(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システムの再起動時、停止中に空気流通経路に溜まった凝縮水による流路閉塞を回避し、性能低下や劣化を抑制する電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池に空気の供給を開始する際に、開閉弁を開放して燃料電池への空気の供給を行なうよう制御すると共に、所定流量以上の空気で流路に溜まった凝縮水をシステム系外に排出することで流路の圧力損失を正常に戻した後、燃料電池に供給する空気量を所定量になるように調整する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、
原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、
前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、
空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、
前記カソード空気経路から分岐し、前記水素生成器と前記燃料ガス経路との少なくとも一方に空気を流通させる分岐空気経路と、
前記カソード空気経路に配設された前記燃料電池への空気の供給または遮断を行なうカソード空気供給遮断手段とを備え、
前記燃料電池に空気の供給を開始する際には、まず、前記カソード空気供給遮断手段を開放して前記燃料電池に空気の供給を行なうよう制御すると共に、前記燃料電池に供給する空気が第１の所定流量よりも多い流量で所定時間供給されるように制御し、次に、前記燃料電池に供給する空気が第１の所定流量になるように前記空気供給手段を制御する制御部を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気供給手段で供給する空気の流量を検知する流量検知手段をさらに備え、前記制御部は、前記流量検知手段で検知した空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御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３】
前記流量検知手段は、前記分岐空気経路に設けられた前記水素生成器と前記燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気の流量を検知する空気流量検知手段であり、前記制御部は空気流量検知手段の検知する空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御す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】
前記空気供給手段で供給した空気を前記カソード空気経路と前記分岐経路とに分配する比率を調整する分流比調整手段を、前記カソード空気経路と前記分岐空気経路との分岐点、または前記カソード空気経路、または前記分岐空気経路のいずれかに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記分流比調整手段は、前記カソード空気経路と前記分岐経路との分岐点に設けた分流弁であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記分流比調整手段は、前記カソード空気経路に備えられた前記カソード空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分流比調整手段は、前記分岐空気経路に備えられた前記分岐空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御部は、前記燃料電池にカソード空気の供給を開始する前後で、前記分岐空気経路に供給される空気流量が変化しないように前記分流比調整手段を制御することを特徴とする請求項４から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記分流比調整手段が前記カソード空気供給遮断手段を兼ねることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水素生成器は、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素を除去する選択酸化部とをさらに有し、前記分岐空気経路は、前記選択酸化部に空気を流通させる選択酸化空気経路であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記分岐空気経路は、前記燃料ガス経路に空気を流通させて前記燃料ガスに混入し、前記燃料電池に供給するためのブリード空気経路であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記選択酸化空気経路から分岐して、前記燃料ガス経路に前記選択酸化空気経路に供給された空気の一部を流通させて前記燃料ガスと混合して前記燃料電池に供給するブリード空気経路を有し、前記ブリード空気経路に前記選択酸化部に供給される空気流量と前記燃料ガス経路に供給される空気流量とが所定の比率となるように調整する流量調整手段を備えた請求項１０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燃料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ものである。
【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や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ものである。燃料電池が発電する際には、電力と同時に熱が発生するが、燃料電池で発電した電力とともに、この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近年、燃料電池システムとして注目されている。
【０００３】
燃料電池の発電に必要な水素リッチガス（以下、燃料ガスと称す）を生成する方法の一つとして、燃料電池システムでは都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスやメタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を水蒸気とともに導入して改質する改質部を有する水素生成器を備えたものが一般的である。
【０００４】
また、燃料電池は電気化学反応を促進するために電極に触媒を有しており、この触媒は一酸化炭素により被毒して性能が低下する性質を有していることが多い。そのため、水素生成器では炭化水素系の原料を改質部で改質して燃料ガスを生成した後、この燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減するため、空気を導入して空気中の酸素と改質ガス中の一酸化炭素とを酸化反応させる選択酸化部を備え、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスを生成し、燃料電池に供給するのが一般的である。
【０００５】
さらに、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスを燃料電池に供給しても、燃料電池の電極触媒によって燃料ガス中の二酸化炭素が逆シフト反応を起こして一酸化炭素が発生し、この一酸化炭素により燃料電池の電極触媒が被毒して燃料電池の性能が低下してしまうことがあるため、燃料ガス中に微量の空気（以下、適宜、ブリード空気と称す）を混入して、逆シフト反応で発生した一酸化炭素を燃料電池の電極触媒で燃焼して触媒の被毒を回避する燃料電池システムも提案されている。
【０００６】
上記のような燃料電池システムでは、燃料電池に酸化剤ガスとして供給する空気（以下、適宜、カソード空気と称す）、選択酸化部に供給する空気（以下、適宜、選択酸化空気と称す）およびブリード空気の３通りの空気を、それぞれ所定の流量で供給する必要があり、それぞれに空気供給手段と流量計測手段、および流量制御手段を設けると、コストが増大すると共に、燃料電池システムの外形寸法が大型化し、それに伴い広い設置スペースが必要であった。また、複数の空気供給手段が同時に動作することにより、動作音が大きくなるという課題もあった。
【０００７】
上記課題を解決するために、選択酸化空気とブリード空気とを、一つの空気供給装置によって供給する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。この従来の燃料電池システムは、ブリード空気経路に、選択酸化空気とブリード空気とが所定の分流比になるように、予め、両流路の圧力損失の差を調整するための固定オリフィスを備えているため、一つの流量検知手段で選択酸化空気の流量とブリード空気の流量を所定の流量に制御することが可能である。
【０００８】
さらに別の従来の燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソード空気と、水素生成器に供給する空気とを、一つの空気供給装置によって供給する燃料電池システムが示されている（特許文献２の図１参照）。
【０００９】
図１０は、特許文献２に記載された従来の燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１０に示すように、空気供給装置であるコンプレッサ１００から供給される空気は、カソード空気経路１０１を介して燃料電池１０２に供給されるが、カソード空気経路１０１は、途中で水素生成器１０３に接続された分岐空気経路１０４に分岐され、水素生成器１０３にコンプレッサ１００から供給されている空気の一部が供給される。さらに、分岐空気経路１０４には、流量検知手段として空気流量計１０５と、流量調整手段として空気制御バルブ１０６とを備えており、空気流量計１０５で検知した空気流量に基づいて制御部１０７で空気制御バルブ１０６の開度を調整し、水素生成器１０３に必要な所定流量の空気を供給するように調整される。
【００１０】
特許文献２には、燃料電池１０２に供給するカソード空気の流量を調整する具体的な方法についての記載はない。しかしながら、コンプレッサ１００から供給された空気が、カソード空気経路１０１と分岐空気経路１０４とに分流される比率（以下、適宜、分流比と称する）は、燃料電池１０２およびそのガスの流れに対する下流の経路を含むカソード空気経路１０１と、空気制御バルブ１０６と水素生成器１０３およびそのガスの流れに対する下流の経路を含む分岐空気経路１０４との圧力損失の比率によって決まってくる。そこで、予め、空気制御バルブ１０７の開度と、カソード空気経路１０１と分岐空気経路１０４との分流比との関係を制御部１０７に記憶しておくことにより、空気制御バルブ１０６の開度と空気流量計１０５の検知する流量から、カソード空気経路１０１を介して燃料電池１０２に供給されるカソード空気の流量を判断し、これに基づいてコンプレッサ１００の回転数を制御部１０７で制御してコンプレッサ１００から供給する空気量を調整することにより、燃料電池に供給するカソード空気の流量が所定の流量となるようにすることが可能である。
【００１１】
この構成により、特許文献２に記載の従来の燃料電池システムでは、特許文献１に記載の燃料電池システムよりも、さらに空気供給装置および流量検知手段の数を削減することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−２１０１３１号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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。
【００１４】
