(57)【要約】燃料電池（２）と、水素生成器（３）と、バーナ（４）と、燃料ガス経路（６）と、ブースタポンプ（７）と、イグナイタ（１０）と、フレームロッド（１１）を備える。そして、燃料電池システム（１）の運転停止後の所定のタイミングで、少なくともブースタポンプ（７）により水素生成器（３）に原料を供給し、バーナ（４）においてイグナイタ（１０）を着火動作させ、フレームロッド（１１）でバーナ（４）の燃焼状態を検知して、水素含有ガス供給処理が確実に実施されたかを判断する。これにより、運転停止後に燃料電池（２）への水素含有ガス供給処理が確実に実施されたかを判断することができる燃料電池システム（１）を提供する。
2016157738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する水素生成器と、
前記水素生成器に前記原料ガスを供給する原料供給器と、
前記水素生成器から排出された水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
前記水素生成器から排出された燃料ガスを、前記燃料電池を経由させて前記燃焼器に供給する燃料ガス経路と、
前記燃焼器において着火動作を行う着火器と、
前記燃焼器の燃焼を検知する燃焼検知器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記水素生成器および前記燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも前記水素生成器に前記原料ガスを供給するように前記原料供給器を制御し、前記燃焼器において着火動作を行うように前記着火器を制御する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素生成器から排出された前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する前記燃料ガス経路の上流側から分岐し、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する前記燃料ガス経路の下流側に接続するバイパス経路と、
前記バイパス経路に設けられるバイパス遮断弁と、をさらに備え、
前記制御部は、前記水素生成器および前記燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも前記水素生成器に前記原料ガスを供給するように前記原料供給器を制御し、
前記バイパス遮断弁を開放し、
前記燃料電池をバイパスして前記水素生成器から排出される前記燃料ガスを前記燃焼器に供給し、
前記燃焼器において着火動作を行うように前記着火器を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記水素生成器および前記燃料電池の運転停止後、前記燃焼検知器が前記燃焼器の燃焼を検知した場合、前記原料ガスの供給を停止するように前記原料供給器を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼器から燃焼排ガスを排出する排ガス経路と、
前記排ガス経路から熱を回収する熱回収経路と、
前記排ガス経路および前記熱回収経路の熱交換を行う熱交換器と、
前記熱回収経路に熱媒体を供給する熱回収ポンプと、をさらに備え、
前記制御器は、前記着火器によって前記着火動作を行う場合、または前記燃焼検知器が燃焼を検知した場合、前記熱回収ポンプを動作させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素生成器の温度を検知する温度検知器を備え、
前記所定のタイミングは、前記水素生成器の温度が所定の温度より低下したタイミングである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記着火器による前記着火動作を所定の回数繰り返しても前記燃焼検知器が前記燃焼器の燃焼を検知しない場合、原料ガスの供給を停止するように前記原料供給器を制御し、異常を報知するように制御する、請求項１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、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムには、水素ガスを主成分とする燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池が組み込まれている。【０００３】
燃料電池は、発電停止後の保管中にアノードに酸素が侵入すると、アノードが酸化される可能性がある。アノードは、酸化された状態で、燃料電池システムの起動により水素が供給されると、還元される。このとき、燃料電池システムの停止と起動（すなわち、アノードの酸化と還元に対応）とが繰り返されると、アノードを構成するＰｔ−Ｒｕ／ＣのＲｕ触媒の溶解が加速される。通常、Ｒｕ触媒は、一酸化炭素被毒に対するアノードの耐性を確保するために用いられる。【０００４】
そのため、Ｒｕの溶解が進むと、アノードは、一酸化炭素被毒耐性が低下して劣化する。また、アノードに酸素が存在する状態で水素を供給すると、逆電流機構が働く。逆電流機構は、カソードの電極材料に用いるカーボンを酸化し、カソードが腐食して劣化する。【０００５】
そこで、アノードとカソードの劣化を低減するために、以下に示す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）。【０００６】
特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池の発電停止後の停止状態維持ステップにおける設定タイミングで、アノードへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給処理を、カソードへのガスの供給を停止した状態で実施する。【０００７】
具体的には、特許文献１の燃料電池システムは、図３に示すように、燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池１０２を備える。燃料電池１０２は、アノード２ａとカソード２ｂとの間に電解質２ｃを設けて構成されている。【０００８】
上記燃料電池システムは、燃料電池１０２からの電力の出力を停止する停止保管状態において、以下のように動作する。【０００９】
まず、燃料電池１０２は、運転停止移行ステップを実施する。その後、停止状態を維持する間の設定タイミングで、アノード２ａへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給処理を行う。このとき、カソード２ｂへのガスの供給を停止した状態で、水素含有ガス供給処理を実施する。【００１０】
つぎに、停止保管ステップにおいて、アノード２ａへのガス供給路を閉止し、かつアノード２ａからのガス排出路を開放するアノード隔離処理を実施する。そして、アノード隔離処理の間の設定タイミングで、水素含有ガス供給処理を実施する。【００１１】
つまり、特許文献１の燃料電池システムは、停止状態維持ステップの間の適切なタイミングで、アノード２ａへ水素含有ガスを供給し、アノード２ａの圧力を高める。これにより、燃料電池１０２内部に温度の変化が生じた場合でも、燃料電池１０２の外部やカソード２ｂなどからアノード２ａへの酸素の侵入をし難くしている。【００１２】
また、カソード２ｂに酸素が侵入しても、酸素はアノード２ａに供給された水素含有ガスと反応して消費される。そのため、アノード２ａの酸化が抑制され、アノード２ａの劣化を低減できる。また、上述した逆電流機構によるカソード２ｂの酸化も抑制されるので、カソード２ｂの劣化も抑制できる。【００１３】
さらに、上記燃料電池システムは、カソード２ｂへのガスの供給を行わない。そのため、アノード２ａおよびカソード２ｂのガス流路を連結するガス導通路などの、特別な配管系統が不要となる。これにより、燃料電池システムのコストアップ、ガス流路の切り換え、およびガスの入れ換えなどの煩雑な操作手順を回避できる。【００１４】
また、アノード２ａよりも下流側のガス排出路に存在するガスは、当初、アノード２ａ付近に存在していた水素含有ガスである。このとき、一般的に、アノード２ａのガス流路の容積と、アノード２ａの下流側のガス排出路の容積とを比較すると、ガス排出路の容積の方が非常に大きい。そのため、アノード２ａよりも下流側のガス排出路からアノード２ａへガスが逆流した場合でも、アノード２ａの酸化を引き起こす可能性は低い。その結果、アノード２ａに水素含有ガスが存在する状態を維持して、アノード２ａの酸化を抑制できる。【００１５】
つまり、特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池の発電停止後の停止状態維持ステップにおける設定タイミングで、アノード２ａへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給処理を、カソード２ｂへのガスの供給を停止した状態で実施する。このとき、設定タイミングは、燃料電池の運転時において、参照可能な圧力や時間などの様々な値を参照して設定している。【００１６】
