(57)【要約】【課題】燃料電池システムの停止時に、アノード内に残留する可燃ガスを空気で置換することにより、窒素設備を不要にし、操作性と利便性に優れた燃料電池システムを提供する。【解決手段】（１）改質触媒を充填した改質部と、（２）前記改質触媒に近接して設けた触媒燃焼部と、（３）前記改質部から流出するガスを変成するための変成触媒を充填した変成部と、（４）前記変成部から流出するガス中のＣＯを除去するためのＣＯ除去触媒を充填したＣＯ除去部と、（５）前記改質部に炭化水素燃料を供給するための燃料供給部と、（６）前記改質部に水を供給するための水供給部と、（７）前記改質部および／または前記ＣＯ除去部に空気を供給するための改質部側空気供給部と、（８）前記ＣＯ除去部から流出する水素リッチガスを燃料として利用する燃料電池と、（９）前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスの全部または一部を空気で置換するアノード残留ガス置換手段とを有する燃料電池システム。【選択図】　　　　図１
2004146084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）燃料電池と、（２）前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスの全部または一部を空気で置換するアノード残留ガス置換手段とを有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノード残留ガス置換手段が、（ｉ）前記燃料電池のアノードに空気を供給するためのアノード側空気供給部、および（ｉｉ）前記アノード側空気供給部から前記アノードに供給する空気量を制御することにより、前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスを、水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換するアノード側空気制御部からなる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
（１）改質触媒を充填した改質部と、（２）前記改質触媒に近接して設けた触媒燃焼部と、（３）前記改質部から流出するガスを変成するための変成触媒を充填した変成部と、（４）前記変成部から流出するガス中のＣＯを除去するためのＣＯ除去触媒を充填したＣＯ除去部と、（５）前記改質部に炭化水素燃料を供給するための燃料供給部と、（６）前記改質部に水を供給するための水供給部と、（７）前記改質部および／または前記ＣＯ除去部に空気を供給するための改質部側空気供給部と、（８）前記ＣＯ除去部から流出する水素リッチガスを燃料として利用する燃料電池と、（９）前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスの全部または一部を空気で置換するアノード残留ガス置換手段とを有する燃料電池システム。
【請求項４】
前記アノード残留ガス置換手段が、（ｉ）前記燃料電池のアノードに空気を供給するためのアノード側空気供給部、（ｉｉ）前記アノード側空気供給部から前記アノードに供給される空気量を制御することにより、前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスを、水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換するアノード側空気制御部からなる請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アノード残留ガス置換手段が、前記燃料供給部から供給される炭化水素燃料量および／または前記改質部側空気供給部から供給される空気量を制御することにより、前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスを、水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換する原料制御部からなる請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と、前記燃料電池のアノードに空気を供給するためのアノード側空気供給部からなる燃料電池システムの停止方法であって、
（ａ）前記燃料電池のアノードへの水素リッチガスの供給を停止する工程、および
