(57)【要約】本発明の燃料電池システムは、燃料ガスを用いて発電する燃料電池(1)と、原料を用いて水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器(2)と、燃料ガス生成器を加熱する燃焼バーナ(2a)と、燃焼バーナ(2a)に空気を供給する燃焼ファン(2b)と、制御器(101)とを備え、燃料ガスが供給される前に燃料電池(1)の内部が原料により充填されており、制御器(101)は、燃料ガス生成器(2)で生成された燃料ガスを燃料電池(1)へ供給開始する際に、燃料ガスを第２経路(R2)及び第４経路(R4)に分流させるように開閉弁(8,9)を開に制御する。
2008126353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、
前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、
制御器とを備え、
前記燃料電池の内部には、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池へ前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記原料が充填されており、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記流量制御器を制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給が開始されてから所定時間経過後、前記バイパス経路側への前記燃料ガスの分流が停止され、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池にのみ供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定時間は、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されるために必要な時間である、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器を備え、
前記所定時間は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始した後、前記電圧検知器によって検知される電圧が、所定の閾値以上になるまでの時間である、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する前、前記燃料ガスが、前記バイパス経路を通って前記燃焼器にて燃焼されるよう前記流量制御器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記流量制御器は、前記燃料ガス供給路から前記バイパス経路への分岐部と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給路上に配置された第１の流量制御器と、
前記オフガス経路への前記バイパス経路の合流部と前記燃料電池との間の前記オフガス経路上に配置された第２の流量制御器とを備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流するように、前記第１の流量制御器及び前記第２の流量制御器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記流量制御器は、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池及び前記バイパス流路のそれぞれに分流する比率を調整するために、前記燃料ガス流路の前記バイパス流路への分岐部に配置された分配器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記分配器を制御する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記流量制御器は、
前記バイパス経路を流れる前記燃料ガスと前記オフガス経路を流れる前記発電に用いられなかった余剰の前記燃料ガスの混合比率を調整するために、前記バイパス経路の前記オフガス経路への合流部に配置された混合器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるように前記混合器を制御する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１の流量制御器及び第２の流量制御器が、開閉弁であり、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記制御器が、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流させるよう前記開閉弁のいずれも開にした場合に、前記燃焼器における空気比が１以上を満たすように、前記燃料ガス供給路、前記オフガス経路、前記バイパス経路、及び前記燃料電池の流路抵抗が予め設定されている、請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御器は、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記分配器を制御して前記分流比率を調節する、請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御器は、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記混合器を制御して前記混合比率を調節する、請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記原料は、炭化水素ガスである、請求項１乃至１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記原料を供給するための原料供給器を備え、
前記制御器は、停止動作又は起動動作時又は停止中に、前記原料供給器から前記燃料電池に前記原料を供給することにより前記燃料電池の内部が前記原料により充填されるように制御する、請求項１乃至１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記原料を前記燃料ガス生成器に供給する原料供給器を備え、
前記制御器は、前記燃料電池が発電を停止している間に前記原料供給器を用いて前記燃料電池の内部に前記原料を充填し、
その後、前記燃料ガスの分流の制御を行う、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
改質反応により原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス供給路の途中と前記オフガス経路の途中を接続するバイパス経路とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の内部には、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池へ前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記原料が充填されており、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を前記燃料ガス供給路を通じて開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流する分流工程を含む、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、水素及び酸素を用いて発電する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高効率で小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステムの構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。【０００３】
このような燃料電池システムの運転停止動作中において、システムが冷却されることでシステム内部が負圧になり空気が流入すると、燃料電池の内部に残留した水素が空気中の酸素によって急激に酸化され、その酸化反応に伴う反応熱によって燃料電池システムが損傷する恐れがあった。【０００４】
このような問題を解決するために、運転停止動作時に、燃料電池の内部の残留ガスを天然ガスなどの原料でパージし、燃料電池内部に原料を封止する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。【０００５】
図１０は、この提案された燃料電池システムの構成図である。図１０に示すように、従来の燃料電池システムは、炭素及び水素を含む化合物を主成分とする原料から水素を豊富に含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器５００と、この燃料ガス生成器５００から燃料電池５０１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路５０２と、燃料電池５０１から排出される発電に用いられなかった燃料ガス（以下、オフガス）を燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに供給するオフガス供給経路５０３とを備えている。又、燃料ガスの供給先を燃料電池５０１から燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに切り替えるために、燃料ガス供給経路５０２とオフガス供給経路５０３との間に設けられた燃料電池バイパス経路５０４と、燃料ガスを生成するための原料を燃料ガス生成器５００に供給する原料供給器５０５と、この原料供給器５０５から燃料電池５０１に燃料ガス生成器５００を迂回して原料を直接注入するための燃料ガス生成器バイパス経路５０６が設けられている。又、燃料ガス供給経路５０２の燃料電池バイパス経路５０４への分岐部には三方弁５０７が設けられている。更に、オフガス供給経路５０３の燃料電池バイパス経路５０４の合流部よりも上流側に開閉弁５０８が設けられている。又、燃料電池５０１に酸化剤ガスとしての空気を供給するためにブロア５０９が設けられている。【０００６】
この提案された燃料電池システムでは、起動運転時、燃料ガス生成器５００で生成された、発電運転時よりも一酸化炭素の濃度が高い燃料ガスは、燃料電池バイパス経路５０４を経由して、燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに供給される。そして、燃焼ガスは、この燃焼バーナ５００ａにおいて、改質触媒の温度を加熱するために燃焼される。【０００７】
一方、発電運転の開始後、燃料ガス生成器５００における改質触媒の温度が所定の温度にまで到達すると、燃料ガス生成器５００で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路５０２を介して、燃料電池５０１に供給される。そして、燃料ガスは、この燃料電池５０１において、発電のための燃料として使用される。又、燃料電池５０１から排出されるオフガスは、オフガス供給経路５０３を介して、燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに供給される。そして、この燃焼バーナ５００ａにおいて、改質触媒を加熱するために燃焼される。【０００８】
この提案された燃料電池システムでは、燃料電池システムの発電運転を停止した後、燃料ガス生成器バイパス経路５０６を介して、原料供給器５０５から燃料電池５０１に原料が置換ガスとして注入される。これにより、燃料電池システムの発電運転の停止中に渡って、燃料電池５０１の内部およびその周辺部が窒素ガス等の不活性ガスに代えて天然ガス等の原料により封止される。【０００９】
停止動作時に原料供給器５０５から燃料電池５０１に注入される天然ガス等の原料は、燃料ガスに含まれる水素と比べて化学的に安定である。したがって、発電運転の停止中に渡って燃料電池５０１の内部に滞留する天然ガス等の原料に空気が混入しても、急激な酸化反応が進行することはない。【００１０】
このように燃料電池５０１に天然ガス等の原料を注入することにより、従来の燃料電池システムでは、酸化反応に伴う反応熱で燃料電池システムが損傷することが効果的に防止されている。
【特許文献１】特開２００３−２２９１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、起動動作時に、燃料ガス生成器５００における改質触媒の温度が所定の温度にまで到達して、燃料ガス生成器５００から燃料電池５０１への燃料ガスの供給が開始されると、停止動作時に燃料電池５０１に注入されている天然ガス等の原料が、燃料ガス生成器５００から供給される燃料ガスにより燃料電池５０１から押し出される。【００１２】
この押し出された原料が、燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに所定の期間に渡り供給されるので、その所定の期間において燃焼バーナ５００ａでは酸素不足による不完全燃焼が発生して、大気中に一酸化炭素が排出されるおそれがあった。【００１３】
具体的に説明すると、起動動作時には、上述したように、最初、三方弁５０７が燃料電池バイパス経路５０４側に切り替えられ、燃料ガスに含まれる水素を利用して、燃焼バーナ５００ａは燃焼している。そのため、燃料電池システムは、燃焼バーナ５００ａに、水素の量に対応した量の空気が供給されるように構成されている。【００１４】
しかしながら、燃料電池５０１から押し出された原料が燃焼バーナ５００ａに供給されると、上記燃料ガス中の水素よりも、原料（天然ガス）中のメタンの方が完全燃焼に必要な酸素量が多くなるため、燃焼バーナ５００ａへの空気供給量がそのままであると燃焼バーナ５００ａでの燃焼反応において酸素不足が発生するおそれがある。【００１５】
このように、従来の燃料電池システムでは、発電運転を開始する際、燃料ガス生成器５００から燃料電池５０１への燃料ガスの供給を開始し始めてから所定の期間に渡って燃焼バーナ５０ａでの燃焼反応において酸素不足が発生し、大気中に一酸化炭素が排出されるおそれがあった。【００１６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、予め内部に原料が充填された燃料電池に燃料ガス生成器からの燃料ガスの供給が開始される際に、燃料ガス生成器の燃焼器の不完全燃焼を抑制し、一酸化炭素の排出を抑制することが可能な燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、制御器とを備え、
前記燃料電池の内部には、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池へ前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記原料が充填されており、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記流量制御器を制御する、燃料電池システムである。【００１８】
又、第２の本発明は、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給が開始されてから所定時間経過後、前記バイパス経路側への前記燃料ガスの分流が停止され、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池にのみ供給されるよう前記流量制御器を制御する、第１の本発明の燃料電池システムである。【００１９】
又、第３の本発明は、
前記所定時間は、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されるために必要な時間以上である、第２の本発明の燃料電池システムである。【００２０】
又、第４の本発明は、
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器を備え、
前記所定時間は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始した後、前記電圧検知器によって検知される電圧が、所定の閾値以上になるまでの時間である、第２の本発明の燃料電池システムである。【００２１】
又、第５の本発明は、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する前、前記燃料ガスが、前記バイパス経路を通って前記燃焼器にて燃焼されるよう前記流量制御器を制御する、第１の本発明の燃料電池システムである。【００２２】
又、第６の本発明は、
前記流量制御器は、前記燃料ガス供給路から前記バイパス経路への分岐部と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給路上に配置された第１の流量制御器と、
前記オフガス経路への前記バイパス経路の合流部と前記燃料電池との間の前記オフガス経路上に配置された第２の流量制御器とを備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流するように、前記第１の流量制御器及び前記第２の流量制御器を制御する、第１乃至５のいずれかの本発明の燃料電池システムである。【００２３】
又、第７の本発明は、
前記流量制御器は、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池及び前記バイパス流路のそれぞれに分流する比率を調整するために、前記燃料ガス流路の前記バイパス流路への分岐部に配置された分配器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記分配器を制御する、第１乃至５のいずれかの本発明の燃料電池システムである。【００２４】
又、第８の本発明は、
前記流量制御器は、
前記バイパス経路を流れる前記燃料ガスと前記オフガス経路を流れる前記発電に用いられなかった余剰の前記燃料ガスの混合比率を調整するために、前記バイパス経路の前記オフガス経路への合流部に配置された混合器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるように前記混合器を制御する、第１乃至５のいずれかの本発明の燃料電池システムである。【００２５】
又、第９の本発明は、
前記第１の流量制御器及び第２の流量制御器が、開閉弁であり、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記制御器が、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流させるよう前記開閉弁のいずれも開にした場合に、前記燃焼器における空気比が１以上を満たすように、前記燃料ガス供給路、前記オフガス経路、前記バイパス経路、及び前記燃料電池の流路抵抗が予め設定されている、第６の本発明の燃料電池システムである。【００２６】
又、第１０の本発明は、
前記制御器は、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記分配器を制御して前記分流比率を調節する、第７の本発明の燃料電池システムである。【００２７】
又、第１１の本発明は、
前記制御器は、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記混合器を制御して前記混合比率を調節する、第８の本発明の燃料電池システムである。【００２８】
又、第１２の本発明は、
前記原料は、炭化水素ガスである、第１乃至１１のいずれかの本発明の燃料電池システムである。【００２９】
又、第１３の本発明は、
前記原料を供給するための原料供給器を備え、
前記制御器は、停止動作又は起動動作時又は停止中に、前記原料供給器から前記燃料電池に前記原料を供給することにより前記燃料電池の内部が前記原料により充填されるように制御する、第１乃至１２のいずれかの本発明の燃料電池システムである。【００３０】
又、第１４の本発明は、
前記原料を前記燃料ガス生成器に供給する原料供給器を備え、
前記制御器は、前記燃料電池が発電を停止している間に前記原料供給器を用いて前記燃料電池の内部に前記原料を充填し、その後、前記燃料ガスの分流の制御を行う、燃料電池システムである。【００３１】
又、第１５の本発明は、
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
