(57)【要約】【課題】燃料ガス生成装置の運転を停止するときの一連の工程を、様々な装置にとって好ましい形態で実施可能な燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池システムの運転方法であって、運転制御装置Ｃは、燃料ガス生成装置Ｒへの原燃料ガスの供給を停止する改質停止状態を維持しながら燃料ガス生成装置Ｒの温度が停止処理完了温度に向かって低下するように燃料ガス生成装置Ｒを冷却する冷却工程を行い、冷却工程において、相対的に短時間で燃料ガス生成装置Ｒの温度を停止処理完了温度まで低下させるように冷却装置（流量調節弁Ｖ３及びブロア１３）を動作させる短時間冷却制御と、相対的に長時間で燃料ガス生成装置Ｒの温度を停止処理完了温度まで低下させて冷却工程の長さが設定判定期間以上の長さになるように冷却装置（流量調節弁Ｖ３及びブロア１３）を動作させる長時間冷却制御との何れか一方の制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガス供給路を介して供給される炭化水素を含む原燃料ガスを改質して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置と、前記燃料ガス生成装置で生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池発電装置と、運転を制御する運転制御装置とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料ガス生成装置の温度を低下させる冷却装置を備え、
前記原燃料ガス供給路の途中の、前記燃料ガス生成装置よりも上流側の所定の流量検出部位には、前記原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間が設定判定期間以上継続すれば、前記流量検出部位よりも下流側でのガス漏れの存在を否定する判定を行うガス漏洩検出装置が設けられており、
前記運転制御装置は、前記燃料電池発電装置からの電力の出力を停止する発電停止状態に前記燃料電池発電装置の運転を移行させると共に前記燃料ガス生成装置への前記原燃料ガスの供給を停止する改質停止状態に前記燃料ガス生成装置の運転を移行させる停止移行工程と、前記停止移行工程の後に、前記改質停止状態を維持しながら前記燃料ガス生成装置の温度が停止処理完了温度に向かって低下するように前記燃料ガス生成装置を冷却する冷却工程と、前記燃料ガス生成装置の温度が前記停止処理完了温度に到達することで前記冷却工程が終了した後、前記燃料ガス生成装置の温度低下に伴って前記原燃料ガス供給路につながる前記燃料ガス生成装置の内部の所定部位の圧力が設定下限圧力未満になると、前記原燃料ガス供給路を介して前記所定部位に前記原燃料ガスを供給して前記所定部位の圧力を上昇させる圧力維持工程とを行い、
前記運転制御装置は、前記冷却工程において、相対的に短時間で前記燃料ガス生成装置の温度を前記停止処理完了温度まで低下させるように前記冷却装置を動作させる短時間冷却制御と、相対的に長時間で前記燃料ガス生成装置の温度を前記停止処理完了温度まで低下させて前記冷却工程の長さが前記設定判定期間以上の長さになるように前記冷却装置を動作させる長時間冷却制御とを切り替えて実行する燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
前記運転制御装置は、前記冷却工程において前記長時間冷却制御を行うとき、前記燃料ガス生成装置の温度が、前記停止処理完了温度よりも高い暫定目標温度に低下するまで前記冷却装置の冷却出力が相対的に大きくなるように調節し、前記燃料ガス生成装置の温度が前記暫定目標温度になった後は前記冷却装置の冷却出力が相対的に小さくなるように調節する請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３】
前記運転制御装置は、前記燃料ガス生成装置の温度が前記暫定目標温度になった後は前記冷却装置の動作を停止させる請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項４】
前記運転制御装置は、前記燃料ガス生成装置の再起動を前提とする前記燃料ガス生成装置の暫定停止を目的とするとき前記冷却工程において前記長時間冷却制御を行い、前記燃料ガス生成装置の再起動を前提としない前記燃料ガス生成装置の完全停止を目的とするとき前記冷却工程において前記短時間冷却制御を行う請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料ガス供給路を介して供給される原燃料ガスを改質して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置と、前記燃料ガス生成装置で生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池発電装置と、運転を制御する運転制御装置とを備える燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置と、その燃料ガス生成装置で生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池発電装置とを備える燃料電池システムを発電運転させるとき、燃料ガス生成装置及び燃料電池発電装置は高温になる。例えば、燃料ガス生成装置では、メタンなどの炭化水素を改質する改質部は改質反応を促進するために例えば約７００℃の温度で運転される。また、燃料電池発電装置では、固体酸化物形燃料電池の場合は約７００℃の温度で運転される。そして、燃料電池システムの発電運転を停止するとき、燃料ガス生成装置及び燃料電池発電装置は冷却される必要がある。
