(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、
前記原料ガスを供給する第１ガス供給器と、
前記改質器から排出される排出ガスを燃焼して改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼用空気供給器と、
前記改質器または前記改質器から前記燃焼器までの流路に対して前記原料ガスと異なる他のガスを供給する第２ガス供給器と、
制御器とを備え、
前記制御器は、前記第１ガス供給器より前記改質器に前記原料ガスが供給されて前記燃焼器において前記排出ガスが燃焼している際に、前記第２ガス供給器より前記他のガスの供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御する、水素生成装置。
【請求項２】
前記第２ガス供給器が前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器であり、
前記制御器は、前記水蒸気供給器より水蒸気の供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御する、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記水蒸気供給器は、水供給器と、前記水供給器より供給された水を蒸発させて得られる水蒸気を前記改質器に供給するための水蒸発器とを備え、
前記制御器は、前記水供給器より水の供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御する、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記制御器は、
前記水供給器より水の供給を開始する前に、
前記燃焼器への空気の供給量を徐々に増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御する、請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する変成器を備え、
前記第２ガス供給器が前記変成器に空気を供給する第１空気供給器であり、
前記制御器は、
前記第１空気供給器より前記変成器に対して空気の供給を開始する場合、
前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御する、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を選択酸化反応により低減する浄化器を備え、
前記第２ガス供給器が前記浄化器に空気を供給する第２空気供給器であり、
前記制御器は、
前記第２空気供給器より前記浄化器に対して空気の供給を開始する場合、
前記燃焼器への空気の供給を増加させるように前記燃焼空気供給器を制御する、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記制御器は、
前記燃焼器への空気の供給を増加させてから所定時間経過後、前記燃焼器への空気の供給量を減少させるよう制御する、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
【請求項９】
原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、
前記原料ガスを供給する第１ガス供給器と、
前記改質器から排出される排出ガスを燃焼して改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼用空気供給器と、
前記改質器または前記改質器から前記燃焼器までの流路に対して前記原料ガスと異なる他のガスを供給する第２ガス供給器とを備える水素生成装置の運転方法であって、
前記第１ガス供給器より前記改質器に前記原料ガスが供給されて前記燃焼器において前記排出ガスが燃焼している際に、前記第２ガス供給器より前記他のガスの供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼空気供給器が動作する、水素生成装置の運転方法。
【請求項１０】
原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、
前記原料ガスを供給する第１ガス供給器と、
前記改質器から排出される排出ガスを燃焼して改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に空気を供給する燃焼用空気供給器と、
前記改質器または前記改質器から前記燃焼器までの流路に対して前記原料ガスと異なる他のガスを供給する第２ガス供給器と、
前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記第１ガス供給器より前記改質器に前記原料ガスが供給されて前記燃焼器において前記排出ガスが燃焼している際に、前記第２ガス供給器より前記他のガスの供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼空気供給器が動作する、燃料電池システムの運転方法。
【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、水素生成装置、およびその運転方法に関する。より詳しくは、起動時に、原料ガスの燃焼熱を装置の加熱に用いる、水素生成装置、これを備える燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を用いたコージェネレーションシステムは、一般に、改質器を有する水素生成装置と、燃料電池とを備える。改質器は、水蒸気改質反応を触媒する改質触媒が充填された反応器と、この反応器を燃焼熱により加熱するための燃焼器とを備える。炭化水素系ガス等の原料ガスと水蒸気を加熱された反応器に通流することで、水蒸気改質反応により、水素含有ガスが発生する。改質器から排出された水素含有ガスは、燃料電池等を通って燃焼器へと戻されて燃焼され、反応器が加熱される。該加熱により、吸熱反応である水蒸気改質反応に必要な熱が供給される。
【０００３】
水素生成装置は、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるために、変成器や浄化器を備える場合がある。かかる構成では、変成器や浄化器が反応に好適な温度に維持される必要がある。変成器や浄化器は、高温の水素含有ガスを通流させることで加温されるが、さらに変成器や浄化器に空気を供給することで、水素含有ガスと空気を反応させ、反応熱により変成器や浄化器を効率よく加熱することができる。
【０００４】
燃焼器には燃焼を維持するために空気が供給される。空気が不足すれば不完全燃焼となり、立ち消えや一酸化炭素の発生が起こる。このため、特許文献１に開示された燃焼器では、不完全燃焼が発生しないように、燃焼器からの排ガスの残存酸素濃度を一定値以上に維持すべく、原料ガスの供給量に基づいて、燃焼器への空気の供給量を決定している。
【０００５】