（ｂ）前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスが水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換されるように制御しながら、前記アノード側空気供給部から前記アノードに空気を供給する工程を有する燃料電池システムの停止方法。
【請求項７】
前記工程（ｂ）が、前記アノード内での空気の流速が１ｍ／ｓ以下になるように、前記アノード側空気供給部から前記アノードに空気を供給する工程である請求項６記載の燃料電池システムの停止方法。
【請求項８】
（１）改質触媒を充填した改質部と、（２）前記改質触媒に近接して設けた触媒燃焼部と、（３）前記改質部から流出するガスを変成するための変成触媒を充填した変成部と、（４）前記変成部から流出するガス中のＣＯを除去するためのＣＯ除去触媒を充填したＣＯ除去部と、（５）前記改質部に炭化水素燃料を供給するための燃料供給部と、（６）前記改質部に水を供給するための水供給部と、（７）前記改質部および／または前記ＣＯ除去部に空気を供給するための改質部側空気供給部と、（８）前記ＣＯ除去部から流出する水素リッチガスを燃料として利用する燃料電池とからなる燃料電池システムの停止方法であって、
（ａ）前記水供給部から前記改質部への水の供給を停止する工程、
（ｂ）前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスが水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換されるように、前記燃料供給部から供給される炭化水素燃料量および／または前記改質部側空気供給部から供給される空気量を制御する工程、ならびに
（ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記燃料供給部から前記改質部への燃料の供給、ならびに前記改質部側空気供給部から前記改質部および／または前記ＣＯ除去部への空気の供給を停止する工程を有する燃料電池システムの停止方法。
【請求項９】
前記工程（ｂ）が、前記アノード内でのガスの流速が１ｍ／ｓ以下になるように、前記燃料供給部から供給される炭化水素燃料量および／または前記改質部側空気供給部から供給される空気量を制御する工程である請求項８記載の燃料電池システムの停止方法。
【請求項１０】
前記工程（ｃ）において、前記燃料供給部から前記改質部への燃料の供給を停止した後に、前記改質部側空気供給部から前記改質部および／または前記ＣＯ除去部への空気の供給を停止する請求項８記載の燃料電池システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよびその停止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムについて、図３を参照しながら説明する。図中、矢印は物質の流れ方向を示している。従来の燃料電池システムは、原料ガスから水素リッチガスを発生させる改質部３１０と、改質部３１０を加熱する燃焼部３１１と、改質部３１０の上流に窒素供給管３１３および遮断弁３１４を介して接続された窒素設備３１５と、改質部３１０の下流に水素リッチガス供給路３０１を介して接続された燃料電池３０６とを備えている。燃料電池３０６では、アノード３０６ａに供給される水素と送風器３００からカソード３０６ｂに供給される酸素とを反応させることにより、発電が行われる。燃料電池３０６のアノード３０６ａの下流側は、アノード排出ガス接続管３１２を介して、燃焼部３１１へ接続されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−２５７７６２号公報
【０００４】
一般の燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転停止時には、まず改質部３１０への原料ガスの供給を停止させる。この時、改質部３１０から、水素リッチガス供給路３０１、燃料電池３０６のアノード３０６ａおよびアノード排出ガス接続管３１２を介して燃焼部３１１へ至る経路（以下、循環経路Ｐという。）中に、水素リッチガスが滞留する。水素リッチガスが滞留する循環経路Ｐ内に、大気開放された燃焼部３１１から自然対流によって空気が流入した場合、水素リッチガスが引火するおそれがある。
【０００５】
そこで、燃料電池の運転停止時に遮断弁３１４を開き、窒素設備３１５から窒素供給管３１３を介して、不活性ガスである窒素を循環経路Ｐに供給する。そして、循環経路Ｐに残留する水素リッチガスを窒素でパージする。このような窒素によるパージ操作によって、水素リッチガスへの引火を未然に防止することにより、安全性が確保されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
