(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器に原料を供給する原料供給器と、
前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を水添脱硫方式により脱硫する脱硫器と、
前記改質器から排出されたガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路と、
前記リサイクルガス流路内のガスの流通を制御する流通制御器と、
前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、
前記改質器で生成された水素含有ガスを反応させる燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスに点火し、燃焼させる燃焼部と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
起動時に前記原料供給器により原料を供給させた後において、
前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された前記原料を前記燃焼部で燃焼させ、その後、前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器により前記リサイクルガス流路内に流通させた後に、前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるように制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器に原料を供給する原料供給器と、
前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を水添脱硫方式により脱硫する脱硫器と、
前記改質器から排出されたガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路と、
前記リサイクルガス流路内のガスの流通を制御する流通制御器と、
前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、
前記改質器で生成された水素含有ガスを反応させる燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスに点火し、燃焼させる燃焼部と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
起動時に前記原料供給器により原料を供給させた後において、
前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器により前記リサイクルガス流路内に流通させ、その後、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された前記原料を前記燃焼部で燃焼させた後に、前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるように制御する、燃料電池システム。
【請求項３】
原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を水添脱硫方式により脱硫する脱硫器と、前記改質器から排出されたガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路と、前記リサイクルガス流路内のガスの流通を制御する流通制御器と、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、前記改質器で生成された水素含有ガスを反応させる燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスに点火し、燃焼させる燃焼部と、制御器と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
起動時において、
前記原料供給器が原料を供給するステップと、
前記燃焼部が前記燃料電池を介して排出されたオフガスを燃焼させるステップと、
前記流通制御器が前記改質器から排出されたガスの一部を前記リサイクルガス流路内に流通させるステップと、
前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップと、を含んでおり、
前記原料供給器が原料を供給するステップの実行後において、
前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された原料を前記燃焼部が燃焼させるステップを実行し、その後に、前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器が前記リサイクルガス流路内に流通させるステップを実行した後に、前記水蒸気供給器が前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップを実行する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を水添脱硫方式により脱硫する脱硫器と、前記改質器から排出されたガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路と、前記リサイクルガス流路内のガスの流通を制御する流通制御器と、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、前記改質器で生成された水素含有ガスを反応させる燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスに点火し、燃焼させる燃焼部と、制御器と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
起動時において、
前記原料供給器が原料を供給するステップと、
前記燃焼部が前記燃料電池を介して排出されたオフガスを燃焼させるステップと、
前記流通制御器が前記改質器から排出されたガスの一部を前記リサイクルガス流路内に流通させるステップと、
