(57)【要約】  燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができる燃料電池システムを提供することを目的とする。燃料電池システムの起動運転時には、燃料処理器３中の触媒に吸着していた原料ガス成分のうち触媒の温度上昇により脱離してバーナ部１２に供給されてくる脱離原料ガス量を、触媒の温度と温度上昇速度から推測し、その推測値に基づいて触媒の加熱量を制御して、脱離原料ガスの量を調整する。
2010131448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減部を通った前記改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと前記原料ガスと前記改質ガスとの少なくとも１つを燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、前記原料ガスを前記改質部と前記改質部を介してまたは直接前記バーナ部とに供給する原料ガス供給装置と、前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの起動運転時には、前記加熱手段を制御して、前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうちで脱離してくる脱離原料ガスの量を調整する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムの起動運転時に、前記バーナ部に供給される前記原料ガスと前記脱離原料ガスとのうち、少なくとも前記脱離原料ガスの流量を計測する計測手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記計測手段は、少なくとも前記脱離原料ガスの流量を計測する流量計であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記計測手段は、少なくとも前記脱離原料ガスの圧力を検知する圧力計であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記バーナ部で燃焼させた後の燃焼排ガス成分のうち、少なくとも一つの成分の濃度を検知する排ガス分析手段を備え、前記排ガス分析手段で検知した濃度に基づいて前記脱離原料ガスの量を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質触媒の温度と前記一酸化炭素低減触媒の温度と少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、
前記温度センサが検知した前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度に基づいて、前記燃料電池システムの起動運転時に、前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた前記原料ガスの成分中の脱離してくる前記脱離原料ガスの量を推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加熱手段の加熱開始からの経過時間を計測するタイマ手段を備え、
前記タイマ手段が計測した時間に基づいて、前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた前記原料ガスの成分のうち脱離してくる前記脱離原料ガスの量を推定する請求項１または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、前記加熱手段による加熱開始から所定時間経過後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記改質触媒の温度と前記一酸化炭素低減触媒の温度との少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、前記温度センサの検知する温度が所定の温度以上になった後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始した後、前記加熱手段による加熱開始から所定時間経過するか、または、前記温度センサが検知する温度が所定の温度以上となるまでは前記バーナ部では燃焼を行なわないことを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱中で、前記バーナ部において燃焼を行なわない期間は、前記燃焼用空気によって前記脱離原料ガスを可燃範囲以下の濃度で希釈することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池システムの起動時に、前記原料ガス供給装置と前記加熱手段とを動作させ、前記原料ガス供給装置で前記原料ガスを所定時間供給した後に前記原料ガス供給装置の動作を停止して、前記原料ガス供給装置の動作停止から所定時間経過後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、前記燃料電池システムの起動時に、前記原料ガス供給装置と前記加熱手段とを動作させ、前記原料ガス供給装置による前記原料ガスの供給開始から所定時間経過後、または前記温度センサが第１所定温度以上を検知後に前記原料ガス供給装置の動作を停止して、前記温度センサが第２所定温度以上を検知した後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記加熱手段は、電気ヒータである請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記加熱手段は、加熱用バーナ部からなり、
前記加熱用バーナ部の燃焼排ガスが前記改質部と前記一酸化炭素低減部の少なくとも一方を加熱する請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記バーナ部を前記加熱用バーナ部として用いる請求項１５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、炭化水素系の原料を改質して生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素又は水素リッチガスを供給し、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して、電気化学反応によって発電を行う。近年、燃料電池で発電した電力とともに、燃料電池が発電する際に発生する熱を回収して熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが注目されている。【０００３】
そして、燃料電池システムでは、燃料電池に必要な水素リッチガスを生成する方法の一つとして、都市ガス又はＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスを、水蒸気とともに改質触媒を充填した約７００℃の改質部で水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスにする方法がある。このとき、水蒸気改質において、改質部から出る改質ガス中に約１０〜１５％含まれる一酸化炭素が副生成物として生成される。なお、一酸化炭素は燃料電池の電極触媒を被毒して発電能力を低下させるため、改質ガス中の一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下に除去する必要がある。【０００４】
そこで、通常、改質部の下流側には一酸化炭素低減部として、改質部から出た改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させて水素と二酸化炭素とに水性ガスシフト反応させる変成触媒を充填した変成部と、変成部で一酸化炭素濃度を低減させた改質ガスと空気とを供給して一酸化炭素と空気中の酸素とを選択酸化反応させて改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる選択酸化触媒を充填した選択酸化部とが連結されている。このとき、変成部では約２００℃以上で水性ガスシフト反応が行われ、選択酸化部では約１００℃で選択酸化反応が行われる。【０００５】
また、改質部には昇温用のバーナ部が設けられている。そして、このバーナ部により燃料電池システムの発電時、バーナ部に供給した空気とともに、燃料電池の発電で使用されなかった改質ガス（以下、「オフガス」と記す場合がある）中の水素を燃焼させて、吸熱反応である改質反応が行われる改質触媒の温度が約７００℃に維持されている。さらに、燃料電池システムの起動運転時には、水素生成前の原料ガスおよび原料ガスと水素の混合ガスを燃焼させて、改質触媒の温度を昇温している。【０００６】
なお、以下では、バーナ部を備えた改質部と変成部と選択酸化部とを連結した水素製造装置を、適宜、燃料処理器と記して説明する場合がある。【０００７】
また、燃料電池システムの起動運転時には、原料ガスから改質ガスを生成するために、燃料処理器の各触媒を所定の温度まで昇温させる必要がある。そこで、原料ガスを燃料処理器に供給して、燃料処理器から出てきた原料ガスを燃料電池をバイパスする経路からバーナ部に戻して燃焼させ、その燃焼熱で燃料処理器の各触媒を加熱する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。【０００８】
また、燃料電池システムの発電を停止する時には、改質部への原料ガスと水蒸気との供給を停止させる。このとき、燃料処理器内に残った改質ガスの温度低下による体積収縮や温度低下に伴う改質ガス中の水蒸気の凝縮により燃料処理器内が減圧される。そこで、これを回避するために、燃料電池システムを停止する時、まず原料ガスと水蒸気の供給を停止し、燃料処理器の温度が所定の温度に低下した後に、原料ガスで燃料処理器中の改質ガスをパージする。そして、燃料処理器内の圧力が所定の圧力以下に低下したら、燃料処理器に原料ガスを供給して正圧を維持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２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】日本国特開２００８−２１８３５５号公報
【特許文献２】日本国特許第４１３０６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、以下のような課題があった。【００１１】
すなわち、従来の燃料電池システムは、燃料電池システムの発電を停止する時に、燃料処理器中の水蒸気を含む改質ガスのパージおよび燃料処理器内の圧力を正圧に保つために、燃料処理器に都市ガス又はＬＰＧなどの原料ガスを供給する。このとき、燃料電池システムの停止中の各触媒の温度低下に伴い、各触媒に原料ガスもしくは原料ガスの一部の成分が吸着する。【００１２】
一方、燃料電池システムの起動運転の時には、各触媒の温度を所定の温度に昇温するために、原料ガスを燃料処理器を介してバーナ部に供給し、空気とともに燃焼させて、各触媒の温度を上昇させる。このとき、各触媒の温度が上昇するに伴い、各触媒に吸着していた原料ガスの成分が脱離して、燃料処理器に供給した原料ガスとともにバーナ部に供給される。そのため、実際にバーナ部に供給される原料ガスの量は、燃料処理器に供給した原料ガスに比べて、脱離した原料ガスの成分だけ多くなる。そして、原料ガスと空気との比率がずれて、バーナ部で不完全燃焼が起こる。さらに、この不完全燃焼により発生した一酸化炭素の燃料電池システムの外部への放出又は、場合によってはバーナ部の失火が起こる。その結果、燃料処理器内の各触媒の昇温が行われなくなり、燃料電池システムの起動運転が阻害されるという課題があった。【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができる燃料電池システム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】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、一酸化炭素低減部を通った改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと原料ガスと改質ガスとの少なくとも１つを燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、原料ガスを前記改質部と改質部を介してまたは直接バーナ部とに供給する原料ガス供給装置と、改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動運転時には、加熱手段を制御して、改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうちで脱離してくる脱離原料ガスの量を調整するものである。【００１５】
これにより、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼を継続的に実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部で燃焼用空気の量と原料ガスの量との比率が所定の範囲内で燃焼するので、安定した燃焼を行うことができる。そして、燃料処理器内の各触媒を所定の温度に昇温させて安定した起動運転を行うことができる燃料電池システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図２】同実施の形態の燃料電池システムに用いられる燃料処理器を説明する主要部断面図
【図３】同実施の形態の燃料電池システムの変成部の変成触媒の温度と変成触媒から脱離する脱離原料ガスの量との関係を説明する模式図、（ａ）変成触媒の加熱開始時間に対する変成触媒の温度と変成触媒からの脱離原料ガス（ＬＰＧ）の量との関係を示す模式図、（ｂ）変成触媒の温度に対する脱離原料ガス（ＬＰＧ）の積算量の関係を示す模式図、（ｃ）（ａ）に比べて変成ヒータの出力がより大きい場合における変成触媒の加熱開始時間に対する変成触媒の温度と変成触媒からの脱離原料ガス（ＬＰＧ）の量の関係を示す模式図
【図４】同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
【図５】同実施の形態の燃料電池システムにおける起動運転時での改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒の温度上昇の様子を示す特性図
【図６】同実施の形態の燃料電池システムにおける別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート
【図７】同実施の形態の燃料電池システムにおけるさらに別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート
【図８】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図９】同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
【図１０】同実施の形態の燃料電池システムにおける別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート
【図１１】同実施の形態の燃料電池システムの別の例を説明する模式図
【図１２】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図１３】同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
【図１４】本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図１５】同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、一酸化炭素低減部を通った改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと原料ガスと改質ガスとの少なくとも１つを燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、原料ガスを改質部と改質部を介してまたは直接バーナ部とに供給する原料ガス供給装置と、改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動運転時には、加熱手段を制御して、改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうちで脱離してくる脱離原料ガスの量を調整する。
【００１９】
これにより、バーナ部に供給する燃焼用空気の量と、原料ガス供給装置から供給される原料ガスの量と、脱離から供給される脱離原料ガスとの合算量の比率を所定の比率に調整して、安定した燃焼を行うことができる。その結果、燃料処理器内の各触媒を所定温度に昇温させて安定した起動運転を行う燃料電池システムを実現できる。
【００２０】
第２の発明は、第１の発明において、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部に供給される原料ガスと脱離原料ガスとのうち、少なくとも脱離原料ガスの流量を計測する計測手段をさらに備える。これにより、改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方に吸着していた原料ガスが脱離してバーナ部に供給されてきても、バーナ部に供給される燃焼用ガス（すなわち原料ガス供給装置で供給する原料ガスと脱離原料ガスとの混合ガス）の流量が分かるため、加熱手段を制御して脱離原料ガスの流量を調整することで脱離原料ガスの流量を制御して、燃焼用空気の流量に応じた燃焼用ガスをバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
【００２１】
第３の発明は、第２の発明において、計測手段が少なくとも脱離原料ガスの流量を計測する流量計であるものである。これにより、比較的容易にバーナ部に供給される原料ガスの流量を正確に計測することが可能であるため、加熱手段を制御して脱離原料ガスの流量を調整することで脱離原料ガスの流量を制御して、燃焼用空気の流量に応じた燃焼用ガスをバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
【００２２】
第４の発明は、第２の発明において、計測手段が少なくとも脱離原料ガスの圧力を検知する圧力計であるものである。これにより、比較的簡単な構成でバーナ部に供給される原料ガスの圧力から流量を計測することが可能であるため、加熱手段を制御して脱離原料ガスの流量を調整することで脱離原料ガスの流量を制御して、燃焼用空気の流量に応じた燃焼用ガスをバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
【００２３】
第５の発明は、第１の発明において、バーナ部で燃焼させた後の燃焼排ガス成分のうち、少なくとも一つの成分の濃度を検知する排ガス分析手段を備え、この排ガス分析手段で検知した濃度に基づいて加熱手段を制御して、脱離原料ガスの量を調整するものである。これにより、脱離原料ガスによって、バーナ部での燃焼状態が悪くなり始めたことを検知して脱離原料ガスの流量を調整することが可能となり、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
【００２４】
第６の発明は、第１の発明において、改質触媒の温度と一酸化炭素低減触媒の温度と少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、温度センサが検知した改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度に基づいて、燃料電池システムの起動運転時に、改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分中の脱離してくる脱離原料ガスの量を推定する。これにより、簡単な構成で、比較的精度よく脱離する脱離原料ガスの量を推定して、バーナ部における燃焼を安定させることできる。
【００２５】
第７の発明は、第１または第６の発明において、加熱手段の加熱開始からの経過時間を計測するタイマ手段を備え、タイマ手段が計測した時間に基づいて、改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうち脱離してくる脱離原料ガスの量を推定する。これにより、簡単な構成で、脱離原料ガスの量を検出できる。
【００２６】
第８の発明は、第１または第６または第７のいずれかの発明において、燃料電池システムの起動時に、加熱手段による改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、加熱手段による加熱開始から所定時間経過後に原料ガス供給装置を動作させる。
【００２７】
これにより、原料ガス供給装置が動作するまでの間、触媒から触媒の昇温によって脱離してくる脱離原料ガスを原料ガス供給装置から供給する原料ガスよりも先に燃焼させることが可能である。その結果、バーナ部で燃焼する原料ガスを少量に抑えるとともに、各触媒の昇温速度を緩やかにすることができる。
【００２８】
また、原料ガス供給装置が動作するまでの所定時間を、触媒に吸着した原料ガスの量が、後から原料ガス供給装置から供給する原料ガスの量に対して充分少量になる触媒の温度になる加熱開始からの時間に設定する。そして、加熱手段で触媒を加熱して脱離原料ガスをバーナ部に供給し、その間、別途バーナ部に供給した燃焼用空気で原料ガスの可燃範囲から希釈して燃料電池システム外に排気する。これにより、原料ガス供給装置から原料ガスの供給を開始した際、複雑な制御をせずに燃焼用空気と原料ガスとの比率を調整することができるので、安定した燃焼を実現することが可能となる。
【００２９】
第９の発明は、第１または第６または第７のいずれかの発明において、改質触媒の温度と一酸化炭素低減触媒の温度との少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、燃料電池システムの起動時に、加熱手段による改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、温度センサの検知する温度が所定の温度以上になった後に原料ガス供給装置を動作させる。
【００３０】
これにより、原料ガス供給装置が動作するまでの間、触媒から触媒の昇温によって脱離してくる脱離原料ガスを原料ガス供給装置から供給する原料ガスよりも先に燃焼させることが可能である。その結果、バーナ部で燃焼する原料ガスを少量に抑えるとともに、各触媒の昇温速度を緩やかにすることができる。
【００３１】
さらに、加熱手段で触媒を加熱して脱離原料ガスをバーナ部に供給し、その間、別途バーナ部に供給した燃焼用空気で原料ガスの可燃範囲から希釈して燃料電池システム外に排気する。そして、触媒に吸着した原料ガス成分が後から原料ガス供給装置から供給する原料ガスの量に対して充分少量になる触媒の温度になった後、原料ガス供給装置を動作させて原料ガスをバーナ部に供給して着火することができる。これにより、複雑な制御を必要とせずに燃焼用空気と原料ガスとの比率を調整することが可能となるため、安定した燃焼を実現することができる。
【００３２】
第１０の発明は、第８または第９の発明において、加熱手段による改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始した後、加熱手段による加熱開始から所定時間経過するか、または、温度センサが検知する温度が所定の温度以上となるまではバーナ部において燃焼を行なわないものである。これにより、脱離原料ガスの流量が推定する流量と異なる場合においても、バーナ部で燃焼が不安定となり、燃料電池システムの起動運転ができなくなることがない。
【００３３】
第１１の発明は、第１０の発明において、加熱手段による改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱中で、バーナ部において燃焼を行なわない期間は、燃焼用空気の量を調整して、燃焼用空気によって脱離原料ガスを可燃範囲以下の濃度で希釈するものである。これにより、脱離原料ガスが燃焼用空気と共に、燃料電池システムの系外に排気される際に可燃範囲以下で排気されるため、安全性を向上させることが可能である。
【００３４】
第１２の発明は、第１または第６または第７のいずれかの発明において、燃料電池システムの起動時に、原料ガス供給装置と加熱手段とを動作させ、原料ガス供給装置で原料ガスを所定時間供給した後に原料ガス供給装置の動作を停止して、原料ガス供給装置の動作停止から所定時間経過後に原料ガス供給装置を動作させる。
【００３５】
これにより、触媒から脱離してくる脱離原料ガスの量にかかわらず、所定量の原料ガスを原料ガス供給装置によりバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部での安定した着火が可能となる。
【００３６】
第１３の発明は、第１または第６または第７のいずれかの発明において、改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、燃料電池システムの起動時に、原料ガス供給装置と加熱手段とを動作させ、原料ガス供給装置による原料ガスの供給開始から所定時間経過後、または温度センサが第１所定温度以上を検知後に原料ガス供給装置の動作を停止して、温度センサが第２所定温度以上を検知した後に原料ガス供給装置を動作させる燃料電池システムである。
【００３７】
これにより、触媒の加熱が不十分で触媒から脱離してくる脱離原料ガスの量がほとんどないくらい少ない場合でも、所定量の原料ガスを原料ガス供給装置によりバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部での安定した着火が可能となる。
【００３８】
第１４の発明は、第１から第１３のいずれかの発明において、加熱手段は、電気ヒータである。これにより、触媒の加熱開始および終了が比較的容易に制御できる。また、電気ヒータは、オン／オフ制御や入力電圧制御により加熱量の制御が容易であるため、触媒の昇温速度の制御が容易にできる。その結果、昇温速度を遅くして急激な温度変化による触媒の劣化を抑制し、逆に昇温速度を速めて起動時間を短縮して、触媒から脱離する脱離原料ガスの量を調整することが可能となる。
【００３９】
第１５の発明は、第１から第１３のいずれかの発明において、加熱手段は、加熱用バーナ部からなり、加熱用バーナ部の燃焼排ガスが改質部と一酸化炭素低減部との少なくとも一方を加熱する燃料電池システムである。これにより、加熱用バーナ部の燃焼による排熱を触媒の加熱に有効に利用することができる。そのため、エネルギー効率に優れた起動特性を備える燃料電池システムを実現できる。
【００４０】
第１６の発明は、第１５の発明において、バーナ部を加熱用バーナ部として用いる。これにより、バーナ部を一つとすることが可能である。また、バーナ部に原料ガスおよび燃焼用空気を供給するための配管なども簡素化できる。その結果、簡単な構成で加熱手段としてのバーナ部を実現できるため、燃料電池システムの大型化や複雑化を抑制できる。
【００４１】
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、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００４２】
（実施の形態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構成を示す模式図である。
【００４３】
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と燃料処理器３と水蒸気発生装置４と制御部５と原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７とカソード空気ブロワ８とから少なくとも構成されている。このとき、燃料電池システム１に供給される原料ガスとしてＬＰＧを利用し、ＬＰＧのボンベ（図示せず）が燃料電池システム１の外部で原料ガス供給装置６と接続されている。なお、原料ガスとして、都市ガスなどの他の炭化水素系の原料も用いることができる。そして、炭化水素系の原料に付臭剤として添加される硫黄化合物は、原料ガス供給装置６の上流側もしくは原料ガス供給装置６と燃料処理器３との間に設置された脱硫部（図示せず）を通過する時に除去される。
【００４４】