【０００３】
特許文献１には、燃料ガス生成装置の冷却工程において、冷却流体を流す強制冷却を行うか、又は、冷却流体を流さない自然冷却を行うかを選択して実行し、その動作を停止させる方法が記載されている。特許文献１には、自然冷却を行う利点として、強制冷却に比べて燃料ガス生成装置の温度低下が小さいので、次回、燃料電池システムを起動するときに定常運転時の温度まで昇温するのに要する時間及びエネルギー（燃料）が少なくて済み、燃料電池システムが発電可能となるまでに要する時間も短くなるという点が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−４３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の燃料電池システムでは、自然冷却が選択された場合、冷却装置が動作されないため、燃料ガス生成装置の上述したような例えば約７００℃からの温度低下が非常に遅い速度で進行することになる。そのため、燃料ガス生成装置の内部に原料ガスが残留している場合、原料ガス中の炭化水素がそのような温度域で熱分解されて炭素が析出し、改質部等の性能低下を引き起こす可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガス生成装置の運転を停止するときの一連の工程を、様々な装置にとって好ましい形態で実施可能な燃料電池システムの運転方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの運転方法の特徴構成は、原燃料ガス供給路を介して供給される炭化水素を含む原燃料ガスを改質して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置と、前記燃料ガス生成装置で生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池発電装置と、運転を制御する運転制御装置とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料ガス生成装置の温度を低下させる冷却装置を備え、
前記原燃料ガス供給路の途中の、前記燃料ガス生成装置よりも上流側の所定の流量検出部位には、前記原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間が設定判定期間以上継続すれば、前記流量検出部位よりも下流側でのガス漏れの存在を否定する判定を行うガス漏洩検出装置が設けられており、
前記運転制御装置は、前記燃料電池発電装置からの電力の出力を停止する発電停止状態に前記燃料電池発電装置の運転を移行させると共に前記燃料ガス生成装置への前記原燃料ガスの供給を停止する改質停止状態に前記燃料ガス生成装置の運転を移行させる停止移行工程と、前記停止移行工程の後に、前記改質停止状態を維持しながら前記燃料ガス生成装置の温度が停止処理完了温度に向かって低下するように前記燃料ガス生成装置を冷却する冷却工程と、前記燃料ガス生成装置の温度が前記停止処理完了温度に到達することで前記冷却工程が終了した後、前記燃料ガス生成装置の温度低下に伴って前記原燃料ガス供給路につながる前記燃料ガス生成装置の内部の所定部位の圧力が設定下限圧力未満になると、前記原燃料ガス供給路を介して前記所定部位に前記原燃料ガスを供給して前記所定部位の圧力を上昇させる圧力維持工程とを行い、
前記運転制御装置は、前記冷却工程において、相対的に短時間で前記燃料ガス生成装置の温度を前記停止処理完了温度まで低下させるように前記冷却装置を動作させる短時間冷却制御と、相対的に長時間で前記燃料ガス生成装置の温度を前記停止処理完了温度まで低下させて前記冷却工程の長さが前記設定判定期間以上の長さになるように前記冷却装置を動作させる長時間冷却制御とを切り替えて実行する点にある。
【０００８】
上記特徴構成により、冷却工程において上記短時間冷却制御が行われると、燃料ガス生成装置の温度を停止処理完了温度まで相対的に短時間で低下させることができる。その結果、燃料ガス生成装置の内部に原料ガスが残留していたとしても、原料ガス中の炭化水素が熱分解されて炭素が析出し得る温度域にある期間が短くなるので、炭素析出によって改質部等の性能低下を引き起こされる可能性を低くできる。
加えて、冷却工程において上記長時間冷却制御が行われると、燃料ガス生成装置の温度を停止処理完了温度まで低下させるのに相対的に長時間要するようにできる。つまり、燃料ガス生成装置が停止処理完了温度よりも高い温度で維持されている時間が長くなる。そのため、燃料ガス生成装置が停止処理完了温度よりも高い温度で維持されている期間に燃料ガス生成装置を再起動するときには、燃料ガス生成装置を運転時の温度まで昇温するのに要する時間及びエネルギーが小さくなり、その結果、生成した燃料ガスを燃料電池発電装置へ供給して発電運転が行われるようにするまでに要する時間も短くなるという利点がある。また、冷却工程を実行している間の燃料ガス生成装置での温度変化率が小さいので、温度変化に伴う熱応力の急変を避けることができる。更に、燃料ガス生成装置は、冷却工程の間、燃料ガス生成装置への原燃料ガスの供給を停止する改質停止状態に置かれているので、原燃料ガスの熱分解によって炭素が析出する可能性を低くすることができる。
