(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電源と連系する燃料電池システムであって、
水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
炭化水素成分を含む原料と改質水とを反応させて前記燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減部と、を備えている燃料処理器と、
供給された可燃性ガスを燃焼して前記燃料処理器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に燃焼用空気を供給する第１空気供給器と、
前記ＣＯ低減部を加熱する電気ヒータと、
前記電気ヒータに電力を供給する電力供給器と、
前記系統電源から前記燃料電池システムに電力が供給されない停電を検知する停電検知器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記燃料電池の発電前において前記停電検知器が前記停電を検知している停電状態では、
前記停電検知器が前記停電を検知していない給電状態より、前記燃焼用空気の供給量の増大および前記可燃性ガスの供給量の減少のうちの少なくとも一方を行い、かつ、前記電気ヒータの加熱量を低減させるように構成されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質部の温度を検知する第１温度検知器をさらに備え、
前記制御器は、
前記第１温度検知器による第１検知温度が第１所定温度以上である場合には、
前記燃焼用空気の供給量を増大させる、または、
前記電気ヒータの加熱量を増大させる、
ように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ＣＯ低減部の温度を検知する第２温度検知器をさらに備え、
前記制御器は、
前記第２温度検知器による第２検知温度が第２所定温度以下である場合には、
前記燃焼用空気の供給量を増大させる、または、
前記電気ヒータの加熱量を増大させる、
ように構成されている、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質部の温度を検知する第１温度検知器と、
前記ＣＯ低減部の温度を検知する第２温度検知器と、をさらに備え、
前記制御器は、
前記第１温度検知器による第１検知温度が前記第２温度検知器による第２検知温度より高く、かつ、前記第１検知温度と前記第２検知温度との差が第３所定温度以上である場合には、
前記燃焼用空気の供給量の増大、前記可燃性ガスの供給量の減少、および前記電気ヒータの加熱量の増大のうちの少なくとも一つを行うように構成されている、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、
前記燃焼器が燃焼を開始してからの経過時間が所定時間に達した場合には、
前記電気ヒータの加熱量を増大させるように構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質部の温度を検知する第１温度検知器と、
前記ＣＯ低減部の温度を検知する第２温度検知器と、
前記改質水を前記燃料処理器へ供給する水供給器と、
前記ＣＯ低減部と熱交換して、前記改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、をさらに備え、
前記第２温度検知器による第２検知温度が第４所定温度未満である場合には、
前記制御器は、前記給電状態より前記改質水の供給量を低減させるように構成されている、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御器は、
前記第２検知温度が前記第４所定温度以上である場合には、
前記改質水の供給量を増やすように構成されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器は、
前記第２検知温度が前記第４所定温度以上であり、かつ、前記第１温度検知器による第１検知温度が第５所定温度以上である場合には、
前記改質水の供給量を前記給電状態に戻すように構成されている、請求項６または７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記ＣＯ低減部は、一酸化炭素と水とを反応させて一酸化炭素を低減する変性部と、一酸化炭素と酸素とを反応させて一酸化炭素を低減する選択酸化部と、を備えており、
前記選択酸化部へ空気を供給する第２空気供給器をさらに備え、
前記制御器は、前記給電状態より前記選択酸化部への空気の供給量を増やして前記第２空気供給器に前記空気を供給させるように構成されている、請求項１〜８のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記原料に含まれる硫黄を水素と反応させずに除去する第１脱硫器と、
前記原料に含まれる硫黄を水素と反応させて除去する第２脱硫器と、をさらに備え、
前記電気ヒータは、前記ＣＯ低減部と共に、前記第２脱硫器を加熱し、
前記制御器は、前記給電状態より、前記第２脱硫器による前記硫黄の除去量に対する前記第１脱硫器による前記硫黄の除去量の割合を増やすように構成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料処理器は、前記燃焼器の燃焼によって生成された燃焼排ガスは、前記改質部を加熱した後に、前記ＣＯ低減部を加熱するように構成されている、請求項１〜１０のうちのいずれか一項に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、系統電源や電力供給器からの電力により起動する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、一般的に、連系する系統電源から電力を受けて、制御装置や補機を駆動し、燃焼器や電気ヒータなどで各部位を昇温することにより起動した上で、燃料電池の発電を行っている。このため、系統電源の停電時に起動できない状態を回避するため、たとえば、特許文献１に示す非常時対応型燃料電池システムは発電装置を備え、停電時には発電装置の電力を用いて起動している。【０００３】
さらに、この起動時の電力を低減するため、たとえば、特許文献２の燃料電池システムはバーナおよび電気ヒータを備え、停電時には電気ヒータを作動させずにバーナを作動させている。これにより、電気ヒータの消費電力を削減しながら、バーナのみで水素製造装置を加熱している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７９８８６号公報
【特許文献２】特開２０１２−３８５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ただし、特許文献２の燃料電池システムでは、停電時にバーナのみで水素製造装置を加熱することにより、水素製造装置の各部を適温に昇温することが難しい。たとえば、水素製造装置内において、バーナの近い位置に改質部が設けられ、バーナから離れた位置にシフト部および選択酸化部が設けられている。これらをバーナのみで加熱すると、シフト部および選択酸化部の温度が適温に達する前に改質部の温度が高くなり過ぎたり、改質部の温度が適温に達した際にシフト部および選択酸化部の温度が低すぎたりする。【０００６】
これにより、改質部が過熱状態になれば、改質部に供給されるガスに含まれる炭化水素成分が分解し、この分解した炭素が改質触媒に析出して、改質触媒が劣化してしまう。一方、シフト部および選択酸化部が適温に達しなければ、燃料電池に供給される改質ガス中の一酸化炭素を十分に除去することができず、改質ガスに残存する一酸化炭素により燃料電池が劣化してしまう。【０００７】
このような各部の劣化を防止するため、各部を適温に昇温するような形状に水素製造装置をすると、その形状は複雑化し、費用が嵩んでしまう。【０００８】