また、燃料電池２は、固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで挟持した構造を有している。そして、アノード電極２ｂに燃料処理器３で生成した水素を多く含む改質ガスを供給し、カソード電極２ｃにカソード空気ブロワ８で空気を供給することにより発電が行われる。
【００４５】
また、燃料処理器３は、改質部９と、一酸化炭素低減部を構成する変成部１０と選択酸化部１１とが順次接続された構成を有している。そして、改質部９の内部には改質触媒９ａ、変成部１０の内部には変成触媒１０ａ、選択酸化部１１の内部には選択酸化触媒１１ａがそれぞれ充填されている。
【００４６】
また、改質部９にはバーナ部１２が設けられ、原料ガスおよび燃料電池２で発電時に使用されなかった水素を含むオフガス中の水素を、燃焼空気ファン７で燃焼用空気経路７ａを介してバーナ部１２に送風した空気とともに燃焼させる。そして、燃焼排ガスとして燃焼排ガス経路１３を通って燃料電池システム１の外部に排出する。このとき、燃焼排ガス経路１３は、バーナ部１２から、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１の内部を、燃焼排ガスが改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａとそれぞれ直接接しないように区画された空間を通る構造で設けられている。
【００４７】
そして、原料ガス供給装置６により原料ガス供給経路１４から改質部９の改質触媒９ａが充填された空間に供給された原料ガスは、まず、改質触媒９ａの充填層中を通る。つぎに、改質部９から出て変成部１０の変成触媒１０ａが充填された空間に供給され、変成触媒１０ａの充填層中を通る。つぎに、変成部１０から出て選択酸化部１１の選択酸化触媒１１ａが充填された空間に供給され、選択酸化触媒１１ａの充填層中を通る。その後、選択酸化部１１から原料ガス経路１５に出て行くように原料ガス供給経路１４、原料ガス経路１５を経由して流通する。
【００４８】
また、変成部１０の変成触媒１０ａが充填された空間には、変成触媒１０ａの温度を検知するための変成温度センサ１０ｂが設けられている。このとき、変成温度センサ１０ｂは、変成部１０を構成する外壁から挿入され、挿入部から外部にガスが漏れないようにシール構造がとられている。さらに、変成部１０を構成する外壁の外側には、外壁を介して変成触媒１０ａを加熱するための変成ヒータ１０ｃが設けられている。同様に、選択酸化部１１を構成する外壁の外側には、外壁を介して選択酸化触媒１１ａを加熱するための選択酸化ヒータ１１ｃが設けられている。なお、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃは電気ヒータであり、制御部５によりヒータ加熱のＯＮ／ＯＦＦおよび出力を調整することができる。
【００４９】
ここで、原料ガス経路１５は、燃料電池２のアノード電極２ｂ側入口の上流側で燃料電池入口経路１５ａと燃料電池バイパス経路１５ｂとに分岐した構造を有している。そして、燃料電池２のアノード電極２ｂ側の入口側に燃料電池入口経路１５ａが接続され、出口側にオフガス経路１５ｃが接続されている。このとき、オフガス経路１５ｃの燃料電池２と接続されていない側は、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂと接続されている。さらに、燃料電池バイパス経路１５ｂには燃料電池バイパス弁１６が、燃料電池入口経路１５ａ、オフガス経路１５ｃにはそれぞれ燃料電池入口弁１７、燃料電池出口弁１８が設置されている。そして、制御部５で燃料電池バイパス弁１６、燃料電池入口弁１７および燃料電池出口弁１８の開閉を制御して、原料ガス経路１５を、燃料電池入口経路１５ａと燃料電池バイパス経路１５ｂとに切り替えている。さらに、原料ガス経路１５は、燃料電池バイパス経路１５ｂとオフガス経路１５ｃとが接続された下流側でバーナ部１２に接続されている。
【００５０】
また、原料ガス供給経路１４には、必要に応じて、水蒸気発生装置４から水蒸気を原料ガス中に混合させて改質部９に供給するための水蒸気経路４ａが接続されている。
【００５１】
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１に用いられる燃料処理器３について、図２を用いて説明する。
【００５２】
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１に用いられる燃料処理器３を説明する主要部断面図である。
【００５３】
図２に示すように、燃料処理器３は、内側から順に第１円筒体２０、第２円筒体２１、第３円筒体２２および第４円筒体２３が、略同心状に配置されて設けられている。そして、燃焼排ガス経路１３が第１円筒体２０と第２円筒体２１との間の空間で構成され、第１ガス流路２４が第２円筒体２１と第３円筒体２２との間の空間で環状に構成され、第２ガス流路２５が第３円筒体２２と第４円筒体２３との間の空間で構成されている。さらに、第１円筒体２０の内空間には、バーナ部１２と、バーナ部１２に原料ガスおよびオフガスを供給する原料ガス経路１５と、燃焼用空気経路７ａと、燃焼室２６とが設けられている。そして、燃焼室２６と燃焼排ガス経路１３とは、その端部近傍の排気折り返し部２７を介して連通している。同様に、第１ガス流路２４と第２ガス流路２５とは、その端部近傍の原料ガス折り返し部２８を介して連通している。
【００５４】
また、第１ガス流路２４には、例えばアルミナ担体に金属ルテニウムを担持した球状の改質触媒９ａを充填した改質部９が設けられている。なお、改質触媒９ａとしては、上記以外に、ニッケル触媒、白金系触媒、ロジウムなどの白金族系の触媒などを用いることができる。また、改質触媒９ａの形状として、球状以外に、円筒状のものなどを用いることも可能である。
【００５５】
また、第２ガス流路２５には、例えばＣｕ−Ｚｎ系（具体的には、ズードケミー社製のＭＤＣ−７）などの変成触媒１０ａを充填した変成部１０と、例えば球状のルテニウム系の選択酸化触媒１１ａを充填した選択酸化部１１が設けられている。なお、変成触媒１０ａ又は選択酸化触媒１１ａとして、上記以外に白金系の触媒を用いることもできる。
【００５６】
また、選択酸化部１１には、選択酸化触媒１１ａで酸化反応を行わせるための選択酸化空気供給経路１１ｂが接続されている。さらに、第１ガス流路２４の上方には、原料ガス供給経路１４が接続されている。なお、本実施の形態では、選択酸化部として選択酸化反応によって一酸化炭素濃度を低減させる選択酸化部を用いた例で説明したが、例えばメタネーション反応によって一酸化炭素濃度を低減する方法を用いてもよい。
【００５７】
また、変成部１０には、変成触媒１０ａの温度を計測する変成温度センサ１０ｂが設けられている。ここで、変成温度センサ１０ｂは、後に詳細な説明をするが、燃料電池システム１の起動運転時には、検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて、制御部５が変成触媒１０ａに吸着していたＬＰＧの脱離する脱離原料ガスの量を推測する場合にも用いることができる。
【００５８】
また、第４円筒体２３の外側には、変成触媒１０ａに対応する位置および選択酸化触媒１１ａに対応する位置に、前述したように変成ヒータ１０ｃと選択酸化ヒータ１１ｃがそれぞれ設けられている。
【００５９】
なお、燃料処理器３の外部は、図示しない断熱材で覆われ、後述する温度バランスが成立するように各部の断熱を考慮して設けられている。
【００６０】
以下に、本発明のポイントである、燃料電池システム１の変成部１０の変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を図３を用いて説明する。
【００６１】
図３（ａ）から図３（ｃ）は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１の変成部１０の変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を説明する模式図である。
【００６２】
なお、図３（ａ）から図３（ｃ）は、燃料処理器３において、各触媒の温度を室温（約２５℃）まで冷却した後にＬＰＧを流通させて、各触媒に充分ＬＰＧを吸着させた後、変成触媒１０ａを変成ヒータ１０ｃにより一定熱量で加熱した時に変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧの量を測定した結果を示している。なお、以降では、脱離原料ガスであるＬＰＧを、適時、脱離ＬＰＧと記載して説明する。
【００６３】
そして、図３（ａ）の横軸は、変成触媒１０ａの加熱開始からの経過時間を示し、縦軸の第１軸は脱離ＬＰＧの量を、縦軸の第２軸は変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度を示している。ここで、図３（ａ）中の破線は変成触媒１０ａから脱離してきた脱離ＬＰＧの量を示し、実線は変成温度センサ１０ｂで測定した変成触媒１０ａの温度を示している。
【００６４】
図３（ａ）に示すように、変成触媒１０ａを一定の熱量で加熱すると、加熱開始時には外気温程度の約２５℃であった変成触媒１０ａの温度は、徐々に、略一定速度で上昇する。そして、変成触媒１０ａの温度上昇とともに、変成触媒１０ａからＬＰＧが脱離を開始し、約６０℃まで脱離した脱離ＬＰＧの量が増え続ける。その後、変成触媒１０ａの温度が上昇して約１８０℃になるまでの間、脱離ＬＰＧの量は徐々に減少するけれども、排出され続ける。
【００６５】
また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した測定結果を、横軸に変成触媒１０ａの温度、縦軸に脱離ＬＰＧの積算量として整理し直した結果を示したものである。なお、図３（ｂ）に示す変成触媒１０ａの温度と脱離ＬＰＧの積算量との関係は、一定圧力下では触媒温度と吸着量の関係が一定であることから、変成触媒１０ａの温度上昇速度を変えても、同じ変成部１０であれば同じ関係を示す。つまり、加熱開始から任意の時間経過した時点での変成触媒１０ａの温度と温度上昇速度との関係から、脱離ＬＰＧの量を推定することが可能となる。
【００６６】
また、図３（ｃ）は、図３（ａ）よりも変成ヒータ１０ｃの出力を大きくして、変成触媒１０ａの温度上昇速度を速くした場合の、変成触媒１０ａの温度と脱離ＬＰＧの量との時間変化を示している。ここで、図３（ａ）と同様に、図３（ｃ）の横軸は変成触媒１０ａの加熱開始からの経過時間を示し、縦軸の第１軸はＬＰＧの量を、縦軸の第２軸は変成触媒１０ａの温度を示している。なお、図３（ｃ）中の一点破線は、変成触媒１０ａから脱離してきた脱離ＬＰＧの量を示し、二点破線は変成触媒１０ａの温度変化を示している。このとき、図３（ｃ）中には、比較のために、図３（ａ）において破線と実線で示した脱離ＬＰＧの量と変成触媒１０ａの温度を同時に示している。
【００６７】
そして、図３（ｃ）で示すように、変成触媒１０ａの温度上昇を速くすると（実線に対して二点破線）、脱離ＬＰＧの量の山は高く、かつ、早い時間で頂点に達する。しかし、頂点に達する変成触媒１０ａの温度は、約６０℃であり、破線および二点破線とも同じである。また、約１８０℃で脱離ＬＰＧの量が、ほぼ０になる点でも同じである。このとき、一点破線と二点破線で示す脱離ＬＰＧの量と変成触媒１０ａの温度との関係は、図３（ｂ）で示す脱離ＬＰＧの積算量と変成触媒１０ａの温度との相関を満たすように時間経過とともに推移する。
【００６８】
そこで、制御部５に、図３（ｂ）に示した変成触媒１０ａの温度と脱離ＬＰＧの積算量との関係を記憶させる。そして、変成触媒１０ａの温度と脱離ＬＰＧの積算量との関係に基づいて、任意の時点での変成触媒１０ａの温度および温度変化速度から変成触媒１０ａから脱離するＬＰＧの量を推測する。
【００６９】
なお、変成触媒１０ａに吸着するＬＰＧの量は、充填する変成触媒１０ａの量や、変成触媒１０ａの形状および種類により異なる。また、都市ガスなどの他の炭化水素系の原料ガスを用いても、変成触媒１０ａに吸着する吸着量が異なる。また、変成温度センサ１０ｂは変成触媒１０ａの一部の温度を計測するため、変成温度センサ１０ｂの位置によって、温度と脱離原料ガスの量との関係が異なる。そこで、それらに対応して、制御部５に、予め、変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を計測し直して、記憶させることが重要である。
【００７０】
なお、上記変成触媒１０ａと同様に、選択酸化触媒１１ａの温度および温度変化速度と脱離ＬＰＧの量との関係も計測が可能である。また、改質触媒９ａについても、本実施の形態１の燃料処理器３には設けていないが、実験的に改質触媒９ａを加熱するヒータを設けた燃料処理器３を用いれば、変成触媒１０ａ又は選択酸化触媒１１ａと同様の方法で改質触媒９ａの温度および温度変化速度と脱離ＬＰＧの量の関係を計測することが可能である。しかし、図示はしていないが本実施の形態１で使用した改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａではＬＰＧの吸着がほとんどなく、原料ガス供給装置６から供給するＬＰＧの量に対して、温度上昇によって脱離してくる脱離ＬＰＧの量が充分に少なかった。そのため、本実施の形態では、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａへのＬＰＧの吸着および脱離については、特に記述しない。
【００７１】
以下に、上記構成の燃料電池システム１の動作および作用について、図１と図２を参照しながら説明する。
【００７２】
はじめに、燃料電池システム１の通常発電時の動作について説明する。
【００７３】
まず、水蒸気発生装置４から供給した水蒸気と混合した原料ガスであるＬＰＧは、改質触媒９ａの温度が約７００℃に維持された改質部９に、原料ガス供給装置６により供給される。そして、改質部９の改質触媒９ａを介して水蒸気改質反応により、水素、一酸化炭素、水蒸気を含む改質ガスが生成される。
【００７４】
つぎに、改質部９から出た改質ガスは、変成部１０の変成触媒１０ａの充填層中に供給され、充填層中を下方から上方に向け流通する。このとき、約２００〜３００℃に維持された変成触媒１０ａの作用により、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素とを生成する変成反応が起こる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が０．５％以下程度まで低減される。
【００７５】
つぎに、変成部１０から出た改質ガスは、別途、選択酸化空気供給経路１１ｂを介して供給した少量の空気とともに選択酸化部１１の選択酸化触媒１１ａの充填層中に供給され、充填層中を下方から上方に向け流通する。このとき、約１００〜２００℃に維持された選択酸化触媒１１ａの作用により、改質ガス中の一酸化炭素を酸化反応させる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下程度まで、さらに低減される。
【００７６】
つぎに、選択酸化部１１を出た改質ガスは、燃料電池バイパス弁１６が閉で、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８が開になった原料ガス経路１５を通って、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に供給される。そして、改質ガス中の水素の一部が発電で消費されて排出されたオフガスと、燃焼空気ファン７により供給された空気とがバーナ部１２に供給されて、バーナ部１２で燃やされる。このとき、オフガスの燃焼熱により、改質触媒９ａは熱せられて約７００℃に維持される。そして、その燃焼排ガスが、変成部１０および選択酸化部１１の内部流路を流通することにより、変成触媒１０ａが約２００〜３００℃に、選択酸化触媒１１ａが１５０〜２００℃に維持される。
【００７７】
一方、燃料電池２のカソード電極２ｃ側には、カソード空気ブロワ８で空気を供給し、空気中の酸素の一部が発電で消費され、排空気は燃料電池システム１の外に放出される。
【００７８】
そして、燃料電池２が発電した電力は、図示しない外部負荷により消費される。
【００７９】
以下に、燃料電池システム１の発電停止運転時の動作について説明する。
【００８０】
まず、燃料電池２と外部負荷との接続を遮断した後、燃料電池２へのカソード空気ブロワ８による空気の供給と、原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止する。同時に、燃料電池バイパス弁１６、燃料電池入口弁１７、燃料電池出口弁１８を閉止する。このとき、水蒸気発生装置４も同時に停止させ、水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４への水蒸気の供給も停止させる。
【００８１】
つぎに、所定時間経過後、改質触媒９ａの温度が約３００℃まで外気により冷却された場合、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により原料ガスであるＬＰＧを改質部９、変成部１０、選択酸化部１１に順次供給して、各触媒の充填層中に水蒸気を含む改質ガスをパージする。このとき、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度は１００℃以上であるため、改質ガス中の水蒸気が各触媒の表面に凝縮することはない。その後、各触媒の充填層中から水蒸気を含む改質ガスがＬＰＧにより充分パージできる所定時間、ＬＰＧを供給した後、燃料電池バイパス弁１６を閉止して原料ガス供給装置６を停止する。
【００８２】
さらに、燃料処理器３が雰囲気温度との温度差によって放熱して冷えると、燃料処理器３中で熱せられていたＬＰＧの体積収縮により、燃料処理器３中の圧力が低下する。しかし、所定時間ごとに原料ガス供給装置６でＬＰＧを供給することにより、燃料処理器３中の圧力が正圧に保たれる。なお、以下適宜、正圧を保つためにＬＰＧを燃料処理器３中に供給する動作を、圧張り動作と記して説明する。
【００８３】
上記パージおよび圧張り動作により、温度低下後の変成触媒１０ａには、充分にＬＰＧが吸着する。このとき、都市ガス又はＬＰＧは、実際にはメタンやプロパンなどの炭化水素系ガス成分の混合ガスであるため、各炭化水素系ガスにより、触媒への吸着しやすさが異なる。具体的には、分子量が大きい炭化水素系ガス成分の方が、分子量の小さい炭化水素系ガス成分より吸着されやすい傾向にある。しかし、本実施の形態で用いたＬＰＧは、主成分のプロパンが構成の約９８％を占めるため、略プロパンの単一組成のガスとして取り扱っても支障がない。そこで、変成触媒１０ａに吸着していた原料ガス成分についても原料ガスとして記述している。
【００８４】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム１の起動運転の動作について、図面を用いて説明する。
【００８５】
図４は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。
【００８６】
図４に示すように燃料電池システム１の起動運転時には、まず、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃにより変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する（ステップＳ１）。
【００８７】
つぎに、ステップＳ１とほぼ同時に、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。このとき、ステップＳ１のヒータによる触媒の加熱とステップＳ２のバーナ部１２への原料ガスおよび燃焼用空気の供給開始および着火は、同じタイミングで行ってもよいし、また、順序が逆であってもよい。
【００８８】
そして、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱が開始すると、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【００８９】
また、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【００９０】
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、所定の温度（Ｔｈ１）と比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３のＮｏ）、変成触媒１０ａの現在の温度と、所定時間前の温度からの温度上昇速度から、変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧの量を推測する（ステップＳ４）。
【００９１】
そして、変成ヒータ１０ｃの出力を制御して単位時間当たりの脱離ＬＰＧの量がほぼ一定になるように調整する。さらに、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量に対して、原料ガス供給装置６によってバーナ部１２に供給する原料ガスであるＬＰＧの量と脱離原料ガスである脱離ＬＰＧの量との合算量が適切な比率となるように調整する（ステップＳ５）。
【００９２】
ここで、バーナ部１２に供給するＬＰＧの量（または改質ガスの量、またはオフガスの量）と空気の量との適切な比率とは、バーナ部に供給したＬＰＧ（または改質ガス、またはオフガス）を完全に燃焼させて二酸化炭素と水（水蒸気）にするのに必要な酸素量を含む空気量の所定の倍数の量である。そこで、以下では、空気量とＬＰＧの量との比率を、空燃比と記して説明する。すなわち、例えば空燃比１．０とは、供給した空気中の酸素量とＬＰＧとが理想的に燃焼した場合に過不足なく二酸化炭素と水とになる比率で、例えば空燃比２．０とは、供給した空気中の酸素量の半分が、燃焼に使われないまま燃焼排ガス中に残存する比率であることを示す。
【００９３】
本実施の形態の燃料電池システム１では、ステップＳ２およびステップＳ７での空燃比を２．５〜３．０に設定した。なお、空燃比が大きすぎたり、逆に小さすぎる場合、着火性が悪くなったり、着火しても不完全燃焼が起こって一酸化炭素が発生し、燃焼排ガスとして燃料電池システム１外に放出されたり、失火することになる。
【００９４】
そして、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度および温度上昇速度に基づく変成ヒータ１０ｃによる脱離ＬＰＧ量の調整（ステップＳ５）は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３のＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上で、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達する（ステップＳ６のＹｅｓ）まで続けられる。なお、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が約１５０℃になると、変成触媒１０ａに吸着しているＬＰＧの残量が少なくなるため、変成ヒータ１０ｃの出力調整では脱離ＬＰＧの量をそれまでの量と略一定に保つことができなくなる。その場合には、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスであるＬＰＧの量又は、燃焼空気ファン７で供給する燃焼空気の量を調整することで所定の空燃比に調整する。
【００９５】
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにして、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を終了する（ステップＳ７）。
【００９６】
つぎに、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ８）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように原料ガスの量が調整される。
【００９７】
なお、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度が１００℃を超えない場合に水蒸気を供給すると、水蒸気が凝縮してガスの流れを阻害することがある。そのため、ステップＳ６でＹｅｓとなる改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上および選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上という条件は、温度分布を持つ各触媒の全体の温度が１００℃以上となるための代表的な温度センサの温度である。また、改質触媒９ａの温度が４００℃を超えている場合に水蒸気が供給されていないと、改質触媒表面にカーボンが析出し、触媒の機能が低下してしまう恐れがある。そのため、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が４００℃を超えないうちに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１００℃を超えるように設計的な配慮が必要となる。
【００９８】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ９）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ９のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ９のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ９のＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
【００９９】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度と温度上昇速度に基づいて脱離原料ガスの量を推測し、この推定値に応じて変成温度センサ１０ｂの出力を調整し変成触媒１０ａの温度上昇速度を制御することにより脱離原料ガスの量を調整する。これにより、燃焼空気ファン７から供給した燃焼用空気と原料ガスとの比率が所定の空燃比になるように制御して、バーナ部１２に供給して燃焼させることができる。その結果、バーナ部１２における不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
【０１００】
なお、本実施の形態の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時における変成触媒１０ａからの脱離ＬＰＧの量を、変成触媒１０ａの温度を検知する変成温度センサ１０ｂの値に基づいて推測した例で説明したが、これに限られない。例えば、図５に示すように、加熱開始からの経過時間（ｔ１）を計測するタイマにより変成触媒１０ａの温度を推測し、さらにそこから変成触媒１０ａから脱離するＬＰＧの量を推測することもできる。そこで、以下に、図５を用いて、その方法を具体的に説明する。
【０１０１】
図５は、本実施の形態の燃料電池システム１における起動運転時での改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａの温度上昇の様子を示す図である。
【０１０２】
図５に示すように、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａの加熱開始からの経過時間（ｔ１）に対して、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）および選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）は決まる。そこで、燃料電池システム１の起動運転時に、まず、タイマにより加熱開始からの経過時間（ｔ１）を計測し、そのときの変成触媒１０ａの温度を推測する。そして、この変成触媒１０ａの温度に基づいて、変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの量を推測する。さらに、この推測に基づいて、制御部５を介して原料ガスの量を調整して制御するものである。この場合、加熱を開始する際の変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が分からなければならないが、例えば、改質触媒９ａの温度を検知する温度センサや選択酸化触媒１１ａの温度を検知する温度センサなどで代用することが可能である。