すなわち、燃料電池システムを停止した際には、発電によって燃料電池の内部の空気側で生成した水蒸気が、燃料電池システムの温度が低下によって、カソード空気が流通する燃料電池内部の空気流路や燃料電池から空気を排出するための経路内で凝縮する。そして、この凝縮水は、カソード空気が流通する経路内に溜まって、経路の断面積を減少させたり、場合によっては経路を閉塞したりすることになる。これにより、カソード空気が流通する経路の圧力損失が、凝縮水が無い正常な場合に比べて増大してしまい、再度、燃料電池システムを起動する際には、制御部で予め記憶している分流比と異なることになり、燃料電池に必要なカソード空気よりも少ない流量の空気しか供給されなくなり、燃料電池の性能が低下し、また劣化が促進されてしまうという課題があった。また、燃料電池に供給されるカソード空気の流量が少ない分、水素生成器と燃料ガス経路の少なくとも一方に供給される空気の流量が、所定の流量よりも増加することになり、燃料電池システムの性能が低下し、劣化が促進されるという課題があった。
【００１５】
本発明は、従来の燃料電池システムの課題を考慮して、簡単な構成で、水素生成器と燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気と、カソード空気とを一つの空気供給手段で供給することが可能であり、燃料電池システムの起動および停止を繰り返し行なっても、水素生成器と燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気と、カソード空気とを、所定の比率で分流して、それぞれ所定流量で供給することができ、燃料電池システムの性能低下や劣化の促進を抑制することが可能な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】
【００１６】
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、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな改質ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、前記カソード空気経路から分岐し、前記水素生成器と前記燃料ガス経路との少なくとも一方に空気を流通させる分岐空気経路と、前記カソード空気経路に配設された前記燃料電池への空気の供給または遮断を行なうカソード空気供給遮断手段とを備え、前記燃料電池に空気の供給を開始する際には、まず、前記カソード空気供給遮断手段を開放して前記燃料電池に空気の供給を行なうよう制御すると共に、前記燃料電池に供給する空気を第１の所定流量よりも多い流量で供給されるように制御し、次に、前記燃料電池に供給する空気が所定時間第１の所定流量になるように前記空気供給手段を制御する制御部を備えたものである。
【００１７】
これによって、燃料電池システムを起動して燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、まず、燃料電池システムを停止した際にカソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水を、第１の所定流量以上の空気で燃料電池システムの系外に押し出して排出し、カソード空気が流通する経路の圧力損失を正常に戻し、次に、燃料電池の発電に必要な第１の所定流量の空気を供給するように空気供給手段を制御して空気流量を調整することによって、カソード空気経路と分岐空気経路とにそれぞれ所定の流量の空気を供給することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池システムによれば、一つの空気供給手段で選択酸化空気とカソード空気とを所定の比率で分流して供給する簡単な構成で、燃料電池システムの起動および停止を繰り返し行なっても選択酸化空気とカソード空気とを所定の流量で供給することができ、燃料電池の性能低下や劣化促進を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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模式的に示す模式図
【図２】同実施の形態１に係る燃料電池システムの主要部の動作を示すタイミングチャート
【図３】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模式的に示す模式図
【図４】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模式的に示す模式図
【図５】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模式的に示す模式図
【図６】本発明の実施の形態５における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図
【図７】同実施の形態５に係る燃料電池システムの起動運転における主要部の動作を示すタイミングチャート
【図８】本発明の実施の形態６における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図
【図９】同実施の形態６に係る燃料電池システムの起動運転における主要部の動作を示すタイミングチャート
【図１０】従来の燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
第１の発明は、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、前記カソード空気経路から分岐し、前記水素生成器と前記燃料ガス経路との少なくとも一方に空気を流通させる分岐空気経路と、前記カソード空気経路に配設された前記燃料電池への空気の供給または遮断を行なうカソード空気供給遮断手段とを備え、前記燃料電池に空気の供給を開始する際には、まず、前記カソード空気供給遮断手段を開放して前記燃料電池に空気の供給を行なうよう制御すると共に、前記燃料電池に供給する空気が所定時間第１の所定流量よりも多い流量で供給されるように制御し、次に、前記燃料電池に供給する空気が第１の所定流量になるように前記空気供給手段を制御する制御部を備えた燃料電池システムである。
【００２１】
これにより、燃料電池システムを停止した際にカソード空気が流通する経路で水蒸気が凝縮しても、再度、燃料電池システムを起動して燃料電池へのカソード空気の供給を開始する際に、まず、第１の所定流量以上の空気で凝縮水を燃料電池システムの系外に押し出し、その後、発電に必要な第１の所定量の空気流量に調整することによって、カソード空気経路と分岐空気経路との圧力損失の比率を所定の比率にすることができ、カソード空気経路と分岐空気経路とにそれぞれ所定の流量の空気を供給することができるため、一つの空気供給手段によって分岐空気経路に供給する空気とカソード空気とを所定の比率で分流して供給する簡単な構成で、燃料電池システムの起動および停止を繰り返し行なっても分岐空気経路に供給する空気とカソード空気とを所定の流量で供給することができ、燃料電池の性能低下や劣化促進を抑制することが可能な燃料電池発電システムを提供することができる。
【００２２】
第２の発明は、第１の発明の燃料電池システムに、前記空気供給手段で供給する空気の流量を検知する流量検知手段をさらに備え、前記制御部は前記流量検知手段で検知した空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御する燃料電池システムである。
【００２３】
これにより、上記第１の発明の効果に加え、空気供給手段から供給する空気の流量を、燃料電池システムの運転に必要な流量に正確に制御することが可能となるため、必要以上の空気が流れて燃料電池システムの効率が低下したり、空気が不足することにより、燃料電池の性能が低下し、また劣化が促進することを抑制することができる。
【００２４】
第３の発明は、第２の発明の燃料電池システムの流量検知手段が、前記分岐空気経路に設けられた前記水素生成器と前記燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気流量を検知する空気流量検知手段であり、前記制御部は空気流量検知手段の検知する空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御するものである。
【００２５】
通常の燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソード空気の流量に比べ、分岐空気経路を介して、水素生成器に供給する空気流量、または、燃料ガスに混入させて燃料電池に供給するブリード空気の流量の少なくとも一方の空気量、または、水素生成器に供給する空気流量とブリード空気の流量との合算の空気流量の方が少ない。そのため、第３の発明の燃料電池システムによれば、少ない流量である分岐空気経路に供給する空気流量に基づいて空気供給手段で供給する空気の流量を制御するために、第２の発明の燃料電池システムに比べて、より正確に空気の流量を制御することが可能である。
【００２６】
第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明の燃料電池システムに、前記空気供給手段で供給した空気を前記カソード空気経路と前記分岐経路とに分配する比率を調整する分流比調整手段を、前記カソード空気経路と前記分岐空気経路との分岐点、または前記カソード空気経路、または前記分岐空気経路のいずれかに備えたものである。
【００２７】
これにより、空気供給手段の回転数などの操作量と、分流比調整手段による分流比との二つを調整して、カソード空気と分岐空気経路に供給する空気との流量を制御することが可能であるため、空気流量の調整を比較的簡単に行うことが可能である。
【００２８】
第５の発明は、第４の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が、前記カソード空気経路と前記分岐経路との分岐点に備えた分流弁である燃料電池システムである。これにより、比較的簡単な構成でカソード空気と分岐空気経路に供給する空気との分流比を調整することが可能である。
【００２９】
第６の発明は、第４の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が、前記カソード空気経路に備えられた前記カソード空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であるものである。これにより、比較的簡単な構成でカソード空気と分岐空気経路に供給する空気との分流比を調整することが可能である。
【００３０】
第７の発明は、第４の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が、前記分岐空気経路に備えられた前記分岐空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であるものである。これにより、比較的簡単な構成でカソード空気と分岐空気経路に供給する空気との分流比を調整することが可能である。
【００３１】
第８の発明は、第４から７のいずれか１つの発明の燃料電池システムの制御部が、前記燃料電池にカソード空気の供給を開始する前後で、前記分岐空気経路に供給される空気流量が変化しないように前記分流比調整手段を制御するものである。
【００３２】
これにより、カソード空気供給遮断手段を開放した直後に分岐空気経路に供給される空気の流量が、必要流量よりも多くなり過ぎ、燃料電池システムの性能が低下し、また劣化が促進することを抑制することができる。
【００３３】
