(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、水蒸気パージのみを行うことにより、コストの上昇を招くことなく簡単な構成にて燃料電池システムを停止する。【解決手段】燃料電池システムは、供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給する制御装置を備えている。制御装置は、燃料電池の運転停止の際に改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃し（ステップ３０２，３０４）、この水蒸気パージの実行中、改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出する（ステップ３０６〜３２６）。【選択図】  図５
2004152540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムの停止方法であって、
前記燃料電池の運転停止の際に前記改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の前記燃料ガスおよび改質ガスを一掃し、水蒸気パージの実行中、前記改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
【請求項２】
請求項１において、前記改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から前記改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から前記水蒸気を生成して該改質部に供給する蒸発部と、前記改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、該一酸化炭素シフト反応部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、前記加熱手段は、前記改質部および蒸発部を加熱するバーナと、前記一酸化炭素シフト反応部を加熱する一酸化炭素シフト反応部用ヒータと前記一酸化炭素選択酸化部を加熱する一酸化炭素選択酸化部用ヒータとから構成されたことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
【請求項３】
供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する改質装置と、前記燃料電池の運転停止の際に前記改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃するパージ手段と、該パージ手段による水蒸気パージの実行中、前記改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出する水蒸気排出手段とを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３において、前記改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から前記改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から前記水蒸気を生成して該改質部に供給する蒸発部と、前記改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、該一酸化炭素シフト反応部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、前記加熱手段は、前記改質部および蒸発部を加熱するバーナと、前記一酸化炭素シフト反応部を加熱する一酸化炭素シフト反応部用ヒータと前記一酸化炭素選択酸化部を加熱する一酸化炭素選択酸化部用ヒータとから構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、前記改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から前記改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から前記水蒸気を生成して該改質部に供給する蒸発部と、前記改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、該一酸化炭素シフト反応部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を別に供給された空気との酸化によってさらに低減して該改質ガスを前記燃料電池に供給する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、前記燃料、水蒸気および空気の改質装置への導入路、および前記改質ガスの導出路にこれら導入出路を遮断する遮断手段を設け、該遮断手段は所定値以上の耐圧性を有することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムの停止方法、およびこの停止方法による燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは燃料電池と改質装置を備えている。燃料電池は供給された水素と酸素との化学反応によって発電するものであり、改質装置は供給された燃料ガス（例えば天然ガス）および水蒸気からいわゆる水素リッチな改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給するものである。このような構成の燃料電池システムの運転時においては、改質装置に燃料ガスと水蒸気が供給されると、水素リッチな改質ガスが生成されこの改質ガスが燃料電池に供給されて、燃料電池が発電する。