改質反応により原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス供給路の途中と前記オフガス経路の途中を接続するバイパス経路とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の内部には、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池へ前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記原料が充填されており、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を前記燃料ガス供給路を通じて開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流する分流工程を含む、燃料電池システムの運転方法である。【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、予め内部に原料が充填された燃料電池に燃料ガス生成器からの燃料ガスの供給が開始される際に、燃料ガス生成器の燃焼器の不完全燃焼を抑制し、一酸化炭素の排出を抑制することが可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの起動動作時の制御を示すフロー図である。
【図３】図３は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの起動動作時の制御を示すフロー図である。
【図５】図５は本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図６】図６は本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの起動動作時の制御を示すフロー図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図８】図８は本発明の実施の形態４の変形例１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図９】図９は本発明の実施の形態４の変形例２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図１０】図１０は従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    燃料電池
１ａ  燃料ガス用流路
１ｂ  酸化剤ガス用流路
２    燃料ガス生成器
２ａ  燃焼バーナ
２ｂ  燃焼ファン
３    ブロワ
４    熱交換器
５    貯湯タンク
６ａ、６ｂ  ポンプ
７、８、９、１０  開閉弁
１１  原料供給器
１２  分配器
１３  混合器
１４，１５  流量調整弁
２２  燃料ガス供給路
２３  オフガス経路
２４  バイパス経路
２５  可燃ガス検知器
２６  電圧検知器
２７  電気出力端子
２８  排燃焼ガス経路
１００、２００、３００、４００  燃料電池システム
１０１  制御器
Ｒ１  第１経路
Ｒ２  第２経路
Ｒ３  第３経路
Ｒ４  第４経路
Ｒ５  第５経路
Ａ  第１の燃料ガス経路
Ｂ  第２の燃料ガス経路
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス、電気信号等が流れる経路を示している。又、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガスまたは酸化剤ガス等の流れる流動方向を示している。又、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。【００３８】
はじめに、本実施の形態１の燃料電池システム１００の構成について簡単に説明する。【００３９】
図１に示すように、本実施の形態１の燃料電池システム１００は、発電部の本体としての燃料電池１と、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス生成器２と、燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに酸化剤ガスとしての空気を供給するブロワ３とを備えている。燃料ガスを改質反応によって生成するために、天然ガスなどの原料を燃料ガス生成器２に供給する原料供給器１１が設けられている。更に、燃料ガス生成器２には、改質触媒を加熱するための燃焼バーナ２ａが設けられており、この燃焼バーナ２ａに燃焼に必要となる空気を大気中から供給する燃焼ファン２ｂが設置されている。【００４０】
又、給湯などの目的のために貯湯タンク５が設けられており、この貯湯タンク５内の水を燃料電池１を冷却するための冷却水と熱交換して加熱するための熱交換器４が設けられている。【００４１】
次に、燃料電池１と燃料ガス生成器２を接続する経路について説明する。【００４２】
燃料電池システム１００には、燃料ガス生成器２で生成された燃料ガスを、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに供給するための燃料ガス供給路２２と、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａから排出されるオフガスを燃焼バーナ２ａに供給するためにオフガス経路２３が配置されている。又、燃料ガス供給路２２から分岐し、燃料電池１をバイパスしてオフガス経路２３に合流するバイパス経路２４が配置されている。【００４３】
ここで、図１においてバイパス経路２４への分岐部を基準として、燃料ガス供給路２２の燃料ガス生成器２側を第１経路Ｒ１と呼び、燃料電池１側を第４経路Ｒ４と呼ぶ。又、バイパス経路との合流部を基準として、オフガス経路２３の燃焼バーナ２ａ側を第３経路Ｒ３と呼び、燃料電池１側を第５経路Ｒ５と呼ぶ。更に、バイパス経路２４を第２経路Ｒ２と呼ぶ。この第４経路Ｒ４上に開閉弁９が設けられており、第２経路Ｒ２上に開閉弁８が設けられており、第５経路Ｒ５上に開閉弁１０が設けられている。【００４４】
上記第１経路Ｒ１は第２経路Ｒ２と第４経路Ｒ４とに分岐しているが、この分岐部をＸと呼び、第２経路Ｒ２と第５経路Ｒ５が合流して第３経路となるが、この合流部をＹと呼ぶ。【００４５】
そして、図１に示すように、第１経路Ｒ１と第２経路Ｒ２と第３経路Ｒ３とによって、第１の燃料ガス経路Ａが構成されている。又、図１に示すように、第１経路Ｒ１、第４経路Ｒ４、燃料ガス用流路１ａ、第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３と、により、第２の燃料ガス経路Ｂが構成されている。【００４６】
つまり、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は開閉弁７、開閉弁８、開閉弁９及び開閉弁１０を開閉することにより、燃料ガス生成器２から排出される燃料ガスを必要に応じて燃料電池１に供給することなく燃焼バーナ２ａに直接供給することが可能に構成されている。【００４７】
更に、この燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００を構成する各構成要素（開閉弁７、８、９、１０及び燃料ガス生成器２等）の動作を適宜制御する制御器１０１を備えている。【００４８】
更に、本実施の形態の燃料電池システム１００の各構成について詳しく説明する。【００４９】
上述した燃料電池１として、本実施の形態１では、固体高分子電解質型燃料電池が用いられている。この燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、ブロワ３により酸化剤ガス用流路１ｂに供給される酸化剤ガス（通常、空気）とを用いて、所定の電力を出力するべく発電が行われる。【００５０】
換言すれば、燃料電池１は、燃料ガス及び酸化剤ガスが有する化学エネルギーを、所定の反応触媒により進行する所定の電気化学反応によって、電気エネルギーに直接変換する。燃料電池１は、かかるエネルギー変換によって得られた電気エネルギーを、燃料電池システム１００に接続される負荷に向けて電気エネルギーを供給する。尚、燃料電池１の内部構成に関する詳細な説明については、一般的な固体高分子電解質型燃料電池の内部構成と同様であるため、ここでは省略する。【００５１】
又、発電運転の際、上記エネルギー変換のための所定の電気化学反応により、燃料電池１は発熱する。この燃料電池１において発生する熱は、燃料電池１の内部に形成された冷却水用流路（図示せず）に供給される冷却水により、逐次回収され、熱交換器４において貯湯タンク５から供給される水と熱交換され、貯湯タンク５に湯として貯えられる。燃料電池１と熱交換器４の間には、ポンプ６ａが設けられており、熱交換器４において熱が交換されて冷却された冷却水は、ポンプ６ａの動作により、燃料電池１の冷却水用流路に向けて再び供給される。又、貯湯タンク５と熱交換器４の間にもポンプ６ｂが設けられており、貯湯タンク５からポンプ６ｂにより供給された水は、熱交換器４において熱交換して逆に加熱されることにより、貯湯タンク５に湯として貯えられる。【００５２】
上述した燃料ガス生成器２は、天然ガス（メタンが主成分）、プロパンガス等の炭化水素系成分、メタノール等のアルコール、或いは、ナフサ成分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有機化合物を含む原料（原料）と水とが用いられる水蒸気改質反応を主に進行させ、この水蒸気改質反応により水素を豊富に含む燃料ガスを生成する。この燃料ガス生成器２への原料の供給は、上述した原料供給器１１によって行われるが、原料の供給の断続を行うための開閉弁７が設けられている。【００５３】
ここで、この燃料ガス生成器２は、水蒸気改質反応を進行させるための改質部と、この改質部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するための変成部及び浄化部を備えている（図示せず）。改質部は、水蒸気改質反応を進行させるための改質触媒を有しており、改質触媒が燃焼バーナ２ａでの燃料電池１から排出されるオフガス又は燃料ガス等の燃焼によって加熱されて、水蒸気改質反応が促進される。【００５４】
ここで、燃焼バーナ２ａにおいて、燃料電池１から排出されるオフガス、又は燃料ガス生成器２で生成される燃料ガスが燃焼用燃料として燃焼され、改質部の改質触媒を加熱するための熱エネルギーが生成される。【００５５】
又、変成部は、改質部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、水との反応によって低減するための変成触媒を備えている。又、浄化部は、変成部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素を、酸化反応或いはメタン化反応によって更に低減するためのＣＯ除去触媒を備えている。尚、この変成部及び浄化部は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を効果的に低減するために、各々において進行する化学反応に適した温度条件の下、各々運転される。又、燃料ガス生成器２の内部における上述した燃料ガス生成器及び変成部及び浄化部以外の構成に関する説明については、燃料ガス生成器２の内部構成と一般的な燃料ガス生成器の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。【００５６】
上述した原料供給器１１は、燃料電池システム１００の発電運転時等において、天然ガスのインフラストラクチャー等から供給される天然ガス等の原料を、上述した開閉弁７を介して、燃料ガス生成器２の改質部に供給する。尚、この原料供給器１１は、流量調整部（図示せず）を備えており、後述する制御器１０１により、必要に応じて燃料ガス生成器２の改質部に対する原料の供給量を適宜調整することが可能に構成されている。【００５７】
上述したブロワ３は、大気中から空気を吸入することにより、燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに酸化剤ガスとしての空気を供給する。このブロワ３としてはシロッコファン等が好適に用いられる。【００５８】
上述した制御器１０１は、例えば、記憶部、計時部、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。尚、燃料電池システム１００の各構成要素の動作に関わるプログラムは予め制御器１０１の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御器１０１が燃料電池システム１００の動作を適宜制御する。【００５９】
尚、本発明の第１の流量制御器の一例は、本実施の形態の開閉弁９に相当し、本発明の第２の流量制御器の一例は、本実施の形態の開閉弁１０に相当し、本発明の第３の流量制御器の一例は、本実施の形態の開閉弁８に相当する。又、本発明の原料供給器の一例は、本実施の形態の原料供給器１１に相当し、本発明の燃焼器の一例は、燃焼バーナ２ａに相当する。【００６０】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。【００６１】
尚、以下の説明では、燃料電池システム１００の停止動作時、待機時、又は起動動作時において、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ及びその周辺部に、置換ガスとして原料（本実施の形態１では、炭素水素ガスである天然ガス）が予め充填されていることを前提とする。この原料としては、本実施の形態１では、炭化水素ガスである天然ガスが用いられているが、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料であればよい。この燃料電池１等への原料の充填は、停止動作時において、燃料ガス生成器１における燃料ガスの生成を停止した後、原料供給器１１から燃料ガス生成器１を通して、燃料電池１に向けて原料を供給することにより行われる。なお、この燃料電池１等への原料の充填の後、開閉弁９，１０が閉じられる。開閉弁８は開放しても閉じてもよいが、本実施の形態では閉じられる。【００６２】
又、本実施の形態１では、「起動動作時」とは「制御器１０１から起動指令が出力されてから燃料電池１の発電制御部（図示せず）により電流が燃料電池１から取り出される迄」をいい、「停止動作時」とは「制御器１０１から停止指令が出力されてから燃料電池システム１００全体の動作が完全に停止する迄」をいう。また、「待機時」とは、停止動作時と起動動作時との間の期間をいう。【００６３】
本実施の形態の燃料電池システム１００は、制御器１０１の制御に従い以下の動作を行う。図２は、本実施の形態の燃料電池システム１００の起動動作を示す制御フロー図である。【００６４】
先ず、図１に示す燃料電池システム１００の起動動作時には、燃料電池１の発電運転において必要となる水素を豊富に含む燃料ガスを生成するために、制御器１０１は燃料ガス生成器２を作動させる。この場合、開閉弁７，８が開放される。【００６５】
具体的には、水素を生成するための原料の一例である天然ガスが、図１に示す原料供給器１１から燃料ガス生成器２の改質部に供給される。又、水蒸気改質反応を進行させるための水蒸気を生成するために、水道等のインフラストラクチャーから燃料ガス生成器２の改質部に水が供給される。又、燃料ガス生成器２の改質部において水蒸気改質反応を進行させるために、改質部に設けられている改質触媒が燃焼バーナ２ａにより加熱される。【００６６】
燃料電池システム１００の起動動作の開始当初では、燃料ガス生成器２の改質部における改質触媒温度は、燃焼バーナ２ａにより加熱されて穏やかに温度上昇するため、所定の温度にまで到達していない。そのため、改質部における水蒸気改質反応が好適に進行しないので、燃料ガス生成器２から排出される燃料ガスには、発電運転時より高濃度の一酸化炭素が含まれている。この発電運転時より高濃度の一酸化炭素を含む燃料ガスを、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスという。【００６７】
そこで、本実施の形態１では、燃料電池システム１００の起動動作の開始時、燃料ガス生成器２の改質部における改質触媒が所定の温度に到達し、かつ良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、制御器１０１により燃料ガス経路Ａが形成されている。この燃料ガス経路Ａは、制御器１０１が開閉弁８を開放し、開閉弁９，１０を閉止することで、第１経路Ｒ１と第２経路Ｒ２が接続され、第１経路Ｒ１と第４経路Ｒ４が遮断されて、第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２及び第３経路Ｒ３により形成される。【００６８】
そして、この燃料ガス経路Ａに、燃料ガス生成器２で生成された、一酸化炭素及び水素を含んだ燃料ガスが供給される。これにより、燃焼バーナ２ａに、燃料ガス経路Ａを介して、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが供給される。すると、燃焼バーナ２ａは、その一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスを燃焼して、燃料ガス生成器２の改質部における改質触媒を加熱する。そして、改質触媒が、水蒸気改質反応に適した所定の温度、約６５０〜８００℃にまで加熱される。尚、燃焼バーナ２ａにおいて燃焼された燃料ガスは、排燃焼ガスとして燃料電池システム１００の外部へ放出される。【００６９】
又、この際、燃焼バーナ２ａにおいて、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスを燃焼させるために、燃焼ファン２ｂにより燃焼バーナ２ａに空気が供給される。この燃焼ファン２ｂによる燃焼バーナ２ａへの空気の供給量は、原料供給器１１から燃料ガス生成器２に供給される天然ガス等の原料の供給量に応じて、適宜設定されている。【００７０】
以下に、燃焼ファン２ｂによる空気の供給量について具体的に説明する。【００７１】
燃料電池システム１００の発電運転の開始後、燃料ガス生成器２の改質部では、理論的には、式（１）に示す化学反応によって天然ガスから水素が生成される。
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋４Ｈ２      ・・・（１）
ここで、原料供給器１１から燃料ガス生成器２に供給される天然ガスの供給量を便宜上Ｑ（Ｌ／分）とすると、式（１）に示す化学反応によれば、燃料ガス生成器２の改質部で生成される水素量は４Ｑ（Ｌ／分）となり、燃焼バーナ２ａに燃料ガス経路Ａを介して同量の水素が供給される。【００７２】
そこで、燃料ガス生成器２から燃料ガス経路Ａを介して４Ｑ（Ｌ／分）の割合で燃焼バーナ２ａに供給される水素を完全燃焼させるためには、式（２）に示す燃焼反応を進行させるべく、燃焼ファン２ｂから燃焼バーナ２ａに、理論上２Ｑ（Ｌ／分）の割合で酸素を供給する必要がある。
４Ｈ２＋２Ｏ２    →  ４Ｈ２Ｏ            ・・・（２）
ここで、空気中の酸素濃度を２０％とすると、理論上、１０Ｑ（Ｌ／分）の割合で空気を供給する必要がある。しかし一方で燃焼バーナ２ａへの空気供給量がちょうど１０Ｑ（Ｌ／分）（酸素供給量２Ｑ（Ｌ／分））であると、燃焼バーナ２ａの特性上、不完全燃焼になることが多い。このため、本実施の形態１では、空気比を１．５に設定し、燃焼バーナ２ａへの空気供給量を１５Ｑ（Ｌ／分）（酸素濃度を２０％としたとき酸素供給量３Ｑ（Ｌ／分））とし、燃焼バーナ２ａでの燃焼安定性が確保されている。【００７３】
この空気比とは燃焼用燃料が完全燃焼するのに必要な理論空気量に対する実際の空気量の比をいい、上述の場合、天然ガス供給量がＱ（Ｌ／分）に対して１０Ｑ（Ｌ／分）の割合で空気を供給するとき、空気比は１になる。制御器１０１は、燃焼バーナ２ａへの空気供給量が１５Ｑ（Ｌ／分）となるように、燃焼ファン２ｂの回転数を調整する。尚、上述では空気中の酸素濃度を２０％と設定したが、空気中の酸素濃度を２１％としても空気量は５％ずれるだけであり、効果は同様である。以下、空気中の酸素濃度は２０％として説明する。【００７４】