前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップと、を含んでおり、
前記原料供給器が原料を供給するステップの実行後において、
前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器がリサイクルガス流路内に流通させるステップを実行し、その後に、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された原料を前記燃焼部が燃焼させるステップを実行した後に、前記水蒸気供給器が前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップを実行する、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素生成装置は、例えば燃料電池に燃料ガスとして水素含有ガスを供給するために用いられる。このような水素生成装置は、一般的に原料と水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器を備えている。この原料として都市ガス等が用いられるが、これらのガスには付臭成分等としての硫黄化合物が含まれている。この硫黄化合物は、改質反応に用いられる改質触媒の被毒物質であるので何らかの方法で除去する必要がある。
【０００３】
そこで、常温吸着により除去する方法と水素を用いて水添脱硫により除去する方法を併用する水素生成装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１６４８９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、起動時に、燃焼部における燃焼状態の悪化を防ぐ燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、上記した課題を解決するために、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を水添脱硫方式により脱硫する脱硫器と、前記改質器から排出されたガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路と、前記リサイクルガス流路内のガスの流通を制御する流通制御器と、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、前記改質器で生成された水素含有ガスを反応させる燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスに点火し、燃焼させる燃焼部と、制御器と、を備え、起動時に前記原料供給器により原料を供給させた後において、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された前記原料を前記燃焼部で燃焼させ、その後、前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器により前記リサイクルガス流路内に流通させた後に、前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるように制御する、あるいは前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器により前記リサイクルガス流路内に流通させ、その後、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された前記原料を前記燃焼部で燃焼させた後に、前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるように制御する。
【０００７】
また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法の一態様は、上記した課題を解決するために、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を水添脱硫方式により脱硫する脱硫器と、前記改質器から排出されたガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路と、前記リサイクルガス流路内のガスの流通を制御する流通制御器と、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、前記改質器で生成された水素含有ガスを反応させる燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスに点火し、燃焼させる燃焼部と、制御器と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、起動時において、前記原料供給器が原料を供給するステップと、前記燃焼部が前記燃料電池を介して排出されたオフガスを燃焼させるステップと、前記流通制御器が前記改質器から排出されたガスの一部を前記リサイクルガス流路内に流通させるステップと、前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップと、を含んでおり、前記原料供給器が原料を供給するステップの実行後において、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された原料を前記燃焼部が燃焼させるステップを実行し、その後に、前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器が前記リサイクルガス流路内に流通させるステップを実行した後に、前記水蒸気供給器が前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップを実行する、あるいは、前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器がリサイクルガス流路内に流通させるステップを実行し、その後に、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された原料を前記燃焼部が燃焼させるステップを実行した後に、前記水蒸気供