しかしながら、設定タイミングとして圧力を参照する場合、圧力を監視するために、特別な圧力計測器が必要になる。そのため、燃料電池システムのコストが増加する。また、設定タイミングとして時間を参照する場合、水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを確実に判断できない。そのため、適切にアノード２ａへ水素含有ガスを供給できない。その結果、燃料電池の性能劣化を引き起こす場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０１０−８６９４９号公報
【発明の概要】
【００１８】
本発明は、特別な計測器を追加せず、水素含有ガス供給処理が実施されたかを確実に判断できる燃料電池システムを提供する。
【００１９】
つまり、本発明の燃料電池システムは、原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する水素生成器と、水素生成器に原料ガスを供給する原料供給器と、水素生成器から排出された水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、水素生成器を加熱する燃焼器を備える。さらに、燃料電池システムは、水素生成器から排出されたガスを燃料電池経由で燃焼器に供給する燃料ガス経路と、燃焼器において着火動作を行う着火器と、燃焼器の燃焼を検知する燃焼検知器と、制御器を備える。そして、制御器は、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給するように原料供給器を制御し、燃焼器において着火動作を行うように着火器を制御するように構成される。
【００２０】
この構成によれば、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給し、燃焼器において着火動作を行う。これにより、燃焼検知器で燃焼器の燃焼状態を検知して、水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを、確実に判断できる。その結果、燃料電池への水素含有ガス供給処理により、燃料電池の性能劣化を効果的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略図である。
【図３】図３は、従来の燃料電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における燃料電池システム１の構成について、図１を用いて説明する。
【００２４】
図１は、実施の形態１における燃料電池システム１の構成の一例を示すブロック図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と、水素生成器３と、燃焼器としてのバーナ４と、原料ガス経路５と、燃料ガス経路６と、原料供給器としてのブースタポンプ７と、水ポンプ８と、空気ファン９と、着火器としてのイグナイタ１０と、燃焼検知器としてのフレームロッド１１と、温度センサ１２と、排ガス経路１３と、熱回収経路１４と、熱交換器１５と、熱回収ポンプ１６と、制御器１７などを備える。
【００２６】
燃料電池２は、水素と酸素との電気化学反応により発電する。水素生成器３は、ブースタポンプ７により原料ガス経路５から供給される原料ガスを改質して、燃料電池２の発電に用いる水素を多く含む燃料ガスを生成する。バーナ４は、水素生成器３を加熱する。原料ガス経路５は、ブースタポンプ７により原料ガスを水素生成器３に供給する。燃料ガス経路６は、水素生成器３から排出された燃料ガスを燃料電池２に供給する。そして、燃料電池２から排出された燃料ガスを、バーナ４に供給する。
【００２７】
ブースタポンプ７は、原料ガス経路５に配置され、原料ガスを昇圧して水素生成器３に原料ガスを流す。水ポンプ８は、水素生成器３に水を供給する。空気ファン９は、バーナ４に、外部から空気を供給する。イグナイタ１０は、バーナ４内に供給される燃料ガスを着火させる。フレームロッド１１は、バーナ４の燃焼の有無を検知する。温度センサ１２は、水素生成器３の温度を検知する。
【００２８】
排ガス経路１３は、バーナ４から排ガスを排出する。熱回収経路１４は、排ガス経路１３から排ガス中の熱を回収する。熱交換器１５は、排ガス経路１３および熱回収経路１４の熱交換を行う。熱回収ポンプ１６は、熱回収経路１４に、例えば水などの熱媒体を供給する。
【００２９】
制御器１７は、少なくとも、ブースタポンプ７、水ポンプ８、空気ファン９、イグナイタ１０、熱回収ポンプ１６を制御する。さらに、制御器１７は、フレームロッド１１によりバーナ４内の燃焼の有無を検知し、温度センサ１２により水素生成器３の温度を検知する。そして、制御器１７は、検知した、バーナ４の燃焼の有無、および水素生成器３の温度に基づいて、上記構成要素などの駆動を制御する。
【００３０】
なお、本実施の形態の構成要素であるバーナ４は燃焼器、イグナイタ１０は着火器、ならびにフレームロッド１１は燃焼検知器の具体的な一例である。
【００３１】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム１は、構成される。
【００３２】
以下に、上記燃料電池システム１の動作および作用について、説明する。
【００３３】
まず、燃料電池システム１の起動ステップが完了すると、制御器１７は発電ステップを開始する。発電ステップにおいて、制御器１７はブースタポンプ７を動作させて、原料供給源から原料ガス経路５を通じて原料ガスを水素生成器３に供給する。そして、バーナ４内の燃焼によって加熱される水素生成器３の温度を温度センサ１２で検知する。水素生成器３の温度が所定温度以上に上昇したことを温度センサ１２が検知すると、制御器１７は水ポンプ８を動作させて、水素生成器３に水を供給する。これにより、水素生成器３の触媒での炭素析出を防止する。
【００３４】
つぎに、水素生成器３は、供給された原料ガスおよび水を、触媒を用いて改質する。これにより、水素生成器３は、水素を多く含んだ燃料ガスを生成する。
【００３５】
つぎに、水素生成器３で生成された燃料ガスは、燃料ガス経路６を通じて燃料電池２のアノードに供給される。このとき、燃料電池２で発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス経路６を通じて燃料電池２からバーナ４に供給される。一方、燃料電池２のカソードには、空気が酸化剤ガスとして供給される。これにより、燃料電池２は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを用いて、電気化学反応により発電する。このとき、発電とともに熱が発生する。そのため、燃料電池２の温度は、外気温より高くなる。
【００３６】
なお、燃料電池２は、直流電力を発電し、外部に出力する。出力された直流電力は、図示しないインバータにより交流電力に変換される。変換された交流電力は、電力系統と連系し、負荷（例えば、家庭内の電気機器など）に供給される。
【００３７】
このとき、上述したように、バーナ４は燃料電池２の発電に使用されずに燃料電池２から排出される燃料ガスを燃焼させる。これにより、燃料ガスの燃焼熱を水素生成器３に供給して、水素生成器３を加温する。その結果、水素生成器３における反応効率が向上する。
【００３８】
以上のように、燃料電池システム１は、動作する。
【００３９】
以下に、本実施の形態における燃料電池システム１の停止保管方法に関して、具体的な動作について説明する。
【００４０】
まず、制御器１７は、燃料電池システム１の発電ステップが完了すると、停止ステップに移行して停止動作を開始する。停止ステップにおいて、制御器１７は、燃料電池２への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を減少させ、その後、酸化剤ガスの供給のみを停止する。このとき、燃料電池２は、燃料ガスのみが供給された状態となる。これにより、燃料電池２は、カソードに残留していた酸素とアノードに供給された燃料ガスとが反応する。そして、燃料電池２のセル電圧が、急激に減少する。セル電圧が、例えば０．２Ｖ程度まで減少すると、制御器１７は、燃料電池２のアノードへの燃料ガスの供給を停止し、停止ステップを終了する。
【００４１】
燃料電池システム１の停止ステップが終了し、燃料電池２のアノードへの燃料ガスの供給が停止すると、水素生成器３および燃料電池２の温度は、自然放冷により、外気温程度まで低下する。このとき、本実施の形態では、燃料ガス経路６および排ガス経路１３は、大気に開放されている。そのため、水素生成器３および燃料電池２の温度の低下に伴い、大気から排ガス経路１３、バーナ４、燃料ガス経路６を通じて、燃料電池２のアノードに空気が吸い込まれる。
【００４２】
上述したように、燃料電池２のアノードに酸素が侵入すると、アノードが酸化される。また、アノードは、酸化された状態から、燃料電池システム１の起動により水素が供給されると還元される。このとき、燃料電池２の停止と起動とが繰り返し実行されると、アノードに用いるＰｔ−Ｒｕ／ＣのＲｕ触媒の溶解が加速される。そして、アノードからＲｕ触媒の溶解が進むと、アノードの一酸化炭素被毒耐性が低下し、アノードが劣化する。
【００４３】
そこで、本実施の形態の燃料電池システム１は、以下に示す水素含有ガス供給処理を実行して、燃料電池２のアノードへの酸素の侵入を抑制している。
【００４４】