【０００９】
更に、本特徴構成では、原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間が設定判定期間以上継続すれば、流量検出部位よりも下流側でのガス漏れの存在を否定する判定を行うガス漏洩検出装置が設けられており、冷却工程（燃料ガス生成装置への原燃料ガスの供給を停止する改質停止状態を維持しながら燃料ガス生成装置を冷却する工程）において上記短時間冷却制御が行われるとき、冷却工程の長さが上記設定判定期間以上の長さになるように冷却装置を動作させる。つまり、冷却工程において上記短時間冷却制御が行われると、ガス漏洩検出装置が、この冷却工程の実行中に、流量検出部位を流れる原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間は設定判定期間以上であるとして、流量検出部位よりも下流側でのガス漏れの存在を否定する判定を行うようにできる。
従って、燃料ガス生成装置の運転を停止するときの一連の工程を、様々な装置にとって好ましい形態で実施可能な燃料電池システムの運転方法を提供できる。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法の別の特徴構成は、前記運転制御装置は、前記冷却工程において前記長時間冷却制御を行うとき、前記燃料ガス生成装置の温度が、前記停止処理完了温度よりも高い暫定目標温度に低下するまで前記冷却装置の冷却出力が相対的に大きくなるように調節し、前記燃料ガス生成装置の温度が前記暫定目標温度になった後は前記冷却装置の冷却出力が相対的に小さくなるように調節する点にある。
【００１１】
上記特徴構成によれば、燃料ガス生成装置が暫定目標温度より高い温度域で長時間にわたって晒されることを回避できる。そのため、暫定目標温度より高い温度域に晒された場合に生じ得る、原燃料ガスの熱分解によって炭素が析出する問題などを回避できる。
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法の更に別の特徴構成は、前記運転制御装置は、前記燃料ガス生成装置の温度が前記暫定目標温度になった後は前記冷却装置の動作を停止させる点にある。
【００１３】
上記特徴構成によれば、燃料ガス生成装置の温度が暫定目標温度になった後は冷却装置の動作を停止するので、冷却装置を動作させるのに要するエネルギーを削減できる。
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法の更に別の特徴構成は、前記運転制御装置は、前記燃料ガス生成装置の再起動を前提とする前記燃料ガス生成装置の暫定停止を目的とするとき前記冷却工程において前記長時間冷却制御を行い、前記燃料ガス生成装置の再起動を前提としない前記燃料ガス生成装置の完全停止を目的とするとき前記冷却工程において前記短時間冷却制御を行う点にある。
【００１５】
運転制御装置は、通常、燃料電池システムの起動（運転）及び停止を、使用者の電力負荷及び熱負荷に応じて自動的に繰り返し行う。そのため、運転制御装置は、燃料電池システムを停止させたとしても、その停止は、燃料ガス生成装置の再起動を前提とする燃料ガス生成装置の暫定停止であることがある。
このとき本特徴構成では、運転制御装置は、冷却工程において長時間冷却制御を行う。つまり、燃料ガス生成装置の温度が緩やかに低下するので、次に燃料ガス生成装置が起動されるときには未だ比較的高温の状態を維持していることを期待でき、温度変化に伴う熱応力の急変を避けることができる。
【００１６】
これに対して、燃料電池システムのメンテナンス時にメンテナンス作業者等が情報入力装置を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することがある。他にも、燃料電池システムの使用者が長期外出するとき、その使用者が情報入力装置を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することなどがある。或いは、運転制御装置が、燃料電池システムの故障や異常を検出して、自動的に燃料電電池システムを停止させることもある。このような場合、使用者の電力負荷及び熱負荷に応じた停止とは異なり、燃料ガス生成装置の再起動を前提としない燃料ガス生成装置の完全停止である。
このとき本特徴構成では、運転制御装置は、冷却工程において短時間冷却制御を行う。つまり、燃料ガス生成装置の温度が急速に低下するので、メンテナンス作業等を早期に開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の停止移行工程及び冷却工程（短時間冷却制御）及び圧力維持工程を説明するタイミング図である。
【図３】第１実施形態の停止移行工程及び冷却工程（長時間冷却制御）及び圧力維持工程を説明するタイミング図である。
