量）を調整し、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼範囲外にする方が、より可燃ガス燃焼の管理の容易化を図れることによるものである。何故なら、仮に燃焼下限値未満になるよう空気の流量（すなわち発電原料ガスの流量）を調整すると、燃料ガス還流配管２５内の混合ガス中の可燃ガス濃度は、燃焼下限値になるまでの間、一時的に燃焼範囲に入ってしまうからである。
【００８７】
従って、燃料ガスの主成分は水素であり、水素と空気の混合割合として、約４〜７５％の燃焼範囲を有するため、燃料ガス還流配管２５を流れて燃焼器４へ供給される空気流量、すなわち原料カソード供給装置１１より供給される発電原料の流量は、制御装置２１により燃料ガス還流配管２５から燃焼器４へ供給される燃料ガス流量の４分の１未満になるように調整される。
【００８８】
なお、上述のような逆火防止のための流量制御は、燃料ガス還流配管２５中の燃料ガス中に含まれるいずれの可燃性ガス成分に対しても、上述の条件を満たすよう制御され、本実施の形態においては、燃料ガス還流配管２５を流れる燃料ガス中の可燃性ガスの大部分が水素であり、かつ空気との混合気基準での水素の燃焼範囲は、４〜７５ｖｏｌ％と、燃焼下限値及び燃焼上限値ともに燃料ガス中の他の可燃性ガス成分である未改質発電原料（都市ガス１３Ａ）に比べ厳しいため、燃料ガス中の可燃性ガス流量として、燃料ガス中の水素ガス流量を用いている。また、さらに、安全性をより確実に確保するために、前記燃料ガス中の水素ガス流量に代えて燃料ガス流量を用いても構わない。
【００８９】
この時、燃焼ファン１８は、上述の実施の形態１と同様に燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスとの混合気体を少なくとも完全燃焼するような空気量（燃焼器４の内部における空燃比が１以上になる量の空気量）を燃焼器４に向けて送るように制御装置２１により調整される。
【００９０】
さらに、上述のように発電停止動作において、燃料電池１のカソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作期間中は、上述の実施の形態１と同様に、燃焼ファン１８の出力を、燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスとの混合気体を完全燃焼させるのに必要な空気量も多量の空気を燃焼器４に向けて送るように制御装置２１により調整されることが好ましい。これにより、燃焼ファン１８から供給される燃焼空気の空冷効果で改質器の温度上昇が抑制される。なお、燃料電池１のカソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作期間中に、継続的に上述のような多量の空気を供給しても構わないし、改質器の温度上昇に伴い適宜、燃焼ファン１８の出力を増加させて改質器の温度上昇を抑制しても構わない。
【００９１】
また、上記操作の代わりに、発電停止動作において、燃料電池１のカソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作前に、上述の実施の形態１と同様に、改質器の温度が、通常運転時の所定の目標温度（例えば、６５０℃）よりも低い温度（例えば、６２０℃）になるよう、制御手段２１により原料ガス供給装置６からの発電原料ガスの流量を通常運転時の流量よりも減少させ、カソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作期間中に、改質触媒の熱耐久性を確保するための所定上限温度（例えば、７５０℃）を超えないようにするのがエネルギー効率的に好ましい。
【００９２】
原料カソード供給装置１１によって燃料電池１のカソード１ｃに供給される発電原料ガスの量が、カソード１ｃの内容積と同程度以上（通常、内容積の２〜３倍）に到達した時点で、制御装置２１により原料ガス供給装置６と原料カソード供給装置１１とによる発電原料ガスの供給を停止し、第二の燃焼配管開閉弁２０を閉じ、燃焼ファン１８を停止する。
【００９３】
このような動作によって発電の停止後、水素リッチな燃料ガスをアノード１ａの内部に充填させた状態で保持すると共に、可燃ガスである発電原料ガスをカソード１ｃの内部に充填させた状態で保持でき、アノード１ａの酸化劣化を防止できる。
【００９４】
次に、燃料電池システム３９の発電開始（起動）の際、制御装置２１の制御により流路切換手段１４によってバイパス流路が形成された状態で、原料供給配管２３を介して原料ガス供給装置６から発電原料ガスを燃料処理器２内の改質器に供給される。そして、燃料処理器２の内部を通って送出されたガスを、流路切換手段１４を介してアノードバイパス管１３および燃料ガス還流配管２５を経由して燃焼器４で燃焼させる。併せて制御装置２１により水供給装置３によって燃料処理器２内の改質器に水を供給する。そして、燃焼器４の燃焼加熱によって燃料処理器２内の改質器の温度を約７００℃まで昇温させて、改質器を発電原料ガスおよび水蒸気から水素リッチな燃料ガスを生成できる温度状態に維持させる。
【００９５】
燃料処理器２に収納された一酸化炭素除去部（図示せず）の温度を反応安定温度に到達させて、燃料ガス中に含有する一酸化炭素の濃度を燃料電池１のアノード電極を劣化させない程度（約２０ｐｐｍ）まで除去できた時点で、制御装置２１により燃料ガス還流配管２５の途中に設けられた還流配管弁１５を開いて、流路切換手段１４をアノードバイパス管１３側から切り換えてアノード１ａの供給流路を形成させた状態（アノード供給配管２４とアノード１ａを連通させた状態）で、燃料処理器２から送出される燃料ガスを、流路切換手段１４を通して燃料電池１のアノード１ａに導き、かつアノード１ａで消費されなかった残余の燃料ガスを燃料ガス還流配管２５および還流配管弁１５を介して燃焼器４に還流させて燃焼器４の内部で燃焼させて、燃料電池１のアノード１ａに対するガス供給を発電開始可能な状態にする。