具体的には、停止ステップ終了後から所定時間経過後、または前回の水素含有ガス供給処理終了後から所定時間経過後に、制御器１７はブースタポンプ７を動作させて、水素生成器３に原料ガスを供給する。
【００４５】
同時に、温度センサ１２が検知する水素生成器３の温度が、所定温度以上である間、制御器１７は水ポンプ８を動作させて、水素生成器３に水を供給する。これにより、水素生成器３の触媒での炭素析出を防止する。
【００４６】
そして、水素生成器３から燃料電池２のアノードに燃料ガスが供給される。さらに、燃料電池２のアノードから排出される燃料ガスは、バーナ４に供給される。
【００４７】
つぎに、制御器１７は、空気ファン９を動作させてバーナ４に空気を供給する。そして、制御器１７は、イグナイタ１０を動作させて、バーナ４内の燃料ガスに着火する。このとき、制御器１７は、フレームロッド１１でバーナ４内の燃焼状態を検知する。これにより、燃料電池２のアノードに燃料ガスが供給されたか否かを確実に確認できる。つまり、フレームロッド１１により、バーナ４内の燃焼状態を検知すれば、燃料ガスが燃料電池２のアノードを通じてバーナ４に供給されていると判断できる。これにより、燃料電池２のアノードに燃料ガスが確実に供給されたことを判定できる。
【００４８】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、水素生成器３の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器３に原料ガスを供給するようにブースタポンプ７を駆動する。さらに、制御器１７は、バーナ４で着火動作を行うようにイグナイタ１０を制御する。そして、制御器１７は、フレームロッド１１を介してバーナ４内の燃焼を検知する。これにより、制御器１７は、アノードへの水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを確実に判断できる。その結果、アノードの一酸化炭素被毒耐性の低下を抑制して、燃料電池２の性能劣化を抑制できる。
【００４９】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、フレームロッド１１でバーナ４内の燃焼を検知すると、ブースタポンプ７を停止させる。そして、制御器１７は、水素生成器３への原料ガスの供給を停止する。これにより、原料ガスの無駄な消費を防止して、原料ガスの消費量を低減できる。
【００５０】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、水素含有ガス供給処理中に熱回収ポンプ１６を動作させる。そして、バーナ４で燃焼した排ガスを、熱交換器１５を介して、熱回収経路１４の熱媒体である、例えば水と熱交換する。これにより、水素含有ガス供給処理中における排ガス経路１３内を通流する燃焼排ガスの温度を低下させる。つまり、燃焼排ガスの熱を、熱交換器１５を介して熱回収経路１４の水などの熱媒体で回収する。これにより、例えば冬季などの低外気温時でも、熱回収経路１４内を通流する水などの熱媒体の凍結防止を図ることができる。
【００５１】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、所定時間の経過後ではなく、水素生成器３の温度が所定の温度（例えば、外気温程度）まで低下したことを温度センサ１２が検知した時に、水素含有ガス供給処理を実施してもよい。これにより、水素生成器３の温度が周囲温度近くまで低下すると、その後、水素生成器３の温度はほとんど低下しない。その結果、アノードへの不要な原料（燃料ガス）の供給を回避して、原料ガスの消費量の低減を図ることができる。
【００５２】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、イグナイタ１０による着火動作を所定の回数、繰り返しても、フレームロッド１１で燃焼が検知されない場合、原料（燃料ガス）の供給を停止し、異常を報知するようにしてもよい。燃焼が検知されない場合とは、例えばフレームロッド１１が、所定時間（例えば、３０秒程度）、バーナ４が燃焼していないことを検知した場合である。なお、異常の報知は、例えば燃料電池システム１に設けた表示部へのアラーム表示や、音などにより実行される。
【００５３】
これにより、原料ガス経路５および燃料ガス経路６の異常による燃料電池２のアノードへの燃料ガスの供給ができないことを回避できる。その結果、燃料電池２のアノード酸化による、例えば一酸化炭素耐性の低下、有効電極面積の減少による電流密度の増加に起因する電圧の低下などの性能劣化を抑制できる。
【００５４】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池システム１の構成について、図２を用いて説明する。
【００５５】
図２は、実施の形態２における燃料電池システム２１の構成の一例を示すブロック図である。
【００５６】
図２に示すように、本実施の形態の燃料電池システム２１は、さらに、バイパス経路２２と、バイパス経路２２上にバイパス遮断弁２３を設ける点で、図１に示す燃料電池システム１と異なる。このとき、バイパス経路２２は、燃料ガス経路６の燃料電池２の上流側から分岐して、燃料電池２の下流側に合流するように配管される。なお、上記以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるので、図１と同一あるいは、相当する部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５７】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム２１の動作および作用について、説明する。
【００５８】
まず、燃料電池システム２１の起動ステップが完了すると、制御器１７は発電ステップを開始する。発電ステップにおいて、制御器１７はブースタポンプ７を動作させて、原料供給源から原料ガス経路５を通じて、原料ガスを水素生成器３に供給する。そして、バーナ４内の燃焼によって加熱される水素生成器３の温度を温度センサ１２で検知する。水素生成器３の温度が所定温度以上に上昇したことを温度センサ１２が検知すると、制御器１７は水ポンプ８を動作させて、水素生成器３に水を供給する。これにより、水素生成器３の触媒での炭素析出を防止する。
【００５９】
つぎに、水素生成器３は、供給された原料ガスおよび水を、触媒を用いて改質する。これにより、水素生成器３は、水素を多く含んだ燃料ガスを生成する。
【００６０】
このとき、燃料電池システム１の起動初期では、水素生成器３から排出される燃料ガス中に、一酸化炭素が多く含まれている。一酸化炭素は、上述したように、燃料電池２の劣化を引き起こす可能性がある。そこで、本実施の形態では、制御器１７は、バイパス経路２２のバイパス遮断弁２３を開放する。これにより、バイパス経路２２を経由して、燃料電池２のアノードをバイパスする。そして、バーナ４で燃焼させる燃料ガスを水素生成器３から、直接、バーナ４に供給して、所定時間（例えば、燃料ガス中の一酸化炭素量が所定量以下になる程度の時間）、燃料ガスを燃焼させる。その結果、起動初期において、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素による燃料電池２のアノードの劣化を抑制できる。
【００６１】
つぎに、所定時間の経過後、制御器１７は、燃料電池２の発電ステップに移行する。このとき、制御器１７は、バイパス遮断弁２３を閉止し、バイパス経路２２を遮断する。そして、制御器１７は、水素生成器３から排出される燃料ガスを、燃料ガス経路６を介して、燃料電池２のアノードに供給する。同時に、燃料電池２のカソードに、空気を酸化剤ガスとして供給する。これにより、燃料電池２は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを用いて、電気化学反応により発電する。このとき、発電ととともに、熱が発生する。そのため、燃料電池２の温度は、外気温より高くなる。
【００６２】
なお、燃料電池２は、直流電力を発電し、外部に出力する。出力された直流電力は、図示しないインバータにより交流電力に変換される。変換された交流電力は、電力系統と連系し、負荷（例えば、家庭内の電気機器など）に供給される。
【００６３】
このとき、上述したように、バーナ４は燃料電池２の発電に使用されずに燃料電池２から排出される燃料ガスを燃焼させる。これにより、燃料ガスの燃焼熱を水素生成器３に供給して、水素生成器３を加温する。その結果、水素生成器３における反応効率が向上する。
【００６４】
以上のように、燃料電池システム２１は、動作する。
【００６５】
以下に、本実施の形態における燃料電池システム２１の停止保管方法に関して、具体的な動作について説明する。
【００６６】
まず、制御器１７は、燃料電池システム１の発電ステップが完了すると、停止ステップに移行して停止動作を開始する。停止ステップにおいて、制御器１７は、燃料電池２への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を減少させ、その後、酸化剤ガスの供給のみを停止する。このとき、燃料電池２は、燃料ガスのみが供給された状態となる。これにより、燃料電池２は、カソードに残留していた酸素とアノードに供給された燃料ガスとが反応する。そして、燃料電池２のセル電圧が急激に減少する。セル電圧が、例えば０．２Ｖ程度まで減少すると、制御器１７は、燃料電池２への燃料ガスの供給を停止し、停止ステップを終了する。