【０１０３】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知する変成温度センサ１０ｂを設けた例で説明し、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＫ、ＴｈＳ）の温度を検知する手段についての記載はしていない。しかし、改質触媒９ａの温度を検知する改質温度センサおよび選択酸化触媒１１ａの温度を検知する選択酸化温度センサを個別に設けてもよく、また変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度から、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度を検知してもよい。
【０１０４】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を増減して調整する例で説明したが、これに限られない。例えば、各触媒から脱離する脱離原料ガスの量と原料ガス供給装置から供給する原料ガスの量との合算量とを増減させて調整してもよい。これにより、各触媒の温度上昇の速度を変化させることが可能となる。すなわち、合算量を少なくした場合、各触媒の温度上昇の速度が遅くなり、昇温時における各触媒内の温度分布の発生を抑制して、均一な反応によって効率を向上できる。さらに、このとき、温度上昇の速度を比較的遅くすることにより、急激な温度変化によって燃料処理器３を構成する構造体又は各触媒の耐久性の低下を抑制することができる。逆に、合算量を増加させた場合、各触媒の温度上昇の速度を速めることができるため、燃料電池システムの起動運転の時間を短くすることができる。
【０１０５】
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１における別の起動運転の方法を、図６を用いて説明する。
【０１０６】
図６は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１における別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
【０１０７】
図６に示すように、燃料電池システム１の起動運転には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７を動作させて、原料ガスであるＬＰＧと空気をそれぞれ供給する（ステップＳ１）。そして、バーナ部１２に供給されたＬＰＧと燃焼用空気を、図示しない着火装置で着火する。これにより、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始する（ステップＳ２）。
【０１０８】
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの昇温を確認したら、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃに通電を開始し、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃでの変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する（ステップＳ３）。
【０１０９】
つぎに、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱を開始して所定時間経過後、原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止し、変成触媒１０ａの昇温に伴って変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスのみを燃焼させる（ステップＳ４）。
【０１１０】
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ５）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ５のＮｏ）、変成触媒１０ａの温度と温度変化速度から脱離ＬＰＧの量を推測する（ステップＳ６）。さらに、変成ヒータ１０ｃの出力を制御部５で制御して、脱離ＬＰＧの量を燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼空気と空燃比が所定の範囲に入るように調整する（ステップＳ７）。このとき、燃焼空気ファン７からバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を調整してもよい。なお、所定の温度（Ｔｈ１）とは、変成触媒１０ａの昇温によって脱離してくる脱離ＬＰＧのみでバーナ部１２での燃焼を継続することが可能な温度である。すなわち、図３からも判るように、変成触媒１０ａの温度が所定温度以上になると、触媒の温度および昇温速度を変化させても、脱離してくる脱離ＬＰＧの量が少なくなる。その結果、バーナ部１２で燃焼を継続することが困難になるため、本実施の形態の燃料電池システム１では、所定の温度（Ｔｈ１）を１５０℃とした。
【０１１１】
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を超えると（ステップＳ５のＹｅｓ）、原料ガス供給装置６を動作させて原料ガス供給装置６からバーナ部１２へのＬＰＧの供給を再開する（ステップＳ８）。このとき、図示しない着火装置を動作させておくことにより、燃焼を継続させることができる。また、もし失火していた場合でも再着火によって燃料電池システム１の起動運転を継続することが可能である。
【０１１２】
そして、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達するまで、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱とバーナ部１２での燃焼による燃焼排ガスでの加熱が継続される（ステップＳ９のＮｏ）。なお、ステップＳ９のＮｏの場合において、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃を超えているが、他の触媒が温度条件を満たされていない場合、変成ヒータ１０ｃをＯＦＦにし、他の触媒が温度条件を満たすまで待機してもよい。同様に、選択酸化触媒１１ａが温度条件を満たしているが、変成触媒１０ａが温度条件を満たしていない場合も、選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにして変成触媒１０ａが温度条件を満たすまで待機してもよい。
【０１１３】
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ９のＹｅｓ）、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにしてヒータによる加熱を終了する（ステップＳ１０）。
【０１１４】
つぎに、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａ充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ１１）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように原料ガス供給装置６から供給される原料ガスであるＬＰＧの量は調整される。
【０１１５】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ１２）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ１２のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ１２のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。
【０１１６】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１の別の起動運転の方法によれば、ヒータ加熱開始後、原料ガス供給装置からの原料ガス供給を一度停止し、変成触媒に吸着した原料ガスを優先的に燃焼させることにより、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスと同時に燃焼させる場合に比べ、触媒の温度上昇を緩やかにできる。すなわち、各触媒の温度上昇が急である場合に発生する各触媒の充填層中の温度分布（ばらつき）の発生を抑制することができる。また、各触媒および燃料処理器３を構成する各円筒体の急激な温度変化による劣化を抑制することが可能となる。
【０１１７】
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおけるさらに別の起動運転の方法を、図７を用いて説明する。
【０１１８】
図７は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおけるさらに別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
【０１１９】
図７に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、変成ヒータ１０ｃと選択酸化ヒータ１１ｃの通電を開始して変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する。同時に、燃焼空気ファン７を駆動してバーナ部１２に燃焼用空気を送風する（ステップＳ１）。つまり、着火装置（図示せず）を動作させない点で、上記他の燃料電池システムの起動運転とは異なる。
【０１２０】
このとき、変成触媒１０ａの温度上昇とともに、脱離ＬＰＧがバーナ部１２に供給されるが、燃焼用空気とともに希釈されて燃焼排ガス経路１３から燃料電池システム外に排気される。そして、脱離ＬＰＧを燃焼用空気で希釈して燃料電池システム１外に排気する際には、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と温度上昇速度から脱離ＬＰＧの量を推測し、排気する脱離ＬＰＧの濃度が可燃範囲に入らないように、変成ヒータ１０ｃの出力を制御して脱離ＬＰＧの量を調整する。この場合、燃焼空気ファン７からバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を調整して排気する脱離ＬＰＧの濃度が燃焼範囲に入らないようにしてもよい。
【０１２１】
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ２）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を超えると（ステップＳ２のＹｅｓ）、着火装置（図示せず）を動作させ、原料ガス供給装置６を動作させてバーナ部１２にＬＰＧを供給して着火する（ステップＳ３）。これにより、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａは変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱と燃焼排ガスによる加熱に変わって、燃焼排ガスによる改質触媒９ａの加熱が開始され、所定の温度条件を満たすまで加熱が行われる。なお、所定の温度（Ｔｈ１）は、変成触媒１０ａからＬＰＧが脱離しにくくなる１８０℃とした。
【０１２２】
以降の制御の流れ（ステップＳ４からステップＳ７）は、図６で示した燃料電池システムの起動運転の制御の流れのステップＳ９からステップＳ１２と同じであるので、説明は省略する。
【０１２３】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１の別の起動運転の方法によれば、燃料電池システム１の起動運転時に、まず変成ヒータ１０ｃで変成触媒１０ａを加熱して、変成触媒１０ａからの脱離ＬＰＧを燃焼用空気で燃料電池システム１外に希釈排気するため、比較的簡単な制御で燃料電池システム１を安定して起動することができる。
【０１２４】
なお、上記実施の形態では、変成触媒１０ａから脱離する原料ガスの量のみを対象として燃焼用空気の量を調整する燃料電池システム１を例に説明した。この理由は、本実施の形態で使用した改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａへの原料ガスであるＬＰＧの吸着量がほとんどなく、空燃比に与える影響が充分小さいという実験結果に基づいたものである。
【０１２５】
しかし、通常、原料ガスの種類又は触媒の種類、形状が異なれば、変成触媒１０ａ以外の改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａに原料ガスが吸着する。そして、温度上昇とともに脱離する脱離原料ガスの量が空燃比に与える影響が大きくなる場合がある。この場合には、まず、各触媒の温度上昇による原料ガスの脱離量を、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１ごとに実験的に求めて、燃料電池システム１の起動運転時に、各触媒の温度から各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を推測して制御することにより、同様の作用効果が得られる。以下の実施の形態でも同様である。
【０１２６】
なお、本実施の形態の燃料電池システム１では、一酸化炭素低減部として変成触媒１０ａを充填した変成部１０と選択酸化触媒１１ａを充填した選択酸化部１１とを用いた例で説明したが、これに限られない。例えば、実施の形態１と同様に、燃料電池が改質ガス中の一酸化炭素に対する耐性が高いものであれば、選択酸化部１１はなくてもよく、また変成部１０がなくて選択酸化もしくはメタネーションによる一酸化炭素低減部のみでもよい。
【０１２７】
また、図６および図７で示した燃料電池システム１の起動運転の制御の流れでは、変成触媒１０ａの温度が所定の温度Ｔｈ１に到達した後、原料ガス供給装置６によるＬＰＧの供給を開始する例で説明したが、これに限られない。例えば、図５で示したように、加熱開始からの経過時間と触媒の温度との関係に基づいて、ヒータによる加熱の開始後、所定時間が経過してから原料ガス供給装置によるＬＰＧの供給を開始するようにしてもよい。
【０１２８】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。なお、図８において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０１２９】
図８に示すように、本実施の形態２の燃料電池システム１は、燃料電池システム１の変成部１０および選択酸化部１１から変成ヒータおよび選択酸化ヒータを取り除いた点で実施の形態１の燃料電池システム１と異なる。
【０１３０】
すなわち、図８に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、実施の形態１に示す燃料電池システム１が、一部ヒータで変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａを加熱するのに対して、起動運転時に原料ガス供給装置６からバーナ部１２に供給するＬＰＧの量と、燃焼空気ファン７からバーナ部１２に供給する燃焼空気の量とを調整することにより、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱量を調整する構成としたものである。
【０１３１】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム１の起動運転の動作について、図８を参照しながら、図９を用いて説明する。
【０１３２】
図９は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の実施の形態１と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
【０１３３】
図９に示すように燃料電池システム１の起動運転時には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する（ステップＳ１）。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され（ステップＳ１）、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。
【０１３４】
そして、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【０１３５】
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３のＮｏ）、変成触媒１０ａの現在の温度（ＴｈＨ）と、所定時間前の温度からの温度上昇速度から、制御部５によって変成触媒１０ａから単位時間当たりに脱離してくる脱離ＬＰＧの量を推測する（ステップＳ４）。
【０１３６】
つぎに、脱離ＬＰＧ量の推測値に基づいて、原料ガス供給装置６でバーナ部１２に供給するＬＰＧの量と燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気との少なくともいずれか一方の量を制御して変成触媒１０ａの昇温速度を制御して脱離ＬＰＧの量を調整する（ステップＳ５）。このとき、バーナ部１２での燃焼が安定するように原料ガス供給装置６でバーナ部１２に供給するＬＰＧの量と脱離ＬＰＧの量との合算量と、燃焼空気ファン７からバーナ部１２に供給する燃焼用空気との比率である空燃比が所定の範囲内に入るように調整する必要がある。さらに、空燃比が所定の範囲内で、原料ガス供給装置６から供給するＬＰＧの量と燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の量を調整することにより、改質触媒９ａを加熱する燃焼熱と、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａを加熱する燃焼排ガスの量を調整することができるので、各触媒の昇温速度を制御することが可能である。
【０１３７】
そして、変成温度センサ１０ｂで検知した温度に基づく原料ガス供給装置６による原料ガス量および燃焼空気ファン７による燃焼用空気の調整は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３のＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃を超え、かつ、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１５０℃を超え、かつ、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃を超えるまで（ステップＳ６のＹｅｓ）続けられる。
【０１３８】
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始し、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａ充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ７）。
【０１３９】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ８）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ８のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ８のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ８のＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
【０１４０】
以上説明したように、本実施の形態２の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇による脱離原料ガスの単位時間当たりの量を、変成温度センサで検知した変成触媒の温度と、変成触媒１０ａの温度上昇速度に基づいて推測し、この推測値に応じて原料ガス供給装置６から供給する原料ガスの量および燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の量を調整する。これにより、バーナ部１２において、燃焼空気ファン７から供給した燃焼用空気と原料ガスとの比率が所定の空燃比になるように制御することができる。その結果、バーナ部１２における不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。また、バーナ部１２で燃焼させる脱離原料ガスを含む原料ガスの量と燃焼用空気量を調整することによって、各触媒の昇温速度を制御することが可能となる。
【０１４１】
以下に、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１における別の起動運転の方法を、図１０を用いて説明する。
【０１４２】
図１０は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１における別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
【０１４３】
図１０に示すように、燃料電池システム１の起動運転には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７を動作させて、原料ガスであるＬＰＧと空気をそれぞれ供給する（ステップＳ１）。そして、バーナ部１２に供給されたＬＰＧと燃焼用空気とを、図示しない着火装置で着火する。これにより、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始する（ステップＳ２）。
【０１４４】
つぎに、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が上昇を開始するので、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ３）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）に到達したら（ステップＳ３のＹｅｓ）、原料ガス供給装置６を停止する（ステップＳ４）。このとき、バーナ部１２には原料ガス供給装置６からのＬＰＧの供給が停止するが、変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧがバーナ部１２に供給されているために燃焼が継続する。
【０１４５】
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して（ステップＳ５）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ２）よりも低い温度ならば（ステップＳ５のＮｏ）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と温度上昇速度から、変成触媒１０ａから単位時間当たりに脱離してバーナ部１２に供給される脱離ＬＰＧの量を制御部５で推測する（ステップＳ６）。そして、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を、空燃比が所定の範囲内となるように調整する（ステップＳ７）。なお、同じ脱離ＬＰＧを燃焼させた場合、本実施の形態２の燃料電池システム１では、空燃比が高い、すなわち燃焼用空気量が多い方が、空燃比が低い場合に比べ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度上昇速度は速くなった。
【０１４６】
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ２）を超えると（ステップＳ５のＹｅｓ）、再び原料ガス供給装置６を動作させて原料ガス供給装置６からバーナ部１２にＬＰＧを供給する（ステップＳ８）。そして、原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧの量と燃焼空気ファン７で供給する燃焼用空気の量の少なくとも一方を、脱離してくる脱離ＬＰＧの量に応じて調整する（ステップＳ９）。
【０１４７】
そして、変成温度センサ１０ｂで検知した温度に基づく原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧ量および燃焼空気ファン７で供給する燃焼用空気量の調整は、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃を超え、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃を超え、かつ、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃を超えるまで（ステップＳ１０のＹｅｓ）続けられる。
【０１４８】
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ１０のＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａ充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ１１）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように原料ガス供給装置６から供給される原料ガスであるＬＰＧの量は調整される。
【０１４９】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ１２）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ１２のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ１２のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。
【０１５０】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１の別の起動運転の方法によれば、各触媒の温度上昇が、図１０中のステップＳ８までの間、図９に示した制御の流れで燃料電池システム１の起動運転よりも緩やかになる。これにより、各触媒の温度上昇が急である場合に発生する各触媒の充填層中の温度分布（ばらつき）の発生を抑制することができる。また、各触媒および燃料処理器３を構成する各円筒体の急激な温度変化による劣化を抑制することが可能となる。
【０１５１】
なお、本実施の形態の別の起動運転の制御では、変成触媒１０ａの温度が所定の温度Ｔｈ１に到達した後、原料ガス供給装置６によるＬＰＧの供給を停止する例で説明したが、これに限られない。例えば、変成触媒１０ａの加熱開始から所定時間経過後、もしくは原料ガス供給装置６を駆動開始してから所定時間経過後に原料ガス供給装置６によるＬＰＧの供給を停止することも可能である。これは、図５で示した加熱開始からの経過時間と触媒の温度との関係からも明らかであり、同様の作用効果が得られる。
【０１５２】
なお、本実施の形態の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時にバーナ部１２で燃焼させる原料ガスが燃料処理器３を介してバーナ部１２に供給される構成とした例で説明したが、これに限られない。例えば、原料ガス供給装置６から直接バーナ部１２に原料ガスを供給する経路を備えて、燃料電池システム１の起動運転時に原料ガスを直接バーナ部１２に供給して燃焼させる構成としてもよい。このとき、燃料処理器３の温度上昇による圧力上昇を抑制するために、燃料処理器３からバーナ部１２に至る原料ガス経路を連通させる必要があるが、各触媒から脱離する原料ガスの量を推測して燃焼用空気の量を調整することで同様の効果を得ることができる。
【０１５３】
また、上記実施の形態では、変成触媒１０ａから脱離する原料ガスの量のみを対象として燃焼用空気の量を調整する燃料電池システム１を例に説明した。この理由は、本実施の形態で使用した改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａへの原料ガスであるＬＰＧの吸着量がほとんどなく、空燃比に与える影響が充分小さいという実験結果に基づいたものである。
【０１５４】