給器が前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップを実行する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、起動時に、燃焼部における燃焼状態の悪化を防ぐことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】実施形態の変形例に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図６】実施例に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】実施例の変形例に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者らは、燃焼部における燃焼状態に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【００１１】
まず、水素生成装置は、例えば燃料電池に水素含有ガスを供給するために用いられる。水素生成装置が水素含有ガスを生成する際に使用する原料としては、例えば、液化石油ガス（ＬＰＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、都市ガス、シェールガス、及びメタンハイドレード等を例示できる。
【００１２】
水素生成装置は、改質器を備えており、この改質器は、例えば、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて、例えば６００〜７００℃の温度で原料を水蒸気と反応（改質反応）させることによって、水素含有ガス（改質ガス）を生成する。
【００１３】
ところで、都市ガス、又はＬＰＧ等の原料には、原料漏れを検出するため、硫黄成分を含む付臭剤が添加されている。また、原料由来の硫黄化合物も含まれることもある。これら硫黄系の付臭剤や天然由来の硫黄化合物（総称して「硫黄化合物」とする）は、改質器で用いられるＲｕ触媒やＮｉ触媒といった触媒を被毒し、改質反応を阻害する。さらには、水素生成装置の後段に設けられた、例えば燃料電池が備える燃料電池スタックのアノードを被毒し、燃料電池の性能を阻害してしまう恐れがある。このため、水素生成装置には、一般に、改質器に導入する前の原料から硫黄化合物を除去するための脱硫器が設けられる。
【００１４】
燃料電池が備える燃料電池スタックは、例えば、アノード（燃料極）、電解質、カソード（空気極）から成るセルから構成される。アノードには、例えば、燃料であるメタン、あるいは改質器から供給される水素含有ガスが供給される。カソードには酸化剤ガスとして例えば、空気が供給される。空気中の酸素は、カソードと電解質との界面で解離し、電解質中を拡散移動する。拡散した酸素イオンは、電解質とアノードとの界面でアノード側の水素と反応し、水を生成する。この反応の際に放出される電子が、電力として取り出される。
【００１５】
ところで上記した燃料電池から排出されるオフガスには未反応の燃料（水素含有ガス）が含まれている。そのため、オフガスを大気に排出する前に燃焼させる必要がある。オフガスを燃焼させる燃焼部は可燃性ガスを燃焼させて安全に大気に放出する機能が必要であるため、継続して安定した燃焼状態を保持しなければならない。なお、ここで、オフガスとは燃料電池から排出されたガス全般のことを意味する。たとえば、発電中の燃焼電池では、発電のために水素が消費された後に、燃料電池から排出されるガスのことを呼ぶ。また、オフガスは燃料電池を経て排出されるガスのことであり、燃料電池で反応していないガスであってもよい。
【００１６】
ここで特許文献１に開示された構成では、水素生成装置の起動時に、改質器および水添脱硫器を昇温し、改質器が水素含有ガスを生成可能な温度になると改質器に水蒸気および原料を供給する。そして、改質器は水素含有ガスの生成を開始する。さらに、水添脱硫器の温度が水添脱硫可能な温度まで昇温した後に、改質器が生成した水素含有ガスの一部を水添脱硫器に供給する。これにより水添脱硫器は、供給された原料ガスから付臭成分を脱硫し、改質器に供給することができる。
【００１７】
特許文献１に開示されている構成では、水添脱硫器の温度が水添脱硫可能な温度まで昇温した後に、改質器が生成した水素含有ガスの一部を水添脱硫器に供給する。このとき、水素含有ガスの一部が水添脱硫器に供給されるため、流通される水素含有ガスの流量が一時的に低減する。そのため、水素生成装置の後段に設けられた燃料電池を経て排出されるオフガスの流量も一時的に低減することとなる。
【００１８】
このため、オフガスを燃焼部で燃焼させる構成では、オフガスの流量が一時的に低減することで、燃焼部における燃焼状態が悪化し、過剰なＣＯガスを排出したり、失火してしまったりする可能性があることを見出した。
【００１９】
また、燃焼部を点火させる前に改質器に水蒸気を供給した場合、改質器の後段に設けられた燃料電池から排出されたオフガスは水分を多く含む原料となる。このように、燃料電池から排出されたオフガス（原料）に多くの水分が含まれている場合、燃焼部における燃焼状態が悪化することを見出した。
【００２０】
以上の知見から水素生成装置の起動時において、改質器に水蒸気を供給した後でかつ、改質器から排出したガスの一部を水添脱硫器に供給した場合に、燃焼部における燃焼状態が最も悪化することを見出した。
【００２１】
このように、燃焼部における燃焼状態の悪化を防ぐためには、水蒸気を改質器に供給するタイミング、あるいは改質器から排出されたガスの一部を水添脱硫器に供給するタイミングに対して検討の余地があることを見出し、本発明に至った。そこで、以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本発明を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
【００２３】
（実施形態）