第９の発明は、第５または６の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が前記カソード空気供給遮断手段を兼ねるものである。すなわち、分流比調整手段が分流弁である場合は、分岐経路側に空気供給手段から供給される空気が全て供給されるように制御することにより、燃料電池への空気の供給を遮断することが可能であり、また、分流比調整手段がカソード空気経路に備えられた流路抵抗可変手段である場合は、流路抵抗可変手段でカソード空気経路を閉止することによって、燃料電池への空気の供給を遮断することが可能である。
【００３４】
これにより、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能である。
【００３５】
第１０の発明は、第１のから９のいずれか１つの発明の燃料電池システムの水素生成器が、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素を除去する選択酸化部とを有し、前記分岐空気経路が、選択酸化部へ空気を流通させる選択酸化空気経路であるものである。
【００３６】
これにより、改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減することができるため、燃料電池の電極触媒の被毒を抑制することができる。
【００３７】
第１１の発明は、第１のから９のいずれか１つの発明の燃料電池システムの分岐空気経路が、前記燃料ガス経路に空気を流通させて前記燃料ガスに混入し、前記燃料電池に供給するためのブリード空気経路であるものである。
【００３８】
これにより、燃料電池の電極触媒の作用により、燃料ガス中の二酸化炭素から一酸化炭素が逆シフト反応によって発生して電極触媒を被毒することを抑制することができる。
【００３９】
第１２の発明は、第１０の発明の燃料電池システムが、前記選択酸化空気経路から分岐して、前記燃料ガス経路に前記選択酸化空気経路に供給された空気の一部を流通させて前記燃料ガスと混合して前記燃料電池に供給するブリード空気経路を有し、前記ブリード空気経路に前記選択酸化部に供給される空気流量と前記燃料ガス経路に供給される空気流量とが所定の比率となるように調整する流量調整手段を備えたものである。
【００４０】
これにより、水素生成器から燃料電池に供給する燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させ、加えて、燃料電池の電極触媒の作用により、燃料ガス中の二酸化炭素から一酸化炭素が逆シフト反応によって発生して電極触媒を被毒することを抑制することができる。
【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本発明が限定されるものではない。
【００４２】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【００４３】
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模式的に示す模式図である。図１において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。
【００４４】
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、その発電部の本体としての燃料電池２を備えている。この燃料電池２としては、本実施の形態では、固体高分子型燃料電池を用いている。
【００４５】
燃料電池２は、後述する水素生成器３から排出されて燃料電池２内のアノード流路２ａに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、後述する空気供給手段である空気ブロワ１７により燃料電池２内のカソード流路２ｂに供給される酸化剤ガス（通常、空気）とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。また、図示はしていないが、燃料電池２が発電する際に発生する熱は、燃料電池２内の冷却水流路（図示せず）に供給する冷却水により回収され、燃料電池２外に排出される。燃料電池２の内部構成に関する詳細な説明については、燃料電池２の内部構成と一般的な固体高分子型燃料電池の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。
【００４６】
また、図１に示すように、燃料電池システム１は、本発明に係る水素生成器３として、少なくとも改質器３ａを備えている。この改質器３ａは、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを所定の温度に加熱した改質触媒の充填層（図示せず）中に供給することにより、水蒸気改質反応を進行させ、原料から水素を豊富に含む燃料ガスを生成するものである。改質器３ａに供給する原料としては、典型的には、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの気体の炭化水素系原料が用いられる。しかしながら、メタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を用いてもよい。ただし、液体の原料を用いる場合は、改質器３ａに供給する前に気化させることが好ましい。
【００４７】
改質器３ａへの原料の供給は、後述の原料供給装置４によって、原料供給装置４と改質器３ａとを接続した原料ガス供給経路５を介して行われる。なお、以下の説明において「接続され」と記す際には、経路などを介して接続される場合も含む。また、改質器３ａへの水蒸気の供給は、後述の水蒸気発生器３ｄでプロセス水を蒸発させて生成した水蒸気を、原料ガス供給経路５に混入させて行われる。
【００４８】
また、本実施の形態１の燃料電池システム１の水素生成器３には、上記改質器３ａと、この改質器３ａから排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するための変成器３ｂと、ＣＯ除去器として選択酸化器３ｃとが順次接続されている。
【００４９】
変成器３ｂは、改質器３ａと接続されており、改質器３ａで生成した燃料ガスが、変成器３ｂの変成触媒の充填層（図示せず）中に導入される。この改質器３ａで生成した燃料ガス中には、水素のほかに一酸化炭素と二酸化炭素、そして改質反応に使われなかった水蒸気が含まれているが、変成器３ｂでは、導入された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させ、二酸化炭素と水素とが生成するように構成されている。
【００５０】
選択酸化器３ｃは、変成器３ｂと接続されており、変成器３ｂで一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスが、選択酸化触媒の充填層（図示せず）中に導入され、さらに酸素を含有するガス、すなわち一般的には空気が後述の選択酸化空気経路１９を介して供給される。選択酸化器３ｃでは、変成反応で残存した燃料ガス中の一酸化炭素を、空気中の酸素で酸化させて二酸化炭素とし、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度まで低減する。選択酸化器３ｃに供給する空気を選択酸化空気と称して、以下、説明を行う。
【００５１】
また、水素生成器３は、水蒸気発生器３ｄを備えており、この水蒸気発生器３ｄは、プロセス水を蒸発させて水蒸気を生成するように構成されている。プロセス水を蒸発させるための熱には、変成器３ｂおよび選択酸化器３ｃにおける変成反応および選択酸化反応の際に発生する反応熱と、後述するバーナ部３ｅにおける燃焼排熱が利用される。また、別途電気ヒータなどの加熱手段を設けることも可能である。また、水蒸気発生器３ｄには、プロセス水供給ポンプ６によってプロセス水タンク７からプロセス水が供給され、水蒸気発生器３ｄで蒸発させて水蒸気を生成した後、原料ガス供給経路５と接続された水蒸気供給経路８を介して、原料ガスと混合されて改質器３ａに供給される。また、水蒸気供給経路８は、直接改質器３ａと接続されていても良い。
【００５２】
また、水素生成器３は、改質器３ａ内に充填された改質触媒（図示せず）を加熱するために、例えば原料ガスを燃焼するバーナ部３ｅを備えている。このバーナ部３ｅは、燃料電池２で発電に利用されなかった水素を含む燃料電池２から排出されるガス（以下、オフガスと称す）、水素生成器３で生成される燃料ガス、および原料供給装置４により供給される原料ガスの内、少なくともいずれか１つを燃焼させて改質触媒を加熱し、改質反応に必要な改質熱を発生させる。また、このバーナ部３ｅには、バーナ部３ｅでの原料ガス等の燃焼に必要な空気を大気中から供給する燃焼空気ファン９が燃焼空気経路１０を介して接続されており、燃焼空気ファン９は、燃焼させる原料ガス等を完全燃焼させるのに必要な空気量が供給されるように、後述の制御部２２によって制御されている。また、バーナ部３ｅで燃焼した後の燃焼排ガスは、図示はしていないが燃焼排ガス経路を介して水蒸気発生器３ｄを加熱してから燃料電池システム１の系外に排出される。
【００５３】
また、改質器３ａは、改質器３ａ内に充填された改質触媒（図示せず）の温度を計測するための温度センサ３ｆを備える。この温度センサ３ｆは、改質器３ａの外側から、改質器３ａの内部と外部とが連通しないようにシール構成を配慮して改質触媒中に埋設されている。さらに、温度センサ３ｆは、改質触媒の温度を電気信号として後述する制御部２２に出力するように配線されている。また、図示はしていないが、変成触媒の温度を検知する温度センサと選択酸化触媒の温度を検知する温度センサとが、それぞれ変成器３ｂと選択酸化器３ｃとに設けてあり、制御部２２に出力するように配線されている。
【００５４】
また、図１に示すように、この燃料電池システム１は、原料供給装置４を備えている。この原料供給装置４は、燃料電池システム１の発電運転時等において、天然ガス等のインフラストラクチャーから供給される天然ガス等の原料ガスを昇圧する昇圧ポンプであり、上述した原料ガス供給経路５を介して、改質器３ａに原料を供給する。ここで、この原料供給装置４は、後述する制御部２２により、必要に応じて改質器３ａに供給する原料ガスの供給量を適宜調整することが可能であるように構成されている。
【００５５】
また、燃料電池２と水素生成器３とは、水素生成器３で生成された燃料ガスを燃料電池２のアノード流路２ａに供給するために、一端が水素生成器３の選択酸化器３ｃと接続され、他端が燃料電池２のアノード流路２ａに接続された燃料ガス経路１１とで接続されている。さらに、燃料電池２のアノード流路２ａとバーナ部３ｅとは、一端が燃料電池２のアノード流路２ａに接続され、他端がバーナ部３ｅに接続されたオフガス経路１２で接続されている。また、燃料ガス経路１１は途中でバイパス経路１３に分岐されており、オフガス経路１２の途中と合流するように接続されている。
【００５６】
燃料ガス経路１１のバイパス経路１３との分岐点よりも燃料電池２側には、燃料入弁１４が、オフガス経路１２のバイパス経路１３との合流点よりも燃料電池２側には、燃料出弁１５が、バイパス経路１３にはバイパス弁１６が、それぞれ設けられており、後述の制御部によって任意に開放または閉止が可能なように配設されている。燃料入弁１４，燃料出弁１５およびバイパス弁１６は制御部２２によって開放および閉止を任意に切り替えることが可能な電磁弁であり、これにより、燃料入弁１４と燃料出弁１５を閉止した状態でバイパス弁１６を開放すれば、選択酸化器３ｃから供給されるガスを燃料電池２を介さずに直接燃料ガスをバーナ部３ｅに供給することができ、逆に、燃料入弁１４と燃料出弁１５を開放してバイパス弁１６を閉止すれば、燃料電池２に水素生成器３で生成した燃料ガスを供給することが可能である。
【００５７】