特許文献２および特許文献３は、燃料電池の改質器に配設されたバーナに供給する空気流量を制御する方法を開示する。特許文献２に開示された方法では、原燃料の流量に基づいてバーナへの空気供給量が制御される。特許文献３に開示された方法では、発電電流や原料が改質されるための応答時間に基づいてバーナへの空気供給量が制御される。特許文献３ではさらに、従来技術の欄において、燃焼排ガスの酸素濃度を分析して残存酸素が２〜３％以上になるようにバーナへ空気を供給する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２６７１５９号公報
【特許文献２】特許３２１２１８１号公報
【特許文献３】特許３７１８３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成においては、起動時に特に燃焼器の燃焼状態が不安定となり、炎が立ち消えしたり、不完全燃焼により一酸化炭素が発生しやすいという問題を有していた。
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、燃焼器における立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能な水素生成装置、これを含む燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記従来の構成において、バーナ（燃焼器）の燃焼状態が不安定となる原因について鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【０００９】
水素生成装置の起動時に、改質器を通過した原料ガスが、システム内部のガス流路を通って改質器のバーナへと戻され、燃焼され、装置の昇温が行なわれている際に、装置の温度が十分高くなった段階（水が蒸発できる温度に達した段階）で、改質器に改質水が供給されると、供給された水は蒸発し、体積は１２００倍以上に増加する。すると、改質器からバーナへと繋がるガス流路内の原料ガスを含む可燃性ガスが急激にバーナに押し出され、一時的にバーナが燃料過剰の状態になり、これが、立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量増加の一因となると推定される。
【００１０】
また、水素生成装置の起動時に、改質器を通過した原料ガスが、システム内部のガス流路を通って改質器のバーナへと戻され、燃焼され、装置の昇温が行なわれている際に、変成器や浄化器に空気の供給を開始すると、改質器からバーナへと繋がるガス流路内の原料ガスを含む可燃性ガスの流量が増加し、やはりバーナが燃料過剰の状態になり、これが、バーナでの立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量増加の一因となる。
【００１１】
また、改質器からバーナへと繋がるガス流路内の原料ガスを含む可燃性ガスの流量が増加すると、バーナの背圧が高くなり、燃焼用の空気供給装置の空気供給圧力が相対的に低下して、バーナへの空気供給量が不足し、これも、立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量増加の一因となる。
【００１２】
本発明者らは、かかる知見を受け、水素生成装置内に通流した原料ガスを含む可燃性ガスをバーナへ戻して燃焼加熱している場合に、改質器または改質器からバーナに至るガス流路に原料ガスと異なるガスを供給開始する動作（改質器への改質水の供給開始、や変成器や浄化器に空気の供給開始）と連動して、バーナへの空気供給量を増加させるよう燃焼用空気供給器を動作させることにより、炎の立ち消えや不完全燃焼の進行を抑えることができることに想到した。
【００１３】
すなわち上記課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガスを供給する第１ガス供給器と、前記改質器から排出される排出ガスを燃焼して改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に空気を供給する燃焼用空気供給器と、前記改質器または前記改質器から前記燃焼器までの流路に対して前記原料ガスと異なる他のガスを供給する第２ガス供給器と、制御器とを備え、前記制御器は、前記第１ガス供給器より前記改質器に前記原料ガスが供給されて前記燃焼器において前記排出ガスが燃焼している際に、前記第２ガス供給器より前記他のガスの供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御する。
【００１４】
かかる構成では、流路へ排出ガスと異なるガスを供給し始めるときの燃焼器への原料ガスを含む可燃性ガス流量の増加に応じて空気の供給量が相対的に減少することを抑制し、燃焼器における立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
【００１５】
また、上記水素生成装置において、前記第２ガス供給器が前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器であり、前記制御器は、前記水蒸気供給器より水蒸気の供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御してもよい。
【００１６】
かかる構成では、改質器へ水蒸気を供給し始めるときに、燃焼器への原料ガスを含む可燃性ガス流量が増加するが、該増加に応じて空気の供給量が相対的に減少することが抑制され、燃焼器における立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
【００１７】
あるいは、上記水素生成装置において、前記水蒸気供給器は、水供給器と、前記水供給器より供給された水を蒸発させて得られる水蒸気を前記改質器に供給するための水蒸発器とを備え、前記制御器は、前記水供給器より水の供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御してもよい。
【００１８】
かかる構成では、水蒸発器へ改質水を供給し始めるときに水蒸気が発生して、燃焼器への原料ガスを含む可燃性ガス流量が増加するが、該増加に応じて空気の供給量が相対的に減少することが抑制され、燃焼器における立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
【００１９】
また、上記水素生成装置において、前記制御器は、前記水供給器より水の供給を開始する前に、前記燃焼器への空気の供給量を徐々に増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御してもよい。
【００２０】
かかる構成では、燃焼器への空気供給量が突然増加することがないため、空気過剰により炎が吹き消されること等を抑制できる。
【００２１】
また、上記水素生成装置において、前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する変成器を備え、前記第２ガス供給器が前記変成器に空気を供給する第１空気供給器であり、前記制御器は、前記第１空気供給器より前記変成器に対して空気の供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼用空気供給器を制御してもよい。