つまり、本実施の形態１では、燃焼ファン２ｂによる燃焼バーナ２ａへの空気の供給量は、燃料ガス生成器２において理論的に生成される水素の生成量、即ち、原料供給器１１から燃料ガス生成器２の改質部への天然ガスの供給量を基準として設定されている。このように設定することにより、燃焼バーナ２ａにおいて、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが燃焼される。そして、この燃焼バーナ２ａにおいて発生する熱エネルギーにより、燃料ガス生成器２における改質部の改質触媒が加熱される。【００７５】
次に、図２に示すように、燃焼バーナ２ａにおいて一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスを燃焼することにより発生する熱によって燃料ガス生成器２における改質部の改質触媒の温度が上昇すると、その改質触媒の温度が水蒸気改質反応に好適な所定の温度にまで到達したか否かが、制御器１０１によって判定される（ステップＳ１）。【００７６】
ここで、改質触媒の温度は、例えば、改質触媒に埋設された温度センサ（図示せず）により検出される。この温度センサの出力信号は、制御器１０１に入力される。そして制御器１０１において出力信号の解析が行われ、改質触媒の温度が認識される。尚、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達していないと判定された場合（ステップＳ１でＮＯ）、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと判定されるまで、燃焼バーナ２ａによる改質触媒の加熱が継続される。【００７７】
一方、ステップＳ１において、改質触媒の温度が所定の温度まで到達したと制御器１０１が判定すると（ステップＳ１でＹＥＳ）、燃料電池システム１００は、後述するステップＳ２の動作に移行する。【００７８】
仮に、ステップＳ２において、従来の燃料電池システムと同様に、制御器１０１によって開閉弁９及び開閉弁１０が開かれ、それと同時に開閉弁８が閉止され、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスの経路が燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂへ完全に切り替えられると、背景技術で述べたように燃焼バーナ２ａにおいて不完全燃焼が進行するおそれがある。【００７９】
以下、従来の燃料電池システムと同様の動作を行った場合に、不完全燃焼が発生する点について具体的に説明する。【００８０】
上記のように、燃料ガスの流路を燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂに切り替えた場合、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から排出されて（押し出されて）燃焼バーナ２ａに供給される天然ガスの供給量は、燃料ガス生成器２から燃料ガス用流路１ａに供給される燃料ガスの供給量に概ね等しくなる。【００８１】
上述した式（１）によれば、燃料ガス生成器２に供給される原料（天然ガス）がＱ（Ｌ／分）の場合、燃料ガス生成器２からはＱ（Ｌ／分）の二酸化炭素と４Ｑ（Ｌ／分）の水素とが排出され、燃焼バーナ２ａへ排出される（押し出される）天然ガスは、５Ｑ（Ｌ／分）の割合となる。ここで、以下の式（３）に示すように、５Ｑ（Ｌ／分）の割合で供給される天然ガスを完全燃焼して、天然ガスを二酸化炭素及び水に変換するためには、燃焼バーナ２ａに向けて５０Ｑ（Ｌ／分）の空気供給量（酸素供給量１０Ｑ（Ｌ／分））（空気比１）が必要となる。
５ＣＨ４＋１０Ｏ２  →  ５ＣＯ２＋１０Ｈ２Ｏ  ・・・（３）
又、予め充填されている天然ガス中のメタン濃度は約９０％であるため、押し出された天然ガスの量５Ｑ（Ｌ／分）は、メタンの体積５Ｑと概ね等しいとして計算することが出来る。【００８２】
対して、本実施の形態１の燃料電池システム１００の起動動作時には、燃焼バーナ２ａでの空気比が１．５になるように、供給する空気の流量は１５Ｑ（Ｌ／分）（酸素供給量３Ｑ（Ｌ／Ｑ））に制御されている。【００８３】
このため、上述のように燃料ガスの経路を燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂに完全に切り替えることによって、燃焼バーナ２ａに５Ｑ（Ｌ／分）の割合で天然ガスが供給されると、燃焼バーナ２ａにおける空気比は０．３に相当するため、不完全燃焼が生じ、燃料電池システム１００から一酸化炭素が排出される可能性がある。【００８４】
そのため、本実施の形態１では、燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂへと切り替える前に、ステップＳ２として、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂのそれぞれに燃料ガスを分流するように制御が行われる。このように分流するためには、開閉弁８及び開閉弁９及び開閉弁１０を開放することにより、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成し、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが第１経路Ｒ１から第２経路Ｒ２と第４経路Ｒ４に分流し、再度第３経路Ｒ３に合流して燃焼バーナ２ａに供給されるようにする。【００８５】
そして、後述するステップＳ３として所定時間経過した後、燃料電池システム１００は、後述する燃料ガス経路Ｂへと完全に切り替えるステップＳ４の動作に移行する。【００８６】
本実施の形態の燃料電池システム１００では、ステップＳ２において、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する比率がｎ：（１−ｎ）（ただし０＜ｎ＜１）となるように燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂの流路抵抗が予め設計されている。【００８７】
この時、上述のように燃料ガス生成器２に供給される天然ガスがＱ（Ｌ／分）の場合、燃料ガス生成器からはＱ（Ｌ／分）の二酸化炭素と４Ｑ（Ｌ／分）の水素が排出されるため、燃料ガス生成器からは５Ｑ（Ｌ／分）の燃料ガスが排出される。このうち５ｎＱ（Ｌ／分）（Ｈ２：４ｎＱ（Ｌ／分）、ＣＯ２：ｎＱ（Ｌ／分））が燃料ガス経路Ａを通じて直接燃焼バーナ２ａへ供給される。【００８８】
一方、５（１−ｎ）Ｑ（Ｌ／分）が燃料ガス経路Ｂを通じて燃料電池１の燃料ガス用経路１ａに供給されるため、実質上天然ガスが燃焼バーナ２ａへ供給される。この時、燃焼バーナ２ａでの空気比を１．０に確保するために必要な空気供給量は式（４）及び式（５）に示すように５（１０−８ｎ）Ｑ（Ｌ／分）（酸素供給量（１０−８ｎ）Ｑ（Ｌ／分））となる。
４ｎＱ Ｈ2＋２ｎ ＱＯ２  →  ４ｎＱ Ｈ２Ｏ・・・（４）
５（１−ｎ）Ｑ ＣＨ４ ＋１０（１−ｎ）Ｑ Ｏ２
→  ５（１−ｎ）Ｑ ＣＯ２  ＋１０（１−ｎ） Ｈ２Ｏ  ・・・（５）
さらに燃焼バーナ２ａでの燃焼安定性を確保するために、例えば空気比１．２と設定すると、６（１０−８ｎ）Ｑ（Ｌ／分）（酸素供給量１．２（１０−８ｎ）Ｑ（Ｌ／分））の空気供給量が必要となる。【００８９】
一方、上述の通り、本実施の形態１において燃料電池システム１００の起動動作の開始時には、燃焼バーナ２ａへの空気供給量は１５Ｑ（Ｌ／分）となっている。このため、本発明の第１の流量制御器及び第２の流量制御器が、本実施の形態のように開閉弁である場合には、６（１０−８ｎ）Ｑ≦１５Ｑ、つまりｎ≧０．９３７５となるように燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂの流路抵抗を設定することで、燃焼バーナ２ａにおける不完全燃焼を防ぐことができる。すなわち、ｎ≧０．９３７５となるように、燃料ガス供給路２２，バイパス経路２４、オフガス経路２３及び燃料ガス用流路１ａ、並びに燃料電池内部の燃料ガス流路の構造が予め設計されている。このステップＳ２が、本発明の分流工程の一例に相当する。【００９０】
このように、ステップＳ２にて燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂのそれぞれに燃料ガスが流入するように、制御が行われる。そして、ステップＳ３において、所定時間が経過するまで、この状態が維持される。【００９１】
ここで、ステップＳ３においてＹＥＳと判定される上述した「所定時間」とは、燃料電池１近傍の流路（開閉弁９から開閉弁１０までの間の第４流路Ｒ４、燃料ガス用流路１ａ及び第５流路Ｒ５の部分に相当する）に充填されている天然ガスを燃料ガスに置き換えるために必要な時間である。【００９２】
次に、天然ガスを燃料ガスに置き換えるために必要な時間について説明する。【００９３】
図１に示す燃料ガス経路Ｂの開閉弁９と開閉弁１０の間の区間の内容積をＶ（Ｌ）としたとき、上述のように燃料ガス生成器２に供給される天然ガスの流量はＱ（Ｌ／分）であり、ステップＳ２において燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ｂに分流する流量は上述のように５（１−ｎ）Ｑ（Ｌ／分）である。【００９４】
従って、式（６）により算出されるＴ（分）として定義することが出来る。
Ｔ≧Ｖ／５（１−ｎ）Ｑ      ・・・（６）
次に、上述のように、燃焼バーナ２ａでの燃焼安定性を確保するための空気比を１．２に設定した理由を説明する。【００９５】
上述のように、本実施の形態１において燃料電池１の発電運転の開始時は、燃焼バーナ２ａへの空気供給量は１５Ｑとなっている。一方で、燃料電池１の燃料ガス用経路１ａ等から排出されて燃焼バーナ２ａに供給される天然ガスの燃焼を、空気比αで行うために必要な空気供給量は５α（１０−８ｎ）Ｑとなる。【００９６】
このため空気比αを設定すると、（７）式に示される条件下で、燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する比率ｎ：（１−ｎ）（ただし0＜ｎ＜１）が設定される必要がある。
５α（１０−８ｎ）Ｑ≦１５Ｑ    ・・・（７）
空気比αを１．５に近い値に設定すると燃焼バーナ２ａでの燃焼安定性をさらに向上することができるが、式（７）よりｎが１に近くなるため、式（６）で示す「所定時間」Ｔ（分）が長くなる。一方、逆に空気比を１．０に近くすると不完全燃焼の可能性が高くなる。そのため、空気比αが１．２という値に設定されている。【００９７】
上記ステップＳ３で所定の時間が経過したことが制御器１０１によって判断された後、ステップＳ４にて燃料ガス経路Ａが閉じられ、燃料ガス生成器２から燃料ガス経路Ｂを介して燃料電池１に燃料ガスが供給されると、燃料電池１は以下のように発電動作を開始する。【００９８】
燃料ガス生成器２から燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスが供給されると共に、ブロワ３から燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに空気が供給される。そして、燃料電池１では、そのアノード側及びカソード側に供給される燃料ガス及び空気が用いられて、所定の電力を出力するべく発電が行われる。【００９９】
尚、発電に用いられなかったオフガスは、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａから排出された後、第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３を介して燃焼バーナ２ａに供給される。そして、この燃焼バーナ２ａにおいて、水蒸気改質反応を進行させる為に燃焼される。又、燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂから排出される排空気は、燃料電池システム１００の外部に排出される。【０１００】
以上のように、本実施の形態では、燃料電池の内部に原料が予め充填されている燃料電池システムにおいて、改質部の温度が所定温度になった後、すぐには燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂに完全に切り替えず、双方の経路に分配して燃料ガスを流すことにより、燃焼器からの一酸化炭素の排出を効果的に抑制することが可能となる。【０１０１】
又、一酸化炭素の排出を抑制することで、環境に優しい燃料電池システムを提供することが出来る。【０１０２】
又、燃焼バーナ２ａでの空気比１以上を満たすように制御が行われているため、燃料バーナにおける燃焼を安定させることが出来る。【０１０３】
又、本実施の形態では、停止中の燃料電池の性能劣化を防止するために、燃料電池システムの運転時に使用される原料をパージに用いているため、他の不活性ガスの供給手段を設ける必要がなく、安価でかつ小規模に設置することが可能となる。【０１０４】
尚、本発明の所定の時間の一例は、本実施の形態では、式（６）に基づいて決められる時間Ｔに相当するが、燃料電池１の両極の電位差に基づいて所定の時間Ｔが決められても良い。【０１０５】
すなわち、燃料電池１が所定の電力を出力するべく発電を行うと、燃料電池１の両極に電位差が生じる。この電位差をＵ（Ｖ）としたとき、前述のステップＳ３においてＹＥＳと判定される上述の「所定時間」を、Ｕ（Ｖ）が所定の電位差ＵＳ（Ｖ）に到達するまでの時間としてもよい。【０１０６】
ここでＵＳ（Ｖ）は、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ内の天然ガスが、一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスで完全に置換され、かつブロワ３から燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに空気が供給された際の燃料電池１の両極の電位差Ｕ（Ｖ）に相当する。このＵＳ（Ｖ）の具体的な値としては、例えば燃料電池１が５０枚の固体高分子膜から構成されているときは約４０Ｖとすることができる。【０１０７】
つまり、燃料電池１の両極の電位差Ｕ（Ｖ）を図９に示すような電圧検知器２６（実施の形態４の変形例２で詳しく説明する）により検知し、Ｕ（Ｖ）がＵＳ（Ｖ）に到達したとき、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ近傍（開閉弁９から開閉弁１０までの間の第４流路Ｒ４、燃料ガス用流路１ａ及び第５流路Ｒ５の部分に相当する）の天然ガスは、一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスによって完全に押し出され、第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３を介して燃焼バーナ２ａで燃焼されたことになる。【０１０８】
そのため、Ｕ（Ｖ）がＵＳ（Ｖ）に到達したことをもって開閉弁８を閉止すれば、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスを全て燃料ガス経路Ｂに通じても、燃焼バーナ２aにおける安定燃焼は損なわれない。尚、上述した実施の形態では、ステップＳ４において燃料ガス経路Ａを完全に閉じてから、ブロワ３によって酸化剤ガス用流路１ｂに空気を供給していたが、このように燃料電池の電位差を検知する場合には、図２に示すステップ２においてブロワ３から燃料電池１への空気供給が行われている。【０１０９】
尚、本実施の形態では、燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂへの切り替えの前後において燃焼ファン２ｂから燃焼バーナ２ａへの空気の供給量を一定に維持しているが、燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂに切り替えた時に、燃焼ファン２ｂの回転数を上げて供給する空気量を増大するように制御することも考えられる。しかし、ファン２ｂの回転数を上昇させると、騒音が発生することになる。これに対して、本実施の形態の燃料電池システムでは、騒音を伴わずに、起動開始時の一酸化炭素の発生を抑制することが出来るため、家庭用等に用いる点で有用である。【０１１０】
（実施の形態２）
以下に、本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムについて説明する。【０１１１】
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２００の構成を模式的に示したブロック図である。尚、図３においても、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は水や燃料ガス又は酸化剤ガス等が流れる経路を示しており、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガス又は酸化剤ガス等の通常運転時における流動方向を示している。又、図３においても、本発明を説明する為に必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。又、図３において、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。【０１１２】
図３に示すように、燃料電池システム２００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００と基本的な構成は同じであるが、図１に示す開閉弁８と開閉弁９を除き、代わりに図３に示す分配器１２を有する点が異なっている。尚、その他の点については、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と同様であるため、相違点を中心に説明する。【０１１３】
上述したように、燃料電池システム２００は、第１経路Ｒ１が第２経路Ｒ２と第３経路Ｒ３に分岐する分岐部Ｘに設置された分配器１２を備えている。又、制御器１０１が、実施の形態１の開閉弁８及び開閉弁９に代えて分配器１２の制御を行う。制御器１０１が、分配器１２を制御することによって、燃料ガス生成器２から放出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率を調整することができる。【０１１４】
ここで、実施の形態１において説明したように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する時、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率は、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂの流路抵抗の大小に依存している。このため、燃料電池システム１００で、燃料ガス経路Ａの流路抵抗が、燃料ガス経路Ｂの流路抵抗と比べて十分に大きい構成である場合には、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成した時に、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａを含む近傍の流路から押し出されて燃焼バーナ２ａに供給される天然ガスの供給量が多くなり、安定燃焼を行うために必要な酸素供給量が不足するために、不完全燃焼が生じる可能性がある。【０１１５】
そこで、本実施の形態２の燃料電池システム２００では、図３に示すように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率は、分配器１２で任意に調整することが可能なため、燃焼バーナ２ａにおける燃焼の安定性がより期待できる。【０１１６】
つまり、実施の形態１と同様に、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する比率をｎ：（１−ｎ）（ただし０＜ｎ＜１）としたとき、ｎ≧０.９３７５になるように制御器１０１が分配器１２を調整する。この制御により燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から天然ガスが排出されて（押し出されて）燃焼バーナ２ａに供給される際の燃焼バーナ２ａにおける空気比は１．２以上となり、燃焼バーナ２ａにおける安定燃焼を確保することが可能となる。【０１１７】
以下に、本実施の形態２の燃料電池システム２００の動作について説明する。図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム２００の起動動作時の制御を示すフロー図である。【０１１８】