【図４】第２実施形態の停止移行工程及び冷却工程（長時間冷却制御）及び圧力維持工程を説明するタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して燃料電池システム及びその運転方法について説明する。図１は、燃料電池システムの構成を示す図である。図示するように、燃料電池システムは、原燃料ガス供給路２を介して供給される原燃料ガスを改質して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置Ｒと、その燃料ガス生成装置Ｒで生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池発電装置ＦＣと、運転を制御する運転制御装置Ｃとを備える。
【００１９】
燃料電池発電装置ＦＣは、例えば固体高分子形燃料電池などを用いて構成でき、電解質２２を燃料極２０及び空気極２１で挟んで構成される。燃料極２０には燃料ガス供給路４を通して燃料ガス（例えば、水素）が供給される。この燃料ガスは後述するように、燃料ガス生成装置Ｒで生成される。燃料極２０で発電反応に用いられた後の排燃料ガス中には少量の燃料ガス成分が残留しており、その排燃料ガスは排燃料ガス供給路５を通して燃料ガス生成装置Ｒの燃焼部３２に供給される。運転制御装置Ｃが燃料ガス生成装置Ｒの動作を制御することで、燃料極２０へ供給される燃料ガス量が調節される。燃料ガス生成装置Ｒから燃料極２０への燃料ガス供給路４の途中には、燃料ガス供給路４におけるガスの流通を遮断又は許容する弁Ｖ４が設けられている。排燃料ガス供給路５の途中には、排燃料ガス供給路５におけるガスの流通を遮断又は許容する弁Ｖ５が設けられている。
【００２０】
空気極２１には酸化剤ガス供給路７を通して空気（酸素）が供給される。酸化剤ガス供給路７の、空気極２１よりも上流側にはブロア１４及び弁Ｖ６が設けられている。これらブロア１４及び弁Ｖ６の動作は運転制御装置Ｃが制御する。そして、運転制御装置Ｃが弁Ｖ６の開閉及びブロア１４の動作を制御することで、空気極２１へ供給される空気量（酸化剤ガス量）を調節することができる。空気極２１で発電反応に用いられた後の排空気は、排気路８を通して排気される。
【００２１】
燃料ガス生成装置Ｒは、改質部３３とＣＯ変成部３４とＣＯ除去部３５と燃焼部３２と蒸気発生部３１とを備える。
【００２２】
燃焼部３２には、上述したように燃料極２０で発電反応に用いられた後の排燃料ガスが供給される。加えて、排燃料ガス供給路５には、空気供給路１６が接続され、排燃料ガス供給路５を流れる排燃料ガスに空気（酸素）が添加されるように構成されている。空気供給路１６には、流量調節弁Ｖ３とブロア１３とが設けられている。これら流量調節弁Ｖ３及びブロア１３の動作は運転制御装置Ｃが制御する。そして、運転制御装置Ｃが流量調節弁Ｖ３の開度及びブロア１３の動作を制御することで、排燃料ガス供給路５を流れる排燃料ガスに添加される空気量、即ち、燃焼部３２に流入させる空気量を調節することができる。このようにして、燃焼部３２に対して排燃料ガスと空気との混合ガスが供給されることで、排燃料ガス中に含まれる少量の燃料ガス成分が燃焼され、その燃焼熱は、後述するように蒸気発生部３１及び改質部３３に伝達される。排燃料ガスを燃焼部３２で燃焼した後の排ガスは、排ガス路６を通して排気される。
【００２３】
また、これら流量調節弁Ｖ３及びブロア１３は、燃料ガス生成装置Ｒの温度を低下させる冷却装置として機能する。例えば、流量調節弁Ｖ３及びブロア１３から燃焼部３２へと供給される空気は、燃焼中又は燃焼後の高温状態にある燃焼部３２から見ると、相対的に低温である。そのため、流量調節弁Ｖ３及びブロア１３から燃焼部３２へと供給される空気量が増加した状態は、燃焼部３２にとっては冷却装置による冷却出力が大きく発揮された状態となる。また、燃焼部３２の熱は、改質部３３及び蒸気発生部３１にも伝達される構成となっており、その結果、流量調節弁Ｖ３及びブロア１３から供給される空気によって燃料ガス生成装置Ｒの全体が冷却されることにもなる。このようにして、運転制御装置Ｃは、流量調節弁Ｖ３及びブロア１３から燃焼部３２へと供給される空気量を制御することで、冷却装置の冷却出力を調節することができる。
【００２４】
蒸気発生部３１は、水供給路９を通して水の供給を受けて水蒸気を発生させ、その水蒸気を水蒸気供給路１０を通して原燃料ガス供給路２へ添加させる。蒸気発生部３１は、燃焼部３２から放出される熱を受けるように配置されており、その熱を用いて水蒸気を発生させる。水供給路９の途中には蒸気発生部３１へ供給される水量を調節できる水供給ポンプ１１及び水供給路９を開閉する弁Ｖ１が設けられている。そして、運転制御装置Ｃが弁Ｖ１を開放させ且つその水供給ポンプ１１の動作を制御することで、蒸気発生部３１へ供給される水量、即ち、原燃料ガスへ添加される水量が調節される。
【００２５】