【００２２】
かかる構成では、変成器へ空気を供給し始めるときに、燃焼器への原料ガスを含む可燃性ガス流量が増加するが、該増加に応じて空気の供給量も増加が相対的に減少することが抑制され、燃焼器における立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
【００２３】
また、上記水素生成装置において、前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を選択酸化反応により低減する浄化器を備え、前記第２ガス供給器が前記浄化器に空気を供給する第２空気供給器であり、前記制御器は、前記第２空気供給器より前記浄化器に対して空気の供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給を増加させるように前記燃焼空気供給器を制御してもよい。
【００２４】
かかる構成では、浄化器へ空気を供給し始めるときに、燃焼器への原料ガスを含む可燃性ガス流量が増加するが、該増加に応じて空気の供給量が相対的に減少することが抑制され、燃焼器における立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
【００２５】
また、上記水素生成装置において、前記制御器は、前記燃焼器への空気の供給を増加させてから所定時間経過後、前記燃焼器への空気の供給量を減少させるよう制御してもよい。
【００２６】
かかる構成では、燃焼器への原料ガスを含む可燃性ガス供給量の減少に合わせて（燃焼器へのガス供給量の減少に連動して）空気供給量も減少され、空気過剰により炎が吹き消されること等を抑制できる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池システムは、上記の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
【００２８】
かかる構成では、安定して供給される水素含有ガスを燃料に用いた発電が可能となる。
【００２９】
また、本発明の水素生成装置の運転方法は、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガスを供給する第１ガス供給器と、前記改質器から排出される排出ガスを燃焼して改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に空気を供給する燃焼用空気供給器と、前記改質器または前記改質器から前記燃焼器までの流路に対して前記原料ガスと異なる他のガスを供給する第２ガス供給器とを備える水素生成装置の運転方法であって、前記第１ガス供給器より前記改質器に前記原料ガスが供給されて前記燃焼器において前記排出ガスが燃焼している際に、前記第２ガス供給器より前記他のガスの供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼空気供給器が動作する。
【００３０】
かかる構成では、流路へ排出ガスと異なるガスを供給し始める際の燃焼器への原料ガスを含む可燃性ガス流量の増加に応じて空気の供給量が相対的に減少することを抑制し、燃焼器における立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガスを供給する第１ガス供給器と、前記改質器から排出される排出ガスを燃焼して改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に空気を供給する燃焼用空気供給器と、前記改質器または前記改質器から前記燃焼器までの流路に対して前記原料ガスと異なる他のガスを供給する第２ガス供給器と、前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムの運転方法であって、前記第１ガス供給器より前記改質器に前記原料ガスが供給されて前記燃焼器において前記排出ガスが燃焼している際に、前記第２ガス供給器より前記他のガスの供給を開始する場合、前記燃焼器への空気の供給量を増加させるように前記燃焼空気供給器が動作する。
【００３２】
かかる構成では、流路へ排出ガスと異なるガスを供給し始める際の燃焼器への原料ガスを含む可燃性ガス流量の増加に応じて空気の供給量が相対的に減少することを抑制し、燃焼器における立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、上記のような構成を有し、以下のような効果を奏する。すなわち、水素生成装置内を通流した原料ガスを含む可燃性ガスを用いて燃焼器で燃焼加熱している際に、改質器または改質器からバーナに至るガス流路に原料ガスと異なる他のガスが供給開始される場合における立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能な水素生成装置、これを備える燃料電池システムおよびその運転方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の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。以下、図１を参照しながら、本実施形態の燃料電池システムについて、ハードウェアと制御系統に分けて説明する。
【００３６】
最初に、ハードウェアについて以下に説明する。図１に示す通り、本実施形態に係る燃料電池システム１００のハードウェアは、水（改質水）を供給する本発明の水供給器の一例である改質水供給装置１０７と、メタンやプロパン等の炭化水素系の原料ガスを供給する本発明の第１ガス供給器の一例である原料供給装置１１８と、改質水と原料とを水蒸気改質反応させて水素含有ガスを発生させる改質触媒を有する改質器１０１と、改質器１０１を加熱し水蒸気改質反応に必要な熱を供給するバーナ１０２（燃焼器）と、バーナ１０２での燃焼に必要な空気を供給するバーナ空気供給装置１０８（燃焼用空気供給器）と、改質器１０１から排出される水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減させるシフト反応触媒を有する変成器１０３と、変成器１０３から排出される水素含有ガス中の一酸化炭素を、外部から供給される空気中の酸素との選択酸化反応により低減させる選択酸化触媒を有する浄化器１０４と、浄化器１０４から排出される水素含有ガス（燃料ガス）を酸化剤ガスと反応させて発電を行う燃料電池１０５と、を備えている。燃料電池１０５の燃料ガスの出口とバーナ１０２の燃料ガスの入口は、配管で接続されている。改質器１０１には、改質水を蒸発させて水蒸気を発生させる本発明の水蒸発器の一例である改質水蒸発部１０６がバーナ１０２に隣接して設けられている。改質水供給装置１０７と改質水蒸発部１０６とで、本発明の第２ガス供給器の一例である水蒸気供給器が構成される。
【００３７】
