(57)【要約】【課題】液体燃料を原料に用い簡単な構成で安定し効率よく運転できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】脱硫手段１２０で脱硫した液体燃料１１１Ａの気化手段１３０への供給を中止して稼働停止する際に、可燃性ガス供給手段１８０により可燃性ガスを脱硫手段１２０より下流側に供給させてパージする。これにより、改質触媒の改質効率の低下や冷却時に生じる内圧の低下を防止することができ、安定した効率的な稼動停止時のパージが得られ、燃料電池システム１００を効率的に運転することができる。【選択図】図１
2008108614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を脱硫する脱硫手段と、
この脱硫手段で脱硫した前記液体燃料を気化する気化手段と、
この気化手段で気化された前記液体燃料を改質する改質手段と、
酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、
前記改質手段で改質された前記液体燃料および前記酸素含有気体供給手段によって供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、
前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料の前記気化手段への供給を中止して稼働停止する際に可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給する可燃性ガス供給手段と、
を具備したことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記気化手段は、前記改質手段からの排気により水蒸気を生成する熱交換装置と、この熱交換装置で生成した前記水蒸気を前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料と混合させて気化させる気化器とを備え、
前記可燃性ガス供給手段は、前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料の前記気化手段への供給が中止されると所定時間長で前記可燃性ガスを供給するとともに、この可燃性ガスの所定時間長の供給後の所定時間経過後に前記気化手段における前記熱交換装置から前記気化器への水蒸気の供給を停止させると前記可燃性ガスを再供給する
ことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記可燃性ガス供給手段は、前記気化手段より上流側で前記脱硫手段より下流側に前記可燃性ガスを供給する
ことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記改質手段は、前記気化手段で気化された前記液体燃料を改質するために加熱するバーナを備え、
前記燃料電池に接続され前記燃料電池から流出する流出物を前記バーナへ供給して燃焼させる返送手段を具備した
ことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記バーナは、前記液体燃料を燃焼させて加熱させ、
前記可燃性ガス供給手段は、前記バーナに前記液体燃料を供給する経路にも前記可燃性ガスを供給する
ことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記可燃性ガス供給手段は、前記可燃性ガスとして、都市ガスおよびＬＰＧのうちいずれか一方を供給する
ことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項７】
液体燃料を脱硫手段で脱硫後に気化手段で水蒸気を混合して気化し改質手段で改質した後に燃料電池へ供給して発電させる燃料電池システムにおける運転状態を制御する燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記液体燃料を前記脱硫手段から前記気化手段へ供給する脱硫燃料バルブを備えた脱硫燃料経路、可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給する可燃性ガス供給手段を用い、
前記脱硫燃料バルブを切り替えて前記脱硫手段から前記気化手段への前記液体燃料の供給を遮断する燃料供給遮断工程と、
この燃料供給遮断工程で前記液体燃料の供給を遮断した後に前記可燃性ガス供給手段から前記可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給させる可燃性ガスパージ工程と、を実施する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記可燃性ガスパージ工程は、
前記液体燃料の供給を遮断した後に前記可燃性ガス供給手段から前記可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に所定時間供給させる第１パージ工程と、
この第１パージ工程で前記可燃性ガスを所定時間供給させた後に所定時間経過後に前記可燃性ガス供給手段から前記可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給させる第２パージ工程と、を実施する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に充填された脱硫剤によって液体燃料を脱硫する脱硫器を備えた燃料電池システムおよびその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池へ供給して発電させる燃料電池システムが知られている。これら燃料電池システムとして、システムの起動・停止に際して、改質ガスなどをパージする構成が知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のものは、改質器の運転中に改質ガスの一部を改質ガスラインを介して水素吸蔵合金に導き、水素のみを吸収させ、改質器の停止時に水素吸蔵合金から水素を放出させ、水素ガスラインを介して改質器の上流側に水素を供給し、改質器内の残留燃料および水分をパージし、改質器内に水素を封入する構成が採られている。
特許文献２に記載のものは、改質器系内に水蒸気を流通させて不活性ガスをパージした後、改質器中の改質触媒の温度が改質触媒の酸化温度である３５０〜４００℃以下になった時点で、改質器に空気を導入して改質器系内の水蒸気をパージする構成が採られている。
【特許文献１】特開２０００−２１４３１号公報
【特許文献２】特開２００２−８７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載のような従来の水素ガスでパージする構成では、高価な水素吸蔵合金を用いる特別な構成および運転時・停止時の水素の吸蔵・放出のための圧力制御などの煩雑な制御が必要で、特に家庭用で利用するような場合では、利用の拡大のために小型かつ安価なシステム構成が必要である。
さらに、特許文献２に記載のような空気をパージする構成では、３５０℃以下の温度でも空気中の酸素により改質触媒が徐々に失活するおそれがあり、改質特性が低下して、運転効率が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、このような点に鑑みて、液体燃料を原料に用い安定し効率よく運転できる燃料電池システムおよびその運転制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に記載の燃料電池システムは、液体燃料を脱硫する脱硫手段と、この脱硫手段で脱硫した前記液体燃料を気化する気化手段と、この気化手段で気化された前記液体燃料を改質する改質手段と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記改質手段で改質された前記液体燃料および前記酸素含有気体供給手段によって供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料の前記気化手段への供給を中止して稼働停止する際に可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給する可燃性ガス供給手段と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、脱硫手段により液体燃料を脱硫して気化手段で気化させた後に改質手段で改質し、酸素含有気体供給手段で供給される酸素含有気体と燃料電池で反応させて発電させるシステム構成で、脱硫手段で脱硫した液体燃料の気化手段への供給を中止して稼働停止する際に可燃性ガス供給手段により可燃性ガスを脱硫手段より下流側に供給している。ここで、可燃性ガスとしては、例えば都市ガス、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）、天然ガスなど、家庭用の燃料ガスとして一般的に使用されるいずれかのガスを用いることができる。なお、上記のようなガスに限らず、メタンガスやブタンガスなどの常温常圧で気体であるいずれの燃料ガスであってもよい。