窒素によるパージ操作は、窒素ボンベ設備が必要であるが、大型システムにおいて専門の運転者が管理し得る状況下では有効である。しかし、家庭用機器等に適用するための小型システムの場合には、窒素ボンベ設備を各家庭に配置することが困難であるため、窒素によるパージ操作の採用は困難である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、空気によるパージ操作を行なうことにより、窒素設備を不要にし、操作性と利便性に優れた燃料電池システムを提供するものである。
すなわち、本発明は、（１）燃料電池と、（２）前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスの全部または一部を空気で置換するアノード残留ガス置換手段とを有する燃料電池システムに関する。
【０００８】
本発明は、また、（１）改質触媒を充填した改質部と、（２）前記改質触媒に近接して設けた触媒燃焼部と、（３）前記改質部から流出するガスを変成するための変成触媒を充填した変成部と、（４）前記変成部から流出するガス中のＣＯ（一酸化炭素）を除去するためのＣＯ除去触媒を充填したＣＯ除去部と、（５）前記改質部に炭化水素燃料を供給するための燃料供給部と、（６）前記改質部に水を供給するための水供給部と、（７）前記改質部および／または前記ＣＯ除去部に空気を供給するための改質部側空気供給部と、（８）前記ＣＯ除去部から流出する水素リッチガスを燃料として利用する燃料電池と、（９）前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスの全部または一部を空気で置換するアノード残留ガス置換手段とを有する燃料電池システムに関する。
【０００９】
前記アノード残留ガス置換手段は、（ｉ）前記燃料電池のアノードに空気を供給するためのアノード側空気供給部、（ｉｉ）前記アノード側空気供給部から前記アノードに供給する空気量を制御することにより、前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスを、水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換するアノード側空気制御部からなることが好ましい。
【００１０】
前記アノード残留ガス置換手段は、あるいは、前記燃料供給部から供給される炭化水素燃料量および／または前記改質部側空気供給部から供給される空気量を制御することにより、前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスを、水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換する原料制御部からなることが好ましい。
【００１１】
前記改質触媒、前記変成触媒および前記ＣＯ除去触媒は、いずれも貴金属からなることが好ましい。前記貴金属は、白金であることが好ましい。前記改質部における前記炭化水素燃料の改質反応は、オートサーマル改質方式であることが好ましい。
【００１２】
本発明は、また、燃料電池と、前記燃料電池のアノードに空気を供給するためのアノード側空気供給部とからなる燃料電池システムの停止方法であって、（ａ）前記燃料電池のアノードへの水素リッチガスの供給を停止する工程、および（ｂ）前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスが水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換されるように制御しながら、前記アノード側空気供給部から前記アノードに空気を供給する工程を有する燃料電池システムの停止方法に関する。前記工程（ｂ）では、前記アノード内での空気の流速が１ｍ／ｓ以下になるように、前記アノード側空気供給部から前記アノードに空気を供給することが好ましい。
【００１３】