改質水供給装置１０７には例えばポンプが用いられる。バーナ１０２には、例えば火炎バーナが用いられる。バーナ空気供給装置１０８には、例えばブロワやポンプ等が用いられる。燃料電池１０５には、例えば、高分子電解質型燃料電池が用いられる。原料供給装置１１８には例えば都市ガスラインに接続された電磁弁が用いられる。
【００３８】
浄化器１０４から排出された水素含有ガスを燃料電池１０５へと供給する配管には、第１の三方弁１０９が設けられている。また、燃料電池１０５から排出された水素含有ガス（オフガス）をバーナ１０２へと供給する配管には、第２の三方弁１１０が設けられている。第１の三方弁１０９と第２の三方弁１１０は、バイパス流路で接続され、必要に応じて浄化器１０４から排出されるガスを燃料電池１０５を経由せずに直接バーナ１０２へと送る。
【００３９】
次に、制御系統について以下に説明する。図１に示すとおり、本実施形態に係る燃料電池システム１００の制御系統は、本発明の制御器の一例である制御装置１１１と、改質器１０１の温度（改質水蒸発部１０６の温度でもよい）を検出する改質器温度検出器１１２と、変成器１０３の温度を検出する変成器温度検出器１１３と、浄化器１０４の温度を検出する浄化器温度検出器１１４と、を備えている。制御装置１１１は、計時装置１１５と、ＣＰＵ１１６と、メモリ１１７とを備える。制御装置１１１は、燃料電池システム１００の運転制御をすべく、改質器温度検出器１１２と、変成器温度検出器１１３と、浄化器温度検出器１１４と、改質水供給装置１０７と、バーナ空気供給装置１０８と、第１の三方弁１０９と、第２の三方弁１１０とに、通信可能に接続されている。メモリ１１７は、燃料電池システム１００の運転に必要な動作プログラム等が記憶されていると同時に、制御装置１１１が受け取る検出情報等も適宜記憶し、該動作プログラムおよび計時装置１１５から送られる時刻情報等に基づいて燃料電池システムを運転する。なお、制御装置１１１やＣＰＵ１１６等の数は複数でもよい。すなわち、燃料電池システム１００の制御は、集中制御であっても分散制御であってもよい。
【００４０】
次に、燃料電池システム１００による発電動作の概略について説明する。改質器１０１の内部において、改質水供給装置１０７から供給された水（改質水）は、改質水蒸発部１０６において、バーナ１０２から供給される熱により蒸発し、水蒸気となる。改質器１０１内部の改質触媒により、該水蒸気と、原料供給装置１１８から供給された原料ガスとの水蒸気改質反応が触媒され、水素、二酸化炭素、一酸化炭素を含む水素含有ガスが発生する。改質水供給装置１０７からの改質水の供給量および原料供給装置１１８からの原料ガスの供給量は、制御装置１１１により制御される。
【００４１】
改質器１０１で発生した水素含有ガスは、変成器１０３に供給される。変成器１０３では、シフト反応により、水素含有ガス中の水蒸気と一酸化炭素が水素と二酸化炭素へと変化する。かかる反応により、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が低減される。改質器１０１から供給される水素含有ガスは高温であり、該ガスが変成器１０３の内部を通流することで、変成器１０３が加温される。変成器１０３の温度は、変成器温度検出器１１３により検出され、検出情報は制御装置１１１へと送られる。制御装置１１１は、検出された温度に基づいて、図示されない変成器温度調節手段（例えば、ヒータもしくは冷却ファン）により、変成器１０３の温度をシフト反応に好適な温度に調整する。
【００４２】
変成器１０３で一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスは、浄化器１０４に供給される。浄化器１０４では、選択酸化触媒が触媒する選択酸化反応により、水素含有ガス中の一酸化炭素が選択的に酸化され、二酸化炭素へと転換される。選択酸化反応には、図示されない空気供給器から供給される空気中の酸素が用いられる。かかる反応により、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度がさらに低減される。浄化器１０４に供給される水素含有ガスは依然として高温であり、該ガスが浄化器１０４の内部を通流することで、浄化器１０４が加温される。浄化器１０４の温度は、浄化器温度検出器１１４により検出され、検出情報は制御装置１１１へと送られる。制御装置１１１は、検出された温度に基づいて、図示されない浄化器温度調節手段（例えば、ヒータもしくは冷却ファン）により、浄化器１０４の温度を選択酸化反応に好適な温度に調整する。
【００４３】
通常の発電時において、第１の三方弁１０９は、浄化器１０４と燃料電池１０５とを結ぶガス流路が形成されるように、制御装置１１１により制御されている。かかる制御により、浄化器１０４で一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスは、燃料電池１０５のアノード側へと供給される。また、燃料電池１０５のカソード側へは、空気等が酸化剤ガスとして、図示されない酸化剤ガス供給手段から供給される。燃料電池１０５では、アノード側へと供給された水素含有ガスと、カソード側へと供給された酸化剤ガスとが反応して、熱と電気とが発生する。発生した熱と電気は燃料電池１０５から取出され、家庭等の需要者で使用される。
【００４４】
燃料電池１０５のアノード側とカソード側は、高分子電解質膜等により隔離されており、水素含有ガスと酸化剤ガスとは、混合することなく別々に排出される。通常の発電時において、第２の三方弁１１０は、燃料電池１０５とバーナ１０２とを結ぶガス流路が形成されるように、制御装置１１１により制御されている。かかる制御により、燃料電池１０５から排出された水素含有ガスは、バーナ１０２の燃料ガスの入口へと導かれる。バーナ１０２へ供給された水素含有ガスは、バーナ空気供給装置１０８から供給された空気と混合されて、燃焼される。通常の発電時において、バーナ空気供給装置１０８からの空気の供給量は、好適な燃焼状態を維持するように制御装置１１１により制御される。バーナ１０２からの排ガス（バーナ排ガス）は、系外へと排出される。改質器１０１はバーナ１０２により加熱される。制御装置１１１は、改質器温度検出器１１２から受け取る温度の検出情報に基づいて、改質器１０１へ供給する原料ガスの量等を調整する。かかる制御により、バーナ１０２へ供給されるガス量を介して、バーナ１０２が発生する熱量が調整され、改質器１０１の温度が水蒸気改質反応に好適な温度に維持される。
【００４５】
次に、本実施形態の燃料電池システム１００の特徴である、起動時の動作について説明する。燃料電池システム１００は、起動時に改質水供給装置１０７から改質水を供給する動作と連動してバーナ１０２への空気供給量を増加させるようにバーナ空気供給装置１０８を動作させる。以下、その動作について詳細に説明する。
【００４６】