しかし、通常、原料ガスの種類又は触媒の種類、形状が異なれば、変成触媒１０ａ以外の改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａに原料ガスが吸着する。そして、温度上昇とともに脱離する脱離原料ガスの量が空燃比に与える影響が大きくなる場合がある。この場合には、各触媒の温度上昇による原料ガスの脱離量を、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１ごとに実験的に求めて、燃料電池システム１の起動運転時に、各触媒の温度とその温度上昇速度とから各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を推測する。そして、各触媒からの脱離原料ガスの合算量に応じて、原料ガス供給装置６から供給する原料ガス量および燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気量を調整して、バーナ部１２での空燃比が所定の範囲内となるようにすればよい。
【０１５５】
なお、本実施の形態の燃料電池システム１では、一酸化炭素低減部として変成触媒１０ａを充填した変成部１０と選択酸化触媒１１ａを充填した選択酸化部１１とを用いた例で説明したが、これに限られない。例えば、燃料電池２が改質ガス中の一酸化炭素に対する耐性が高いものであれば、選択酸化部１１はなくてもよく、また変成部１０がなくて選択酸化もしくはメタネーションによる一酸化炭素低減部のみでもよい。
【０１５６】
また、本実施の形態の燃料電池システムでは、１つのバーナ部１２を備えた例で説明したが、例えば起動運転時に触媒を加熱する加熱用バーナ部を、さらに備えた燃料電池システム１でもよい。
【０１５７】
そこで、以下に、加熱用バーナ部を備えた燃料電池システム１の構成の一例について、図面を用いて説明する。
【０１５８】
図１１は、本発明の実施の形態２における燃料電池システム１の別の例を説明する模式図である。
【０１５９】
図１１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、バーナ部１２と、加熱用バーナ部３４と、バーナ前切換弁３５および燃焼用空気経路切換弁３６を、さらに備えている。ここで、バーナ前切換弁３５は、制御部５の信号に基づいて、原料ガス経路１５からの原料ガスを、バーナ部１２または加熱用バーナ部３４に切り替えて供給する。また、燃焼用空気経路切換弁３６は、制御部５の信号に基づいて、燃焼用空気をバーナ部１２または加熱用バーナ部３４に切り替えて供給する。そして、加熱用バーナ部３４は、バーナ部１２と同様に、燃焼熱および燃焼排ガスで改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａを加熱昇温する。
【０１６０】
このとき、加熱用バーナ部３４は、バーナ部１２に比べて小型化が可能で、少量の原料ガスでも燃焼できるとともに、各触媒の温度上昇の速度の制御性を高めることができる。そのため、燃料電池システム１の起動運転時に、加熱用バーナ部３４を用いることにより、触媒の加熱量を比較的精度よく調整することができる。
【０１６１】
上記で説明したように、本実施の形態によれば、加熱用バーナ部３４を別途設けることにより、比較的精度よく触媒の温度上昇速度を制御して、脱離原料ガスの量を精度よく調整できる。その結果、バーナ部１２での空燃比を所定の範囲内に保ち、安定した起動運転が可能な燃料電池システムを実現できる。
【０１６２】
（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１２において実施の形態１および２における燃料電池システム１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１２に示すように、本実施の形態３の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の原料ガス経路１５に、原料ガス経路１５を流通する流量計４０を設けた点で実施の形態１の燃料電池システムと異なる。
【０１６３】
流量計４０は燃料電池システム１の起動運転時に、原料ガス供給装置６から供給される原料ガスの流量と、燃料処理器３の触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量との合算流量を計測するものである。ここで、燃料電池システム１の起動運転時においては、バーナ部１２に供給される燃焼用ガスとは、この原料ガス供給装置６から供給される原料ガスと、燃料処理器３の触媒から脱離してくる脱離原料ガスとのことを示す。そして流量計４０は、流量計４０で計測した燃焼用ガスの流量を信号として制御部５に入力するように配線されている。
【０１６４】
以下に本実施の形態３の燃料電池システム１の起動運転時の動作について、図１２を参照しながら図１３を用いて説明する。図１３は、本実施の形態３の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の他の実施の形態と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
【０１６５】
図１３に示すよう、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃにより変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する（ステップＳ１）。
【０１６６】
次に、ステップＳ１とほぼ同時に、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。このとき、ステップＳ１のヒータによる触媒の加熱とステップＳ２のバーナ部１２への原料ガスおよび燃焼用空気の供給開始および着火は、同じタイミングで行ってもよいし、また、順序が逆であってもよい。
【０１６７】
そして、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱が開始すると、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。また、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【０１６８】
次に、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、所定の温度（Ｔｈ１）と比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３のＮｏ）には、流量計４０で、原料ガス供給装置６から供給するＬＰＧの流量と、変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧの流量との合算の流量を計測する（ステップＳ４）。
【０１６９】
そして、変成ヒータ１０ｃの出力を制御して単位時間当たりの脱離ＬＰＧの量がほぼ一定になり、流量計４０で計測する流量がほぼ一定になるように調整する。すなわち、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量に対して、原料ガス供給装置６によってバーナ部１２に供給する原料ガスであるＬＰＧの量と脱離原料ガスである脱離ＬＰＧの量との合算量が適切な比率となるように調整する（ステップＳ５）。
【０１７０】
ここで、上記適切な比率とは、実施の形態１と同様に、ステップＳ２からステップＳ７において、空燃比で２．５〜３．０となるように設定した。そして、流量計４０で検知した流量に基づく変成ヒータ１０ｃによる脱離ＬＰＧ量の調整（ステップＳ５）は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３のＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上で、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達する（ステップＳ６のＹｅｓ）まで続けられる。なお、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が約１５０℃になると、変成触媒１０ａに吸着しているＬＰＧの残量が少なくなるため、変成ヒータ１０ｃの出力調整では脱離ＬＰＧの量をそれまでの量と略一定に保つことができなくなる。その場合には、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスであるＬＰＧの量や、燃焼空気ファン７で供給する燃焼空気の量を調整することで所定の空燃比に調整する。
【０１７１】
次に、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにして、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を終了する（ステップＳ７）。
【０１７２】
つぎに、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ８）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように原料ガスの量が調整される。
【０１７３】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ９）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ９のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ９のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ９のＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
【０１７４】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇によって脱離してくる脱離原料ガスの流量を、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスの流量とあわせて流量計によって計測し、流量計の計測値に基づいて変成ヒータ１０ｃの出力を調整することで脱離原料ガスの流量を調整することが可能であるため、バーナ部１２に供給される燃焼用ガス（すなわち、原料ガス供給装置６から供給される原料ガスと脱離原料ガスとの混合ガス）の流量をほぼ一定に保つことで、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
【０１７５】
なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０を原料ガス経路に設けたが、これは燃料電池バイパス経路またはオフガス経路に設けても良い。
【０１７６】
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時に燃料処理器３を介してバーナ部１２に原料ガス供給装置６から供給する原料ガスを供給したが、これは、別途原料ガス供給経路１４から分岐してバーナ部１２に直接原料ガスを供給する分岐経路と、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスを燃料処理器３に供給するか、バーナ部１２に分岐経路を介して直接供給するかを切り替える流路切替手段とを設け、燃料電池システム１の起動初期で、燃料処理器３の各触媒の温度が一酸化炭素濃度が十分低減され、水素を十分に含む良質の改質ガスを生成するのに適した所定の温度に到達するまでは、分岐経路を介してバーナ部１２に直接原料ガス供給装置６から供給した原料ガスを供給する燃料電池システム１でも良い。この場合、流量計４０では、燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量を計測することになり、制御部５では、流量計４０で計測した脱離原料ガスの流量と、原料ガス供給装置６から供給した原料ガスとの合算量を燃焼空気ファン７で供給する燃焼用空気の流量に対応した流量に調整することで、本実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
【０１７７】
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０を用いて原料ガス供給装置６から供給した原料ガスの流量と、燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量の合算量を計測したが、これは圧力計を用いても良い。すなわち、例えば原料ガス経路に圧力計を接続しておき、事前に原料ガス経路を流れるガス流量と圧力との関係を制御部５に記憶させておき、燃料電池システム１の起動運転時に、この圧力計で計測した値に基づいてバーナ部１２に供給される原料ガスの流量（すなわち原料ガス供給装置６から供給される原料ガスの流量と燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量との合算量）を推測し、その推測値に基づいて制御部５が変成ヒータ１０ｃの出力を制御して脱離原料ガスの流量を調整して燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の流量に対応した燃焼用ガスがバーナ部１２に供給されるように制御することで、本実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
【０１７８】
また、なお、本実施の形態３においては、原料ガスとしてＬＰＧを用いて説明したが、他の実施の形態と同様に原料ガスはこれに限らず、都市ガス又は灯油など他の炭化水素系の原料を用いることも可能である。灯油などの液体の炭化水素系原料を用いる場合は、気化させてガスとする事が好ましい。また、原料ガスの種類が変わった場合には、燃料処理器３の各触媒に吸着する原料ガスの量又は各触媒の温度と脱離原料ガス流量の挙動が異なることが予測されるが、本実施の形態３の燃料電池システム１では、バーナ部１２に供給される脱離原料ガスを含む原料ガスの流量を計測し、その計測値に基づいて変成ヒータ１０ｃの出力を調整することで脱離原料ガスの流量を調整するので、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。ただし、流量計４０は、原料ガスの種類によって、その原料ガスの流量を計測できる流量計４０を用いる必要がある。
【０１７９】
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０で検知した燃焼用ガスの流量に基づいた変成ヒータ１０ｃの出力制御による脱離原料ガスの流量制御を終了するタイミングを、燃料処理器の各触媒の温度が所定の温度以上に到達したが、これは、各触媒の温度が上昇して脱離原料ガスがバーナ部１２での燃焼に影響を与えなくなる温度を超えれば、これに限らない。
【０１８０】
（実施の形態４）
図１４は、本発明の実施の形態４における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。図１４において先の実施の形態１から３における燃料電池システム１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１４に示すように、本実施の形態４の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の燃焼排ガス経路１３に、排ガス分析手段に相当する、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計４１を設けた点で実施の形態１の燃料電池システム１と異なる。
【０１８１】
酸素濃度計４１は、バーナ部１２で燃焼用空気とともに原料ガス又はオフガス、改質ガスなどを燃焼させた後の燃焼排ガス中の酸素濃度を計測するものであり、計測した値を制御部５に信号として入力するように電気的に接続されている。
【０１８２】
以下に本実施の形態４の燃料電池システム１の起動運転時の動作について、図１４を参照しながら図１５を用いて説明する。図１５は、本実施の形態４の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の他の実施の形態と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
【０１８３】
図１５に示すよう、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃにより変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する（ステップＳ１）。
【０１８４】
次に、ステップＳ１とほぼ同時に、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。このとき、ステップＳ１のヒータによる触媒の加熱とステップＳ２のバーナ部１２への原料ガスおよび燃焼用空気の供給開始および着火は、同じタイミングで行ってもよいし、また、順序が逆であってもよい。
【０１８５】
そして、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱が開始すると、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。また、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【０１８６】
次に、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、所定の温度（Ｔｈ１）と比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３のＮｏ）には、酸素濃度計４１でバーナ部１２から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の計測を開始し、制御部５への入力を開始する（ステップＳ４）。
【０１８７】
次に、制御部５では、酸素濃度計４１で計測した酸素濃度に基づいて、酸素濃度計４１の計測する酸素濃度が所定の酸素濃度となるように、変成ヒータ１０ｃの出力を制御して、変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの流量を調整することにより、酸素濃度計４１の計測する酸素濃度が所定の酸素濃度となるよう制御する（ステップＳ５）。具体的には、酸素濃度計４１で計測する燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度よりも低い場合は、変成ヒータ１０ｃの出力を減少させ、脱離ＬＰＧの流量を減少させ、逆に燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度よりも高い場合は、変成ヒータ１０ｃの出力を増加させ、脱離ＬＰＧの流量を増加させることで、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度となるようにする。すなわち、バーナ部１２での空燃比が所定の空燃比となるように制御する。
【０１８８】
そして、酸素濃度計４１で検知した流量に基づく変成ヒータ１０ｃによる脱離ＬＰＧ量の調整（ステップＳ５）は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３のＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上で、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達する（ステップＳ６のＹｅｓ）まで続けられる。なお、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が約１５０℃になると、変成触媒１０ａに吸着しているＬＰＧの残量が少なくなるため、変成ヒータ１０ｃの出力調整では脱離ＬＰＧの量をそれまでの量と略一定に保つことができなくなる。その場合には、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスであるＬＰＧの量又は、燃焼空気ファン７で供給する燃焼空気の量を調整することで所定の空燃比に調整する。
【０１８９】
次に、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにして、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を終了する（ステップＳ７）。
【０１９０】
つぎに、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ８）。
【０１９１】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ９）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ９のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ９のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ９のＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
【０１９２】
以上説明したように、本実施の形態４の燃料電池システム１によれば、起動運転時に、燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて脱離原料ガスの流量が調整されるために、燃料処理器３の触媒の温度が上昇し、触媒に吸着していた原料ガスが脱離してバーナ部１２に供給された場合でも、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
【０１９３】
なお、本実施の形態４の燃料電池システム１では、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計４１を用いて、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の濃度となるように脱離原料ガスの流量を調整したが、これは、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計を用いても良い。この場合、燃料処理器の触媒温度が上昇を開始して脱離原料ガスによってバーナ部１２で燃焼される燃焼用ガスの流量が増加してくると、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度が上昇してくるため、それに対応して脱離原料ガスの流量を減少させてやれば、本実施の形態４の燃料電池システム１と同様の効果を得ることができる。
【０１９４】
本出願は、2009年5月12日出願の日本特許出願（特願2009−115414）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１９５】
本発明にかかる燃料電池システムは、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができるので、都市ガス又はＬＰＧなどの炭化水素系原料を水蒸気改質して利用する燃料電池システムの技術分野に有用である。
【符号の説明】
【０１９６】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
２ａ  固体高分子電解質膜
２ｂ  アノード電極
２ｃ  カソード電極
３  燃料処理器
４  水蒸気発生装置
４ａ  水蒸気経路
５  制御部
６  原料ガス供給装置
７  燃焼空気ファン
７ａ  燃焼用空気経路
８  カソード空気ブロワ
９  改質部
９ａ  改質触媒
１０  変成部
１０ａ  変成触媒
１０ｂ  変成温度センサ
１０ｃ  変成ヒータ
１１  選択酸化部
１１ａ  選択酸化触媒
１１ｂ  選択酸化空気供給経路
１１ｃ  選択酸化ヒータ
１２  バーナ部
１３  燃焼排ガス経路
１４  原料ガス供給経路
１５  原料ガス経路
１５ａ  燃料電池入口経路
１５ｂ  燃料電池バイパス経路
１５ｃ  オフガス経路
１６  燃料電池バイパス弁
１７  燃料電池入口弁
１８  燃料電池出口弁
２０  第１円筒体
２１  第２円筒体
２２  第３円筒体
２３  第４円筒体
２４  第１ガス流路
２５  第２ガス流路
２６  燃焼室
２７  排気折り返し部
２８  原料ガス折り返し部
３４  加熱用バーナ部
３５  バーナ前切換弁
３６  燃焼用空気経路切換弁
４０  流量計
４１  酸素濃度計
【図１】
2010131448.tif 000003
【図２】
2010131448.tif 000004
【図３】
2010131448.tif 000005
【図４】
2010131448.tif 000006
【図５】
2010131448.tif 000007
【図６】
2010131448.tif 000008
【図７】
2010131448.tif 000009
【図８】
2010131448.tif 000010
【図９】
2010131448.tif 000011
【図１０】
2010131448.tif 000012
【図１１】
2010131448.tif 000013
【図１２】
2010131448.tif 000014
【図１３】
2010131448.tif 000015
【図１４】
2010131448.tif 000016
【図１５】
2010131448.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月9日(2010.9.9)
【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】
原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減部を通った前記改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと前記原料ガスと前記改質ガスとの少なくとも１つを燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、前記原料ガスを前記改質部と前記改質部を介してまたは直接前記バーナ部とに供給する原料ガス供給装置と、前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの起動運転時には、前記加熱手段を制御して、前記バーナ部の燃焼用空気の量と原料ガスの量との比率が所定の範囲内になるように、前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうちで脱離してくる脱離原料ガスの量を調整する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムの起動運転時に、前記バーナ部に供給される前記原料ガスと前記脱離原料ガスとのうち、少なくとも前記脱離原料ガスの流量を計測する計測手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記計測手段は、少なくとも前記脱離原料ガスの流量を計測する流量計であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記計測手段は、少なくとも前記脱離原料ガスの圧力を検知する圧力計であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記バーナ部で燃焼させた後の燃焼排ガス成分のうち、少なくとも一つの成分の濃度を検知する排ガス分析手段を備え、前記排ガス分析手段で検知した濃度に基づいて前記脱離原料ガスの量を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質触媒の温度と前記一酸化炭素低減触媒の温度と少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、
前記温度センサが検知した前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度に基づいて、前記燃料電池システムの起動運転時に、前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた前記原料ガスの成分中の脱離してくる前記脱離原料ガスの量を推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加熱手段の加熱開始からの経過時間を計測するタイマ手段を備え、