この発明によれば、可燃性ガスを供給することで、脱硫手段より下流側の水蒸気や気化された液体燃料が押し出されて可燃性ガスで満たされる。これにより、改質手段の改質触媒が水蒸気や酸素などに触れることによる改質効率の低下を防止できる。また、水蒸気などが除去されることで、冷却による急激な圧力低下も防止でき、燃料電池システムの負荷を軽減できる。さらに、燃料電池の原料としても利用可能な可燃性ガスにて脱硫手段の下流側をパージするため、脱硫手段の下流側が可燃性ガスにて密封された状態であっても、改質手段や燃料電池などに対する影響がなく、燃料電池システムを良好な状態に維持することができる、したがって、安定した効率的な稼働停止時のパージが得られ、燃料電池システムの効率的な運転を提供できる。
【０００７】
また、本発明では、前記気化手段は、前記改質手段からの排気により水蒸気を生成する熱交換装置と、この熱交換装置で生成した前記水蒸気を前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料と混合させて気化させる気化器とを備え、前記可燃性ガス供給手段は、前記脱硫手段で脱硫した前記液体燃料の前記気化手段への供給が中止されると所定時間長で前記可燃性ガスを供給するとともに、この可燃性ガスの所定時間長の供給後の所定時間経過後に前記気化手段における前記熱交換装置から前記気化器への水蒸気の供給を停止させると前記可燃性ガスを再供給することが好ましい。
この発明によれば、可燃性ガス供給手段は、脱硫手段で脱硫した液体燃料の供給中止後に所定時間長で可燃性ガスを供給させた後、所定時間経過後に可燃性ガスを再供給させる。これにより、液体燃料の供給中止後に可燃性ガスのパージにて液体燃料やこの液体燃料由来のガスなどが改質手段などに残留することによる炭化などの不都合を防止し、可燃性ガスの供給を一旦中断して、例えば液体燃料を改質させるために気化手段で供給する水蒸気を改質手段に供給させることで改質手段を迅速に冷却することができ、改質手段がある程度冷却して水蒸気が水として析出する前となる所定時間経過後に可燃性ガスを再供給し、水蒸気の残留により水として析出して改質特性の低下などの不都合を防止することができ、迅速で効率よく稼働停止ができる。
【０００８】
さらに、本発明では、前記可燃性ガス供給手段は、前記気化手段より上流側で前記脱硫手段より下流側に前記可燃性ガスを供給する構成としている。
この本発明によれば、可燃性ガス供給手段により、気化手段より上流側で脱硫手段より下流側に可燃性ガスを供給させる。これにより、例えば、液相で液体燃料が流通する気化手段より上流側の部分で稼働停止のために液体燃料の供給を遮断した際に液体燃料が残留することが防止され、液体燃料の残留による改質手段の余熱にて炭化するなどの不都合を防止できる。
【０００９】
そして、本発明では、前記改質手段は、前記気化手段で気化された前記液体燃料を改質するために加熱するバーナを備え、前記燃料電池に接続され前記燃料電池から流出する前記流出物を前記バーナへ供給して燃焼させる返送手段を具備することが好ましい。
この本発明によれば、返送手段により、改質手段における気化手段で気化された液体燃料を改質するために加熱するバーナへ、燃料電池に接続され燃料電池から流出する流出物を供給させて燃焼させている。これにより、例えば、液体燃料の供給を中止して可燃性ガスのパージにより燃料電池から流出する流出物である水素ガスや可燃性ガスなどをバーナで燃焼させてエネルギ効率の向上および環境保護を実施することができる。
【００１０】
また、本発明では、前記バーナは、前記液体燃料を燃焼させて加熱させ、前記可燃性ガス供給手段は、前記バーナに前記液体燃料を供給する経路にも前記可燃性ガスを供給することが好ましい。
この発明によれば、改質手段における加熱のためにバーナで燃焼させる液体燃料をバーナへ供給する経路にも、可燃性ガスを供給させる。
このことにより、稼働停止時に液体燃料の供給を停止させてバーナによる加熱を停止させることでバーナへの液体燃料を供給する経路中に残留する液体燃料が改質手段の余熱により炭化するなどの不都合を防止でき、安定した良好な運転が得られる。
【００１１】
さらに、本発明では、前記可燃性ガス供給手段は、前記可燃性ガスとして、都市ガスおよびＬＰＧのうちいずれか一方を供給することが好ましい。
この発明によれば、可燃性ガス供給手段は、可燃性ガスとして、都市ガスおよびＬＰＧのうちいずれか一方を供給している。すなわち、可燃性ガス供給手段は、家庭用ガスとして一般的に利用されている燃料ガスを利用している。これにより、燃料電池システムを家庭用として用いる場合でも、家庭用の燃料ガスを燃料電池システムに導入することができる。したがって、パージ用ガスを貯蓄するボンベなどが不要であり、燃料電池システムの構成を簡単にすることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムの運転制御方法は、液体燃料を脱硫手段で脱硫後に気化手段で水蒸気を混合して気化し改質手段で改質した後に燃料電池へ供給して発電させる燃料電池システムにおける運転状態を制御する燃料電池システムの運転制御方法であって、前記液体燃料を前記脱硫手段から前記気化手段へ供給する脱硫燃料バルブを備えた脱硫燃料経路、可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給する可燃性ガス供給手段を用い、前記脱硫燃料バルブを切り替えて前記脱硫手段から前記気化手段への前記液体燃料の供給を遮断する燃料供給遮断工程と、この燃料供給遮断工程で前記液体燃料の供給を遮断した後に前記可燃性ガス供給手段から前記可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給させる可燃性ガスパージ工程と、を実施することを特徴とする。
この発明によれば、燃料電池システムにおける液体燃料を脱硫手段から気化手段へ供給する脱硫燃料バルブを備えた脱硫燃料経路と、可燃性ガスを脱硫手段より下流側に供給して、前記改質手段から前記気化された液体燃料を下流側に押し流す可燃性ガス供給手段とを用いる。そして、脱硫燃料バルブを切り替えて脱硫手段から気化手段への液体燃料の供給を遮断する燃料供給遮断工程を実施した後に、可燃性ガス供給手段から脱硫手段より下流側に可燃性ガスを供給させて、改質手段から気化された液体燃料を押し流す可燃性ガスパージ工程を実施する。これにより、可燃性ガスが供給されることで、簡単な構成で可燃性ガスによる安定した効率的な稼働停止時のパージが得られ、効率的な運転を提供できる。
【００１３】
そして、本発明では、前記可燃性ガスパージ工程は、前記液体燃料の供給を遮断した後に前記可燃性ガス供給手段から前記可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に所定時間供給させる第１パージ工程と、この第１パージ工程で前記可燃性ガスを所定時間供給させた後に所定時間経過後に前記可燃性ガス供給手段から前記可燃性ガスを前記脱硫手段より下流側に供給させる第２パージ工程と、を実施する構成とすることが好ましい。
この発明によれば、可燃性ガスパージ工程として、液体燃料の供給を遮断した後に可燃性ガス供給手段から脱硫手段より下流側に可燃性ガスを所定時間供給させる第１パージ工程を実施して所定時間経過後に、可燃性ガス供給手段から脱硫手段より下流側に可燃性ガスを再供給させる第２パージ工程を実施する。
これにより、液体燃料の供給中止後に第１パージ工程で可燃性ガスのパージにて液体燃料やこの液体燃料由来のガスなどが改質手段などに残留することによる炭化などの不都合を防止し、可燃性ガスの供給を一旦中断して、例えば液体燃料を改質させるために気化手段で供給する水蒸気を改質手段へ供給させることで改質手段の迅速な冷却が得られ、改質手段がある程度冷却して水蒸気が水として析出する前となるなどの所定時間経過後に第２パージ工程で可燃性ガスを再供給し、水蒸気の残留により水として析出して改質特性の低下などの不都合を防止することができ、迅速で効率よく稼働停止ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の燃料電池システムに係る一実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態では、灯油を利用する燃料電池システムの構成を例示するが、例えば燃料電池に供給する燃料ガスを製造する製造装置などに適用できる。
図１は、本実施の一形態におけ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。
【００１５】
〔燃料電池システムの構成〕
（全体構成）
図１において、１００は、燃料電池システムで、この燃料電池システム１００は、液体燃料を原料として水素を主成分とする燃料ガスに改質し、燃料電池１７０により発電させるシステムである。
この燃料電池システム１００は、液体燃料供給手段１１０と、脱硫手段１２０と、気化手段１３０と、改質手段１４０と、酸素含有気体供給手段１５０と、燃料電池１７０と、可燃性ガス供給手段１８０と、などを備えている。
【００１６】