【００６７】
燃料電池システム２１の停止ステップが終了し、燃料電池２のアノードへの燃料ガスの供給が停止すると、水素生成器３および燃料電池２の温度は、自然放冷により、外気温程度まで低下する。このとき、本実施の形態では、燃料ガス経路６および排ガス経路１３は、大気に開放されている。そのため、水素生成器３および燃料電池２の温度の低下に伴い、大気から排ガス経路１３、バーナ４、燃料ガス経路６を通じて、燃料電池２に空気が吸い込まれる。これにより、上述したように、燃料電池２のアノードが酸化され、アノードの一酸化炭素被毒耐性が低下し、アノードが劣化する。
【００６８】
そこで、本実施の形態の燃料電池システム２１は、以下に示す水素含有ガス供給処理を実行して、燃料電池２のアノードへの酸素の侵入を抑制している。
【００６９】
具体的には、停止ステップ終了後から所定時間経過後、または前回の水素含有ガス供給処理の終了後から所定時間経過後に、制御器１７はブースタポンプ７を動作させて、水素生成器３に原料ガスを供給する。そして、制御器１７は、バイパス遮断弁２３を開放して、燃料電池２をバイパスさせ、バーナ４に直接、水素生成器３から排出される燃料ガスを供給する。これにより、バーナ４に供給された燃料ガスをイグナイタ１０で着火させて、バーナ４内の燃料ガスを燃焼させる。その結果、水素生成器３が加熱される。
【００７０】
なお、本実施の形態において、バイパス遮断弁２３を開放して、燃料電池２をバイパスさせる目的は、起動初期に水素生成器３から排出される燃料ガス中に多く含まれる一酸化炭素による燃料電池２の劣化を、より確実に抑制するためである。
【００７１】
つぎに、バーナ４による加熱で、水素生成器３の温度が所定温度以上に上昇すると、制御器１７は水ポンプ８を動作させて、水素生成器３に水を供給する。これにより、水素生成器３の触媒での炭素析出を防止する。所定時間経過後、制御器１７は、バイパス遮断弁２３を閉止する。そして、制御器１７は、燃料ガス経路６を介して、水素生成器３から排出される燃料ガスを、燃料電池２のアノードに供給する。
【００７２】
つぎに、制御器１７は、空気ファン９を動作させてバーナ４に空気を供給する。そして、制御器１７は、イグナイタ１０を動作させて、バーナ４内の燃料ガスに着火する。このとき、制御器１７は、フレームロッド１１でバーナ４内の燃焼状態を検知する。これにより、燃料電池２のアノードに燃料ガスが供給されたか否かを確実に確認できる。つまり、フレームロッド１１により、バーナ４内の燃焼状態を検知すれば、燃料ガスが燃料電池２のアノードを通じてバーナに供給されていると判断できる。これにより、燃料電池２のアノードに燃料ガスが確実に供給されたことを判定できる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム２１では、制御器１７は、水素生成器３の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器３に原料ガスを供給するようにブースタポンプ７を駆動する。さらに、制御器１７は、バーナ４で着火動作を行うようにイグナイタ１０を制御する。そして、制御器１７は、フレームロッド１１を介してバーナ４内の燃焼を検知する。これにより、アノードへの水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを確実に判断できる。その結果、アノードの一酸化炭素被毒耐性の低下を抑制して、燃料電池２の性能劣化を抑制できる。
【００７４】
以上で説明したように、本発明の燃料電池システムは、原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する水素生成器と、水素生成器に原料ガスを供給する原料供給器と、水素生成器から排出された水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、水素生成器を加熱する燃焼器を備える。さらに、燃料電池システムは、水素生成器から排出された燃料ガスを、燃料電池を経由させて燃焼器に供給する燃料ガス経路と、燃焼器において着火動作を行う着火器と、燃焼器の燃焼を検知する燃焼検知器と、制御器を備える。そして、制御器は、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給するように原料供給器を制御し、燃焼器において着火動作を行うように着火器を制御する構成としてもよい。
【００７５】
この構成によれば、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給し、燃焼器において着火動作を行う。これにより、燃焼検知器で燃焼器の燃焼状態を検知して、水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを、確実に判断できる。その結果、燃料電池への水素含有ガス供給処理により、燃料電池の性能劣化を効果的に抑制できる。
【００７６】
また、本発明の燃料電池システムは、水素生成器から排出された燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス経路の上流側から分岐し、燃料電池から排出された燃料ガスを燃焼器に供給する燃料ガス経路の下流側に接続されるバイパス経路と、バイパス経路に設けられたバイパス遮断弁をさらに備える。そして、制御器は、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給するように原料供給器を制御し、バイパス遮断弁を開放し、燃料電池をバイパスして水素生成器から排出される燃料ガスを燃焼器に供給し、燃焼器において着火動作を行うよう着火器を制御する構成としてもよい。
【００７７】
この構成によれば、バイパス遮断弁を開放して、燃料電池をバイパスさせる。これにより、水素生成器から排出される燃料ガス中に多く含まれる一酸化炭素による燃料電池の性能劣化を抑制することができる。
【００７８】
また、本発明の燃料電池システムは、制御器が、水素生成器および燃料電池の運転停止後、燃焼検知器が燃焼器の燃焼を検知した場合、原料ガスの供給を停止するように原料供給器を制御してもよい。これにより、原料ガスの無駄な消費を防止できる。
【００７９】
また、本発明の燃料電池システムは、燃焼器から燃焼排ガスを排出する排ガス経路と、排ガス経路から熱を回収する熱回収経路と、排ガス経路および熱回収経路の熱交換を行う熱交換器と、熱回収経路に熱媒体を供給する熱回収ポンプと、をさらに備える。そして、制御器は、着火器によって着火動作を行う場合、または燃焼検知器が燃焼を検知した場合、熱回収ポンプを動作させる構成としてもよい。
【００８０】
この構成によれば、着火動作を行う場合、または燃焼検知器が燃焼を検知した場合、制御器は熱回収ポンプを動作させる。これにより、燃焼排ガスの温度を低下できる。つまり、燃焼排ガスの熱を、熱回収経路の熱媒体で回収できる。その結果、例えば冬季などの低外気温時でも、熱回収経路内を通流する熱媒体の凍結防止を図ることができる。
【００８１】
また、本発明の燃料電池システムは、水素生成器の温度を検知する温度検知器を備え、所定のタイミングは、水素生成器の温度が所定の温度より低下したタイミングであればよい。つまり、水素生成器の温度が周囲温度近くまで低下すると、その後は、水素生成器の温度はほとんど低下しない。そのため、燃料電池のアノードへの不要な原料ガスの供給を回避して、原料ガスの消費量の低減を図ることができる。
【００８２】
また、本発明の燃料電池システムの制御器は、着火器による着火動作を所定の回数繰り返しても燃焼検知器が燃焼器の燃焼を検知しない場合、原料ガスの供給を停止するように原料供給器を制御し、異常を報知するように制御する構成としてもよい。これにより、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給ができない異常を報知する。その結果、燃料電池の性能劣化を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の燃料電池システムは、燃焼検知器により燃焼有無を検知して、水素含有ガス供給処理が確実に実施されたかを判断できる。そのため、水素生成器を加熱する燃焼器の燃焼を検知する燃焼検知器を備えた燃料電池システムなどに有用である。
【符号の説明】
【００８４】
１，２１    燃料電池システム
２，１０２    燃料電池
２ａ    アノード
２ｂ    カソード
２ｃ    電解質
３    水素生成器
４    バーナ（燃焼器）
５    原料ガス経路
６    燃料ガス経路
７    ブースタポンプ（原料供給器）
８    水ポンプ
９    空気ファン
１０    イグナイタ（着火器）
１１    フレームロッド（燃焼検知器）
１２    温度センサ
１３    排ガス経路
１４    熱回収経路
１５    熱交換器
１６    熱回収ポンプ（ポンプ）
１７    制御器
２２    バイパス経路
２３    バイパス遮断弁
【図１】
2016157738.tif 000003
【図２】
2016157738.tif 000004
【図３】