前記タイマ手段が計測した時間に基づいて、前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた前記原料ガスの成分のうち脱離してくる前記脱離原料ガスの量を推定する請求項１または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、前記加熱手段による加熱開始から所定時間経過後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記改質触媒の温度と前記一酸化炭素低減触媒の温度との少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、前記温度センサの検知する温度が所定の温度以上になった後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始した後、前記加熱手段による加熱開始から所定時間経過するか、または、前記温度センサが検知する温度が所定の温度以上となるまでは前記バーナ部では燃焼を行なわないことを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱中で、前記バーナ部において燃焼を行なわない期間は、前記燃焼用空気によって前記脱離原料ガスを可燃範囲以下の濃度で希釈することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池システムの起動時に、前記原料ガス供給装置と前記加熱手段とを動作させ、前記原料ガス供給装置で前記原料ガスを所定時間供給した後に前記原料ガス供給装置の動作を停止して、前記原料ガス供給装置の動作停止から所定時間経過後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、前記燃料電池システムの起動時に、前記原料ガス供給装置と前記加熱手段とを動作させ、前記原料ガス供給装置による前記原料ガスの供給開始から所定時間経過後、または前記温度センサが第１所定温度以上を検知後に前記原料ガス供給装置の動作を停止して、前記温度センサが第２所定温度以上を検知した後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記加熱手段は、電気ヒータである請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記加熱手段は、加熱用バーナ部からなり、
前記加熱用バーナ部の燃焼排ガスが前記改質部と前記一酸化炭素低減部の少なくとも一方を加熱する請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記バーナ部を前記加熱用バーナ部として用いる請求項１５に記載の燃料電池システム。
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月30日(2010.11.30)
【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、炭化水素系の原料を改質して生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素又は水素リッチガスを供給し、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して、電気化学反応によって発電を行う。近年、燃料電池で発電した電力とともに、燃料電池が発電する際に発生する熱を回収して熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが注目されている。
【０００３】
そして、燃料電池システムでは、燃料電池に必要な水素リッチガスを生成する方法の一つとして、都市ガス又はＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスを、水蒸気とともに改質触媒を充填した約７００℃の改質部で水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスにする方法がある。このとき、水蒸気改質において、改質部から出る改質ガス中に約１０〜１５％含まれる一酸化炭素が副生成物として生成される。なお、一酸化炭素は燃料電池の電極触媒を被毒して発電能力を低下させるため、改質ガス中の一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下に除去する必要がある。
【０００４】
そこで、通常、改質部の下流側には一酸化炭素低減部として、改質部から出た改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させて水素と二酸化炭素とに水性ガスシフト反応させる変成触媒を充填した変成部と、変成部で一酸化炭素濃度を低減させた改質ガスと空気とを供給して一酸化炭素と空気中の酸素とを選択酸化反応させて改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる選択酸化触媒を充填した選択酸化部とが連結されている。このとき、変成部では約２００℃以上で水性ガスシフト反応が行われ、選択酸化部では約１００℃で選択酸化反応が行われる。
【０００５】
また、改質部には昇温用のバーナ部が設けられている。そして、このバーナ部により燃料電池システムの発電時、バーナ部に供給した空気とともに、燃料電池の発電で使用されなかった改質ガス（以下、「オフガス」と記す場合がある）中の水素を燃焼させて、吸熱反応である改質反応が行われる改質触媒の温度が約７００℃に維持されている。さらに、燃料電池システムの起動運転時には、水素生成前の原料ガスおよび原料ガスと水素の混合ガスを燃焼させて、改質触媒の温度を昇温している。
【０００６】
なお、以下では、バーナ部を備えた改質部と変成部と選択酸化部とを連結した水素製造装置を、適宜、燃料処理器と記して説明する場合がある。
【０００７】
また、燃料電池システムの起動運転時には、原料ガスから改質ガスを生成するために、燃料処理器の各触媒を所定の温度まで昇温させる必要がある。そこで、原料ガスを燃料処理器に供給して、燃料処理器から出てきた原料ガスを燃料電池をバイパスする経路からバーナ部に戻して燃焼させ、その燃焼熱で燃料処理器の各触媒を加熱する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、燃料電池システムの発電を停止する時には、改質部への原料ガスと水蒸気との供給を停止させる。このとき、燃料処理器内に残った改質ガスの温度低下による体積収縮や温度低下に伴う改質ガス中の水蒸気の凝縮により燃料処理器内が減圧される。そこで、これを回避するために、燃料電池システムを停止する時、まず原料ガスと水蒸気の供給を停止し、燃料処理器の温度が所定の温度に低下した後に、原料ガスで燃料処理器中の改質ガスをパージする。そして、燃料処理器内の圧力が所定の圧力以下に低下したら、燃料処理器に原料ガスを供給して正圧を維持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２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２１８３５５号公報
【特許文献２】特許第４１３０６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、以下のような課題があった。
【００１１】
すなわち、従来の燃料電池システムは、燃料電池システムの発電を停止する時に、燃料処理器中の水蒸気を含む改質ガスのパージおよび燃料処理器内の圧力を正圧に保つために、燃料処理器に都市ガス又はＬＰＧなどの原料ガスを供給する。このとき、燃料電池システムの停止中の各触媒の温度低下に伴い、各触媒に原料ガスもしくは原料ガスの一部の成分が吸着する。
【００１２】
一方、燃料電池システムの起動運転の時には、各触媒の温度を所定の温度に昇温するために、原料ガスを燃料処理器を介してバーナ部に供給し、空気とともに燃焼させて、各触媒の温度を上昇させる。このとき、各触媒の温度が上昇するに伴い、各触媒に吸着していた原料ガスの成分が脱離して、燃料処理器に供給した原料ガスとともにバーナ部に供給される。そのため、実際にバーナ部に供給される原料ガスの量は、燃料処理器に供給した原料ガスに比べて、脱離した原料ガスの成分だけ多くなる。そして、原料ガスと空気との比率がずれて、バーナ部で不完全燃焼が起こる。さらに、この不完全燃焼により発生した一酸化炭素の燃料電池システムの外部への放出又は、場合によってはバーナ部の失火が起こる。その結果、燃料処理器内の各触媒の昇温が行われなくなり、燃料電池システムの起動運転が阻害されるという課題があった。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができる燃料電池システム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】
【００１４】
上記従来課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、一酸化炭素低減部を通った改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと原料ガスと改質ガスとの少なくとも１つを燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、原料ガスを改質部と改質部を介してまたは直接バーナ部とに供給する原料ガス供給装置と、改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動運転時には、加熱手段を制御して、バーナ部の燃焼用空気の量と原料ガスの量との比率が所定の範囲内になるように、改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうちで脱離してくる脱離原料ガスの量を調整するものである。
【００１５】
これにより、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部の安定した燃焼を継続的に実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部で燃焼用空気の量と原料ガスの量との比率が所定の範囲内で燃焼するので、安定した燃焼を行うことができる。そして、燃料処理器内の各触媒を所定の温度に昇温させて安定した起動運転を行うことができる燃料電池システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図２】同実施の形態の燃料電池システムに用いられる燃料処理器を説明する主要部断面図
【図３】同実施の形態の燃料電池システムの変成部の変成触媒の温度と変成触媒から脱離する脱離原料ガスの量との関係を説明する模式図、（ａ）変成触媒の加熱開始時間に対する変成触媒の温度と変成触媒からの脱離原料ガス（ＬＰＧ）の量との関係を示す模式図、（ｂ）変成触媒の温度に対する脱離原料ガス（ＬＰＧ）の積算量の関係を示す模式図、（ｃ）（ａ）に比べて変成ヒータの出力がより大きい場合における変成触媒の加熱開始時間に対する変成触媒の温度と変成触媒からの脱離原料ガス（ＬＰＧ）の量の関係を示す模式図
【図４】同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
【図５】同実施の形態の燃料電池システムにおける起動運転時での改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒の温度上昇の様子を示す特性図
【図６】同実施の形態の燃料電池システムにおける別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート
【図７】同実施の形態の燃料電池システムにおけるさらに別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート
【図８】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図９】同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
【図１０】同実施の形態の燃料電池システムにおける別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャート
【図１１】同実施の形態の燃料電池システムの別の例を説明する模式図
【図１２】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図１３】同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
【図１４】本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図１５】同実施の形態の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、一酸化炭素低減部を通った改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと原料ガスと改質ガスとの少なくとも１つを燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、原料ガスを改質部と改質部を介してまたは直接バーナ部とに供給する原料ガス供給装置と、改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動運転時には、加熱手段を制御して、バーナ部の燃焼用空気の量と原料ガスの量との比率が所定の範囲内になるように、改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうちで脱離してくる脱離原料ガスの量を調整する。
【００１９】
これにより、バーナ部に供給する燃焼用空気の量と、原料ガス供給装置から供給される原料ガスの量と、脱離から供給される脱離原料ガスとの合算量の比率を所定の比率に調整して、安定した燃焼を行うことができる。その結果、燃料処理器内の各触媒を所定温度に昇温させて安定した起動運転を行う燃料電池システムを実現できる。
【００２０】
第２の発明は、第１の発明において、燃料電池システムの起動運転時に、バーナ部に供給される原料ガスと脱離原料ガスとのうち、少なくとも脱離原料ガスの流量を計測する計測手段をさらに備える。これにより、改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方に吸着していた原料ガスが脱離してバーナ部に供給されてきても、バーナ部に供給される燃焼用ガス（すなわち原料ガス供給装置で供給する原料ガスと脱離原料ガスとの混合ガス）の流量が分かるため、加熱手段を制御して脱離原料ガスの流量を調整することで脱離原料ガスの流量を制御して、燃焼用空気の流量に応じた燃焼用ガスをバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
【００２１】
第３の発明は、第２の発明において、計測手段が少なくとも脱離原料ガスの流量を計測する流量計であるものである。これにより、比較的容易にバーナ部に供給される原料ガスの流量を正確に計測することが可能であるため、加熱手段を制御して脱離原料ガスの流量を調整することで脱離原料ガスの流量を制御して、燃焼用空気の流量に応じた燃焼用ガスをバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
【００２２】
第４の発明は、第２の発明において、計測手段が少なくとも脱離原料ガスの圧力を検知する圧力計であるものである。これにより、比較的簡単な構成でバーナ部に供給される原料ガスの圧力から流量を計測することが可能であるため、加熱手段を制御して脱離原料ガスの流量を調整することで脱離原料ガスの流量を制御して、燃焼用空気の流量に応じた燃焼用ガスをバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
【００２３】
第５の発明は、第１の発明において、バーナ部で燃焼させた後の燃焼排ガス成分のうち、少なくとも一つの成分の濃度を検知する排ガス分析手段を備え、この排ガス分析手段で検知した濃度に基づいて加熱手段を制御して、脱離原料ガスの量を調整するものである。これにより、脱離原料ガスによって、バーナ部での燃焼状態が悪くなり始めたことを検知して脱離原料ガスの流量を調整することが可能となり、バーナ部において安定した燃焼を行うことができる。
【００２４】
第６の発明は、第１の発明において、改質触媒の温度と一酸化炭素低減触媒の温度と少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、温度センサが検知した改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度に基づいて、燃料電池システムの起動運転時に、改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分中の脱離してくる脱離原料ガスの量を推定する。これにより、簡単な構成で、比較的精度よく脱離する脱離原料ガスの量を推定して、バーナ部における燃焼を安定させることできる。
【００２５】
第７の発明は、第１または第６の発明において、加熱手段の加熱開始からの経過時間を計測するタイマ手段を備え、タイマ手段が計測した時間に基づいて、改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうち脱離してくる脱離原料ガスの量を推定する。これにより、簡単な構成で、脱離原料ガスの量を検出できる。
【００２６】
第８の発明は、第１または第６または第７のいずれかの発明において、燃料電池システムの起動時に、加熱手段による改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、加熱手段による加熱開始から所定時間経過後に原料ガス供給装置を動作させる。
【００２７】
これにより、原料ガス供給装置が動作するまでの間、触媒から触媒の昇温によって脱離してくる脱離原料ガスを原料ガス供給装置から供給する原料ガスよりも先に燃焼させることが可能である。その結果、バーナ部で燃焼する原料ガスを少量に抑えるとともに、各触媒の昇温速度を緩やかにすることができる。
【００２８】
また、原料ガス供給装置が動作するまでの所定時間を、触媒に吸着した原料ガスの量が、後から原料ガス供給装置から供給する原料ガスの量に対して充分少量になる触媒の温度になる加熱開始からの時間に設定する。そして、加熱手段で触媒を加熱して脱離原料ガスをバーナ部に供給し、その間、別途バーナ部に供給した燃焼用空気で原料ガスの可燃範囲から希釈して燃料電池システム外に排気する。これにより、原料ガス供給装置から原料ガスの供給を開始した際、複雑な制御をせずに燃焼用空気と原料ガスとの比率を調整することができるので、安定した燃焼を実現することが可能となる。
【００２９】
第９の発明は、第１または第６または第７のいずれかの発明において、改質触媒の温度と一酸化炭素低減触媒の温度との少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、燃料電池システムの起動時に、加熱手段による改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、温度センサの検知する温度が所定の温度以上になった後に原料ガス供給装置を動作させる。
【００３０】
これにより、原料ガス供給装置が動作するまでの間、触媒から触媒の昇温によって脱離してくる脱離原料ガスを原料ガス供給装置から供給する原料ガスよりも先に燃焼させることが可能である。その結果、バーナ部で燃焼する原料ガスを少量に抑えるとともに、各触媒の昇温速度を緩やかにすることができる。
【００３１】
さらに、加熱手段で触媒を加熱して脱離原料ガスをバーナ部に供給し、その間、別途バーナ部に供給した燃焼用空気で原料ガスの可燃範囲から希釈して燃料電池システム外に排気する。そして、触媒に吸着した原料ガス成分が後から原料ガス供給装置から供給する原料ガスの量に対して充分少量になる触媒の温度になった後、原料ガス供給装置を動作させて原料ガスをバーナ部に供給して着火することができる。これにより、複雑な制御を必要とせずに燃焼用空気と原料ガスとの比率を調整することが可能となるため、安定した燃焼を実現することができる。
【００３２】
第１０の発明は、第８または第９の発明において、加熱手段による改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始した後、加熱手段による加熱開始から所定時間経過するか、または、温度センサが検知する温度が所定の温度以上となるまではバーナ部において燃焼を行なわないものである。これにより、脱離原料ガスの流量が推定する流量と異なる場合においても、バーナ部で燃焼が不安定となり、燃料電池システムの起動運転ができなくなることがない。
【００３３】
第１１の発明は、第１０の発明において、加熱手段による改質触媒または一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱中で、バーナ部において燃焼を行なわない期間は、燃焼用空気の量を調整して、燃焼用空気によって脱離原料ガスを可燃範囲以下の濃度で希釈するものである。これにより、脱離原料ガスが燃焼用空気と共に、燃料電池システムの系外に排気される際に可燃範囲以下で排気されるため、安全性を向上させることが可能である。
【００３４】
第１２の発明は、第１または第６または第７のいずれかの発明において、燃料電池システムの起動時に、原料ガス供給装置と加熱手段とを動作させ、原料ガス供給装置で原料ガスを所定時間供給した後に原料ガス供給装置の動作を停止して、原料ガス供給装置の動作停止から所定時間経過後に原料ガス供給装置を動作させる。
【００３５】
これにより、触媒から脱離してくる脱離原料ガスの量にかかわらず、所定量の原料ガスを原料ガス供給装置によりバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部での安定した着火が可能となる。
【００３６】
第１３の発明は、第１または第６または第７のいずれかの発明において、改質触媒と一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、燃料電池システムの起動時に、原料ガス供給装置と加熱手段とを動作させ、原料ガス供給装置による原料ガスの供給開始から所定時間経過後、または温度センサが第１所定温度以上を検知後に原料ガス供給装置の動作を停止して、温度センサが第２所定温度以上を検知した後に原料ガス供給装置を動作させる燃料電池システムである。
【００３７】
これにより、触媒の加熱が不十分で触媒から脱離してくる脱離原料ガスの量がほとんどないくらい少ない場合でも、所定量の原料ガスを原料ガス供給装置によりバーナ部に供給することが可能であるため、バーナ部での安定した着火が可能となる。
【００３８】
第１４の発明は、第１から第１３のいずれかの発明において、加熱手段は、電気ヒータである。これにより、触媒の加熱開始および終了が比較的容易に制御できる。また、電気ヒータは、オン／オフ制御や入力電圧制御により加熱量の制御が容易であるため、触媒の昇温速度の制御が容易にできる。その結果、昇温速度を遅くして急激な温度変化による触媒の劣化を抑制し、逆に昇温速度を速めて起動時間を短縮して、触媒から脱離する脱離原料ガスの量を調整することが可能となる。
【００３９】
第１５の発明は、第１から第１３のいずれかの発明において、加熱手段は、加熱用バーナ部からなり、加熱用バーナ部の燃焼排ガスが改質部と一酸化炭素低減部との少なくとも一方を加熱する燃料電池システムである。これにより、加熱用バーナ部の燃焼による排熱を触媒の加熱に有効に利用することができる。そのため、エネルギー効率に優れた起動特性を備える燃料電池システムを実現できる。
【００４０】
第１６の発明は、第１５の発明において、バーナ部を加熱用バーナ部として用いる。これにより、バーナ部を一つとすることが可能である。また、バーナ部に原料ガスおよび燃焼用空気を供給するための配管なども簡素化できる。その結果、簡単な構成で加熱手段としてのバーナ部を実現できるため、燃料電池システムの大型化や複雑化を抑制できる。
【００４１】
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、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００４２】
（実施の形態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構成を示す模式図である。
【００４３】
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と燃料処理器３と水蒸気発生装置４と制御部５と原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７とカソード空気ブロワ８とから少なくとも構成されている。このとき、燃料電池システム１に供給される原料ガスとしてＬＰＧを利用し、ＬＰＧのボンベ（図示せず）が燃料電池システム１の外部で原料ガス供給装置６と接続されている。なお、原料ガスとして、都市ガスなどの他の炭化水素系の原料も用いることができる。そして、炭化水素系の原料に付臭剤として添加される硫黄化合物は、原料ガス供給装置６の上流側もしくは原料ガス供給装置６と燃料処理器３との間に設置された脱硫部（図示せず）を通過する時に除去される。
【００４４】
また、燃料電池２は、固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで挟持した構造を有している。そして、アノード電極２ｂに燃料処理器３で生成した水素を多く含む改質ガスを供給し、カソード電極２ｃにカソード空気ブロワ８で空気を供給することにより発電が行われる。
【００４５】
また、燃料処理器３は、改質部９と、一酸化炭素低減部を構成する変成部１０と選択酸化部１１とが順次接続された構成を有している。そして、改質部９の内部には改質触媒９ａ、変成部１０の内部には変成触媒１０ａ、選択酸化部１１の内部には選択酸化触媒１１ａがそれぞれ充填されている。
【００４６】
また、改質部９にはバーナ部１２が設けられ、原料ガスおよび燃料電池２で発電時に使用されなかった水素を含むオフガス中の水素を、燃焼空気ファン７で燃焼用空気経路７ａを介してバーナ部１２に送風した空気とともに燃焼させる。そして、燃焼排ガスとして燃焼排ガス経路１３を通って燃料電池システム１の外部に排出する。このとき、燃焼排ガス経路１３は、バーナ部１２から、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１の内部を、燃焼排ガスが改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａとそれぞれ直接接しないように区画された空間を通る構造で設けられている。
【００４７】
そして、原料ガス供給装置６により原料ガス供給経路１４から改質部９の改質触媒９ａが充填された空間に供給された原料ガスは、まず、改質触媒９ａの充填層中を通る。つぎに、改質部９から出て変成部１０の変成触媒１０ａが充填された空間に供給され、変成触媒１０ａの充填層中を通る。つぎに、変成部１０から出て選択酸化部１１の選択酸化触媒１１ａが充填された空間に供給され、選択酸化触媒１１ａの充填層中を通る。その後、選択酸化部１１から原料ガス経路１５に出て行くように原料ガス供給経路１４、原料ガス経路１５を経由して流通する。
【００４８】
また、変成部１０の変成触媒１０ａが充填された空間には、変成触媒１０ａの温度を検知するための変成温度センサ１０ｂが設けられている。このとき、変成温度センサ１０ｂは、変成部１０を構成する外壁から挿入され、挿入部から外部にガスが漏れないようにシール構造がとられている。さらに、変成部１０を構成する外壁の外側には、外壁を介して変成触媒１０ａを加熱するための変成ヒータ１０ｃが設けられている。同様に、選択酸化部１１を構成する外壁の外側には、外壁を介して選択酸化触媒１１ａを加熱するための選択酸化ヒータ１１ｃが設けられている。なお、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃは電気ヒータであり、制御部５によりヒータ加熱のＯＮ／ＯＦＦおよび出力を調整することができる。
【００４９】