液体燃料供給手段１１０は、液体燃料貯溜タンク１１１と、液体燃料供給経路１１２と、を備えている。
液体燃料貯溜タンク１１１は、例えば灯油などの液体燃料１１１Ａを流出可能に貯溜する。ここで、液体燃料１１１Ａとしては、灯油に限らず、例えば軽油やナフサなど、各種液体燃料が利用できる。
液体燃料供給経路１１２は、液体燃料貯溜タンク１１１に接続され、液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを流通させる。この液体燃料供給経路１１２は、液体燃料ポンプ１１２Ａおよび燃料供給バルブ１１２Ｂを有し、一端が液体燃料貯溜タンク１１１に接続され他端が脱硫手段１２０に接続された燃料供給管１１２Ｃを備えている。そして、液体燃料供給経路１１２は、液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動により液体燃料貯溜タンク１１１に貯留する液体燃料１１１Ａを脱硫手段１２０へ流通させる。
なお、液体燃料供給手段１１０としては、液体燃料貯溜タンク１１１を備えた構成に限られるものではなく、例えば、別途設けられた液体燃料貯溜タンク１１１に接続されこの液体燃料貯溜タンクに貯留する液体燃料１１１Ａを流通させる液体燃料供給経路１１２のみを備えた構成としてもよい。
【００１７】
脱硫手段１２０は、脱硫器１２１と、バッファタンクと、などを備えている。
脱硫器１２１は、液体燃料貯溜タンク１１１から液体燃料供給経路１１２を介して例えば約３００［ｍｌ／時間］で供給される液体燃料１１１Ａを、液相吸着法により液体燃料１１１Ａ中に含有される硫黄化合物を吸着除去する脱硫処理を実施する。この脱硫器１２１は、図示しない、脱硫剤容器と、脱硫加熱手段と、などを備えている。脱硫剤容器は、内部に脱硫剤が充填された略円筒状に形成され、軸方向の一端に液体燃料供給経路１１２の燃料供給管１１２Ｃの他端が接続され液体燃料１１１Ａが流入される図示しない流入口を有し、軸方向の他端にバッファタンクに接続され脱硫剤と接触して流通する液体燃料１１１Ａを流出させる図示しない流出口を有している。そして、脱硫器１２１は、脱硫剤容器の軸方向が略鉛直方向に沿う状態で、かつ流入口が鉛直方向の下方に向けて開口するとともに流出口が鉛直方向の上方に向けて開口する状態に設置される。すなわち、脱硫器１２１は、脱硫剤容器の下部から液体燃料１１１Ａが流入され、鉛直方向の上方に向けて流通しつつ上部から流出させる状態に設置される。脱硫剤容器の外面に例えば螺旋状に配設された例えばシーズヒータなどの電気ヒータを備え、脱硫剤容器の外面側から流通する液体燃料１１１Ａを例えば２００℃程度に加熱して脱硫処理を促進させる。なお、脱硫器１２１の外面には、電気ヒータとともに脱硫剤容器の外面を被覆して断熱する断熱材が設けられる。また、電気ヒータは、螺旋状に配設する構成に限らず、例えば脱硫剤容器の長手方向に沿って折り返すように配設するなどしてもよい。
バッファタンクは、脱硫器１２１で脱硫処理された液体燃料１１１Ａを一時的に貯留するタンクである。バッファタンクには、貯留する液体燃料１１１Ａの液量を検出する液量センサが設けられている。この液量センサは、バッファタンクに所定量が貯留される状態に、液体燃料供給経路１１２の液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動制御のために液量に関する信号を出力する。そして、このバッファタンクの下部には、脱硫燃料バルブ１２２Ａおよび図示しない脱硫燃料ポンプを有した脱硫燃料経路１２２が接続され、貯留する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを気化手段１３０へ供給可能となっている。また、バッファタンクの上部には、気化した液体燃料１１１Ａを排出、例えば改質手段１４０で燃焼される燃焼ガスとして供給させる図示しない燃焼ガス供給経路が接続されている。
【００１８】
気化手段１３０は、脱硫手段１２０の脱硫燃料経路１２２に接続され、脱硫手段１２０から供給される脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを気化させる。この気化手段１３０は、気化器１３１と、熱交換装置１３２と、給水経路１３３と、などを備えている。
気化器１３１は、脱硫燃料経路１２２に接続され液体燃料１１１Ａが供給されるとともに、熱交換装置１３２に接続され熱交換装置１３２から水蒸気が供給される。そして、気化器１３１は、液体燃料１１１Ａおよび水蒸気を適宜混合して気化、すなわち気化液体燃料を生成させる。この気化器１３１は、改質手段１４０に接続され、水蒸気が混合されて気化した液体燃料１１１Ａである気化液体燃料を改質手段１４０へ供給する。
熱交換装置１３２は、改質手段１４０に接続され、改質手段１４０から排気される排ガスを冷却させるとともに排ガスと熱交換させる水から水蒸気を生成させ、生成した水蒸気を気化器１３１へ供給させる。具体的には、熱交換装置１３２には、純水１３３Ａを貯留する純水タンク１３３Ｂが搬送ポンプ１３３Ｃおよび搬送バルブ１３３Ｄを有した給水経路１３３を介して接続され、純水タンク１３３Ｂから純水１３３Ａが供給される。この純水１３３Ａが改質手段１４０からの排ガスと熱交換されて水蒸気として気化器１３１に供給される。なお、純水タンク１３３Ｂは、蒸留水などの不純物を含まない純水１３３Ａを貯留し、例えば水道水などが浄化されて適宜給水される構成が設けられていてもよい。
【００１９】
改質手段１４０は、気化手段１３０により水蒸気が混合されて気化された気化液体燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する。この改質手段１４０は、改質器１４１と、ＣＯ変成器１４２と、ＣＯ選択酸化器１４３と、などを備えている。
改質器１４１は、内部に図示しないニッケル触媒などの改質触媒および加熱装置としてのバーナ１４１Ａを備えている。バーナ１４１Ａには、液体燃料貯溜タンク１１１に接続され搬送ポンプ１４４Ａを有し液体燃料貯溜タンク１１１に貯留する液体燃料１１１Ａを搬送する燃料搬送経路１４４が接続されている。また、バーナ１４１Ａには、送気ブロワ１４５Ａおよび送気バルブ１４５Ｂを有した送気経路１４５が接続され、送気ブロワ１４５Ａの駆動により燃焼用空気が供給される。さらに、バーナ１４１Ａには、詳細は後述する燃料電池１７０に接続され開閉バルブ１４６Ａを有し燃料電池１７０から排出される流出物である燃料ガスを排出する返送手段としての燃料ガス流通経路１４６が接続されている。そして、バーナ１４１Ａは、送気ブロワ１４５Ａから供給される空気により、燃料搬送経路１４４を介して供給された液体燃料１１１Ａおよび燃料ガス流通経路１４６を介して供給された燃料ガスを燃焼させ、改質器１４１に供給された気化液体燃料を水素リッチの燃料ガスに水蒸気改質する。このバーナ１４１Ａの燃焼による高温の排ガスは、気化手段１３０の熱交換装置１３２に供給され、純水１３３Ａとの熱交換により冷やされて外気中に排気される。
ＣＯ変成器１４２は、改質器１４１から流出する水素リッチの燃料ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を変成する。
ＣＯ選択酸化器１４３は、酸化ブロワ１４３Ａが接続されて空気が供給される。そして、ＣＯ選択酸化器１４３は、供給される空気中の酸素により、ＣＯ変成器１４２で変成されずに残留するＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去する。また、ＣＯ選択酸化器１４３は、燃料ガス供給経路１６３を介して燃料電池１７０に接続されている。この燃料ガス供給経路１６３は、燃料ガスバルブ１６３Ａより上流側の位置で、バイパス経路１６５が接続されている。このバイパス経路１６５は、切替バルブ１６５Ａを有している。そして、バイパス経路１６５は、燃料ガス供給経路１６３を流通する燃料ガスを、燃料ガス供給経路１４６を介して改質器１４１のバーナ１４１Ａへ供給する。
なお、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３は、改質器１４１と一体構成としてもよい。また、これらＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の他、ＣＯを吸着除去するなどの装置を設けるなどしてもよい。
【００２０】
酸素含有気体供給手段１５０は、酸素含有気体として例えば空気を燃料電池１７０へ供給する。
具体的には、酸素含有気体供給手段１５０は、ブロワ１５１と、一端がブロワ１５１に接続され他端が例えば図示しない加湿器などを介して燃料電池１７０に接続された空気供給管１５２と、この空気供給管１５２に設けられた空気バルブ１５３と、を備えている。そして、ブロワ１５１の駆動により、空気供給管１５２を介して加湿器などで適宜加湿された空気を燃料電池１７０へ供給する。
【００２１】
