(57)【要約】【課題】  改質装置から導出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度を増加することなく、燃料電池システムを起動運転から通常運転に切替える。【解決手段】  導入側３方バルブの第１乃至第３ポートが改質装置の改質ガス送出口、燃料電池の改質ガス導入口、燃焼部のバーナに夫々接続され、導入側３方バルブは、起動運転時に第１ポートを第３ポートに連通して第２ポートを閉鎖し、起動運転から通常運転への切替え時に第１ポートと第２ポートとの間の連通面積を漸増し、第１ポートと第３ポートとの間の連通面積を漸減し、通常運転時に第１ポートを第２ポートに連通して第３ポートを閉鎖し、運転停止時に各ポート間の連通を全て遮断する。これにより、起動運転から通常運転への切替えにおいて、停止時に負圧になっている燃料電池に改質ガスが急に吸込まれることがなく、改質装置の安定状態を壊すことがない。【選択図】  図１
2005310765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼部で生成される燃焼ガスにより加熱される触媒によって改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口に前記改質装置の改質ガス送出口が接続され、前記アノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口に前記燃焼部が接続された燃料電池システムにおいて、
第１乃至第３ポートが前記改質装置の改質ガス送出口、前記燃料電池の改質ガス導入口、前記燃焼部のバーナに夫々接続された導入側３方バルブを備え、起動運転時に第１ポートを第３ポートに連通して第２ポートを閉鎖し、起動運転から通常運転への切替えにおいて第１ポートと第２ポートとの間の連通面積を漸増し、第１ポートと第３ポートとの間の連通面積を漸減し、通常運転時に第１ポートを第２ポートに連通して第３ポートを閉鎖し、運転停止時に各ポート間の連通を全て遮断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、導出側３方バルブの第１乃至第３ポートが前記燃焼部のバーナ、前記アノードオフガス導出口、前記導入側３方バルブの第３ポートに夫々接続され、前記導出側３方バルブは、起動運転時に第１ポートを第３ポートに連通して第２ポートを閉鎖し、起動運転から通常運転への切替えにおいては第１ポートと第２ポートとの間の連通面積を漸増し、第１ポートと第３ポートとの間の連通面積を漸減し、通常運転においては第１ポートを第２ポートに連通して第３ポートを閉鎖し、運転停止時に各ポート間の連通を全て遮断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１において、前記導入側３方バルブの第３ポートが暖機部を介して前記燃焼部のバーナに接続され、前記アノードオフガス導出口が運転停止時に閉鎖されるバルブを介して前記燃焼部のバーナに接続されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、前記導入側および導出側３方向バルブは、ボール状弁体をアクチュエータで回転させる構成の３方向ボールバルブであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項において、前記導入側および導出側３方向バルブは、電源遮断時に各ポート間の連通を全て遮断する閉止位置に弁体を切替える緊急遮断装置を備えてい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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供給された改質用燃料および水蒸気から改質ガスを生成し、該改質ガスおよび空気を燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、図１に示されるように、燃焼部１１で生成された燃焼ガスによってメタノールと水とを蒸発器１３で加熱して蒸発させ、蒸発したメタノールと水蒸気を改質触媒が充填された改質部３により所謂水素リッチな改質ガスに水蒸気改質し、この改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応部５、選択酸化反応部７（以下、ＣＯ選択酸化部７という。）により低減し、ＣＯ選択酸化部７から改質ガス、圧縮機から空気を燃料電池９に供給して発電し、燃料電池９から導出される余剰改質ガス（以下、アノードオフガスという。）