【００９６】
同時に、制御装置２１によりカソード閉止手段１２の第二の入口側開閉弁１２ｂと第二の燃焼配管開閉弁２０とを開き、ブロア５の送風を開始する。
【００９７】
このとき、ブロア５によって燃料電池１のカソード１ｃから第二のカソード燃焼配管１９を経由して、燃焼器４へ送られる空気流量は上述と同様に燃料ガス還流配管２５における燃料ガスと空気の混合気体中の可燃ガス濃度が燃焼上限値より大きくなるように、燃料ガス還流配管２５から燃焼器４へ供給される燃料ガス流量の４分の１未満になるように制御装置２１により調整される。
【００９８】
一例としては、制御装置２１は、燃料電池１のカソード１ｃに存在する発電原料ガスを、空気との間で置換させる燃料電池システム３９の発電開始の動作期間中は、カソード１ｃから排出される空気流量と燃料ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、可燃性ガスと空気との混合気基準での可燃性ガスの燃焼範囲外、好ましくは燃焼上限値より大きくなるよう、カソード１ｃに供給される空気量または燃料ガス還流配管２５を流れる燃料ガス量を調整してなる。
【００９９】
なお、上述のような逆火防止のための流量制御は、燃料ガス還流配管２５中の燃料ガス中に含まれるいずれの可燃性ガス成分に対しても、上述の条件を満たすよう制御され、本実施の形態においては、燃料ガス還流配管２５を流れる燃料ガス中の可燃性ガスの大部分が水素であり、かつ空気との混合気基準での水素の燃焼範囲は、４〜７５ｖｏｌ％と、燃焼下限値及び燃焼上限値ともに燃料ガス中の他の可燃性ガス成分である未改質発電原料（都市ガス１３Ａ）に比べ厳しいため、燃料ガス中の可燃性ガス流量として、燃料ガス中の水素ガス流量を用いている。また、さらに、安全性をより確実に確保するために、前記燃料ガス中の水素ガス流量に代えて燃料ガス流量を用いても構わない。
【０１００】
さらに、燃焼ファン１８により燃焼器４へ送られる空気量は、実施の形態１と同様に、発電停止中にカソード１ｃに保持されていて、ブロア５によるカソード１ｃへの空気供給開始に伴い、第二のカソード燃焼配管１９から当初（特に空気によるカソード１ｃ中のガス置換直後）、排出されてくる発電原料ガスと燃料ガス還流配管２５から送られる混合ガス中の燃料ガスとを少なくとも完全燃焼される量が必要とされる。つまり、燃焼ファン１８は、燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスを完全燃焼するような空気量を燃焼器４に向けて送るように制御装置２１により調整される。
【０１０１】
さらに、上述のように発電開始動作において、燃料電池１のカソード１ｃ内の発電原料ガスを空気で置換する動作期間中は、上述の実施の形態１と同様に、燃焼ファン１８の出力を、燃焼器４へ送られる発電原料ガスと燃料ガスとの混合気体を完全燃焼させるのに必要な空気量よりも多量の空気を燃焼器４に向けて送るように制御装置２１により調整されることが好ましい。これにより、燃焼ファン１８から供給される燃焼空気の空冷効果で改質器の温度上昇が抑制される。なお、燃料電池１のカソード１ｃ内の発電原料を空気で置換する動作期間中に、継続的に上述のような多量の空気を供給しても構わないし、改質器の温度上昇に伴い適宜、燃焼ファン１８の出力を増加させて改質器の温度上昇を抑制しても構わない。
【０１０２】
また、上記操作の代わりに、発電開始動作において、燃料電池１のカソード１ｃ内の空気を発電原料ガスで置換する動作前は、上述の実施の形態１と同様に、改質器の温度が、通常運転時の所定の目標温度（例えば、６５０℃）よりも低い温度（例えば、６２０℃）であるよう、制御手段２１により原料ガス供給装置６からの発電原料ガスの流量を通常運転時の流量よりも低くし、カソード１ｃ内の発電原料ガスを空気で置換する動作期間中に、改質触媒の熱耐久性を確保するための所定上限温度（例えば、７５０℃）を超えないようにし、カソード１ｃ内の発電原料ガスを空気で置換する動作終了後に、発電原料ガスの流量を通常運転時の流量に上昇させるのがエネルギー効率的に好ましい。
【０１０３】
そして、燃料電池１のカソード１ｃに充填された発電原料ガスが空気に置換された後、制御手段２１によりカソード閉止手段１２の第一の出口側開閉弁１２ａを開き、第二の燃焼配管開閉弁２０を閉じて、ブロア５の空気供給量を燃料電池１の発電に必要な量に設定し、燃料電池１での発電を開始する。
【０１０４】
以上のように燃料電池システム３９の発電開始時や停止時に燃料電池１のカソード１ｃから排出される発電原料ガスを、第二のカソード燃焼配管１９から燃料ガス還流配管２５経由で燃焼器４に送ることにより、カソード１ｃから排出される発電原料ガスを完全燃焼させて、燃料電池システム３９から排出することができる。
【０１０５】
また、第二のカソード燃焼配管１９から燃料ガス還流配管２５経由で燃焼器４へ送られる空気流量を燃料ガス還流配管２５から燃焼器４へ供給される燃料ガス流量の４分の１未満に制御装置２１により調整されることにより、燃焼器４から燃料ガス還流配管２５へ逆火する恐れの無い適正な運転が可能になる。
【０１０６】
さらに、燃料電池システム３９の発電の停止期間中、燃料電池１のカソード１ｃに発電原料ガスを充填させた状態で保持できるため、アノード１ａに可燃ガス（燃料ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１のアノード１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池システム３９のアノード１ａの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