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あり、停電時における起動電力の低減を図りつつ、各部の劣化および費用の上昇を抑えた燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様に係る、燃料電池システムは、系統電源と連系する燃料電池システムであって、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、炭化水素成分を含む原料と改質水とを反応させて前記燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減部と、を備えている燃料処理器と、供給された可燃性ガスを燃焼して前記燃料処理器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する第１空気供給器と、前記ＣＯ低減部を加熱する電気ヒータと、前記電気ヒータに電力を供給する電力供給器と、前記系統電源から前記燃料電池システムに電力が供給されない停電を検知する停電検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電前において前記停電検知器が前記停電を検知している停電状態では、前記停電検知器が前記停電を検知していない給電状態より、前記燃焼用空気の供給量の増大および前記可燃性ガスの供給量の減少のうちの少なくとも一方を行い、かつ、前記電気ヒータの加熱量を低減させるように構成されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上に説明した構成を有し、停電時における起動電力の低減を図りつつ、各部の劣化および費用の上昇を抑えた燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】図２の燃料電池システムに用いられる燃料処理器を示す断面図である。
【図４】図２の燃料電池システムの運転工程と燃料処理器の温度との関係を概略的に示すグラフである。
【図５】図１の電力供給器の電力の比率を示すグラフである。
【図６】図２の燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態１の変形例３に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムに用いられる燃料処理器を示す断面図である。
【図１０】図９の燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態２の変形例１に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態２の変形例２に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態２の変形例３に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の実施の形態２の変形例４に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の実施の形態２の変形例５に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の実施の形態２の変形例６に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムに用いられる燃料処理器を示す断面図である。
【図１８】図１７の燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図１９】本発明の実施の形態３の変形例１に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図２０】本発明の実施の形態２の変形例２に係る燃料電池システムにおける停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。
【図２１】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示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の本発明に係る燃料電池システムは、系統電源と連系する燃料電池システムであって、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、炭化水素成分を含む原料と改質水とを反応させて前記燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減部と、を備えている燃料処理器と、供給された可燃性ガスを燃焼して前記燃料処理器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する第１空気供給器と、前記ＣＯ低減部を加熱する電気ヒータと、前記電気ヒータに電力を供給する電力供給器と、前記系統電源から前記燃料電池システムに電力が供給されない停電を検知する停電検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電前において前記停電検知器が前記停電を検知している停電状態では、前記停電検知器が前記停電を検知していない給電状態より、前記燃焼用空気の供給量の増大および前記可燃性ガスの供給量の減少のうちの少なくとも一方を行い、かつ、前記電気ヒータの加熱量を低減させるように構成されている。
【００１４】
第２の本発明に係る燃料電池システムは、第１の発明において、前記改質部の温度を検知する第１温度検知器をさらに備え、前記制御器は、前記第１温度検知器による第１検知温度が第１所定温度以上である場合には、前記燃焼用空気の供給量を増大させる、または、前記電気ヒータの加熱量を増大させる、ように構成されていてもよい。
【００１５】
第３の本発明に係る燃料電池システムは、第１または第２の発明において、前記ＣＯ低減部の温度を検知する第２温度検知器をさらに備え、前記制御器は、前記第２温度検知器による第２検知温度が第２所定温度以下である場合には、前記燃焼用空気の供給量を増大させる、または、前記電気ヒータの加熱量を増大させる、ように構成されていてもよい。
【００１６】
第４の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第３のいずれかの発明において、前記改質部の温度を検知する第１温度検知器と、前記ＣＯ低減部の温度を検知する第２温度検知器と、をさらに備え、前記制御器は、前記第１温度検知器による第１検知温度が前記第２温度検知器による第２検知温度より高く、かつ、前記第１検知温度と前記第２検知温度との差が第３所定温度以上である場合には、前記燃焼用空気の供給量の増大、前記可燃性ガスの供給量の減少、および前記電気ヒータの加熱量の増大のうちの少なくとも一つを行うように構成されていてもよい。
【００１７】
第５の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第４のいずれかの発明において、前記制御器は、前記燃焼器が燃焼を開始してからの経過時間が所定時間に達した場合には、前記電気ヒータの加熱量を増大させるように構成されていてもよい。
【００１８】
第６の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第５のいずれかの発明において、前記改質部の温度を検知する第１温度検知器と、前記ＣＯ低減部の温度を検知する第２温度検知器と、前記改質水を前記燃料処理器へ供給する水供給器と、前記ＣＯ低減部と熱交換して、前記改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、をさらに備え、前記第２温度検知器による第２検知温度が第４所定温度未満である場合には、前記制御器は、前記給電状態より前記改質水の供給量を低減させるように構成されていてもよい。
【００１９】
第７の本発明に係る燃料電池システムは、第６の発明において、前記制御器は、前記第２検知温度が前記第４所定温度以上である場合には、前記改質水の供給量を増やすように構成されていてもよい。
【００２０】
第８の本発明に係る燃料電池システムは、第６または第７の発明において、前記制御器は、前記第２検知温度が前記第４所定温度以上であり、かつ、前記第１温度検知器による第１検知温度が第５所定温度以上である場合には、前記改質水の供給量を前記給電状態に戻すように構成されていてもよい。
【００２１】
第９の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第８のいずれかの発明において、前記ＣＯ低減部は、一酸化炭素と水とを反応させて一酸化炭素を低減する変性部と、一酸化炭素と酸素とを反応させて一酸化炭素を低減する選択酸化部と、を備えており、前記選択酸化部へ空気を供給する第２空気供給器をさらに備え、前記制御器は、前記給電状態より前記選択酸化部への空気の供給量を増やして前記第２空気供給器に前記空気を供給させるように構成されていてもよい。
【００２２】