を燃焼部１１に送って燃焼させる燃料電池システムにおいて、ＣＯ選択酸化部７の改質ガス送出口と燃料電池９との間に第１流量制御バルブ１７を設けるとともに、ＣＯ選択酸化部７の改質ガス送出口と燃焼部１１の入口との間を第２流量制御バルブ１９が接続されたバイパス回路１５によりバイパスした燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、通常運転時は、第１流量制御バルブ１７を開き、第２流量制御バルブ１９を閉じて、ＣＯ選択酸化部７から出てくる改質ガスをすべて燃料電池９に送る。しかし、加速時等の負荷が増加する時は、第２流量制御バルブ１９を開いて、燃料電池９への改質ガスの供給量を減少させ、燃料電池からの電力の取出し（発電量）を一時制限し、その分の改質ガスを燃焼部１１にバイパスすることにより、燃焼部１１での発熱量を増加してメタノールと水との蒸発量を増加し、改質装置１の応答性を向上している。
【０００３】
しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池９のアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口と燃焼部１１との間にバルブが設けられていないので、運転終了後に燃焼部１１からの空気が燃料電池９のアノード電極に侵入し、アノード電極を酸化させる可能性がある。このため、図７に示すように、ＣＯ選択酸化部７の改質ガス送出口と燃料電池９との間に第１バルブ２１を設けるとともに、ＣＯ選択酸化部７の送出口と燃焼部１１の流入口との間を第２バルブ２２が接続されたバイパス回路２４によりバイパスし、燃料電池９のアノードオフガス導出口と燃焼部１１との間にバイパス回路２４の接続点より上流側で第３バルブ２３を設けることが行われている。係る従来装置では、起動運転時に第１および第３バルブ２１，２３を閉じて第２バルブ２２を開くことにより、起動時の一酸化炭素の濃度が高い改質ガスを燃料電池９をバイパスさせて燃焼部１１に送り燃焼させている。これにより、起動運転時に改質ガスに含まれる一酸化炭素が燃料電池９のアノード電極を被毒することを防止している。通常運転時には、第１および第３バルブ２１，２３を開き、第２バルブ２２を閉じることにより、改質ガスを燃料電池９に導入している。停止時には、第１乃至第３バルブ２１〜２３を閉じることにより燃焼部１１から燃料電池９、改質装置３に空気が侵入することを遮断し、アノード電極、改質触媒の酸化劣化による耐久性・性能の低下を防止している。
【特許文献１】特開２００１−２３６５９号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図７に示す燃料電池システムでは、停止時には燃料電池９のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口およびアノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口が第１および第３バルブ２１，２３により閉鎖されているので、燃料電池９内の圧力が封入されたガスの冷却により減少している。この状態で第１および第３バルブ２１，２３を閉じ第２バルブ２２を開いて起動運転が開始される。即ち、燃焼用燃料ガスが燃焼部１１のバーナで燃焼され、生成された燃焼ガスが改質部３内の触媒を加熱し、蒸発器１３で水蒸気を生成する。続いて改質用燃料ガスと水蒸気が混合して改質部３に供給され、触媒により水蒸気改質反応、一酸化炭素シフト反応して改質ガスが生成される。改質部３から導出された改質ガスはＣＯシフト部５、ＣＯ選択酸化部７により一酸化炭素ガスを低減される。ＣＯ選択酸化部７から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値より高い起動運転時は、ＣＯ選択酸化部７から送出される改質ガスはバイパス回路２４を通って燃焼部１１で燃焼される。そして、システムが安定状態となりＣＯ選択酸化部７から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値以下に減少したことが、ＣＯ選択酸化部７の触媒温度が所定値以上となったことにより検出されると、第１および第３バルブ２１，２３を開き、第２バルブを閉じて通常運転に移行する。ところが、燃料電池９内の圧力は封入されたガスが停止中に冷却して低下しており、起動運転中のＣＯ選択酸化部７の送出口の圧力より低くなっているので、第１バルブ２１を急に開くとＣＯ選択酸化部７から多量の改質ガスが燃料電池９に吸込まれ、システムの安定状態が壊されてＣＯ選択酸化部７から送出される改質ガスの一酸化炭素ガスの濃度が増大するという問題が生じる。