また、図１に示すように、この燃料電池システム１は、空気供給手段として空気ブロワ１７を備えている。この空気ブロワ１７は、大気中から空気を吸入することにより、燃料電池２のカソード流路２ｂにカソード空気経路１８を介して酸化剤ガスとしての空気（以下、カソード空気と称す）を供給するものである。さらに空気ブロワ１７は、後述する制御部２２によって回転数を制御することにより、空気ブロワ１７から供給する空気量を調整することが可能であるように配設されている。なお、本実施の形態１の燃料電池システム１に使用した空気ブロワ１７は、燃料電池システム１で利用する空気流量の範囲で、供給する空気が流通する経路の圧力損失の変化に対して、流量変化がほとんど無い特性を持った空気ブロワを使用した。これにより、制御部２２で空気ブロワ１７の回転数が所定の回転数になるように調整すれば、所定の流量の空気が空気ブロワ１７から供給されることになる。
【００５８】
また、カソード空気経路１８は、途中の分岐点Ｘで選択酸化空気経路１９と分岐されており、この分岐空気経路である選択酸化空気経路１９は、一端が分岐点Ｘでカソード空気経路と、他端が選択酸化器３ｃと接続されている。さらに、カソード空気経路１８の分岐点Ｘよりも燃料電池２側には、カソード空気供給遮断手段として開閉弁である空気入弁２０が配設されており、制御部２２によって開放または閉止を任意に変更することが可能なようにされている。
【００５９】
ここで、燃料電池システム１の発電運転時など、空気入弁２０が開放されている場合は、空気ブロワ１７から供給された空気は、一部がカソード空気経路１８を介してカソード空気として燃料電池２に供給され、残りが選択酸化空気経路１９を介して選択酸化空気として選択酸化器３ｃに供給される。このとき、カソード空気の流量と選択酸化空気の流量との比率（以下、適宜、分流比と称す）は、分岐点Ｘから下流の空気入弁２０を含むカソード空気経路１８と、燃料電池２のカソード流路２ｂと、カソード排空気経路２１の圧力損失Ｐｃと、選択酸化空気経路１９と、選択酸化器３ｃと、燃料入弁１４を含む燃料ガス経路１１と、燃料電池２のアノード流路２ａと、燃料出弁１５を含むオフガス経路１２と、バーナ部３ｅを介して燃料電池システム１から燃焼排ガスが系外に排気されるまでの全経路の圧力損失Ｐａとの比率より決まってくる。よって、本発明の実施の形態の燃料電池システムでは、発電時に空気ブロワ１７から供給された空気が、所定の比率で分岐点Ｘより下流側のカソード空気経路１８と選択酸化空気経路１９とに分流されるように、各経路の圧力損失を考慮した設計をしている。
【００６０】
また、発電に利用されなかった酸素を含む空気（以下、カソード排空気と称す）は、燃料電池２のカソード流路２ｂに接続されたカソード排空気経路２１から燃料電池システム１の系外に排気される。
【００６１】
さらに、燃料電池システム１は、制御部２２を備えている。この制御部２２は、燃料電池システム１を構成する各構成要素の動作を適宜制御する。ここで、この制御部２２は、例えば、図１では特に図示しないが、記憶部、計時部、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。燃料電池システム１の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御部２２の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御部２２が燃料電池システム１の動作を適宜制御する。
【００６２】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６３】
ここで、本実施の形態における「起動運転時」とは、「制御部２２から起動指令が出力されてから燃料電池２の図１では特に図示しない発電制御部により電流が燃料電池２から取り出される迄」を指し、「停止運転時」とは、「制御部２２から停止指令が出力されてから燃料電池システム１全体の動作が完全に停止する迄」を指す。
【００６４】
燃料電池システム１の発電時は、原料供給装置４を駆動することにより、所定流量の原料が水蒸気発生器３ｄで生成した水蒸気とともに改質器３ａに供給され、改質器３ａ，変成器３ｂおよび選択酸化器３ｃとを順次流通することによって生成した良質の燃料ガスが、開放した燃料入弁１４を通過して燃料電池２のアノード流路２ａに供給される。このときバイパス弁１６は閉止した状態であり、燃料出弁１５は開放した状態である。
【００６５】
また、空気ブロワ１７を所定の回転数で駆動することにより、所定流量の空気が開放した空気入弁２０を通過して燃料電池２のカソード流路２ｂに供給される。このとき、空気ブロワ１７から供給された空気の一部は、あらかじめ設定した分流比に従って、所定流量で選択酸化空気経路１９を介して選択酸化器３ｃに供給され、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減するのに利用される。このときの空気ブロワ１７の回転数を第３の回転数として、以下、説明を行う。
【００６６】
燃料電池２では、アノード流路２ａに供給され、アノード電極に導入された燃料ガス中の水素と、カソード流路２ｂに供給され、カソード電極に導入されたカソード空気中の酸素とによる電気化学反応が行われる。電気化学反応は、アノード電極側では以下（１）式に示す反応が行われ、カソード電極側では以下（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ2  →  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-    ・・・（１）
Ｏ2  ＋  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-  →  ２Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
【００６７】
この電気化学反応によって発電するとともにカソード電極側に水分が生成される。さらに説明すると、アノード電極側の電子が外部電気回路（図示せず）を通ってカソード電極側に移動する際に電力を得ることができる。アノード電極側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード電極側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。水素イオンが固体高分子膜を通過するには、固体高分子膜が湿潤であることが好ましいため、一般的な燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソード空気を加湿してから供給する。本実施の形態の燃料電池システムにおいても、燃料電池２に供給するカソード空気は、分岐点Ｘよりも下流のカソード空気経路１８上に設けた図示しない加湿器によって加湿して供給される。また、燃料電池２に供給される燃料ガスは、水素生成器３で原料と水蒸気とから生成されるが、この際、理想的に改質反応を行うのに必要な水蒸気量以上の所定量の水蒸気が供給されるため、加湿された状態で燃料電池２に供給されることになる。
【００６８】
また、上記（１）式および（２）式に示した反応が円滑に行われるためには、燃料電池システム１の発電量に応じて、所定流量の燃料ガスとカソード空気とを燃料電池２に供給することが必要となる。このため、制御部２２によって所定流量の燃料ガスとカソード空気とが燃料電池２に供給されるように、原料供給装置４と空気ブロワ１７とが制御される。このとき燃料電池２に供給されるカソード空気の流量が、第１の所定流量に相当する。
【００６９】
発電に利用されなかった水素を含むオフガスは、オフガス経路１２を介してバーナ部３ｅに供給され、バーナ部３ｅで燃焼空気ファン９によって別途供給された燃焼空気とともに燃焼され、水素生成器３の各部の温度を所定の温度に維持するのに利用された後、燃料電池システム１の系外に排出される。
【００７０】
次に、燃料電池システム１の停止運転時には、外部電気回路との電気的接続を切断するとともに、原料供給装置４および空気ブロワ１７の駆動を停止して、燃料電池２の発電を停止する。このとき、燃料入弁１４，燃料出弁１５，空気入弁２０は閉止される。
【００７１】
燃料電池システム１が停止して、燃料電池２およびカソード空気経路１８の温度が低下してくると、カソード空気経路１８の図示しない加湿器以降の経路内や、燃料電池２のカソード流路２ｂなどに残留したカソード空気およびカソード排空気中の水蒸気が凝縮して、経路内に溜まることになる。
【００７２】
次に、本発明の特徴となる燃料電池システムの起動運転について以下に説明を行う。
【００７３】
燃料電池システム１の起動運転時には、制御部２２の制御によって以下の動作を行う。
【００７４】
まず、水素生成器３の改質器３ａ，変成器３ｂ，選択酸化器３ｃに充填された各触媒の温度が、それぞれ改質反応，変成反応および選択酸化反応を行うのに適した所定の温度になるように、バーナ部３ｅで原料ガスを燃焼させて各触媒を加熱する。具体的には、後述する理由によりバイパス弁１６を開放し、燃料入弁１４と燃料出弁１５とを閉止した状態で原料を原料供給装置４から水素生成器３に供給し、バイパス経路１３を介してバーナ部３ｅに供給する。同時に供給した原料に対応した燃焼空気を燃焼空気ファン９によって燃焼空気経路１０を介してバーナ部３ｅに供給し、バーナ部３ｅに設けた図示しない着火装置によってバーナ部３ｅで原料の燃焼を開始する。
【００７５】
このとき、改質触媒の温度は、温度センサ３ｆによって検知され、同様に変成触媒と選択酸化触媒の温度は、図示しない温度センサによって検知される。また、変成触媒および選択酸化触媒の温度を、予め、制御部２２に改質触媒の温度と変成触媒および選択酸化触媒の各温度との相関を記憶させておくことで、温度センサ３ｆで検知した改質触媒の温度から判断するようにしてもよい。
【００７６】
また、このとき、水蒸気発生器３ｄもバーナ部３ｅの燃焼によって加熱され、水蒸気発生器３ｄの温度が水を蒸発させることが可能な温度に昇温し、かつ各触媒の温度が１００℃以上の水蒸気が凝縮しない温度に昇温すると、水蒸気改質反応を進行させるための水蒸気を生成するために、プロセス水供給ポンプ６を駆動して、プロセス水タンク７からプロセス水を水蒸気発生器３ｄに供給する。そして水蒸気発生器３ｄで発生した水蒸気を、水蒸気供給経路８を介して現況ガス供給経路５の原料ガスに混合させて改質器３ａに供給することにより、改質器３ａにおいて改質反応が開始される。
【００７７】
燃料電池システム１の起動運転の開始初期では、改質器３ａの改質触媒の温度は、バーナ部３ｅにより加熱されて緩やかに温度上昇するため、改質反応を行うのに適した所定の温度に到達していない。そのため、改質器３ａにおける水蒸気改質反応が好適に進行しないので、改質器３ａから排出される燃料ガスには、大量の一酸化炭素が含まれている。また、同様に変成器３ｂの変成触媒の温度、および選択酸化器３ｃの選択酸化触媒の温度も、変成反応および選択酸化反応を行うのに適した温度に到達していない。よって、水素生成器３から排出される燃料ガス中には、大量の一酸化炭素が含まれたままである。そこで、本実施の形態では、燃料電池システム１の起動運転の開始時には、水素生成器３における各触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、制御部２２により、前述のようにバイパス経路１３側を燃料ガスが流れるようにしておく。
【００７８】
選択酸化器３ｃの選択酸化触媒の温度が選択酸化反応を行うのに適した所定の温度に到達すると、制御部２２で空気ブロワ１７を予め記憶しておいた所定量の空気が供給される第１の回転数で駆動して、選択酸化空気経路１９を介して選択酸化器３ｃに所定量の選択酸化空気を供給する。このとき、空気入弁２０は閉止した状態にしておくことにより、燃料電池２のカソード流路２ｂに空気は供給されず、空気ブロワ１７から供給した空気が全て選択酸化器３ｃに供給される。また、このときの空気ブロワ１７の回転数を第１の回転数として、以下、説明を行う。
【００７９】
さらに、各触媒の温度が、それぞれの反応を行うのに適した温度に到達し、水素生成器３で良質の燃料ガスが生成されだすと、燃料入弁１４と燃料出弁１５とを開放し、同時にバイパス弁１６を閉止することにより、燃料電池２のアノード流路２ａに燃料ガスの供給が開始される。このときも、後述する理由により、まだ、燃料電池２のカソード流路２ｂには空気の供給は開始しない。