【０１０７】
なおここまで、燃料電池システム３９の発電停止の際、実施の形態１（図１）および実施の形態２（図２）においてはカソード１ｃに充填する可燃ガスの一例として原料ガス供給装置６からアノード１ａに供給される発電原料ガスが使用されている。
【０１０８】
しかし、所定の配管配置の変更によって可燃ガスとして発電原料ガスおよび燃料ガスのうちのいずれも適宜選択することが可能である。もっとも水素ガス濃度を高めた状態で充填して保持させた方が、白金触媒の耐久性の観点から好ましいと考えられている。もちろん反面、水素ガスの燃焼範囲が、他の可燃ガスのそれよりも広くて、水素ガスを大気に排出させる際にはより慎重に取り扱う必要があると言える。
【０１０９】
またここでは、酸化剤ガスとして空気を用いる場合を想定して述べたが、酸化剤ガスは必ずしも空気でなくても良い。そしてこの場合、燃料電池１のカソード１ｃに存在するガスを酸化剤ガスと発電原料ガスとの間で置換させる動作期間中（発電停止および発電開始の動作期間中）において、制御装置２１は、カソード１ｃから排出されるガス中の酸素流量と、燃料ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、可燃性ガスと酸素との混合気基準での可燃性ガスの燃焼範囲外、好ましくは燃焼上限値より大きくなるよう、カソード１ｃに供給されるガス量または燃料ガス還流配管２５を流れる燃料ガスの供給量を調整することになる。
【０１１０】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。本実施の形態による燃料電池システム１３９は、実施の形態１（図１）に記載された燃料電池１のガス供給の構成を変形したシステムである。なお、図１に記載された構成要素と同じものについては、その詳細な説明を省略する（但し説明の便宜上、図１に付した構成部材に対応する図３の部材の参照符号は、百の位に「１」を付するようにして付与されている）。
【０１１１】
図１および図３から理解されるとおり、本実施の形態による燃料電池システム１３９においては、実施の形態１（図１）で述べた燃料処理器２、原料ガス供給装置６および水供給装置３に代えて、燃料ガスとしての水素ガスを定量貯留するとともに、この水素ガスを燃料電池１０１のアノード１０１ａに送出可能な水素供給装置１０２が配置されている。また、実施の形態１（図１）で述べた燃料処理器２（改質器）加熱用の燃焼器４に代えて、燃料電池システム１３９の停止や起動の際に、後記の燃料電池１０１のカソード１０１ｃから排出される水素ガス処理用の専用の燃焼器１０４が配置されている。なおここでは、図３の水素カソード供給装置１１１（実施の形態１の原料カソード供給装置１１に対応する装置）は、カソード１０１ｃに水素ガスを供給する機能を果たすことになる。
【０１１２】
燃料電池システム１３９の発電期間中、水素供給装置１０２から送出された水素ガスは、アノード供給配管１２４の途中に設けられた流路切換手段１１４を通過して（制御装置１２１の制御により流路切換手段１１４はアノード供給配管１２４とアノード１０１ａを連通状態にする）、燃料電池１０１のアノード１０１ａに送り込まれる。  
【０１１３】
一方、ブロア１０５から送出される空気は、カソード供給配管１０７を介して開栓状態の第二の入口側開閉弁１１２ｂを通過して、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに送り込まれる。
【０１１４】
こうして燃料電池１０１の内部において、水素と空気中の酸素を消費して発電が実行される。燃料電池１０１の発電によって消費されなかった残余の水素ガス（燃焼ガス）は、水素ガス還流配管１２５を介して開栓状態の還流配管弁１１５を通過して燃焼器１０４へ送られた後、燃焼器１０４の内部で燃焼させられる。若しくは、水素供給装置１０２から送出された水素ガス（燃焼ガス）を、流路切換手段１１４の切換動作（アノード供給配管１２４とアノードバイパス管１１３との間を連通）により、水素ガス還流配管１２５から燃焼器１０４に送っても良い。
【０１１５】
なお、燃焼器１０４による燃焼熱（排熱）を回収して、適宜の排熱利用システム（例えば、給湯システム）の熱源として活用しても良い。
【０１１６】
また、燃料電池１０１の発電によって消費されなかった残余の空気は、カソード排出配管１０８を介して開栓状態の第一の出口側開閉弁１１２ａを通過して大気中に排出される。
【０１１７】
続いて燃料電池システム１３９の発電停止の際、制御装置１２１の制御によりブロア１０５の作動を停止することでブロア１０５からカソード１０１ｃに対する空気の供給が停止されると共に、第二の入口側開閉弁１１２ｂと第一の出口側開閉弁１１２ａが閉じ、第一の燃焼配管開閉弁１１７を開にする。
【０１１８】
また、制御装置１２１の制御により流路切換手段１１４はバイパス流路（アノード供給配管１２４とアノードバイパス管１１３を連通する経路）を形成すると共に、弁１１５を閉栓させる。こうして燃料電池１０１のアノード１０１ａに滞留する水素ガスをアノード１０１ａの内部に封止でき、この状態を保って水素供給装置１０２からアノード１０１ａに対する水素ガス供給が停止される。
【０１１９】
この時点で、水素供給装置１０２は、水素ガスの供給を維持することにより、燃焼器１０４での燃焼を継続しながら、制御装置１２１により水素カソード供給装置１１１が作動され、水素カソード供給配管１２２を介して可燃ガスである水素ガスを第二の入口側開閉弁１１２ｂの下流のカソード供給配管１０７に導いて、このカソード供給配管１０７を介して燃料電池１０１のカソード１０１ｃに供給する。
【０１２０】