本発明は、また、（１）改質触媒を充填した改質部と、（２）前記改質触媒に近接して設けた触媒燃焼部と、（３）前記改質部から流出するガスを変成するための変成触媒を充填した変成部と、（４）前記変成部から流出するガス中のＣＯを除去するためのＣＯ除去触媒を充填したＣＯ除去部と、（５）前記改質部に炭化水素燃料を供給するための燃料供給部と、（６）前記改質部に水を供給するための水供給部と、（７）前記改質部および／または前記ＣＯ除去部に空気を供給するための改質部側空気供給部と、（８）前記ＣＯ除去部から流出する水素リッチガスを燃料として利用する燃料電池とからなる燃料電池システムの停止方法であって、（ａ）前記水供給部から前記改質部への水の供給を停止する工程、（ｂ）前記燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスが水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換されるように、前記燃料供給部から供給される炭化水素燃料量および／または前記改質部側空気供給部から供給される空気量を制御する工程、ならびに（ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記燃料供給部から前記改質部への燃料の供給、ならびに前記改質部側空気供給部から前記改質部および／または前記ＣＯ除去部への空気の供給を停止する工程を有する燃料電池システムの停止方法に関する。
【００１４】
前記工程（ｂ）においては、前記アノード内でのガスの流速が１ｍ／ｓ以下になるように、前記燃料供給部から供給される炭化水素燃料量および／または前記改質部側空気供給部から供給される空気量を制御することが好ましい。
前記工程（ｃ）においては、前記燃料供給部から前記改質部への燃料の供給を停止した後に、前記改質部側空気供給部から前記改質部および／または前記ＣＯ除去部への空気の供給を停止することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１を参照しながら本実施の形態について説明する。図中、矢印は物質の流れ方向を示している。図１の燃料電池システムは、燃料電池１０６と、燃料電池１０６のアノード１０６ａに空気を供給するための送風器１０３とを具備する。アノード１０６ａに水素リッチガスを供給する水素リッチガス供給路１０１上には、三方弁１０４が設けられており、三方弁１０４の一つの入口１０４ａは送風器１０３と接続されている。送風器１０３と三方弁１０４は、燃料電池の運転停止時に、燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスの全部または一部を空気で置換するアノード残留ガス置換手段として機能する。
【００１６】
燃料電池１０６のアノード１０６ａおよびカソード１０６ｂは、それぞれ入口および出口を有している。カソード１０６ｂの入口には、酸化剤となる空気をカソード１０６ｂに送るための送風器１００が接続されている。送風器１００は、三方弁１０４の一つの入口１０４ａに空気を供給するための送風器１０３と兼用してもよい。すなわち、一つの送風器を、三方弁の入口１０４ａおよびカソード１０６ｂの入口の両方にそれぞれの流量を制御する構成で接続することも可能である。一方、アノード１０６ａの入口は、配管１０２を介して三方弁１０４の出口１０４ｃと接続されている。三方弁１０４の他方の入口１０４ｂは、水素リッチガス供給弁１０５と接続されている。水素リッチガス供給弁１０５は、水素リッチガスの供給源と接続されている。
【００１７】
次に、上記燃料電池システムの停止方法について説明する。
まず、水素リッチガス供給弁１０５が閉じられ、燃料電池１０６のアノード１０６ａへの水素リッチガスの供給が停止される。次いで、三方弁１０４の入口１０４ｂを閉じて、三方弁１０４から水素リッチガス供給弁１０５に至る経路を遮断する。そして、三方弁１０４の入口１０４ａを開けて、三方弁１０４から送風器１０３に至る経路を開通させ、送風器１０３から空気をアノード１０６ａに供給する。この操作でアノード１０６ａに導入された空気により、アノード内に残留していた水素リッチガスは、アノード１０６ａの出口から外部に押し出される。
【００１８】
このとき、燃料電池のアノード内において、水素の可燃範囲（水素濃度が４〜７５体積％、残りは空気）のガス領域が部分的に形成されないように、制御しながら空気をアノード１０６ａに供給することが好ましい。例えば、空気をアノードに少しずつ徐々に導入する。その後、送風器１０３による空気の供給を停止し、燃料電池１０６のアノード１０６ａへの空気の供給を停止する。
【００１９】
以上のような構成の燃料電池システムを以上のような動作で停止すれば、パージのための窒素設備が不要となり、省スペース化が可能であり、イニシャルコストおよびランニングコストの安い燃料電池システムを提供することができる。
【００２０】