【０００３】
一方、燃料電池システムの運転を停止するにあたっては、改質装置に残存する燃料ガス、改質ガスを一掃（パージ）する処理が施され、その後運転が停止される。この一掃処理としては、不活性ガス（例えば窒素ガス）によってパージするもの（特許文献１）、水蒸気によってパージした後、この水蒸気を空気によってパージするもの（特許文献１）、炭化水素ガスによってパージするもの（特許文献２）が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８７０１号公報（第４−７頁、第２図および第４図）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−１８９１６５号公報（第８−１１頁、第１図および第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した不活性ガスによってパージする停止方法においては、この不活性ガスを供給するための装置が別に必要となり、また不活性ガスが高価であるためコスト高になるという問題がある。また、水蒸気によってパージした後、この水蒸気を空気によってパージする停止方法においては、空気でパージするために専用の補機が別に必要となり構造が複雑になるという問題があり、また改質装置に空気で酸化されない高価な触媒を用いる必要があるためコスト高になるという問題がある。さらに、炭化水素ガスによってパージする停止方法においては、改質装置内の温度がある程度下降するまで炭化水素ガスでパージする場合炭素分が析出するという問題があり、また実際には水の供給を継続する必要があるので制御が複雑になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、水蒸気パージのみを行うことにより、コストの上昇を招くことなく簡単な構成にて燃料電池システムを停止する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給する改質装置を備えた燃料電池システムの停止方法であって、燃料電池の運転停止の際に改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃し、水蒸気パージの実行中、改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出することである。
【０００９】
また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、加熱手段は、改質部および蒸発部を加熱するバーナと、一酸化炭素シフト反応部を加熱する一酸化炭素シフト反応部用ヒータと一酸化炭素選択酸化部を加熱する一酸化炭素選択酸化部用ヒータとから構成されたことである。
【００１０】
また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給する改質装置と、燃料電池の運転停止の際に改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃するパージ手段と、このパージ手段による水蒸気パージの実行中、改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出する水蒸気排出手段とを設けたことである。
【００１１】
また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、加熱手段は、改質部および蒸発部を加熱するバーナと、一酸化炭素シフト反応部を加熱する一酸化炭素シフト反応部用ヒータと一酸化炭素選択酸化部を加熱する一酸化炭素選択酸化部用ヒータとから構成されたことである。
【００１２】
また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項３または請求項４において、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、外部から供給された水から水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を別に供給された空気との酸化によってさらに低減してこの改質ガスを燃料電池に供給する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、燃料、水蒸気および空気の改質装置への導入路、および改質ガスの導出路にこれら導入出路を遮断する遮断手段を設け、この遮断手段は所定値以上の耐圧性を有することである。
【００１３】
【発明の作用および効果】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池システムの運転停止の際に改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃し、水蒸気パージの実行中、改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出するので、水蒸気を供給するための別の装置を設けることなく改質装置内をパージすることができる。したがって、コストの上昇を招くことなく簡単な構成にて燃料電池システムを停止することができる。また、改質装置内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置へのダメージを抑制することができる。