水素カソード供給装置１１１によって燃料電池１０１のカソード１０１ｃに供給される水素ガスの量は、カソード１０１ｃの内容積の２〜３倍程度になるよう制御装置１２１により設定されており、カソード１０１ｃ内部の空気が十分、可燃ガスである水素ガスで置換されるようにする。そのとき、カソード１０１ｃの内容積を越える分の水素ガスは、第一のカソード燃焼配管１１６を経由して、燃焼空気供給経路１５０上に供給され、これにより、水素ガスと燃焼空気とが混合されて燃焼器１０４へ運ばれて燃焼される。
【０１２１】
なおここで、水素供給装置１０２の出口直後のアノード供給配管１２４の内部の水素ガスの圧力は約２ｋＰａ程昇圧されている。このため、水素カソード供給配管１２２の一方端を水素供給装置１０２の出口直後のアノード供給配管１２４に接続させ、その他方端を第二の入口側開閉弁１１２ｂの下流のカソード供給配管１０７に接続させた状態で、水素カソード供給配管１２２の途中に配置された水素カソード供給装置１１１としての流量調整弁を開けば、水素ガスの内圧を利用して水素ガスを第二の入口側開閉弁１１２ｂの下流のカソード供給配管１０７からカソード１０１ｃに流入させ得る。勿論、水素ガスを供給するための供給圧が不十分な場合には、水素カソード供給装置１１１として供給ポンプを使って、水素ガスをカソード１０１ｃにポンプ圧送しても構わない。
【０１２２】
また、燃焼ファン１１８によって供給される燃焼空気流量と水素カソード供給装置１１１によって供給される水素ガスの流量は、燃焼空気供給経路１５０で逆火することのないよう、両者の混合ガス中の可燃ガス濃度が燃焼範囲外、好ましくは燃焼下限値未満になるよう制御装置１２１により設定される。
【０１２３】
一例としては、制御装置１２１は、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに存在する空気を、水素ガスとの間で置換させる燃料電池システム１３９の発電停止の動作期間中は、カソード１０１ｃから排出される水素ガス流量と燃焼空気流量の総和に対する、水素ガス流量の割合が、水素ガスと空気との混合気基準での水素ガスの燃焼範囲外、好ましくは燃焼下限値未満になるように、カソード１０１ｃに供給する水素ガス量または燃焼ファン１１８から供給される燃焼空気量を調整してなる。
【０１２４】
これは、空気で充填されている燃焼空気供給経路１５０に水素ガスが混合する際には燃焼下限値未満になるよう水素ガスの流量を調整し、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼範囲外にする方が、より可燃ガス燃焼の管理の容易化を図れることによるものである。何故なら、仮に燃焼上限値よりも大きくなるよう水素ガスの流量を調整すると、燃焼空気供給経路１５０内の混合ガス中の可燃ガス濃度は、燃焼上限値より大きくなるまでの間、一時的に燃焼範囲に入ってしまうからである。
【０１２５】
よって、水素ガスは空気との混合割合として約４〜７５％の燃焼範囲を有するため、制御装置１２１により水素カソード供給装置１１１が供給する水素ガス流量は、望ましくは、燃焼ファン１１８によって供給される燃焼空気流量の２５分の１未満になるように調整される。
【０１２６】
なお、上記水素ガス流量は、カソード１０１ｃから排出されるガス中に含まれる水素ガス流量の推測値を用いても構わないし、より安全性を確実に確保するためにカソード１０１ｃから排出されるガスが全て水素ガスと仮定して、カソード１０１ｃから排出されるカソードオフガス流量としても構わない。
【０１２７】
さらに、燃焼ファン１１８により燃焼器１０４へ送られる空気量は、第一のカソード燃焼配管１１６から排出される水素ガスと、水素ガス還流配管１２５から送られる水素ガスと、を合算したトータルの水素ガスを、少なくとも完全燃焼される量が必要とされる。言い換えれば、第一のカソード燃焼配管１１６から排出される水素ガスと、水素ガス還流配管１２５から送られる水素ガスと、を合算した水素に対して、燃焼器１０４の内部における空燃比が１以上になる量の空気量が必要とされる。よって、燃焼ファン１１８は、燃焼器１０４へ送られる合算された水素を少なくとも完全燃焼するような空気量（燃焼器１０４の内部における空燃比が１以上になる量の空気量）を燃焼器１０４に向けて送るように制御装置１２１により調整される。なお空燃比とは、実際に供給した空気量Ａと理論空気量（燃料を完全に燃焼させるために必要な最低の空気量）Ａ０の比（Ａ／Ａ０）を指し示し、この値が１未満であれば、燃料の不完全燃焼を招きかねない。
【０１２８】
なお、上記においては、水素カソード供給装置１１１の流量調整弁の開度により、第一のカソード燃焼配管１１６より燃焼空気供給経路１５０に供給される水素ガス流量が、燃焼ファン１１８によって供給される燃焼空気流量の２５分の１未満になるように調整したが、代わりに燃焼ファン１１８の出力により、燃焼空気供給経路１５０に供給される水素ガス流量が燃焼空気流量の２５分の１未満になるように調整しても構わない。
【０１２９】
この際には、燃焼ファン１１８は、燃焼器１０４へ送られる合算された水素ガスを完全燃焼させ、かつ、燃焼空気供給経路１５０途中の燃焼空気と水素ガスとの混合ガス中の水素ガス濃度が燃焼下限値未満になるよう、適正な空気量を燃焼器１０４に向けて送るように制御装置１２１により調整される。
【０１３０】
水素カソード供給装置１１１によって燃料電池１０１のカソード１０１ｃに供給される水素ガスの量が、カソード１０１ｃの内容積の２〜３倍程度に到達した時点で、制御装置１２１により水素供給装置１０２と水素カソード供給装置１１１とは水素ガスの供給を停止するよう動作し、第一の燃焼配管開閉弁１１７は閉じられ、燃焼ファン１１８は停止する。
【０１３１】