第１０の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第９のいずれかの発明において、前記原料に含まれる硫黄を水素と反応させずに除去する第１脱硫器と、前記原料に含まれる硫黄を水素と反応させて除去する第２脱硫器と、をさらに備え、前記電気ヒータは、前記ＣＯ低減部と共に、前記第２脱硫器を加熱し、前記制御器は、前記給電状態より、前記第２脱硫器による前記硫黄の除去量に対する前記第１脱硫器による前記硫黄の除去量の割合を増やすように構成されていてもよい。
【００２３】
第１１の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第１０のいずれかの発明において、前記燃料処理器は、前記燃焼器の燃焼によって生成された燃焼排ガスは、前記改質部を加熱した後に、前記ＣＯ低減部を加熱するように構成されていてもよい。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２５】
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２６】
（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を概略的に示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電し、その際に発生する排熱を利用してお湯を生成するシステムである。燃料電池システム１００は、電力負荷１４、系統電源１５および電力供給器２００と配線により相互に接続されている。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック（燃料電池）６０を有し、燃料電池スタック６０で発電した電力を系統電源１５および電力供給器２００と連系して電力負荷１４に供給する。電力負荷１４は、電力を消費する機器であって、たとえば、冷蔵庫やテレビなどの家庭で用いられる電化製品である。
【００２７】
発電工程では、燃料電池システム１００は、電力負荷１４の消費電力量に追従して発電し、消費電力量に応じた電力を電力負荷１４に供給している。ただし、消費電力量が燃料電池システム１００の定格出力より大きい場合には、燃料電池システム１００は定格出力を電力負荷１４に供給し、不足する電力を電力供給器２００または系統電源１５が供給する。
【００２８】
起動工程では、燃料電池システム１００は、系統電源１５または電力供給器２００から電力の供給を受けて、補機を駆動することにより、発電の準備を整える。この起動工程において、系統電源１５からの給電が停止している停電状態であれば、燃料電池システム１００は、電力供給器２００からの電力により補機を駆動する。この電力供給器２００は、電力負荷１４および燃料電池システム１００に電力を供給する、系統電源１５とは異なる電力供給源であって、たとえば、蓄電池、太陽電池、ガスエンジン発電機が用いられる。電力供給器２００に蓄電池が用いられる場合、燃料電池システム１００が発電した電力のうち余剰分を電力供給器２００に充電することができる。
【００２９】
図２は、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック６０を備える。燃料電池スタック６０では、燃料ガスおよび酸化剤ガスが電気化学的に反応して直流電力が生成される。この発電した電力を出力するための配線により燃料電池スタック６０はインバータ６２に接続されている。インバータ６２は、燃料電池スタック６０から出力された直流電力を、系統電源１５（図１）の交流電力の周波数と同じ周波数を持つ交流電力に変換する。インバータ６２は、電力負荷１４（図１）や電力供給器２００（図１）に繋がる配線に接続され、交流電力を配線を介して電力負荷１４や電力供給器２００に供給する。
【００３０】
燃料電池スタック６０は複数のセルの積層体であって、各セルは、アノード、カソード、およびこれらの間に挟まれる高分子電解質膜を有している。各セルの間にセパレータが配置されており、セパレータに通路が形成されている。この通路としては、燃料ガスが流通する燃料ガス通路、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路、および、冷却水が循環する冷却水経路７２の一部が挙げられる。燃料ガス通路は、その上流端が燃料ガス供給経路に接続され、下流端が燃料ガス排出経路に接続されている。酸化剤ガス通路は、その上流端が酸化剤ガス供給経路に接続され、下流端が酸化剤ガス排出経路に接続されている。
【００３１】
燃料ガス供給経路は、燃料処理器４１および燃料電池スタック６０を接続し、燃料処理器４１から燃料電池スタック６０へ燃料ガスを供給する。燃料処理器４１には水供給経路の下流端および原料供給経路の下流端が接続され、燃料処理器４１に水供給経路を介して水（改質水）が供給され、原料ガス（原料）が原料供給経路を介して供給される。燃料処理器４１は、原料ガスおよび改質水を改質触媒下で改質反応させることにより燃料ガスを生成する。燃料ガスは、燃料電池スタック６０による電気化学反応に必要な、たとえば、水素である。燃料処理器４１には、後述するように、ＣＯ低減部が設けられ、第２空気供給器４７が接続されており、第２空気供給器４７からの空気（酸化用空気）は燃料処理器４１内のＣＯ低減部に供給される。また、燃料処理器４１の近傍に燃焼器４２および電気ヒータ５０が配置されており、燃焼器４２および電気ヒータ５０により燃料処理器４１は加熱される。
【００３２】
水供給経路は、改質水供給器５および燃料処理器４１を接続している。改質水供給器５は、燃料処理器４１における改質反応に必要な改質水の供給源であって、改質水を液体状態または気体状態で燃料処理器４１に供給し、その流量を調整している。改質水としては、たとえば、燃料電池システム１００内の回収水、イオン交換処理がなされてシステム外部から供給されるイオン交換水、蒸留処理がなされた蒸留水などが用いられる。
【００３３】
原料供給経路は、原料供給器４および燃料処理器４１を接続し、原料供給経路の途中には第１脱硫器２が設けられている。原料供給器４は、原料ガスを燃料処理器４１に供給する供給源であって、その供給量を調整している。原料供給器４としては、たとえば、都市ガスの配管やＬＰＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  ｇａｓ）ボンベが挙げられる。原料ガスは、改質反応に必要な炭化水素を含む気体または液体であって、たとえば、メタンを含む都市ガス、プロパンを含むＬＰＧなどが用いられる。第１脱硫器２は、原料ガスに含まれるに硫黄成分を除去する。
【００３４】
燃焼器４２には、燃料ガス排出経路を介して燃料電池スタック６０が接続され、燃料ガス排出経路により燃料電池スタック６０からオフ燃料ガスが可燃性ガスとして供給される。燃焼器４２には、第１空気供給器４６が接続されており、第１空気供給器４６は空気（燃焼用空気）を燃焼器４２に供給し、その供給量を調整している。燃焼器４２として、後述するように、可燃性ガスおよび燃焼用空気を燃焼することにより熱を燃料処理器４１に供給する、たとえば、バーナなどが用いられる。オフ燃料ガスとして、たとえば、燃料処理器４１により改質されなかった原料ガス、および、燃料電池スタック６０で電気化学反応に用いられなかった燃料ガスが挙げられる。なお、燃焼器４２には、オフ燃料ガスが供給されるが、原料ガスが直接供給されるような構成にすることもできる。また、第１空気供給器４６は第２空気供給器４７と兼用であってもよい。
【００３５】
燃焼器４２には燃焼排ガス経路の上流端が接続され、この燃焼排ガス経路の下流端は第１排気口６７に接続されている。第１排気口６７は、燃料電池システム１００の構成部を収納している筺体に設けられている。燃焼器４２において可燃性ガスが燃焼された後の燃焼排ガスは第１排気口６７から筺体外に排気される。
【００３６】
電気ヒータ５０には、電力供給経路が接続され、電力供給経路に燃料電池スタック６０、系統電源１５（図１）および電力供給器２００（図１）などの電力供給源が接続されている。電気ヒータ５０は、電力供給源から電力を受けて熱を発生し、熱を燃料処理器４１に供給する。なお、電力供給経路は、電気ヒータ５０以外の補機にも接続されており、補機はこれらの電力供給源からの電力により駆動する。また、系統電源１５と繋がる電力供給経路に停電検知器１１が設けられている。停電検知器１１は、電気ヒータ５０などの補機へ系統電源１５から供給される電力、電力の電圧または電流を計測し、その計測結果に基づいて電力の供給が停止された停電状態を検知し、停電状態を示す停電情報を制御器１０へ出力する。
【００３７】