2016157738.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月20日(2017.9.20)
【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、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムには、水素ガスを主成分とする燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池が組み込まれている。
【０００３】
燃料電池は、発電停止後の保管中にアノードに酸素が侵入すると、アノードが酸化される可能性がある。アノードは、酸化された状態で、燃料電池システムの起動により水素が供給されると、還元される。このとき、燃料電池システムの停止と起動（すなわち、アノードの酸化と還元に対応）とが繰り返されると、アノードを構成するＰｔ−Ｒｕ／ＣのＲｕ触媒の溶解が加速される。通常、Ｒｕ触媒は、一酸化炭素被毒に対するアノードの耐性を確保するために用いられる。
【０００４】
そのため、Ｒｕの溶解が進むと、アノードは、一酸化炭素被毒耐性が低下して劣化する。また、アノードに酸素が存在する状態で水素を供給すると、逆電流機構が働く。逆電流機構は、カソードの電極材料に用いるカーボンを酸化し、カソードが腐食して劣化する。
【０００５】
そこで、アノードとカソードの劣化を低減するために、以下に示す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）。
【０００６】
特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池の発電停止後の停止状態維持ステップにおける設定タイミングで、アノードへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給処理を、カソードへのガスの供給を停止した状態で実施する。
【０００７】
具体的には、特許文献１の燃料電池システムは、図３に示すように、燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池１０２を備える。燃料電池１０２は、アノード２ａとカソード２ｂとの間に電解質２ｃを設けて構成されている。
【０００８】
上記燃料電池システムは、燃料電池１０２からの電力の出力を停止する停止保管状態において、以下のように動作する。
【０００９】
まず、燃料電池１０２は、運転停止移行ステップを実施する。その後、停止状態を維持する間の設定タイミングで、アノード２ａへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給処理を行う。このとき、カソード２ｂへのガスの供給を停止した状態で、水素含有ガス供給処理を実施する。
【００１０】
つぎに、停止保管ステップにおいて、アノード２ａへのガス供給路を閉止し、かつアノード２ａからのガス排出路を開放するアノード隔離処理を実施する。そして、アノード隔離処理の間の設定タイミングで、水素含有ガス供給処理を実施する。
【００１１】
つまり、特許文献１の燃料電池システムは、停止状態維持ステップの間の適切なタイミングで、アノード２ａへ水素含有ガスを供給し、アノード２ａの圧力を高める。これにより、燃料電池１０２内部に温度の変化が生じた場合でも、燃料電池１０２の外部やカソード２ｂなどからアノード２ａへの酸素の侵入をし難くしている。
【００１２】
また、カソード２ｂに酸素が侵入しても、酸素はアノード２ａに供給された水素含有ガスと反応して消費される。そのため、アノード２ａの酸化が抑制され、アノード２ａの劣化を低減できる。また、上述した逆電流機構によるカソード２ｂの酸化も抑制されるので、カソード２ｂの劣化も抑制できる。
【００１３】
さらに、上記燃料電池システムは、カソード２ｂへのガスの供給を行わない。そのため、アノード２ａおよびカソード２ｂのガス流路を連結するガス導通路などの、特別な配管系統が不要となる。これにより、燃料電池システムのコストアップ、ガス流路の切り換え、およびガスの入れ換えなどの煩雑な操作手順を回避できる。
【００１４】
また、アノード２ａよりも下流側のガス排出路に存在するガスは、当初、アノード２ａ付近に存在していた水素含有ガスである。このとき、一般的に、アノード２ａのガス流路の容積と、アノード２ａの下流側のガス排出路の容積とを比較すると、ガス排出路の容積の方が非常に大きい。そのため、アノード２ａよりも下流側のガス排出路からアノード２ａへガスが逆流した場合でも、アノード２ａの酸化を引き起こす可能性は低い。その結果、アノード２ａに水素含有ガスが存在する状態を維持して、アノード２ａの酸化を抑制できる。
【００１５】
つまり、特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池の発電停止後の停止状態維持ステップにおける設定タイミングで、アノード２ａへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給処理を、カソード２ｂへのガスの供給を停止した状態で実施する。このとき、設定タイミングは、燃料電池の運転時において、参照可能な圧力や時間などの様々な値を参照して設定している。
【００１６】
しかしながら、設定タイミングとして圧力を参照する場合、圧力を監視するために、特別な圧力計測器が必要になる。そのため、燃料電池システムのコストが増加する。また、設定タイミングとして時間を参照する場合、水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを確実に判断できない。そのため、適切にアノード２ａへ水素含有ガスを供給できない。その結果、燃料電池の性能劣化を引き起こす場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０１０−８６９４９号公報
【発明の概要】
【００１８】
本発明は、特別な計測器を追加せず、水素含有ガス供給処理が実施されたかを確実に判断できる燃料電池システムを提供する。
【００１９】
つまり、本発明の燃料電池システムは、原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する水素生成器と、水素生成器に原料ガスを供給する原料供給器と、水素生成器から排出された水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、水素生成器を加熱する燃焼器を備える。さらに、燃料電池システムは、水素生成器から排出されたガスを燃料電池経由で燃焼器に供給する燃料ガス経路と、燃焼器において着火動作を行う着火器と、燃焼器の燃焼を検知する燃焼検知器と、制御器を備える。そして、制御器は、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給するように原料供給器を制御し、燃焼器において着火動作を行うように着火器を制御するように構成される。
【００２０】
この構成によれば、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給し、燃焼器において着火動作を行う。これにより、燃焼検知器で燃焼器の燃焼状態を検知して、水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを、確実に判断できる。その結果、燃料電池への水素含有ガス供給処理により、燃料電池の性能劣化を効果的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略図である。
【図３】図３は、従来の燃料電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における燃料電池システム１の構成について、図１を用いて説明する。
【００２４】
図１は、実施の形態１における燃料電池システム１の構成の一例を示すブロック図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と、水素生成器３と、燃焼器としてのバーナ４と、原料ガス経路５と、燃料ガス経路６と、原料供給器としてのブースタポンプ７と、水ポンプ８と、空気ファン９と、着火器としてのイグナイタ１０と、燃焼検知器としてのフレームロッド１１と、温度センサ１２と、排ガス経路１３と、熱回収経路１４と、熱交換器１５と、熱回収ポンプ１６と、制御器１７などを備える。
【００２６】
燃料電池２は、水素と酸素との電気化学反応により発電する。水素生成器３は、ブースタポンプ７により原料ガス経路５から供給される原料ガスを改質して、燃料電池２の発電に用いる水素を多く含む燃料ガスを生成する。バーナ４は、水素生成器３を加熱する。原料ガス経路５は、ブースタポンプ７により原料ガスを水素生成器３に供給する。燃料ガス経路６は、水素生成器３から排出された燃料ガスを燃料電池２に供給する。そして、燃料電池２から排出された燃料ガスを、バーナ４に供給する。
【００２７】
ブースタポンプ７は、原料ガス経路５に配置され、原料ガスを昇圧して水素生成器３に原料ガスを流す。水ポンプ８は、水素生成器３に水を供給する。空気ファン９は、バーナ４に、外部から空気を供給する。イグナイタ１０は、バーナ４内に供給される燃料ガスを着火させる。フレームロッド１１は、バーナ４の燃焼の有無を検知する。温度センサ１２は、水素生成器３の温度を検知する。