このような動作によって発電の停止後、発電ガスとしての水素ガスをアノード１０１ａの内部に充填させた状態で保持すると共に、可燃ガスである水素ガスをカソード１０１ｃの内部に充填させた状態で保持でき、これにより、アノード１０１ａの酸化劣化を適切に防止できる。
【０１３２】
次に、燃料電池システム１３９の発電開始（起動）の際には、制御装置１２１により水素ガス還流配管１２５の途中に設けられた還流配管弁１１５を開いて、流路切換手段１１４をアノードバイパス管１１３側から切り換えてアノード１０１ａの供給流路を形成させた状態（アノード供給配管１２４とアノード１０１ａを連通させた状態）で、水素供給装置１０２から送出される水素ガスを、流路切換手段１１４を通して燃料電池１０１のアノード１０１ａに導き、かつアノード１０１ａで消費されなかった残余の水素ガスを水素ガス還流配管１２５および還流配管弁１１５を介して燃焼器１０４に還流させて燃焼器１０４の内部で燃焼させて、燃料電池１０１のアノード１０１ａに対するガス供給を発電開始可能な状態にする。
【０１３３】
同時に、制御装置１２１によりカソード閉止手段１１２の第二の入口側開閉弁１１２ｂと第一の燃焼配管開閉弁１１７とを開き、ブロア１０５の送風を開始する。
【０１３４】
このとき、ブロア１０５によって燃料電池１０１のカソード１０１ｃへ供給される空気の流量と、カソード１９１ｃに供給される空気により第一のカソード燃焼配管１０６から燃焼器１０４へ押し出される水素ガスの流量は同じになるため、上述と同様に燃焼空気供給経路１５０での混合ガス中の可燃ガスが燃焼下限値未満になるようにブロア１０５によって供給される空気流量は燃焼ファン１１８によって供給される燃焼空気流量の２５分の１未満になるように制御装置１２１により調整される。
【０１３５】
一例としては、制御装置１２１は、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに存在する水素ガスを、空気との間で置換させる燃料電池システム１３９の発電開始の動作期間中は、カソード１０１ｃから排出される水素ガス流量と燃焼空気流量の総和に対する、水素ガス流量の割合が、水素ガスと空気との混合気基準での水素ガスの燃焼範囲外、好ましくは燃焼下限値未満になるように、カソード１０１ｃに供給する空気量または燃焼ファン１１８から供給される燃焼空気量を調整してなる。
【０１３６】
なお、上記水素ガス流量は、カソード１０１ｃから排出されるガス中に含まれる水素ガス流量の推測値を用いても構わないし、より安全性を確実に確保するためにカソード１０１ｃから排出されるガスが全て水素ガスと仮定して、カソード１０１ｃから排出されるカソードオフガス流量としても構わない。
【０１３７】
さらに、燃焼器１０４へ送られる空気量は、第一のカソード燃焼配管１１６から排出される水素ガスと、水素ガス還流配管１２５から送られる水素ガスと、を合算したトータルの水素を少なくとも完全燃焼される量（燃焼器１０４の内部における空燃比が１以上になる空気量）が必要とされる。つまり、燃焼ファン１１８は、燃焼器１０４へ送られる合算された水素ガスを、少なくとも完全燃焼するような空気量を燃焼器１０４に向けて送るように制御装置１２１により調整される。
【０１３８】
なお、上記においては、水素カソード供給装置１１１の流量調整弁の開度により、第一のカソード燃焼配管１１６より燃焼空気供給経路１５０に供給される水素ガス流量が、燃焼ファン１１８によって供給される燃焼空気流量の２５分の１未満になるように調整したが、代わりに燃焼ファン１１８の出力により、燃焼空気供給経路１５０に供給される水素ガス流量が燃焼空気流量の２５分の１未満になるように調整しても構わない。
【０１３９】
この際、燃焼ファン１１８は、燃焼器１０４へ送られる合算された水素ガスを完全燃焼させ、かつ、燃焼空気供給経路１５０途中の燃焼空気と水素ガスとの混合ガス中の水素ガス濃度が燃焼下限値未満になる適正な空気量を燃焼器１０４に向けて送るように制御装置１２１により調整される。
【０１４０】
そして、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに充填された水素ガスが空気に置換された後、制御装置１２１によりカソード閉止手段１１２の第一の出口側開閉弁１１２ａが開き、第一の燃焼配管開閉弁１１７が閉じて、ブロア１０５の空気供給量を燃料電池１０１の発電に必要な量に設定し、燃料電池１０１での発電を開始する。
【０１４１】
以上のように燃料電池システム１３９の発電開始時や停止時に燃料電池１０１のカソード１０１ｃから排出される水素ガスを、第一のカソード燃焼配管１１６から燃焼空気供給経路１５０へ送り燃焼空気と混合させ燃焼器１０４に向けて送ることにより、カソード１０１ｃから排出される水素ガスを完全燃焼させて、燃料電池システム１３９から排出することができる。
【０１４２】
また、第一のカソード燃焼配管１１６から燃焼空気供給経路１５０へ送られる水素ガス流量を燃焼ファン１８が供給する燃焼空気量の２５分の１未満に制御装置１２１により調整されることにより、燃焼器１０４から燃焼空気供給経路１５０へ逆火する恐れの無い適正な運転が可能になる。
【０１４３】
さらに、燃料電池システム１３９の発電の停止期間中、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに水素ガスを充填させた状態で保持できるため、アノード１０１ａに可燃ガス（水素ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１０１のアノード１０１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池システム１３９のアノード１０１ａの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