ここで、原料ガス経路１５は、燃料電池２のアノード電極２ｂ側入口の上流側で燃料電池入口経路１５ａと燃料電池バイパス経路１５ｂとに分岐した構造を有している。そして、燃料電池２のアノード電極２ｂ側の入口側に燃料電池入口経路１５ａが接続され、出口側にオフガス経路１５ｃが接続されている。このとき、オフガス経路１５ｃの燃料電池２と接続されていない側は、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂと接続されている。さらに、燃料電池バイパス経路１５ｂには燃料電池バイパス弁１６が、燃料電池入口経路１５ａ、オフガス経路１５ｃにはそれぞれ燃料電池入口弁１７、燃料電池出口弁１８が設置されている。そして、制御部５で燃料電池バイパス弁１６、燃料電池入口弁１７および燃料電池出口弁１８の開閉を制御して、原料ガス経路１５を、燃料電池入口経路１５ａと燃料電池バイパス経路１５ｂとに切り替えている。さらに、原料ガス経路１５は、燃料電池バイパス経路１５ｂとオフガス経路１５ｃとが接続された下流側でバーナ部１２に接続されている。
【００５０】
また、原料ガス供給経路１４には、必要に応じて、水蒸気発生装置４から水蒸気を原料ガス中に混合させて改質部９に供給するための水蒸気経路４ａが接続されている。
【００５１】
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１に用いられる燃料処理器３について、図２を用いて説明する。
【００５２】
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１に用いられる燃料処理器３を説明する主要部断面図である。
【００５３】
図２に示すように、燃料処理器３は、内側から順に第１円筒体２０、第２円筒体２１、第３円筒体２２および第４円筒体２３が、略同心状に配置されて設けられている。そして、燃焼排ガス経路１３が第１円筒体２０と第２円筒体２１との間の空間で構成され、第１ガス流路２４が第２円筒体２１と第３円筒体２２との間の空間で環状に構成され、第２ガス流路２５が第３円筒体２２と第４円筒体２３との間の空間で構成されている。さらに、第１円筒体２０の内空間には、バーナ部１２と、バーナ部１２に原料ガスおよびオフガスを供給する原料ガス経路１５と、燃焼用空気経路７ａと、燃焼室２６とが設けられている。そして、燃焼室２６と燃焼排ガス経路１３とは、その端部近傍の排気折り返し部２７を介して連通している。同様に、第１ガス流路２４と第２ガス流路２５とは、その端部近傍の原料ガス折り返し部２８を介して連通している。
【００５４】
また、第１ガス流路２４には、例えばアルミナ担体に金属ルテニウムを担持した球状の改質触媒９ａを充填した改質部９が設けられている。なお、改質触媒９ａとしては、上記以外に、ニッケル触媒、白金系触媒、ロジウムなどの白金族系の触媒などを用いることができる。また、改質触媒９ａの形状として、球状以外に、円筒状のものなどを用いることも可能である。
【００５５】
また、第２ガス流路２５には、例えばＣｕ−Ｚｎ系（具体的には、ズードケミー社製のＭＤＣ−７）などの変成触媒１０ａを充填した変成部１０と、例えば球状のルテニウム系の選択酸化触媒１１ａを充填した選択酸化部１１が設けられている。なお、変成触媒１０ａ又は選択酸化触媒１１ａとして、上記以外に白金系の触媒を用いることもできる。
【００５６】
また、選択酸化部１１には、選択酸化触媒１１ａで酸化反応を行わせるための選択酸化空気供給経路１１ｂが接続されている。さらに、第１ガス流路２４の上方には、原料ガス供給経路１４が接続されている。なお、本実施の形態では、選択酸化部として選択酸化反応によって一酸化炭素濃度を低減させる選択酸化部を用いた例で説明したが、例えばメタネーション反応によって一酸化炭素濃度を低減する方法を用いてもよい。
【００５７】
また、変成部１０には、変成触媒１０ａの温度を計測する変成温度センサ１０ｂが設けられている。ここで、変成温度センサ１０ｂは、後に詳細な説明をするが、燃料電池システム１の起動運転時には、検知した変成触媒１０ａの温度に基づいて、制御部５が変成触媒１０ａに吸着していたＬＰＧの脱離する脱離原料ガスの量を推測する場合にも用いることができる。
【００５８】
また、第４円筒体２３の外側には、変成触媒１０ａに対応する位置および選択酸化触媒１１ａに対応する位置に、前述したように変成ヒータ１０ｃと選択酸化ヒータ１１ｃがそれぞれ設けられている。
【００５９】
なお、燃料処理器３の外部は、図示しない断熱材で覆われ、後述する温度バランスが成立するように各部の断熱を考慮して設けられている。
【００６０】
以下に、本発明のポイントである、燃料電池システム１の変成部１０の変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を図３を用いて説明する。
【００６１】
図３（ａ）から図３（ｃ）は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１の変成部１０の変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を説明する模式図である。
【００６２】
なお、図３（ａ）から図３（ｃ）は、燃料処理器３において、各触媒の温度を室温（約２５℃）まで冷却した後にＬＰＧを流通させて、各触媒に充分ＬＰＧを吸着させた後、変成触媒１０ａを変成ヒータ１０ｃにより一定熱量で加熱した時に変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧの量を測定した結果を示している。なお、以降では、脱離原料ガスであるＬＰＧを、適時、脱離ＬＰＧと記載して説明する。
【００６３】
そして、図３（ａ）の横軸は、変成触媒１０ａの加熱開始からの経過時間を示し、縦軸の第１軸は脱離ＬＰＧの量を、縦軸の第２軸は変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度を示している。ここで、図３（ａ）中の破線は変成触媒１０ａから脱離してきた脱離ＬＰＧの量を示し、実線は変成温度センサ１０ｂで測定した変成触媒１０ａの温度を示している。
【００６４】
図３（ａ）に示すように、変成触媒１０ａを一定の熱量で加熱すると、加熱開始時には外気温程度の約２５℃であった変成触媒１０ａの温度は、徐々に、略一定速度で上昇する。そして、変成触媒１０ａの温度上昇とともに、変成触媒１０ａからＬＰＧが脱離を開始し、約６０℃まで脱離した脱離ＬＰＧの量が増え続ける。その後、変成触媒１０ａの温度が上昇して約１８０℃になるまでの間、脱離ＬＰＧの量は徐々に減少するけれども、排出され続ける。
【００６５】
また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した測定結果を、横軸に変成触媒１０ａの温度、縦軸に脱離ＬＰＧの積算量として整理し直した結果を示したものである。なお、図３（ｂ）に示す変成触媒１０ａの温度と脱離ＬＰＧの積算量との関係は、一定圧力下では触媒温度と吸着量の関係が一定であることから、変成触媒１０ａの温度上昇速度を変えても、同じ変成部１０であれば同じ関係を示す。つまり、加熱開始から任意の時間経過した時点での変成触媒１０ａの温度と温度上昇速度との関係から、脱離ＬＰＧの量を推定することが可能となる。
【００６６】
また、図３（ｃ）は、図３（ａ）よりも変成ヒータ１０ｃの出力を大きくして、変成触媒１０ａの温度上昇速度を速くした場合の、変成触媒１０ａの温度と脱離ＬＰＧの量との時間変化を示している。ここで、図３（ａ）と同様に、図３（ｃ）の横軸は変成触媒１０ａの加熱開始からの経過時間を示し、縦軸の第１軸はＬＰＧの量を、縦軸の第２軸は変成触媒１０ａの温度を示している。なお、図３（ｃ）中の一点破線は、変成触媒１０ａから脱離してきた脱離ＬＰＧの量を示し、二点破線は変成触媒１０ａの温度変化を示している。このとき、図３（ｃ）中には、比較のために、図３（ａ）において破線と実線で示した脱離ＬＰＧの量と変成触媒１０ａの温度を同時に示している。
【００６７】
そして、図３（ｃ）で示すように、変成触媒１０ａの温度上昇を速くすると（実線に対して二点破線）、脱離ＬＰＧの量の山は高く、かつ、早い時間で頂点に達する。しかし、頂点に達する変成触媒１０ａの温度は、約６０℃であり、破線および二点破線とも同じである。また、約１８０℃で脱離ＬＰＧの量が、ほぼ０になる点でも同じである。このとき、一点破線と二点破線で示す脱離ＬＰＧの量と変成触媒１０ａの温度との関係は、図３（ｂ）で示す脱離ＬＰＧの積算量と変成触媒１０ａの温度との相関を満たすように時間経過とともに推移する。
【００６８】
そこで、制御部５に、図３（ｂ）に示した変成触媒１０ａの温度と脱離ＬＰＧの積算量との関係を記憶させる。そして、変成触媒１０ａの温度と脱離ＬＰＧの積算量との関係に基づいて、任意の時点での変成触媒１０ａの温度および温度変化速度から変成触媒１０ａから脱離するＬＰＧの量を推測する。
【００６９】
なお、変成触媒１０ａに吸着するＬＰＧの量は、充填する変成触媒１０ａの量や、変成触媒１０ａの形状および種類により異なる。また、都市ガスなどの他の炭化水素系の原料ガスを用いても、変成触媒１０ａに吸着する吸着量が異なる。また、変成温度センサ１０ｂは変成触媒１０ａの一部の温度を計測するため、変成温度センサ１０ｂの位置によって、温度と脱離原料ガスの量との関係が異なる。そこで、それらに対応して、制御部５に、予め、変成触媒１０ａの温度と変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスの量との関係を計測し直して、記憶させることが重要である。
【００７０】
なお、上記変成触媒１０ａと同様に、選択酸化触媒１１ａの温度および温度変化速度と脱離ＬＰＧの量との関係も計測が可能である。また、改質触媒９ａについても、本実施の形態１の燃料処理器３には設けていないが、実験的に改質触媒９ａを加熱するヒータを設けた燃料処理器３を用いれば、変成触媒１０ａ又は選択酸化触媒１１ａと同様の方法で改質触媒９ａの温度および温度変化速度と脱離ＬＰＧの量の関係を計測することが可能である。しかし、図示はしていないが本実施の形態１で使用した改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａではＬＰＧの吸着がほとんどなく、原料ガス供給装置６から供給するＬＰＧの量に対して、温度上昇によって脱離してくる脱離ＬＰＧの量が充分に少なかった。そのため、本実施の形態では、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａへのＬＰＧの吸着および脱離については、特に記述しない。
【００７１】
以下に、上記構成の燃料電池システム１の動作および作用について、図１と図２を参照しながら説明する。
【００７２】
はじめに、燃料電池システム１の通常発電時の動作について説明する。
【００７３】
まず、水蒸気発生装置４から供給した水蒸気と混合した原料ガスであるＬＰＧは、改質触媒９ａの温度が約７００℃に維持された改質部９に、原料ガス供給装置６により供給される。そして、改質部９の改質触媒９ａを介して水蒸気改質反応により、水素、一酸化炭素、水蒸気を含む改質ガスが生成される。
【００７４】
つぎに、改質部９から出た改質ガスは、変成部１０の変成触媒１０ａの充填層中に供給され、充填層中を下方から上方に向け流通する。このとき、約２００〜３００℃に維持された変成触媒１０ａの作用により、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素とを生成する変成反応が起こる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が０．５％以下程度まで低減される。
【００７５】
つぎに、変成部１０から出た改質ガスは、別途、選択酸化空気供給経路１１ｂを介して供給した少量の空気とともに選択酸化部１１の選択酸化触媒１１ａの充填層中に供給され、充填層中を下方から上方に向け流通する。このとき、約１００〜２００℃に維持された選択酸化触媒１１ａの作用により、改質ガス中の一酸化炭素を酸化反応させる。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下程度まで、さらに低減される。
【００７６】
つぎに、選択酸化部１１を出た改質ガスは、燃料電池バイパス弁１６が閉で、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８が開になった原料ガス経路１５を通って、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に供給される。そして、改質ガス中の水素の一部が発電で消費されて排出されたオフガスと、燃焼空気ファン７により供給された空気とがバーナ部１２に供給されて、バーナ部１２で燃やされる。このとき、オフガスの燃焼熱により、改質触媒９ａは熱せられて約７００℃に維持される。そして、その燃焼排ガスが、変成部１０および選択酸化部１１の内部流路を流通することにより、変成触媒１０ａが約２００〜３００℃に、選択酸化触媒１１ａが１５０〜２００℃に維持される。
【００７７】
一方、燃料電池２のカソード電極２ｃ側には、カソード空気ブロワ８で空気を供給し、空気中の酸素の一部が発電で消費され、排空気は燃料電池システム１の外に放出される。
【００７８】
そして、燃料電池２が発電した電力は、図示しない外部負荷により消費される。
【００７９】
以下に、燃料電池システム１の発電停止運転時の動作について説明する。
【００８０】
まず、燃料電池２と外部負荷との接続を遮断した後、燃料電池２へのカソード空気ブロワ８による空気の供給と、原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止する。同時に、燃料電池バイパス弁１６、燃料電池入口弁１７、燃料電池出口弁１８を閉止する。このとき、水蒸気発生装置４も同時に停止させ、水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４への水蒸気の供給も停止させる。
【００８１】
つぎに、所定時間経過後、改質触媒９ａの温度が約３００℃まで外気により冷却された場合、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により原料ガスであるＬＰＧを改質部９、変成部１０、選択酸化部１１に順次供給して、各触媒の充填層中に水蒸気を含む改質ガスをパージする。このとき、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度は１００℃以上であるため、改質ガス中の水蒸気が各触媒の表面に凝縮することはない。その後、各触媒の充填層中から水蒸気を含む改質ガスがＬＰＧにより充分パージできる所定時間、ＬＰＧを供給した後、燃料電池バイパス弁１６を閉止して原料ガス供給装置６を停止する。
【００８２】
さらに、燃料処理器３が雰囲気温度との温度差によって放熱して冷えると、燃料処理器３中で熱せられていたＬＰＧの体積収縮により、燃料処理器３中の圧力が低下する。しかし、所定時間ごとに原料ガス供給装置６でＬＰＧを供給することにより、燃料処理器３中の圧力が正圧に保たれる。なお、以下適宜、正圧を保つためにＬＰＧを燃料処理器３中に供給する動作を、圧張り動作と記して説明する。
【００８３】
上記パージおよび圧張り動作により、温度低下後の変成触媒１０ａには、充分にＬＰＧが吸着する。このとき、都市ガス又はＬＰＧは、実際にはメタンやプロパンなどの炭化水素系ガス成分の混合ガスであるため、各炭化水素系ガスにより、触媒への吸着しやすさが異なる。具体的には、分子量が大きい炭化水素系ガス成分の方が、分子量の小さい炭化水素系ガス成分より吸着されやすい傾向にある。しかし、本実施の形態で用いたＬＰＧは、主成分のプロパンが構成の約９８％を占めるため、略プロパンの単一組成のガスとして取り扱っても支障がない。そこで、変成触媒１０ａに吸着していた原料ガス成分についても原料ガスとして記述している。
【００８４】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム１の起動運転の動作について、図面を用いて説明する。
【００８５】
図４は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。
【００８６】
図４に示すように燃料電池システム１の起動運転時には、まず、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃにより変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する（ステップＳ１）。
【００８７】
つぎに、ステップＳ１とほぼ同時に、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。このとき、ステップＳ１のヒータによる触媒の加熱とステップＳ２のバーナ部１２への原料ガスおよび燃焼用空気の供給開始および着火は、同じタイミングで行ってもよいし、また、順序が逆であってもよい。
【００８８】
そして、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱が開始すると、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【００８９】
また、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【００９０】
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、所定の温度（Ｔｈ１）と比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３のＮｏ）、変成触媒１０ａの現在の温度と、所定時間前の温度からの温度上昇速度から、変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧの量を推測する（ステップＳ４）。
【００９１】
そして、変成ヒータ１０ｃの出力を制御して単位時間当たりの脱離ＬＰＧの量がほぼ一定になるように調整する。さらに、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量に対して、原料ガス供給装置６によってバーナ部１２に供給する原料ガスであるＬＰＧの量と脱離原料ガスである脱離ＬＰＧの量との合算量が適切な比率となるように調整する（ステップＳ５）。
【００９２】
ここで、バーナ部１２に供給するＬＰＧの量（または改質ガスの量、またはオフガスの量）と空気の量との適切な比率とは、バーナ部に供給したＬＰＧ（または改質ガス、またはオフガス）を完全に燃焼させて二酸化炭素と水（水蒸気）にするのに必要な酸素量を含む空気量の所定の倍数の量である。そこで、以下では、空気量とＬＰＧの量との比率を、空燃比と記して説明する。すなわち、例えば空燃比１．０とは、供給した空気中の酸素量とＬＰＧとが理想的に燃焼した場合に過不足なく二酸化炭素と水とになる比率で、例えば空燃比２．０とは、供給した空気中の酸素量の半分が、燃焼に使われないまま燃焼排ガス中に残存する比率であることを示す。
【００９３】
本実施の形態の燃料電池システム１では、ステップＳ２およびステップＳ７での空燃比を２．５〜３．０に設定した。なお、空燃比が大きすぎたり、逆に小さすぎる場合、着火性が悪くなったり、着火しても不完全燃焼が起こって一酸化炭素が発生し、燃焼排ガスとして燃料電池システム１外に放出されたり、失火することになる。
【００９４】
そして、変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度および温度上昇速度に基づく変成ヒータ１０ｃによる脱離ＬＰＧ量の調整（ステップＳ５）は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３のＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上で、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達する（ステップＳ６のＹｅｓ）まで続けられる。なお、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が約１５０℃になると、変成触媒１０ａに吸着しているＬＰＧの残量が少なくなるため、変成ヒータ１０ｃの出力調整では脱離ＬＰＧの量をそれまでの量と略一定に保つことができなくなる。その場合には、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスであるＬＰＧの量又は、燃焼空気ファン７で供給する燃焼空気の量を調整することで所定の空燃比に調整する。
【００９５】
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにして、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を終了する（ステップＳ７）。
【００９６】
つぎに、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ８）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように原料ガスの量が調整される。
【００９７】
なお、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度が１００℃を超えない場合に水蒸気を供給すると、水蒸気が凝縮してガスの流れを阻害することがある。そのため、ステップＳ６でＹｅｓとなる改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上および選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上という条件は、温度分布を持つ各触媒の全体の温度が１００℃以上となるための代表的な温度センサの温度である。また、改質触媒９ａの温度が４００℃を超えている場合に水蒸気が供給されていないと、改質触媒表面にカーボンが析出し、触媒の機能が低下してしまう恐れがある。そのため、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が４００℃を超えないうちに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１００℃を超えるように設計的な配慮が必要となる。
【００９８】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ９）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ９のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ９のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ９のＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
【００９９】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度と温度上昇速度に基づいて脱離原料ガスの量を推測し、この推定値に応じて変成温度センサ１０ｂの出力を調整し変成触媒１０ａの温度上昇速度を制御することにより脱離原料ガスの量を調整する。これにより、燃焼空気ファン７から供給した燃焼用空気と原料ガスとの比率が所定の空燃比になるように制御して、バーナ部１２に供給して燃焼させることができる。その結果、バーナ部１２における不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
【０１００】
なお、本実施の形態の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時における変成触媒１０ａからの脱離ＬＰＧの量を、変成触媒１０ａの温度を検知する変成温度センサ１０ｂの値に基づいて推測した例で説明したが、これに限られない。例えば、図５に示すように、加熱開始からの経過時間（ｔ１）を計測するタイマにより変成触媒１０ａの温度を推測し、さらにそこから変成触媒１０ａから脱離するＬＰＧの量を推測することもできる。そこで、以下に、図５を用いて、その方法を具体的に説明する。
【０１０１】
図５は、本実施の形態の燃料電池システム１における起動運転時での改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａの温度上昇の様子を示す図である。
【０１０２】
図５に示すように、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａの加熱開始からの経過時間（ｔ１）に対して、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）および選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）は決まる。そこで、燃料電池システム１の起動運転時に、まず、タイマにより加熱開始からの経過時間（ｔ１）を計測し、そのときの変成触媒１０ａの温度を推測する。そして、この変成触媒１０ａの温度に基づいて、変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの量を推測する。さらに、この推測に基づいて、制御部５を介して原料ガスの量を調整して制御するものである。この場合、加熱を開始する際の変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が分からなければならないが、例えば、改質触媒９ａの温度を検知する温度センサや選択酸化触媒１１ａの温度を検知する温度センサなどで代用することが可能である。
【０１０３】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知する変成温度センサ１０ｂを設けた例で説明し、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＫ、ＴｈＳ）の温度を検知する手段についての記載はしていない。しかし、改質触媒９ａの温度を検知する改質温度センサおよび選択酸化触媒１１ａの温度を検知する選択酸化温度センサを個別に設けてもよく、また変成温度センサ１０ｂで検知した変成触媒１０ａの温度から、改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度を検知してもよい。
【０１０４】
また、本実施の形態の燃料電池システム１では、各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を増減して調整する例で説明したが、これに限られない。例えば、各触媒から脱離する脱離原料ガスの量と原料ガス供給装置から供給する原料ガスの量との合算量とを増減させて調整してもよい。これにより、各触媒の温度上昇の速度を変化させることが可能となる。すなわち、合算量を少なくした場合、各触媒の温度上昇の速度が遅くなり、昇温時における各触媒内の温度分布の発生を抑制して、均一な反応によって効率を向上できる。さらに、このとき、温度上昇の速度を比較的遅くすることにより、急激な温度変化によって燃料処理器３を構成する構造体又は各触媒の耐久性の低下を抑制することができる。逆に、合算量を増加させた場合、各触媒の温度上昇の速度を速めることができるため、燃料電池システムの起動運転の時間を短くすることができる。
【０１０５】
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１における別の起動運転の方法を、図６を用いて説明する。
【０１０６】
図６は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１における別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
【０１０７】
図６に示すように、燃料電池システム１の起動運転には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７を動作させて、原料ガスであるＬＰＧと空気をそれぞれ供給する（ステップＳ１）。そして、バーナ部１２に供給されたＬＰＧと燃焼用空気を、図示しない着火装置で着火する。これにより、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始する（ステップＳ２）。
【０１０８】
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの昇温を確認したら、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃに通電を開始し、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃでの変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する（ステップＳ３）。
【０１０９】