【００１４】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、改質装置の改質部はバーナによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出され、蒸発部もバーナによって加熱されるので内部に残存する水が確実に水蒸気化されて外部に排出され、一酸化炭素シフト反応部は一酸化炭素シフト反応部用ヒータによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出され、一酸化炭素選択酸化部は一酸化炭素選択酸化部用ヒータによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出される。これにより、改質装置内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置へのダメージを抑制することができる。
【００１５】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、パージ手段は、燃料電池システムの運転停止の際に改質装置を水蒸気パージすることにより同改質装置内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃し、水蒸気排出手段は、水蒸気パージの実行中、改質装置を加熱手段によって加熱して同改質装置内に残存する水を水蒸気化するとともに同改質装置内に残存する水蒸気を外部に排出するので、水蒸気を供給するための別の装置を設けることなく改質装置内をパージすることができる。したがって、コストの上昇を招くことなく簡単な構成にて燃料電池システムを停止することができる。また、改質装置内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置へのダメージを抑制することができる。
【００１６】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、改質装置の改質部はバーナによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出され、蒸発部もバーナによって加熱されるので内部に残存する水が確実に水蒸気化され、一酸化炭素シフト反応部は一酸化炭素シフト反応部用ヒータによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出され、一酸化炭素選択酸化部は一酸化炭素選択酸化部用ヒータによって加熱されるので内部に水が凝縮されるのを防止するとともに内部の水蒸気は外部に排出される。これにより、改質装置内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置へのダメージを抑制することができる。
【００１７】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、改質装置は、外部から供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して導出する改質部と、この改質部に外部から供給された水から水蒸気を生成して供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を別に供給された空気との酸化によってさらに低減して改質ガスを燃料電池に供給する一酸化炭素選択酸化部とから構成され、上述した燃料、水蒸気および空気の改質装置への導入路、および改質ガスの導出路にこれら導入出路を遮断する遮断手段を設け、この遮断手段は所定値以上の耐圧性を有するので、水蒸気パージをした後しばらくして改質装置内の温度が下降し改質装置内が負圧になっても同改質装置内に空気などの気体が進入するのを防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。
【００１９】
この燃料電池システムは燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成する改質装置２０を備えている。改質装置２０は、図１に示すように、天然ガス、ＬＰＧ、灯油などの燃料を水素ガスに改質する改質部２１と、改質部２１から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２２と、ＣＯシフト部２２から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部２３（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。この改質装置２０により生成された水素ガスいわゆる水素リッチな改質ガスを供給された燃料電池１０は、この水素ガスと酸素ガスとの反応により発電するようになっている。
【００２０】
改質部２１は、触媒２１ａが充填された反応室２１ｂと、この反応室２１ｂに密接して設けられて反応室２１ｂを加熱する加熱室２１ｃと、加熱室２１ｃに高温の燃焼ガスを供給するバーナ２１ｄから構成されている。
【００２１】