【０１４４】
（実施の形態４）
図４は、実施の形態４に係る燃料電池システムの構成の概要を示すブロック図である。本実施の形態による燃料電池システム１３９は、実施の形態２（図２）に記載された燃料電池１のガス供給の構成を変形したシステムである。なお、図２に記載された構成要素と同じものについては、その詳細な説明を省略する（但し説明の便宜上、図２に付した構成部材に対応する図４の部材の符号は、百の位に「１」を付するようにして付与されている）。
【０１４５】
図２および図４から理解されるとおり、本実施の形態による燃料電池システム１３９においては、実施の形態２（図２）で述べた燃料処理器２、原料ガス供給装置６および水供給装置３に代えて、燃料ガスとしての水素ガスを定量貯留するとともに、この水素ガスを燃料電池１０１のアノード１０１ａに送出可能な水素供給装置１０２が配置されている。また、実施の形態２（図２）で述べた燃料処理器２（改質器）加熱用の燃焼器４に代えて、燃料電池システム１３９の停止や起動の際に、後記の燃料電池１０１のカソード１０１ｃから排出される水素ガス処理用の専用の燃焼器１０４が配置されている。なおここでは、図４の水素カソード供給装置１１１（実施の形態２の原料カソード供給装置１１に対応する装置）は、カソード１０１ｃに水素ガスを供給する機能を果たすことになる。
【０１４６】
燃料電池システム１３９の発電期間中、水素供給装置１０２から送出された水素ガスは、アノード供給配管１２４の途中に設けられた流路切換手段１１４を通過して（制御装置１２１の制御により流路切換手段１１４はアノード供給配管１２４とアノード１０１ａを連通状態にする）、燃料電池１０１のアノード１０１ａに送り込まれる。  
【０１４７】
一方、ブロア１０５から送出される空気は、カソード供給配管１０７を介して開栓状態の第二の入口側開閉弁１１２ｂを通過して、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに送り込まれる。
【０１４８】
こうして燃料電池１０１の内部において、水素と空気中の酸素を消費して発電が実行される。燃料電池１０１の発電によって消費されなかった残余の水素ガスは、水素ガス還流配管１２５を介して開栓状態の還流配管弁１１５を通過して燃焼器１０４へ送られた後、燃焼器１０４の内部で燃焼させられる。なお、燃焼器１０４による燃焼熱（排熱）を回収して、適宜の排熱利用システム（例えば給湯システム）の熱源として活用しても良い。
【０１４９】
また、燃料電池１０１の発電によって消費されなかった残余の空気は、カソード排出配管１０８を介して開栓状態の第一の出口側開閉弁１１２ａを通過して大気中に排出される。
【０１５０】
続いて燃料電池システム１３９の発電停止の際、制御装置１２１の制御によりブロア１０５の作動を停止することでブロア１０５からカソード１０１ｃに対する空気の供給が停止されると共に、第二の入口側開閉弁１１２ｂと第一の出口側開閉弁１１２ａが閉じ、第一の燃焼配管開閉弁１１７を開にする。
【０１５１】
また、制御装置１２１の制御により流路切換手段１１４はバイパス流路（アノード供給配管１２４とアノードバイパス管１１３を連通する経路）を形成すると共に、弁１１５を閉栓させる。こうして燃料電池１０１のアノード１０１ａに滞留する水素ガスをアノード１０１ａの内部に封止でき、この状態を保って水素供給装置１０２からアノード１０１ａに対する水素ガス供給が停止される。
【０１５２】
この時点で、水素供給装置１０２は、水素ガスの供給を維持することにより、燃焼器１０４での燃焼を継続しながら、制御装置１２１により水素カソード供給装置１１１が作動され、水素カソード供給配管１２２を介して可燃ガスである水素ガスを第二の入口側開閉弁１１２ｂの下流のカソード供給配管１０７に導いて、このカソード供給配管１０７を介して燃料電池１０１のカソード１０１ｃに供給する。
【０１５３】
水素カソード供給装置１１１によって燃料電池１０１のカソード１０１ｃに供給される水素ガスの量は、カソード１０１ｃの内容積の２〜３倍程度になるよう制御装置１２１により設定されており、カソード１０１ｃ内部の空気が十分、可燃ガスである水素ガスで置換されるようにする。
【０１５４】
なおここで、水素供給装置１０２の出口直後のアノード供給配管１２４の内部の水素ガスの圧力は約２ｋＰａ程昇圧されている。このため、水素カソード供給配管１２２の一方端を水素供給装置１０２の出口直後のアノード供給配管１２４に接続させ、その他方端を第二の入口側開閉弁１１２ｂの下流のカソード供給配管１０７に接続させた状態で、水素カソード供給配管１２２の途中に配置された水素カソード供給装置１１１としての流量調整弁を開けば、水素ガスの内圧を利用して水素ガスを第二の入口側開閉弁１１２ｂの下流のカソード供給配管１０７からカソード１０１ｃに流入させ得る。勿論、水素ガスを供給するための供給圧が不十分な場合には、水素カソード供給装置１１１として供給ポンプを使って、水素ガスをカソード１０１ｃにポンプ圧送しても構わない。
【０１５５】
また、水素ガス還流配管１２５から燃焼器１０４へ供給される水素ガスは、水素カソード供給装置１１１で水素ガスを燃料電池１０１のカソード１０１ｃへ供給することにより、燃料電池１０１のカソード１０１ｃ内から第二のカソード燃焼配管１１９を経由して水素ガス還流配管１２５を流れる水素ガスと合流する。要するに、カソード１０１ｃから排出された水素ガスは、第二のカソード燃焼配管１１９を経由して、水素ガス還流配管１２５上に供給され、これにより、２つの系統の経路から送られる水素ガスが混合されて燃焼器１０４へ運ばれて燃焼される。
【０１５６】