酸化剤ガス供給経路は、酸化剤ガス供給器６１および燃料電池スタック６０を接続し、酸化剤ガス供給器６１からの空気を酸化剤ガスとして燃料電池スタック６０に供給し、その供給量を調整している。酸化剤ガス供給器６１として、たとえば、遠心ポンプや往復ポンプ、スクロールポンプなどが用いられる。なお、空気の他に酸素なども酸化剤ガスとして用いることができ、この場合、酸化剤ガス供給器６１には酸素ボンベなどが用いられる。
【００３８】
酸化剤ガス排出経路は、燃料電池スタック６０および第２排気口７０を接続している。この第２排気口７０は、燃料電池システム１００の構成部を収納している筺体に設けられている。そして、燃料電池６０から排出されるオフ酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路を通って、第２排気口７０から大気中に排出される。
【００３９】
冷却水経路７２は、燃料電池スタック６０、冷却水循環器７３、熱交換器７７および冷却水タンク７１を水（冷却水）が循環するようにこれらを接続している。熱交換器７７には、冷却水経路７２に加えて、貯湯循環経路７５が貫通している。貯湯循環経路７５は、熱交換器７７と貯湯タンク７４との間を水（貯湯水）が循環するようにこれらを接続している。この冷却水タンク７１から供給される冷却水は、冷却水循環器７３により冷却水経路７２を循環し、燃料電池スタック６０の熱を吸収して高温になり、熱交換器７７に至る。熱交換器７７において、冷却水経路７２内の高温の冷却水と貯湯循環経路７５内の低温の貯湯水との間で熱交換が行われる。これにより、熱を奪われて低温になった冷却水は、冷却水経路７２を通って、冷却水タンク７１へ戻り、再び燃料電池スタック６０に向かって流れる。一方、熱を得て高温になった貯湯水は、貯湯水経路７５を通って、貯湯タンク７４に流入し、ここで貯留される。
【００４０】
制御器１０は、燃料電池システム１００の構成部と信号線で接続され、構成部と信号を送受信することによりこれらを制御している。たとえば、制御器１０は、停電検知器１１からの停電情報に基づいて、燃焼器４２の燃焼量および電気ヒータ５０の加熱量を調整するように、原料供給器４、酸化剤ガス供給器６１、電気ヒータ５０などの補機を制御する。制御器１０は、単独の制御器で集中制御を行うように構成されていてもよく、複数の制御器で分散制御を行うように構成されていてもよい。制御器１０は、制御機能を有すればよく、たとえば、マイクロコンピュータ、プロセッサ、論理回路等で構成される。
【００４１】
上記構成の燃料電池システム１００では、後述する発電工程において、原料ガスが原料供給器４から第１脱硫器２に流入し、第１脱硫器２において原料ガス中の硫黄成分が除去される。この脱硫された原料ガスは原料ガス供給経路を通って燃料処理器４１に供給され、また、燃料処理器４１には改質水供給器５から水供給経路を通って改質水が供給される。そして、燃料処理器４１が電気ヒータ５０や燃焼器４２で加熱されて適温になると、燃料処理器４１で原料ガスが改質水で改質されて、燃料ガスが生成する。この燃料ガスが燃料ガス供給経路を通って燃料電池スタック６０に供給されると共に、燃料電池スタック６０には酸化剤ガス供給器６１から酸化剤ガス供給経路を通って酸化剤ガスが供給される。燃料電池スタック６０では、燃料ガスおよび酸化剤ガスが電気化学反応することにより、直流電力が生成される。この直流電力はインバータ６２により交流電力に変換された上、昇圧されて電力負荷１４（図１）に供給されて、使用者によりテレビや洗濯機などの家庭内電力負荷に利用される。なお、電力供給器２００（図１）が蓄電池である場合、インバータ６２からの電力は電力供給器２００へ供給されて貯蓄される。
【００４２】
燃料電池スタック６０の燃料ガス通路から排出されるオフ燃料ガスは燃料ガス排出経路を通って、燃焼器４２に供給される。オフ燃料ガスが、第１空気供給器から供給される燃焼用空気で燃焼されて、熱を生成し、この熱を燃料処理器４１に供給する。また、燃料電池スタック６０の酸化剤ガス通路から排出されるオフ酸化剤ガスは第２排気口７０から大気に放出される。
【００４３】
燃料電池スタック６０において発電時に生成される熱は、冷却水循環経路７２を流れる冷却水に与えられる。これにより、高温になった冷却水は、冷却水循環器７３により循環されて、熱交換器７７に至る。この熱交換器７７において、高温の冷却水と、貯湯タンク７４から貯湯循環経路７５を介して循環している貯湯水とが熱交換する。そして、加熱された貯湯水がお湯として貯湯タンク７４に貯められ、使用者により貯湯タンク７４のお湯が風呂やキッチンなどで利用される。
【００４４】
図３は、燃料処理器４１を示す断面図である。図３に示すように、燃料処理器４１は、容器４１ａ、容器４１ａの中に位置する外筒４１ｂ、および外筒４１ｂの中に位置する内筒４１ｃを有している。容器４１ａは、略円筒状の側壁と、側壁の下端開口を塞ぐ底部と、により形成されている。容器４１ａは、その側壁と外筒４１ｂとの間において側壁の上端開口が天部で覆われており、側壁に酸化用空気入口４１ａ１、燃料ガス出口４１ａ２が開口している。酸化用空気入口４１ａ１は第２空気供給器４７に接続されており、燃料ガス出口４１ａ２は燃料ガス供給経路により燃料電池スタック６０に接続されている。
【００４５】
外筒４１ｂは、略円筒状の側壁と、側壁の下端開口を塞ぐ底部と、側壁の上部に設けられた大径部と、大径部の上端開口を覆う天部と、により形成されている。外筒４１ｂは、その天部に原料ガス入口４１ｂ１および改質水入口４１ｂ２が開口し、底部に連通口４１ｂ３が開口している。原料ガス入口４１ｂ１には第１脱硫器２を介して原料供給器４が原料ガス供給経路により接続され、改質水入口４１ｂ２には改質水供給器５が水供給経路により接続されている。
【００４６】
内筒４１ｃは、略円筒状の側壁と、側壁の下端開口を塞ぐ底部と、により形成されている。内筒４１ｃは、その側壁に燃焼排ガス出口４１ｃ１が開口し、上端開口が燃焼器４２によって塞がれている。燃焼排ガス出口４１ｃ１に第１排気口６７が接続されている。燃焼器４２には、オフ燃料ガス通路６５が接続され、オフ燃料ガス通路６５を通じて燃料電池スタック６０から排出されるオフ燃料ガスが燃焼器４２に供給される。また、燃焼器４２に第１空気供給器４６が接続され、第１空気供給器４６から燃焼用空気が燃焼器４２に供給される。燃焼器４２は下方に延び、燃焼器４２の下端に吹き出し口４２ａが設けられている。なお、燃焼器４２が燃料処理器４１の外部に配置されている構成とすることもできる。
【００４７】
外筒４１ｂ内に内筒４１ｃが配され、これらの間の筒状空間に内側ガス流通路が形成されている。内側ガス流通路は、破線で示すように、原料ガス入口４１ｂ１から連通口４１ｂ３へ原料ガスおよび燃料ガスを流通させる経路である。内側ガス流通路の上部は、原料ガス入口４１ｂ１からの原料ガスおよび改質水入口４１ｂ２からの改質水を予熱する蒸発空間を構成している。内側ガス流通路の下部に改質部４３が設けられており、改質部４３には改質反応を促進する改質触媒が収容されている。改質部４３は、燃焼器４２の吹き出し口４２ａより下方であって、吹き出し口４２ａから吹き出す炎を囲むように配されている。
【００４８】
容器４１ａ内に外筒４１ｂが配され、これらの間の筒状空間に外側ガス流通路が形成されている。外側ガス流通路は、連通口４１ｂ３から燃料ガス出口４１ａ２へ燃料ガスを流通させる経路であって、この外側ガス流通路において燃料ガス出口４１ａ２は酸化用空気入口４１ａ１より下流側に設けられている。外側ガス流通路に、水性シフト反応を促進する変成触媒を含む変成部４４と、選択酸化反応を促進する選択酸化触媒を含む選択酸化部４５とがＣＯ低減部として設けられている。変成部４４は、外筒４１ｂの連通口４１ｂ３と容器４１ａの酸化用空気入口４１ａ１との間に配されている。選択酸化部４５は、容器４１ａの酸化用空気入口４１ａ１と燃料ガス出口４１ａ２との間に配されている。変成部４４および選択酸化部４５は、改質部４３より上方であって、燃焼器４２を囲むように配されている。選択酸化部４５は変成部４４より下流側に配され、これらの間に酸化用空気入口４１ａ１が配されている。変成部４４および選択酸化部４５が配置されている容器４１ａの周りは電気ヒータ５０で囲まれている。
【００４９】
上記構成の燃料処理器４１では、内筒４１ｃ内において、燃焼器４２がオフ燃料ガスを燃焼用空気で燃焼すると、炎が吹き出し口４２ａから吹き出す。このときに生じる高温の燃焼排ガスは、吹き出し口４２ａから内筒４１ｃの底部に向かって流れ、底部に当たって反転し、一点鎖線で示す燃焼排ガス流路に従って上方へ流れ、燃焼排ガス出口４１ｃ１から排出される。
【００５０】