【０００５】
さらに、図７に示す燃料電池システムで使用されている第１乃至第３バルブ２１〜２３は、弁体を圧縮スプリングのバネ力により弁座に押付けて弁孔を閉鎖してバルブを閉じ、ソレノイドの磁力で弁体をバネ力に抗して弁座から開離させてバルブを開くものであるので、出口側から入口側への閉止性が悪く、停止後にＣＯ選択酸化部７および燃料電池９が冷却して内部圧が負圧になると、出口側に接続された燃焼部１１からの空気が弁体をバネ力に抗して弁座から開離させて第２、第３バルブ２２，２３を通過し、燃料電池９、改質装置１に侵入してアノード電極、改質触媒を酸化させる虞があった。また、通常運転中に第１および第３バルブ２１，２３のソレノイドをバネ力に抗して付勢しなければならず消費電力が多くなる。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、改質装置から導出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度を増加することなく、燃料電池システムを起動運転から通常運転に切替えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、燃焼部で生成される燃焼ガスにより加熱される触媒によって改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口に前記改質装置の改質ガス送出口が接続され、前記アノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口に前記燃焼部が接続された燃料電池システムにおいて、第１乃至第３ポートが前記改質装置の改質ガス送出口、前記燃料電池の改質ガス導入口、前記燃焼部のバーナに夫々接続された導入側３方バルブを備え、起動運転時に第１ポートを第３ポートに連通して第２ポートを閉鎖し、起動運転から通常運転への切替えにおいて第１ポートと第２ポートとの間の連通面積を漸増し、第１ポートと第３ポートとの間の連通面積を漸減し、通常運転時に第１ポートを第２ポートに連通して第３ポートを閉鎖し、運転停止時に各ポート間の連通を全て遮断することである。
【０００８】
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、導出側３方バルブの第１乃至第３ポートが前記燃焼部のバーナ、前記アノードオフガス導出口、前記導入側３方バルブの第３ポートに夫々接続され、前記導出側３方バルブは、起動運転時に第１ポートを第３ポートに連通して第２ポートを閉鎖し、起動運転から通常運転への切替えにおいては第１ポートと第２ポートとの間の連通面積を漸増し、第１ポートと第３ポートとの間の連通面積を漸減し、通常運転においては第１ポートを第２ポートに連通して第３ポートを閉鎖し、運転停止時に各ポート間の連通を全て遮断することである。
【０００９】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記導入側３方バルブの第３ポートが暖機部を介して前記燃焼部のバーナに接続され、前記アノードオフガス導出口が運転停止時に閉鎖されるバルブを介して前記燃焼部のバーナに接続されたことである。
【００１０】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記導入側および導出側３方向バルブは、ボール状弁体をアクチュエータで回転させる構成の３方向ボールバルブであることである。
【００１１】
請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記導入側および導出側３方向バルブは、電源遮断時に各ポート間の連通を全て遮断する閉止位置に弁体を切替える緊急遮断装置を備えていることである。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、起動運転から通常運転に切替えるとき、導入側３方バルブの作動により、改質装置の改質ガス送出口と燃料電池の改質ガス導入口との間の連通面積を漸増し、改質装置の改質ガス送出口と燃焼部のバーナとの間の連通面積を漸減した後に遮断するので、停止時に負圧になっている燃料電池に多量の改質ガスが急に吸込まれることがない。これにより、改質装置から多量の改質ガスが急に燃料電池に吸込まれ、改質装置の安定状態が壊されて改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大し、燃料電池のアノード電極を被毒することが防止できる。さらに、導入側３方バルブを介して改質装置からバーナに送られる改質ガスおよびアノードオフガス導出口からバーナに送られるアノードオフガスの流れが同時に止ることがなく、バーナ失火、または、燃焼の不安定によるエミッションの増加を抑制することができる。