実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を水添脱硫方式により脱硫する脱硫器と、前記改質器から排出されたガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路と、前記リサイクルガス流路内のガスの流通を制御する流通制御器と、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、前記改質器で生成された水素含有ガスを反応させる燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスに点火し、燃焼させる燃焼部と、制御器と、を備え、前記制御器は、起動時に前記原料供給器により原料を供給させた後において、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された前記原料を前記燃焼部で燃焼させ、その後、前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器により前記リサイクルガス流路内に流通させた後に、前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるように制御する、あるいは前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器により前記リサイクルガス流路内に流通させ、その後、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された前記原料を前記燃焼部で燃焼させた後に、前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるように制御する。
【００２４】
このように、実施形態に係る燃料電池システムでは、水蒸気の供給を開始する前に燃料電池から排出されたオフガス（原料）を燃焼させるため、水分を多く含む原料を燃焼させることがなく、燃焼状態が悪化することを防ぐことができる。
【００２５】
したがって、実施形態に係る燃料電池システムは、起動時に、燃焼部における燃焼状態の悪化を防ぐことができるという効果を奏する。
【００２６】
また、実施形態の燃料電池システムの制御方法は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器に供給される原料に含まれる硫黄化合物を水添脱硫方式により脱硫する脱硫器と、前記改質器から排出されたガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路と、前記リサイクルガス流路内のガスの流通を制御する流通制御器と、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、前記改質器で生成された水素含有ガスを反応させる燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスに点火し、燃焼させる燃焼部と、制御器と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、起動時において、前記原料供給器が原料を供給するステップと、前記燃焼部が前記燃料電池を介して排出されたオフガスを燃焼させるステップと、前記流通制御器が前記改質器から排出されたガスの一部を前記リサイクルガス流路内に流通させるステップと、前記水蒸気供給器により前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップと、を含んでおり、前記原料供給器が原料を供給するステップの実行後において、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された原料を前記燃焼部が燃焼させるステップを実行し、その後に、前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器が前記リサイクルガス流路内に流通させるステップを実行した後に、前記水蒸気供給器が前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップを実行する、あるいは、前記改質器から排出されたガスの一部を前記流通制御器がリサイクルガス流路内に流通させるステップを実行し、その後に、前記オフガスとして前記燃料電池を介して排出された原料を前記燃焼部が燃焼させるステップを実行した後に、前記水蒸気供給器が前記水蒸気を前記改質器に供給させるステップを実行する。
【００２７】
このように、実施形態に係る燃料電池システムの制御方法では、水蒸気の供給を開始する前に燃料電池から排出されたオフガス（原料）を燃焼させるため、水分を多く含む原料を燃焼させることがなく、燃焼状態が悪化することを防ぐことができる。
【００２８】
したがって、実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、起動時に、燃焼部における燃焼状態の悪化を防ぐことができるという効果を奏する。
【００２９】
（装置構成）
次に図１を参照して、実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成の一例を示すブロック図である。
【００３０】
図１に示す例において、燃料電池システム１００は、改質器２６と、原料供給器１４と、脱硫器２８と、水蒸気供給器３０と、リサイクルガス流路４０と、流通制御器４１と、燃料電池１０と、燃焼部１１と、制御器５０と、を備える。
【００３１】
改質器２６は、原料を用いて水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器２６において、原料ガスが改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、およびオートサーマル反応等が挙げられる。
【００３２】
改質器２６は、例えば、容器に改質触媒を充填して構成することができる。改質触媒は、例えば、ニッケル、ルテニウム、白金、ならびにロジウムのうち少なくとも一つを含浸したアルミナ担体を用いることができる。なお、改質触媒は、本例に限定されるものではなく、改質触媒を最適な温度範囲に維持した場合に改質反応を進行させ得る触媒であれば、いかなる材料であっても構わない。
【００３３】