【００８０】
そして、燃料電池２のアノード流路２ａに燃料ガスの供給を開始してから所定時間が経過すると、制御部２２によって空気入弁２０を開放して燃料電池２にカソード空気の供給を開始して燃料電池システム１の発電運転を開始する。
【００８１】
燃料電池２に対し、燃料ガスの供給を空気よりも先に開始するのは、燃料電池２の電極に十分に水素がいきわたらない状態で発電を開始すると、（１）式に示す反応で水素から取り出すべき電子が、水素が十分に無いためにアノード電極の炭素やセパレータを構成するカーボンまたは金属から取り出され、燃料電池２を構成する電極やセパレータといった部材が劣化してしまうためである。そのため、燃料電池２のアノード電極に燃料ガス中の水素が十分にいきわたるまでの所定時間が経過した後に、燃料電池２にカソード空気の供給を開始し、発電を開始する。
【００８２】
ここで、本発明の特徴である、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際の動作について、図を用いて詳細な説明を行う。
【００８３】
図２は、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する前後での、主要な構成要素の動作と主要な流量の変化を示すタイミングチャートである。図２において（ａ）は空気入弁２０の閉止と開放の変化を表し、（ｂ）は（ａ）における空気入弁２０の動作に対する空気ブロワ１７の回転数の変化を、（ｃ）はカソード空気の流量の変化、（ｄ）は選択酸化空気の流量の変化をそれぞれ示す。
【００８４】
図２に示すように、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する際には、空気入弁２０を開放し、同時に空気ブロワ１７の回転数を、これまで制御していた第１の回転数から上げて空気ブロワ１７から供給される空気量を増加させる。
【００８５】
しかしながら、このとき、カソード空気経路１８および燃料電池２のカソード流路２ｂ内には、前述のように燃料電池システム１の停止時に凝縮水が溜まっている。そのため、発電に必要な第１の所定流量のカソード空気が燃料電池２に供給されるように、前述の第３の回転数で空気ブロワ１７を駆動すると、空気ブロワ１７から供給される空気流量（すなわちカソード空気の流量と選択酸化空気の流量との合算流量）は、本実施の形態１の燃料電池システム１で使用した空気ブロワの特性上、常に同じ所定の流量となるが、凝縮水がカソード空気の流通する経路中に凝縮して経路の流路抵抗を大きくしているために、分流比が設計値とずれて、選択酸化空気の流量が想定よりも増加し、逆にカソード空気の流量が想定よりも減少することになる。本実施の形態１の燃料電池システム１のように、分岐後の各経路の圧力損失の比によって分流比を調整している場合には、経路の圧力損失の比が設計値からずれた場合には、分流比がずれたまま、燃料電池システムの運転を継続してしまうことがある。
【００８６】
燃料電池２に供給されるカソード空気の流量が少ない状態で発電を行うと、燃料電池２の発電で必要な酸素がカソード電極に供給されずに、燃料電池２の発電量が低下して燃料電池システムの効率が低下したり、燃料電池２の劣化を促進したりする。また一方で、選択酸化器３ｃに供給される選択酸化空気の流量が多すぎると、選択酸化器３ｂ中の選択酸化触媒の作用によって、発熱反応である水素の酸化反応が進行し、選択酸化器３ｃの温度が上昇して選択酸化反応を行うのに適した温度から外れて一酸化炭素を充分除去できなくなり、一酸化炭素濃度が高い燃料ガスが燃料電池２に供給されて燃料電池２の性能が低下したり、本来は燃料電池２に供給して発電に利用されるべき水素が、過量の選択酸化空気中の酸素との酸化反応で消費されて燃料電池システムの効率が低下したりする。
【００８７】
そこで、本実施の形態１の燃料電池システム１では、図２に示すように、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する際には、空気入弁２０を開放し、同時に空気ブロワ１７の回転数を前述の第１の回転数から増加させて空気ブロワ１７から供給される空気の流量を増加させるが、このとき、まず、前述の第３の回転数よりも大きい後述する第２の回転数に上げるように制御部２２で制御する。
【００８８】
空気ブロワ１７の第２の回転数は、予め、以下の実験により求めて制御部２２に記憶させておく。すなわち、分岐点Ｘで分流されて燃料電池２に供給されるカソード空気の流量は、燃料電池システム１の停止時に溜まった凝縮水の量や、その凝縮水による経路の閉塞の状態によって異なることになるが、分岐点Ｘより下流のカソード空気およびカソード排空気の流通する経路に、最も分流比がずれる状態で凝縮水を溜めた状態から燃料電池システム１を起動し、燃料電池２にカソード空気の供給を開始した際に、カソード空気で経路内の凝縮水がカソード排空気経路２１を介して燃料電池システム１の系外に排出される条件を求め、そのときの空気ブロワ１７の回転数を第２の回転数として制御部２２に記憶させておく。
【００８９】
そして、図２に示すように、空気ブロワ１７を第２の回転数で駆動して凝縮水を燃料電池システム１の系外に排出した後、制御部２２は燃料電池２に第１の所定流量のカソード空気が供給され、同時に選択酸化器３ｃに所定流量の選択酸化空気が供給される第３の回転数に空気ブロワ１７の回転数を下げるように制御して、燃料電池システム１の発電運転を開始する。
【００９０】
ここで、空気ブロワ１７を第２の回転数で駆動する所定時間は、カソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水がカソード排空気経路２１を介して燃料電池システム１の系外に排出されるまでに必要とする時間であり、予め上記第２の回転数を求める実験により第２の回転数と同時に求めておき、制御部２２に記憶させておく。
【００９１】
また、空気ブロワ１７の回転数を第２の回転数に制御したとき、選択酸化器３ｃに供給される選択酸化空気の流量も、図２に示すように所定の流量より増加することになるが、これは一時的であり、凝縮水が燃料電池システム１の系外に排出され、空気ブロワ１７の回転数を第３の回転数に下げた後は、分流比が設計値に戻って、選択酸化空気の流量も所定流量で供給されるようになるため、燃料電池システムの効率の低下や、選択酸化器３ｂの温度上昇などが起こることは無い。ここで、図２において示した、カソード空気の流量と選択酸化空気の流量は、空気ブロワ１７が第２の回転数で駆動されている間、一定量で推移しているように示しているが、実際には、凝縮水が排出されていく過程で、カソード空気流量は徐々に増加し、選択酸化空気流量は徐々に減少するように変化していくことになる。
【００９２】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時にカソード空気およびカソード排空気の流通する経路に溜まった凝縮水を、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、カソード空気を利用して燃料電池システムの系外に排出し、カソード空気と選択酸化空気との分流比を設計した分流比に戻した上で、発電運転を開始することができるので、一つの空気供給手段でカソード空気と選択酸化空気とを供給する簡単な構成で、繰り返し燃料電池システムの起動および停止を行っても、燃料電池システムの効率の低下や劣化が促進されることを抑制することが可能である。
【００９３】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【００９４】
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図３においても、図１と同様に、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図３でも、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。また、図３おいて、実施の形態１で示した燃料電池システム１の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００９５】
図３に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム３１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態１で示した燃料電池システム１と異なる。
【００９６】
まず、実施の形態１で示した燃料電池システム１では、ＣＯ除去器として選択酸化反応を利用した選択酸化器３ｃを利用したのに対し、本実施の形態２の燃料電池システム３１では、メタネーション反応を利用したＣＯ除去器３２ｃが設けられている。すなわち、水素生成器３２は、改質器３ａ，変成器３ｂ，ＣＯ除去器３２ｃが順次接続されて構成されている。メタネーション反応は、選択酸化反応が燃料ガス中の一酸化炭素を、別途供給した選択酸化空気中の酸素と酸化反応させて二酸化炭素にして除去するのに対して、燃料ガス中の水素と一酸化炭素をメタネーション触媒下でメタンと水とに変化させ、燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものである。このため、本実施の形態２の燃料電池システム３１には、実施の形態１の燃料電池システム１の選択酸化空気経路１９が存在しない。
【００９７】
また、水素生成器３２と燃料電池２とは、燃料ガス経路３３で接続されている。この燃料ガス経路３３は、一端がＣＯ除去器３２ｃと接続され、他端が燃料電池２のアノード流路２ａと接続されており、途中でバイパス経路１３と分岐されている点と、この分岐点よりも燃料電池２側に燃料入弁１４を備えている点では、実施の形態１の燃料電池システム１の燃料ガス経路１１と同じである。
【００９８】
また、本実施の形態２に係る燃料電池システム３１では、カソード空気経路１８が分岐点Ｘで分岐空気経路に相当するブリード空気経路３４と分岐されている。このブリード空気経路３４は、燃料ガス経路３３の、バイパス経路１３との分岐点よりも水素生成器３２側にある合流点Ｙで燃料ガス経路３３と接続されている。また、ブリード空気経路３４は、燃料電池システム３１の発電運転時において、空気ブロワ１７から供給した空気が分岐点Ｘでカソード空気とブリード空気とに所定の比率で分流されるように、圧力損失が配慮されている。
【００９９】
すなわち、本実施の形態２の燃料電池システム３１では、実施の形態１の燃料電池システム１の選択酸化空気がブリード空気に置き換わったものである。また、選択酸化空気とブリード空気とは、それぞれ必要な流量が異なるために、本実施の形態２の燃料電池システム３１では、所定流量のブリード空気が供給されるように調整されている。
【０１００】
また、カソード空気経路１８の分岐点Ｘよりも流れの上流の空気ブロワ１７側には、空気ブロワ１７から供給される空気の流量を検知する空気流量計３５が備えられており、空気ブロワ１７から供給される空気量を検知する。空気流量計３５で検知した空気流量は、制御部３６に入力されるように配線されており、制御部３６は空気流量計３５で検知した空気流量に基づいて空気ブロワ１７の回転数をフィードバック制御する点でも、実施の形態１の燃料電池システム１と本実施の形態２の燃料電池システム３１は異なる。
【０１０１】
以下、本実施の形態２の燃料電池システム３１の動作について、実施の形態１に示した燃料電池システム１との相違点を中心に説明を行う。
【０１０２】
水素生成器３２は、実施の形態１で示した燃料電池システムの水素生成器３における選択酸化器３ｃがメタネーション反応を利用したＣＯ除去器３２ｃに置き換わっただけで、改質器３ａで原料ガスと水蒸気から燃料ガスを生成し、変成器３ｂとＣＯ除去器３２ｃを順次流通させることで一酸化炭素濃度が低減した良質の燃料ガスを生成する点は、実施の形態１で示した燃料電池システムの水素生成器３と同じである。