【００１３】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、起動運転から通常運転に切替えるとき、導入側３方バルブの作動により、改質装置の改質ガス送出口と燃料電池の改質ガス導入口との間の連通面積を漸増し、改質装置の改質ガス送出口と導出側３方バルブとの間の連通面積を漸減し、導出側３方バルブの作動により、アノードオフガス導出口と燃焼部のバーナとの間の連通面積を漸増し、導入側３方バルブと燃焼部のバーナとの間の連通面積を漸減した後に遮断するので、停止時に負圧になっている燃料電池に多量の改質ガスが急に吸込まれることがない。これにより、改質装置から多量の改質ガスが急に燃料電池に吸込まれ、改質装置の安定状態が壊されて改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大し、燃料電池のアノード電極を被毒することが防止できる。そして、導入側および導出側３方バルブを介して改質装置から燃焼部のバーナに送られる改質ガスが、アノードオフガス導出口から導出側３方バルブを介してバーナに送られるアノードオフガスに徐々に切替わるので、バーナ失火、または、燃焼の不安定によるエミッションの増加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３に係る発明においては、起動運転時に改質ガスが改質装置から暖機部を介して燃焼部のバーナに送られるので、使用するバルブの個数が少ない簡素な構成により、請求項１に係る発明が奏する効果に加え、温度上昇が必要な部分を起動運転中に容易に昇温させることができる。また、アノードオフガス導出口は運転停止時にバルブにより閉鎖されるので、停止中に空気が燃料電池内に侵入することを防止できる。
【００１５】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、導入側および導出側３方向バルブを構成が簡単な３方向ボールバルブで構成したので、バルブに異物の噛み込みが少なく、燃料電池システムを各運転状態に円滑かつ確実に切替えることができる。また、３方ボールバルブはボール状弁体をアクチュエータで回転させる構成であるので、出口側から入口側への閉止性がよく、停止後に改質装置および燃料電池が冷却して内部圧が負圧になっても、出口側に接続された燃焼部から空気が燃料電池、改質装置に侵入することがなく、アノード電極、改質触媒の酸化を確実に防止することができる。
【００１６】
さらに、３方向ボールバルブは、通常運転時においてボール弁体を所定の回転位相位置に低い消費電力で維持することができ、発電効率を向上することができる。
【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、導入側および導出側３方バルブは、停電などの電源遮断時に緊急遮断装置が各ポート間の連通を全て遮断するので、燃料電池のアノード電極および改質装置の触媒が浸入する空気に触れて酸化することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池１１、および燃料電池１１に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置１２を備えている。燃料電池１１のアノード電極には、改質装置１２から改質ガスが供給され、燃料電池１１のカソード電極には、外部からの空気がエアポンプにより供給され、燃料電池１１において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。
【００１９】