改質部３３には、原燃料ガス供給路２を通してメタンなどの炭化水素を含む原燃料ガスが供給される。また、上述したように、改質部３３に供給される原燃料ガスには、蒸気発生部３１で生成された水蒸気も添加されている。改質部３３は、燃焼部３２から放出された熱を受けるように配置されており、その熱を用いて原燃料ガスの水蒸気改質反応が行われる。例えば、改質部３３には、ルテニウム、ニッケル、白金などの改質触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填される。そして、改質部３３に被改質ガス（後述する原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを水素と一酸化炭素と二酸化炭素とを含む改質ガスに改質する。原燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガス（都市ガス）である場合、改質部３３では、燃焼部３２から伝達される熱による例えば７００℃程度の温度下でメタンと水蒸気とが改質反応して、水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含むガスに改質処理される。
【００２６】
原燃料ガス供給路２の途中の、改質部３３よりも上流側には、ブロア１２及び弁Ｖ２が設けられている。これらブロア１２及び弁Ｖ２の動作は運転制御装置Ｃが制御する。そして、運転制御装置Ｃが弁Ｖ２の開閉及びブロア１２の動作を制御することで、改質部３３へ供給される原燃料ガス量を調節することができる。改質部３３には、改質部３３の圧力を検出する圧力センサＰ１、及び、改質部３３の温度を検出する温度センサＴ１が設けられている。
【００２７】
ＣＯ変成部３４は、改質部３３にて生成された水素を主成分とする燃料ガスに含まれる一酸化炭素を低減するように処理する。具体的には、ＣＯ変成部３４において、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とが、例えば２００℃〜３００℃程度の反応温度で変成反応して、一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理される。
【００２８】
ＣＯ除去部３５は、ＣＯ変成部３４から排出される変成処理ガス中に残留している一酸化炭素を除去する。具体的には、一酸化炭素の酸化除去の場合、ＣＯ除去部３５において、ルテニウムや白金、パラジウム、ロジウム等の触媒作用によって、１００℃〜２００℃程度の反応温度で変成処理ガス中に残っている一酸化炭素が、添加された空気中の酸素によって酸化される。その結果、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）、水素リッチな燃料ガスが生成される。そして、生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路４を通じて燃料電池発電装置ＦＣに供給される。
【００２９】
本実施形態では、原燃料ガス供給路２の途中の、燃料ガス生成装置Ｒよりも上流側の所定の流量検出部位１には、ガス漏洩検出装置３が設けられている。このガス漏洩検出装置３は、その流量検出部位１を流れる原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間が設定判定期間以上継続すれば、流量検出部位１よりも下流側でのガス漏れの存在を否定する判定を行う。例えば、ガス漏洩検出装置３はガスメータ等に併設されており、ガス漏れの存在を肯定する判定を行った場合（即ち、ガス漏れの存在を否定する判定が一定期間の間に為されない場合）には、ガスメータにおいてガスの流通を遮断させるように動作する。
【００３０】
加えて、本実施形態では、燃料電池システムの使用者やメンテナンス者が運転制御装置Ｃに対して情報入力を行うこと、及び、運転制御装置Ｃからの情報出力を行うための情報入出力装置１５が運転制御装置Ｃに対して情報通信可能に接続されている。例えば、情報入出力装置１５は、家庭などの台所や浴室などに設置されている。そして、燃料電池システムのメンテナンス時にメンテナンス作業者が情報入出力装置１５を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することがある。他にも、燃料電池システムの使用者が長期外出するとき、その使用者が情報入出力装置１５を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することがある。
【００３１】
次に、燃料電池システム（燃料ガス生成装置Ｒ及び燃料電池発電装置ＦＣ）の運転工程（発電工程）及び停止移行工程及び冷却工程及び圧力維持工程のそれぞれについて、図２及び図３に示す燃料電池システムの作動状態を説明するタイミング図を参照して説明する。図２及び図３に示すのは、燃料電池発電装置ＦＣの発電出力（鎖線で示す）、改質部３３の温度（細実線で示す）、改質部３３へ供給される原燃料ガスの流量（太実線で示す）、冷却装置（流量調節弁Ｖ３及びブロア１３）の出力（一点鎖線で示す）の時間的な変化例である。尚、図２及び図３に示すそれらの値は単に例示目的で記載したものである。
【００３２】
〔運転工程（発電工程）〕
燃料電池発電装置ＦＣを発電運転するとき、燃料ガス生成装置Ｒも運転する必要がある。よって、改質部３３への原燃料ガスの供給を可能とするようにブロア１２は動作し且つ弁Ｖ２は開放され、並びに、蒸気発生部３１への水の供給を可能とするようにポンプは動作し且つ弁Ｖ１は開放されている。改質部３３では、上述したように原燃料ガスを水素に改質する改質反応が行われ、それにより水素を含む燃料ガスが生成される。燃料ガス供給路４に設けられている弁Ｖ４は開放されているので、燃料ガス生成装置Ｒで生成された燃料ガスは、燃料電池発電装置ＦＣの燃料極２０へ供給される。空気極２１へ空気が供給されるようにブロア１４は動作し且つ弁Ｖ６は開放されている。排燃料ガス供給路５に設けられた弁Ｖ５は開放され、燃焼部３２へ空気が供給されるようにブロア１３は動作し且つ流量調節弁Ｖ３の開度が調節されている。尚、ここでの流量調節弁Ｖ３及びブロア１３の動作は、燃焼部３２での排燃料ガスの燃焼に利用される酸素を供給する目的で行われている。その結果、燃料極２０からの排燃料ガスが、途中で空気と混合された上で、燃焼部３２へと供給される。尚、図示していないが、燃料電池発電装置ＦＣに対して電気負荷又はインバータが電気的に接続されている。