そして、原料ガス入口４１ｂ１からの原料ガスおよび改質水入口４１ｂ２からの改質水が、図３の点線に従って、外筒４１ｂと内筒４１ｃとの間の内側ガス流通路へ流入する。原料ガスおよび改質水は燃焼排ガスにより蒸発空間で予熱されて、改質水は水蒸気になり、改質部４３に流入する。この改質部４３では、燃焼排ガスの伝熱を利用して、改質触媒が良好に機能する適温、たとえば、５５０℃以上、好ましくは、６００〜６５０℃に加熱され活性化する。この改質触媒下で原料ガスおよび改質水が水蒸気改質反応することにより、水素を含有する燃料ガスが生成する。この燃料ガスは、改質部４３の下流端から外筒４１ｂの底部に開口する連通口４１ｂ３へ流れる。
【００５１】
燃料ガスは、連通口４１ｂ３から、容器４１ａと外筒４１ｂとの間の外側ガス流通路へ流入し、容器４１ａの底部に底板の底壁に当たって転向する。そして、燃料ガスは、図３の点線に従って、変成部４４へ流れる。変成部４４内の変成触媒は、内筒４１ｃ内を流れる燃焼排ガスからの熱により暖められる。この際、変成部４４は改質部４３より燃焼排ガス流通路の下流側に位置し（燃料排ガス流通路の流れを示す一点鎖線を参照）、燃焼排ガスは改質部４３の改質触媒に熱を与えた後に変成部４４に至るため、燃焼排ガスの温度は少し低くなっている。このため、改質部４３の温度より低い、変成部４４内の変成触媒が良好に機能する適温、たとえば、１８０〜３００℃、好ましくは、２００℃に加熱されて活性化する。なお、必要に応じて電気ヒータ５０が点けられ、変成触媒は電気ヒータ５０により加熱される。そして、燃料ガスが変成部４４を流通する間に、燃料ガス中の一酸化炭素と水とが変成反応して、二酸化炭素と水素が生成され、一酸化炭素が燃料ガスから除去される。この一酸化炭素が低減された燃料ガスは、変成部４４と選択酸化部４５との間の空気混合部に流出する。
【００５２】
空気混合部２５には、燃料ガスに加えて、酸化用空気が酸化用空気入口４１ａ１から流入し、これらが混合して選択酸化部４５に流入する。そして、選択酸化部４５内の選択酸化触媒は、燃焼排ガスからの熱により暖められる。この際、選択酸化部４５は変成部４４よりさらに燃焼排ガス流通路の下流側に位置しているため（一点鎖線を参照）、選択酸化部４５を加熱する燃焼排ガスの温度は低くなっている。このため、変成部４４の温度より低い、選択酸化部４５内の選択酸化触媒が良好に機能する適温、たとえば、１００〜１８０℃、好ましくは、１７０℃に加熱されて活性化する。なお、必要に応じて電気ヒータ５０が点けられ、選択酸化触媒は電気ヒータ５０により加熱される。そして、燃料ガスが変成部４４を流通する間に、燃料ガス中の一酸化炭素と酸化用空気中の酸素とが反応して、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が数ｐｐｍまで低減される。このように一酸化炭素が除去された燃料ガスは、燃料ガス出口４１ａ２から流出し、燃料ガス供給経路を通って、燃料電池スタック６０に供給される。
【００５３】
次に、上記燃料電池システム１００の動作（運転方法）を説明する。図４は、燃料電池システム１００の運転工程と燃料処理器４１の温度との関係を概略的に示すグラフである。このグラフの縦軸は燃料処理器４１の温度（燃料処理器４１を代表する適宜箇所の温度）を示し、横軸は時間を示している。この時間は、給電状態および停電状態における運転工程（待機工程、起動工程、発電工程、停止工程）に対応している。グラフにおける実線は給電状態の燃料処理器４１の温度を示し、点線は停電状態の燃料処理器４１の温度を示している。給電状態は、系統電源１５から燃料電池システム１００へ電力が供給されている状態である。なお、運転工程のうち、給電状態における起動工程、給電状態および停電状態における停止工程および待機工程は従来と同様の工程であるため、その説明を省略する。 
【００５４】
図４に示すように、燃料電池システム１００では、使用者が燃料電池システム１００のリモコンや本体の操作部を操作することにより、起動指示が制御器１０へ出力されると、燃料電池スタック６０の発電に対する準備を行う起動工程が実行される。給電状態の起動工程では、燃焼器４２および電気ヒータ５０により燃料処理器４１は加熱されて、グラフの実線に示すように昇温する。一方、停電状態の起動工程では、後述するように、まず燃焼器４２が作動された後に、必要に応じて電気ヒータ５０が作動される。このため、グラフの点線で示すように、燃料処理器４１の昇温速度は給電状態に比べて低くなり、これに応じて、停電状態の起動工程の時間は給電状態に比べて長くなる。
【００５５】
燃料処理器４１が所定温度に達し、燃料電池スタック６０の発電が可能な所定発電条件を満たすと、発電工程が実行される。この発電工程では、上述するように燃料処理器４１の各部４３〜４５内の触媒が適温になるように温度が維持される。
【００５６】
再び、使用者が燃料電池システム１００の操作部を操作し、停止指示が制御器１０へ出力されると、燃料電池スタック６０による発電を停止する停止工程が実行される。これにより、燃焼器４２や電気ヒータ５０による加熱も停止され、燃料処理器４１の温度は低下していく。そして、停止工程から起動工程までの間は、待機工程となる。
【００５７】
このように、発電工程で出力される電力は電力負荷１４（図１）に供給される。この電力負荷１４に供給されずに残った電力は、たとえば、電力供給器２００（図１）に蓄電池が用いられる場合、電力供給器２００に蓄えられる。図５は、電力供給器２００である蓄電池における電力の割合を示すグラフである。この電力供給器２００には、図５の矢印４００に示すように、電力供給器２００が０〜１００％の電力を蓄えることができる。この図５の場合、たとえば、矢印４０２に示す割合の電力（電力４０２）が電力供給器２００に残っている。ここで、停電状態になると、系統電源１５から燃料電池システム１００へ電力が供給されないため、燃料電池システム１００は電力供給器２００からの電力を用いて起動する。電力供給器２００に残っている電力４０２のうち、矢印４０１に示す割合の電力（電力４０１）が、燃料電池システム１００の起動に必要な電力である。
【００５８】
このように、電力４０２が電力４０１より大きい場合、燃料電池システム１００は電力供給器２００の電力を用いて起動することができる。そして、電力４０１を起動で使用しても、矢印４０３に示す割合の電力（電力４０３）が残るため、この電力４０３を他の用途に使用することができる。しかし、停電時には使用することができる電力が少ないため、この残る電力４０３は大きい方がよい。また、電力４０２が電力４０１より小さい場合には、燃料電池システム１００は電力供給器２００の電力を用いて起動することができなくなる。よって、電力４０１が小さいほど、このような起動できない事態を回避することができる。したがって、どちらの場合においても停電時には起動に必要な電力４０１を低減することが望まれる。この電力４０１のうちで電気ヒータの電力が多くを占めるため、後述する処理に従って燃焼器４２と電気ヒータ５０との使用割合を調整することにより、起動を行いつつ、起動に必要な電力４０１を抑えることができる。
【００５９】
なお、電力供給器２００に蓄えられている電力４０２に応じて停電状態の起動工程または給電状態の起動工程を実行することができる。たとえば、電力４０２が起動に必要な電力４０１より大きい場合、停電状態であっても、給電状態の起動工程に従って、燃料電池システム１００を起動してもよい。
【００６０】
図６は、停電状態における燃料電池システム１００の起動工程の一例を示すフローチャートである。図６に示すように、起動開始時および起動中を含む起動工程では、まず、制御器１０は停電状態か否かを判定する（ステップＳ１０１）。制御器１０は、停電検知器１１から停電情報が入力されていない間（ステップＳ１０１：ＮＯ）、停電検知器１１が停電を検知していない給電状態であると判定する。この給電状態では、系統電源１５から燃料電池システム１００へ電力が供給されるため、制御器１０は、燃焼器４２および電気ヒータ５０で燃料処理器４１を加熱する通常の起動工程を実行する。
【００６１】
一方、制御器１０は、停電検知器１１から停電情報の入力があると、停電状態であると判定する（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）。制御器１０は、給電状態に比べて、電気ヒータ５０の加熱量を低減させる（ステップＳ１０２）。この電気ヒータ５０の加熱量を低減させるとは、電気ヒータ５０が停止させること、および、電気ヒータ５０から発生する熱量（または、電気ヒータ５０での消費電力）が給電状態より低くすることを含む。すなわち、停電状態において、電気ヒータ５０を停止していてもよいし、電気ヒータ５０を作動させていてもよい。ただし、電気ヒータ５０を作動させている場合、電気ヒータ５０の加熱量を給電状態より低減し、電気ヒータ５０の消費電力を給電状態より低くする。