【０１０３】
また、燃料電池システム３１の起動運転時において、水素生成器３２の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した温度に昇温していない間は、水素生成器３２から供給される燃料ガス中には多くの一酸化炭素が含まれるため、この一酸化炭素が燃料電池２のアノード電極の触媒を被毒させないように、水素生成器３２の各触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素の濃度が低減された良質の燃料ガスが供給されるまでは、燃料電池２を流通させずにバイパス経路１３を介してバーナ部３ｅで燃焼させる点においても、実施の形態１の燃料電池システム１と同様である。
【０１０４】
空気ブロワ１７によってブリード空気経路３４を介して燃料ガス経路３３にブリード空気の供給が開始されるのは、燃料ガスが燃料電池２に供給される前であれば良いが、本実施の形態の燃料電池システムでは、水素生成器３２の各触媒の温度が、全てそれぞれの反応を行なうのに適した温度となってからとし、その後、燃料入弁１４と燃料出弁１５を開放し、同時にバイパス弁１６を閉止して燃料電池２に燃料ガスとブリード空気とを供給した。これにより、起動運転時に空気ブロワ１７が駆動する時間を極力短くすることが可能であり、燃料電池システムの起動運転時に消費するエネルギーを小さくできる。
【０１０５】
水素生成器３２から供給された一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスは、燃料電池２に供給されるが、この燃料ガスには、燃料電池システム３１が発電運転中には空気ブロワ１７から供給した空気の一部が、また、燃料電池システム３１の起動運転時で、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する前には空気ブロワ１７から供給した空気の全てが、ブリード空気経路３４を介して混入されている。そのため、燃料電池２に供給された燃料ガス中の二酸化炭素が、燃料電池２のアノード電極に備えられた触媒の作用で逆シフト反応を起こし、一酸化炭素が生成しても、ブリード空気中の酸素によって一酸化炭素を燃焼させるので、アノード電極の触媒が一酸化炭素によって被毒することが無い。これにより、燃料電池２の性能が低下することが無く、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化したりすることを抑制することができる。
【０１０６】
また、実施の形態１で示した燃料電池システム１では、空気ブロワ１７の回転数によって空気ブロワ１７から供給される空気量が常に同量になるような空気ブロワを用い、制御部２２で空気ブロワ１７の回転数を所定の回転数に一定で保つように制御することにより、所定の流量の空気を空気ブロワから供給するようにしていたのに対して、実施の形態２の燃料電池システム３１では、空気流量計３５で検知した空気流に基づいて空気ブロワの回転数を制御する点で、実施の形態１に示した燃料電池システム１と異なる。
【０１０７】
燃料電池システム３１の起動運転時で、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する際には、空気入弁２０を開弁するとともに、実施の形態１で記載したのと同じように、予め実験によって求めて制御部３６に記憶させていた回転数で空気ブロワ１７を駆動して、カソード空気が流通する経路にたまった凝縮水を、燃料電池システム３１の系外に排出してから、空気ブロワ１７の回転数を、空気流量計３５で検知する空気の流量に基づいて制御する。
【０１０８】
これにより、燃料電池システムの停止時にカソード空気およびカソード排空気の流通する経路に溜まった凝縮水を、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、カソード空気を利用して燃料電池システムの系外に排出し、カソード空気と選択酸化空気との分流比を設計した分流比に戻した上で、発電運転を開始することができる。
【０１０９】
さらに、空気ブロワから供給する空気量を正確に所定量にすることが可能であり、また、空気を供給する経路の流路抵抗の変化に対して、同一回転数では供給空気の流量が変化するような空気ブロワを使用することも可能であるため、比較的安価で小型の空気ブロワを利用することも可能である。
【０１１０】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【０１１１】
図４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図４おいて、実施の形態１で示した燃料電池システム１の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１１２】
図４に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム４１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１と概ね同一の構成を示しているが、選択酸化空気経路１９途中に空気流量計４２を備えた点で実施の形態１で示した燃料電池システム１と異なる。そして、空気流量計４２で検知した選択酸化空気の流量は、制御部４３に入力されるように配線されている。
【０１１３】
本実施の形態３の燃料電池システム４１の動作については、実施の形態１に示した燃料電池システム１に対して、制御部４３が、空気流量計４２で検知した選択酸化空気の流量と、予め記憶されているその時点での目標とする選択酸化空気の流量とを比較し、選択酸化空気の流量が目標値となるように空気ブロワ１７の回転数を制御する点のみが異なり、その他の動作については、実施の形態１に示した燃料電池システム１と同じである。
【０１１４】
燃料電池システムが発電運転時に必要とするカソード空気の流量と選択酸化空気の流量とを比較すると、選択酸化空気の流量のほうが少なく、カソード空気の流量の数十分の１程度であることが一般的である。よって本実施の形態３の燃料電池システムでは、少流量の選択酸化空気の流量に基づいて空気ブロワの回転数を調整・制御することで、選択酸化空気とカソード空気とが、正確な流量で供給することが可能となるため、効率の良い燃料電池システムを提供することができる。
【０１１５】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【０１１６】
図５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図５おいて、実施の形態１から３で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１１７】
図５に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム５１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態１で示した燃料電池システム１と異なる。
【０１１８】
すなわち、カソード空気経路１８の途中の第１の分岐点Ｘａから分岐した選択酸化空気経路１９には、選択酸化空気の流量を検知し、制御部５４へ検知した流量を入力するように配線された空気流量計５２が備えられている。さらに選択酸化空気経路１９には、空気流量計５２の下流側に第２の分岐点Ｘｂを備えている。第２の分岐点Ｘｂにはブリード空気経路５３の一端が接続されており、ブリード空気経路５３の他端は、燃料ガス経路１１に合流点Ｙで接続されている。このブリード空気経路５３は、第１の分岐点Ｘａを介して供給されてきた選択酸化空気の一部が、所定の比率で分流されて燃料ガス経路１１に混入されるように、圧力損失が予め調整されて設置されている。
【０１１９】
以上のように構成された燃料電池システム５１の動作について、実施の形態１に示した燃料電池システム１との相違点を中心に、以下、説明を行なう。
【０１２０】
まず、燃料電池システム５１の発電運転時には、実施の形態１と同様に、原料供給装置４を駆動して、所定量の原料ガスが水蒸気発生器３ｄで生成した水蒸気と混合されて水素生成器３の改質器３ａに供給され、燃料ガスが生成されるが、この燃料ガスは、変成器３ｂと選択酸化器３ｃを順次流通することにより、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスとなり、燃料ガス経路１１を介して、燃料電池２のアノード流路２ａに供給される。また、空気ブロワ１７を駆動することにより、カソード空気経路１８を介して燃料電池２のカソード流路２ｂにカソード空気が供給される。
【０１２１】
このとき、空気ブロワ１７を駆動することによって供給される空気の一部は、第１の分岐点Ｘａで分流されて選択酸化空気経路１９を介して選択酸化器３ｃに選択酸化空気として供給される。また、選択酸化空気の一部は、第２の分岐点Ｘｂでブリード空気経路５３に分流されて、ブリード空気として合流点Ｙを通って燃料ガス経路１１に供給され、燃料ガスと混合されて燃料電池２のアノード流路２ａに供給される。空気ブロワ１７は、空気流量計５２で検知した空気の流量に基づいて制御部５４によって、空気流量計の検知する流量が所定の流量になるように、その回転数が調整され、また、選択酸化空気が所定の比率でブリード空気経路５３に分流されるようにブリード空気経路５３の圧力損失が設定されているため、第１の分岐点Ｘａから下流の選択酸化空気経路１９とブリード空気経路５３とには、常に精度よく所定量の空気が供給される。また、第１の分岐点Ｘａによってカソード空気と選択酸化空気（およびブリード空気）とに分流される空気の比率も、予め、所定の比率となるように設定されているため、燃料電池２にも精度良く所定量のカソード空気が供給される。この時の空気ブロワ１７の回転数を第３の回転数として制御部５４に記憶させておくが、実際には、空気流量計５２の検知する空気流量に基づいて第３の回転数から調整される。
【０１２２】
選択酸化器３ｃに供給された選択酸化空気は、変成器３ｂから供給された燃料ガス中の一酸化炭素を酸化させるために用いられ、また、ブリード空気は、燃料ガスに混入されて燃料電池２のアノード流路２ａに供給されるが、アノード電極の触媒上で燃料ガス中の二酸化炭素から逆シフト反応で一酸化炭素が発生した際に、一酸化炭素とブリード空気中の酸素とが燃焼反応を起こし、一酸化炭素がアノード電極の触媒を被毒するのを抑制する。
【０１２３】
また、燃料電池システム５１の起動運転時には、水素生成器３の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した所定の温度になり、良質の燃料ガスが生成されるまで、バイパス経路１３を介して流通させ、燃料電池２への供給を行なわない点は、他の実施の形態の燃料電池システムと同じである。このとき、選択酸化空気とブリード空気とを所定量供給するのに必要な空気ブロワ１７の回転数を第１の回転数とするが、実際には、空気流量計５２によって空気ブロワ１７の回転数は第１の回転数から調整される。
【０１２４】
水素生成器３から良質の燃料ガスが供給され始めると、燃料電池２に燃料ガスの供給を開始し、所定時間経過後、空気入弁２０を開放して燃料電池２へのカソード空気の供給を開始する。この際、実施の形態１の燃料電池システム１と同様に、図２で示すように、空気入弁２０を開放すると同時に、空気ブロワ１７を第３の回転数よりも大きい所定の第２の回転数で駆動して、燃料電池システムが停止した際に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路２１を介して、燃料電池システム５１の系外に排出する。そして、その後、空気ブロワ１７の回転数を第３の回転数に下げた後、空気流量計５２の検知する流量に基づいて空気ブロワの回転数を制御する。ここで、空気ブロワ１７の第２の回転数を予め実験により求め、制御部５４に記憶させておく点については、その方法など実施の形態１と同様である。