以上のようにして、燃料極２０に燃料ガスが供給され、空気極２１に空気が供給されることで、燃料電池発電装置ＦＣにおいて発電反応が行われ、電気負荷又はインバータに電力が出力される。
【００３３】
〔停止移行工程〕
停止移行工程は、運転制御装置Ｃが、燃料電池発電装置ＦＣからの電力の出力を停止する発電停止状態に燃料電池発電装置ＦＣの運転を移行させると共に燃料ガス生成装置Ｒへの原燃料ガスの供給を停止する改質停止状態に燃料ガス生成装置Ｒの運転を移行させる工程である。
具体的には、運転制御装置Ｃは、電気負荷又はインバータ（何れも図示せず）と燃料電池発電装置ＦＣとの電気的な接続を解除して、燃料電池発電装置ＦＣでの発電により得られた電力の出力を停止する。それに伴って、運転制御装置Ｃは、燃料ガス生成装置Ｒでの燃料ガスの生成が不要になるため、燃料ガス生成装置Ｒへの原燃料ガスの供給を停止させる。図２及び図３に示すように、時刻ｔ０において、発電出力及び改質部３３への原燃料ガスの流量が共にゼロに調節されている。その結果、燃料電池発電装置ＦＣから排燃料ガス供給路５を介して供給される排燃料ガスの量も減少或いはゼロになって、燃焼部３２から改質部３３へと伝達される熱も減少或いはゼロになるため、改質部３３の温度も時刻ｔ０以降は徐々に減少する。
【００３４】
〔冷却工程〕
冷却工程は、運転制御装置Ｃが、停止移行工程の後に、改質停止状態（即ち、燃料ガス生成装置Ｒへの原燃料ガスの供給を停止している状態）を維持しながら燃料ガス生成装置Ｒの温度が停止処理完了温度に向かって低下するように燃料ガス生成装置Ｒを冷却する工程である。この停止処理完了温度は、燃料ガス生成装置Ｒの温度が十分に低下したと見なすことができる温度であり、具体的な数値は適宜設定可能である。本実施形態では、運転制御装置Ｃは、冷却工程において、相対的に短時間で燃料ガス生成装置Ｒの温度を停止処理完了温度まで低下させるように冷却装置（流量調節弁Ｖ３及びブロア１３）を動作させる短時間冷却制御と、相対的に長時間で燃料ガス生成装置Ｒの温度を停止処理完了温度まで低下させて冷却工程の長さが設定判定期間以上の長さになるように冷却装置を動作させる長時間冷却制御との何れか一方の制御を行う。
本実施形態では、後述するように、運転制御装置Ｃは、燃料ガス生成装置Ｒの再起動を前提とする燃料ガス生成装置Ｒの暫定停止を目的とするとき冷却工程において長時間冷却制御（図３）を行い、燃料ガス生成装置Ｒの再起動を前提としない燃料ガス生成装置Ｒの完全停止を目的とするとき冷却工程において短時間冷却制御（図２）を行うように構成されている。
【００３５】
運転制御装置Ｃは、通常、燃料電池システムの起動（運転）及び停止を、使用者の電力負荷及び熱負荷に応じて自動的に行う。そのため、運転制御装置Ｃは、燃料電池システムを停止させたとしても、その停止は、燃料ガス生成装置Ｒの再起動を前提とする燃料ガス生成装置Ｒの暫定停止である。
これに対して、燃料電池システムのメンテナンス時にメンテナンス作業者が情報入出力装置１５を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することがある。他にも、燃料電池システムの使用者が長期外出するとき、その使用者が情報入出力装置１５を用いて燃料電池システムの運転停止を指示することがある。或いは、運転制御装置Ｃが、燃料電池システムの故障や異常を検出して、自動的に燃料電電池システムを停止させることもある。このような場合、使用者の電力負荷及び熱負荷に応じた停止とは異なり、燃料ガス生成装置Ｒの再起動を前提としない燃料ガス生成装置Ｒの完全停止である。
【００３６】
従って、燃料ガス生成装置Ｒの再起動を前提とする燃料ガス生成装置Ｒの暫定停止の場合、次に燃料ガス生成装置Ｒが起動されるときのことを考慮して、或いは、温度変化に伴う熱応力が急変することを避けるため、燃料ガス生成装置Ｒの温度が低下し過ぎていない方が好ましい。これに対して、燃料ガス生成装置Ｒの再起動を前提としない燃料ガス生成装置Ｒの完全停止の場合、メンテナンス作業を早期に開始するため、或いは、停止処理が長期間にわたることを避けるため、燃料ガス生成装置Ｒの温度が早急に低下されることが好ましい。
そこで、本実施形態において運転制御装置Ｃは、燃料ガス生成装置Ｒの再起動を前提とする燃料ガス生成装置Ｒの暫定停止を目的とするとき冷却工程において長時間冷却制御（図３）を行い、燃料ガス生成装置Ｒの再起動を前提としない燃料ガス生成装置Ｒの完全停止を目的とするとき冷却工程において短時間冷却制御（図２）を行うように構成されている。
【００３７】