反応室２１ｂには燃料供給源Ｓｆ（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に２つの第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、脱硫器４４、第２燃料バルブ４５および熱交換部４６が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置８０により燃料供給管４１を開閉するものであり、燃料ポンプ４３は制御装置８０により燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を吸い込み改質部２１の反応室２１ｂに吐出するものであり、脱硫器４４は燃料中のイオウ分を除去するものであり、熱交換部４６は改質部２１からの高温の水素ガス（改質ガス）との間で熱交換が行われて予熱された燃料を改質部２１の反応室２１ｂに供給するものである。これにより、燃料はイオウ分が除去され予熱されて反応室２１ｂに供給される。
【００２２】
また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と熱交換部４６との間には蒸発器５５に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発器５５から供給された水蒸気が燃料に混合されて改質部２１の反応室２１ｂに供給されている。蒸発器５５には水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は制御装置８０により水タンクＳｗから供給される水を吸い込み蒸発器５５に吐出するものであり、水バルブ５４は制御装置８０により給水管５１を開閉するものである。給水管５１は加熱室２１ｃの外周に巻きつけられており、給水管５１内の流水が加熱室２１ｃにより予熱される。蒸発器５５は供給された予熱された水を内部を通過する排気ガスによって加熱して水蒸気にし、反応室２１ｂに供給するものである。これにより、水は予熱されて蒸発器５５に供給され、水蒸気となって反応室２１ｂに供給される。
【００２３】
反応室２１ｂ内に供給された燃料は、触媒２１ａにより反応室２１ｂ内に供給された水蒸気と反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に反応室２１ｂ内では、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素が水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は熱交換部４６を介してＣＯシフト反応部２２に導出される。なお、触媒２１ａ内には触媒２１ａの温度を検出する温度センサ２１ａ１が設けられている。この検出結果は制御装置８０に送られている。
【００２４】
バーナ２１ｄには第１オフガス供給管７２を介して燃料電池１０が接続されており、燃料電池１０にて反応に使われなかった水素ガス（オフガス）が供給されている。また、バーナ２１ｄには第１オフガス供給管７２、第２改質ガス供給管７７および第１改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２３が接続されており、改質ガスが供給されている。また、バーナ２１ｄには燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８が設けられており、燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃料を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置８０により制御されている。さらにバーナ２１ｄには空気ポンプ６３の上流にて第１空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、オフガス、改質ガスまたは燃焼用燃料を燃焼させるための燃焼用空気が供給されている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みバーナ２１ｄに吐出するものであり制御装置８０により制御されている。
【００２５】
バーナ２１ｄが制御装置８０により着火されると、バーナ２１ｄに供給されたオフガス、改質ガスまたは燃焼用燃料は燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが加熱室２１ｃに供給されて反応室２１ｂが加熱されることにより触媒２１ａが加熱される。加熱室２１ｃを通過した燃焼ガスは排気管８１および蒸発器５５を通って排気ガスとして外部に排気される。なお、蒸発器５５には通過する蒸発器５５内の温度を検出する温度センサ５５ａが設けられている。この検出結果は制御装置８０に送られている。
【００２６】
上述した改質部２１から導出された改質ガスは、熱交換部４６を通ってＣＯシフト部２２に供給される。供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素は、ＣＯシフト部２２内に充填された触媒（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）により水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、改質ガスは前述した一酸化炭素シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減されて導出される。なお、ＣＯシフト部２２内には、充填された触媒を加熱する一酸化炭素シフト反応部用ヒータ２２ａが設けられている。このヒータ２２ａは制御装置８０によって制御されている。
【００２７】