水素ガス還流配管１２５を流れて燃焼器１０４へ供給される空気流量は、水素ガス還流配管１２５で逆火することのないように、水素ガス還流配管１２５における可燃性ガス（ここでは、水素ガス還流配管１２５を流れる燃料ガス中の水素ガス）と上記空気との混合気体中の可燃ガス濃度が燃焼範囲外、好ましくは燃焼上限値より大きくなるよう制御装置１２１により設定される。
【０１５７】
一例としては、制御装置１２１は、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに存在する空気を、水素ガスとの間で置換させる燃料電池システム１３９の発電停止の動作期間中は、カソード１０１ｃから排出される空気流量と燃料ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、可燃性ガスと空気との混合気基準での可燃性ガスの燃焼範囲外、好ましくは燃焼上限値より大きくなるよう、カソード１０１ｃに供給される水素ガス量または水素ガス還流配管１２５を流れる燃料ガス量を調整してなる。
【０１５８】
これは、可燃性ガスで充填されている水素ガス還流配管１２５に第二のカソード燃焼配管１１９から空気が流入する際には（特に水素ガスによるカソード１０１ｃの空気置換直後）、混合ガス中の可燃ガス濃度が燃焼上限値より大きくなるよう空気の流量（すなわちカソード１０１ｃの空気置換に供される水素ガスの流量）を調整し、混合ガス中の可燃ガス濃度を燃焼範囲外にする方が、より可燃ガス燃焼の管理の容易化を図れることによるものである。何故なら、仮に燃焼下限値未満になるよう空気の流量（すなわち水素ガスの流量）を調整すると、水素ガス還流配管１２５内の混合ガス中の可燃ガス濃度は、燃焼下限値になるまでの間、一時的に燃焼範囲に入ってしまうからである。
【０１５９】
水素ガスは、空気との混合割合として、約４〜７５％の燃焼範囲を有するため、水素ガス還流配管１２５を流れて燃焼器４へ供給される空気流量、すなわち水素カソード供給装置１１１より供給される水素ガスの流量は、制御装置１２１により水素ガス還流配管１２５から燃焼器１０４へ供給される水素ガス流量の４分の１未満になるように調整される。
【０１６０】
なお、上述のような逆火防止のための流量制御は、水素ガス還流配管１２５中の燃料ガス中に含まれるいずれの可燃性ガス成分に対しても、上述の条件を満たすよう制御され、本実施の形態においては、水素ガス還流配管１２５を流れる燃料ガス中の可燃性ガスの大部分が水素であり、かつ空気との混合気基準での水素の燃焼範囲は、４〜７５ｖｏｌ％と、燃焼下限値及び燃焼上限値ともに燃料ガス中の他の可燃性ガス成分である未改質発電原料（都市ガス１３Ａ）に比べ厳しいため、燃料ガス中の可燃性ガス流量として、燃料ガス中の水素ガス流量を用いている。また、さらに、安全性をより確実に確保するために、前記燃料ガス中の水素ガス流量に代えて燃料ガス流量を用いても構わない。
【０１６１】
さらに、上述の実施の形態３と同様に、燃焼ファン１１８により燃焼器１０４へ送られる空気量は、第二のカソード燃焼配管１１９から排出される水素ガスと、水素ガス還流配管１２５から送られる水素ガスと、を合算したトータルの水素ガスを、少なくとも完全燃焼される空気量（燃焼器１０４の内部における空燃比が１以上になる量の空気量）を燃焼器１０４に向けて送るように制御装置１２１により調整される。
【０１６２】
こうして、水素カソード供給装置１１１によって燃料電池１０１のカソード１０１ｃに供給される水素ガスの量が、カソード１０１ｃの内容積と同程度以上（通常、内容積の２〜３倍）に到達した時点で、制御装置１２１により水素供給装置１０２と水素カソード供給装置１１１とによる水素ガスの供給を停止し、第二の燃焼配管開閉弁１２０を閉じ、燃焼ファン１１８を停止する。
【０１６３】
このような動作によって発電の停止後、発電ガスとしての水素ガスをアノード１０１ａの内部に充填させた状態で保持すると共に、可燃ガスである水素ガスをカソード１０１ｃの内部に充填させた状態で保持でき、アノード１０１ａの酸化劣化を適切に防止できる。
【０１６４】
次に、燃料電池システム１３９の発電開始（起動）の際には、制御装置１２１により水素ガス還流配管１２５の途中に設けられた還流配管弁１１５を開いて、流路切換手段１１４をアノードバイパス管１１３側から切り換えてアノード１０１ａの供給流路を形成させた状態（アノード供給配管１２４とアノード１０１ａを連通させた状態）で、水素供給装置１０２から送出される水素ガスを、流路切換手段１１４を通して燃料電池１０１のアノード１０１ａに導き、かつアノード１０１ａで消費されなかった残余の水素ガスを水素ガス還流配管１２５および還流配管弁１１５を介して燃焼器１０４に還流させて燃焼器１０４の内部で燃焼させて、燃料電池１０１のアノード１０１ａに対するガス供給を発電開始可能な状態にする。
【０１６５】
同時に、制御装置１２１によりカソード閉止手段１１２の第二の入口側開閉弁１１２ｂと第一の燃焼配管開閉弁１１７とを開き、ブロア１０５の送風を開始する。
【０１６６】
このとき、ブロア１０５によって燃料電池１０１のカソード１９１ｃから第二のカソード燃焼配管１１９を経由して、燃焼器１０４へ送られる空気流量は上述と同様に水素ガス還流配管１２５における水素ガスと空気の混合気体中の可燃ガス濃度が燃焼上限値より大きくなるように、水素ガス還流配管１２５から燃焼器１０４へ供給される水素ガス流量の４分の１未満になるように制御装置１２１により調整される。
【０１６７】
一例としては、制御装置１２１は、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに存在する水素ガスを、空気との間で置換させる燃料電池システム１３９の発電開始の動作期間中は、カソード１０１ｃから排出される空気流量と燃料ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、可燃性ガスと空気との混合気基準での可燃性ガスの燃焼範囲外、好ましくは燃焼上限値より大きくなるよう、カソード１０１ｃに供給される空気量または水素ガス還流配管１２５を流れる燃料ガス量を調整してなる。