改質装置１２は、天然ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の改質用燃料ガスおよび水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部１３、水ポンプから供給された純水を蒸発させて改質部１３に供給する水蒸気を生成する蒸発器１５、燃焼用燃料ガスと燃焼空気を混合して燃焼させ、改質部１３および蒸発器１５を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼部１４、改質部１３の下部に積層された熱交換部１６、熱交換部１６の下部に積層され改質部１３で生成され熱交換部１６で冷却された改質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。）１７、ＣＯシフト部１７に接続されＣＯシフト部１７から送出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去して送出口から燃料電池１１に供給する一酸化炭素選択酸化部（以下、ＣＯ選択酸化部という。）１８から構成されている。ＣＯ選択酸化部１８の送出口が改質装置１２の改質ガス送出口４６となる。燃料電池１１の改質ガス導入口４７からアノード電極に導入された改質ガスは、カソード電極に導入された空気中の酸素ガスと反応して発電し水になるが、余剰の改質ガスであるアノードオフガスは燃料電池１１のアノードオフガス導出口から燃焼部１４に送られて燃焼される。
【００２０】
改質部１３の触媒が充填された反応室１９は、燃焼部１４の加熱室２０により上部および外周を包囲され、加熱室２０内に設けられたバーナ２１は、ガスポンプにより送られた燃焼用燃料ガスとエアポンプにより送られた燃焼空気を混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは加熱室２０を流れる間に反応室１９の触媒を加熱し、その後に蒸発器１５に流入して純水を蒸発させる。ガスポンプ２２により圧送された改質用燃料ガス、および蒸発器１５で生成された水蒸気が混合されて熱交換部１６に導入され、熱交換部１６で予加熱されて反応室１９に供給され、燃焼ガスによって加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスを生成する。
【００２１】
改質装置１２と燃料電池１１との間に接続された導入側３方バルブ２４の共通ポート３３Ｃは第１ポートして改質装置１２の改質ガス送出口４６に、ポート３４Ａは第２ポートとして燃料電池１１の改質ガス導入口４７に、ポート３４Ｂは第３ポートとしてバイパス路２６に夫々接続されている。バイパス路２６は改質装置１２から送出される改質ガスを燃料電池１１をバイパスして燃焼部１４に送るためのものである。導出側３方バルブ２５の共通ポート３３Ｃは第１ポートとして燃焼部１４に、ポート３４Ａは第２ポートとして燃料電池１１のアノードオフガス導出口に、ポート３４Ｂは第３ポートとしてバイパス路２６に夫々接続されている。
【００２２】
導入側および導出側３方バルブ２４，２５は、図２，３に示すように、ハウジング２７にボール弁体２８が回動可能に嵌合され、ボール弁体２８に突設された弁軸２９が減速機構３０を介してモータ３１に連結されている。ハウジング２７には、ボール弁体２８が嵌合する弁室３２と、一端が弁室３２の底面に開口し他端がハウジング２７の下面に開口する共通ポート３３Ｃと、各一端が弁室３２の側面に互いに直交する方向から開口し各他端がハウジング２７の側面に開口するポート３４Ａ，３４Ｂが形成されている。ボール弁体２８には、ボール弁体２８の下面に開口し共通ポート３３Ｃと常時連通する弁穴３５と、弁穴３５と連通しボール弁体２８の側面に開口してポート３４Ａ，３４Ｂと連通、遮断する弁穴３６が穿設されている。弁軸２９とハウジング２７との間には捩りコイルバネ３７が介在され、ボール弁体２８はモータ３１の無勢状態では捩りコイルバネ３７のバネ力により弁穴３６がポート３４Ａ，３４Ｂと連通しない図４（イ）に示す閉止位置に付勢されている。３方バルブ２４，２５が電源遮断時に各ポート間の連通を全て遮断する閉止位置に切替えられる緊急遮断装置は、捩りコイルバネ３７等により構成されている。ボール弁体２８が減速機構３０を介して捩りコイルバネ３７のバネ力に抗してモータ３１により回動されると、図４（ロ）〜（ニ）に示すように、共通ポート３３Ｃが弁穴３５，３６を介して、ポート３４Ｂと連通するＣ−Ｂ位置、ポート３４Ａ，３４Ｂと連通するＣ−ＡＢ位置、ポート３４Ａと連通するＣ−Ａ位置に順次割出される。
【００２３】