図４に示すように、本実施の形態２では、実施の形態１の場合と同様、ステップＳ２１において、改質触媒の温度が所定の温度まで到達したと制御器１０１が判定すると（ステップＳ２１でＹＥＳ）、燃料電池システム２００の動作は後述するステップＳ２２に移行する。【０１１９】
次に、ステップＳ２２において、制御器１０１は、開閉弁１０を開放し、分配器１２を半開することで、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成する。このように制御することで、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスは、分岐部Ｘから第２経路Ｒ２と第４経路Ｒ４に分流し、合流部Ｙで合流して燃焼バーナ２ａに供給される。このとき、上述のように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流するガス流量の比率をｎ：（１−ｎ）（ただし0＜ｎ＜１）としたときに、ｎ≧０．９３７５を満たすように、分配器１２が調整される。このステップＳ２２が、本発明の分流工程の一例に相当する。【０１２０】
続いて、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から天然ガスの全量が排出され、かつ燃焼バーナ２ａにおいてその全量の天然ガスが燃焼される所定時間が経過したと制御器１０１の計時部が判定すると（ステップＳ２３でＹＥＳ）、燃料電池システム２００の動作はステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４において、制御器１０１は分配器１２を動作させることによって、第１経路Ｒ１と第１経路Ｒ２の間を遮断し、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが全て、燃料ガス経路Ｂに流入するように制御する。【０１２１】
ここで、ステップＳ２３でＹＥＳと判定される上述の「所定時間」とは、実施の形態１と同様に、上述の式（６）で定義される。また、実施の形態１と同様に、上記ステップＳ２２以降、燃料ガス生成器２から燃料電池１に燃料ガスが供給されると、燃料電池１は発電動作を開始する。【０１２２】
以上のように本実施の形態２の燃料電池システムにおいても、実施の形態１と同様に、一酸化炭素の排出を抑制することが可能となる。【０１２３】
又、本実施の形態２の燃料電池システムでは、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂが予め所望の流路抵抗になるように設計されていなくても、分配器１２によって所望の流路抵抗を実現できるため、既存の燃料電池システムの設備に対しても適用可能である。【０１２４】
尚、実施の形態１で説明したのと同様に、燃料電池１が所定の電力を出力するべく発電を行った際に燃料電池１の両極に生じた電位差をＵ（Ｖ）としたとき、前述のステップＳ２３においてＹＥＳと判定される上述の「所定時間」を、Ｕ（Ｖ）が実施の形態１で示した電位差ＵＳ（Ｖ）に到達するまでの時間としてもよい。【０１２５】
（実施の形態３）
以下に、本発明にかかる実施の形態３における燃料電池システムについて説明する。【０１２６】
図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム３００の構成を模式的に示したブロック図である。尚、図５においても、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は水や燃料ガス又は酸化剤ガス等が流れる経路を示しており、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガス又は酸化剤ガス等の通常運転時における流動方向を示している。又、図５においても、本発明を説明する為に必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。又、図５において、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。【０１２７】
図５に示すように、燃料電池システム３００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００基本的な構成は同じであるが、図１に示す開閉弁８と開閉弁１０を除き、代わりに図６に示す混合器１３を有する点が異なっている。尚、その他の点については、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と同様であるため、相違点を中心に説明する。【０１２８】
上述したように、燃料電池システム３００は、第２経路Ｒ２と第５経路Ｒ５が第３経路Ｒ３に合流する合流部Ｙに設置された混合器１３を備えている。又、制御器１０１が実施の形態１で示した開閉弁８及び開閉弁９に代えて混合器１３の制御を行う。制御器１０１が、混合器１３を制御することによって、燃料ガス生成器２から放出された燃料ガスの、燃料ガス経路Ａへの流量と燃料ガス経路Ｂへの流量比率を調整することができる。【０１２９】
ここで、実施の形態１において、図１に示すように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する時、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率は、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂの流路抵抗の大小に依存する。【０１３０】
このため、燃料電池システム１００で、燃料ガス経路Ａの流路抵抗が、燃料ガス経路Ｂの流路抵抗と比べて十分に大きい構成を持つ場合には、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成した時に、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａを含む近傍の流路から押し出されて燃焼バーナ２ａに供給される天然ガスの供給量が多くなり、安定燃焼を行うために必要な酸素供給量が不足するために、不完全燃焼が生じる可能性がある。【０１３１】
そこで、本実施の形態３の燃料電池システムでは、図５に示すように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率は、混合器１３で任意に制御することが可能なため、燃焼バーナ２ａにおける燃焼の安定性がより期待できる。【０１３２】
つまり、実施の形態１と同様に、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する比率をｎ：（１−ｎ）（ただし0＜ｎ＜１）としたとき、ｎ≧０．９３７５になるように制御器１０１が混合器１３を調整する。この制御により、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から天然ガスが排出されて（押し出されて）燃焼バーナ２ａに供給される際の燃焼バーナ２ａにおける空気比が１．２以上となり、燃焼バーナ２ａにおける安定燃焼を確保することが可能となる。【０１３３】
以下に、本実施の形態３の燃料電池システム３００の動作について説明する。【０１３４】
図６は、本発明の実施の形態３の燃料電池システム３００の起動動作時の制御を示すフロー図である。【０１３５】
図６に示すように、本実施の形態３では、実施の形態１の場合と同様、ステップＳ３１において、改質触媒の温度が所定の温度まで到達したと制御器１０１が判定すると（ステップＳ３１でＹＥＳ）、燃料電池システム３００の動作は後述するステップＳ３２に移行する。【０１３６】
次に、ステップＳ３２において、開閉弁９を開放し、混合器１３を半開することで、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成する。このように制御することで、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスは、分岐部Ｘから第２経路Ｒ２と第４経路Ｒ４に分流し、合流部Ｙで合流して燃焼バーナ２ａに供給される。このとき、上述のように燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流するガス流量の比率をｎ：（１−ｎ）（ただし０＜ｎ＜１）としたときに、ｎ≧０．９３７５になるように混合器１３が調整される。このステップＳ３２が、本発明の分流工程の一例に相当する。【０１３７】
続いて、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から天然ガスの全量が排出され、かつ燃焼バーナ２ａにおいてその全量の天然ガスが燃焼される所定時間が経過したと制御器１０１の計時部が判定すると（ステップＳ３３でＹＥＳ）、燃料電池システム３００の動作はステップＳ３４に移行する。ステップＳ３４において、制御器１０１は、混合器１３を動作させることによって、第２経路Ｒ２と第５経路Ｒ５の間を遮断し、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが全て、燃料ガス経路Ｂに流入するように制御する（ステップＳ３４）。【０１３８】
ここで、ステップＳ３３でＹＥＳと判定される上述の「所定時間」とは、実施の形態１と同様に、上述の式（６）で定義される。また、実施の形態１と同様に、上記ステップＳ３２以降、燃料ガス生成器２から燃料電池１に燃料ガスが供給されると、燃料電池１は発電動作を開始する。【０１３９】
尚、実施の形態１で説明したのと同様に、燃料電池１が所定の電力を出力するべく発電を行った際に燃料電池１の両極に生じた電位差をＵ（Ｖ）としたとき、前述のステップＳ３３においてＹＥＳと判定される上述の「所定時間」とは、Ｕ（Ｖ）が実施の形態１で示した電位差ＵＳ（Ｖ）に到達するまでの時間としてもよい。【０１４０】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム４００の構成を模式的に示したブロック図である。図７において図１と同一又は相当する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。【０１４１】
実施の形態１では、所定の流路抵抗が得られるように予め流路の設計がされており、かつ燃料ガスの分流を制御する流量制御器が開閉弁８，９，１０で構成されていたが、本発明の実施の形態５では、開閉弁８，９に代えて流量調整弁１４，１５が設けられている。流量調整弁１４，１５は、例えば、その開度の調整により流量を制御可能なニードル弁で構成されている。そして、これらの流量調整弁１４，１５の開度が、実施の形態１で述べた燃料ガスの燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂとへの分流比率となるように制御器１０１によって制御される。これ以外の点は実施の形態１と同様である。【０１４２】
このような本実施の形態によれば、流量調整弁１４，１５の開度を調整することによって、所望の流路抵抗を作り出することができるので、流量調整弁１４，１５の開度を調整することによって燃料ガス経路Ａ及び燃料ガス経路Ｂのそれぞれに流れる燃料ガスの比率を調整できる。その結果、所望の分流比率になるように、予め燃料電池システム４００の流路の流路抵抗を設計しておく必要がないため、設計の自由度が増す。更に、本発明を既存の燃料電池システムに適用することも可能である。
次に、本実施の形態の変形例を説明する。【０１４３】
［変形例１］
図８は本発明の実施の形態４の変形例１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。【０１４４】
本実施の形態の燃料電池システムの場合、所望の分流比率になるよう予め定められた所定の開度に流量調整弁１４、１５を調整しても、所定の燃焼状態検知器により燃焼バーナ２ａの燃焼が安定しないこと（換言すれば空気比が１近辺の値にある状態）が検知された場合、上記燃焼状態検知器の値に基づき流量調整弁１４及び１５の少なくともいずれかの開度を、燃焼が安定化するように制御することが好ましい。そこで、変形例１では、図８に示すように、例えば、燃焼状態検知器として、燃焼バーナ２ａから排出される排燃焼ガスが流れる排燃焼ガス経路２８に排燃焼ガス中の原料または一酸化炭素を検知する可燃ガス検知器２５が設けられている。可燃ガス検知器２５は例えば可燃ガス濃度センサで構成されている。そして、制御器１０１が、この可燃ガス検知器２５の検知値に基づき排燃焼ガス中の可燃ガス濃度が所定の値（所定の燃焼程度に対応する可燃ガス濃度）になるよう流量調整弁１４、１５の開度をフィードバック制御する。具体的には、制御器１０１は、可燃ガス検知器２５により検知された排燃焼ガス中の可燃ガス濃度が所定の閾値よりも大きい場合、燃料ガス生成器２より送出された燃料ガスのうち燃料電池２に供給される燃料ガス量が多すぎるため、燃焼が不安定化していると判定し、流量調整弁１５の開度を小さくするか、流量調整弁１４の開度を大きくする。これにより、燃焼バーナ２ａの燃焼における空気比が１未満になることが防止され、ひいては燃焼が安定化される。【０１４５】
［変形例２］
図９は本発明の実施の形態４の変形例２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
変形例２では、図９に示すように、燃焼状態検知器として、燃料電池１の電圧値を検知する電圧検知器２６が設けられる。燃料電池１には、発生した電気を出力する１対の出力端子２７，２７が設けられており、この１対の出力端子にはインバータ等で構成される出力電流制御器（図示せず）が接続されている。この１対の出力端子間に電圧検知器２６が接続されている。電圧検知器２６は例えば電圧計で構成されている。そして、制御器１０１が、燃料ガス生成器２で生成したガスを燃料電池１に供給し始めてからの電圧検知器２６で計測される電圧の上昇速度に基づき、この上昇速度が所定の値になるよう流量調整弁１４、１５の開度をフィードバック制御する。具体的には、制御器１０１は、この上昇速度が所定の閾値（所定の分流比率に対応する電圧の上昇速度）よりも大きい場合、燃料ガス生成器２より送出された燃料ガスのうち燃料電池１に供給される燃料ガス量が多すぎるため、燃焼が不安定化していると判定し、流量調整弁１５の開度を小さくするか、流量調整弁１４の開度を大きくする。これにより、燃焼バーナ２ａの燃焼における空気比が１未満になることが防止され、ひいては燃焼が安定化される。
なお、実施の形態２及び３においても、上記変形例1又は２と同様に、それぞれ、可燃ガス検知２５又は電圧検知器６を設け、これらの検知出力に基づいて、制御器１０１が分配器１２の弁開度又は混合器１３の弁開度を制御して分流比率を調整するようにしてもよいことは言うまでもない。【０１４６】
以上、上述した実施の形態１乃至４のように、本発明によれば、置換ガスとしての天然ガスを燃焼バーナ２ａで燃焼する際、天然ガスの燃焼バーナ２ａへの流量を抑えることができるため、天然ガスを燃焼する際の一酸化炭素の発生を抑制することができる。これにより、発電運転の開始時における一酸化炭素の排出を簡易な構成により効果的に抑制することが出来、環境に優しい燃料電池システムを提供することが可能になる。【０１４７】
尚、上記実施の形態１乃至４では、燃料ガス生成器２から燃料電池１への燃料ガスの供給を開始した後も、燃焼バーナ２ａにおける空気比が１．２になるように燃焼用燃料としての原料及び燃料ガスの供給量の制御が行われているが、少なくとも空気比が１．０以上になるように、制御が行われていれば、理論上、一酸化炭素の発生を抑制することが出来る。【０１４８】
また、上記実施の形態１乃至４では、燃料ガス経路Ｂの一部を燃料ガス経路Ａが共用するよう構成したが、燃料ガス経路Ｂとは全く別個に燃料ガス経路Ａを形成してもよい。すなわち、バイパス経路２４を燃料ガス生成器２と燃焼バーナ２ａとを直接接続するように設けてもよい。【０１４９】
また、上記実施の形態１乃至４では、燃料電池１への原料ガス充填経路が、原料供給器１１、燃料ガス生成器２、及び燃料ガス供給路２２によって構成されているが、原料供給器１１から燃料ガス生成器２をバイパスして燃料電池に至る原料ガスバイパス経路を設けてもよい。【０１５０】
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】
【０１５１】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、発電運転の開始時における一酸化炭素の排出を抑制することが可能な効果を有し、固体高分子型燃料電池を用いて燃料電池システム等として有用である。
【図１】
2008126353.tif 000003
【図２】
2008126353.tif 000004
【図３】
2008126353.tif 000005
【図４】
2008126353.tif 000006
【図５】
2008126353.tif 000007
【図６】
2008126353.tif 000008
【図７】
2008126353.tif 000009
【図８】
2008126353.tif 000010
【図９】
2008126353.tif 000011
【図１０】
2008126353.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月14日(2009.1.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、
前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給開始する際に、前記流量制御器を制御して、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流させる分流工程を行う制御器とを備え、
前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記分流工程における前記燃焼器の空気比が１以上になるような比率で、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流するよう構成されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記分流工程開始後、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されてから前記分流工程を停止し、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池のみに供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記分流工程開始後、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されるために必要な時間が経過してから前記分流工程を停止し、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池のみに供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器を備え、
前記制御器は、前記分流工程開始後、前記電圧検知器によって検知される電圧が所定の閾値以上になってから前記分流工程を停止し、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池のみに供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
前記流量制御器は、前記燃料ガス供給路から前記バイパス経路への分岐部と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給路上に配置された第１の流量制御器と、
前記オフガス経路への前記バイパス経路の合流部と前記燃料電池との間の前記オフガス経路上に配置された第２の流量制御器とを備え、
前記第１の流量制御器及び第２の流量制御器が、開閉弁であり、