燃料電池１７０は、水素と酸素とを反応させて直流電力を発生させる。この燃料電池１７０は、例えば固体高分子型燃料電池で、正極１７１と、負極１７２と、正極１７１および負極１７２間に配設された図示しない高分子電解質膜と、を備えている。そして、正極１７１側には、適宜加湿された空気が供給される。負極１７２側には、燃料ガスバルブ１６３Ａを有した燃料ガス供給経路１６３を介して改質手段１４０のＣＯ選択酸化器１４３に接続され、改質手段１４０で改質された水素リッチの燃料ガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と空気中の酸素とが反応して水（純水１３３Ａ）が生成されるとともに、正極１７１および負極１７２間に直流電力が発生する。
なお、改質手段１４０から供給される燃料ガスは、適宜加湿器などを介して加湿されて供給してもよい。また、加湿器としては、例えばシステム構成として独立設置したり、燃料電池１７０に内蔵するユニット構成としたりするなど、各種形態で利用できる。
そして、負極１７２側は、上述したように改質器１４１のバーナ１４１Ａに燃料ガス流通経路１４６を介して接続され、余った水素分をバーナ１４１Ａの燃料として供給する。また、正極１７１側には、分離器１７５が接続されている。この分離器１７５には、正極１７１側から反応に利用された空気が供給され、気相分の空気と液相分の水（純水１３３Ａ）とに分離する。なお、分離した空気は、外気に排気される。そして、分離器１７５には、純水タンク１３３Ｂが接続され、分離した水（純水１３３Ａ）を純水タンク１３３Ｂへ供給する。
また、燃料電池１７０には、冷却装置１７７が設けられている。この冷却装置１７７には、燃料電池１７０に付設された熱回収装置１７７Ａが設けられている。この熱回収装置１７７Ａには、冷却水循環ポンプ１７８Ａおよび熱交換器１７８Ｂを備えた冷却水循環経路１７８を介して純水タンク１３３Ｂが接続されている。そして、冷却装置１７７は、冷却水循環ポンプ１７８Ａの駆動により、熱回収装置１７７Ａと純水タンク１３３Ｂとの間で冷却水となる純水１３３Ａを冷却水循環経路１７８で循環させ、発電に伴って発熱する燃料電池１７０を冷却させるとともに熱を回収する。熱交換器１７８Ｂは、循環され熱回収装置１７７Ａで熱を回収した純水１３３Ａと、例えば水道水などと熱交換させる。この熱交換により温められた水道水は、例えばお風呂などの他の設備に直接供給されて有効利用される。なお、水道水との熱交換の他、熱交換により得られる熱から発電させるなど、他の設備などに有効利用してもよい。
【００２２】
可燃性ガス供給手段１８０は、燃料電池システム１００の稼働停止の際に可燃性ガスを供給して可燃性ガスにて燃料電池システム１００内を置換・充填、すなわちパージさせる。この可燃性ガス供給手段１８０は、可燃性ガス供給装置１８１と、脱硫器１８２と、可燃性ガス供給経路１８３と、バーナ用ガス供給経路１８５と、を備えている。
【００２３】
可燃性ガス供給装置１８１は、ガス供給バルブ１８４Ａを有する可燃性ガス経路１８４により脱硫器１８２に接続されており、可燃性ガスとして例えば一般的な家庭用の燃料ガスである都市ガスを脱硫器１８２に供給する。また、可燃性ガス供給装置１８１は、バーナ用ガス供給バルブ１８５Ａを有するバーナ用ガス供給経路１８５により改質器１４１のバーナ１４１Ａに接続されており、可燃性ガスをバーナ１４１Ａに供給する。この燃料ガスとして都市ガスを用いたが、これに限られず、例えばＬＰＧ、天然ガスなど、その他家庭用ガスとして一般的に使用されるものが利用できる。このような燃料ガスを用いる場合、可燃性ガス供給装置１８１を例えば都市ガスを供給するガス管などに直接接続することが可能となる。
脱硫器１８２は、可燃性ガス供給装置１８１から可燃性ガス経路１８４を通って供給される都市ガスの硫黄化合物を吸着除去する脱硫処理を実施する。この脱硫器１８２は、上記した脱硫手段１２０の脱硫器１２１と略同一の構成を備えている。すなわち、脱硫器１８２は、内部に脱硫剤が充填された脱硫剤容器と、この脱硫剤容器の外周に設けられる脱硫加熱手段と、を備え、脱硫加熱手段にて加熱しながら脱硫剤容器中に都市ガスを流通させることで都市ガスの硫黄化合物を除去する。
可燃性ガス供給経路１８３は、脱硫器１８２に接続され、可燃性ガス供給装置１８１から供給されて脱硫器１８２にて硫黄化合物成分が除去された可燃性ガスを流通させ脱硫手段１２０の下流側に供給してパージさせる。具体的には、可燃性ガス供給経路１８３は、可燃性ガスバルブ１８３Ａを有し、上流側が脱硫器１８２に接続された可燃性ガス供給管１８３Ｂを備えている。また、可燃性ガス供給管１８３Ｂの下流側は、下流端が脱硫手段１２０の下流側で気化手段１３０の気化器１３１より上流側、すなわち脱硫燃料経路１２２における脱硫燃料バルブ１２２Ａより下流側に接続されている。さらに、可燃性ガス供給管１８３Ｂには、この可燃性ガス供給管１８３Ｂより下流側に位置して、第２供給管１８３Ｃが接続されている。この第２供給管１８３Ｃは、第２バルブ１８３Ｄを有し、燃料搬送経路１４４における搬送ポンプ１４４Ａより下流側でバーナ１４１Ａより上流側、特に搬送ポンプ１４４Ａの駆動を停止して液体燃料１１１Ａの供給を停止した際に燃料搬送経路１４４中に残留し改質器１４１の熱により液体燃料１１１Ａが気化してしまう位置より上流側に接続されている。
【００２４】
そして、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御する図示しない制御装置を備えている。
この制御装置は、液体燃料１１１Ａの流量制御、脱硫器１２１，１８２の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器１４１のバーナ１４１Ａの燃焼制御、熱交換装置１３２で水蒸気を生成させるための純水１３３Ａの供給量制御や温度管理、発電量の管理、可燃性ガスのパージ処理などを実施する。
【００２５】
〔燃料電池システムの動作〕
次に、上述した燃料電池システム１００における動作について、図面を参照して説明する。
【００２６】
（液体燃料を使用して運転する場合の起動処理）
まず、燃料電池システム１００における動作として、液体燃料を使用して運転する場合の起動時の動作である起動処理について、図２を参照して説明する。
図２は、液体燃料を使用する場合の起動処理の制御動作を示すフローチャートである。
【００２７】
まず、制御装置は、発電要求に関する信号を取得すると、各バルブが閉状態であることを確認、すなわち液体燃料供給経路１１２の燃料供給バルブ１１２Ｂ、脱硫燃料経路１２２の脱硫燃料バルブ１２２Ａ、可燃性ガス供給管１８３Ｂの可燃性ガスバルブ１８３Ａ、可燃性ガス経路１８４のガス供給バルブ１８４Ａ、給水経路１３３の搬送バルブ１３３Ｄ、酸素含有気体供給手段１５０の空気バルブ１５３、送気経路１４５の送気バルブ１４５Ｂ、燃料ガス流通経路１４６の開閉バルブ１４６Ａ、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａ、燃料ガス供給経路１６３の燃料ガスバルブ１６３Ａ、第２供給管１８３Ｃの第２バルブ１８３Ｄ、バーナ用ガス供給経路１８５のバーナ用ガス供給バルブ１８５Ａを閉状態に制御する。なお、発電要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の開始あるいは電力消費の増大などに伴う信号、低下蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
そして、制御装置は、暖気工程を実施する（ステップＳ１０１）。
すなわち、制御装置は、図示しない起動用ヒータを動作させてバーナ１４１Ａを加熱する。また、制御装置は、送気経路１４５の送気バルブ１４５Ｂを開状態にするとともに送気ブロワ１４５Ａを駆動させ、改質器１４１のバーナ１４１Ａに燃焼用空気を供給させる。さらに、制御装置は、冷却水循環経路１７８の冷却水循環ポンプ１７８Ａを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯留する純水１３３Ａを、冷却装置１７７、熱交換器１７８Ｂおよび純水タンク１３３Ｂで循環させる。
【００２８】
このステップＳ１０１における暖気工程の後、制御装置は、バーナ１４１Ａの温度状態を確認する（ステップＳ１０２）。そして、制御装置は、バーナ１４１Ａがある程度の温度、例えば２５０℃以上に暖まったことを認識すると、燃料搬送経路１４４の搬送ポンプ１４４Ａを駆動させ、液体燃料貯溜タンク１１１に貯留する液体燃料１１１Ａをバーナ１４１Ａに供給するとともに、バーナ１４１Ａの図示しない点火器を動作させ、液体燃料１１１Ａを燃焼させて改質器１４１を加熱する。
さらに、制御装置は、バーナ１４１Ａの火炎の温度を検知する。そして、制御装置は、バーナ１４１Ａの火炎検知温度が所定の温度、例えば２７５℃ないし例えば３００℃に達したことを認識すると（ステップＳ１０３）、改質手段１４０の改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の各温度が所定の温度に達したか否かを検出する。例えば、制御装置は、改質器１４１の温度が例えば３００℃以上、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の温度が例えば１２０℃以上に達したか否かを検出する。この後、制御装置は、改質手段１４０がそれぞれ所定の温度に達したことを認識すると（ステップＳ１０４）、改質工程を実施する（ステップＳ１０５）。
【００２９】