導入側および導出側３方バルブ２４，２５が、ボール弁体２８の回動に応じてＣ−Ｂ位置からＣ−ＡＢ位置を経由してＣ−Ａ位置に切替わるとき、Ｃ−Ｂ位置近傍では共通ポート３３Ｃとポート３４Ａとの間の連通面積は全閉状態から漸増し、共通ポート３３Ｃとポート３４Ｂとの間の連通面積は全開状態から漸減し、Ｃ−ＡＢ位置において両連通面積が等しくなり、Ｃ−Ａ位置では夫々全開、全閉状態となる。これにより、導入側および導出側３方バルブ２４，２５がＣ−Ｂ位置からＣ−Ａ位置に切替わるときのガスの流量特性は、図５に示すように、ボール弁体２８の回動に応じてポート３４Ａを流れるガスの流量ＱＡが、Ｃ−Ｂ位置近傍で漸増し、Ｃ−ＡＢ位置近傍で急増し、Ｃ−Ａ位置近傍で漸増し、ポート３４Ｂを流れるガスの流量ＱＢがＣ−Ｂ位置近傍で漸減し、Ｃ−ＡＢ位置近傍で急減し、Ｃ−Ａ位置近傍で漸減する。Ｃ−ＡＢ位置ではポート３４Ａ，３３Ｂを流れるガスの流量がほぼ等しくなる。
【００２４】
次に、上記実施の形態の作動について説明する。運転停止時には、導入側および導出側３方バルブ２４，２５は捩りコイルバネ３７のバネ力により閉止位置に停止され、燃料電池１１のアノード電極に改質ガスを導入するする改質ガス導入口４７およびアノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口４８が閉鎖され、燃料電池１１および改質装置１２内の圧力が封鎖されたガスの冷却により低下している。この状態で導入側および導出側３方バルブ２４，２５の各ボール弁体２８がモータ３１により捩りコイルバネ３７のバネ力に抗して回動されＣ−Ｂ位置に停止され、改質装置１２の改質ガス送出口４６が導入側３方バルブ２４の共通ポート３３Ｃ、ポート３４Ｂ、バイパス路２６、導出側３方バルブ２５のポート３４Ｂおよび共通ポート３３Ｃを介して燃焼部１４にバイパスされ、起動運転が開始される。
【００２５】
改質装置１２において、燃焼用燃料ガスおよび燃焼空気が燃焼部１４のバーナに供給されて燃焼され、生成された燃焼ガスが加熱室２０を流れて反応室１９内の触媒を加熱するとともに、蒸発器１５で水蒸気を生成する。改質用燃料ガスと蒸発器１５で生成された水蒸気が混合して反応室１９に供給され、触媒により水蒸気改質反応、一酸化炭素シフト反応して改質ガスが生成される。改質部１３から導出された改質ガスはＣＯシフト部１７、ＣＯ選択酸化部１８により一酸化炭素ガスを低減される。ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値より高い起動運転時は、ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスはバイパス路２６を通って燃焼部１４で燃焼される。
【００２６】
ＣＯ選択酸化部１８の触媒温度が所定値以上となったことが検出され、システム１０が安定状態となりＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値以下に減少すると、起動運転から通常運転に切替えるために、導入側および導出側３方バルブ２４，２５の各ボール弁体２８がＣ−Ｂ位置からモータ３１により回動され、Ｃ−ＡＢ位置を経由してＣ−Ａ位置に割出される。これにより、Ｃ−Ｂ位置近傍では、導入側および導出側３方弁２４，２５の共通ポート３３Ｃとポート３４Ａとの間の連通面積が全閉状態から漸増し、改質装置１２の改質ガス送出口４６と燃料電池１１の改質ガス導入口４７との間の連通面積およびアノードオフガス導出口４８と燃焼部１４との間の連通面積が漸増するので、改質装置１２から多量の改質ガスが急激に燃料電池１１に吸込まれ、改質装置１２の安定状態が壊されて改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大することがない。共通ポート３３Ｃとポート３４Ｂとの間の連通面積は全開状態から漸減し、バイパス路２６を経由した改質装置１２と燃焼部１４との間の連通面積が漸減する。Ｃ−ＡＢ位置近傍では、導入側および導出側３方弁２４，２５の共通ポート３３Ｃとポート３４Ａとの間の連通面積が急増し、ポート３４Ｂとの間の連通面積が急減し、Ｃ−Ａ位置近傍では、ポート３４Ａとの連通面積が漸増し、ポート３４Ｂとの連通面積が漸減し、Ｃ−Ａ位置でポート３４Ｂは閉止する。これにより、導入側および導出側３方バルブ２４，２５の各ボール弁体２８がＣ−Ｂ位置からＣ−Ａ位置に回動される間において、導入側および導出側３方バルブ２４，２５のポート３４Ｂを流れるガスの流量とポート３４Ａを流れるガスの流量との合計は、図５に示すように略一定となり、急激な変化が起きないので、起動運転から通常運転に切替えるときに改質装置１２の安定状態を良好に維持することができる。
【００２７】