原料供給器１４は、改質器２６に原料を供給する。原料供給器１４は、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。発電原料は、発電原料供給源より供給される。発電原料供給源は、所定の供給圧を有していてもよい。所定の供給圧を有する発電原料供給源は、例えば、原料ガスボンベ、原料ガスインフラ等が挙げられる。
【００３４】
原料は、例えば、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含有する物質が挙げられる。具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ、プロパンガス、ブタンガス、メタンを主成分とするガス等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコール、灯油が例示される。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。灯油及びアルコール等の液体を原料として用いる場合には、改質器２６に供給される前に、原料は加熱されて気化されてもよい。
【００３５】
脱硫器２８は、改質器２６に供給される原料に含まれる硫黄化合物を水添脱硫する。脱硫器２８は、容器に水添脱硫剤を充填して構成することができる。充填される水添脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成してもよい。
【００３６】
硫黄化合物は、付臭成分として人為的に原料へ添加されるものであってもよいし、原料自体に由来する天然の硫黄化合物であってもよい。具体的には、ターシャリブチルメルカプタン（ＴＢＭ：tertiary-butylmercaptan）、ジメチルスルフィド（ＤＭＳ：dimethyl sulfide）、テトラヒドロチオフェン（ＴＨＴ：Tetrahydrothiophene）、硫化カルボニル（ＣＯＳ：carbonyl sulfide）、硫化水素（hydrogen sulfide）等が例示される。
【００３７】
水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合、水添脱硫器は例えば、約１５０℃〜３５０℃が適温の動作範囲となる。
【００３８】
なお、脱硫器２８はさらに吸着脱硫剤を含んでいてもよい。容器において吸着脱硫剤をさらに含む場合は、Ａｇゼオライト系触媒等が用いられ、脱硫器を常温で用いることができる。
【００３９】
水蒸気供給器３０は、改質器２６に水蒸気を供給する。すなわち、水蒸気供給器３０は、例えば外部から供給された水を気化させ、水蒸気改質反応に必要な水蒸気を改質器２６に供給するものである。水蒸気を生成するための熱源は特に限定されない。該熱源として、水蒸気供給器３０は、例えば、別途、電熱ヒータ等の加熱器（不図示）を備えてもよいし、燃焼部１１、改質器２６、及び燃料電池１０のいずれかが保有する熱を利用してもよい。あるいは、水蒸気供給器３０は、加熱器による加熱、または燃焼部１１、改質器２６、及び燃料電池１０などの保有する熱などを任意に組合せ、水蒸気を発生させてもよい。
【００４０】
なお、改質器２６で実施する改質反応がオートサーマル反応の場合は、さらに、改質器２６に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられていてもよい。
【００４１】
リサイクルガス流路４０は、改質器２６から排出されたガスの一部を脱硫器２８に供給するための流路である。図１に示すように改質器２６と燃料電池１０とを接続するガス流路から分岐して、原料供給器１４と脱硫器２８とを接続するガス流路に合流する。改質器２６において改質反応が進行し、水素含有ガスが生成されている場合は、この水素含有ガスの一部がリサイクルガス流路４０を流通して脱硫器２８に供給される。一方、改質器２６において改質反応が進行していない状態のときに原料が改質器２６に供給された場合は、原料の一部がリサイクルガス流路４０を流通して脱硫器２８に供給されることとなる。
【００４２】
流通制御器４１は、リサイクルガス流路４０内のガスの流通を制御するものである。流通制御器４１は、例えば、リサイクルガス流路４０に設けられ、制御器５０からの制御指示に応じて、このリサイクルガス流路４０を開閉することのできる可動機構を備えた開閉弁などが例示できる。
【００４３】
燃料電池１０は、改質器２６で生成された水素含有ガスを反応させるものである。
【００４４】
燃焼部１１は、燃料電池１０から排出されたオフガスに点火し、燃焼させるものである。図１では特に図示していないが、燃料電池１０から排出されたオフガスを燃焼させるための酸化剤ガスを外部から供給するため、酸化剤供給経路が燃焼部１１に設けられていても良い。
【００４５】
制御器５０は、燃料電池システムが備える各部の各種制御をおこなうものであり、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備える。例えば、制御器５０は、マイクロコントローラ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller) 等が例示される。また、演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、不揮発性メモリが例示される。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００４６】
なお、図１に示す燃料電池システム１００は、例えば、図２に示すように、リサイクルガス流路４０において水蒸気凝縮器４２を設けた構成としてもよい。図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成の一例を示すブロック図である。水蒸気凝縮器４２はリサイクルガス流路４０に流れる水素含有ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて、水蒸気を除去する。リサイクルガス流路４０に水蒸気凝縮器４２を設けた構成とした場合、リサイクルガス流路４０において結露水が流路を詰まらせることを防ぐことが出来る。水蒸気凝縮器４２は電子制御チラーでも良いし、水冷式の凝縮器でも良い。
【００４７】