図２に示すように、運転制御装置Ｃは、冷却工程（短時間冷却制御）において冷却装置の冷却出力を相対的に大きくさせる（即ち、流量調節弁Ｖ３及びブロア１３から燃焼部３２へ供給される空気流量を大きくさせる）ことで、相対的に短時間で改質部３３の温度（即ち、燃料ガス生成装置Ｒの温度）を停止処理完了温度まで低下させている。図２において、時刻ｔ１が、改質部３３の温度が停止処理完了温度（例えば２５０℃であり、図中では黒丸で示す）に到達した時刻である。この冷却工程を行っている間、運転制御装置Ｃは、弁Ｖ２、弁Ｖ４を閉止しつつ、ブロア１３を動作させ且つ流量調節弁Ｖ３の開度を調節して、空気を燃焼部３２に送給している。このように、冷却工程において上記短時間冷却制御が行われると、燃料ガス生成装置Ｒの温度を停止処理完了温度まで相対的に短時間で低下させることができる。その結果、燃料ガス生成装置Ｒの内部に原料ガスが残留していたとしても、原料ガス中の炭化水素が熱分解されて炭素が析出し得る温度域にある期間が短くなるので、炭素析出によって改質部３３等の性能低下を引き起こされる可能性を低くできる。
【００３８】
これに対して、本実施形態では、運転制御装置Ｃは、図３に示すような冷却工程（長時間冷却制御）も行い得るように構成されている。図３に示すように、冷却工程（長時間冷却制御）において冷却装置を動作させているときの冷却出力は、図２に示した冷却工程（短時間冷却制御）において冷却装置を動作させているときの冷却出力よりも相対的に小さく（即ち、流量調節弁Ｖ３及びブロア１３から燃焼部３２へ供給される空気流量が相対的に小さく）なっている。このように、冷却工程において上記長時間冷却制御が行われると、燃料ガス生成装置Ｒの温度を停止処理完了温度（図２と同様に例えば２５０℃であり、図中では黒丸で示す）まで低下させるのに相対的に長時間要するようにできる。つまり、燃料ガス生成装置Ｒが停止処理完了温度よりも高い温度で維持されている時間が長くなる。そのため、燃料ガス生成装置Ｒが停止処理完了温度よりも高い温度で維持されている期間に燃料ガス生成装置Ｒを再起動するときには、燃料ガス生成装置Ｒを運転時の温度まで昇温するのに要する時間及びエネルギーが小さくなり、その結果、生成した燃料ガスを燃料電池発電装置ＦＣへ供給して発電運転が行われるようにするまでに要する時間も短くなるという利点がある。また、冷却工程を実行している間の燃料ガス生成装置Ｒでの温度変化率が小さいので、温度変化に伴う熱応力の急変を避けることができる。更に、燃料ガス生成装置Ｒは、冷却工程の間、燃料ガス生成装置Ｒへの原燃料ガスの供給を停止する改質停止状態に置かれているので、原燃料ガスの熱分解によって炭素が析出する可能性を低くすることができる。
【００３９】
本実施形態では、運転制御装置Ｃは、以上のように、停止移行工程及び冷却工程及び圧力維持工程を行うのであるが、図２に示した例では、原燃料ガスが連続して不使用となっている期間は冷却工程の間だけであり、他は連続的に原燃料ガスが使用されているか或いは短い期間を空けて間欠的に原燃料ガスが使用されている。そのため、図２の例では、ガス漏洩検出装置３の「設定判定期間」をクリアできない、即ち、流量検出部位１を流れる原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間は設定判定期間未満となるため、ガス漏洩検出装置３は、流量検出部位１よりも下流側でのガス漏れの存在を否定することはない。そのため他のタイミングで流量検出部位１を流れる原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間が設定判定期間以上とならなければ、ガス漏洩検出装置３は、ガス漏れの存在を肯定する判定を行う。
【００４０】
これに対して、図３に例示した冷却工程（長時間冷却制御）の間での燃料ガス生成装置Ｒの温度低下率は、図２に示した冷却工程（短時間冷却制御）での燃料ガス生成装置Ｒの温度低下率よりも小さくなって、停止処理完了温度に到達するまでに所要時間が長くなっている。そして、冷却工程（長時間冷却制御）が行われた場合、冷却工程の期間（時刻ｔ０〜時刻ｔ２の間）の長さは、上述した設定判定期間よりも長くなる。そのため、ガス漏洩検出装置３は、この冷却工程の実行中に、流量検出部位１を流れる原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間は設定判定期間以上であるとして、流量検出部位１よりも下流側でのガス漏れの存在を否定する判定を行うという利点が得られる。
【００４１】
〔圧力維持工程〕
圧力維持工程は、運転制御装置Ｃが、燃料ガス生成装置Ｒの温度が停止処理完了温度に到達することで冷却工程が終了した後、燃料ガス生成装置Ｒの温度低下に伴って原燃料ガス供給路２につながる燃料ガス生成装置Ｒの内部の所定部位の圧力が設定下限圧力未満になると、原燃料ガス供給路２を介して所定部位に原燃料ガスを供給して所定部位の圧力を上昇させる工程である。
【００４２】
燃料ガス生成装置Ｒの温度（本実施形態では「改質部３３の温度」をその代表値として監視）を低下させることを目的とした冷却工程を終了した後は、改質部３３の圧力上昇は見られなくなり、逆に改質部３３の温度低下による圧力低下が見られる。よって、運転制御装置Ｃは、圧力センサＰ１で検出される改質部３３の圧力が設定下限圧力未満になると、弁Ｖ１及び弁Ｖ４を閉止した状態で弁Ｖ２を一時的に開放し、燃料ガス生成装置Ｒの内部に原燃料ガスを流入させて改質部３３の圧力を上昇させる。また、燃料ガス生成装置Ｒの温度が更に低下すると、改質部３３の圧力が再び低下してしまう。そのような場合には、運転制御装置Ｃは、再度、弁Ｖ２を一時的に開放し、燃料ガス生成装置Ｒの内部に原料ガスを流入させ、改質部３３の圧力が設定下限圧力以上になるようにする。図２では、圧力維持工程において、原燃料ガスの流れが間欠的に発生し、改質部３３の圧力を設定下限圧力以上に維持する処理が行われていることが示されている。