つぎに、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱を開始して所定時間経過後、原料ガス供給装置６による原料ガスの供給を停止し、変成触媒１０ａの昇温に伴って変成触媒１０ａから脱離する脱離原料ガスのみを燃焼させる（ステップＳ４）。
【０１１０】
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ５）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ５のＮｏ）、変成触媒１０ａの温度と温度変化速度から脱離ＬＰＧの量を推測する（ステップＳ６）。さらに、変成ヒータ１０ｃの出力を制御部５で制御して、脱離ＬＰＧの量を燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼空気と空燃比が所定の範囲に入るように調整する（ステップＳ７）。このとき、燃焼空気ファン７からバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を調整してもよい。なお、所定の温度（Ｔｈ１）とは、変成触媒１０ａの昇温によって脱離してくる脱離ＬＰＧのみでバーナ部１２での燃焼を継続することが可能な温度である。すなわち、図３からも判るように、変成触媒１０ａの温度が所定温度以上になると、触媒の温度および昇温速度を変化させても、脱離してくる脱離ＬＰＧの量が少なくなる。その結果、バーナ部１２で燃焼を継続することが困難になるため、本実施の形態の燃料電池システム１では、所定の温度（Ｔｈ１）を１５０℃とした。
【０１１１】
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を超えると（ステップＳ５のＹｅｓ）、原料ガス供給装置６を動作させて原料ガス供給装置６からバーナ部１２へのＬＰＧの供給を再開する（ステップＳ８）。このとき、図示しない着火装置を動作させておくことにより、燃焼を継続させることができる。また、もし失火していた場合でも再着火によって燃料電池システム１の起動運転を継続することが可能である。
【０１１２】
そして、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達するまで、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱とバーナ部１２での燃焼による燃焼排ガスでの加熱が継続される（ステップＳ９のＮｏ）。なお、ステップＳ９のＮｏの場合において、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃を超えているが、他の触媒が温度条件を満たされていない場合、変成ヒータ１０ｃをＯＦＦにし、他の触媒が温度条件を満たすまで待機してもよい。同様に、選択酸化触媒１１ａが温度条件を満たしているが、変成触媒１０ａが温度条件を満たしていない場合も、選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにして変成触媒１０ａが温度条件を満たすまで待機してもよい。
【０１１３】
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ９のＹｅｓ）、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにしてヒータによる加熱を終了する（ステップＳ１０）。
【０１１４】
つぎに、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａ充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ１１）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように原料ガス供給装置６から供給される原料ガスであるＬＰＧの量は調整される。
【０１１５】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ１２）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ１２のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ１２のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。
【０１１６】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１の別の起動運転の方法によれば、ヒータ加熱開始後、原料ガス供給装置からの原料ガス供給を一度停止し、変成触媒に吸着した原料ガスを優先的に燃焼させることにより、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスと同時に燃焼させる場合に比べ、触媒の温度上昇を緩やかにできる。すなわち、各触媒の温度上昇が急である場合に発生する各触媒の充填層中の温度分布（ばらつき）の発生を抑制することができる。また、各触媒および燃料処理器３を構成する各円筒体の急激な温度変化による劣化を抑制することが可能となる。
【０１１７】
以下に、本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおけるさらに別の起動運転の方法を、図７を用いて説明する。
【０１１８】
図７は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおけるさらに別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
【０１１９】
図７に示すように、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、変成ヒータ１０ｃと選択酸化ヒータ１１ｃの通電を開始して変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する。同時に、燃焼空気ファン７を駆動してバーナ部１２に燃焼用空気を送風する（ステップＳ１）。つまり、着火装置（図示せず）を動作させない点で、上記他の燃料電池システムの起動運転とは異なる。
【０１２０】
このとき、変成触媒１０ａの温度上昇とともに、脱離ＬＰＧがバーナ部１２に供給されるが、燃焼用空気とともに希釈されて燃焼排ガス経路１３から燃料電池システム外に排気される。そして、脱離ＬＰＧを燃焼用空気で希釈して燃料電池システム１外に排気する際には、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と温度上昇速度から脱離ＬＰＧの量を推測し、排気する脱離ＬＰＧの濃度が可燃範囲に入らないように、変成ヒータ１０ｃの出力を制御して脱離ＬＰＧの量を調整する。この場合、燃焼空気ファン７からバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を調整して排気する脱離ＬＰＧの濃度が燃焼範囲に入らないようにしてもよい。
【０１２１】
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ２）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）を超えると（ステップＳ２のＹｅｓ）、着火装置（図示せず）を動作させ、原料ガス供給装置６を動作させてバーナ部１２にＬＰＧを供給して着火する（ステップＳ３）。これにより、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａは変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱と燃焼排ガスによる加熱に変わって、燃焼排ガスによる改質触媒９ａの加熱が開始され、所定の温度条件を満たすまで加熱が行われる。なお、所定の温度（Ｔｈ１）は、変成触媒１０ａからＬＰＧが脱離しにくくなる１８０℃とした。
【０１２２】
以降の制御の流れ（ステップＳ４からステップＳ７）は、図６で示した燃料電池システムの起動運転の制御の流れのステップＳ９からステップＳ１２と同じであるので、説明は省略する。
【０１２３】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１の別の起動運転の方法によれば、燃料電池システム１の起動運転時に、まず変成ヒータ１０ｃで変成触媒１０ａを加熱して、変成触媒１０ａからの脱離ＬＰＧを燃焼用空気で燃料電池システム１外に希釈排気するため、比較的簡単な制御で燃料電池システム１を安定して起動することができる。
【０１２４】
なお、上記実施の形態では、変成触媒１０ａから脱離する原料ガスの量のみを対象として燃焼用空気の量を調整する燃料電池システム１を例に説明した。この理由は、本実施の形態で使用した改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａへの原料ガスであるＬＰＧの吸着量がほとんどなく、空燃比に与える影響が充分小さいという実験結果に基づいたものである。
【０１２５】
しかし、通常、原料ガスの種類又は触媒の種類、形状が異なれば、変成触媒１０ａ以外の改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａに原料ガスが吸着する。そして、温度上昇とともに脱離する脱離原料ガスの量が空燃比に与える影響が大きくなる場合がある。この場合には、まず、各触媒の温度上昇による原料ガスの脱離量を、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１ごとに実験的に求めて、燃料電池システム１の起動運転時に、各触媒の温度から各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を推測して制御することにより、同様の作用効果が得られる。以下の実施の形態でも同様である。
【０１２６】
なお、本実施の形態の燃料電池システム１では、一酸化炭素低減部として変成触媒１０ａを充填した変成部１０と選択酸化触媒１１ａを充填した選択酸化部１１とを用いた例で説明したが、これに限られない。例えば、実施の形態１と同様に、燃料電池が改質ガス中の一酸化炭素に対する耐性が高いものであれば、選択酸化部１１はなくてもよく、また変成部１０がなくて選択酸化もしくはメタネーションによる一酸化炭素低減部のみでもよい。
【０１２７】
また、図６および図７で示した燃料電池システム１の起動運転の制御の流れでは、変成触媒１０ａの温度が所定の温度Ｔｈ１に到達した後、原料ガス供給装置６によるＬＰＧの供給を開始する例で説明したが、これに限られない。例えば、図５で示したように、加熱開始からの経過時間と触媒の温度との関係に基づいて、ヒータによる加熱の開始後、所定時間が経過してから原料ガス供給装置によるＬＰＧの供給を開始するようにしてもよい。
【０１２８】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。なお、図８において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０１２９】
図８に示すように、本実施の形態２の燃料電池システム１は、燃料電池システム１の変成部１０および選択酸化部１１から変成ヒータおよび選択酸化ヒータを取り除いた点で実施の形態１の燃料電池システム１と異なる。
【０１３０】
すなわち、図８に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、実施の形態１に示す燃料電池システム１が、一部ヒータで変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａを加熱するのに対して、起動運転時に原料ガス供給装置６からバーナ部１２に供給するＬＰＧの量と、燃焼空気ファン７からバーナ部１２に供給する燃焼空気の量とを調整することにより、改質触媒９ａ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱量を調整する構成としたものである。
【０１３１】
以下に、本実施の形態の燃料電池システム１の起動運転の動作について、図８を参照しながら、図９を用いて説明する。
【０１３２】
図９は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の実施の形態１と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
【０１３３】
図９に示すように燃料電池システム１の起動運転時には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する（ステップＳ１）。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され（ステップＳ１）、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。
【０１３４】
そして、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【０１３５】
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３のＮｏ）、変成触媒１０ａの現在の温度（ＴｈＨ）と、所定時間前の温度からの温度上昇速度から、制御部５によって変成触媒１０ａから単位時間当たりに脱離してくる脱離ＬＰＧの量を推測する（ステップＳ４）。
【０１３６】
つぎに、脱離ＬＰＧ量の推測値に基づいて、原料ガス供給装置６でバーナ部１２に供給するＬＰＧの量と燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気との少なくともいずれか一方の量を制御して変成触媒１０ａの昇温速度を制御して脱離ＬＰＧの量を調整する（ステップＳ５）。このとき、バーナ部１２での燃焼が安定するように原料ガス供給装置６でバーナ部１２に供給するＬＰＧの量と脱離ＬＰＧの量との合算量と、燃焼空気ファン７からバーナ部１２に供給する燃焼用空気との比率である空燃比が所定の範囲内に入るように調整する必要がある。さらに、空燃比が所定の範囲内で、原料ガス供給装置６から供給するＬＰＧの量と燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の量を調整することにより、改質触媒９ａを加熱する燃焼熱と、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａを加熱する燃焼排ガスの量を調整することができるので、各触媒の昇温速度を制御することが可能である。
【０１３７】
そして、変成温度センサ１０ｂで検知した温度に基づく原料ガス供給装置６による原料ガス量および燃焼空気ファン７による燃焼用空気の調整は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３のＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃を超え、かつ、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１５０℃を超え、かつ、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃を超えるまで（ステップＳ６のＹｅｓ）続けられる。
【０１３８】
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始し、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａ充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ７）。
【０１３９】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ８）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ８のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ８のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ８のＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
【０１４０】
以上説明したように、本実施の形態２の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇による脱離原料ガスの単位時間当たりの量を、変成温度センサで検知した変成触媒の温度と、変成触媒１０ａの温度上昇速度に基づいて推測し、この推測値に応じて原料ガス供給装置６から供給する原料ガスの量および燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の量を調整する。これにより、バーナ部１２において、燃焼空気ファン７から供給した燃焼用空気と原料ガスとの比率が所定の空燃比になるように制御することができる。その結果、バーナ部１２における不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。また、バーナ部１２で燃焼させる脱離原料ガスを含む原料ガスの量と燃焼用空気量を調整することによって、各触媒の昇温速度を制御することが可能となる。
【０１４１】
以下に、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１における別の起動運転の方法を、図１０を用いて説明する。
【０１４２】
図１０は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１における別の起動運転の方法の主要部の制御の流れを説明するフローチャートである。
【０１４３】
図１０に示すように、燃料電池システム１の起動運転には、まず、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６と燃焼空気ファン７を動作させて、原料ガスであるＬＰＧと空気をそれぞれ供給する（ステップＳ１）。そして、バーナ部１２に供給されたＬＰＧと燃焼用空気とを、図示しない着火装置で着火する。これにより、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始する（ステップＳ２）。
【０１４４】
つぎに、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が上昇を開始するので、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と所定の温度（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ３）。そして、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）に到達したら（ステップＳ３のＹｅｓ）、原料ガス供給装置６を停止する（ステップＳ４）。このとき、バーナ部１２には原料ガス供給装置６からのＬＰＧの供給が停止するが、変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧがバーナ部１２に供給されているために燃焼が継続する。
【０１４５】
つぎに、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して（ステップＳ５）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ２）よりも低い温度ならば（ステップＳ５のＮｏ）、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と温度上昇速度から、変成触媒１０ａから単位時間当たりに脱離してバーナ部１２に供給される脱離ＬＰＧの量を制御部５で推測する（ステップＳ６）。そして、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量を、空燃比が所定の範囲内となるように調整する（ステップＳ７）。なお、同じ脱離ＬＰＧを燃焼させた場合、本実施の形態２の燃料電池システム１では、空燃比が高い、すなわち燃焼用空気量が多い方が、空燃比が低い場合に比べ、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの温度上昇速度は速くなった。
【０１４６】
つぎに、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ２）を超えると（ステップＳ５のＹｅｓ）、再び原料ガス供給装置６を動作させて原料ガス供給装置６からバーナ部１２にＬＰＧを供給する（ステップＳ８）。そして、原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧの量と燃焼空気ファン７で供給する燃焼用空気の量の少なくとも一方を、脱離してくる脱離ＬＰＧの量に応じて調整する（ステップＳ９）。
【０１４７】
そして、変成温度センサ１０ｂで検知した温度に基づく原料ガス供給装置６で供給するＬＰＧ量および燃焼空気ファン７で供給する燃焼用空気量の調整は、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃を超え、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃を超え、かつ、選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃を超えるまで（ステップＳ１０のＹｅｓ）続けられる。
【０１４８】
つぎに、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ１０のＹｅｓ）、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａ充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ１１）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように原料ガス供給装置６から供給される原料ガスであるＬＰＧの量は調整される。
【０１４９】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ１２）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ１２のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ１２のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。
【０１５０】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１の別の起動運転の方法によれば、各触媒の温度上昇が、図１０中のステップＳ８までの間、図９に示した制御の流れで燃料電池システム１の起動運転よりも緩やかになる。これにより、各触媒の温度上昇が急である場合に発生する各触媒の充填層中の温度分布（ばらつき）の発生を抑制することができる。また、各触媒および燃料処理器３を構成する各円筒体の急激な温度変化による劣化を抑制することが可能となる。
【０１５１】
なお、本実施の形態の別の起動運転の制御では、変成触媒１０ａの温度が所定の温度Ｔｈ１に到達した後、原料ガス供給装置６によるＬＰＧの供給を停止する例で説明したが、これに限られない。例えば、変成触媒１０ａの加熱開始から所定時間経過後、もしくは原料ガス供給装置６を駆動開始してから所定時間経過後に原料ガス供給装置６によるＬＰＧの供給を停止することも可能である。これは、図５で示した加熱開始からの経過時間と触媒の温度との関係からも明らかであり、同様の作用効果が得られる。
【０１５２】
なお、本実施の形態の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時にバーナ部１２で燃焼させる原料ガスが燃料処理器３を介してバーナ部１２に供給される構成とした例で説明したが、これに限られない。例えば、原料ガス供給装置６から直接バーナ部１２に原料ガスを供給する経路を備えて、燃料電池システム１の起動運転時に原料ガスを直接バーナ部１２に供給して燃焼させる構成としてもよい。このとき、燃料処理器３の温度上昇による圧力上昇を抑制するために、燃料処理器３からバーナ部１２に至る原料ガス経路を連通させる必要があるが、各触媒から脱離する原料ガスの量を推測して燃焼用空気の量を調整することで同様の効果を得ることができる。
【０１５３】
また、上記実施の形態では、変成触媒１０ａから脱離する原料ガスの量のみを対象として燃焼用空気の量を調整する燃料電池システム１を例に説明した。この理由は、本実施の形態で使用した改質触媒９ａおよび選択酸化触媒１１ａへの原料ガスであるＬＰＧの吸着量がほとんどなく、空燃比に与える影響が充分小さいという実験結果に基づいたものである。
【０１５４】
しかし、通常、原料ガスの種類又は触媒の種類、形状が異なれば、変成触媒１０ａ以外の改質触媒９ａや選択酸化触媒１１ａに原料ガスが吸着する。そして、温度上昇とともに脱離する脱離原料ガスの量が空燃比に与える影響が大きくなる場合がある。この場合には、各触媒の温度上昇による原料ガスの脱離量を、改質部９、変成部１０および選択酸化部１１ごとに実験的に求めて、燃料電池システム１の起動運転時に、各触媒の温度とその温度上昇速度とから各触媒から脱離する脱離原料ガスの量を推測する。そして、各触媒からの脱離原料ガスの合算量に応じて、原料ガス供給装置６から供給する原料ガス量および燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気量を調整して、バーナ部１２での空燃比が所定の範囲内となるようにすればよい。
【０１５５】
なお、本実施の形態の燃料電池システム１では、一酸化炭素低減部として変成触媒１０ａを充填した変成部１０と選択酸化触媒１１ａを充填した選択酸化部１１とを用いた例で説明したが、これに限られない。例えば、燃料電池２が改質ガス中の一酸化炭素に対する耐性が高いものであれば、選択酸化部１１はなくてもよく、また変成部１０がなくて選択酸化もしくはメタネーションによる一酸化炭素低減部のみでもよい。
【０１５６】
また、本実施の形態の燃料電池システムでは、１つのバーナ部１２を備えた例で説明したが、例えば起動運転時に触媒を加熱する加熱用バーナ部を、さらに備えた燃料電池システム１でもよい。
【０１５７】
そこで、以下に、加熱用バーナ部を備えた燃料電池システム１の構成の一例について、図面を用いて説明する。
【０１５８】
図１１は、本発明の実施の形態２における燃料電池システム１の別の例を説明する模式図である。
【０１５９】
図１１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１は、バーナ部１２と、加熱用バーナ部３４と、バーナ前切換弁３５および燃焼用空気経路切換弁３６を、さらに備えている。ここで、バーナ前切換弁３５は、制御部５の信号に基づいて、原料ガス経路１５からの原料ガスを、バーナ部１２または加熱用バーナ部３４に切り替えて供給する。また、燃焼用空気経路切換弁３６は、制御部５の信号に基づいて、燃焼用空気をバーナ部１２または加熱用バーナ部３４に切り替えて供給する。そして、加熱用バーナ部３４は、バーナ部１２と同様に、燃焼熱および燃焼排ガスで改質触媒９ａ、変成触媒１０ａ、選択酸化触媒１１ａを加熱昇温する。
【０１６０】
このとき、加熱用バーナ部３４は、バーナ部１２に比べて小型化が可能で、少量の原料ガスでも燃焼できるとともに、各触媒の温度上昇の速度の制御性を高めることができる。そのため、燃料電池システム１の起動運転時に、加熱用バーナ部３４を用いることにより、触媒の加熱量を比較的精度よく調整することができる。
【０１６１】
上記で説明したように、本実施の形態によれば、加熱用バーナ部３４を別途設けることにより、比較的精度よく触媒の温度上昇速度を制御して、脱離原料ガスの量を精度よく調整できる。その結果、バーナ部１２での空燃比を所定の範囲内に保ち、安定した起動運転が可能な燃料電池システムを実現できる。
【０１６２】
（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１２において実施の形態１および２における燃料電池システム１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１２に示すように、本実施の形態３の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の原料ガス経路１５に、原料ガス経路１５を流通する流量計４０を設けた点で実施の形態１の燃料電池システムと異なる。