前記制御器が、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流するように、前記開閉弁のいずれも開にした場合に、前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記燃焼器における空気比が１以上を満たすように、前記燃料ガス供給路、前記オフガス経路、前記バイパス経路、及び前記燃料電池の流路抵抗が予め設定されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記流量制御器は、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池及び前記バイパス流路のそれぞれに分流する比率を調整するために、前記燃料ガス流路の前記バイパス流路への分岐部に配置された分配器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記分配器を制御し、前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記分配器を制御して前記比率を調節する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記流量制御器は、
前記バイパス経路を流れる前記燃料ガスと前記オフガス経路を流れる前記発電に用いられなかった余剰の前記燃料ガスの混合比率を調整するために、前記バイパス経路の前記オフガス経路への合流部に配置された混合器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるように前記混合器を制御し、前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記混合器を制御して前記比率を調節する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
（削除）
【請求項１２】
（削除〉
【請求項１３】
（削除〉
【請求項１４】
前記原料を前記燃料ガス生成器に供給する原料供給器を備え、
前記制御器は、前記燃料電池が発電を停止している間に前記原料供給器を用いて前記燃料電池の内部に前記原料を充填し、
その後、前記流量制御器を制御して、前記燃料ガスの分流の制御を行う、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
改質反応により原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流する分流工程を含み、
前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記分流工程における前記燃焼器の空気比が１以上になるような比率で、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流するよう構成されている、燃料電池システムの運転方法。
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月17日(2009.8.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素及び酸素を用いて発電する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高効率で小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステムの構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
【０００３】
このような燃料電池システムの運転停止動作中において、システムが冷却されることでシステム内部が負圧になり空気が流入すると、燃料電池の内部に残留した水素が空気中の酸素によって急激に酸化され、その酸化反応に伴う反応熱によって燃料電池システムが損傷する恐れがあった。
【０００４】
このような問題を解決するために、運転停止動作時に、燃料電池の内部の残留ガスを天然ガスなどの原料でパージし、燃料電池内部に原料を封止する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図１０は、この提案された燃料電池システムの構成図である。図１０に示すように、従来の燃料電池システムは、炭素及び水素を含む化合物を主成分とする原料から水素を豊富に含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器５００と、この燃料ガス生成器５００から燃料電池５０１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路５０２と、燃料電池５０１から排出される発電に用いられなかった燃料ガス（以下、オフガス）を燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに供給するオフガス供給経路５０３とを備えている。又、燃料ガスの供給先を燃料電池５０１から燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに切り替えるために、燃料ガス供給経路５０２とオフガス供給経路５０３との間に設けられた燃料電池バイパス経路５０４と、燃料ガスを生成するための原料を燃料ガス生成器５００に供給する原料供給器５０５と、この原料供給器５０５から燃料電池５０１に燃料ガス生成器５００を迂回して原料を直接注入するための燃料ガス生成器バイパス経路５０６が設けられている。又、燃料ガス供給経路５０２の燃料電池バイパス経路５０４への分岐部には三方弁５０７が設けられている。更に、オフガス供給経路５０３の燃料電池バイパス経路５０４の合流部よりも上流側に開閉弁５０８が設けられている。又、燃料電池５０１に酸化剤ガスとしての空気を供給するためにブロア５０９が設けられている。
【０００６】
この提案された燃料電池システムでは、起動運転時、燃料ガス生成器５００で生成された、発電運転時よりも一酸化炭素の濃度が高い燃料ガスは、燃料電池バイパス経路５０４を経由して、燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに供給される。そして、燃焼ガスは、この燃焼バーナ５００ａにおいて、改質触媒の温度を加熱するために燃焼される。
【０００７】
一方、発電運転の開始後、燃料ガス生成器５００における改質触媒の温度が所定の温度にまで到達すると、燃料ガス生成器５００で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路５０２を介して、燃料電池５０１に供給される。そして、燃料ガスは、この燃料電池５０１において、発電のための燃料として使用される。又、燃料電池５０１から排出されるオフガスは、オフガス供給経路５０３を介して、燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに供給される。そして、この燃焼バーナ５００ａにおいて、改質触媒を加熱するために燃焼される。
【０００８】
この提案された燃料電池システムでは、燃料電池システムの発電運転を停止した後、燃料ガス生成器バイパス経路５０６を介して、原料供給器５０５から燃料電池５０１に原料が置換ガスとして注入される。これにより、燃料電池システムの発電運転の停止中に渡って、燃料電池５０１の内部およびその周辺部が窒素ガス等の不活性ガスに代えて天然ガス等の原料により封止される。
【０００９】
停止動作時に原料供給器５０５から燃料電池５０１に注入される天然ガス等の原料は、燃料ガスに含まれる水素と比べて化学的に安定である。したがって、発電運転の停止中に渡って燃料電池５０１の内部に滞留する天然ガス等の原料に空気が混入しても、急激な酸化反応が進行することはない。
【００１０】
このように燃料電池５０１に天然ガス等の原料を注入することにより、従来の燃料電池システムでは、酸化反応に伴う反応熱で燃料電池システムが損傷することが効果的に防止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２２９１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、起動動作時に、燃料ガス生成器５００における改質触媒の温度が所定の温度にまで到達して、燃料ガス生成器５００から燃料電池５０１への燃料ガスの供給が開始されると、停止動作時に燃料電池５０１に注入されている天然ガス等の原料が、燃料ガス生成器５００から供給される燃料ガスにより燃料電池５０１から押し出される。
【００１３】
この押し出された原料が、燃料ガス生成器５００の燃焼バーナ５００ａに所定の期間に渡り供給されるので、その所定の期間において燃焼バーナ５００ａでは酸素不足による不完全燃焼が発生して、大気中に一酸化炭素が排出されるおそれがあった。
【００１４】
具体的に説明すると、起動動作時には、上述したように、最初、三方弁５０７が燃料電池バイパス経路５０４側に切り替えられ、燃料ガスに含まれる水素を利用して、燃焼バーナ５００ａは燃焼している。そのため、燃料電池システムは、燃焼バーナ５００ａに、水素の量に対応した量の空気が供給されるように構成されている。
【００１５】
しかしながら、燃料電池５０１から押し出された原料が燃焼バーナ５００ａに供給されると、上記燃料ガス中の水素よりも、原料（天然ガス）中のメタンの方が完全燃焼に必要な酸素量が多くなるため、燃焼バーナ５００ａへの空気供給量がそのままであると燃焼バーナ５００ａでの燃焼反応において酸素不足が発生するおそれがある。
【００１６】
このように、従来の燃料電池システムでは、発電運転を開始する際、燃料ガス生成器５００から燃料電池５０１への燃料ガスの供給を開始し始めてから所定の期間に渡って燃焼バーナ５０ａでの燃焼反応において酸素不足が発生し、大気中に一酸化炭素が排出されるおそれがあった。
【００１７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、予め内部に原料が充填された燃料電池に燃料ガス生成器からの燃料ガスの供給が開始される際に、燃料ガス生成器の燃焼器の不完全燃焼を抑制し、一酸化炭素の排出を抑制することが可能な燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、制御器とを備え、
前記燃料電池の内部には、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池へ前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記原料が充填されており、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記流量制御器を制御する、燃料電池システムである。
【００１９】
又、第２の本発明は、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給が開始されてから所定時間経過後、前記バイパス経路側への前記燃料ガスの分流が停止され、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池にのみ供給されるよう前記流量制御器を制御する、第１の本発明の燃料電池システムである。
【００２０】
又、第３の本発明は、
前記所定時間は、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されるために必要な時間以上である、第２の本発明の燃料電池システムである。
【００２１】
又、第４の本発明は、
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器を備え、
前記所定時間は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始した後、前記電圧検知器によって検知される電圧が、所定の閾値以上になるまでの時間である、第２の本発明の燃料電池システムである。
【００２２】
又、第５の本発明は、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する前、前記燃料ガスが、前記バイパス経路を通って前記燃焼器にて燃焼されるよう前記流量制御器を制御する、第１の本発明の燃料電池システムである。
【００２３】
又、第６の本発明は、
前記流量制御器は、前記燃料ガス供給路から前記バイパス経路への分岐部と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給路上に配置された第１の流量制御器と、
前記オフガス経路への前記バイパス経路の合流部と前記燃料電池との間の前記オフガス経路上に配置された第２の流量制御器とを備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流するように、前記第１の流量制御器及び前記第２の流量制御器を制御する、第１乃至５のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
【００２４】
又、第７の本発明は、
前記流量制御器は、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池及び前記バイパス流路のそれぞれに分流する比率を調整するために、前記燃料ガス流路の前記バイパス流路への分岐部に配置された分配器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記分配器を制御する、第１乃至５のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
【００２５】
又、第８の本発明は、
前記流量制御器は、
前記バイパス経路を流れる前記燃料ガスと前記オフガス経路を流れる前記発電に用いられなかった余剰の前記燃料ガスの混合比率を調整するために、前記バイパス経路の前記オフガス経路への合流部に配置された混合器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるように前記混合器を制御する、第１乃至５のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
【００２６】
又、第９の本発明は、
前記第１の流量制御器及び第２の流量制御器が、開閉弁であり、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記制御器が、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流させるよう前記開閉弁のいずれも開にした場合に、前記燃焼器における空気比が１以上を満たすように、前記燃料ガス供給路、前記オフガス経路、前記バイパス経路、及び前記燃料電池の流路抵抗が予め設定されている、第６の本発明の燃料電池システムである。
【００２７】
又、第１０の本発明は、
前記制御器は、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記分配器を制御して前記分流比率を調節する、第７の本発明の燃料電池システムである。
【００２８】
又、第１１の本発明は、
前記制御器は、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記混合器を制御して前記混合比率を調節する、第８の本発明の燃料電池システムである。
【００２９】
又、第１２の本発明は、
前記原料は、炭化水素ガスである、第１乃至１１のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
【００３０】
又、第１３の本発明は、
前記原料を供給するための原料供給器を備え、
前記制御器は、停止動作又は起動動作時又は停止中に、前記原料供給器から前記燃料電池に前記原料を供給することにより前記燃料電池の内部が前記原料により充填されるように制御する、第１乃至１２のいずれかの本発明の燃料電池システムである。
【００３１】
又、第１４の本発明は、
前記原料を前記燃料ガス生成器に供給する原料供給器を備え、
前記制御器は、前記燃料電池が発電を停止している間に前記原料供給器を用いて前記燃料電池の内部に前記原料を充填し、その後、前記燃料ガスの分流の制御を行う、燃料電池システムである。
【００３２】
又、第１５の本発明は、
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
改質反応により原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス供給路の途中と前記オフガス経路の途中を接続するバイパス経路とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の内部には、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池へ前記燃料ガスの供給を開始する前に、前記原料が充填されており、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を前記燃料ガス供給路を通じて開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流する分流工程を含む、燃料電池システムの運転方法である。
【００３３】
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】
【００３４】
本発明によれば、予め内部に原料が充填された燃料電池に燃料ガス生成器からの燃料ガスの供給が開始される際に、燃料ガス生成器の燃焼器の不完全燃焼を抑制し、一酸化炭素の排出を抑制することが可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの起動動作時の制御を示すフロー図である。
【図３】図３は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの起動動作時の制御を示すフロー図である。
【図５】図５は本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図６】図６は本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの起動動作時の制御を示すフロー図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図８】図８は本発明の実施の形態４の変形例１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図９】図９は本発明の実施の形態４の変形例２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図１０】図１０は従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス、電気信号等が流れる経路を示している。又、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガスまたは酸化剤ガス等の流れる流動方向を示している。又、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。
【００３８】
はじめに、本実施の形態１の燃料電池システム１００の構成について簡単に説明する。
【００３９】
図１に示すように、本実施の形態１の燃料電池システム１００は、発電部の本体としての燃料電池１と、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス生成器２と、燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに酸化剤ガスとしての空気を供給するブロワ３とを備えている。燃料ガスを改質反応によって生成するために、天然ガスなどの原料を燃料ガス生成器２に供給する原料供給器１１が設けられている。更に、燃料ガス生成器２には、改質触媒を加熱するための燃焼バーナ２ａが設けられており、この燃焼バーナ２ａに燃焼に必要となる空気を大気中から供給する燃焼ファン２ｂが設置されている。
【００４０】
又、給湯などの目的のために貯湯タンク５が設けられており、この貯湯タンク５内の水を燃料電池１を冷却するための冷却水と熱交換して加熱するための熱交換器４が設けられている。
【００４１】
次に、燃料電池１と燃料ガス生成器２を接続する経路について説明する。
【００４２】
燃料電池システム１００には、燃料ガス生成器２で生成された燃料ガスを、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに供給するための燃料ガス供給路２２と、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａから排出されるオフガスを燃焼バーナ２ａに供給するためにオフガス経路２３が配置されている。又、燃料ガス供給路２２から分岐し、燃料電池１をバイパスしてオフガス経路２３に合流するバイパス経路２４が配置されている。