【００２８】
排ガス経路１３は、バーナ４から排ガスを排出する。熱回収経路１４は、排ガス経路１３から排ガス中の熱を回収する。熱交換器１５は、排ガス経路１３および熱回収経路１４の熱交換を行う。熱回収ポンプ１６は、熱回収経路１４に、例えば水などの熱媒体を供給する。
【００２９】
制御器１７は、少なくとも、ブースタポンプ７、水ポンプ８、空気ファン９、イグナイタ１０、熱回収ポンプ１６を制御する。さらに、制御器１７は、フレームロッド１１によりバーナ４内の燃焼の有無を検知し、温度センサ１２により水素生成器３の温度を検知する。そして、制御器１７は、検知した、バーナ４の燃焼の有無、および水素生成器３の温度に基づいて、上記構成要素などの駆動を制御する。
【００３０】
なお、本実施の形態の構成要素であるバーナ４は燃焼器、イグナイタ１０は着火器、ならびにフレームロッド１１は燃焼検知器の具体的な一例である。
【００３１】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム１は、構成される。
【００３２】
以下に、上記燃料電池システム１の動作および作用について、説明する。
【００３３】
まず、燃料電池システム１の起動ステップが完了すると、制御器１７は発電ステップを開始する。発電ステップにおいて、制御器１７はブースタポンプ７を動作させて、原料供給源から原料ガス経路５を通じて原料ガスを水素生成器３に供給する。そして、バーナ４内の燃焼によって加熱される水素生成器３の温度を温度センサ１２で検知する。水素生成器３の温度が所定温度以上に上昇したことを温度センサ１２が検知すると、制御器１７は水ポンプ８を動作させて、水素生成器３に水を供給する。これにより、水素生成器３の触媒での炭素析出を防止する。
【００３４】
つぎに、水素生成器３は、供給された原料ガスおよび水を、触媒を用いて改質する。これにより、水素生成器３は、水素を多く含んだ燃料ガスを生成する。
【００３５】
つぎに、水素生成器３で生成された燃料ガスは、燃料ガス経路６を通じて燃料電池２のアノードに供給される。このとき、燃料電池２で発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス経路６を通じて燃料電池２からバーナ４に供給される。一方、燃料電池２のカソードには、空気が酸化剤ガスとして供給される。これにより、燃料電池２は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを用いて、電気化学反応により発電する。このとき、発電とともに熱が発生する。そのため、燃料電池２の温度は、外気温より高くなる。
【００３６】
なお、燃料電池２は、直流電力を発電し、外部に出力する。出力された直流電力は、図示しないインバータにより交流電力に変換される。変換された交流電力は、電力系統と連系し、負荷（例えば、家庭内の電気機器など）に供給される。
【００３７】
このとき、上述したように、バーナ４は燃料電池２の発電に使用されずに燃料電池２から排出される燃料ガスを燃焼させる。これにより、燃料ガスの燃焼熱を水素生成器３に供給して、水素生成器３を加温する。その結果、水素生成器３における反応効率が向上する。
【００３８】
以上のように、燃料電池システム１は、動作する。
【００３９】
以下に、本実施の形態における燃料電池システム１の停止保管方法に関して、具体的な動作について説明する。
【００４０】
まず、制御器１７は、燃料電池システム１の発電ステップが完了すると、停止ステップに移行して停止動作を開始する。停止ステップにおいて、制御器１７は、燃料電池２への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を減少させ、その後、酸化剤ガスの供給のみを停止する。このとき、燃料電池２は、燃料ガスのみが供給された状態となる。これにより、燃料電池２は、カソードに残留していた酸素とアノードに供給された燃料ガスとが反応する。そして、燃料電池２のセル電圧が、急激に減少する。セル電圧が、例えば０．２Ｖ程度まで減少すると、制御器１７は、燃料電池２のアノードへの燃料ガスの供給を停止し、停止ステップを終了する。
【００４１】
燃料電池システム１の停止ステップが終了し、燃料電池２のアノードへの燃料ガスの供給が停止すると、水素生成器３および燃料電池２の温度は、自然放冷により、外気温程度まで低下する。このとき、本実施の形態では、燃料ガス経路６および排ガス経路１３は、大気に開放されている。そのため、水素生成器３および燃料電池２の温度の低下に伴い、大気から排ガス経路１３、バーナ４、燃料ガス経路６を通じて、燃料電池２のアノードに空気が吸い込まれる。
【００４２】
上述したように、燃料電池２のアノードに酸素が侵入すると、アノードが酸化される。また、アノードは、酸化された状態から、燃料電池システム１の起動により水素が供給されると還元される。このとき、燃料電池システム１の停止と起動とが繰り返し実行されると、アノードに用いるＰｔ−Ｒｕ／ＣのＲｕ触媒の溶解が加速される。そして、アノードからＲｕ触媒の溶解が進むと、アノードの一酸化炭素被毒耐性が低下し、アノードが劣化する。
【００４３】
そこで、本実施の形態の燃料電池システム１は、以下に示す水素含有ガス供給処理を実行して、燃料電池２のアノードへの酸素の侵入を抑制している。
【００４４】
具体的には、停止ステップ終了後から所定時間経過後、または前回の水素含有ガス供給処理終了後から所定時間経過後に、制御器１７はブースタポンプ７を動作させて、水素生成器３に原料ガスを供給する。
【００４５】
同時に、温度センサ１２が検知する水素生成器３の温度が、所定温度以上である間、制御器１７は水ポンプ８を動作させて、水素生成器３に水を供給する。これにより、水素生成器３の触媒での炭素析出を防止する。
【００４６】
そして、水素生成器３から燃料電池２のアノードに燃料ガスが供給される。さらに、燃料電池２のアノードから排出される燃料ガスは、バーナ４に供給される。
【００４７】
つぎに、制御器１７は、空気ファン９を動作させてバーナ４に空気を供給する。そして、制御器１７は、イグナイタ１０を動作させて、バーナ４内の燃料ガスに着火する。このとき、制御器１７は、フレームロッド１１でバーナ４内の燃焼状態を検知する。これにより、燃料電池２のアノードに燃料ガスが供給されたか否かを確実に確認できる。つまり、フレームロッド１１により、バーナ４内の燃焼状態を検知すれば、燃料ガスが燃料電池２のアノードを通じてバーナ４に供給されていると判断できる。これにより、燃料電池２のアノードに燃料ガスが確実に供給されたことを判定できる。
【００４８】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、水素生成器３の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器３に原料ガスを供給するようにブースタポンプ７を駆動する。さらに、制御器１７は、バーナ４で着火動作を行うようにイグナイタ１０を制御する。そして、制御器１７は、フレームロッド１１を介してバーナ４内の燃焼を検知する。これにより、制御器１７は、アノードへの水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを確実に判断できる。その結果、アノードの一酸化炭素被毒耐性の低下を抑制して、燃料電池２の性能劣化を抑制できる。
【００４９】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、フレームロッド１１でバーナ４内の燃焼を検知すると、ブースタポンプ７を停止させる。そして、制御器１７は、水素生成器３への原料ガスの供給を停止する。これにより、原料ガスの無駄な消費を防止して、原料ガスの消費量を低減できる。
【００５０】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、水素含有ガス供給処理中に熱回収ポンプ１６を動作させる。そして、バーナ４で燃焼した排ガスを、熱交換器１５を介して、熱回収経路１４の熱媒体である、例えば水と熱交換する。これにより、水素含有ガス供給処理中における排ガス経路１３内を通流する燃焼排ガスの温度を低下させる。つまり、燃焼排ガスの熱を、熱交換器１５を介して熱回収経路１４の水などの熱媒体で回収する。これにより、例えば冬季などの低外気温時でも、熱回収経路１４内を通流する水などの熱媒体の凍結防止を図ることができる。
【００５１】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、所定時間の経過後ではなく、水素生成器３の温度が所定の温度（例えば、外気温程度）まで低下したことを温度センサ１２が検知した時に、水素含有ガス供給処理を実施してもよい。これにより、水素生成器３の温度が周囲温度近くまで低下すると、その後、水素生成器３の温度はほとんど低下しない。その結果、アノードへの不要な原料（燃料ガス）の供給を回避して、原料ガスの消費量の低減を図ることができる。