ＣＯシフト部２２から導出された一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、ＣＯ選択酸化部２３に供給される。一方、ＣＯ選択酸化部２３には、空気供給源Ｓａに接続された第１空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａ（例えば大気）から空気が供給されている。第１空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものであり、空気ポンプ６３は制御装置８０により空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２３に吐出するものであり、空気バルブ６４は制御装置８０により第１空気供給管６１を開閉するものである。これにより、空気がＣＯ選択酸化部２３に供給される。
【００２８】
ＣＯ選択酸化部２３に供給された改質ガスに残留している一酸化炭素は、ＣＯ選択酸化部２３に充填された触媒（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）により上述のように供給された空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出される。なお、ＣＯ選択酸化部２３内には、充填された触媒を加熱する一酸化炭素選択酸化部用ヒータ２３ａが設けられている。このヒータ２３ａは制御装置８０によって制御されている。また、ＣＯ選択酸化部２３には充填された触媒の温度を検出する温度センサ２３ｂが設けられている。この検出結果は制御装置８０に送られている。
【００２９】
ＣＯ選択酸化部２３は第１改質ガス供給管７１を介して燃料電池１０の燃料極の導入口に接続され、燃料電池１０の燃料極の導出口は第１オフガス供給管７２を介してバーナ２１ｄに接続されている。第１改質ガス供給管７１には第１改質ガスバルブ７３が設けられ、第１オフガス供給管７２には燃料電池１０側から順に第１オフガスバルブ７４、凝縮器７５、第２オフガスバルブ７６が設けられている。また、第１改質ガスバルブ７３の上流にて第１改質ガス供給管７１から分岐した第２改質ガス供給管７７は凝縮器７５内にて第１オフガス供給管７２に合流しており、第２改質ガス供給管７７には第２改質ガスバルブ７８が設けられている。さらに、凝縮器７５と第２オフガスバルブ７６との間にて第１オフガス供給管７２から分岐した第２オフガス供給管７９はオフガスバーナ８２に接続されており、第２オフガス供給管７９には第３オフガスバルブ８３が設けられている。
【００３０】
第１改質ガスバルブ７３、第２改質ガスバルブ７８、第１オフガスバルブ７４、第２オフガスバルブ７６、第３オフガスバルブ８３は制御装置８０により制御されており、起動時にはそれぞれ閉、開、閉、閉、開状態とされてＣＯ選択酸化部２３から導出された改質ガスはオフガスバーナ８２に供給される。一方定常時には、それぞれ開、閉、開、開、閉状態とされてＣＯ選択酸化部２３から導出された改質ガスは燃料電池１０の燃料極に供給され、燃料電池１０の燃料極から導出されたオフガスはバーナ２１ｄに供給される。なお、凝縮器７５は改質ガスまたはオフガス中の水分を凝縮して導出するものである。
【００３１】
オフガスバーナ８２は、起動時に制御装置８０により着火されるとともにＣＯ選択酸化部２３からの改質ガスが供給され、さらに外部から空気も供給され、供給された改質ガスを燃焼して高温の燃焼ガスを排気管８４および熱交換器８５を介して外部に排出するものである。
【００３２】
熱交換器８５においては、起動時には高温の燃焼ガスと、熱交換器８５、燃料電池１０およびラジエータ８６を通過する循環路８７内を循環する水（加熱用水）との間で熱交換が行われて、燃焼ガスは降温され、加熱用水は昇温される。そして、加熱用水によって燃料電池１０が加熱される。一方、定常時には循環路８７内を循環する水（冷却用水）は燃料電池１０との間で熱交換が行われて、燃料電池１０は降温され、冷却水は昇温される。なお、昇温した冷却水はラジエータ８６によって降温される。
【００３３】
燃料電池スタック１０は、定常時にＣＯ選択酸化部２３から一酸化炭素が低減された改質ガスが供給され、さらに外部から第２空気供給管８８を介して空気も供給され、改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとの反応により発電するようになっている。
【００３４】
なお、上述した燃料、水蒸気（または水）および空気の改質装置への導入路（燃料供給管４１、給水管５１、第１空気供給管６１）に同導入路を遮断する遮断手段としての第１および第２燃料バルブ４２，４５、水バルブ５４、空気バルブ６４が設けられ、改質ガスの導出路（第１および第２改質ガス供給管７１，７７、第１および第２オフガス供給管７２，７９）に同導出路を遮断する遮断手段としての第１および第２改質ガスバルブ７３，７８、第１〜第３オフガスバルブ７４，７６，８３が設けられており、これら遮断手段は所定値以上の耐圧性を有している。
【００３５】
また、上述した各温度センサ２１ａ１，２３ｂ，５５ａ、バーナ２１ｄ、オフガスバーナ８２、各バルブ４２，４５，５４，６４，７３，７４，７６，７８，８３、および各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６は制御装置８０に接続されている（図２参照）。制御装置８０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図３〜図５のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの運転および運転停止を行っている。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００３６】