燃料電池システム１００の起動時において、制御装置１１１は、改質水供給装置１０７を停止したまま、原料供給装置１１８から原料ガスを改質器１０１へ供給する。第１の三方弁１０９およひ第２の三方弁１１０は、浄化器１０４から排出されるガスが燃料電池１０５を経由せずに、バイパス流路を通るように制御される。かかる制御により、原料供給装置１１８から供給された原料ガスは、改質器１０１、変成器１０３、浄化器１０４、バイパス流路を通過し、バーナ１０２で燃焼される。バーナ１０２からの燃焼熱により改質器１０１が加熱される。変成器１０３と、浄化器１０４とは、改質器１０１から排出される高温のガスを通流することにより間接的に加熱される。
【００４７】
改質器１０１（改質水蒸発部１０６）の温度が十分上昇すると、制御装置１１１により、改質水供給装置１０７の運転が開始されて、改質器１０１へと改質水が供給される。改質水蒸発部１０６の温度は十分高温になっているため、供給された改質水は蒸発して水蒸気となり、原料ガスと反応して水素含有ガスが発生する。ここで、起動時には改質器１０１の温度は低く、改質水を供給しても蒸発しない。よって、起動直後に改質水を供給しても、液体の水によりガス流路に目詰まり等が発生する。改質水蒸発部１０６の温度が十分上昇した後で改質器１０１へ改質水を供給することで、かかる問題を回避できる。
【００４８】
改質器１０１の温度と、変成器１０３の温度と、浄化器１０４の温度とが、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を十分低減できる程度にまで上昇すると、制御装置１１１により、第１の三方弁１０９およひ第２の三方弁１１０が切り替えられ、水素含有ガスが燃料電池１０５へと供給される。水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が十分に低減されない状態で燃料電池１０５へと供給されると、燃料電池１０５の電極触媒等が被毒されて発電効率が低下する等の深刻な問題が発生する。改質器１０１と変成器１０３と浄化器１０４の温度上昇後に燃料電池１０５へと水素含有ガスを供給することで、かかる問題を回避できる。
【００４９】
かかる制御において、改質水の供給を開始すると、水蒸気が発生して、改質器中のガスの体積は急激に膨張する。膨張したガスは、下流（ガスの流れにおける下流、以下同じ）のガスを押し出す。改質水の供給を開始した時点において、下流には水蒸気や水素等は存在せず、１００％の原料ガスがガス流路に満たされている。水蒸気によって下流のガスが押し出されることで、バーナ１０２への原料ガスの供給量も増加する。バーナ１０２への空気の供給量が固定されたままの場合、原料ガスが過剰となり、不完全燃焼が起きて、数千ｐｐｍという高濃度の一酸化炭素が発生する。あるいは、酸素不足でバーナ１０２の火が消えてしまう（立ち消えする）場合もある。一酸化炭素は人体に有害であり、３００ｐｐｍ以下に抑えることが望ましい。安定した起動を行うためには、改質水の供給を開始するにあたり、バーナ１０２に十分な空気を供給する必要がある。本実施形態の燃料電池システム１００は、改質水の供給開始時における一酸化炭素の発生や立ち消えを抑えるために、改質水の供給を開始する場合に（改質水の供給開始に連動して）、バーナ１０２への空気供給量を増加させるようバーナ空気供給装置１０８を動作させる。この動作は、制御装置１１１がバーナ空気供給装置１０８を制御することにより行われる。具体的には、例えばバーナ空気供給装置１０８を構成するブロワの回転数を上げること等により行われる。
【００５０】
図２は、図１の燃料電池システムの起動時の各段階における、ガスの全流量と、バーナへの原料ガス供給量と、バーナへ供給されるガス中の原料ガス濃度と、バーナでの完全燃焼に必要な空気供給量とを示す表である。流量および供給量の単位はリットル（Ｌ／分）、濃度の単位はパーセント（％）である。以下、図２を参照しつつ、起動時の各段階におけるガスの流量および濃度について説明する。
【００５１】
図２に示すように、改質水を供給する前の段階（図２の左側の列）においては、起動時燃料ガス流路（起動時に改質器１０１からバーナ１０２に至るガス流路、すなわち改質水蒸発部１０６から変成器１０３、浄化器１０４、第１の三方弁１０９、バイパス流路、第２の三方弁１１０を経てバーナ１０２に至るガス流路、以下同じ）を通流するガスの全流量は原料ガスの供給量Ｑｍａｔに等しい。この段階において、起動時、燃料ガス流路には１００％の濃度の原料ガスが満たされているため、バーナへの原料ガス供給量はＱｍａｔに等しくなる。原料ガスが完全燃焼するために必要な空気との体積比をαとすれば、バーナ１０２でガスが完全燃焼するためには、αＱｍａｔの空気が供給される必要がある。
【００５２】
改質水を供給した直後の段階（図２の中央の列）においては、改質水蒸発部１０６で改質水が蒸発して水蒸気が発生する。発生する水蒸気の量をＱｗａｔとすると、起動時燃料ガス流路を通流するガスの全流量は、原料ガスと水蒸気との合計Ｑｍａｔ＋Ｑｗａｔとなる。一方、発生した水蒸気はすぐに起動時燃料ガス流路に充満するわけではないので、改質水供給直後においてバーナ１０２へ供給されるガス中の原料ガス濃度は依然として１００％となる。このため、バーナ１０２へ供給される原料ガスの量はＱｍａｔ＋Ｑｗａｔとなり、改質水供給前に比べてＱｗａｔだけ増加する。よって、バーナ１０２で原料ガスが完全燃焼するために必要な空気供給量も、αＱｗａｔだけ増加する。
【００５３】
例えば、起動時の原料ガスの供給量Ｑｍａｔを１．５Ｌ／分とし、改質水の供給量を３．６ｍＬ／分とする。水は蒸発すると約１７００倍に体積が膨張するため、水蒸気の発生量Ｑｗａｔは６．１２Ｌ／分となる。よって、必要な空気供給量は約５倍となる。このとき、バーナ１０２の立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加の抑制のためには、空気供給量の制御をある程度正確に行う必要がある。具体的には、バーナ空気供給装置１０８からの空気供給量を増加させる際に、増加前に比べて１．３倍〜５倍の範囲に収まるよう増加させるのが望ましい。
【００５４】
改質水が供給された後、所定時間が経過して、起動時燃料ガス流路に水蒸気が原料ガスと十分混合して充満した段階（図２の右側の列）では、ガスの全流量は依然としてＱｍａｔ＋Ｑｗａｔである。しかし、バーナへ供給されるガスには水蒸気も混入しているため、原料ガス濃度は改質水供給直後より低くなる。水蒸気改質反応による原料ガスの減少を考慮しなければ、バーナへ供給されるガス中の原料ガス濃度（体積比）は、Ｑｍａｔ×１００／（Ｑｍａｔ＋Ｑｗａｔ）％となる。したがって、バーナ１０２に供給される原料ガスの正味の供給量はＱｍａｔとなり、バーナ１０２でガスが完全燃焼するために必要な空気供給量も、改質水供給前のαＱｍａｔへと戻る。
【００５５】
図３は、第１実施形態の燃料電池システムの起動後のバーナにおける空気比の変化を示す図である。空気比とは、空気と燃料の比（空気／燃料）を、分子のモル数等から演算される完全燃焼に必要な空気と燃料の比（理論値）で割った値である。実際の運転では、理論値通りに空気を供給しても完全燃焼にはならないため、余分に空気が供給され、空気比は１以上に設定される。空気供給量が増加すれば、空気比も増加する。図３において、ｔ１は空気供給量を増加させ始める時点を示し、ｔ２は改質水の供給を開始する時点を示し、ｔ３は空気供給量を減少させ始める時点を示し、ｔ４は空気供給量が改質水の供給前に戻る時点を示す。