すなわち、ステップＳ１０５の改質工程では、制御装置は、給水経路１３３の搬送バルブ１３３Ｄを開状態とするとともに、気化手段１３０の給水経路１３３の搬送ポンプ１３３Ｃを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯留する純水１３３Ａを熱交換装置１３２へ供給する。この純水１３３Ａの供給により、熱交換装置１３２で改質器１４１からの排ガスとの熱交換により水蒸気が生成されて気化器１３１へ供給される。この気化器１３１への水蒸気の供給により、水蒸気が改質手段１４０へ供給され、起動前に改質手段１４０に充填されていた可燃性ガスなどが下流側に押し流される。また、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを開状態にし、押し出された可燃性ガス、および混入する水蒸気がバーナ１４１Ａへ供給される状態に切り替える。
そして、制御装置は、脱硫手段１２０の脱硫燃料経路１２２の脱硫燃料バルブ１２２Ａを開状態とするとともに図示しない脱硫燃料ポンプを駆動させ、脱硫手段１２０のバッファタンクに貯留する脱硫処理された液体燃料１１１Ａを気化手段１３０の気化器１３１へ供給させる。この気化器１３１への液体燃料１１１Ａの供給により、熱交換装置１３２から気化器１３１へ供給される水蒸気と混合されて気化され気化液体燃料として改質手段１４０の改質器１４１へ供給される。
さらに、制御装置は、液体燃料供給経路１１２の燃料供給バルブ１１２Ｂを開状態とするとともに液体燃料ポンプ１１２Ａを駆動させ、液体燃料貯溜タンク１１１に貯留する液体燃料１１１Ａを脱硫手段１２０の脱硫器１２１へ燃料供給管１１２Ｃを介して供給させる。この液体燃料１１１Ａの脱硫器１２１への供給により、液体燃料１１１Ａは、脱硫剤との接触により含有される硫黄化合物が吸着除去され、バッファタンクへ流入される。
さらに、制御装置は、気化器１３１から気化液体燃料として供給され改質手段１４０で改質処理されて流出するガスをバイパス経路１６５を介して改質器１４１のバーナ１４１Ａへ供給する。すなわち、改質手段１４０における気化液体燃料の不安定な改質処理状態で処理された燃料ガスは、改質器１４１の安定加熱のための燃焼に利用される。
【００３０】
このステップＳ１０５における改質工程の後、制御装置は、改質手段１４０における改質処理のための改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の各温度などの条件を確認する（ステップＳ１０６）。すなわち、制御装置は、ＣＯ変成器１４２の温度が例えば２３０℃以上で、かつＣＯ選択酸化器１４３の温度が例えば１５０℃以上であるか否かを確認する。このステップＳ１０６で改質処理の条件が満たされたことを認識すると、酸化ブロワ１４３Ａを駆動させてＣＯ選択酸化器１４３へ空気を供給する。この空気の供給により、ＣＯ変成器１４２で変成されずに残留するＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去させる。
そして、ステップＳ１０６における改質処理条件の確認後、改質手段１４０が安定したか否か、例えば安定する時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、改質手段１４０の安定時間が経過したことを認識すると（ステップＳ１０７）、発電工程（ＯＣＶ工程）を実施する（ステップＳ１０８）。
【００３１】
すなわち、制御装置は、酸素含有気体供給手段１５０の空気バルブ１５３を開状態とするとともにブロワ１５１を駆動させ、適宜加湿された空気を燃料電池１７０の正極１７１へ供給させる。
さらに、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを閉状態とするとともに、燃料ガス供給経路１６３の燃料ガスバルブ１６３Ａを開状態とし、改質手段１４０で改質された水素リッチの燃料ガスを燃料電池１７０の負極１７２へ供給させる。
これら加湿された空気および燃料ガスの供給により、燃料電池１７０では供給された燃料ガスの水素と供給された空気中の酸素とが反応して水（純水１３３Ａ）を生成させるとともに、正極１７１および負極１７２間に直流電力を発生させる。そして、制御装置は、燃料電池１７０で発生する直流電力の電圧を確認し（ステップＳ１０９）、発生した直流電力を制御装置の図示しないインバータを介して交流電力に変換させ、電力負荷へ供給させる（ステップＳ１１０）。具体的には、外部からの商用交流電源を供給する状態から燃料電池システム１００から家庭用電力として供給させる状態に切り替える。
このようにして、所定の電圧で発電されたことを認識することで（ステップＳ１１１）、定常運転処理に移行する（ステップＳ１１２）。すなわち、液体燃料１１１Ａの流量制御、脱硫器１２１の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器１４１のバーナ１４１Ａの燃焼制御、熱交換装置１３２で水蒸気を生成させるための純水１３３Ａの供給量制御や温度管理、発電量の管理など、燃料電池システム１００全体の運転状態を制御する。
【００３２】
（液体燃料を使用して運転する場合の停止処理）
次に、燃料電池システム１００における動作として、液体燃料を使用して運転する場合の停止時の動作である停止処理について、図３を参照して説明する。
図３は、液体燃料を使用する場合の停止処理の制御動作を示すフローチャートである。
【００３３】
まず、制御装置は、停止要求に関する信号を取得すると、停止工程を実施する（ステップＳ２０１）。この停止要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の低下あるいは停止に伴う信号、蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
すなわち、制御装置は、燃料電池１７０で発電している電力負荷への供給を遮断し、例えば商用交流電源を供給する状態に切り替える。また、制御装置の図示しないインバータをオフする。そして、制御装置は、脱硫手段１２０の脱硫燃料経路１２２の脱硫燃料バルブ１２２Ａを閉状態とするとともに図示しない脱硫燃料ポンプの駆動を停止させ、脱硫手段１２０のバッファタンクに貯留する脱硫処理された液体燃料１１１Ａの気化器１３１への供給を遮断する。また、制御装置は、液体燃料供給経路１１２の燃料供給バルブ１１２Ｂを閉状態とするとともに液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動を停止させ、液体燃料貯溜タンク１１１に貯留する液体燃料１１１Ａの脱硫器１２１への供給を停止する。
【００３４】
このステップＳ２０１における停止工程の後、制御装置は、第１パージ工程を実施する（ステップＳ２０２）。
すなわち、制御装置は、可燃性ガス供給経路１８３の可燃性ガスバルブ１８３Ａ、第２供給管１８３Ｃの第２バルブ１８３Ｄ、および可燃性ガス経路１８４のガス供給バルブ１８４Ａを開状態にする。これにより、可燃性ガス供給装置１８１から供給される可燃性ガスが脱硫器１８２にて脱硫処理され、この脱硫処理された可燃性ガスが脱硫手段１２０の下流側に供給される。
詳細には、可燃性ガス供給管１８３Ｂを介して、脱硫燃料経路１２２における脱硫燃料バルブ１２２Ａおよび気化器１３１に可燃性ガスを供給させる。この可燃性ガスの供給により、気化器１３１で水蒸気と混合された可燃性ガスが改質手段１４０へ流入し、改質手段１４０、および燃料電池１７０に残留する気化液体燃料や燃料ガスなどの改質ガスが燃料ガス流通経路１４６を介してバーナ１４１Ａへ押し出されるように流過し、可燃性ガスが改質器１４１、ＣＯ変成器１４２、ＣＯ選択酸化器１４３、および燃料電池の負極１７２に順次流入して置換する状態となる。
また、第２供給管１８３Ｃを介して、燃料搬送経路１４４における搬送ポンプ１４４Ａより下流側に可燃性ガスを供給させる。この可燃性ガスの供給により、燃料搬送経路１４４の搬送ポンプ１４４Ａより下流側に残留する液体燃料１１１Ａがバーナ１４１Ａに押し出されて燃焼される状態となり、可燃性ガスが燃料搬送経路１４４の搬送ポンプ１４４Ａより下流側およびバーナ１４１Ａに順次流入して置換する状態となる。このことにより、余熱により残留する液体燃料１１１Ａの固化、焼き付きなどを防止できる。
【００３５】
そして、制御装置は、可燃性ガスの１回目のパージが完了したか否か、例えば可燃性ガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、所定時間が経過（ステップＳ２０３）、すなわち気化器１３１から燃料電池１７０の負極１７２までに改質ガスや燃料ガスが除去されたことを認識すると、可燃性ガスの供給を中断する。すなわち、制御装置は、可燃性ガス供給経路１８３の可燃性ガスバルブ１８３Ａ、第２バルブ１８３Ｄおよびガス供給バルブ１８４Ａを閉状態とする。