また、図２に示すように、燃焼部１１はオフガスに点火するための点火器２５を備えた構成としてもよい。点火器２５は、制御器５０からの制御指示に応じて点火が制御されていてもよい。
【００４８】
（起動時の制御方法）
次に、図３を参照して、実施形態に係る燃料電池システム１００の起動時における制御方法を説明する。図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の制御方法の一例を示すフローチャートである。図３に示す制御方法は、例えば、制御器５０が不図示の記憶装置に記憶されたプログラムを読み出し、実行することで実現できる。
【００４９】
まず、制御器５０は、燃料電池システム１００の起動を指示する（スタート）。そして、原料供給器１４による原料供給が可能な状態になると、制御器５０からの制御指示に応じて、原料供給器１４が、原料を供給させる（Ｓ１１）。その後、制御器５０からの制御指示に応じて、燃焼部１１で点火器２５が燃料電池１０から排出された原料（オフガス）に着火させ（ステップＳ１２）、燃焼させる。原料（オフガス）の燃焼開始後、制御器５０からの制御指示に応じて、流通制御器４１は、閉状態にあるリサイクルガス流路４０を開状態とさせる。これにより、リサイクルガス流路４０内をガス（原料）がリサイクルガスとして流通しはじめる。すなわち、リサイクルガス流路４０へのリサイクルガスの供給が始まる（Ｓ１３）。次いで、制御器５０からの制御指示に応じて、水蒸気供給器３０は、改質器２６に水蒸気を供給させる（Ｓ１４）。このようにして、燃料電池システム１００の起動時の制御処理が完了する（エンド）。
【００５０】
以上のように、実施形態に係る燃料電池システム１００では、その起動時において、制御器５０は、オフガスとして燃料電池１０を介して排出された原料を燃焼部１１で燃焼させた後に、水蒸気を供給するように水蒸気供給器３０を制御する。このため、水蒸気の供給を開始する前に改質器２６から排出された原料（オフガス）を燃焼部１１において燃焼させることができる。それゆえ、多量に水分を含む原料を燃焼部１１において燃焼させるような事態を防ぐことができ、燃焼部１１における燃焼状態の悪化を防止することができる。これにより、燃焼排ガス中のＣＯガス濃度の増加を抑制したり、燃焼部１１における失火を防止したりすることができる。
【００５１】
なお、実施形態に係る燃料電池システム１００の起動時における制御方法の上記したステップは、この順番に限定されるものではない。以下において、実施の形態の変形例として上記したステップの順番とは異なる順番にて実施される、起動時における燃料電池システム１００の制御方法について説明する。
【００５２】
（実施形態の変形例）
実施形態に係る燃料電池システム１００の変形例を、図４を参照して説明する。実施形態の変形例は、図３に示したステップ順とは異なるステップ順により起動時における制御を実施する。図４は、実施形態の変形例に係る燃料電池システム１００の制御方法の一例を示すフローチャートである。図４に示す制御方法は、例えば、制御器５０が不図示の記憶装置に記憶されたプログラムを読み出し、実行することで実現できる。
【００５３】
まず、制御器５０は、変形例の燃料電池システム１００の起動を指示する（スタート）。そして、原料供給器１４による原料供給が可能な状態になると、制御器５０からの制御指示に応じて、原料供給器１４が、原料を供給させる（Ｓ２１）。その後、制御器５０からの制御指示に応じて、流通制御器４１は、閉状態にあるリサイクルガス流路４０を開状態とさせる。これにより、リサイクルガス流路４０内をガス（原料）がリサイクルガスとして流通しはじめる。すなわち、リサイクルガス流路４０へのリサイクルガスの供給が始まる（Ｓ２２）。そして、リサイクルガスの供給が進むと、リサイクルガス流路４０が原料により満たされた状態となる。
【００５４】
次いで、制御器５０からの制御指示に応じて、燃焼部１１で点火器２５が燃料電池１０から排出された原料（オフガス）に着火させ（ステップＳ２３）、燃焼させる。原料（オフガス）の燃焼開始後、制御器５０からの制御指示に応じて、水蒸気供給器３０は、改質器２６に水蒸気を供給させる（Ｓ２４）。このようにして、燃料電池システム１００の起動時の制御処理が完了する（エンド）。
【００５５】
以上のように、変形例に係る燃料電池システム１００では、その起動時において、制御器５０は、オフガスとして燃料電池１０を介して排出された原料を燃焼部１１で燃焼させた後に、水蒸気を供給するように水蒸気供給器３０を制御する。このため、水蒸気の供給を開始する前に改質器２６から排出された原料（オフガス）を燃焼部１１において燃焼させることができる。それゆえ、多量に水分を含む原料を燃焼部１１において燃焼させるような事態を防ぐことができ、燃焼部１１における燃焼状態の悪化を防止することができる。
【００５６】
さらにまた、制御器５０は、燃料電池１０を介して排出された原料を燃焼部１１で燃焼させる前に、改質器２６から排出されたガス（原料）の一部をリサイクルガス流路４０に流通させるように流通制御器４１を制御している。このため、改質器２６から排出されたガス（原料）によってリサイクルガス流路４０内を満たすことができる。それゆえ、燃焼部１１における燃焼時に、燃焼部１１に供給されるべきガスの一部がリサイクルガス流路４０に引き込まれ、燃焼部１１への供給量が変動し、燃焼状態が悪化することを防ぐことができる。これにより、燃焼排ガス中のＣＯガス濃度の増加を抑制したり、燃焼部１１における失火を防止したりすることができる。
【００５７】
（実施例）
次に、実施例について図５を参照して説明する。図５は、実施例に係る燃料電池システム２００の概略構成を示すブロック図である。
【００５８】
図５に示すように、実施例に係る燃料電池システム２００は、改質器２６と、原料供給器１４と、脱硫器２８と、水蒸気供給器３０と、リサイクルガス流路４０と、流通制御器４１と、燃料電池１１０と、燃焼部１１と、制御器５０と、を備える。また、リサイクルガス流路４０には水蒸気凝縮器４２が設けられ、燃焼部１１には点火器２５が設けられた構成となっている。さらにまた、実施例に係る燃料電池システム２００は、酸化剤ガス供給器１２２、排気部１３２、および温度センサ１３３を備える。
【００５９】