【００４３】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の燃料電池システムの運転方法は、冷却工程の内容が第１実施形態の冷却工程と異なっている。以下に第２実施形態の燃料電池システムの運転方法について説明するが、上記実施形態と同様の内容については説明を省略する。
【００４４】
図４は、第２実施形態の停止移行工程及び冷却工程（長時間冷却制御）及び圧力維持工程を説明するタイミング図である。本実施形態では、運転制御装置Ｃは、冷却工程において長時間冷却制御を行うとき、燃料ガス生成装置Ｒの温度が、停止処理完了温度（図２及び図３と同様に例えば２５０℃であり、図中では黒丸で示す）よりも高い暫定目標温度に低下するまで冷却装置の冷却出力が相対的に大きくなるように（即ち、流量調節弁Ｖ３及びブロア１３から燃焼部３２へ供給される空気流量が相対的に大きくなるように）調節し、燃料ガス生成装置Ｒの温度が暫定目標温度になった後は冷却装置の冷却出力が相対的に小さくなるように（即ち、流量調節弁Ｖ３及びブロア１３から燃焼部３２へ供給される空気流量が相対的に小さくなるように）調節する。図４に示す例では、運転制御装置Ｃは、時刻ｔａにおいて燃料ガス生成装置Ｒの温度が暫定目標温度になった後は、冷却装置の動作を停止させる（即ち、流量調節弁Ｖ３及びブロア１３から燃焼部３２へ供給される空気流量をゼロにする）。このように、冷却工程を開始した後、燃料ガス生成装置Ｒは、暫定目標温度までは大きな温度低下率で急速に冷却され、その後は、小さな温度低下率でゆっくり冷却されて、時刻ｔ３で停止処理完了温度に到達している。
このように、燃料ガス生成装置Ｒが暫定目標温度より高い温度域で長時間にわたって晒されることを回避できる。そのため、暫定目標温度より高い温度域に晒された場合に生じ得る、原燃料ガスの熱分解によって炭素が析出する問題などを回避できる。
【００４５】
加えて、冷却工程の期間（時刻ｔ０〜時刻ｔ３の間）の長さは、上述した設定判定期間よりも長くなる。そのため、ガス漏洩検出装置３は、この冷却工程の実行中に、流量検出部位１を流れる原燃料ガスの流量が設定下限流量未満である期間は設定判定期間以上であるとして、流量検出部位１よりも下流側でのガス漏れの存在を否定する判定を行う。
【００４６】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、燃料電池システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成については適宜変更可能である。例えば、燃料ガス生成装置Ｒが、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する脱硫部などを備えていてもよい。また、燃料電池発電装置ＦＣが、固体高分子形燃料電池である場合には、燃料極２０に供給される燃料ガスや空気極２１に供給される空気を加湿する加湿部などを備えていてもよい。他にも、弁などを設ける位置並びに弁の開閉タイミングなどは上述した例に限定されず、適宜変更可能である。
また、上記実施形態では、燃料ガス生成装置Ｒの温度を低下させる冷却装置として、燃焼部３２に空気を供給するためのブロア１３及び流量調節弁Ｖ３を併用する例を説明したが、他の装置を用いて燃料ガス生成装置Ｒ（改質部３３など）を冷却してもよい。
【００４７】
＜２＞
上記実施形態では、運転制御装置Ｃが停止移行工程及び冷却工程及び圧力維持工程の各工程の制御を自動で行う例を記載したが、人間が操作を行ってもよい。
【００４８】
＜３＞
上記第２実施形態では、運転制御装置Ｃは、冷却工程において、燃料ガス生成装置Ｒの温度が暫定目標温度になった後は冷却装置の動作を停止させる例を説明したが、冷却装置の動作を停止するのではなく、冷却装置の冷却出力が相対的に小さくなるように動作させ続けてもよい。また、冷却出力を一定にするのではなく、時間的に変化させてもよい。
【００４９】
＜４＞
上記実施形態では、燃料電池システムの各部の温度等について具体的な数値を例示したが、それらの温度値は例示目的で記載したものであり、適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、燃料ガス生成装置の運転を停止するときの一連の工程を、様々な装置にとって好ましい形態で実施可能な燃料電池システムの運転方法に利用できる。
【符号の説明】
【００５１】
２  原燃料ガス供給路
３  ガス漏洩検出装置
４  燃料ガス供給路
１３  ブロア（冷却装置）
１５  情報入出力装置
３１  蒸気発生部
３２  燃焼部
３３  改質部
Ｖ３  流量調節弁（冷却装置）
Ｃ  運転制御装置
ＦＣ  燃料電池発電装置
Ｒ  燃料ガス生成装置
【図１】
2015185249.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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