【００５２】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、制御器１７は、イグナイタ１０による着火動作を所定の回数、繰り返しても、フレームロッド１１で燃焼が検知されない場合、原料（燃料ガス）の供給を停止し、異常を報知するようにしてもよい。燃焼が検知されない場合とは、例えばフレームロッド１１が、所定時間（例えば、３０秒程度）、バーナ４が燃焼していないことを検知した場合である。なお、異常の報知は、例えば燃料電池システム１に設けた表示部へのアラーム表示や、音などにより実行される。
【００５３】
これにより、原料ガス経路５および燃料ガス経路６の異常による燃料電池２のアノードへの燃料ガスの供給ができないことを回避できる。その結果、燃料電池２のアノード酸化による、例えば一酸化炭素耐性の低下、有効電極面積の減少による電流密度の増加に起因する電圧の低下などの性能劣化を抑制できる。
【００５４】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池システム２１の構成について、図２を用いて説明する。
【００５５】
図２は、実施の形態２における燃料電池システム２１の構成の一例を示すブロック図である。
【００５６】
図２に示すように、本実施の形態の燃料電池システム２１は、さらに、バイパス経路２２と、バイパス経路２２上にバイパス遮断弁２３を設ける点で、図１に示す燃料電池システム１と異なる。このとき、バイパス経路２２は、燃料ガス経路６の燃料電池２の上流側から分岐して、燃料電池２の下流側に合流するように配管される。なお、上記以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるので、図１と同一あるいは、相当する部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５７】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム２１の動作および作用について、説明する。
【００５８】
まず、燃料電池システム２１の起動ステップが完了すると、制御器１７は発電ステップを開始する。発電ステップにおいて、制御器１７はブースタポンプ７を動作させて、原料供給源から原料ガス経路５を通じて、原料ガスを水素生成器３に供給する。そして、バーナ４内の燃焼によって加熱される水素生成器３の温度を温度センサ１２で検知する。水素生成器３の温度が所定温度以上に上昇したことを温度センサ１２が検知すると、制御器１７は水ポンプ８を動作させて、水素生成器３に水を供給する。これにより、水素生成器３の触媒での炭素析出を防止する。
【００５９】
つぎに、水素生成器３は、供給された原料ガスおよび水を、触媒を用いて改質する。これにより、水素生成器３は、水素を多く含んだ燃料ガスを生成する。
【００６０】
このとき、燃料電池システム２１の起動初期では、水素生成器３から排出される燃料ガス中に、一酸化炭素が多く含まれている。一酸化炭素は、上述したように、燃料電池２の劣化を引き起こす可能性がある。そこで、本実施の形態では、制御器１７は、バイパス経路２２のバイパス遮断弁２３を開放する。これにより、バイパス経路２２を経由して、燃料電池２のアノードをバイパスする。そして、バーナ４で燃焼させる燃料ガスを水素生成器３から、直接、バーナ４に供給して、所定時間（例えば、燃料ガス中の一酸化炭素量が所定量以下になる程度の時間）、燃料ガスを燃焼させる。その結果、起動初期において、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素による燃料電池２のアノードの劣化を抑制できる。
【００６１】
つぎに、所定時間の経過後、制御器１７は、燃料電池２の発電ステップに移行する。このとき、制御器１７は、バイパス遮断弁２３を閉止し、バイパス経路２２を遮断する。そして、制御器１７は、水素生成器３から排出される燃料ガスを、燃料ガス経路６を介して、燃料電池２のアノードに供給する。同時に、燃料電池２のカソードに、空気を酸化剤ガスとして供給する。これにより、燃料電池２は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを用いて、電気化学反応により発電する。このとき、発電ととともに、熱が発生する。そのため、燃料電池２の温度は、外気温より高くなる。
【００６２】
なお、燃料電池２は、直流電力を発電し、外部に出力する。出力された直流電力は、図示しないインバータにより交流電力に変換される。変換された交流電力は、電力系統と連系し、負荷（例えば、家庭内の電気機器など）に供給される。
【００６３】
このとき、上述したように、バーナ４は燃料電池２の発電に使用されずに燃料電池２から排出される燃料ガスを燃焼させる。これにより、燃料ガスの燃焼熱を水素生成器３に供給して、水素生成器３を加温する。その結果、水素生成器３における反応効率が向上する。
【００６４】
以上のように、燃料電池システム２１は、動作する。
【００６５】
以下に、本実施の形態における燃料電池システム２１の停止保管方法に関して、具体的な動作について説明する。
【００６６】
まず、制御器１７は、燃料電池システム２１の発電ステップが完了すると、停止ステップに移行して停止動作を開始する。停止ステップにおいて、制御器１７は、燃料電池２への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を減少させ、その後、酸化剤ガスの供給のみを停止する。このとき、燃料電池２は、燃料ガスのみが供給された状態となる。これにより、燃料電池２は、カソードに残留していた酸素とアノードに供給された燃料ガスとが反応する。そして、燃料電池２のセル電圧が急激に減少する。セル電圧が、例えば０．２Ｖ程度まで減少すると、制御器１７は、燃料電池２への燃料ガスの供給を停止し、停止ステップを終了する。
【００６７】
燃料電池システム２１の停止ステップが終了し、燃料電池２のアノードへの燃料ガスの供給が停止すると、水素生成器３および燃料電池２の温度は、自然放冷により、外気温程度まで低下する。このとき、本実施の形態では、燃料ガス経路６および排ガス経路１３は、大気に開放されている。そのため、水素生成器３および燃料電池２の温度の低下に伴い、大気から排ガス経路１３、バーナ４、燃料ガス経路６を通じて、燃料電池２に空気が吸い込まれる。これにより、上述したように、燃料電池２のアノードが酸化され、アノードの一酸化炭素被毒耐性が低下し、アノードが劣化する。
【００６８】
そこで、本実施の形態の燃料電池システム２１は、以下に示す水素含有ガス供給処理を実行して、燃料電池２のアノードへの酸素の侵入を抑制している。
【００６９】
具体的には、停止ステップ終了後から所定時間経過後、または前回の水素含有ガス供給処理の終了後から所定時間経過後に、制御器１７はブースタポンプ７を動作させて、水素生成器３に原料ガスを供給する。そして、制御器１７は、バイパス遮断弁２３を開放して、燃料電池２をバイパスさせ、バーナ４に直接、水素生成器３から排出される燃料ガスを供給する。これにより、バーナ４に供給された燃料ガスをイグナイタ１０で着火させて、バーナ４内の燃料ガスを燃焼させる。その結果、水素生成器３が加熱される。
【００７０】
なお、本実施の形態において、バイパス遮断弁２３を開放して、燃料電池２をバイパスさせる目的は、起動初期に水素生成器３から排出される燃料ガス中に多く含まれる一酸化炭素による燃料電池２の劣化を、より確実に抑制するためである。
【００７１】
つぎに、バーナ４による加熱で、水素生成器３の温度が所定温度以上に上昇すると、制御器１７は水ポンプ８を動作させて、水素生成器３に水を供給する。これにより、水素生成器３の触媒での炭素析出を防止する。所定時間経過後、制御器１７は、バイパス遮断弁２３を閉止する。そして、制御器１７は、燃料ガス経路６を介して、水素生成器３から排出される燃料ガスを、燃料電池２のアノードに供給する。
【００７２】
つぎに、制御器１７は、空気ファン９を動作させてバーナ４に空気を供給する。そして、制御器１７は、イグナイタ１０を動作させて、バーナ４内の燃料ガスに着火する。このとき、制御器１７は、フレームロッド１１でバーナ４内の燃焼状態を検知する。これにより、燃料電池２のアノードに燃料ガスが供給されたか否かを確実に確認できる。つまり、フレームロッド１１により、バーナ４内の燃焼状態を検知すれば、燃料ガスが燃料電池２のアノードを通じてバーナに供給されていると判断できる。これにより、燃料電池２のアノードに燃料ガスが確実に供給されたことを判定できる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム２１では、制御器１７は、水素生成器３の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器３に原料ガスを供給するようにブースタポンプ７を駆動する。さらに、制御器１７は、バーナ４で着火動作を行うようにイグナイタ１０を制御する。そして、制御器１７は、フレームロッド１１を介してバーナ４内の燃焼を検知する。これにより、アノードへの水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを確実に判断できる。その結果、アノードの一酸化炭素被毒耐性の低下を抑制して、燃料電池２の性能劣化を抑制できる。
【００７４】