【００６２】
制御器１０は、第１空気供給器４６からの燃焼用空気の供給量を給電状態より増大して、燃焼器４２を作動する（ステップＳ１０３）。この際、原料供給器４からの原料ガスの供給量を給電状態より増やすことにより、燃料電池スタック６０を介して供給されるオフ燃料ガス（可燃性ガス）を増大させてもよい。これにより、燃焼器４２の発熱量が増え、燃焼器４２により加熱される燃焼排ガスの温度が高くなる。この高温の燃焼排ガスは、改質部４３の改質触媒、変成部４４の変成触媒および選択酸化部４５の選択酸化触媒をこの順で加熱していく。このとき、燃焼排ガスの量が多いため、オフ燃料ガスから変成触媒や選択酸化触媒へ供給される熱量も増える。これにより、電気ヒータ５０の加熱量が少なくても、燃料処理器４１の形状を複雑にすることなく、燃料処理器４１の各触媒をそれぞれの適温に加熱することができる。この結果、消費電力およびコストの増加を抑えながら、各触媒がそれぞれの機能を十分に発揮することにより燃料電池システム１００の劣化を防止することができる。
【００６３】
この一連の動作（ステップＳ１０１〜Ｓ１０３）は、所定の間隔で繰り返し行われる。そして、必要に応じて、または、各触媒が適温に達すると、制御器１０は、改質水供給器５を作動させたり、燃焼器４２の加熱量を減らして電気ヒータ５０を作動させたりする。これにより、燃料処理器４１では、改質部４３において燃料ガスが生成され、変成部４４および選択酸化部４５において燃料ガス中の一酸化炭素が除去されて、燃料電池スタック６０に供給される。そして、酸化剤ガス供給器６１が作動されて、所定発電条件が満たされると、起動工程から発電工程へ移る。
【００６４】
なお、燃焼用空気の供給量を増大する（ステップＳ１０３）に伴い、オフ燃料ガス（可燃性ガス）を増大させなくてもよい。これにより、燃焼排ガスの温度が低いため、加熱時間は長くなるが、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止することができる。また、燃焼排ガスの量が増えることにより、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒まで燃焼排ガスにより十分に加熱することができる。したがって、燃料処理器４１における各触媒を適温にすることができる。
【００６５】
（変形例１）
実施形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００では、燃焼器４２を作動する際に（ステップＳ１０３）、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させる。これにより、燃焼器４２の発熱量が減少し、燃焼排ガスの温度が給電状態より低くなるため、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の温度が高くなりすぎることが防止される。また、時間が経過するに伴い、改質触媒、変成触媒や選択酸化触媒の温度が上がり、適温に達することができる。これにより、電気ヒータ５０の加熱量が少なくても、各触媒が機能することにより燃料電池システム１００の劣化させる状態を回避することができる。
【００６６】
（変形例２）
図７は、実施形態１の変形例２に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図７に示すように、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させるようにして、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器４２を作動する（ステップＳ１０３）。この燃焼器４２で加熱された燃焼排ガスにより各触媒が加熱されるが、燃焼排ガス流通路に上流側に位置する改質触媒に比べて、下流側に位置する変成触媒や選択酸化触媒の温度が高くなり難い。このため、燃焼器４２の燃焼開始からの経過時間が所定時間に達すると(ステップＳ１０４：ＹＥＳ)、電気ヒータ５０の加熱量を増大する(ステップＳ１０５)。この電気ヒータ５０の加熱量を増大させるとは、停止している電気ヒータ５０を作動させること、および、ステップＳ１０２において給電状態より低くした電気ヒータ５０の発熱量を高めることを含む。
【００６７】
これにより、改質触媒に比べて温度上昇が遅れていた変成触媒および選択酸化触媒が電気ヒータ５０により加熱される。このため、燃料処理器４１における各触媒が適温になり、各触媒が機能することにより燃料電池システム１００の劣化を防止することができる。また、所定時間に達するまで電気ヒータ５０の加熱量を低減することより、消費電力の低減が図られる。
【００６８】
（変形例３）
図８は、実施形態１の変形例３に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図８に示すように、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させるようにして、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器４２を作動する（ステップＳ１０３）。この燃焼器４２で加熱された燃焼排ガスにより各触媒が加熱されるが、燃焼排ガス流通路に上流側に位置する改質触媒に比べ、下流側に位置する変成触媒や選択酸化触媒の温度は上昇し難い。このため、制御器１０は、給電状態より選択酸化部４５への空気の供給量を増やすように第２空気供給器４７を制御する(ステップＳ１０６)。これにより、選択酸化部４５において発熱反応である選択酸化反応が盛んに起こり、この反応で生じた熱によって選択酸化部４５内の選択酸化触媒の温度が上昇する。そして、燃料処理器４１における各触媒を適温になって、一酸化炭素が低減された燃料ガスを生成することができる。
【００６９】
（実施の形態２）
図９は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００に用いられる燃料処理器４１を示す断面図である。図９に示すように、燃料処理器４１は、改質部４３の温度を検知する第１温度検知器４８と、ＣＯ低減部（変成部４４、選択酸化部４５）の温度を検知する第２温度検知器４９と、をさらに備えている。なお、第１温度検知器４８のみを使用して、第２温度検知器４９を設けなくてもよい。また、第２温度検知器４９のみを使用して、第１温度検知器４８を設けなくてもよい。
【００７０】
第１温度検知器４８は、改質部４３の下方において連通口４１ｂ３に対向するように、容器４１ａの底部の中央に配置されている。第１温度検知器４８は、改質部４３を通流した燃料ガスの温度を検知し、検知した温度を改質部４３内の改質触媒の温度として制御器１０に出力する。なお、第１温度検知器４８の位置は改質部４３の下方に限定されず、改質部４３の上方、内部または改質触媒内に設けられてもよい。
【００７１】
第２温度検知器４９が、選択酸化部４５の上方において燃料ガス出口４１ａ２に配置されている。第２温度検知器４９は、選択酸化部４５を通流した燃料ガスの温度を検知し、検知した温度をＣＯ低減部４４、４５内の触媒の温度として制御器１０に出力する。なお、第２温度検知器４９の位置は選択酸化部４５の上方に限定されず、選択酸化部４５の内部、下方または選択酸化触媒内、あるいは、変成部４４の上方、内部、下方または変成触媒内に設けられてもよい。
【００７２】
図１０は、停電状態における燃料電池システム１００の起動工程の一例を示すフローチャートである。なお、図１０のステップＳ２０１〜Ｓ２０３は、図６のステップＳ１０１〜Ｓ１０３のそれぞれの処理と同様であるため、これらの処理は簡単に説明する。
【００７３】
図１０に示すように、停電状態では（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、制御器１０は、給電状態に比べて、電気ヒータ５０の加熱量を低減させる（ステップＳ２０２）。そして、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させるようにして、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器４２を作動する（ステップＳ２０３）。この燃焼器４２による燃焼排ガスによって各触媒が加熱されるが、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の温度は、下流側に位置する変成触媒や選択酸化触媒に比べて上昇し易い。このため、制御器１０は、第１温度検知器４８による第１検知温度が第１所定温度以上であるか否かを判定する(ステップＳ２０３)。この第１所定温度は、改質触媒の適温、たとえば、５５０℃以上、好ましくは、６００〜６５０℃に予め設定されている。