次に、上述した燃料電池システムの作動について図３から図５を参照して説明する。制御装置８０は図示しない起動スイッチがオンされると、図３に示すプログラムを実行する。制御装置８０は、プログラムをステップ１０２に進め、運転開始ルーチンを実行する。すなわち図４に示すプログラムを実行する。具体的には、制御装置８０は、ステップ２０２にて、第１改質ガスバルブ７３を閉じ第２改質ガスバルブ７８を開いてＣＯ選択酸化部２３をオフガスバーナ８２に接続し、第１燃料バルブ４２を開き第２燃料バルブ４５を閉じて燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６を駆動して燃焼用燃料および燃焼空気を改質部２１のバーナ２１ｄに供給してバーナ２１ｄを着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼され、燃焼ガスにより改質部２１内の触媒２１ａおよび蒸発器５５が加熱される。
【００３７】
制御装置８０は、温度センサ５５ａにより蒸発器５５の温度を検出し、この検出した温度が所定温度Ｔｈａ以上となれば、水バルブ５４を開き、水ポンプ５３を駆動させ水タンクＳｗの水を蒸発器５５に供給する（ステップ２０４，２０６）。
【００３８】
制御装置８０は、蒸発器５５の温度が所定温度Ｔｈａ以上となった時点からタイマのカウントを開始し、タイマが所定時間（例えば３分）以上となれば、第２燃料バルブ４５、空気バルブ６４および第３オフガスバルブ８３を開いて燃料ポンプ４３および空気ポンプ６３を駆動させ燃料供給源Ｓｆの燃料を改質部２１の反応室２１ｂに供給する（ステップ２０８，２１０）。これにより、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じる。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２３から導出され、オフガスバーナ８２に供給され燃焼される。
【００３９】
このように改質ガスの生成中において、制御装置８０は、温度センサ２３ｂによりＣＯ選択酸化部２３の触媒の温度を検出し、この検出した温度が所定温度Ｔｈｂ以上となれば、第１改質ガスバルブ７３、第１オフガスバルブ７４および第２オフガスバルブ７６を開き第２改質ガスバルブ７８および第３オフガスバルブ８３を閉じてＣＯ選択酸化部２３を燃料電池１０に接続するとともに燃料電池１０をバーナ２１ｄに接続し、燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６の駆動を停止して起動運転を終了する（ステップ２１２，２１４）。そして、制御装置８０はプログラムをステップ２１６に進めこのルーチンの実行を終了し、図３のプログラムのステップ１０４に進める。
【００４０】
制御装置８０は、ステップ１０４にて燃料ポンプ４３、水ポンプ５３および空気ポンプ６３の駆動を継続させて燃料、水（水蒸気）および空気を改質装置２０に供給することにより改質ガスを燃料電池１０に供給する定常運転を開始する。
【００４１】
制御装置８０は、定常運転中において、停止スイッチ（図示しない）が作業者によって押される、または電力需要がなくなるなどの理由により燃料電池システムによる発電が停止されたと判定すると、判定した時点からタイマＴａをカウント開始し、改質装置２０を所定の待機時間Ｔｗｔ（例えば２０〜３０分）だけ待機状態に維持する（ステップ１０６〜１１６）。待機状態とはバーナ２１ｄにて燃焼させるのに必要な最小限の改質ガスを生成する状態をいう。
【００４２】
制御装置８０は、待機時間Ｔｗｔが経過するまでに、再開スイッチ（図示しない）が作業者によって押される、または電力需要が復活するなどの理由により燃料電池システムによる発電が再開されたと判定すると、改質装置２０の定常運転を再開する（ステップ１１２〜１１４）。また、待機時間Ｔｗｔが経過すると、プログラムをステップ１１８に進め、運転停止ルーチンを実行する。すなわち図５に示すプログラムを実行する。
【００４３】
具体的には、制御装置８０は、ステップ３０２にて、第２燃料バルブ４５を閉じて改質部２１への燃料の供給を停止し、第１改質ガスバルブ７３および第１オフガスバルブ７４を閉じて燃料電池１０への改質ガスの供給を停止し、第３オフガスバルブ８３を閉じ第２オフガスバルブ７６および第２改質ガスバルブ７８を開いてＣＯ選択酸化部２３からの気体（改質ガスも含まれる）をバーナ２１ｄに供給する（ステップ３０２）。これにより、燃料の供給が停止されるとともに、水が蒸発器５５に供給され酸化空気がＣＯ選択酸化部２３に供給される。
【００４４】
この水および空気のみの供給は所定タイマ値（例えば１分）分だけ行われ、これにより、蒸発器５５にて生成された水蒸気は改質装置２０内を流通し、この水蒸気によって改質装置２０内部に残存する燃料、改質ガスが一掃（パージ）される、すなわち改質装置２０において水蒸気パージが開始される（ステップ３０４）。
【００４５】