以上で説明したように、本発明の燃料電池システムは、原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する水素生成器と、水素生成器に原料ガスを供給する原料供給器と、水素生成器から排出された水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、水素生成器を加熱する燃焼器を備える。さらに、燃料電池システムは、水素生成器から排出された燃料ガスを、燃料電池を経由させて燃焼器に供給する燃料ガス経路と、燃焼器において着火動作を行う着火器と、燃焼器の燃焼を検知する燃焼検知器と、制御器を備える。そして、制御器は、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給するように原料供給器を制御し、燃焼器において着火動作を行うように着火器を制御する構成としてもよい。
【００７５】
この構成によれば、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給し、燃焼器において着火動作を行う。これにより、燃焼検知器で燃焼器の燃焼状態を検知して、水素含有ガス供給処理が実施されたか否かを、確実に判断できる。その結果、燃料電池への水素含有ガス供給処理により、燃料電池の性能劣化を効果的に抑制できる。
【００７６】
また、本発明の燃料電池システムは、水素生成器から排出された燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス経路の上流側から分岐し、燃料電池から排出された燃料ガスを燃焼器に供給する燃料ガス経路の下流側に接続されるバイパス経路と、バイパス経路に設けられたバイパス遮断弁をさらに備える。そして、制御器は、水素生成器および燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも水素生成器に原料ガスを供給するように原料供給器を制御し、バイパス遮断弁を開放し、燃料電池をバイパスして水素生成器から排出される燃料ガスを燃焼器に供給し、燃焼器において着火動作を行うよう着火器を制御する構成としてもよい。
【００７７】
この構成によれば、バイパス遮断弁を開放して、燃料電池をバイパスさせる。これにより、水素生成器から排出される燃料ガス中に多く含まれる一酸化炭素による燃料電池の性能劣化を抑制することができる。
【００７８】
また、本発明の燃料電池システムは、制御器が、水素生成器および燃料電池の運転停止後、燃焼検知器が燃焼器の燃焼を検知した場合、原料ガスの供給を停止するように原料供給器を制御してもよい。これにより、原料ガスの無駄な消費を防止できる。
【００７９】
また、本発明の燃料電池システムは、燃焼器から燃焼排ガスを排出する排ガス経路と、排ガス経路から熱を回収する熱回収経路と、排ガス経路および熱回収経路の熱交換を行う熱交換器と、熱回収経路に熱媒体を供給する熱回収ポンプと、をさらに備える。そして、制御器は、着火器によって着火動作を行う場合、または燃焼検知器が燃焼を検知した場合、熱回収ポンプを動作させる構成としてもよい。
【００８０】
この構成によれば、着火動作を行う場合、または燃焼検知器が燃焼を検知した場合、制御器は熱回収ポンプを動作させる。これにより、燃焼排ガスの温度を低下できる。つまり、燃焼排ガスの熱を、熱回収経路の熱媒体で回収できる。その結果、例えば冬季などの低外気温時でも、熱回収経路内を通流する熱媒体の凍結防止を図ることができる。
【００８１】
また、本発明の燃料電池システムは、水素生成器の温度を検知する温度検知器を備え、所定のタイミングは、水素生成器の温度が所定の温度より低下したタイミングであればよい。つまり、水素生成器の温度が周囲温度近くまで低下すると、その後は、水素生成器の温度はほとんど低下しない。そのため、燃料電池のアノードへの不要な原料ガスの供給を回避して、原料ガスの消費量の低減を図ることができる。
【００８２】
また、本発明の燃料電池システムの制御器は、着火器による着火動作を所定の回数繰り返しても燃焼検知器が燃焼器の燃焼を検知しない場合、原料ガスの供給を停止するように原料供給器を制御し、異常を報知するように制御する構成としてもよい。これにより、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給ができない異常を報知する。その結果、燃料電池の性能劣化を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の燃料電池システムは、燃焼検知器により燃焼有無を検知して、水素含有ガス供給処理が確実に実施されたかを判断できる。そのため、水素生成器を加熱する燃焼器の燃焼を検知する燃焼検知器を備えた燃料電池システムなどに有用である。
【符号の説明】
【００８４】
１，２１    燃料電池システム
２，１０２    燃料電池
２ａ    アノード
２ｂ    カソード
２ｃ    電解質
３    水素生成器
４    バーナ（燃焼器）
５    原料ガス経路
６    燃料ガス経路
７    ブースタポンプ（原料供給器）
８    水ポンプ
９    空気ファン
１０    イグナイタ（着火器）
１１    フレームロッド（燃焼検知器）
１２    温度センサ
１３    排ガス経路
１４    熱回収経路
１５    熱交換器
１６    熱回収ポンプ（ポンプ）
１７    制御器
２２    バイパス経路
２３    バイパス遮断弁
【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】
原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する水素生成器と、
前記水素生成器に前記原料ガスを供給する原料供給器と、
前記水素生成器から排出された水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
前記水素生成器から排出された燃料ガスを、前記燃料電池を経由させて前記燃焼器に供給する燃料ガス経路と、
前記燃焼器において着火動作を行う着火器と、
前記燃焼器の燃焼を検知する燃焼検知器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記水素生成器および前記燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも前記水素生成器に前記原料ガスを供給するように前記原料供給器を制御し、前記燃焼器において着火動作を行うように前記着火器を制御する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素生成器から排出された前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する前記燃料ガス経路の上流側から分岐し、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する前記燃料ガス経路の下流側に接続するバイパス経路と、
前記バイパス経路に設けられるバイパス遮断弁と、をさらに備え、
前記制御部は、前記水素生成器および前記燃料電池の運転停止後の所定のタイミングで、少なくとも前記水素生成器に前記原料ガスを供給するように前記原料供給器を制御し、
前記バイパス遮断弁を開放し、
前記燃料電池をバイパスして前記水素生成器から排出される前記燃料ガスを前記燃焼器に供給し、
前記燃焼器において着火動作を行うように前記着火器を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記水素生成器および前記燃料電池の運転停止後、前記燃焼検知器が前記燃焼器の燃焼を検知した場合、前記原料ガスの供給を停止するように前記原料供給器を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼器から燃焼排ガスを排出する排ガス経路と、
前記排ガス経路から熱を回収する熱回収経路と、
前記排ガス経路および前記熱回収経路の熱交換を行う熱交換器と、
前記熱回収経路に熱媒体を供給する熱回収ポンプと、をさらに備え、
前記制御器は、前記着火器によって前記着火動作を行う場合、または前記燃焼検知器が燃焼を検知した場合、前記熱回収ポンプを動作させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素生成器の温度を検知する温度検知器を備え、
前記所定のタイミングは、前記水素生成器の温度が所定の温度より低下したタイミングである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記着火器による前記着火動作を所定の回数繰り返しても前記燃焼検知器が前記燃焼器の燃焼を検知しない場合、原料ガスの供給を停止するように前記原料供給器を制御し、異常を報知するように制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【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】
2016157738.tif 000006
【図２】
2016157738.tif 000007
【図３】
2016157738.tif 000008
【国際調査報告】
2016157738.tif 000009
2016157738.tif 000010
2016157738.tif 000011
2016157738.tif 000012