【００７４】
第１検知温度が第１所定温度以上になれば(ステップＳ２０４：ＹＥＳ)、燃焼用空気の供給量を増大するように、第１空気供給器４６を制御する（ステップＳ２０５）。ここで、ステップＳ２０３における燃焼器４２の作動時に、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させている場合、この増大させた供給量よりさらに供給量を増やす。また、ステップＳ２０３における燃焼器４２の作動時に、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させている場合、燃焼用空気の供給量を給電状態より増やす。
【００７５】
これにより、燃焼排ガスが増え、燃焼排ガスの流速が大きくなる。これにより、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止すると共に、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒まで燃焼排ガスにより熱を届けることができる。したがって、燃料処理器４１における各触媒を適温にすることができる。
【００７６】
（変形例１）
図１１は、実施形態２の変形例１に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図１１に示すように、第１検知温度が第１所定温度以上になれば(ステップＳ２０４：ＹＥＳ)、改質触媒は適温に達したため、制御器１０は、電気ヒータ５０の加熱量を増大する（ステップＳ１２０４）。これにより、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まるため、改質触媒だけでなく、変成触媒および選択酸化触媒も適温に達することができる。
【００７７】
（変形例２）
図１２は、実施形態２の変形例２に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図１２に示すように、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒の温度は、上流側に位置する改質触媒に比べて上がり難い。このため、制御器１０は、第２温度検知器４９による第２検知温度が第２所定温度以下であるか否かを判定する(ステップＳ１２０４)。この第２所定温度は、変成触媒の適温、たとえば、１８０〜３００℃、好ましくは、２００℃、または、選択酸化触媒の適温、たとえば、１００〜１８０℃、好ましくは、１７０℃に予め設定されている。
【００７８】
第２検知温度が第２所定温度以下であれば(ステップＳ１２０４：ＹＥＳ)、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させる（ステップＳ２０５）。これにより、燃焼排ガスが増えて、燃焼排ガスの流速が大きくなるため、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止しながら、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒まで十分に加熱することができる。したがって、燃料処理器４１における各触媒を適温にすることができる。
【００７９】
（変形例３）
図１３は、実施形態２の変形例３に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図１３に示すように、第２検知温度が第２所定温度以下であれば(ステップＳ１２０４：ＹＥＳ)、変成触媒および選択酸化触媒の温度上昇が改質触媒に比べて遅れているため、制御器１０は、電気ヒータ５０の加熱量を増大する(ステップＳ１２０５)。これにより、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まり、燃料処理器４１における各触媒を適温にすることができる。
【００８０】
（変形例４）
図１４は、実施形態２の変形例４に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図１４に示すように、制御器１０は、第１検知温度が第２検知温度より高く、かつ、第１検知温度と第２検知温度との差が第３所定温度以上であるか否かを判定する(ステップＳ２２０４)。この第３所定温度は、改質触媒の適温と変成触媒または選択酸化触媒の適温との差である。
【００８１】
第１検知温度が第２検知温度より高く、その差が第３所定温度以上であれば(ステップＳ２２０４：ＹＥＳ)、改質触媒の温度が変成触媒および選択酸化触媒の温度に比べて非常に高くなっている。このため、制御器１０は、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させ（ステップＳ２０５）、燃焼排ガスを増やして、燃焼排ガスの流速を上昇させる。これにより、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止しながら、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒まで十分に加熱することができる。したがって、燃料処理器４１における各触媒を適温にすることができる。
【００８２】
（変形例５）
図１５は、実施形態２の変形例５に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図１５に示すように、第１検知温度が第２検知温度より高く、その差が第３所定温度以上であれば(ステップＳ２２０４：ＹＥＳ)、制御器１０は、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させる（ステップＳ２２０５）。これにより、燃焼排ガスの温度が低くなるため、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止しながら、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒を加熱することができる。したがって、燃料処理器４１における各触媒を適温にすることができる。
【００８３】
（変形例６）
図１６は、実施形態２の変形例６に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図１６に示すように、第１検知温度が第２検知温度より高く、その差が第３所定温度以上であれば(ステップＳ２２０４：ＹＥＳ)、制御器１０は、電気ヒータ５０の加熱量を増大する（ステップＳ１２０５）。これにより、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まり、燃料処理器４１における各触媒を適温にすることができる。
【００８４】
（実施の形態３）
図１７は、実施の形態３に係る燃料電池システム１００に用いられる燃料処理器４１を示す断面図である。図１７に示すように、燃料処理器４１は、ＣＯ低減部（変成部４４、選択酸化部４５）と熱交換して、改質水から水蒸気を生成する蒸発部５１をさらに備える。この蒸発部５１は、螺旋状の棒であって、棒の端に改質水供給器５に接続されており、隣接する棒の間に改質水の流路が形成される。蒸発部５１は、外筒４１ｂと内筒４１ｃとの間の内側ガス流通路の上部に位置する蒸発空間に配置されている。改質水供給器５から供給された改質水は、蒸発部５１を流れている間に、燃焼排ガスにより加熱されて水蒸気になる。この水蒸気は原料供給器４から供給された原料ガスと混合して改質部４３に流入して、ここで、燃焼ガスが生成される。
【００８５】
図１８は、停電状態における燃料電池システム１００の起動工程の一例を示すフローチャートである。なお、図１８のステップＳ３０１〜Ｓ３０３は、図６のステップＳ１０１〜Ｓ１０３とそれぞれ同様の処理であるため、これらの処理は簡単に説明する。
【００８６】