この状態では、改質器１４１は、まだ比較的に高温であることから、熱交換装置１３２で水蒸気が生成されて気化器１３１に供給され、改質手段１４０に流入する状態となっている。すなわち、第１パージ工程でパージした可燃性ガスが水蒸気により押し出されるように、バイパス経路１６５を介してバーナ１４１Ａへ流過し、水蒸気により改質手段１４０から燃料電池１７０の負極１７２がパージされる状態となる。この水蒸気の改質手段１４０への流入により、改質手段１４０、特に改質器１４１の冷却が早まる。なお、この状態では、燃料ガスバルブ１６３Ａを開状態に制御する。
そして、制御装置は、この水蒸気パージが所定時間長で実施されたか否かを判断し、所定時間長の水蒸気パージを実施した旨を認識すると（ステップＳ２０４）、気化手段１３０の給水経路１３３の搬送バルブ１３３Ｄを閉状態とするとともに搬送ポンプ１３３Ｃの駆動を停止させ、熱交換装置１３２への純水１３３Ａの供給を停止させる。この純水１３３Ａの供給停止により、水蒸気の発生が停止され、水蒸気パージが停止される。
【００３６】
この後、制御装置は、２回目の可燃性ガスのパージを実施する。
すなわち、制御装置は、可燃性ガス供給経路１８３の可燃性ガスバルブ１８３Ａ、第２供給管１８３Ｃの第２バルブ１８３Ｄ、および可燃性ガス経路１８４のガス供給バルブ１８４Ａを開状態にする。これにより、可燃性ガス供給管１８３Ｂを介して、脱硫燃料経路１２２における脱硫燃料バルブ１２２Ａおよび気化器１３１に可燃性ガスが供給される。この可燃性ガスの供給により、気化器１３１から燃料電池１７０の負極１７２までにパージされている水蒸気は、押し出されるように燃料ガス流通経路１４６を介してバーナ１４１Ａに流出される。
そして、制御装置は、可燃性ガスの２回目のパージが完了したか否か、例えば可燃性ガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、所定時間が経過（ステップＳ２０５）、すなわち可燃性ガスが改質器１４１にパージされた状態となったことを認識すると、可燃性ガス供給経路１８３の可燃性ガスバルブ１８３Ａ、可燃性ガス経路１８４のガス供給バルブ１８４Ａ、切替バルブ１６５Ａを閉状態にし、可燃性ガスの供給を中止させる。また、制御装置は、燃料ガス供給経路１６３の燃料ガスバルブ１６３Ａを閉状態にして、改質器１４１から燃料電池１７０の負極１７２までを可燃性ガスでパージする。さらに、制御装置は、酸素含有気体供給手段１５０の空気バルブ１５３を閉状態にするとともに、ブロワ１５１の駆動を停止させ、燃料電池１７０の正極１７１への空気の供給を停止させる。そしてさらに、制御装置は、送気経路１４５の送気バルブ１４５Ｂを閉状態にするとともに送気ブロワ１４５Ａの駆動を停止させ、バーナ１４１Ａへの燃焼用空気の供給を停止させ、燃料電池システム１００は稼働停止される。
【００３７】
（可燃性ガスを使用して運転する場合の起動処理）
次に、燃料電池システム１００における動作として、可燃性ガスを使用して運転する場合の起動時の動作である起動処理について、図４を参照して説明する。
図４は、可燃性ガスを使用する場合の起動処理の制御動作を示すフローチャートである。
【００３８】
まず、制御装置は、発電要求に関する信号を取得すると、各バルブが閉状態であることを確認、すなわち液体燃料供給経路１１２の燃料供給バルブ１１２Ｂ、脱硫燃料経路１２２の脱硫燃料バルブ１２２Ａ、可燃性ガス供給管１８３Ｂの可燃性ガスバルブ１８３Ａ、可燃性ガス経路１８４のガス供給バルブ１８４Ａ、給水経路１３３の搬送バルブ１３３Ｄ、酸素含有気体供給手段１５０の空気バルブ１５３、送気経路１４５の送気バルブ１４５Ｂ、燃料ガス流通経路１４６の開閉バルブ１４６Ａ、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａ、燃料ガス供給経路１６３の燃料ガスバルブ１６３Ａ、第２供給管１８３Ｃの第２バルブ１８３Ｄ、バーナ用ガス供給経路１８５のバーナ用ガス供給バルブ１８５Ａを閉状態に制御する。なお、発電要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の開始あるいは電力消費の増大などに伴う信号、低下蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
そして、制御装置は、暖気工程を実施する（ステップＳ３０１）。
すなわち、制御装置は、図示しない起動用ヒータを動作させてバーナ１４１Ａを加熱する。また、制御装置は、送気経路１４５の送気バルブ１４５Ｂを開状態にするとともに送気ブロワ１４５Ａを駆動させ、改質器１４１のバーナ１４１Ａに燃焼用空気を供給させる。さらに、制御装置は、冷却水循環経路１７８の冷却水循環ポンプ１７８Ａを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯留する純水１３３Ａを、冷却装置１７７、熱交換器１７８Ｂおよび純水タンク１３３Ｂで循環させる。
【００３９】
このステップＳ３０１における暖気工程の後、制御装置は、バーナ１４１Ａの温度状態を確認する（ステップＳ３０２）。そして、制御装置は、バーナ１４１Ａがある程度の温度、例えば２５０℃以上に暖まったことを認識すると、バーナ用ガス供給経路１８５のバーナ用ガス供給バルブ１８５Ａを開状態にし、可燃性ガス供給装置１８１から可燃性ガスをバーナ１４１Ａに供給するとともに、バーナ１４１Ａの図示しない点火器を動作させ、可燃性ガスを燃焼させて改質器１４１を加熱する。
さらに、制御装置は、バーナ１４１Ａの火炎の温度を検知する。そして、制御装置は、バーナ１４１Ａの火炎検知温度が所定の温度、例えば２７５℃ないし３００℃に達したことを認識すると（ステップＳ３０３）、改質手段１４０の改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の各温度が所定の温度、例えば改質器の温度が３００℃以上、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の温度が１２０℃以上に達したか否かを検出する。この後、制御装置は、改質手段１４０がそれぞれ所定の温度に達したことを認識すると（ステップＳ３０４）、改質工程を実施する（ステップＳ３０５）。
【００４０】
すなわち、ステップＳ３０５の改質工程では、制御装置は、給水経路１３３の搬送バルブ１３３Ｄを開状態とするとともに、気化手段１３０の給水経路１３３の搬送ポンプ１３３Ｃを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯留する純水１３３Ａを熱交換装置１３２へ供給する。この純水１３３Ａの供給により、熱交換装置１３２で改質器１４１からの排ガスとの熱交換により水蒸気が生成されて気化器１３１へ供給される。この気化器１３１への水蒸気の供給により、水蒸気が改質手段１４０へ供給され、起動前に改質手段１４０に充填されていた可燃性ガスなどが下流側に押し流される。また、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを開状態にし、押し出された可燃性ガス、および混入する水蒸気がバーナ１４１Ａへ供給される状態に切り替える。
そして、制御装置は、可燃性ガス供給手段１８０の可燃性ガス供給経路１８３の可燃性ガスバルブ１８３Ａ、および可燃性ガス経路１８４のガス供給バルブ１８４Ａを開状態とし、可燃性ガス供給装置１８１から可燃性ガスを脱硫器１８２へ可燃性ガス経路１８４を介して供給させる。この可燃性ガスの脱硫器１８２への供給により、可燃性ガスは、脱硫剤との接触により含有される硫黄化合物が吸着除去され、図示しないバッファタンクへ流入される。そして、このバッファタンクから可燃性ガス供給経路１８３および脱硫燃料経路１２２を介して脱硫処理された可燃性ガスが気化器１３１に供給される。
さらに、制御装置は、気化器１３１から供給され改質手段１４０で改質処理されて流出する可燃性ガスをバイパス経路１６５を介して改質器１４１のバーナ１４１Ａへ供給する。すなわち、改質手段１４０における可燃性ガスの不安定な改質処理状態で処理された燃料ガスは、改質器１４１の安定加熱のための燃焼に利用される。
【００４１】
このステップＳ３０５における改質工程の後、制御装置は、改質手段１４０における改質処理のための改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の各温度などの条件を確認する（ステップＳ３０６）。すなわち、制御装置は、ＣＯ変成器１４２の温度が２３０℃以上で、かつＣＯ選択酸化器１４３の温度が１５０℃以上であるか否かを確認する。このステップＳ３０６で改質処理の条件が満たされたことを認識すると、酸化ブロワ１４３Ａを駆動させてＣＯ選択酸化器１４３へ空気を供給する。この空気の供給により、ＣＯ変成器１４２で変成されたＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去させる。
そして、ステップＳ３０６における改質処理条件の確認後、改質手段１４０が安定したか否か、例えば安定する時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、改質手段１４０の安定時間が経過したことを認識すると（ステップＳ３０７）、発電工程（ＯＣＶ工程）を実施する（ステップＳ３０８）。
【００４２】
すなわち、制御装置は、酸素含有気体供給手段１５０の空気バルブ１５３を開状態とするとともにブロワ１５１を駆動させ、適宜加湿された空気を燃料電池１７０の正極１７１へ供給させる。