【００５６】
ここで、図に示すように、空気供給量は、改質水の供給開始の動作と連動して、徐々に増加させていくのが望ましい。改質水の供給と同時に急激に空気供給量を増加させると、バーナの火が吹き消されてしまう可能性があるためである。増加させるパターンは、なめらかでもよく、ステップ状でもよい。また、空気供給量は、ガス中の原料ガス濃度に合わせて徐々に減少させていくのが望ましい。起動時燃料ガス流路に水蒸気が充満していくにつれ、原料ガスの濃度も低下していくためである。かかる制御により、原料ガスの供給量や濃度に応じて好適な量の空気がバーナ１０２に供給され、安定した起動運転が確保される。
【００５７】
空気供給量を増加させるタイミングは、図３に示すものに限られず、改質水の供給開始のタイミングに基づいて様々に決定されうる。例えば、改質水の供給を徐々に増加させる場合には、ガスの全流量の増加も緩慢になるため、改質水の供給開始と同時に空気供給量の増加を開始してもよい。あるいは、装置構成により立ち消えの可能性がほとんどない場合等では、改質水の供給開始と同時に空気量を一度に増加させてもよい。改質水の供給開始のタイミングよりも所定時間だけ先にあるいは後にバーナ１０２への空気供給量を増加させてもよい。
【００５８】
空気供給量を減少させるタイミングは、各装置の具体的な構成やバーナへ供給されるガス中の原料ガス濃度等の燃焼条件に合わせて適宜調整されうる。このため、空気供給量を減少させるタイミングを、理論的に、あるいは一意的に、決定することはできないが、例えば以下のような考え方に基づいて空気供給量を減少させるタイミングを調整することが可能である。
【００５９】
モデルを単純化し、改質水を供給した瞬間に改質水の全量が蒸発してガス流量が一度に増加し、以後、完全に混合したガスが通流することとする。さらに、改質水供給の前後のガスは混ざらないと仮定する。かかる仮定の下では、起動時燃料ガス流路の容積をＶとして、Ｖ／（Ｑｍａｔ＋Ｑｗａｔ）分だけ時間が経過すると、水蒸気を含むガスがバーナ１０２に到達することになる。よって、この値を目安に空気供給量を減少させるタイミングを調整することができる。実際には上述のように理想的に反応は起こらないため、反応率や混合率等を加味して、空気供給量を減少させるタイミングを調整するのが望ましい。例えば、上述の説明で約１７００倍とした改質水の膨張率は、実際にはより低くなり、かつ時間と共に変動するため、実際の値を測定した結果から空気供給量を演算してもよい。
【００６０】
あるいは、他のモデルを用いてもよい。改質水を供給した瞬間に水蒸気改質反応が開始し、以後、原料ガスは完全に消費されて水素含有ガスが通流することとする。さらに改質水供給の前後のガスは混ざらないことを仮定する。かかる仮定の下では、水素含有ガスがバーナ１０２に到達した時点で原料ガス濃度はゼロになり、高濃度の一酸化炭素が発生する危険性はなくなるため、空気供給量を減少させることが可能となる。実際には上述のように理想的に反応は起こらないため、反応率や混合率等を加味して、空気供給量を減少させるタイミングを調整するのが望ましい。
【００６１】
なお、空気供給量は必ずしも元に戻す必要はない。バーナ１０２へ供給される原料ガスや水素の濃度に応じて好適な範囲に空気供給量を調整するのが望ましい。例えば、原料ガスに都市ガス（１３Ａガス）を用いる場合、完全燃焼が起こりにくいため空気比を高めに設定することが多い。これに対し、水素は完全燃焼が起こり易いため、流量が同じ場合に空気比を低めに設定しても不完全燃焼が起こりにくい。かかるパラメータを考慮して空気供給量を調整することで、エネルギー効率をさらに向上できる。本実施形態では、各パラメータをモニタすることなく、モデル実験等から求められた所定時間を経過した段階で空気供給量を減少させる。もちろん、各パラメータをモニタして制御が行われてもよい。
【００６２】
次に、本実施形態の燃料電池システム１００の起動時の運転方法について説明する。図４は、第１実施形態の燃料電池システムの起動時における制御装置１１１による制御を示すフローチャートである。以下、図を参照しつつ説明する。
【００６３】
燃料電池システム１００の運転が開始されると、まず原料供給装置１１８から原料供給が開始され、バーナ１０２が点火される（ステップＳ１０１）。このとき、原料ガスは燃料電池１０５を通流せず、バイパス流路を経由してバーナ１０２に到達する。次に、改質器温度検出器１１２の検出する改質器１０１の温度が所定温度に達しているか否かの判定が行われ（ステップＳ１０２）、所定温度に達していれば、制御装置１１１によりバーナ空気供給装置１０８がバーナ１０２への空気供給量が増加されるよう制御される（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３が開始される時点が図３のｔ１に相当する。次に、改質水供給装置１０７により改質水の供給が開始される（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４は図３のｔ２に相当する。改質水供給開始後、所定時間を経過すると（ステップＳ１０５）、バーナ空気供給装置１０８は、制御装置１１１によりバーナ１０２への空気供給量が減らされるよう制御される（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６が開始される時点が図３のｔ３に相当する。空気供給量は徐々に減少し、ｔ４でｔ１と同じレベルになる。ステップＳ１０６の後、変成器温度検出器１１３が検出する変成器１０３の温度および浄化器温度検出器１１４が検出する浄化器１０４の温度が所定温度に達していれば（ステップＳ１０７）、制御装置１１１により第１の三方弁１０９および第２の三方弁１１０が切り換えられ、浄化器１０４から燃料電池１０５への水素含有ガスの供給が開始される（ステップＳ１０８）。水素含有ガスの供給開始により、発電が開始され（ステップＳ１０９）、起動動作が終了する。
【００６４】
上述のように、ステップＳ１０３の空気供給量増加制御のタイミングは、ステップＳ１０４の改質水供給開始のタイミングに基づいて決定される。ステップＳ１０２の判定に用いられる所定温度は、必ずしも改質水の蒸発に十分な温度である必要はなく、空気供給量を増加させるのに必要な時間と温度の上昇速度を考慮して、より低い温度に設定されてもよい。図４の例では、バーナへの空気供給量を増加させた後で改質水の供給が開始されている。しかし、必ずしもいずれか一方が他方より前になる訳ではなく、両方が同時に行われてもよい。ステップ１０５の判定に用いられる所定時間は、モデル実験等を行い、バーナ１０２への空気供給量を減少させるべきタイミングを検討することで決定される。
【００６５】