また、従来のように起動運転から通常運転への切替え時にＣＯ選択酸化部と燃料電池との間のバルブを急激に開くと、一時的にアノードオフガスの流れが止り、バーナ失火等の問題が生ずる可能性があるが、上記実施形態では、起動運転から通常運転への切替え時に改質装置１２と燃料電池１１の改質ガス導入口４７との間の連通面積およびオフガス導出口と燃焼部１４との間の連通面積を漸増し、バイパス路２６を経由した改質装置１２と燃焼部１４との間の連通面積を漸減した後に遮断するので、改質装置１２からバイパス路２６を介してバーナ２１に送られる改質ガスおよび燃料電池１１のアノードオフガス導出口４８からバーナ２１に送られるアノードオフガスの流れが同時に止ることがなく、バーナ失火、または、燃焼の不安定によるエミッションの増加を抑制することができる。
【００２８】
上記実施形態では、導出側３方バルブ２５の共通ポート３３Ｃを第１ポートとして燃焼部１４に、ポート３４Ａを第２ポートとして燃料電池１１のオフガス導出口に、ポート３４Ｂを第３ポートとしてバイパス路２６に夫々接続しているが、ポート３４Ｂを第１ポートとして燃焼部１４に、ポート３４Ａを第２ポートとして燃料電池１１のアノードオフガス導出口４８に、共通ポート３３Ｃを第３ポートとしてバイパス路２６に夫々接続してもよい。この場合、導出側３方バルブ２５は、通常運転時にＣ−ＡＢ位置に維持される。
【００２９】
次に、第２の実施形態に係る燃料電池システム４０について、第１の実施形態と構成が異なる部分を図６に基づいて説明し、同一構成部分については、同一参照番号を付して説明を省略する。
【００３０】
改質装置１２と燃料電池１１との間には、導入側３方バルブ４１が改質ガス用凝縮器４２を介して接続されている。導入側３方バルブ４１の共通ポート３３Ｃは第１ポートとして改質装置１２の改質ガス送出口４６に凝縮器４２を介して接続され、ポート３４Ａは第２ポートとして燃料電池１１の改質ガス導入口４７に接続され、ポート３４Ｂは改質装置１２の暖機部４３を通って燃焼部１４のバーナ２１に接続されている。
【００３１】
暖機部４３は、ＣＯ選択酸化部１８から導出され燃料電池１１を通らないで供給される改質ガスおよび酸化剤ガスである空気を導入して内蔵の燃焼触媒（例えば、パラジウム系の触媒、白金系の触媒、白金−パラジウム系の触媒）によって燃焼させ、その燃焼ガスを熱交換器に供給している。熱交換器では、起動運転時にＣＯシフト部１７に導入される改質ガスを燃焼ガスとの間で熱交換して温度上昇させる。
【００３２】
燃料電池１１のアノードオフガス導出口４８はバルブ４４およびアノードオフガス用凝縮器４５を介して燃焼部１４のバーナ２１に接続されている。バルブ４４は、弁体を圧縮スプリングのバネ力により弁座に押付けて弁孔を閉鎖してバルブを閉じ、ソレノイドの磁力で弁体をバネ力に抗して弁座から開離させてバルブを開くものである。なお、バルブ４４は、燃料電池１１のアノードオフガス導出口４８側からバーナ２１側へのアノードオフガスの流れを許容し、バーナ２１側から燃料電池側１１への流れを阻止する逆止弁としてもよい。
【００３３】
改質ガス用凝縮器４２は燃料電池１１の改質ガス導入口４７に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器４５は、燃料電池１１のアノードオフガス導出口４８と燃焼部１４のバーナ２１とを連通する配管の途中に設けられており、その配管中を流れるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、凝縮器４２，４５には、図示しない低温液体またはラジエータによって冷却された液体が供給されるようになっており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。
【００３４】
第２の実施形態では、運転停止時に導入側３方バルブ４１が捩りコイルバネ３７のバネ力によって閉止位置に停止されることにより、燃料電池１１の改質ガス導入口４７、改質装置１２の改質ガス送出口４６および暖機部４３が閉鎖され、バルブ４４が圧縮スプリングのバネ力により弁体が付勢されて閉止されることにより、燃料電池１１のアノードオフガス導出口４８が閉鎖されている。このとき、燃料電池１１および改質装置１２内の圧力は、封鎖されたガスの冷却により低下している。この状態で導入側３方バルブ４１のボール弁体２８がモータ３１により捩りコイルバネ３７のバネ力に抗して回動されＣ−Ｂ位置に停止され、改質装置１２の改質ガス送出口４６が導入側３方バルブ４１の共通ポート３３Ｃ、ポート３４Ｂ、暖機部４３を介して燃焼部１４にバイパスされ、起動運転が開始される。起動運転時に改質装置１２の改質ガス送出口４６から送出される改質ガスは、一酸化炭素ガスの濃度が所定値より高いので、暖機部４３を通って燃焼部１４のバーナ２１に送られ、燃焼用燃料ガスとともに燃焼空気で燃焼される。改質ガスは燃焼部１４に送られる前に暖機部４３で触媒燃焼して発熱し、ＣＯシフト部１７に導入される改質ガスの温度を上昇させ、改質ガスがＣＯシフト部１７において安定状態で一酸化炭素シフト反応するまでの立ち上げ時間を短縮する。