すなわち、実施例に係る燃料電池システム２００は、燃料電池１０を備え、さらに酸化剤ガス供給器１２２、排気部１３２、および温度センサ１３３を設けた点で、実施形態に係る燃料電池システム１００と異なる。このため、実施例に係る燃料電池システム２００が備える部材のうち、実施形態に係る燃料電池システム１００と同じ部材には同じ符号を付し、その説明については省略する。
【００６０】
燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池を例示できる。具体的には、燃料電池１０は、水素含有ガスが供給されるアノード１１２と、酸化剤ガスが供給されるカソード１１１とを有し、該アノード１１２と該カソード１１１との間で発電反応を行って発電する燃料電池単セルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成している。なお、燃料電池１０は、直列接続したセルスタックを、さらに並列に接続させた構成としてもよい。
【００６１】
燃料電池１０を構成する燃料電池単セルとしては、例えば、イットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イッテリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池単セルを用いることができる。なお、燃料電池１０は上記した固体酸化物形燃料電池に限定されるものではなく、例えば、固体高分子形燃料電池であってもよい。
【００６２】
また、図５では特に図示していないが、脱硫器２８、改質器２６、燃料電池１１０、および燃焼部１１を一つのモジュール内に組み込んだ構成としてもよい。
【００６３】
酸化剤ガス供給器１２２は、燃料電池１０のカソード１１１に酸化剤ガスを送る。酸化剤ガスとしては、例えば空気でもよい。
【００６４】
排気部１３２は、燃焼部１１で燃焼した排気ガスを大気に排気する。排気部１３２には、排気ガス中に含まれるＣＯ成分を低減するための浄化器が備えられていても良い。
【００６５】
温度センサ１３３は、水蒸気供給器３０の温度を検知するセンサである。この温度センサ１３３で検知された温度に関する情報は制御器５０に送出される。温度センサ１３３の検知結果により水蒸気供給器３０が水を気化させるために必要な温度まで上昇したか否か制御器５０は判定することができる。なお、温度センサ１３３は、水蒸気供給器３０のみならず、燃料電池１１０、改質器２６、脱硫器２８、排気部１３２等にもそれぞれ設けられていてもよい。なおここで、水蒸気供給器３０が水を気化させるために必要な温度とは、水蒸気が流通する経路が、水蒸気が凝縮する温度以上であることを意味する。
【００６６】
（実施例の起動時の制御方法）
次に、上記した実施例に係る燃料電池システム２００の起動時における制御方法について図６を参照して説明する。図６は、実施例に係る燃料電池システム２００の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【００６７】
図６に示す制御方法は、例えば、制御器５０が不図示の記憶装置に記憶されたプログラムを読み出し、実行することで実現できる。
【００６８】
まず、制御器５０は、実施例の燃料電池システム２００の起動を指示する（スタート）。そして、原料供給器１４による原料供給が可能な状態になると、制御器５０からの制御指示に応じて、原料供給器１４が、原料を供給させる（Ｓ３１）。このとき制御器５０は、原料供給開始からの経過時間である原料供給時間に関する情報を不図示の計時部から受け取る。そして、制御器５０は、原料供給時間が所定時間Ｔ１以上となったか否か判定する（ステップＳ３２）。ここで、原料供給時間が所定時間Ｔ１以上となったと判定した場合（ステップＳ３２において「ＹＥＳ」）、制御器５０からに制御指示に応じて、燃焼部１１で点火器２５が燃料電池１０から排出された原料（オフガス）に着火させ（ステップＳ３３）、燃焼させる。このように原料（オフガス）が燃焼して生成された燃焼排ガスは、排気部１３２を経由して系外に排出される。
【００６９】
なお、ステップＳ３２における判定に用いる所定時間Ｔ１は、原料供給器１４から燃料電池１１０のアノード１１２の下流側の端部までの流路を、供給された原料で置換するのに必要な時間として設定された値である。
【００７０】
ステップＳ３３において燃焼部１１で原料（オフガス）が燃焼されると、この燃焼により生じた燃焼排ガスの有する熱により燃料電池システム２００が備える、例えば、水蒸気供給器３０、脱硫器２８、改質器２６、燃料電池１１０等が加熱される。
【００７１】
次に制御器５０からの制御指示に応じて、流通制御器４１は、閉状態にあるリサイクルガス流路４０を開状態とさせる。これにより、リサイクルガス流路４０内を改質器２６から排出されたガス（原料）の一部がリサイクルガスとして流通しはじめる。すなわち、リサイクルガス流路４０へのリサイクルガスの供給が始まる（Ｓ３４）。
【００７２】
リサイクルガスの供給が始まると、制御器５０は、温度センサ１３３から水蒸気供給器３０の温度に関する情報を受け付け、水蒸気供給器３０の温度が所定温度Ｔ２以上か否か判定する（ステップＳ３５）。ここで、制御器５０が水蒸気供給器３０の温度が所定温度Ｔ２以上となったと判定した場合（ステップＳ３５において「ＹＥＳ」）、水蒸気供給器３０は制御器５０からの制御指示に応じて水蒸気の供給を開始させる（ステップＳ３６）。そして、燃料電池システム２００の起動時における制御処理が終了する（エンド）。
【００７３】
なお、所定温度Ｔ２は、例えば、水を気化させることができる温度である１００℃とすることができる。水蒸気供給器１３０は、上記したように燃焼部１１で生成された燃焼排ガスの有する熱を利用して加熱されてもよい。さらには、水蒸気供給器３０に伝熱ヒータを搭載し、該伝熱ヒータによって加熱される構成としてもよい。
【００７４】
以上のように、実施例に係る燃料電池システム２００では、その起動時において、制御器５０は、オフガスとして燃料電池１０を介して排出された原料を燃焼部１１で燃焼させた後に、水蒸気を供給するように水蒸気供給器３０を制御する。このため、水蒸気の供給を開始する前に改質器２６から排出された原料（オフガス）を燃焼部１１において燃焼させることができる。それゆえ、多量に水分を含む原料を燃焼部１１において燃焼させるような事態を防ぐことができ、燃焼部１１における燃焼状態の悪化を防止することができる。これにより、燃焼排ガス中のＣＯガス濃度の増加を抑制したり、燃焼部１１における失火を防止したりすることができる。