制御装置８０は、前記所定タイマ値の経過後、水バルブ５４を閉じて蒸発器５５への水の供給を停止するとともに、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱（１５０℃に維持）を開始する（ステップ３０６，３０８）。制御装置８０は、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱開始から所定タイマ値（例えば３分）の経過後、バーナ２１ｄによる燃焼を停止するとともに空気バルブ６４を閉じる（ステップ３１０〜３１４）。これにより、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱開始から前記所定タイマ値の経過までの間には、改質部２１および蒸発器５５は水の供給が停止された状態にてバーナ２１ｄの燃焼により空焚きされるので、蒸発器５５および改質部２１に残存する水は速やかに水蒸気化される。また、ＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３内の各触媒は加熱されているので、これら各触媒に水蒸気が凝縮して水が付着することはない。さらに、蒸発器５５、改質部２１、ＣＯシフト部２２およびＣＯ選択酸化部２３内すなわち改質装置２０内の水蒸気は、その大半が凝縮器７５によって凝縮された後、バーナ２１ｄおよび排気管８１を通って外部へと排出される。これに伴って改質装置２０内に少量ながら残存する燃料、改質ガスが外部に排出される。なお、上記各所定タイマ値は改質装置２０の材料の仕様限界温度を超えないように設定されるのが好ましい。
【００４６】
制御装置８０は、前記所定タイマ値の経過後、タイマＴｂをカウント開始し、タイマＴｂが所定値Ｔ１以上となったら、第２オフガスバルブ７６を閉じて改質装置２０を完全に密封するとともに、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａの加熱を停止する（ステップ３１６，３１８，３２４，３２６）。これをもって上記ステップ３０４から開始された水蒸気パージが終了される。これにより、タイマＴｂのカウントを開始してから所定値Ｔ１の経過までの間には、余熱により水蒸気は第２オフガスバルブ７６、バーナ２１ｄおよび排気管８１を通って外部に排出される。これに伴って改質装置２０内に少量ながら残存する燃料、改質ガスが外部に排出される。したがって、改質装置２０内の燃料、改質ガスの各濃度はさらに小さくなる。
【００４７】
そして、制御装置８０は、プログラムをステップ３２８以降に進め、改質部２１の触媒２１ａの温度Ｔｈａが冷却確認温度Ｔｈｃｌ以下となったら、改質部２１が十分冷却されたとして燃焼空気の供給を停止し、燃料電池システムの運転を停止する（ステップ３２８〜３３２）。そして、制御装置８０はプログラムをステップ３３４に進めこのルーチンの実行を終了し、図３のプログラムのステップ１２０に進め、このプログラムを終了する。なお、制御装置８０は、タイマＴｂが所定値Ｔ１未満のときに、触媒２１ａの温度Ｔｈａが冷却確認温度Ｔｈｃｌ以下となっても改質部２１が十分冷却されたとして燃焼空気の供給を停止する（ステップ３１８〜３２２）。
【００４８】
上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、燃料電池システムの運転停止の際に改質装置２０を水蒸気パージすることにより同改質装置２０内の燃料ガスおよび改質ガスを一掃し（ステップ３０２，３０４）、水蒸気パージの実行中、ＣＯシフト部用ヒータ２２ａとＣＯ選択酸化部用ヒータ２３ａによるＣＯシフト部２２とＣＯ選択酸化部２３の加熱、およびバーナ２１ｄの燃焼による蒸発器５５および改質部２１の加熱によって、改質装置２０内に残存する水を水蒸気化するとともに改質装置２０内に残存する水蒸気を外部に排出するので（ステップ３０６〜３２６）、水蒸気を供給するための別の装置を設けることなく改質装置２０内をパージすることができる。したがって、コストの上昇を招くことなく簡単な構成にて燃料電池システムを停止することができる。また、改質装置２０内からできる限り水蒸気を排出するので、水蒸気の凝縮による改質装置２０へのダメージを抑制することができる。
【００４９】
また、改質装置２０への導入出路に設けた遮断手段としての第１および第２燃料バルブ４２，４５、水バルブ５４、空気バルブ６４、第１および第２改質ガスバルブ７３，７８、第１〜第３オフガスバルブ７４，７６，８３は所定値以上の耐圧性を有しているので、これらバルブによって密封された改質装置２０は、水蒸気パージをした後しばらくして改質装置２０内の温度が下降し改質装置２０内が負圧になっても同改質装置２０内に空気などの気体が進入するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図３】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図４】図３に示したプログラムの運転開始サブルーチンを示すフローチャートである。
【図５】図３に示したプログラムの運転停止サブルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２０…改質装置、２１…改質部、２１ａ１，２３ｂ，５５ａ…温度センサ、２１ｄ…バーナ、２２…ＣＯシフト部、２２ａ…ＣＯシフト部用ヒータ、２３…ＣＯ選択酸化部、２３ａ…ＣＯ選択酸化部用ヒータ、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４５…第２燃料バルブ、熱交換部４６、４８…燃焼用燃料ポンプ、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、５５…蒸発器、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６６…燃焼用空気ポンプ、７３…第１改質ガスバルブ、７４…第１オフガスバルブ、７６…第２オフガスバルブ、７８…第２改質ガスバルブ、８２…オフガスバーナ、８３…第３オフガスバルブ。
【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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