ここで、停止時におけるアノード１０６ａ内での空気の流速を所定値（０．１ｍ／ｓ、０．２ｍ／ｓ、０．５ｍ／ｓ、０．９ｍ／ｓ、１ｍ／ｓ、１．１ｍ／ｓ、１．２ｍ／ｓ）に設定した場合の燃料電池１０６の停止回数と、燃料電池１０６の運転時における電圧との関係を図４に示す。図４は、停止時におけるアノード１０６ａ内での空気の流速が１ｍ／ｓを超えると、燃料電池の耐久性が低下する傾向があるが、１ｍ／ｓ以下では燃料電池の耐久性に影響がないことを示している。アノード１０６ａ内での空気の流速が１ｍ／ｓを超えると、ガス流路において微少な乱気流が発生し、水素の燃焼が微細な領域で起こり、アノードを劣化させるものと考えられる。
【００２１】
なお、図４は、燃料電池１０６を７０℃に保持し、アノードに６５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスをガス利用率７０％で供給し、カソードに６５℃の露点となるよう加湿・加温した空気をガス利用率４０％で供給して連続運転した場合のデータである。
【００２２】
図４を得るために用いた燃料電池１０６は、以下のようにして作製した。
（ｉ）電解質膜−電極接合体の作製
炭素微粉末（米国キャボット社製のＶＸＣ７２、一次粒子径３０ｎｍ、比表面積２５４ｍ２／ｇ）に平均粒子径約３０Åの白金粒子を担持させた触媒粉末（白金含有量２５重量％）を調製した。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させ、次いで、パーフルオロカーボンスルホン酸のエタノール分散液と混合して、触媒ペーストを得た。パーフルオロカーボンスルホン酸には、式：
2004146084.tif 000003
（式中、５≦ｘ≦１３．５、ｙ≒１０００、ｍ＝１、ｎ＝２である。）
で表されるものを用いた。
【００２３】
一方、厚さ３６０μｍのカーボンペーパ（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）を用意し、これをポリテトラフルオロエチレンの水性分散液（ダイキン工業（株）製のネオフロンＮＤ−１）に含浸し、次いで、乾燥し、４００℃で３０分間加熱して、撥水処理を施した。
次に、炭素微粉末（電気化学工業（株）製のアセチレンブラックＨＳ−１００、一次粒子径５３ｎｍ、比表面積３７ｍ２／ｇ、ＤＢＰ吸油量２００ｃｃ／ｇ）を、ポリテトラフルオロエチレンの水性分散液（ダイキン工業（株）製のネオフロンＮＤ−１）に分散させ、炭素微粉末とポリテトラフルオロエチレンとの混合割合を８７：１３に調製した。これを上述の撥水処理したカーボンペーパに塗布し、乾燥し、全体を４００℃で３０分間加熱して、炭素微粉末層を形成した。
【００２４】
炭素微粉末層の上に、上述の触媒ペーストをスクリーン印刷法で塗布し、触媒層を形成した。触媒層に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ２とした。こうしてカーボンペーパ、炭素微粉末層および触媒層からなる電極を得た。
次いで、電極よりも外寸が一回り大きい水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１２）を、上記の電極一対で挟持し、ホットプレスして、各電極の触媒層側を電解質膜と接合した。こうして電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を完成した。
【００２５】
（ｉｉ）燃料電池の組み立て
上述のＭＥＡを、それぞれガス流路を有する一対の導電性セパレータで挟持し、単電池を構成した。セパレータのガス流路は幅２ｍｍ、深さ１ｍｍとした。単電池を５０セル積層し、積層体の両端部に集電板、絶縁板を順次に配し、一対の端板で全体を挟持した。端板同士は、締結ロッドで固定した。こうして燃料電池を完成した。
なお、ガス流路の幅および／または深さを様々に変化させたこと以外、同様の燃料電池を作製し、上記と同様の耐久性の評価を行った場合にも、図４に示したデータと同様のデータが得られた。
【００２６】
以上のように、アノード１０６ａ内での空気の流速が１ｍ／ｓ以下では、燃料電池１０６の特性が低下したり、水素が燃焼したりすることはなく、安全に燃料電池１０６のアノード１０６ａに残留する水素リッチガスを空気過剰なガスによりパージ可能であることがわかる。従って、アノード内での空気の流速が１ｍ／ｓ以下になるように、アノードに空気を供給することが好ましい。
【００２７】
実施の形態２