【００７５】
（実施例の変形例）
次に、上述の実施例の変形例について説明する。なお、実施例の変形例に係る燃料電池システム２００の構成は実施例に係る燃料電池システム２００の構成と同じであるため、各部材には同じ符号を付し、それぞれの説明については省略する。
【００７６】
（実施例の変形例の起動時の制御方法）
以下、図７を参照しつつ、実施例の変形例に係る燃料電池システム２００の起動時における制御方法について説明する。図７は、実施例の変形例に係る燃料電池システム２００の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【００７７】
図７に示す制御方法は、制御器５０が不図示の記憶装置に記憶されたプログラムを読み出し、実行することで実現できる。
【００７８】
まず、制御器５０は、実施例の変形例に係る燃料電池システム２００の起動を指示する（スタート）。そして、原料供給器１４による原料供給が可能な状態になると、制御器５０からの制御指示に応じて、原料供給器１４が、原料を供給させる（Ｓ４１）。このとき制御器５０は原料供給時間に関する情報を不図示の計時部から受け取る。そして、制御器５０は、原料供給時間が所定時間Ｔ１以上となったか否か判定する（ステップＳ４２）。ここで、制御器５０は、原料供給時間が所定時間Ｔ１以上となったと判定した場合（ステップＳ４２において「ＹＥＳ」）、制御器５０からの制御指示に応じて、流通制御器４１は、閉状態にあるリサイクルガス流路４０を開状態とさせる。これにより、リサイクルガス流路４０内を改質器２６から排出されたガス（原料）の一部がリサイクルガスとして流通しはじめる。すなわち、リサイクルガス流路４０へのリサイクルガスの供給が始まる（Ｓ４３）。
【００７９】
リサイクルガス流路４０へのリサイクルガスの供給が開始されると、制御器５０はリサイクルガスの供給開始からの経過時間であるリサイクルガス供給時間に関する情報を不図示の計時部から受け取る。そして、制御器５０は、リサイクルガス供給時間が所定時間Ｔ３以上となったか否か判定する（ステップＳ４４）。ここで、リサイクルガス供給時間が所定時間Ｔ３以上となったと判定した場合（ステップＳ４４において「ＹＥＳ」）、制御器５０からの制御指示に応じて、燃焼部１１で点火器２５が、燃料電池１０から排出された原料（オフガス）に着火させ（ステップＳ４５）、燃焼させる。このように原料（オフガス）が燃焼して生成された燃焼排ガスは、排気部１３２を経由して系外に排出される。
【００８０】
なお、ステップＳ４４における判定に用いる所定時間Ｔ３は、リサイクルガス流路４０を改質器２６から排出されたガス（原料）の一部が流通し、該リサイクルガス流路４０をこのガスで置換するために必要な時間として設定された値である。
【００８１】
ステップＳ４５において燃焼部１１で原料（オフガス）が着火され、燃焼されると、この燃焼排ガスの有する熱により燃料電池システム２００が備える、例えば、水蒸気供給器３０、脱硫器２８、改質器２６、燃料電池１１０等が加熱される。
【００８２】
そこで、制御器５０は、温度センサ１３３から水蒸気供給器３０の温度に関する情報を受け付け、水蒸気供給器３０の温度が所定温度Ｔ２以上か否か判定する（ステップＳ４６）。ここで、制御器５０が水蒸気供給器３０の温度が所定温度Ｔ２以上となったと判定した場合（ステップＳ４６において「ＹＥＳ」）、水蒸気供給器３０は制御器５０からの制御指示に応じて水蒸気の供給を開始させる（ステップＳ４７）。そして、燃料電池システム２００の起動時における制御処理が終了する（エンド）。
【００８３】
以上のように、実施例の変形例に係る燃料電池システム２００では、その起動時において、制御器５０は、オフガスとして燃料電池１１０を介して排出された原料を燃焼部１１で燃焼させた後に、水蒸気を供給するように水蒸気供給器３０を制御する。このため、水蒸気の供給を開始する前に改質器２６から排出された原料（オフガス）を燃焼部１１において燃焼させることができる。それゆえ、多量に水分を含む原料を燃焼部１１において燃焼させるような事態を防ぐことができ、燃焼部１１における燃焼状態を悪化させることを防止することができる。
【００８４】
さらにまた、制御器５０は、原料を燃焼部１１により燃焼させる前に、改質器２６から排出された原料の一部をリサイクルガス流路４０に流通させるように流通制御器４１を制御している。このため、改質器２６から排出されたガス（原料）によってリサイクルガス流路４０内を満たすことができる。それゆえ、燃焼部１１における燃焼時に、燃焼部１１に供給されるべきガスの一部がリサイクルガス流路４０に引き込まれ、燃焼部１１への供給量が変動し、燃焼状態が悪化してしまうことを防ぐことができる。これにより、燃焼排ガス中のＣＯガス濃度の増加を抑制したり、燃焼部１１における失火を防止したりすることができる。
【００８５】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明燃料電池システムは、水素を生成し、生成された水素を反応させるシステム全般に適用できる。
【符号の説明】
【００８７】
１０    燃料電池
１１    燃焼部
１４    原料供給器
２５    点火器
２６    改質器
２８    脱硫器
３０    水蒸気供給器
４０    リサイクルガス流路
４１    流通制御器
４２    水蒸気凝縮器
５０    制御器
１００    燃料電池システム
１１１    カソード
１１２    アノード
１２２    酸化剤ガス供給器
１３０    水蒸気供給器
１３２    排気部
１３３    温度センサ
２００    燃料電池システム
【図１】
0006604506.tif 000002
【図２】
0006604506.tif 000003
【図３】
0006604506.tif 000004
【図４】
0006604506.tif 000005
【図５】
0006604506.tif 000006
【図６】
0006604506.tif 000007
【図７】
0006604506.tif 000008