【００３５】
ＣＯ選択酸化部１８の触媒温度が所定値以上となったことが検出され、システム４０が安定状態となりＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値以下に減少すると、起動運転から通常運転に切替えるために、バルブ４４が開放されて燃料電池１１のアノードオフガス導出口４８が燃焼部１１に連通されるとともに、導入側３方バルブ４１のボール弁体２８がＣ−Ｂ位置からモータ３１により回動され、Ｃ−ＡＢ位置を経由してＣ−Ａ位置に割出される。Ｃ−Ｂ位置近傍では、導入側３方弁４１の共通ポート３３Ｃとポート３４Ａとの間の連通面積が全閉状態から漸増し、改質装置１２の改質ガス送出口４６と燃料電池１１の改質ガス導入口４７との間の連通面積が漸増し、共通ポート３３Ｃとポート３４Ｂとの間の連通面積は全開状態から漸減し、改質装置１２と暖機部４３、燃焼部１４との間の連通面積が漸減する。
【００３６】
これにより、改質装置１２から多量の改質ガスが急激に燃料電池１１に吸込まれ、改質装置１２の安定状態が壊されて改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大し、燃料電池のアノード電極を被毒することがない。さらに、導入側３方バルブ４１のポート３４Ｂを通って改質装置１２からバーナ２１に送られる改質ガスおよび燃料電池１１のアノードオフガス導出口からバルブ４４を通ってバーナ２１に送られるアノードオフガスの流れが同時に止ることがなく、バーナ失火、または、燃焼の不安定によるエミッションの増加を抑制することができる。
【００３７】
上記第２の実施形態では、導入側３方バルブ４１のポート３４Ｂを改質装置１２の暖機部４３を介して燃焼部１４に接続しているが、導入側３方バルブ４１と燃焼部１４との間に介在される暖機部は、起動運転時に燃料電池１１等の冷却装置の冷媒を昇温させる暖機部としてもよい。
【００３８】
上記実施形態では、３方バルブを弁体が球状の３方ボールバルブとしたが、弁体をスプールで形成した直動タイプの３方バルブとしてもよい。
【００３９】
上記実施形態において改質装置は、供給された改質用燃料ガスと水蒸気とを改質して改質ガスを生成するものであるが、改質用燃料であるメタノールを改質して改質ガスを生成する改質装置を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概要を示す概要図。
【図２】燃料電池システムに用いる３方バルブの断面図。
【図３】図２の３−３断面図。
【図４】３方バルブの各ポートの連通関係を示す図。
【図５】３方バルブの各ポートの流量特性を示す図。
【図６】第２の実施形態に係る燃料電池システムの概要を示す概要図。
【図７】従来の燃料電池システムを示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１０，４０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１２…改質装置、１３…改質部、１４…燃焼部、１５…蒸発器、１６…熱交換部、１７…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、１８…一酸化炭素選択酸化部（ＣＯ選択酸化部）、１９…反応室、２０…加熱室、２１…バーナ、２２…ガスポンプ、２４，４１…導入側３方バルブ、２５…導出側３方バルブ、２６…バイパス路、２７…ハウジング、２８…ボール弁体、２９…弁軸、３０…減速機構、３１…モータ、３２…弁室、３３Ｃ…共通ポート、３４Ａ，３４Ｂ…ポート、３５，３６…弁穴、３７…捩りコイルバネ、４２，４５…凝縮器、４３…暖機部、４４…バルブ、４６…改質ガス送出口、４７…改質ガス導入口、４８…アノードオフガス導出口。
【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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【図６】
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【図７】
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