なお、「バーナ１０２への空気供給量を増加させるようバーナ空気供給装置１０８を制御する」とは、必ずしもバーナ１０２への空気供給量が現実に増加するという意味に限られず、「バーナ１０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置１０８を制御する」のであればよい。具体的には、バーナ空気供給装置１０８が、空気の流量を調整するための調整弁である場合には、その調整弁の開度を大きくすればよい。また、バーナ空気供給装置１０８がブロワである場合には、ブロワの回転数を大きくすればよい。改質器への水供給開始に伴いバーナへの原料ガス供給量が増加した際に、バーナの背圧が上昇し、空気の供給圧力が相対的に低下している場合、実際にバーナへの空気供給量が求める空気比を満たすよう増加しないことが想定される。しかしながら、上述のように「バーナ１０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置１０８を制御する」ことで上昇した背圧に応じて空気の供給圧力も上昇するため、空気不足が抑制され、立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素発生の増加について少なくともこれらの問題を抑制する効果は得られる。
【００６６】
以上のような構成および動作により、本実施形態の燃料電池システム１００は、改質水の供給開始に連動してバーナ１０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置１０８を制御するため、改質水の供給開始時に発生しやすい一酸化炭素の発生やバーナの立ち消えを抑えることが可能となる。
【００６７】
なお、起動時以外にも、水素生成装置内を通流した原料ガスを含む可燃性ガスを用いて燃焼器が燃焼している状態で、運転中に改質水供給装置１０７からの改質水供給が開始される場合があれば、かかる場合においても、改質水供給装置１０７からの水供給の開始に連動してバーナ１０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置１０８を制御することで、立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
（第２実施形態）
第１実施形態の燃料電池システム１００は、改質器への改質水の供給開始に連動してバーナへの空気供給量を増加させるものであったのに対し、本発明の第２実施形態の燃料電池発電システム２００は、変成器への空気の供給開始に連動してバーナへの空気供給量を増加させる点で異なっている。図５は、第２実施形態の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。以下、図を参照しつつ、本実施形態の燃料電池システム２００について説明する。
【００６８】
燃料電池システム２００は、燃料電池システム１００の改質水供給装置１０７を省略し、新たに本発明の第２ガス供給器の一例である変成空気供給装置２０７を追加したものである。その他の構成については、燃料電池システム１００と同様であるので、各構成要素には同一の名称を付して説明を省略する。
【００６９】
変成空気供給装置２０７は、例えばポンプやブロワにより構成され、制御装置２１１の制御に基づいて、変成器２０３へと空気を供給する。変成器２０３へ空気を供給することで、内部を通流する原料ガスや水素含有ガスが空気中の酸素と反応して熱が発生し、変成器２０３の速やかな昇温、あるいはシフト反応に好適な温度の維持に貢献する。
【００７０】
燃料電池システム２００の起動直後において、変成空気供給装置２０７は停止されている。起動後、変成器温度検出器２１３が所定の温度に到達した段階で、変成器２０３への空気供給が開始される。このとき、第１実施形態で述べたのと同様に、バーナ２０２へ供給されるガス中の原料ガスの濃度は一定であるにも関わらず、新たなガスの導入により起動時燃料ガス流路を流れるガスの全流量は増加する。よって、バーナ２０２への空気供給量が一定であれば、バーナ２０２の立ち消えや、燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加が起こる可能性がある。燃料電池システム２００では、変成器２０３への空気供給に連動してバーナ２０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置２０８を制御することで、起動時におけるバーナ２０２の立ち消えや、燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
【００７１】
本実施形態における空気供給量の増加制御方法や制御タイミングの調整については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。なお、本実施形態では起動時燃料ガス流路に供給されるのは水ではなく空気である。このため、水の蒸発による体積膨張を考慮する必要はなく、単に供給する空気量に相当する割合でバーナ２０２への空気供給量を増加させるようバーナ空気供給装置２０８を制御すればよい。また、本実施形態では、変成器２０３中の起動時燃料ガス流路に空気を供給すると、空気中の酸素が水素含有ガス中の水素等と反応して消費されるため、ガスが縮小して全流量も減少する。かかる効果も加味してバーナ空気供給装置２０８によりバーナ２０２への空気供給量を制御することが望ましい。
【００７２】
なお、「バーナ２０２への空気供給量を増加させるようバーナ空気供給装置２０８を制御する」とは、本実施の形態においても実施の形態１と同様に必ずしもバーナ２０２への空気供給量が現実に増加するという意味に限られず、「バーナ２０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置２０８を制御する」のであればよい。これは、変成器へ空気供給する際の量が多量であれば、バーナの背圧がかなり上昇し、空気の供給圧力が相対的に低下する場合も想定されるからである。
【００７３】
なお、起動時以外にも、水素生成装置内を通流した原料ガスを含む可燃性ガスを用いてバーナが燃焼している状態で、運転中に変成空気供給装置２０７から空気供給が開始される場合があれば、かかる場合においても、変成空気供給装置２０７からの空気供給の開始に連動してバーナ２０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置２０８を制御することで、立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
（第３実施形態）
第１実施形態の燃料電池システム１００は、改質器への改質水の供給開始に連動してバーナへの空気供給量を増加させるようバーナ空気供給装置１０８を制御するものであったのに対し、本発明の第３実施形態の燃料電池発電システム３００は、浄化器への空気の供給開始に連動して、バーナへの空気供給量を増加させるようバーナ空気供給装置３０８を制御する点で異なっている。図６は、第３実施形態の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。以下、図を参照しつつ、本実施形態の燃料電池システム３００について説明する。
【００７４】