【００４３】
ここで、図１においてバイパス経路２４への分岐部を基準として、燃料ガス供給路２２の燃料ガス生成器２側を第１経路Ｒ１と呼び、燃料電池１側を第４経路Ｒ４と呼ぶ。又、バイパス経路との合流部を基準として、オフガス経路２３の燃焼バーナ２ａ側を第３経路Ｒ３と呼び、燃料電池１側を第５経路Ｒ５と呼ぶ。更に、バイパス経路２４を第２経路Ｒ２と呼ぶ。この第４経路Ｒ４上に開閉弁９が設けられており、第２経路Ｒ２上に開閉弁８が設けられており、第５経路Ｒ５上に開閉弁１０が設けられている。
【００４４】
上記第１経路Ｒ１は第２経路Ｒ２と第４経路Ｒ４とに分岐しているが、この分岐部をＸと呼び、第２経路Ｒ２と第５経路Ｒ５が合流して第３経路となるが、この合流部をＹと呼ぶ。
【００４５】
そして、図１に示すように、第１経路Ｒ１と第２経路Ｒ２と第３経路Ｒ３とによって、第１の燃料ガス経路Ａが構成されている。又、図１に示すように、第１経路Ｒ１、第４経路Ｒ４、燃料ガス用流路１ａ、第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３と、により、第２の燃料ガス経路Ｂが構成されている。
【００４６】
つまり、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は開閉弁７、開閉弁８、開閉弁９及び開閉弁１０を開閉することにより、燃料ガス生成器２から排出される燃料ガスを必要に応じて燃料電池１に供給することなく燃焼バーナ２ａに直接供給することが可能に構成されている。
【００４７】
更に、この燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００を構成する各構成要素（開閉弁７、８、９、１０及び燃料ガス生成器２等）の動作を適宜制御する制御器１０１を備えている。
【００４８】
更に、本実施の形態の燃料電池システム１００の各構成について詳しく説明する。
【００４９】
上述した燃料電池１として、本実施の形態１では、固体高分子電解質型燃料電池が用いられている。この燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、ブロワ３により酸化剤ガス用流路１ｂに供給される酸化剤ガス（通常、空気）とを用いて、所定の電力を出力するべく発電が行われる。
【００５０】
換言すれば、燃料電池１は、燃料ガス及び酸化剤ガスが有する化学エネルギーを、所定の反応触媒により進行する所定の電気化学反応によって、電気エネルギーに直接変換する。燃料電池１は、かかるエネルギー変換によって得られた電気エネルギーを、燃料電池システム１００に接続される負荷に向けて電気エネルギーを供給する。尚、燃料電池１の内部構成に関する詳細な説明については、一般的な固体高分子電解質型燃料電池の内部構成と同様であるため、ここでは省略する。
【００５１】
又、発電運転の際、上記エネルギー変換のための所定の電気化学反応により、燃料電池１は発熱する。この燃料電池１において発生する熱は、燃料電池１の内部に形成された冷却水用流路（図示せず）に供給される冷却水により、逐次回収され、熱交換器４において貯湯タンク５から供給される水と熱交換され、貯湯タンク５に湯として貯えられる。燃料電池１と熱交換器４の間には、ポンプ６ａが設けられており、熱交換器４において熱が交換されて冷却された冷却水は、ポンプ６ａの動作により、燃料電池１の冷却水用流路に向けて再び供給される。又、貯湯タンク５と熱交換器４の間にもポンプ６ｂが設けられており、貯湯タンク５からポンプ６ｂにより供給された水は、熱交換器４において熱交換して逆に加熱されることにより、貯湯タンク５に湯として貯えられる。
【００５２】
上述した燃料ガス生成器２は、天然ガス（メタンが主成分）、プロパンガス等の炭化水素系成分、メタノール等のアルコール、或いは、ナフサ成分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有機化合物を含む原料（原料）と水とが用いられる水蒸気改質反応を主に進行させ、この水蒸気改質反応により水素を豊富に含む燃料ガスを生成する。この燃料ガス生成器２への原料の供給は、上述した原料供給器１１によって行われるが、原料の供給の断続を行うための開閉弁７が設けられている。
【００５３】
ここで、この燃料ガス生成器２は、水蒸気改質反応を進行させるための改質部と、この改質部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するための変成部及び浄化部を備えている（図示せず）。改質部は、水蒸気改質反応を進行させるための改質触媒を有しており、改質触媒が燃焼バーナ２ａでの燃料電池１から排出されるオフガス又は燃料ガス等の燃焼によって加熱されて、水蒸気改質反応が促進される。
【００５４】
ここで、燃焼バーナ２ａにおいて、燃料電池１から排出されるオフガス、又は燃料ガス生成器２で生成される燃料ガスが燃焼用燃料として燃焼され、改質部の改質触媒を加熱するための熱エネルギーが生成される。
【００５５】
又、変成部は、改質部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、水との反応によって低減するための変成触媒を備えている。又、浄化部は、変成部から排出される燃料ガス中の一酸化炭素を、酸化反応或いはメタン化反応によって更に低減するためのＣＯ除去触媒を備えている。尚、この変成部及び浄化部は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を効果的に低減するために、各々において進行する化学反応に適した温度条件の下、各々運転される。又、燃料ガス生成器２の内部における上述した燃料ガス生成器及び変成部及び浄化部以外の構成に関する説明については、燃料ガス生成器２の内部構成と一般的な燃料ガス生成器の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。
【００５６】
上述した原料供給器１１は、燃料電池システム１００の発電運転時等において、天然ガスのインフラストラクチャー等から供給される天然ガス等の原料を、上述した開閉弁７を介して、燃料ガス生成器２の改質部に供給する。尚、この原料供給器１１は、流量調整部（図示せず）を備えており、後述する制御器１０１により、必要に応じて燃料ガス生成器２の改質部に対する原料の供給量を適宜調整することが可能に構成されている。
【００５７】
上述したブロワ３は、大気中から空気を吸入することにより、燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに酸化剤ガスとしての空気を供給する。このブロワ３としてはシロッコファン等が好適に用いられる。
【００５８】
上述した制御器１０１は、例えば、記憶部、計時部、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。尚、燃料電池システム１００の各構成要素の動作に関わるプログラムは予め制御器１０１の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御器１０１が燃料電池システム１００の動作を適宜制御する。
【００５９】
尚、本発明の第１の流量制御器の一例は、本実施の形態の開閉弁９に相当し、本発明の第２の流量制御器の一例は、本実施の形態の開閉弁１０に相当し、本発明の第３の流量制御器の一例は、本実施の形態の開閉弁８に相当する。又、本発明の原料供給器の一例は、本実施の形態の原料供給器１１に相当し、本発明の燃焼器の一例は、燃焼バーナ２ａに相当する。
【００６０】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６１】
尚、以下の説明では、燃料電池システム１００の停止動作時、待機時、又は起動動作時において、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ及びその周辺部に、置換ガスとして原料（本実施の形態１では、炭素水素ガスである天然ガス）が予め充填されていることを前提とする。この原料としては、本実施の形態１では、炭化水素ガスである天然ガスが用いられているが、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料であればよい。この燃料電池１等への原料の充填は、停止動作時において、燃料ガス生成器１における燃料ガスの生成を停止した後、原料供給器１１から燃料ガス生成器１を通して、燃料電池１に向けて原料を供給することにより行われる。なお、この燃料電池１等への原料の充填の後、開閉弁９，１０が閉じられる。開閉弁８は開放しても閉じてもよいが、本実施の形態では閉じられる。
【００６２】
又、本実施の形態１では、「起動動作時」とは「制御器１０１から起動指令が出力されてから燃料電池１の発電制御部（図示せず）により電流が燃料電池１から取り出される迄」をいい、「停止動作時」とは「制御器１０１から停止指令が出力されてから燃料電池システム１００全体の動作が完全に停止する迄」をいう。また、「待機時」とは、停止動作時と起動動作時との間の期間をいう。
【００６３】
本実施の形態の燃料電池システム１００は、制御器１０１の制御に従い以下の動作を行う。図２は、本実施の形態の燃料電池システム１００の起動動作を示す制御フロー図である。
【００６４】
先ず、図１に示す燃料電池システム１００の起動動作時には、燃料電池１の発電運転において必要となる水素を豊富に含む燃料ガスを生成するために、制御器１０１は燃料ガス生成器２を作動させる。この場合、開閉弁７，８が開放される。
【００６５】
具体的には、水素を生成するための原料の一例である天然ガスが、図１に示す原料供給器１１から燃料ガス生成器２の改質部に供給される。又、水蒸気改質反応を進行させるための水蒸気を生成するために、水道等のインフラストラクチャーから燃料ガス生成器２の改質部に水が供給される。又、燃料ガス生成器２の改質部において水蒸気改質反応を進行させるために、改質部に設けられている改質触媒が燃焼バーナ２ａにより加熱される。
【００６６】
燃料電池システム１００の起動動作の開始当初では、燃料ガス生成器２の改質部における改質触媒温度は、燃焼バーナ２ａにより加熱されて穏やかに温度上昇するため、所定の温度にまで到達していない。そのため、改質部における水蒸気改質反応が好適に進行しないので、燃料ガス生成器２から排出される燃料ガスには、発電運転時より高濃度の一酸化炭素が含まれている。この発電運転時より高濃度の一酸化炭素を含む燃料ガスを、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスという。
【００６７】
そこで、本実施の形態１では、燃料電池システム１００の起動動作の開始時、燃料ガス生成器２の改質部における改質触媒が所定の温度に到達し、かつ良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、制御器１０１により燃料ガス経路Ａが形成されている。この燃料ガス経路Ａは、制御器１０１が開閉弁８を開放し、開閉弁９，１０を閉止することで、第１経路Ｒ１と第２経路Ｒ２が接続され、第１経路Ｒ１と第４経路Ｒ４が遮断されて、第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２及び第３経路Ｒ３により形成される。
【００６８】
そして、この燃料ガス経路Ａに、燃料ガス生成器２で生成された、一酸化炭素及び水素を含んだ燃料ガスが供給される。これにより、燃焼バーナ２ａに、燃料ガス経路Ａを介して、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが供給される。すると、燃焼バーナ２ａは、その一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスを燃焼して、燃料ガス生成器２の改質部における改質触媒を加熱する。そして、改質触媒が、水蒸気改質反応に適した所定の温度、約６５０〜８００℃にまで加熱される。尚、燃焼バーナ２ａにおいて燃焼された燃料ガスは、排燃焼ガスとして燃料電池システム１００の外部へ放出される。
【００６９】
又、この際、燃焼バーナ２ａにおいて、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスを燃焼させるために、燃焼ファン２ｂにより燃焼バーナ２ａに空気が供給される。この燃焼ファン２ｂによる燃焼バーナ２ａへの空気の供給量は、原料供給器１１から燃料ガス生成器２に供給される天然ガス等の原料の供給量に応じて、適宜設定されている。
【００７０】
以下に、燃焼ファン２ｂによる空気の供給量について具体的に説明する。
【００７１】
燃料電池システム１００の発電運転の開始後、燃料ガス生成器２の改質部では、理論的には、式（１）に示す化学反応によって天然ガスから水素が生成される。
Ｈ４＋２Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋４Ｈ２      ・・・（１）
ここで、原料供給器１１から燃料ガス生成器２に供給される天然ガスの供給量を便宜上Ｑ（Ｌ／分）とすると、式（１）に示す化学反応によれば、燃料ガス生成器２の改質部で生成される水素量は４Ｑ（Ｌ／分）となり、燃焼バーナ２ａに燃料ガス経路Ａを介して同量の水素が供給される。
【００７２】
そこで、燃料ガス生成器２から燃料ガス経路Ａを介して４Ｑ（Ｌ／分）の割合で燃焼バーナ２ａに供給される水素を完全燃焼させるためには、式（２）に示す燃焼反応を進行させるべく、燃焼ファン２ｂから燃焼バーナ２ａに、理論上２Ｑ（Ｌ／分）の割合で酸素を供給する必要がある。
４Ｈ２＋２Ｏ２    →  ４Ｈ２Ｏ            ・・・（２）
ここで、空気中の酸素濃度を２０％とすると、理論上、１０Ｑ（Ｌ／分）の割合で空気を供給する必要がある。しかし一方で燃焼バーナ２ａへの空気供給量がちょうど１０Ｑ（Ｌ／分）（酸素供給量２Ｑ（Ｌ／分））であると、燃焼バーナ２ａの特性上、不完全燃焼になることが多い。このため、本実施の形態１では、空気比を１．５に設定し、燃焼バーナ２ａへの空気供給量を１５Ｑ（Ｌ／分）（酸素濃度を２０％としたとき酸素供給量３Ｑ（Ｌ／分））とし、燃焼バーナ２ａでの燃焼安定性が確保されている。
【００７３】
この空気比とは燃焼用燃料が完全燃焼するのに必要な理論空気量に対する実際の空気量の比をいい、上述の場合、天然ガス供給量がＱ（Ｌ／分）に対して１０Ｑ（Ｌ／分）の割合で空気を供給するとき、空気比は１になる。制御器１０１は、燃焼バーナ２ａへの空気供給量が１５Ｑ（Ｌ／分）となるように、燃焼ファン２ｂの回転数を調整する。尚、上述では空気中の酸素濃度を２０％と設定したが、空気中の酸素濃度を２１％としても空気量は５％ずれるだけであり、効果は同様である。以下、空気中の酸素濃度は２０％として説明する。
【００７４】
つまり、本実施の形態１では、燃焼ファン２ｂによる燃焼バーナ２ａへの空気の供給量は、燃料ガス生成器２において理論的に生成される水素の生成量、即ち、原料供給器１１から燃料ガス生成器２の改質部への天然ガスの供給量を基準として設定されている。このように設定することにより、燃焼バーナ２ａにおいて、一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスが燃焼される。そして、この燃焼バーナ２ａにおいて発生する熱エネルギーにより、燃料ガス生成器２における改質部の改質触媒が加熱される。
【００７５】
次に、図２に示すように、燃焼バーナ２ａにおいて一酸化炭素を高濃度に含む燃料ガスを燃焼することにより発生する熱によって燃料ガス生成器２における改質部の改質触媒の温度が上昇すると、その改質触媒の温度が水蒸気改質反応に好適な所定の温度にまで到達したか否かが、制御器１０１によって判定される（ステップＳ１）。
【００７６】
ここで、改質触媒の温度は、例えば、改質触媒に埋設された温度センサ（図示せず）により検出される。この温度センサの出力信号は、制御器１０１に入力される。そして制御器１０１において出力信号の解析が行われ、改質触媒の温度が認識される。尚、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達していないと判定された場合（ステップＳ１でＮＯ）、改質触媒の温度が所定の温度にまで到達したと判定されるまで、燃焼バーナ２ａによる改質触媒の加熱が継続される。
【００７７】
一方、ステップＳ１において、改質触媒の温度が所定の温度まで到達したと制御器１０１が判定すると（ステップＳ１でＹＥＳ）、燃料電池システム１００は、後述するステップＳ２の動作に移行する。
【００７８】
仮に、ステップＳ２において、従来の燃料電池システムと同様に、制御器１０１によって開閉弁９及び開閉弁１０が開かれ、それと同時に開閉弁８が閉止され、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスの経路が燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂへ完全に切り替えられると、背景技術で述べたように燃焼バーナ２ａにおいて不完全燃焼が進行するおそれがある。
【００７９】
以下、従来の燃料電池システムと同様の動作を行った場合に、不完全燃焼が発生する点について具体的に説明する。
【００８０】
上記のように、燃料ガスの流路を燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂに切り替えた場合、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から排出されて（押し出されて）燃焼バーナ２ａに供給される天然ガスの供給量は、燃料ガス生成器２から燃料ガス用流路１ａに供給される燃料ガスの供給量に概ね等しくなる。
【００８１】
上述した式（１）によれば、燃料ガス生成器２に供給される原料（天然ガス）がＱ（Ｌ／分）の場合、燃料ガス生成器２からはＱ（Ｌ／分）の二酸化炭素と４Ｑ（Ｌ／分）の水素とが排出され、燃焼バーナ２ａへ排出される（押し出される）天然ガスは、５Ｑ（Ｌ／分）の割合となる。ここで、以下の式（３）に示すように、５Ｑ（Ｌ／分）の割合で供給される天然ガスを完全燃焼して、天然ガスを二酸化炭素及び水に変換するためには、燃焼バーナ２ａに向けて５０Ｑ（Ｌ／分）の空気供給量（酸素供給量１０Ｑ（Ｌ／分））（空気比１）が必要となる。
５ＣＨ４＋１０Ｏ２  →  ５ＣＯ２＋１０Ｈ２Ｏ  ・・・（３）
又、予め充填されている天然ガス中のメタン濃度は約９０％であるため、押し出された天然ガスの量５Ｑ（Ｌ／分）は、メタンの体積５Ｑと概ね等しいとして計算することが出来る。
【００８２】
対して、本実施の形態１の燃料電池システム１００の起動動作時には、燃焼バーナ２ａでの空気比が１．５になるように、供給する空気の流量は１５Ｑ（Ｌ／分）（酸素供給量３Ｑ（Ｌ／Ｑ））に制御されている。
【００８３】
このため、上述のように燃料ガスの経路を燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂに完全に切り替えることによって、燃焼バーナ２ａに５Ｑ（Ｌ／分）の割合で天然ガスが供給されると、燃焼バーナ２ａにおける空気比は０．３に相当するため、不完全燃焼が生じ、燃料電池システム１００から一酸化炭素が排出される可能性がある。
【００８４】
そのため、本実施の形態１では、燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂへと切り替える前に、ステップＳ２として、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂのそれぞれに燃料ガスを分流するように制御が行われる。このように分流するためには、開閉弁８及び開閉弁９及び開閉弁１０を開放することにより、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成し、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが第１経路Ｒ１から第２経路Ｒ２と第４経路Ｒ４に分流し、再度第３経路Ｒ３に合流して燃焼バーナ２ａに供給されるようにする。
【００８５】
そして、後述するステップＳ３として所定時間経過した後、燃料電池システム１００は、後述する燃料ガス経路Ｂへと完全に切り替えるステップＳ４の動作に移行する。
【００８６】
本実施の形態の燃料電池システム１００では、ステップＳ２において、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する比率がｎ：（１−ｎ）（ただし０＜ｎ＜１）となるように燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂの流路抵抗が予め設計されている。