図２を参照しながら本実施の形態について説明する。図中、矢印は物質の流れ方向を示している。図２の燃料電池システムは、燃料電池２０６と、燃料電池２０６のアノード２０６ａに空気を供給するための送風器２０３と、原料から水素リッチガスを発生させる水素リッチガス供給部２０５とを具備する。アノード２０６ａに水素リッチガスを供給する水素リッチガス供給路２０１上には三方弁２０４が設けられており、三方弁２０４の一つの入口２０４ａは送風器２０３と接続されている。カソード２０６ｂの入口には、酸化剤となる空気をカソード２０６ｂに送るための送風器２００が接続されている。アノード２０６ａの入口は、配管２０２を介して三方弁２０４の出口２０４ｃと接続されている。三方弁２０４の他方の入口２０４ｂは、水素リッチガス供給路２０１と接続されており、水素リッチガス供給路２０１の上流側は水素リッチガス供給部２０５と接続されている。また、アノード２０６ａの下流側は、アノード排出ガス接続管２１５を介して、触媒燃焼部２１１へ接続されている。
【００２８】
水素リッチガス供給部２０５は、改質触媒を充填した改質部２１０と、改質触媒に近接して設けた触媒燃焼部２１１と、改質部２１０から流出するガスを変成するための変成触媒を充填した変成部２１２と、変成部２１２から流出するガス中のＣＯを除去するためのＣＯ除去触媒を充填したＣＯ除去部２１３と、改質部２１０に炭化水素燃料を供給するための燃料供給部２０７と、改質部２１０に水を供給するための水供給部２０８と、改質部２１０および／またはＣＯ除去部２１３に空気を供給するための空気供給部２０９とを具備する。ＣＯ除去部２１３は、水素リッチガス供給路２０１の上流側と接続されている。ＣＯ除去部２１３に供給された空気はＣＯの選択的酸化反応に用いられる。空気供給部２０９は三方弁２１４の入口２１４ａと接続されており、三方弁２１４の２つの出口２１４ｂおよび２１４ｃは、それぞれＣＯ除去部２１３および改質部２１０と接続されている。
【００２９】
水素リッチガス供給部２０５で水素を発生させる方法には、部分酸化方式と水蒸気改質方式とを併用したオートサーマル方式を採用することが好ましい。部分酸化反応は発熱反応であり、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、オートサーマル方式では、水蒸気改質に必要な熱を部分酸化で発生する熱で補いながら水素生成反応を進行させることができる。
【００３０】
触媒燃焼部２１１は、改質触媒を活性化させるための予熱器であり、電気ヒータ、バーナ等をこれに用いることができる。改質触媒の活性化の開始温度は、用いられる燃料と触媒の種類によって変化する。例えば、白金を主体とした貴金属触媒を用い、メタノール、水素等の燃料を用いる場合、予熱器は必須ではない。一方、天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン等の燃料を燃焼させるためには、触媒を３００℃〜６００℃以上に予熱して活性化しておく必要がある。従って、多種の燃料に対応したシステムを得るためには、触媒燃焼部を設けることが有効である。
【００３１】
送風器２０３と三方弁２０４は、実施の形態１の燃料電池システムと同様に、燃料電池の運転停止時に、燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスの全部または一部を空気で置換するアノード残留ガス置換手段として機能する。ただし、図２の燃料電池システムにおいては、送風器２０３と三方弁２０４は必須ではなく、燃料電池の運転停止時に、燃料供給部２０７から供給される炭化水素燃料量および／または空気供給部２０９から供給される空気量を制御することにより、燃料電池のアノードに残留している水素リッチガスを、水素の可燃範囲より空気過剰な組成のガスに置換することができる。この場合、図２の燃料電池システムには、燃料供給部２０７から供給される炭化水素燃料量および／または空気供給部２０９から供給される空気量を自動的に適切な量に制御する原料制御部を設けることが好ましい。原料制御部には、例えば、ポンプ、ファン等と、バルブ等の流量調整器と、それらの動作を制御する回路等を用いることができる。
【００３２】
燃料電池システムの停止時には、まず水供給部２０８から改質部２１０への水蒸気の供給を停止する。それとほぼ同時に、アノードに流入するガス中の燃料：空気の比率が、水素の燃焼反応の当量比よりも空気過剰になるように、燃料供給部２０７から供給される炭化水素燃料量および／または空気供給部２０９から供給される空気量を調整する。このとき、所定の比率に一挙に切り替えても良いし、徐々に空気過剰側に移行させても良い。
【００３３】
例えば、ＣＯ除去部２１３への空気の供給を停止し、改質部２１０に炭化水素燃料と空気を供給する場合、炭化水素燃料と空気との比率の好ましい範囲は、気化させた炭化水素燃料１に対して空気１．１〜２．５程度（体積比）である。燃料電池システムの停止時に上記のような操作を行えば、水素リッチガス供給部２０５の内部および燃料電池のアノードを流れるガスの組成は、通常の燃焼排ガスと同様の成分となるため、燃料電池システムが停止してもシステム内部に可燃ガスが残ることはなく、安全な状態を保つことができる。ただし、炭化水素燃料と空気との比率は、炭化水素燃料や改質部に充填されている触媒の種類等に応じて適宜調整することが好ましい。