さらに、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを閉状態とするとともに、燃料ガス供給経路１６３の燃料ガスバルブ１６３Ａを開状態とし、改質手段１４０で改質された水素リッチの燃料ガスを燃料電池１７０の負極１７２へ供給させる。
これら加湿された空気および燃料ガスの供給により、燃料電池１７０では供給された燃料ガスの水素と供給された空気中の酸素とが反応して水（純水１３３Ａ）を生成させるとともに、正極１７１および負極１７２間に直流電力を発生させる。そして、制御装置は、燃料電池１７０で発生する直流電力の電圧を確認し（ステップＳ３０９）、発生した直流電力を制御装置の図示しないインバータを介して交流電力に変換させ、電力負荷へ供給させる（ステップＳ３１０）。具体的には、外部からの商用交流電源を供給する状態から、燃料電池システム１００から家庭用電力として供給させる状態に切り替える。
このようにして、所定の電圧で発電されたことを認識することで（ステップＳ３１１）、定常運転処理に移行する（ステップＳ３１２）。すなわち、可燃性ガスの流量制御、脱硫器１８２の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器１４１のバーナ１４１Ａの燃焼制御、熱交換装置１３２で水蒸気を生成させるための純水１３３Ａの供給量制御や温度管理、発電量の管理など、燃料電池システム１００全体の運転状態を制御する。
【００４３】
（可燃性ガスを使用して運転する場合の停止処理）
次に、燃料電池システム１００における動作として、可燃性ガスを使用して運転する場合の停止時の動作である停止処理について、図５を参照して説明する。
図５は、可燃性ガスを使用する場合の停止処理の制御動作を示すフローチャートである。
【００４４】
まず、制御装置は、停止要求に関する信号を取得すると、停止工程を実施する（ステップＳ４０１）。この停止要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の低下あるいは停止に伴う信号、蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
すなわち、制御装置は、燃料電池１７０で発電している電力負荷への供給を遮断し、例えば商用交流電源を供給する状態に切り替える。また、制御装置の図示しないインバータをオフする。そして、制御装置は、可燃性ガス経路１８４のガス供給バルブ１８４Ａおよび可燃性ガス供給経路１８３の可燃性ガスバルブ１８３Ａを閉状態とし、脱硫器１８２のバッファタンクに貯留する脱硫処理された可燃性ガスの気化器１３１への供給、可燃性ガス供給装置１８１からの可燃性ガスの脱硫器１８２への供給を停止する。また、制御装置は、バーナ用ガス供給経路１８５のバーナ用ガス供給バルブ１８５Ａを閉状態にし、バーナ１４１Ａへの可燃性ガスの供給を停止させる。
【００４５】
このステップＳ４０１における停止工程の後、制御装置は、第１パージ工程を実施する（ステップＳ４０２）。
すなわち、制御装置は、気化器１３１に水蒸気のみを供給させることで、改質器１４１に充填されていた可燃性ガスが水蒸気により押し出されるように、バイパス経路１６５を介してバーナ１４１Ａへ流過し、水蒸気により改質手段１４０から燃料電池１７０の負極１７２がパージされる状態となる。この水蒸気の改質手段１４０への流入により、改質手段１４０、特に改質器１４１の冷却が早まる。
【００４６】
そして、制御装置は、この水蒸気パージが所定時間長で実施されたか否かを判断し、所定時間長の水蒸気パージを実施した旨を認識すると（ステップＳ４０３）、気化手段１３０の給水経路１３３の搬送バルブ１３３Ｄを閉状態とするとともに搬送ポンプ１３３Ｃの駆動を停止させ、熱交換装置１３２への純水１３３Ａの供給を停止させる。この純水１３３Ａの供給停止により、水蒸気の発生が停止され、水蒸気パージが停止される。
【００４７】
この後、制御装置は、可燃性ガスのパージを実施する。
すなわち、制御装置は、可燃性ガス供給経路１８３の可燃性ガスバルブ１８３Ａ、第２供給管１８３Ｃの第２バルブ１８３Ｄ、および可燃性ガス経路１８４のガス供給バルブ１８４Ａを開状態にする。これにより、可燃性ガス供給管１８３Ｂを介して、脱硫燃料経路１２２における脱硫燃料バルブ１２２Ａおよび気化器１３１に可燃性ガスが供給される。この可燃性ガスの供給により、気化器１３１から燃料電池１７０の負極１７２までにパージされている水蒸気は、押し出されるように燃料ガス流通経路１４６を介してバーナ１４１Ａに流出される。
そして、制御装置は、可燃性ガスのパージが完了したか否か、例えば可燃性ガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する。そして、制御装置は、所定時間が経過（ステップＳ４０４）、すなわち可燃性ガスが改質器１４１にパージされた状態となったことを認識すると、可燃性ガス供給経路１８３の可燃性ガスバルブ１８３Ａ、可燃性ガス経路１８４のガス供給バルブ１８４Ａを閉状態にし、可燃性ガスの供給を中止させる。また、制御装置は、燃料ガス供給経路１６３の燃料ガスバルブ１６３Ａを閉状態にして、改質器１４１から燃料電池１７０の負極１７２までを可燃性ガスでパージする。さらに、制御装置は、酸素含有気体供給手段１５０の空気バルブ１５３を閉状態にするとともに、ブロワ１５１の駆動を停止させ、燃料電池１７０の正極１７１への空気の供給を停止させる。そしてさらに、制御装置は、送気経路１４５の送気バルブ１４５Ｂを閉状態にするとともに送気ブロワ１４５Ａの駆動を停止させ、バーナ１４１Ａへの燃焼用空気の供給を停止させ、燃料電池システム１００は稼働停止される。
【００４８】
〔燃料電池システムの作用効果〕
上述したように、上記実施の形態の燃料電池システム１００では、脱硫手段１２０により液体燃料１１１Ａを脱硫して気化手段１３０で気化させた後に改質手段１４０で改質し、酸素含有気体供給手段１５０で供給される空気と燃料電池１７０で反応させて発電させるシステム構成で、脱硫手段１２０で脱硫した液体燃料１１１Ａの気化手段１３０への供給を中止して稼働停止する際に可燃性ガス供給手段１８０により可燃性ガスを脱硫手段１２０より下流側に供給してパージしている。
このため、燃料電池の原料である液体燃料にてパージすることで改質触媒がコートされて触媒可能が発揮できなくなる液体燃料を原料に用いる構成でも、可燃性ガスを改質器にパージさせることで、改質触媒の改質効率の低下や冷却時に生じる内圧の低下を防止することができる。また、可燃性ガスのパージにより、水蒸気も改質手段１４０が除去されるため、ステップＳ１０１の暖気工程において、液化された水蒸気を再び気化するためのエネルギが不要となり、エネルギ効率を良好にできる。したがって、可燃性ガスによる安定した効率的な稼動停止時のパージが得られ、燃料電池システム１００を効率的に運転することができる。
【００４９】
また、可燃性ガス供給手段１８０により、脱硫手段１２０で脱硫した液体燃料１１１Ａの供給中止後に所定時間長で可燃性ガスを供給させる第１パージ工程を実施した後、所定時間経過後に可燃性ガスを再供給させる第２パージ工程を実施している。
このため、液体燃料１１１Ａの供給中止後に可燃性ガスのパージにて液体燃料１１１Ａやこの液体燃料１１１Ａ由来の改質ガスなどが改質手段１４０などに残留することによる炭化、焦げ付き、閉塞などの不都合を防止し、可燃性ガスの供給を一旦中断して、例えば液体燃料１１１Ａを改質させるために気化手段１３０で供給する水蒸気を改質手段１４０に供給させることで改質手段１４０の迅速な冷却が得られ、改質手段１４０がある程度冷却して水蒸気が水として析出する前となるなどの所定時間経過後に可燃性ガスを再供給し、水蒸気の残留により上述したような水として析出して改質特性の低下などの不都合を防止することができ、迅速で効率よく稼働停止ができる。
【００５０】
さらに、可燃性ガス供給手段１８０により、気化手段１３０より上流側で脱硫手段１２０より下流側に可燃性ガスを供給させている。
このため、例えば、液相で液体燃料１１１Ａが脱硫燃料経路１２２を流通する気化手段１３０より上流側の部分で、稼働停止のために液体燃料１１１Ａの供給を遮断した際に液体燃料１１１Ａが残留することを防止でき、改質手段１４０の余熱にて残留する液体燃料１１１Ａが炭化するなどの不都合を防止できる。また、液体燃料１１１Ａの供給を遮断した際でも、可燃性ガスによりバーナ１４１Ａを稼動させることができる。
【００５１】
そして、改質手段１４０における気化手段１３０で気化された液体燃料１１１Ａを改質するために加熱するバーナ１４１Ａへ、燃料電池１７０に接続され燃料電池１７０から流出する流出物を供給させて燃焼させる燃料ガス流通経路１４６が設けられている。
このため、液体燃料１１１Ａの供給を中止して可燃性ガスのパージにより燃料電池１７０から流出する流出物である水素ガスなどをバーナ１４１Ａで燃焼させてエネルギ効率の向上が図れる。
【００５２】
さらに、改質手段１４０における加熱のためにバーナ１４１Ａで燃焼させる液体燃料をバーナ１４１Ａへ供給する燃料搬送経路１４４にも、可燃性ガスを供給させている。