【０１２５】
以上のように、本実施の形態４の燃料電池システムでは、燃料電池２のアノード触媒の電極が被毒されるのを抑制することが出来るため、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化したりするのを抑制することができ、また、選択酸化空気およびブリード空気，カソード空気の流量が、燃料電池システムが停止した際に生じる凝縮水によって、再度、燃料電池システムを起動運転後、発電させた際に所定の流量からずれることを防止することが可能であるため、起動および停止を繰り返しても、性能が低下したりすることがない燃料電池システムを提供することができる。
【０１２６】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【０１２７】
図６は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図６おいて、実施の形態１から４で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１２８】
図６に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池システム６１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態１で示した燃料電池システム１と異なる。
【０１２９】
すなわち、カソード空気経路１８と分岐点Ｘで分岐した選択酸化空気経路１９には、選択酸化空気の流量を検知する空気流量計６２を備え、さらにその下流には、流路抵抗可変手段に相当するニードル弁である調整弁６３を備える。空気流量計６２は、選択酸化空気経路１９に供給される選択酸化空気の流量を検知して制御部６４に入力するように配線されており、調整弁６３は、制御部６４によって開度を任意に調整して、選択酸化空気経路１９の圧力損失を調整できるように配線されている。
【０１３０】
以上のように構成された燃料電池システム６１の動作について、実施の形態１に示した燃料電池システム１との相違点を中心に、以下、説明を行なう。
【０１３１】
まず、燃料電池システム６１の発電運転時には、実施の形態１と同様に、原料供給装置４を駆動して、所定量の原料ガスが水蒸気発生器３ｄで生成した水蒸気と混合されて水素生成器３の改質器３ａに供給され、燃料ガスが生成されるが、この燃料ガスは、変成器３ｂと選択酸化器３ｃを順次流通することにより、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスとなり、燃料ガス経路１１を介して、燃料電池２のアノード流路２ａに供給される。また、空気ブロワ１７を駆動することにより、カソード空気経路１８を介して燃料電池２のカソード流路２ｂにカソード空気が供給される。
【０１３２】
このとき、空気ブロワ１７から供給された空気は、分岐点Ｘでカソード空気と選択酸化空気とに所定の比率で分流される。空気ブロワ１７は、選択酸化空気経路１９に設けられた空気流量計６２の検知する流量に基づいて、選択酸化空気の流量が所定の流量になるように、制御部６４によって回転数を調整されるが、このとき、燃料電池２に供給されるカソード空気の流量が所定の流量となるように、予め、調整弁６３の開度を実験により求めて制御部６４に記憶させておき、調整弁６３の開度をこの開度（以下、第２の開度として説明を行なう）として制御部６４で制御しておく。また、この時の空気ブロワ１７の回転数を第３の回転数として制御部６４に記憶しておき、空気流量計６２で検知した選択酸化空気の流量に基づいて、選択酸化空気の流量が所定の流量になるように空気ブロワ１７の回転数を制御部６４で第３の回転数から微調整する。
【０１３３】
なお、燃料電池システム６１が発電運転を行なっている間、調整弁６３の開度を第２の開度で固定しておくが、これは調整弁６３を動かすために必要な電力によって、燃料電池システムの効率が低下するのを抑制するためである。しかしながら、例えばカソード空気経路１８にも空気流量計を設け、選択酸化空気経路１９に設けている空気流量計６２と、さらにカソード空気経路に設けた空気流量計との値に基づいて、調整弁６３と空気ブロワ１７とを制御して、カソード空気と選択酸化空気とが所定の流量になるように制御しても良い。
【０１３４】
次に、燃料電池システムの起動運転について、図を用いながら以下に説明する。
【０１３５】
燃料電池システム６１の起動運転時には、実施の形態１で示した燃料電池システム１と同様に、水素生成器３の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した所定の温度になり、良質の燃料ガスが生成されるまでは、燃料ガスをバイパス経路１３を介して流通させ、燃料電池２への供給を行なわない。選択酸化器３ｃの選択酸化触媒の温度が、選択酸化反応を行なうのに適した温度になると、制御部６４によって、調整弁６３の開度を第２の開度よりも小さい後述する第１の開度になるように制御しておいてから空気ブロワ１７を所定の第１の回転数で駆動して、選択酸化器３ｃに選択酸化空気の供給を開始する。このとき、制御部６４は、選択酸化空気の量が所定の流量となるように、空気流量計６２で検知する流量に基づいて、空気ブロワ１７の回転数を第１の回転数から微調整する。
【０１３６】
水素生成器３の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した温度になり、水素生成器３から良質の燃料ガスの供給が開始されると、実施の形態１の燃料電池システム１と同様にして、燃料電池２に燃料ガスの供給を開始し、所定時間経過後、空気入弁２０を開放して燃料電池２へのカソード空気の供給を開始する。
【０１３７】
ここで、図７は、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する前後での、主要構成部材の動作と、カソード空気および選択酸化空気の流量の変化を示すタイミングチャートである。図７において、（ａ）は空気入弁２０の閉止および開放を示し、（ｂ）は空気ブロワ１７の回転数、（ｃ）は調整弁６３の開度の変化をそれぞれ示し、（ｄ）はカソード空気の流量、（ｅ）は選択酸化空気の流量の変化をそれぞれ示す。
【０１３８】
図７に示すように、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する際には、まず、空気入弁２０を開放すると同時に、空気ブロワ１７の回転数を、第３の回転数よりも大きい第２の回転数で駆動して、カソード空気およびカソード排空気が流通する経路に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路２１を介して燃料電池システム６１の系外に排出する。ここで、第２の回転数を予め、実験で求めておき、制御部６４に記憶させておく点については、実施の形態１と同様である。
【０１３９】
また、このとき調整弁６３は、燃料電池システム６１の発電運転時に、カソード空気と選択酸化空気とが所定の比率で分流されるための第２の開度より、選択酸化空気経路１９の圧力損失が大きくなる第１の開度としている。そのため、空気ブロワ１７の回転数を第２の回転数にした際に、実施の形態１の燃料電池システム１では図２で示したように選択酸化空気の流量が増加してしまうが、本実施の形態５の燃料電池システム６１では、その選択酸化空気流量の変化量を小さくすることが可能である。さらに、調整弁６４の第１の開度を、空気入弁２０を開放すると同時に空気ブロワ１７を第２の回転数で駆動した際に、選択酸化空気の流量が所定流量のままずれない開度を予め実験により求めて、制御部６４に記憶させておくことにより、図７に示すように、空気入弁２０を開放した際に、選択酸化空気の流量が所定の流量からずれなくすることも可能である。ただし、カソード空気およびカソード排空気が流通する経路に溜まる凝縮水の量は、燃料電池システムの発電運転や停止の状態によって異なることがあるため、場合によっては選択酸化空気の流量が、多少、所定量からずれることがある。しかしながら、ずれ量としては小さくすることが可能であるため、選択酸化空気流量が所定量よりも多くなり、選択酸化器３ｃの触媒温度が上昇してしまい、燃料電池システムの効率が低下することを抑制することができる。
【０１４０】
次に、カソード空気およびカソード排空気が流通する経路に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路２１を介して燃料電池システム６１の系外に排出してしまうと、制御部６４によって空気ブロワ１７の回転数を第３の回転数に低下させると同時に、調整弁６３の開度を第２の開度に制御して、燃料電池システムの発電運転を開始する。図７において、空気ブロワ１７の回転数を第２の回転数から第３の回転数まで、調整弁６３の開度を第１の開度から第２の開度まで、所定の時間かけて変化させているが、これは、調整弁６３がニードル弁であるために開度を変更するのに時間が架かるためであり、調整弁６３の開度変化に従って、空気ブロワ１７の回転数を徐々に変化させている。
【０１４１】
以上のように、本実施の形態５の燃料電池システムによれば、一つの空気ブロワによってカソード空気と洗濯酸化空気とを供給することが可能であり、また、一つの空気流量計で空気ブロワから供給するカソード空気と選択酸化空気との流量を精度良く制御することができるため、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能であり、また、燃料電池システムの起動運転および発電、停止運転を繰り返した際にも、空気ブロワから供給する選択酸化空気とカソード空気とが所定量からずれることを抑制して、燃料電池システムの性能が低下したりすることを抑制することが可能である。
【０１４２】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【０１４３】
図８は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図８おいて、実施の形態１から５で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１４４】
図８に示すように、本実施の形態６に係る燃料電池システム７１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態１で示した燃料電池システム１と異なる。
【０１４５】
すなわち、実施の形態３で示した燃料電池システム４１と同様に、選択酸化空気経路１９に空気流量計４２を備える。さらに、カソード空気経路１８と選択酸化空気経路１９との分岐点Ｘに相当する場所に、分流比調整手段として分流弁７２を備えている。
【０１４６】
分流弁７２は、制御部７３で制御され、空気ブロワ１７から供給される空気をカソード空気と選択酸化空気とに分流する分流比を任意に変更することが可能である。さらに分流弁７２は、空気ブロワ１７から供給される空気の全てが選択酸化空気経路１９に供給されるように制御されることにより、燃料電池２へのカソード空気の供給を遮断することが可能であり、カソード空気供給遮断手段の役割も同時に兼ねることが可能である。よって、本実施の形態６の燃料電池システム７１には、空気入弁２０は別途、設けられていない。これにより、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能である。
【０１４７】
以上のように構成された燃料電池システム７１の動作について、実施の形態１に示した燃料電池システム１との相違点を中心に、以下、説明を行なう。
【０１４８】