【００８７】
この時、上述のように燃料ガス生成器２に供給される天然ガスがＱ（Ｌ／分）の場合、燃料ガス生成器からはＱ（Ｌ／分）の二酸化炭素と４Ｑ（Ｌ／分）の水素が排出されるため、燃料ガス生成器からは５Ｑ（Ｌ／分）の燃料ガスが排出される。このうち５ｎＱ（Ｌ／分）（Ｈ２：４ｎＱ（Ｌ／分）、ＣＯ２：ｎＱ（Ｌ／分））が燃料ガス経路Ａを通じて直接燃焼バーナ２ａへ供給される。
【００８８】
一方、５（１−ｎ）Ｑ（Ｌ／分）が燃料ガス経路Ｂを通じて燃料電池１の燃料ガス用経路１ａに供給されるため、実質上天然ガスが燃焼バーナ２ａへ供給される。この時、燃焼バーナ２ａでの空気比を１．０に確保するために必要な空気供給量は式（４）及び式（５）に示すように５（１０−８ｎ）Ｑ（Ｌ／分）（酸素供給量（１０−８ｎ）Ｑ（Ｌ／分））となる。
４ｎＱ Ｈ2＋２ｎ ＱＯ２  →  ４ｎＱ Ｈ２Ｏ・・・（４）
５（１−ｎ）Ｑ ＣＨ４ ＋１０（１−ｎ）Ｑ Ｏ２
→  ５（１−ｎ）Ｑ ＣＯ２  ＋１０（１−ｎ） Ｈ２Ｏ  ・・・（５）
さらに燃焼バーナ２ａでの燃焼安定性を確保するために、例えば空気比１．２と設定すると、６（１０−８ｎ）Ｑ（Ｌ／分）（酸素供給量１．２（１０−８ｎ）Ｑ（Ｌ／分））の空気供給量が必要となる。
【００８９】
一方、上述の通り、本実施の形態１において燃料電池システム１００の起動動作の開始時には、燃焼バーナ２ａへの空気供給量は１５Ｑ（Ｌ／分）となっている。このため、本発明の第１の流量制御器及び第２の流量制御器が、本実施の形態のように開閉弁である場合には、６（１０−８ｎ）Ｑ≦１５Ｑ、つまりｎ≧０．９３７５となるように燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂの流路抵抗を設定することで、燃焼バーナ２ａにおける不完全燃焼を防ぐことができる。すなわち、ｎ≧０．９３７５となるように、燃料ガス供給路２２，バイパス経路２４、オフガス経路２３及び燃料ガス用流路１ａ、並びに燃料電池内部の燃料ガス流路の構造が予め設計されている。このステップＳ２が、本発明の分流工程の一例に相当する。
【００９０】
このように、ステップＳ２にて燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂのそれぞれに燃料ガスが流入するように、制御が行われる。そして、ステップＳ３において、所定時間が経過するまで、この状態が維持される。
【００９１】
ここで、ステップＳ３においてＹＥＳと判定される上述した「所定時間」とは、燃料電池１近傍の流路（開閉弁９から開閉弁１０までの間の第４流路Ｒ４、燃料ガス用流路１ａ及び第５流路Ｒ５の部分に相当する）に充填されている天然ガスを燃料ガスに置き換えるために必要な時間である。
【００９２】
次に、天然ガスを燃料ガスに置き換えるために必要な時間について説明する。
【００９３】
図１に示す燃料ガス経路Ｂの開閉弁９と開閉弁１０の間の区間の内容積をＶ（Ｌ）としたとき、上述のように燃料ガス生成器２に供給される天然ガスの流量はＱ（Ｌ／分）であり、ステップＳ２において燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ｂに分流する流量は上述のように５（１−ｎ）Ｑ（Ｌ／分）である。
【００９４】
従って、式（６）により算出されるＴ（分）として定義することが出来る。
Ｔ≧Ｖ／５（１−ｎ）Ｑ      ・・・（６）
次に、上述のように、燃焼バーナ２ａでの燃焼安定性を確保するための空気比を１．２に設定した理由を説明する。
【００９５】
上述のように、本実施の形態１において燃料電池１の発電運転の開始時は、燃焼バーナ２ａへの空気供給量は１５Ｑとなっている。一方で、燃料電池１の燃料ガス用経路１ａ等から排出されて燃焼バーナ２ａに供給される天然ガスの燃焼を、空気比αで行うために必要な空気供給量は５α（１０−８ｎ）Ｑとなる。
【００９６】
このため空気比αを設定すると、（７）式に示される条件下で、燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する比率ｎ：（１−ｎ）（ただし0＜ｎ＜１）が設定される必要がある。
５α（１０−８ｎ）Ｑ≦１５Ｑ    ・・・（７）
空気比αを１．５に近い値に設定すると燃焼バーナ２ａでの燃焼安定性をさらに向上することができるが、式（７）よりｎが１に近くなるため、式（６）で示す「所定時間」Ｔ（分）が長くなる。一方、逆に空気比を１．０に近くすると不完全燃焼の可能性が高くなる。そのため、空気比αが１．２という値に設定されている。
【００９７】
上記ステップＳ３で所定の時間が経過したことが制御器１０１によって判断された後、ステップＳ４にて燃料ガス経路Ａが閉じられ、燃料ガス生成器２から燃料ガス経路Ｂを介して燃料電池１に燃料ガスが供給されると、燃料電池１は以下のように発電動作を開始する。
【００９８】
燃料ガス生成器２から燃料電池１の燃料ガス用流路１ａに一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスが供給されると共に、ブロワ３から燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに空気が供給される。そして、燃料電池１では、そのアノード側及びカソード側に供給される燃料ガス及び空気が用いられて、所定の電力を出力するべく発電が行われる。
【００９９】
尚、発電に用いられなかったオフガスは、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａから排出された後、第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３を介して燃焼バーナ２ａに供給される。そして、この燃焼バーナ２ａにおいて、水蒸気改質反応を進行させる為に燃焼される。又、燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂから排出される排空気は、燃料電池システム１００の外部に排出される。
【０１００】
以上のように、本実施の形態では、燃料電池の内部に原料が予め充填されている燃料電池システムにおいて、改質部の温度が所定温度になった後、すぐには燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂに完全に切り替えず、双方の経路に分配して燃料ガスを流すことにより、燃焼器からの一酸化炭素の排出を効果的に抑制することが可能となる。
【０１０１】
又、一酸化炭素の排出を抑制することで、環境に優しい燃料電池システムを提供することが出来る。
【０１０２】
又、燃焼バーナ２ａでの空気比１以上を満たすように制御が行われているため、燃料バーナにおける燃焼を安定させることが出来る。
【０１０３】
又、本実施の形態では、停止中の燃料電池の性能劣化を防止するために、燃料電池システムの運転時に使用される原料をパージに用いているため、他の不活性ガスの供給手段を設ける必要がなく、安価でかつ小規模に設置することが可能となる。
【０１０４】
尚、本発明の所定の時間の一例は、本実施の形態では、式（６）に基づいて決められる時間Ｔに相当するが、燃料電池１の両極の電位差に基づいて所定の時間Ｔが決められても良い。
【０１０５】
すなわち、燃料電池１が所定の電力を出力するべく発電を行うと、燃料電池１の両極に電位差が生じる。この電位差をＵ（Ｖ）としたとき、前述のステップＳ３においてＹＥＳと判定される上述の「所定時間」を、Ｕ（Ｖ）が所定の電位差ＵＳ（Ｖ）に到達するまでの時間としてもよい。
【０１０６】
ここでＵＳ（Ｖ）は、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ内の天然ガスが、一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスで完全に置換され、かつブロワ３から燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに空気が供給された際の燃料電池１の両極の電位差Ｕ（Ｖ）に相当する。このＵＳ（Ｖ）の具体的な値としては、例えば燃料電池１が５０枚の固体高分子膜から構成されているときは約４０Ｖとすることができる。
【０１０７】
つまり、燃料電池１の両極の電位差Ｕ（Ｖ）を図９に示すような電圧検知器２６（実施の形態４の変形例２で詳しく説明する）により検知し、Ｕ（Ｖ）がＵＳ（Ｖ）に到達したとき、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ近傍（開閉弁９から開閉弁１０までの間の第４流路Ｒ４、燃料ガス用流路１ａ及び第５流路Ｒ５の部分に相当する）の天然ガスは、一酸化炭素の濃度が十分に低減された燃料ガスによって完全に押し出され、第５経路Ｒ５及び第３経路Ｒ３を介して燃焼バーナ２ａで燃焼されたことになる。
【０１０８】
そのため、Ｕ（Ｖ）がＵＳ（Ｖ）に到達したことをもって開閉弁８を閉止すれば、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスを全て燃料ガス経路Ｂに通じても、燃焼バーナ２aにおける安定燃焼は損なわれない。尚、上述した実施の形態では、ステップＳ４において燃料ガス経路Ａを完全に閉じてから、ブロワ３によって酸化剤ガス用流路１ｂに空気を供給していたが、このように燃料電池の電位差を検知する場合には、図２に示すステップ２においてブロワ３から燃料電池１への空気供給が行われている。
【０１０９】
尚、本実施の形態では、燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂへの切り替えの前後において燃焼ファン２ｂから燃焼バーナ２ａへの空気の供給量を一定に維持しているが、燃料ガス経路Ａから燃料ガス経路Ｂに切り替えた時に、燃焼ファン２ｂの回転数を上げて供給する空気量を増大するように制御することも考えられる。しかし、ファン２ｂの回転数を上昇させると、騒音が発生することになる。これに対して、本実施の形態の燃料電池システムでは、騒音を伴わずに、起動開始時の一酸化炭素の発生を抑制することが出来るため、家庭用等に用いる点で有用である。
【０１１０】
（実施の形態２）
以下に、本発明にかかる実施の形態２における燃料電池システムについて説明する。
【０１１１】
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２００の構成を模式的に示したブロック図である。尚、図３においても、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は水や燃料ガス又は酸化剤ガス等が流れる経路を示しており、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガス又は酸化剤ガス等の通常運転時における流動方向を示している。又、図３においても、本発明を説明する為に必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。又、図３において、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【０１１２】
図３に示すように、燃料電池システム２００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００と基本的な構成は同じであるが、図１に示す開閉弁８と開閉弁９を除き、代わりに図３に示す分配器１２を有する点が異なっている。尚、その他の点については、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と同様であるため、相違点を中心に説明する。
【０１１３】
上述したように、燃料電池システム２００は、第１経路Ｒ１が第２経路Ｒ２と第３経路Ｒ３に分岐する分岐部Ｘに設置された分配器１２を備えている。又、制御器１０１が、実施の形態１の開閉弁８及び開閉弁９に代えて分配器１２の制御を行う。制御器１０１が、分配器１２を制御することによって、燃料ガス生成器２から放出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率を調整することができる。
【０１１４】
ここで、実施の形態１において説明したように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する時、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率は、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂの流路抵抗の大小に依存している。このため、燃料電池システム１００で、燃料ガス経路Ａの流路抵抗が、燃料ガス経路Ｂの流路抵抗と比べて十分に大きい構成である場合には、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成した時に、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａを含む近傍の流路から押し出されて燃焼バーナ２ａに供給される天然ガスの供給量が多くなり、安定燃焼を行うために必要な酸素供給量が不足するために、不完全燃焼が生じる可能性がある。
【０１１５】
そこで、本実施の形態２の燃料電池システム２００では、図３に示すように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率は、分配器１２で任意に調整することが可能なため、燃焼バーナ２ａにおける燃焼の安定性がより期待できる。
【０１１６】
つまり、実施の形態１と同様に、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する比率をｎ：（１−ｎ）（ただし０＜ｎ＜１）としたとき、ｎ≧０.９３７５になるように制御器１０１が分配器１２を調整する。この制御により燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から天然ガスが排出されて（押し出されて）燃焼バーナ２ａに供給される際の燃焼バーナ２ａにおける空気比は１．２以上となり、燃焼バーナ２ａにおける安定燃焼を確保することが可能となる。
【０１１７】
以下に、本実施の形態２の燃料電池システム２００の動作について説明する。図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム２００の起動動作時の制御を示すフロー図である。
【０１１８】
図４に示すように、本実施の形態２では、実施の形態１の場合と同様、ステップＳ２１において、改質触媒の温度が所定の温度まで到達したと制御器１０１が判定すると（ステップＳ２１でＹＥＳ）、燃料電池システム２００の動作は後述するステップＳ２２に移行する。
【０１１９】
次に、ステップＳ２２において、制御器１０１は、開閉弁１０を開放し、分配器１２を半開することで、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成する。このように制御することで、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスは、分岐部Ｘから第２経路Ｒ２と第４経路Ｒ４に分流し、合流部Ｙで合流して燃焼バーナ２ａに供給される。このとき、上述のように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流するガス流量の比率をｎ：（１−ｎ）（ただし0＜ｎ＜１）としたときに、ｎ≧０．９３７５を満たすように、分配器１２が調整される。このステップＳ２２が、本発明の分流工程の一例に相当する。
【０１２０】
続いて、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から天然ガスの全量が排出され、かつ燃焼バーナ２ａにおいてその全量の天然ガスが燃焼される所定時間が経過したと制御器１０１の計時部が判定すると（ステップＳ２３でＹＥＳ）、燃料電池システム２００の動作はステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４において、制御器１０１は分配器１２を動作させることによって、第１経路Ｒ１と第１経路Ｒ２の間を遮断し、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが全て、燃料ガス経路Ｂに流入するように制御する。
【０１２１】
ここで、ステップＳ２３でＹＥＳと判定される上述の「所定時間」とは、実施の形態１と同様に、上述の式（６）で定義される。また、実施の形態１と同様に、上記ステップＳ２２以降、燃料ガス生成器２から燃料電池１に燃料ガスが供給されると、燃料電池１は発電動作を開始する。
【０１２２】
以上のように本実施の形態２の燃料電池システムにおいても、実施の形態１と同様に、一酸化炭素の排出を抑制することが可能となる。
【０１２３】
又、本実施の形態２の燃料電池システムでは、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂが予め所望の流路抵抗になるように設計されていなくても、分配器１２によって所望の流路抵抗を実現できるため、既存の燃料電池システムの設備に対しても適用可能である。
【０１２４】
尚、実施の形態１で説明したのと同様に、燃料電池１が所定の電力を出力するべく発電を行った際に燃料電池１の両極に生じた電位差をＵ（Ｖ）としたとき、前述のステップＳ２３においてＹＥＳと判定される上述の「所定時間」を、Ｕ（Ｖ）が実施の形態１で示した電位差ＵＳ（Ｖ）に到達するまでの時間としてもよい。
【０１２５】
（実施の形態３）
以下に、本発明にかかる実施の形態３における燃料電池システムについて説明する。
【０１２６】
図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム３００の構成を模式的に示したブロック図である。尚、図５においても、燃料電池システムを構成する各構成要素の間の実線は水や燃料ガス又は酸化剤ガス等が流れる経路を示しており、それらの実線上に記される矢印は、水や燃料ガス又は酸化剤ガス等の通常運転時における流動方向を示している。又、図５においても、本発明を説明する為に必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。又、図５において、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【０１２７】
図５に示すように、燃料電池システム３００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００基本的な構成は同じであるが、図１に示す開閉弁８と開閉弁１０を除き、代わりに図６に示す混合器１３を有する点が異なっている。尚、その他の点については、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の構成と同様であるため、相違点を中心に説明する。
【０１２８】
上述したように、燃料電池システム３００は、第２経路Ｒ２と第５経路Ｒ５が第３経路Ｒ３に合流する合流部Ｙに設置された混合器１３を備えている。又、制御器１０１が実施の形態１で示した開閉弁８及び開閉弁９に代えて混合器１３の制御を行う。制御器１０１が、混合器１３を制御することによって、燃料ガス生成器２から放出された燃料ガスの、燃料ガス経路Ａへの流量と燃料ガス経路Ｂへの流量比率を調整することができる。
【０１２９】
ここで、実施の形態１において、図１に示すように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する時、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率は、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂの流路抵抗の大小に依存する。
【０１３０】
このため、燃料電池システム１００で、燃料ガス経路Ａの流路抵抗が、燃料ガス経路Ｂの流路抵抗と比べて十分に大きい構成を持つ場合には、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成した時に、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａを含む近傍の流路から押し出されて燃焼バーナ２ａに供給される天然ガスの供給量が多くなり、安定燃焼を行うために必要な酸素供給量が不足するために、不完全燃焼が生じる可能性がある。