【００３４】
その後、燃料供給部２０７、空気供給部２０９の動作を停止する。このとき、燃料供給部２０７の停止よりも空気供給部２０９の停止を遅らせることにより、システム内を空気で満たすことができる。従って、システムの安全性がさらに向上することになる。
【００３５】
改質部に充填する改質触媒、変成部に充填する変成触媒、ＣＯ除去部に充填するＣＯ除去触媒には、それぞれ貴金属からなる触媒を用いることが好ましい。貴金属は、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム等から適宜選択可能である。例えば、白金は、全ての部位の触媒として用いることができる。また、改質部にはロジウム、ＣＯ除去部にはルテニウムが適している。触媒を担持する担体には、セラミック、耐熱性金属等を用いることができる。担体の形状には、粒状、ペレット状、ハニカム状等がある。通常は、セラミック製のハニカム状担体にウォッシュコート層を形成して、その上に貴金属を担持している。
【００３６】
炭化水素燃料には、天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ　ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　ｇａｓ）、ガソリン、灯油、メタノール等が用いられる。炭化水素燃料は、気体であっても液体であってもよい。液体の燃料を用いるときには、燃料の気化部が必要となるが、燃料を気化させるのに必要な熱としてシステム内の廃熱を用いることにより、システム全体として効率的な運転が可能となる。廃熱には、例えば改質部出口の顕熱、燃料電池のアノード排出ガスの燃焼熱等を用いることができる。水供給部２０７から改質部２１０に供給する水は、通常、気化して水蒸気として利用されるが、水の気化熱にもシステム内の廃熱を用いることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池システムの運転停止時に、窒素等の不活性ガスを必要とせず、システム内に残留する可燃ガスを空気で置換することができるため、本発明は一般家庭等への普及が期待される小型の燃料電池システムに好適である。また、本発明によれば、燃料電池システムの定常状態から停止へのスムーズな移行が可能であるため、安全性に優れ、操作性、利便性にも優れた燃料電池システムの提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】図２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示す模式図である。
【図３】図３は、従来の燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図４】停止時におけるアノード内での空気の流速を所定値に設定した場合の燃料電池の停止回数と、燃料電池の運転時における電圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
１００　送風器
１０１　水素リッチガス供給路
１０２　配管
１０３　送風器
１０４　三方弁
１０４ａ、１０４ｂ　入口
１０４ｃ　出口
１０５　水素リッチガス供給弁
１０６　燃料電池
１０６ａ　アノード
１０６ｂ　カソード
２００　送風器
２０１　水素リッチガス供給路
２０２　配管
２０３　送風器
２０４　三方弁
２０４ａ、２０４ｂ　入口
２０４ｃ　出口
２０５　水素リッチガス供給部
２０６　燃料電池
２０６ａ　アノード
２０６ｂ　カソード
２０７　燃料供給部
２０８　水供給部
２０９　空気供給部
２１０　改質部
２１１　触媒燃焼部
２１２　変成部
２１３　ＣＯ除去部
２１４　三方弁
２１４ａ　入口
２１４ｂ、２１４ｃ　出口
２１５　アノード排出ガス接続管
３００　送風器
３０１　水素リッチガス供給路
３０６　燃料電池
３０６ａ　アノード
３０６ｂ　カソード
３１０　改質部
３１１　燃焼部
３１２　アノード排出ガス接続管
３１３　窒素供給管
３１４　遮断弁
３１５　窒素設備
【図１】
2004146084.tif 000004
【図２】
2004146084.tif 000005
【図３】
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【図４】
2004146084.tif 000007