まず、燃料電池システム７１の発電運転時には、実施の形態１と同様に、原料供給装置４を駆動して、所定量の原料ガスが水蒸気発生器３ｄで生成した水蒸気と混合されて水素生成器３の改質器３ａに供給され、燃料ガスが生成されるが、この燃料ガスは、変成器３ｂと選択酸化器３ｃを順次流通することにより、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスとなり、燃料ガス経路１１を介して、燃料電池２のアノード流路２ａに供給される。また、空気ブロワ１７により、カソード空気経路１８を介して燃料電池２のカソード流路２ｂにカソード空気が供給される。
【０１４９】
このとき制御部７２は、空気流量計４２で検知される選択酸化空気の流量に基づいて、選択酸化空気の流量が所定の流量になるように空気ブロワ１７の回転数をフィードバック制御して調整するが、さらに制御部７２は、分岐弁７２を予め制御して、選択酸化空気の流量が所定の流量のときに、カソード空気が所定の流量となるように、分流弁７２の開度を所定の開度にしておく。これにより、選択酸化空気の流量を正確に制御することができるが、加えて、カソード空気の流量も正確に制御されることになる。
【０１５０】
また、燃料電池システムの停止運転時の動作については、他の実施の形態と同じであるため、ここでの説明は割愛する。
【０１５１】
次に、燃料電池システムの起動運転について説明する。
【０１５２】
燃料電池システム７１の起動運転時には、実施の形態１で示した燃料電池システム１と同様に、水素生成器３の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した所定の温度になり、良質の燃料ガスが生成されるまでは、燃料ガスをバイパス経路１３を介して流通させ、燃料電池２への供給を行なわない。
【０１５３】
選択酸化器３ｃの選択酸化触媒の温度が選択酸化反応を行なうのに適した温度になると、制御部７３によって空気ブロワ１７を駆動して選択酸化空気経路１９を介して所定流量の選択酸化空気を選択酸化器３ｃに供給し始めるが、このとき、分流弁７２は、空気ブロワ１７で供給する空気が全て選択酸化器３ｃに供給されるように調整しく。さらに制御部７３は、空気流量計４２で検知した空気流量に基づいて空気ブロワ１７の回転数をフィードバック制御して、所定流量の空気が選択酸化器３ｃに供給されるようにする。
【０１５４】
水素生成器３の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した温度になり、水素生成器３から良質の燃料ガスの供給が開始されると、実施の形態１の燃料電池システム１と同様にして、燃料電池２に燃料ガスの供給を開始する。燃料電池２に燃料ガスの供給を開始してから所定時間経過後、制御部７３によって分流弁７２の開度を変更し、空気ブロワ１７から供給される空気が、燃料電池２と選択酸化器３ｃとに供給されるようにする。
【０１５５】
このとき、空気ブロワ１７は、前述の発電時に必要なカソード空気と選択酸化空気との合算量よりも多くの空気を供給するように回転数が制御される。そして、さらに所定時間経過後に空気ブロワの回転数を下げ、カソード空気と選択酸化空気とが所定の流量でそれぞれ供給されるように、空気流量計４２で検知した選択酸化空気の流量に基づいて、空気ブロワ１７の回転数をフィードバック制御して選択酸化空気の流量が所定の流量となるようにする。これにより、選択酸化空気の流量を正確に制御することができる。
【０１５６】
ここで、図を用いて、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する前後での主要構成部品の動作と、カソード空気および選択酸化空気の流量の挙動を説明する。
【０１５７】
図９は、主要構成部品の動作と、それに伴うカソード空気および選択酸化空気の流量の挙動を示すタイミングチャートである。図９において、（ａ）は後述する分岐弁７２の開度を、（ｂ）は空気ブロワ１７の回転数を、（ｃ）はカソード空気の流量を、（ｄ）は選択酸化空気の流量をそれぞれ示す。ここで、分流弁７２の開度は、図９の（ａ）中の縦軸で示し、開度０のときに空気ブロワ１７で供給した空気が全て選択酸化空気経路１９側に流れ、開度を上げると空気ブロワ１７で供給した空気のうち、燃料電池２側にカソード空気として供給される比率が増えてくるものとして説明を行う。
【０１５８】
図９に示すように、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する際には、まず、分流弁７２の開度を上げ、同時に空気ブロワ１７の回転数を上昇させる。ここで、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する前で、選択酸化器３ｃのみに空気を供給する際の空気ブロワ１７の回転数を、便宜的に（すなわち、正確にはフィードバック制御によって回転数は微調整されており一定ではないが、説明を簡単にするために一定回転数として取り扱うこととする。）第１の回転数とし、発電時の空気ブロワ１７の回転数を便宜的に第３の回転数とすると、燃料電池２にカソード空気の供給を開始する際の空気ブロワ１７の回転数は、第３の回転数よりも多い第２の回転数となるように制御する。これにより、燃料電池２には、発電時に必要なカソード空気の流量である第１の所定流量よりも多い空気が流れることになる。
【０１５９】
ここで、空気ブロワ１７の第２の回転数は、他の実施の形態と同様に予め実験により、カソード空気が流通する経路に燃料電池システム７１が停止中に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路２１を介して燃料電池システム７１の系外に排出できる流量が分岐弁７２下流のカソード空気経路１８に供給される空気ブロワ１７の回転数を求めておき、制御部７３に第２の回転数として記憶させておく。
【０１６０】
これにより、空気ブロワ１７を第２の回転数で駆動している間に、カソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水が、燃料電池システム７１の系外に排出されて圧力損失が正常な設計値に戻る。その後、空気ブロワ１７の回転数を第３の回転数に下げ、空気流量計４２が検知した選択酸化空気の流量に基づいて空気ブロワ１７の回転数をフィードバック制御して、選択酸化空気の流量が所定流量になるように制御する。このとき、カソード空気が流通する経路の圧力損失が正常に戻っているため、分流弁７２での分流比は想定通りになっているため、選択酸化空気の流量を正確に制御することによって、カソード空気の流量も正確に制御されることになる。
【０１６１】
以上のように、本実施の形態６の燃料電池システム７１では、燃料電池システムの停止時にカソード空気が流通する経路に凝縮水が溜まっていた場合でも、再度、燃料電池システムを起動運転し、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、空気ブロワから供給する空気で凝縮水を燃料電池システムの系外に排出してから発電を開始することが可能であるため、燃料電池システムの起動運転および停止運転を繰り返し行っても、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化が促進したりすることが無い。
【０１６２】
なお、本実施の形態６の燃料電池システム７１では、分流比調整手段としてカソード空気経路と分岐空気経路である選択酸化空気経路との分岐点に分岐弁を設けたが、これはカソード空気経路に閉止機能を備えたニードル弁を設けても良い。この場合は、燃料電池システムの起動運転時で、燃料電池にカソード空気の供給を開始する前には、ニードル弁を閉止して、空気ブロワから供給される空気を全て選択酸化器に供給されるようにしておき、燃料電池にカソード空気の供給を開始するときにニードル弁を所定の開度だけ解放することで、分流弁を用いた本実施の形態６の燃料電池システム７１と同様の効果を得ることが可能である。
【０１６３】
また、なお、本実施の形態６の燃料電池システム７１では、前述のように、分流比調整手段である分流弁が、同時にカソード空気供給遮断手段の役割も兼ねるように構成したが、他の実施の形態と同様に、別途、カソード空気経路にカソード空気供給遮断手段として開閉弁を設け、この開閉弁の開放によってカソード空気の供給を開始しても良い。
【０１６４】
さらに、燃料電池システムのカソード空気経路に開閉弁をさらに設けた燃料電池システムでは、以下の方法で実施の形態５で示した燃料電池システム６１と同様に、燃料電池にカソード空気の供給を開始する前後で、選択酸化空気の流量がほぼ一定に保たれるようにすることが可能である。
【０１６５】
すなわち、燃料電池システムの起動運転時の初期で、選択酸化器のみに空気を供給する際に、開閉弁を閉じた状態で分流弁の開度を後述の第１の開度にしておき、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、カソード空気経路の開閉弁を解放すると同時に空気ブロワの回転数をカソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水を燃料電池システムの系外に排出することができる第２の回転数に制御する。この空気ブロワの第２の回転数を予め実験により求めるとき、同時に、選択酸化空気の流量が空気ブロワの回転数を上げる前後で所定の流量からずれない分流弁の開度を求めておき、分流弁の第１の開度とする。カソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水を燃料電池システムの系外に排出すると、空気ブロワの回転数を第３の回転数に落とすとともに、分流弁の開度を上げてカソード空気と選択酸化空気とがそれぞれ所定流量で供給されるようにする。
【０１６６】
これにより、燃料電池にカソード空気を供給する前後で選択酸化空気の流量がずれるのを抑制することができるとともに、燃料電池システムが停止している間に、カソード空気が流通する経路に凝縮水が溜まっていても、再度、燃料電池システムの起動運転を行い、燃料電池にカソード空気の供給を開始するときにカソード空気によって凝縮水を燃料電池システムの系外に排出することができるため、カソード空気と選択酸化空気とを所定量、正確に供給することが可能となる。そのため、簡単な構成で、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化が促進したりすることを抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６７】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、天然ガスやＬＰＧ等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用途に適用できる。
【符号の説明】
【０１６８】
１，３１，４１，５１，６１，７１  燃料電池システム
２  燃料電池
２ａ  アノード流路
２ｂ  カソード流路
３，３２  水素生成器
３ａ  改質器
３ｂ  変成器
３ｃ  選択酸化器
３ｄ  水蒸気発生器
３ｅ  バーナ部
３ｆ  温度センサ
４    原料供給装置
５    原料ガス供給経路
６    プロセス水供給ポンプ
７    プロセス水タンク
８    水蒸気供給経路
９    燃焼空気ファン
１０  燃焼空気経路
１１，３３  燃料ガス経路
１２  オフガス経路
１３  バイパス経路
１４  燃料入弁
１５  燃料出弁
１６  バイパス弁
１７  空気ブロワ
１８  カソード空気経路
１９  選択酸化空気経路
２０  空気入弁
２１  カソード排空気経路
２２，３６，４３，５４，６４  制御部
３２ｃ  ＣＯ除去器
３４，５３  ブリード空気経路
３５，４２，５２，６２  空気流量計
６３  調整弁
Ｘ，Ｘａ，Ｘｂ  分岐点
Ｙ  合流点
【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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