【０１３１】
そこで、本実施の形態３の燃料電池システムでは、図５に示すように、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する流量比率は、混合器１３で任意に制御することが可能なため、燃焼バーナ２ａにおける燃焼の安定性がより期待できる。
【０１３２】
つまり、実施の形態１と同様に、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流する比率をｎ：（１−ｎ）（ただし0＜ｎ＜１）としたとき、ｎ≧０．９３７５になるように制御器１０１が混合器１３を調整する。この制御により、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から天然ガスが排出されて（押し出されて）燃焼バーナ２ａに供給される際の燃焼バーナ２ａにおける空気比が１．２以上となり、燃焼バーナ２ａにおける安定燃焼を確保することが可能となる。
【０１３３】
以下に、本実施の形態３の燃料電池システム３００の動作について説明する。
【０１３４】
図６は、本発明の実施の形態３の燃料電池システム３００の起動動作時の制御を示すフロー図である。
【０１３５】
図６に示すように、本実施の形態３では、実施の形態１の場合と同様、ステップＳ３１において、改質触媒の温度が所定の温度まで到達したと制御器１０１が判定すると（ステップＳ３１でＹＥＳ）、燃料電池システム３００の動作は後述するステップＳ３２に移行する。
【０１３６】
次に、ステップＳ３２において、開閉弁９を開放し、混合器１３を半開することで、燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂを同時に形成する。このように制御することで、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスは、分岐部Ｘから第２経路Ｒ２と第４経路Ｒ４に分流し、合流部Ｙで合流して燃焼バーナ２ａに供給される。このとき、上述のように燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂに分流するガス流量の比率をｎ：（１−ｎ）（ただし０＜ｎ＜１）としたときに、ｎ≧０．９３７５になるように混合器１３が調整される。このステップＳ３２が、本発明の分流工程の一例に相当する。
【０１３７】
続いて、燃料電池１の燃料ガス用流路１ａ等から天然ガスの全量が排出され、かつ燃焼バーナ２ａにおいてその全量の天然ガスが燃焼される所定時間が経過したと制御器１０１の計時部が判定すると（ステップＳ３３でＹＥＳ）、燃料電池システム３００の動作はステップＳ３４に移行する。ステップＳ３４において、制御器１０１は、混合器１３を動作させることによって、第２経路Ｒ２と第５経路Ｒ５の間を遮断し、燃料ガス生成器２から排出された燃料ガスが全て、燃料ガス経路Ｂに流入するように制御する（ステップＳ３４）。
【０１３８】
ここで、ステップＳ３３でＹＥＳと判定される上述の「所定時間」とは、実施の形態１と同様に、上述の式（６）で定義される。また、実施の形態１と同様に、上記ステップＳ３２以降、燃料ガス生成器２から燃料電池１に燃料ガスが供給されると、燃料電池１は発電動作を開始する。
【０１３９】
尚、実施の形態１で説明したのと同様に、燃料電池１が所定の電力を出力するべく発電を行った際に燃料電池１の両極に生じた電位差をＵ（Ｖ）としたとき、前述のステップＳ３３においてＹＥＳと判定される上述の「所定時間」とは、Ｕ（Ｖ）が実施の形態１で示した電位差ＵＳ（Ｖ）に到達するまでの時間としてもよい。
【０１４０】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム４００の構成を模式的に示したブロック図である。図７において図１と同一又は相当する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【０１４１】
実施の形態１では、所定の流路抵抗が得られるように予め流路の設計がされており、かつ燃料ガスの分流を制御する流量制御器が開閉弁８，９，１０で構成されていたが、本発明の実施の形態５では、開閉弁８，９に代えて流量調整弁１４，１５が設けられている。流量調整弁１４，１５は、例えば、その開度の調整により流量を制御可能なニードル弁で構成されている。そして、これらの流量調整弁１４，１５の開度が、実施の形態１で述べた燃料ガスの燃料ガス経路Ａと燃料ガス経路Ｂとへの分流比率となるように制御器１０１によって制御される。これ以外の点は実施の形態１と同様である。
【０１４２】
このような本実施の形態によれば、流量調整弁１４，１５の開度を調整することによって、所望の流路抵抗を作り出することができるので、流量調整弁１４，１５の開度を調整することによって燃料ガス経路Ａ及び燃料ガス経路Ｂのそれぞれに流れる燃料ガスの比率を調整できる。その結果、所望の分流比率になるように、予め燃料電池システム４００の流路の流路抵抗を設計しておく必要がないため、設計の自由度が増す。更に、本発明を既存の燃料電池システムに適用することも可能である。
【０１４３】
次に、本実施の形態の変形例を説明する。
【０１４４】
［変形例１］
図８は本発明の実施の形態４の変形例１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【０１４５】
本実施の形態の燃料電池システムの場合、所望の分流比率になるよう予め定められた所定の開度に流量調整弁１４、１５を調整しても、所定の燃焼状態検知器により燃焼バーナ２ａの燃焼が安定しないこと（換言すれば空気比が１近辺の値にある状態）が検知された場合、上記燃焼状態検知器の値に基づき流量調整弁１４及び１５の少なくともいずれかの開度を、燃焼が安定化するように制御することが好ましい。そこで、変形例１では、図８に示すように、例えば、燃焼状態検知器として、燃焼バーナ２ａから排出される排燃焼ガスが流れる排燃焼ガス経路２８に排燃焼ガス中の原料または一酸化炭素を検知する可燃ガス検知器２５が設けられている。可燃ガス検知器２５は例えば可燃ガス濃度センサで構成されている。そして、制御器１０１が、この可燃ガス検知器２５の検知値に基づき排燃焼ガス中の可燃ガス濃度が所定の値（所定の燃焼程度に対応する可燃ガス濃度）になるよう流量調整弁１４、１５の開度をフィードバック制御する。具体的には、制御器１０１は、可燃ガス検知器２５により検知された排燃焼ガス中の可燃ガス濃度が所定の閾値よりも大きい場合、燃料ガス生成器２より送出された燃料ガスのうち燃料電池２に供給される燃料ガス量が多すぎるため、燃焼が不安定化していると判定し、流量調整弁１５の開度を小さくするか、流量調整弁１４の開度を大きくする。これにより、燃焼バーナ２ａの燃焼における空気比が１未満になることが防止され、ひいては燃焼が安定化される。
【０１４６】
［変形例２］
図９は本発明の実施の形態４の変形例２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【０１４７】
変形例２では、図９に示すように、燃焼状態検知器として、燃料電池１の電圧値を検知する電圧検知器２６が設けられる。燃料電池１には、発生した電気を出力する１対の出力端子２７，２７が設けられており、この１対の出力端子にはインバータ等で構成される出力電流制御器（図示せず）が接続されている。この１対の出力端子間に電圧検知器２６が接続されている。電圧検知器２６は例えば電圧計で構成されている。そして、制御器１０１が、燃料ガス生成器２で生成したガスを燃料電池１に供給し始めてからの電圧検知器２６で計測される電圧の上昇速度に基づき、この上昇速度が所定の値になるよう流量調整弁１４、１５の開度をフィードバック制御する。具体的には、制御器１０１は、この上昇速度が所定の閾値（所定の分流比率に対応する電圧の上昇速度）よりも大きい場合、燃料ガス生成器２より送出された燃料ガスのうち燃料電池１に供給される燃料ガス量が多すぎるため、燃焼が不安定化していると判定し、流量調整弁１５の開度を小さくするか、流量調整弁１４の開度を大きくする。これにより、燃焼バーナ２ａの燃焼における空気比が１未満になることが防止され、ひいては燃焼が安定化される。
なお、実施の形態２及び３においても、上記変形例1又は２と同様に、それぞれ、可燃ガス検知２５又は電圧検知器６を設け、これらの検知出力に基づいて、制御器１０１が分配器１２の弁開度又は混合器１３の弁開度を制御して分流比率を調整するようにしてもよいことは言うまでもない。
【０１４８】
以上、上述した実施の形態１乃至４のように、本発明によれば、置換ガスとしての天然ガスを燃焼バーナ２ａで燃焼する際、天然ガスの燃焼バーナ２ａへの流量を抑えることができるため、天然ガスを燃焼する際の一酸化炭素の発生を抑制することができる。これにより、発電運転の開始時における一酸化炭素の排出を簡易な構成により効果的に抑制することが出来、環境に優しい燃料電池システムを提供することが可能になる。
【０１４９】
尚、上記実施の形態１乃至４では、燃料ガス生成器２から燃料電池１への燃料ガスの供給を開始した後も、燃焼バーナ２ａにおける空気比が１．２になるように燃焼用燃料としての原料及び燃料ガスの供給量の制御が行われているが、少なくとも空気比が１．０以上になるように、制御が行われていれば、理論上、一酸化炭素の発生を抑制することが出来る。
【０１５０】
また、上記実施の形態１乃至４では、燃料ガス経路Ｂの一部を燃料ガス経路Ａが共用するよう構成したが、燃料ガス経路Ｂとは全く別個に燃料ガス経路Ａを形成してもよい。すなわち、バイパス経路２４を燃料ガス生成器２と燃焼バーナ２ａとを直接接続するように設けてもよい。
【０１５１】
また、上記実施の形態１乃至４では、燃料電池１への原料ガス充填経路が、原料供給器１１、燃料ガス生成器２、及び燃料ガス供給路２２によって構成されているが、原料供給器１１から燃料ガス生成器２をバイパスして燃料電池に至る原料ガスバイパス経路を設けてもよい。
【０１５２】
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】
【０１５３】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、発電運転の開始時における一酸化炭素の排出を抑制することが可能な効果を有し、固体高分子型燃料電池を用いて燃料電池システム等として有用である。
【符号の説明】
【０１５４】
１    燃料電池
１ａ  燃料ガス用流路
１ｂ  酸化剤ガス用流路
２    燃料ガス生成器
２ａ  燃焼バーナ
２ｂ  燃焼ファン
３    ブロワ
４    熱交換器
５    貯湯タンク
６ａ、６ｂ  ポンプ
７、８、９、１０  開閉弁
１１  原料供給器
１２  分配器
１３  混合器
１４，１５  流量調整弁
２２  燃料ガス供給路
２３  オフガス経路
２４  バイパス経路
２５  可燃ガス検知器
２６  電圧検知器
２７  電気出力端子
２８  排燃焼ガス経路
１００、２００、３００、４００  燃料電池システム
１０１  制御器
Ｒ１  第１経路
Ｒ２  第２経路
Ｒ３  第３経路
Ｒ４  第４経路
Ｒ５  第５経路
Ａ  第１の燃料ガス経路
Ｂ  第２の燃料ガス経路
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、
前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給開始する際に、前記流量制御器を制御して、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流させる分流工程を行う制御器とを備え、
前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記分流工程における前記燃焼器の空気比が１以上になるような比率で、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流するよう構成されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記分流工程開始後、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されてから前記分流工程を停止し、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池のみに供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記分流工程開始後、前記燃料電池内に充填されている前記原料が前記燃料電池から掃気されるために必要な時間が経過してから前記分流工程を停止し、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池のみに供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器を備え、
前記制御器は、前記分流工程開始後、前記電圧検知器によって検知される電圧が所定の閾値以上になってから前記分流工程を停止し、前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスが、前記燃料電池のみに供給されるよう前記流量制御器を制御する、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記流量制御器は、前記燃料ガス供給路から前記バイパス経路への分岐部と前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給路上に配置された第１の流量制御器と、
前記オフガス経路への前記バイパス経路の合流部と前記燃料電池との間の前記オフガス経路上に配置された第２の流量制御器とを備え、
前記第１の流量制御器及び第２の流量制御器が、開閉弁であり、
前記制御器が、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流するように、前記開閉弁のいずれも開にした場合に、前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記燃焼器における空気比が１以上を満たすように、前記燃料ガス供給路、前記オフガス経路、前記バイパス経路、及び前記燃料電池の流路抵抗が予め設定されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記流量制御器は、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池及び前記バイパス流路のそれぞれに分流する比率を調整するために、前記燃料ガス流路の前記バイパス流路への分岐部に配置された分配器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるよう前記分配器を制御し、前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記分配器を制御して前記比率を調節する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記流量制御器は、
前記バイパス経路を流れる前記燃料ガスと前記オフガス経路を流れる前記発電に用いられなかった余剰の前記燃料ガスの混合比率を調整するために、前記バイパス経路の前記オフガス経路への合流部に配置された混合器を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス生成器から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流されるように前記混合器を制御し、前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記燃焼器における空気比が１以上になるように、前記混合器を制御して前記比率を調節する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記原料を前記燃料ガス生成器に供給する原料供給器を備え、
前記制御器は、前記燃料電池が発電を停止している間に前記原料供給器を用いて前記燃料電池の内部に前記原料を充填し、
その後、前記流量制御器を制御して、前記燃料ガスの分流の制御を行う、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流する分流工程を含み、
前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記分流工程における前記燃焼器の空気比が１以上になるような比率で、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流するよう構成されている、燃料電池システムの運転方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008126353.tif 000013
【図２】
2008126353.tif 000014
【図３】
2008126353.tif 000015
【図４】
2008126353.tif 000016
【図５】
2008126353.tif 000017
【図６】
2008126353.tif 000018
【図７】
2008126353.tif 000019
【図８】
2008126353.tif 000020
【図９】
2008126353.tif 000021
【図１０】
2008126353.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月20日(2009.8.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路と、
前記燃料ガス生成器から送出される前記燃料ガスが前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに供給される流量を制御するための流量制御器と、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記原料が充填された前記燃料電池へ供給開始する際に、前記流量制御器を制御して、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流させる分流工程を行う制御器とを備え、
前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記分流工程における前記燃焼器の空気比が１以上になるような比率で、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流するよう構成されている、燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
原料から水素を含む前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と、
前記燃料ガス生成器から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼ファンと、
前記発電に用いられなかった前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃焼器へ供給するためのオフガス経路と、
前記燃料ガス生成器より送出される前記燃料ガスを前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給するよう前記燃料ガス供給路と前記オフガス経路とを接続するバイパス経路とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記バイパス経路にのみに供給されている前記燃料ガス生成器からの前記燃料ガスを前記原料が充填された前記燃料電池へ供給開始する際に、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスを分流する分流工程を含み、
前記分流工程前後での前記燃焼ファンの空気供給量が一定のままで、前記分流工程における前記燃焼器の空気比が１以上になるような比率で、前記燃料電池及び前記バイパス経路のそれぞれに前記燃料ガスが分流するよう構成されている、燃料電池システムの運転方法。
【国際調査報告】
2008126353.tif 000023
2008126353.tif 000024
2008126353.tif 000025
2008126353.tif 000026