【０１６８】
なお、上述のような逆火防止のための流量制御は、水素ガス還流配管１２５中の燃料ガス中に含まれるいずれの可燃性ガス成分に対しても、上述の条件を満たすよう制御され、本実施の形態においては、水素ガス還流配管１２５を流れる燃料ガス中の可燃性ガスの大部分が水素であり、かつ空気との混合気基準での水素の燃焼範囲は、４〜７５ｖｏｌ％と、燃焼下限値及び燃焼上限値ともに燃料ガス中の他の可燃性ガス成分である未改質発電原料（都市ガス１３Ａ）に比べ厳しいため、燃料ガス中の可燃性ガス流量として、燃料ガス中の水素ガス流量を用いている。また、さらに、安全性をより確実に確保するために、前記燃料ガス中の水素ガス流量に代えて燃料ガス流量を用いても構わない。
【０１６９】
さらに、燃焼ファン１１８により燃焼器１０４へ送られる空気量は、実施の形態３と同様に、発電停止中にカソード１０１ｃに保持されていて、ブロア１０５によるカソード１ｃへの空気供給開始に伴い、第二のカソード燃焼配管１１９から当初（特に空気によるカソード１ｃ中のガス置換直後）、排出される水素ガスと水素ガス還流配管１２５から送られる混合ガス中の水素ガスとを合算した水素を、少なくとも完全燃焼される量が必要とされる。つまり、燃焼ファン１１８は、燃焼器１０４へ送られる合算された水素ガスを完全燃焼するような空気量を燃焼器１０４に向けて送るように制御装置１２１により調整される。
【０１７０】
このようにして、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに充填された水素ガスが空気に置換された後、制御手段１２１によりカソード閉止手段１１２の第一の出口側開閉弁１１２ａを開き、第二の燃焼配管開閉弁１２０を閉じて、ブロア１０５の空気供給量を燃料電池１０１の発電に必要な量に設定し、燃料電池１０１での発電を開始する。
【０１７１】
以上のように燃料電池システム１３９の発電開始時や停止時に燃料電池１０１のカソード１０１ｃから排出される水素ガスを、第二のカソード燃焼配管１１９から水素ガス還流配管１２５経由で燃焼器１０４に向けて送ることにより、カソード１０１ｃから排出される水素ガスを完全燃焼させて、燃料電池システム１３９から排出することができる。
【０１７２】
また、第二のカソード燃焼配管１１９から水素ガス還流配管１２５経由で燃焼器１０４へ送られる空気流量を水素ガス還流配管１２５から燃焼器１０４へ供給される水素ガス流量の４分の１未満に制御装置１２１により調整されることにより、燃焼器１０４から水素ガス還流配管１２５へ逆火する恐れの無い適正な運転が可能になる。
【０１７３】
さらに、燃料電池システム１３９の発電の停止期間中、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに水素ガスを充填させた状態で保持できるため、アノード１０１ａに可燃ガス（水素ガス）を封入することと相俟って、燃料電池１０１のアノード１０１ａの触媒を酸化させる要因を根本から排除できて燃料電池システム１３９のアノード１０１ａの耐久性低下を招くことを未然に防止できる。
【０１７４】
またここでは、酸化剤ガスとして空気を用いる場合を想定して述べたが、酸化剤ガスは必ずしも空気でなくても良い。そしてこの場合、燃料電池１０１のカソード１０１ｃに存在するガスを酸化剤ガスと水素ガスとの間で置換させる動作期間中（発電停止および発電開始の動作期間中）において、制御装置１２１は、カソード１０１ｃから排出されるガス中の酸素流量と燃料ガス中の可燃性ガス流量の総和に対する、可燃性ガス流量の割合が、可燃性ガスと酸素との混合気基準での可燃性ガスの燃焼下限値未満、または、燃焼上限値より大きくなるようカソード１０１ｃに供給されるガス量または水素ガス還流配管１２５を流れる燃料ガスの供給量を調整することになる。
【０１７５】
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。従って、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。本発明の精神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。
【産業上の利用可能性】
【０１７６】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池のアノードの酸化劣化を防止して耐久性の向上が図ると共に、カソードに充填した可燃ガスを適切に排出できるという効果を有し、例えば、家庭用の発電システム等として有用である。
【符号の説明】
【０１７７】
１  燃料電池
２  燃料処理器
３  水供給装置
４  燃焼器
５  ブロア
６  原料ガス供給装置
７  カソード供給配管
８  カソード排出配管
９  カソードバイパス配管
１１  原料カソード供給装置
１２  カソード閉止手段
１２ａ  第一の出口側開閉弁
１２ｂ  第二の入口側開閉弁
１３  アノードバイパス管
１４  流路切換手段
１５  還流配管弁
１６  第一のカソード燃焼配管
１７  第一の燃焼配管開閉弁
１８  燃焼ファン
１９  第二のカソード燃焼配管
２０  第二の燃焼配管開閉弁
２１  制御装置
２２  原料カソード供給配管
２３  原料供給配管
２４  アノード供給配管
２５  燃料ガス還流配管
２６  パージ用空気供給装置
３９  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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