【０１６３】
流量計４０は燃料電池システム１の起動運転時に、原料ガス供給装置６から供給される原料ガスの流量と、燃料処理器３の触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量との合算流量を計測するものである。ここで、燃料電池システム１の起動運転時においては、バーナ部１２に供給される燃焼用ガスとは、この原料ガス供給装置６から供給される原料ガスと、燃料処理器３の触媒から脱離してくる脱離原料ガスとのことを示す。そして流量計４０は、流量計４０で計測した燃焼用ガスの流量を信号として制御部５に入力するように配線されている。
【０１６４】
以下に本実施の形態３の燃料電池システム１の起動運転時の動作について、図１２を参照しながら図１３を用いて説明する。図１３は、本実施の形態３の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の他の実施の形態と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
【０１６５】
図１３に示すよう、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃにより変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する（ステップＳ１）。
【０１６６】
次に、ステップＳ１とほぼ同時に、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。このとき、ステップＳ１のヒータによる触媒の加熱とステップＳ２のバーナ部１２への原料ガスおよび燃焼用空気の供給開始および着火は、同じタイミングで行ってもよいし、また、順序が逆であってもよい。
【０１６７】
そして、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱が開始すると、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。また、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【０１６８】
次に、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、所定の温度（Ｔｈ１）と比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３のＮｏ）には、流量計４０で、原料ガス供給装置６から供給するＬＰＧの流量と、変成触媒１０ａから脱離してくる脱離ＬＰＧの流量との合算の流量を計測する（ステップＳ４）。
【０１６９】
そして、変成ヒータ１０ｃの出力を制御して単位時間当たりの脱離ＬＰＧの量がほぼ一定になり、流量計４０で計測する流量がほぼ一定になるように調整する。すなわち、燃焼空気ファン７でバーナ部１２に供給する燃焼用空気の量に対して、原料ガス供給装置６によってバーナ部１２に供給する原料ガスであるＬＰＧの量と脱離原料ガスである脱離ＬＰＧの量との合算量が適切な比率となるように調整する（ステップＳ５）。
【０１７０】
ここで、上記適切な比率とは、実施の形態１と同様に、ステップＳ２からステップＳ７において、空燃比で２．５〜３．０となるように設定した。そして、流量計４０で検知した流量に基づく変成ヒータ１０ｃによる脱離ＬＰＧ量の調整（ステップＳ５）は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３のＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上で、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達する（ステップＳ６のＹｅｓ）まで続けられる。なお、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が約１５０℃になると、変成触媒１０ａに吸着しているＬＰＧの残量が少なくなるため、変成ヒータ１０ｃの出力調整では脱離ＬＰＧの量をそれまでの量と略一定に保つことができなくなる。その場合には、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスであるＬＰＧの量や、燃焼空気ファン７で供給する燃焼空気の量を調整することで所定の空燃比に調整する。
【０１７１】
次に、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにして、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を終了する（ステップＳ７）。
【０１７２】
つぎに、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ８）。このとき、空燃比は１．５〜２．０となるように原料ガスの量が調整される。
【０１７３】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ９）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ９のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ９のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ９のＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
【０１７４】
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システム１によれば、起動運転時に変成触媒１０ａの温度上昇によって脱離してくる脱離原料ガスの流量を、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスの流量とあわせて流量計によって計測し、流量計の計測値に基づいて変成ヒータ１０ｃの出力を調整することで脱離原料ガスの流量を調整することが可能であるため、バーナ部１２に供給される燃焼用ガス（すなわち、原料ガス供給装置６から供給される原料ガスと脱離原料ガスとの混合ガス）の流量をほぼ一定に保つことで、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
【０１７５】
なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０を原料ガス経路に設けたが、これは燃料電池バイパス経路またはオフガス経路に設けても良い。
【０１７６】
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の起動運転時に燃料処理器３を介してバーナ部１２に原料ガス供給装置６から供給する原料ガスを供給したが、これは、別途原料ガス供給経路１４から分岐してバーナ部１２に直接原料ガスを供給する分岐経路と、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスを燃料処理器３に供給するか、バーナ部１２に分岐経路を介して直接供給するかを切り替える流路切替手段とを設け、燃料電池システム１の起動初期で、燃料処理器３の各触媒の温度が一酸化炭素濃度が十分低減され、水素を十分に含む良質の改質ガスを生成するのに適した所定の温度に到達するまでは、分岐経路を介してバーナ部１２に直接原料ガス供給装置６から供給した原料ガスを供給する燃料電池システム１でも良い。この場合、流量計４０では、燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量を計測することになり、制御部５では、流量計４０で計測した脱離原料ガスの流量と、原料ガス供給装置６から供給した原料ガスとの合算量を燃焼空気ファン７で供給する燃焼用空気の流量に対応した流量に調整することで、本実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
【０１７７】
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０を用いて原料ガス供給装置６から供給した原料ガスの流量と、燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量の合算量を計測したが、これは圧力計を用いても良い。すなわち、例えば原料ガス経路に圧力計を接続しておき、事前に原料ガス経路を流れるガス流量と圧力との関係を制御部５に記憶させておき、燃料電池システム１の起動運転時に、この圧力計で計測した値に基づいてバーナ部１２に供給される原料ガスの流量（すなわち原料ガス供給装置６から供給される原料ガスの流量と燃料処理器３の各触媒から脱離してくる脱離原料ガスの流量との合算量）を推測し、その推測値に基づいて制御部５が変成ヒータ１０ｃの出力を制御して脱離原料ガスの流量を調整して燃焼空気ファン７から供給する燃焼用空気の流量に対応した燃焼用ガスがバーナ部１２に供給されるように制御することで、本実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
【０１７８】
また、なお、本実施の形態３においては、原料ガスとしてＬＰＧを用いて説明したが、他の実施の形態と同様に原料ガスはこれに限らず、都市ガス又は灯油など他の炭化水素系の原料を用いることも可能である。灯油などの液体の炭化水素系原料を用いる場合は、気化させてガスとする事が好ましい。また、原料ガスの種類が変わった場合には、燃料処理器３の各触媒に吸着する原料ガスの量又は各触媒の温度と脱離原料ガス流量の挙動が異なることが予測されるが、本実施の形態３の燃料電池システム１では、バーナ部１２に供給される脱離原料ガスを含む原料ガスの流量を計測し、その計測値に基づいて変成ヒータ１０ｃの出力を調整することで脱離原料ガスの流量を調整するので、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。ただし、流量計４０は、原料ガスの種類によって、その原料ガスの流量を計測できる流量計４０を用いる必要がある。
【０１７９】
また、なお、本実施の形態３の燃料電池システム１では、流量計４０で検知した燃焼用ガスの流量に基づいた変成ヒータ１０ｃの出力制御による脱離原料ガスの流量制御を終了するタイミングを、燃料処理器の各触媒の温度が所定の温度以上に到達したが、これは、各触媒の温度が上昇して脱離原料ガスがバーナ部１２での燃焼に影響を与えなくなる温度を超えれば、これに限らない。
【０１８０】
（実施の形態４）
図１４は、本発明の実施の形態４における燃料電池システム１の構成を示す模式図である。図１４において先の実施の形態１から３における燃料電池システム１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１４に示すように、本実施の形態４の燃料電池システム１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１の燃焼排ガス経路１３に、排ガス分析手段に相当する、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計４１を設けた点で実施の形態１の燃料電池システム１と異なる。
【０１８１】
酸素濃度計４１は、バーナ部１２で燃焼用空気とともに原料ガス又はオフガス、改質ガスなどを燃焼させた後の燃焼排ガス中の酸素濃度を計測するものであり、計測した値を制御部５に信号として入力するように電気的に接続されている。
【０１８２】
以下に本実施の形態４の燃料電池システム１の起動運転時の動作について、図１４を参照しながら図１５を用いて説明する。図１５は、本実施の形態４の燃料電池システム１の起動運転時における主要部の制御の流れを示すフローチャートである。なお、本発明の他の実施の形態と同じ部分については、その詳細な説明を省略する場合がある。
【０１８３】
図１５に示すよう、燃料電池システム１の起動運転時には、まず、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃにより変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を開始する（ステップＳ１）。
【０１８４】
次に、ステップＳ１とほぼ同時に、燃料電池バイパス弁１６を開弁し、原料ガス供給装置６により所定量の原料ガスであるＬＰＧを改質部９に供給する。その後、ＬＰＧは、順次、変成部１０、選択酸化部１１に流通して、原料ガス経路１５の燃料電池バイパス経路１５ｂを介してバーナ部１２に供給される。同時に、バーナ部１２には、燃焼空気ファン７により、原料ガス供給装置６で供給したＬＰＧの流量に見合う流量の空気が送風され、図示しない着火装置により着火される（ステップＳ２）。このとき、ステップＳ１のヒータによる触媒の加熱とステップＳ２のバーナ部１２への原料ガスおよび燃焼用空気の供給開始および着火は、同じタイミングで行ってもよいし、また、順序が逆であってもよい。
【０１８５】
そして、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃによる加熱が開始すると、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。また、バーナ部１２でＬＰＧの燃焼が開始すると、その燃焼熱で改質部９の改質触媒９ａが加熱され、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が上昇する。同時に、燃焼排ガスが、変成部１０、選択酸化部１１の内部の燃焼排ガス経路１３を順次通ることにより、変成触媒１０ａと選択酸化触媒１１ａとが加熱される。これにより、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）と選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が上昇する。
【０１８６】
次に、変成温度センサ１０ｂで変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）を検知して、所定の温度（Ｔｈ１）と比較する（ステップＳ３）。このとき、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）よりも低い温度の場合（ステップＳ３のＮｏ）には、酸素濃度計４１でバーナ部１２から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度の計測を開始し、制御部５への入力を開始する（ステップＳ４）。
【０１８７】
次に、制御部５では、酸素濃度計４１で計測した酸素濃度に基づいて、酸素濃度計４１の計測する酸素濃度が所定の酸素濃度となるように、変成ヒータ１０ｃの出力を制御して、変成触媒１０ａから脱離する脱離ＬＰＧの流量を調整することにより、酸素濃度計４１の計測する酸素濃度が所定の酸素濃度となるよう制御する（ステップＳ５）。具体的には、酸素濃度計４１で計測する燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度よりも低い場合は、変成ヒータ１０ｃの出力を減少させ、脱離ＬＰＧの流量を減少させ、逆に燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度よりも高い場合は、変成ヒータ１０ｃの出力を増加させ、脱離ＬＰＧの流量を増加させることで、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の酸素濃度となるようにする。すなわち、バーナ部１２での空燃比が所定の空燃比となるように制御する。
【０１８８】
そして、酸素濃度計４１で検知した流量に基づく変成ヒータ１０ｃによる脱離ＬＰＧ量の調整（ステップＳ５）は、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が所定の温度（Ｔｈ１）以上（ステップＳ３のＹｅｓ）で、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上で、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達する（ステップＳ６のＹｅｓ）まで続けられる。なお、変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が約１５０℃になると、変成触媒１０ａに吸着しているＬＰＧの残量が少なくなるため、変成ヒータ１０ｃの出力調整では脱離ＬＰＧの量をそれまでの量と略一定に保つことができなくなる。その場合には、原料ガス供給装置６から供給する原料ガスであるＬＰＧの量又は、燃焼空気ファン７で供給する燃焼空気の量を調整することで所定の空燃比に調整する。
【０１８９】
次に、改質触媒９ａの温度（ＴｈＫ）が２００℃以上、かつ変成触媒１０ａの温度（ＴｈＨ）が１８０℃以上、かつ選択酸化触媒１１ａの温度（ＴｈＳ）が１５０℃以上に達した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）、変成ヒータ１０ｃおよび選択酸化ヒータ１１ｃをＯＦＦにして、変成触媒１０ａおよび選択酸化触媒１１ａの加熱を終了する（ステップＳ７）。
【０１９０】
つぎに、水蒸気発生装置４から水蒸気経路４ａを介して原料ガス供給経路１４に水蒸気の供給を開始する。そして、ＬＰＧと水蒸気との混合ガスが改質部９の改質触媒９ａの充填層中に供給され、ＬＰＧから水素への改質が開始される（ステップＳ８）。
【０１９１】
つぎに、各触媒の温度が所定温度、すなわち改質触媒が約６００〜７００℃、変成触媒が約２００〜３００℃、選択酸化触媒が約１５０〜２００℃の温度範囲内であるかを判断する（ステップＳ９）。このとき、各触媒の温度が温度範囲より低い場合（ステップＳ９のＮｏ）、各触媒での反応が不十分であり、すなわち改質ガス中の水素量が少なく、また一酸化炭素量が多いので、昇温途中の改質ガスを燃料電池バイパス経路１５ｂに流通させる。そして、各触媒の温度が所定の温度範囲まで上昇した場合（ステップＳ９のＹｅｓ）、改質ガスの成分が安定してから燃料電池バイパス弁１６を閉弁する。同時に、燃料電池入口弁１７と燃料電池出口弁１８とを開弁して燃料電池２のアノード電極２ｂ側に改質ガスを供給し、発電を開始する。また、各触媒の温度が温度範囲以外の場合（ステップＳ９のＮｏ）、従来と同様の制御を行い、温度範囲内になるまで待機する。
【０１９２】
以上説明したように、本実施の形態４の燃料電池システム１によれば、起動運転時に、燃焼排ガス中の酸素濃度に基づいて脱離原料ガスの流量が調整されるために、燃料処理器３の触媒の温度が上昇し、触媒に吸着していた原料ガスが脱離してバーナ部１２に供給された場合でも、バーナ部１２での燃焼を安定させることが可能である。その結果、不完全燃焼の発生を抑制して安定した燃焼を実現し、確実に燃料電池システム１の起動運転を行うことができる。
【０１９３】
なお、本実施の形態４の燃料電池システム１では、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計４１を用いて、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の濃度となるように脱離原料ガスの流量を調整したが、これは、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計を用いても良い。この場合、燃料処理器の触媒温度が上昇を開始して脱離原料ガスによってバーナ部１２で燃焼される燃焼用ガスの流量が増加してくると、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度が上昇してくるため、それに対応して脱離原料ガスの流量を減少させてやれば、本実施の形態４の燃料電池システム１と同様の効果を得ることができる。
【０１９４】
本出願は、２００９年５月１２日出願の日本特許出願（特願２００９−１１５４１４）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１９５】
本発明にかかる燃料電池システムは、バーナ部の安定した燃焼とともに、安定した起動運転ができるので、都市ガス又はＬＰＧなどの炭化水素系原料を水蒸気改質して利用する燃料電池システムの技術分野に有用である。
【符号の説明】
【０１９６】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
２ａ  固体高分子電解質膜
２ｂ  アノード電極
２ｃ  カソード電極
３  燃料処理器
４  水蒸気発生装置
４ａ  水蒸気経路
５  制御部
６  原料ガス供給装置
７  燃焼空気ファン
７ａ  燃焼用空気経路
８  カソード空気ブロワ
９  改質部
９ａ  改質触媒
１０  変成部
１０ａ  変成触媒
１０ｂ  変成温度センサ
１０ｃ  変成ヒータ
１１  選択酸化部
１１ａ  選択酸化触媒
１１ｂ  選択酸化空気供給経路
１１ｃ  選択酸化ヒータ
１２  バーナ部
１３  燃焼排ガス経路
１４  原料ガス供給経路
１５  原料ガス経路
１５ａ  燃料電池入口経路
１５ｂ  燃料電池バイパス経路
１５ｃ  オフガス経路
１６  燃料電池バイパス弁
１７  燃料電池入口弁
１８  燃料電池出口弁
２０  第１円筒体
２１  第２円筒体
２２  第３円筒体
２３  第４円筒体
２４  第１ガス流路
２５  第２ガス流路
２６  燃焼室
２７  排気折り返し部
２８  原料ガス折り返し部
３４  加熱用バーナ部
３５  バーナ前切換弁
３６  燃焼用空気経路切換弁
４０  流量計
４１  酸素濃度計
【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】
原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質触媒で改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記改質ガスを一酸化炭素低減触媒と接触させて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減部を通った前記改質ガス中の水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスと前記原料ガスと前記改質ガスとの少なくとも１つを燃焼用空気を使って燃焼させるバーナ部と、前記原料ガスを前記改質部と前記改質部を介してまたは直接前記バーナ部とに供給する原料ガス供給装置と、前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方を加熱する加熱手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの起動運転時には、前記加熱手段を制御して、前記バーナ部の燃焼用空気の量と原料ガスの量との比率が所定の範囲内になるように、前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうちで脱離してくる脱離原料ガスの量を調整する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムの起動運転時に、前記バーナ部に供給される前記原料ガスと前記脱離原料ガスとのうち、少なくとも前記脱離原料ガスの流量を計測する計測手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記計測手段は、少なくとも前記脱離原料ガスの流量を計測する流量計であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記計測手段は、少なくとも前記脱離原料ガスの圧力を検知する圧力計であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記バーナ部で燃焼させた後の燃焼排ガス成分のうち、少なくとも一つの成分の濃度を検知する排ガス分析手段を備え、前記排ガス分析手段で検知した濃度に基づいて前記脱離原料ガスの量を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質触媒の温度と前記一酸化炭素低減触媒の温度と少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、
前記温度センサが検知した前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒との少なくとも一方の温度に基づいて、前記燃料電池システムの起動運転時に、前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた前記原料ガスの成分中の脱離してくる前記脱離原料ガスの量を推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加熱手段の加熱開始からの経過時間を計測するタイマ手段を備え、
前記タイマ手段が計測した時間に基づいて、前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた前記原料ガスの成分のうち脱離してくる前記脱離原料ガスの量を推定する請求項１または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、前記加熱手段による加熱開始から所定時間経過後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記改質触媒の温度と前記一酸化炭素低減触媒の温度との少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始し、前記温度センサの検知する温度が所定の温度以上になった後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱を開始した後、前記加熱手段による加熱開始から所定時間経過するか、または、前記温度センサが検知する温度が所定の温度以上となるまでは前記バーナ部では燃焼を行なわないことを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加熱手段による前記改質触媒または前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の加熱中で、前記バーナ部において燃焼を行なわない期間は、前記燃焼用空気によって前記脱離原料ガスを可燃範囲以下の濃度で希釈することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池システムの起動時に、前記原料ガス供給装置と前記加熱手段とを動作させ、前記原料ガス供給装置で前記原料ガスを所定時間供給した後に前記原料ガス供給装置の動作を停止して、前記原料ガス供給装置の動作停止から所定時間経過後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記改質触媒と前記一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方の温度を検知する１つまたは複数の温度センサを備え、前記燃料電池システムの起動時に、前記原料ガス供給装置と前記加熱手段とを動作させ、前記原料ガス供給装置による前記原料ガスの供給開始から所定時間経過後、または前記温度センサが第１所定温度以上を検知後に前記原料ガス供給装置の動作を停止して、前記温度センサが第２所定温度以上を検知した後に前記原料ガス供給装置を動作させる請求項１または６または７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記加熱手段は、電気ヒータである請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記加熱手段は、加熱用バーナ部からなり、
前記加熱用バーナ部の燃焼排ガスが前記改質部と前記一酸化炭素低減部の少なくとも一方を加熱する請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記バーナ部を前記加熱用バーナ部として用いる請求項１５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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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