図１８に示すように、停電状態では（ステップＳ３０１：ＹＥＳ）、制御器１０は、給電状態に比べて、電気ヒータ５０の加熱量を低減させる（ステップＳ３０２）。そして、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させる、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器４２を作動する（ステップＳ３０３）。この燃焼器４２で加熱された燃焼排ガスが各触媒を加熱するが、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒に比べて、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒の温度は上昇し難い。特に、蒸発部５１が変成触媒および選択酸化触媒より燃焼排ガス流通路側に位置しているため、燃焼排ガスの熱が蒸発部５１の改質水に奪われてしまう。このため、制御器１０は、第２温度検知器４９による第２検知温度が第４所定温度未満であるか否かを判定する(ステップＳ３０４)。この第４所定温度は、変成触媒の適温、たとえば、１８０〜３００℃、好ましくは、２００℃、または、選択酸化触媒の適温、たとえば、１００〜１８０℃、好ましくは、１７０℃に予め設定されている。
【００８７】
第２検知温度が第４所定温度未満であれば(ステップＳ３０４：ＹＥＳ)、制御器１０は、給電状態より改質水の供給量を給電状態より低減させる(ステップＳ３０５)。これにより、改質水の蒸発に使用される燃焼排ガスの熱量が減るため、燃焼排ガスから変成触媒および選択酸化触媒に多くの熱が与えられる。よって、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まり、燃料処理器４１における各触媒を適温にすることができる。
【００８８】
なお、第２検知温度が、第４所定温度またはこれより低い所定温度に達すると、低減していた改質水の供給量を給電状態と同レベルに戻してもよい。
【００８９】
（変形例１）
図１９は、実施形態３の変形例１に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図１９に示すように、第２検知温度が第４所定温度以上であれば(ステップＳ１３０４：ＹＥＳ)、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高くなっているため、制御器１０は、改質水の供給量を増大させる(ステップＳ１３０５)。これにより、燃焼排ガス、変成触媒および選択酸化触媒から熱を改質水が奪うため、変成触媒および選択酸化触媒の温度が低下し、各触媒が適温になって、燃料処理器４１は、一酸化炭素が低減された燃料ガスを生成することができる。
【００９０】
（変形例２）
図２０は、実施形態３の変形例２に係る燃料電池システム１００における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図２０に示すように、制御器１０は、第２検知温度が第４所定温度以上になり、第１検知温度が第５所定温度以上になったか否かを判定する(ステップＳ２３０４)。この第５所定温度は、改質触媒の適温、たとえば、５５０℃以上、好ましくは、６００〜６５０℃に予め設定されている。
【００９１】
第２検知温度が第４所定温度以上になり、かつ、第１検知温度が第５所定温度以上になれば(ステップＳ２３０４：ＹＥＳ)、燃料処理器４１における各触媒の温度が適温になっているため、制御器１０は、改質水の供給量を給電状態と同レベルに戻す(ステップＳ２３０５)。これにより、各触媒が適温になって、燃料処理器４１は、一酸化炭素が低減された燃料ガスを生成することができる。
【００９２】
（実施の形態４）
図２１は、実施の形態４に係る燃料電池システム１００に用いられる燃料処理器４１を示す断面図である。図２１に示すように、燃料処理器４１は、第１脱硫器２に加えて、第２脱硫器３をさらに備える。第１脱硫器２は、原料に含まれる硫黄を水素と反応させずに吸着して硫黄を除去する吸着脱硫器である。第２脱硫器３は、水添脱硫触媒を収容し、原料に含まれる硫黄を水素と反応させた後に吸着することにより原料ガス中の硫黄を除去する水添脱硫器である。第２脱硫器３は、燃料処理器４１の改質部４３の周りに配置され、高温の改質部４３により加熱される。また、第２脱硫器３の周りには電気ヒータ５０が配置されており、電気ヒータ５０によっても加熱される。なお、変成部４４および選択酸化部４５を加熱する電気ヒータ５０とは別に、第２脱硫器３を加熱する電気ヒータを設けてもよい。
【００９３】
第２脱硫器３は、第１脱硫器２と並行に位置するように、バイパス経路によって原料供給器４と燃料処理器４１とを繋ぐ原料供給経路に接続されている。バイパス経路と原料供給経路との接続位置には、三方弁から構成される切替器３ａが設けられている。この切替器３ａは、原料供給器４からの原料ガスの供給先を第１脱硫器２と第２脱硫器３との間で切り替える。
【００９４】
停電状態では、制御器１０は、給電状態より、第２脱硫器３の硫黄除去量に対する第１脱硫器２の硫黄除去量の割合を増やすように、切替器３ａを制御する。これにより、第２脱硫器３を電気ヒータ５０で加熱する必要がなく、起動時の消費電力を低減することができる。また、高温の改質部４３の熱が第２脱硫器３に与えられるため、改質部４３の過熱が防止され、燃料処理器４１における各触媒の温度が適温にすることができる。また、高温の改質部４３により第２脱硫器３が加熱されて、第２脱硫器３の触媒を適温にすることができる。
【００９５】
（その他の変形例）
燃料処理器４１は、燃焼器４２の燃焼によって生成された燃焼排ガスが改質部４３を加熱した後にＣＯ低減部４４、４５を加熱するよう構成されていればよい。たとえば、箱状の容器内に、仕切りが設けられており、その仕切りで区切られた空間に改質触媒、変成触媒および選択酸化触媒がそれぞれ分けて配置されている。
【００９６】
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
【００９７】
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】
【００９８】
本発明の燃料電池システムは、停電時における起動電力の低減を図りつつ、各部の劣化および費用の上昇を抑えた燃料電池システム等として有用である。
【符号の説明】
【００９９】
２      第１脱硫器
３      第２脱硫器
５      改質水供給器
１０    制御器
１１    停電検知器
１４    電力負荷
１５    系統電源
４１    燃料処理器
４２    燃焼器
４３    改質部
４４    変成部（ＣＯ低減部）
４５    選択酸化部（ＣＯ低減部）
４６    第１空気供給器
４７    第２空気供給器
４８    第１温度検知器
４９    第２温度検知器
５０    電気ヒータ
５１    蒸発部
６０    燃料電池スタック（燃料電池）
６１    酸化剤ガス供給器
１００  燃料電池システム
２００  電力供給器
【要約】
燃料電池システム(100)は、燃料電池(60)、改質部(43)およびＣＯ低減部(44,45)を含む燃料処理器(41)、燃焼器(42)、第１空気供給器(46)、電気ヒータ(50)、電力供給器(200)、停電検知器(11)および制御器(10)を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電前において前記停電検知器が前記停電を検知している停電状態では、前記停電検知器が前記停電を検知していない給電状態より、前記燃焼用空気の供給量の増大および前記可燃性ガスの供給量の減少のうちの少なくとも一方を行い、かつ、前記電気ヒータの加熱量を低減させるように構成されている。【図１】
0005422780.tif 000002
【図２】
0005422780.tif 000003
【図３】
0005422780.tif 000004
【図４】
0005422780.tif 000005
【図５】
0005422780.tif 000006
【図６】
0005422780.tif 000007
【図７】
0005422780.tif 000008
【図８】
0005422780.tif 000009
【図９】
0005422780.tif 000010
【図１０】
0005422780.tif 000011
【図１１】
0005422780.tif 000012
【図１２】
0005422780.tif 000013
【図１３】
0005422780.tif 000014
【図１４】
0005422780.tif 000015
【図１５】
0005422780.tif 000016
【図１６】
0005422780.tif 000017
【図１７】
0005422780.tif 000018
【図１８】
0005422780.tif 000019
【図１９】
0005422780.tif 000020
【図２０】
0005422780.tif 000021
【図２１】
0005422780.tif 000022