このため、稼働停止時に液体燃料１１１Ａの供給を停止させてバーナ１４１Ａによる加熱を停止させることで、バーナ１４１Ａへ液体燃料１１１Ａを供給する燃料搬送経路１４４中に残留する液体燃料１１１Ａが可燃性ガスにてパージされることとなり、改質手段１４０の余熱により残留する液体燃料１１１Ａの炭化などの不都合を防止でき、安定した良好な運転が得られる。
【００５３】
そして、パージとして、家庭用ガスとして一般的に広く利用されている都市ガスを用いている。
このため、例えば家庭用のシステムとして構築しても、一般家庭にて使用されている都市ガスをそのまま利用することができ、利用の拡大が容易に得られる。また、家庭用の都市ガスを供給するガス管を直接可燃性ガス供給装置１８１に接続することで、パージ用ガスを貯蓄するボンベなどが不要となり、構成を簡単にでき、小型化にも貢献できる。
【００５４】
また、可燃性ガス供給手段１８０は、脱硫器１８２を備え、可燃性ガス供給装置１８１から供給された可燃性ガスを脱硫器１８２にて脱硫処理してから、脱硫手段１２０の下流側に供給している。
このため、パージされる可燃性ガスは硫黄化合物が除去されているため、硫黄化合物による改質触媒の改質効率低下を防止することができる。また、脱硫器１８２があるため、可燃性ガスとして、硫黄化合物が含まれている都市ガスなどの一般的な燃料ガスを利用することができる。
【００５５】
さらに、燃料電池システム１００は、上記ステップＳ１０１ないしステップＳ１１２およびステップＳ２０１ないしステップＳ２０５のように動作させることで、液体燃料を使用して運転ができ、また、上記ステップＳ３０１ないしステップＳ３１２、およびステップＳ４０１ないしステップＳ４０４のように動作させることで、可燃性ガスを使用して運転することができる。このため、例えば、液体燃料１１１Ａの残量が少なくなった場合や、液体燃料１１１Ａの貯蓄がなくなった場合に、可燃性ガスを使用した運転に切り替えることができ、液体燃料１１１Ａがなくなった場合でも継続して燃料電池１７０による発電が実施できる。
【００５６】
また、制御装置にて統括制御している。
このため、温度、流量、バルブの開閉タイミング、ポンプの駆動停止タイミングなど、比較的に容易に制御でき、例えばソフトウェアによるプログラム制御などにて可燃性ガスのパージおよび循環制御の構築も容易で、特に停止・起動が比較的に頻繁に実施される家庭用のシステムとしても、自動制御も容易にできる。
なお、制御装置としては、複数の回路基板にて構成されるなど、１個体の形態に限らず、複数の制御回路がネットワークとして構築されたものなど、各種形態が適用できる。
【００５７】
〔実施の形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。
【００５８】
すなわち、本発明の燃料電池システムとしては、制御装置で統括して運転制御する構成に限らず、例えば脱硫手段１２０や気化手段１３０、改質手段１４０などの構成毎に制御する構成としてもよい。
また、統括制御としてソフトウェアによる信号制御にてバルブの開閉やポンプあるいはブロワの駆動制御を実施する構成としたり、各構成のハードウェアで制御する構成としたりするなど、制御構成としてはいずれの構成が適用できる。
【００５９】
そして、液体燃料１１１Ａを加熱して脱硫する構成としたが、例えば加熱することなく常温で脱硫処理する構成を適用することもできる。このような構成では、バッファタンクなどを省略することができ、加熱のためのエネルギ消費の防止もできる。同様に、可燃性ガスを脱硫する脱硫器１８２においても、加熱することなく常温で脱硫処置する構成としてもよい。
また、液体燃料１１１Ａの気化としては、水蒸気混合のみならず、例えば改質手段１４０からの排ガスとの熱交換により直接的に気化させて別途水蒸気を混合したり、エゼクタを用いたりするなど、各種気化装置を用いることができる。
さらに、改質手段１４０として、改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の構成で説明したが、液体燃料から水素リッチガスを生成させるいずれの構成が適用できる。
また、燃料電池１７０は、固体高分子型に限らず、他の各種構成が適用できる。
【００６０】
そして、可燃性ガス供給経路１８３により、可燃性ガスが脱硫燃料経路１２２に供給される構成を示したが、さらに、改質手段１４０と燃料電池１７０との間にも可燃性ガスを供給する構成としてもよい。
【００６１】
また、燃料電池１７０の負極１７２から排出される排出ガスを再び脱硫燃料経路１２２に供給する構成としてもよい。この場合、この排出ガスに気液分離装置を設けることで、水蒸気を液化させて水を抽出し、純水タンク１３３Ｂに供給する構成としてもよい。この構成では、稼動停止時において、可燃性ガスを脱硫燃料経路１２２に返送して再利用することができるため、可燃性ガスの供給量を減少させることができ、より効率よいパージを実施できる。また、気液分離装置を設けることで、返送する可燃性ガスから水蒸気を除去したドライな可燃性ガスを再利用することができる。よって、第２パージ工程においても、可燃性ガスを再利用することができ、さらに効率よくパージを実施できる。
【００６２】
そして、可燃性ガスのパージとして、例えば第１パージ工程を実施せず、単に水蒸気のみを供給させた後に本発明の可燃性ガスの供給である第２パージ工程を実施させるのみとしてもよい。
なお、この場合には、気化手段１３０より上流側で、改質手段１４０からの余熱が伝わらないようにしたり、滞留する液体燃料１１１Ａを液体燃料貯溜タンク１１１へ返送させたりするなど、残留する液体燃料１１１Ａが炭化するなどの不都合が生じないようにすることが好ましい。
【００６３】
また、可燃性ガス供給手段１８０は、可燃性ガス供給装置１８１からバーナ１４１Ａに可燃性ガスを供給するバーナ用ガス供給経路１８５を備える構成としたが、液体燃料１１１Ａのみ燃料電池システム１００を運転する場合には、バーナ用ガス供給経路１８５が設けられない構成としてもよい。
【００６４】
さらに、停止時に、改質手段１４０から燃料電池１７０の負極１７２までをパージする構成について例示したが、以下のような構成とするなどしてもよい。
例えば、停止時に、改質手段１４０のみをパージする。ここで、改質手段１４０のみをパージする場合、改質器１４１のみをパージしてもよいし、さらにＣＯ変成器１４２やＣＯ選択酸化器１４３をパージしてもよい。そして、改質工程で、燃料ガスバルブ１６３Ａおよび開閉バルブ１４６Ａを閉状態にするとともに、切替バルブ１６５Ａを開状態にして、水蒸気や改質手段１４０に充填されていた可燃性ガスなどを燃料電池１７０の負極１７２に供給せずに、バーナ１４１Ａのみへ供給して燃焼させる。この後、所定時間、例えば可燃性ガスなどが全て燃焼される時間が経過後、燃焼ガスバルブ１６３Ａおよび開閉バルブ１４６Ａを開状態にする構成としてもよい。なお、燃焼させる他、例えば改質手段１４０にて所定の温度に達してＣＯが除去できる状態になるまで別途貯蔵したり、循環させたりするなどしてもよい。
このような改質手段１４０のみをパージする構成にすれば、起動前に改質手段１４０に充填されていた可燃性ガスなどに、ＣＯが含まれている場合であっても、このＣＯが燃料電池１７０の負極１７２に供給されずに、バーナ１４１Ａで燃焼されるので、負極１７２の劣化を防止できる。
【００６５】
さらには、制御装置の制御プログラムとして独立して流通させるなどしてもよい。
【００６６】
その他、本発明の実施における具体的な構造および形状などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、灯油などの液体燃料を原料として発電させる燃料電池システム１００における可燃性ガスの供給によるパージに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施の形態におけ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２】前記実施の形態における液体燃料を使用する場合の起動処理の動作を示すフローチャートである。
【図３】前記実施の形態における液体燃料を使用する場合の停止処理の動作を示すフローチャートである。
【図４】前記実施の形態における可燃性ガスを使用する場合の起動処理の動作を示すフローチャートである。
【図５】前記実施の形態における可燃性ガスを使用する場合の停止処理の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６９】
１００……燃料電池システム
１１１Ａ…液体燃料
１２０……脱硫手段
１２２……脱硫燃料経路
１３０……気化手段
１３１……気化器
１３２……熱交換装置
１４０……改質手段
１４１Ａ…バーナ
１４６……返送手段としての燃料ガス供給経路
１５０……酸素含有気体供給手段
１７０……燃料電池
１８０……可燃性ガス供給手段
【図１】
2008108614.tif 000003
【図２】
2008108614.tif 000004
【図３】
2008108614.tif 000005
【図４】
2008108614.tif 000006
【図５】
2008108614.tif 000007