燃料電池システム３００は、燃料電池システム１００の改質水供給装置１０７を省略し、第１実施形態および第２実施形態では図示しなかった本発明の第２ガス供給器の一例である浄化空気供給装置３０７を制御対象とするものである。その他の構成については、燃料電池システム１００と同様であるので、各構成要素には同一の名称を付して説明を省略する。
【００７５】
浄化空気供給装置３０７は、例えばポンプやブロワにより構成され、制御装置３１１の制御に基づいて、浄化器３０４へと空気を供給する。浄化器３０４では、選択酸化反応により、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。選択酸化反応には、一酸化炭素を酸化するための酸素が必要である。浄化空気供給装置３０７が浄化器３０４に空気を供給することで、選択酸化反応に必要な酸素が供給される。また、浄化器３０４へ空気を供給することで、内部を通流するガス中の一酸化炭素や水素が酸素と反応して熱が発生し、浄化器３０４の速やかな昇温、あるいは選択酸化反応に好適な温度の維持にも貢献する。
【００７６】
燃料電池システム３００の起動時において、起動直後は浄化空気供給装置３０７は停止されており、浄化器温度検出器３１４が所定の温度に到達した段階で、浄化器３０４への空気供給が開始される。このとき、第１実施形態で述べたのと同様に、バーナ３０２へ供給されるガス中の原料ガスの濃度は一定であるにも関わらず、新たなガスの導入により起動時燃料ガス流路を流れるガスの全流量は増加する。よって、バーナ３０２への空気供給量が一定であれば、バーナ３０２の立ち消えや、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の増加が起こる可能性がある。燃料電池システム３００では、浄化器３０４への空気供給に連動してバーナ３０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置３０８を制御することで、起動時におけるバーナ３０２の立ち消えや、燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能となる。
【００７７】
本実施形態における空気供給量の増加制御方法や制御のタイミングの調整については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。なお、本実施形態では起動時燃料ガス流路に供給されるのは空気であり水ではない。このため、水の蒸発による体積膨張を考慮する必要はなく、単に供給する空気量に相当する割合でバーナ３０２への空気供給量を増加させればよい。また、本実施形態では、浄化器３０４中の起動時燃料ガス流路に空気を供給すると、空気中の酸素が水素含有ガス中の水素と反応して消費されるため、ガスが縮小して全流量も減少する。かかる効果も加味してバーナ空気供給装置３０８によりバーナ３０２への空気供給量を制御することが望ましい。
【００７８】
なお、「バーナ３０２への空気供給量を増加させるようバーナ空気供給装置３０８を制御する」とは、本実施の形態においても実施の形態１と同様に必ずしもバーナ３０２への空気供給量が現実に増加するという意味に限られず、「バーナ３０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置３０８を制御する」のであればよい。これは、浄化器へ空気供給する際の量が多量であれば、バーナの背圧がかなり上昇し、空気の供給圧力が相対的に低下する場合も想定されるからである。
【００７９】
なお、起動時以外にも、水素生成装置内を通流した原料ガスを含む可燃性ガスを用いてバーナが燃焼している状態で、運転中に浄化空気供給装置３０７からの空気供給が開始される場合がある。かかる場合においても、浄化空気供給装置３０７からの空気供給の開始に連動してバーナ３０２への空気供給量を増加させる方向にバーナ空気供給装置３０８を制御することで、立ち消えや不完全燃焼による一酸化炭素の発生を抑えることが可能となる。
（第１実施形態乃至第３実施形態の変形例）
第１実施形態乃至第３実施形態は、複数を組合せて一つの燃料電池システムに組み込んでもよい。例えば、改質水供給装置と浄化空気供給装置を備えた構成とし、改質水の供給開始および浄化器への空気供給開始の動作に連動して、バーナへの空気供給量を増加させてもよい。水蒸気や空気など、原料ガスと異なる他のガスを供給するタイミングと、バーナへの空気供給量を増加させる方向へと制御を開始するタイミングは、いずれか一方が先であってもよいし、両方が同時に行われてもよい。他のガスを供給するタイミングに基づいてバーナへの空気供給量を増加させる方向へと制御するタイミングが決定されればよい。
【００８０】
また、第１実施形態乃至第３実施形態はいずれも燃料電池を備えた燃料電池システムとして構成されたが、燃料電池を備えず、改質器と、変成器と浄化器（または変成器と浄化器のいずれか一方）とを備える、水素生成装置あるいは水素生成装置の運転方法として構成してもよい。かかる構成は、例えば燃料電池に水素含有ガスを供給する水素生成装置であって、起動時にバーナの立ち消えや燃焼排ガス中の一酸化炭素量の増加を抑えることが可能な水素生成装置あるいは水素生成装置の運転方法として有用である。
【００８１】
なお、上述の説明では、改質器と変成器と浄化器とは分離された構成としたが、改質器と変成器と浄化器とが一つの装置の内部に配設された一体型の水素生成装置として構成されてもよい。
【００８２】
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】
【００８３】
本発明に係る燃料電池システムは、水素生成装置内を通流した原料ガスを含む可燃性ガスを用いて燃焼器で燃焼加熱している際に、改質器または改質器からバーナに至るガス流路に原料ガスと異なる他のガスが供給開始される場合におけるバーナにおける立ち消えや一酸化炭素の発生を抑えることが可能な水素生成装置、これを備える燃料電池システムおよびその運転方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】図１は、第１実施形態の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】図２は、第１実施形態の燃料電池システムの起動時の各段階における、ガスの全流量と、バーナへの原料ガス供給量と、バーナへ供給されるガス中の原料ガス濃度と、バーナでの完全燃焼に必要な空気供給量とを示す表である。
【図３】図３は、第１実施形態の燃料電池システムの起動後のバーナへの空気供給量の変化を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態の燃料電池システムの起動時における制御装置１１１による制御を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第２実施形態の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６】図６は、第３実施形態の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。
【符号の説明】
【００８５】
１００  燃料電池システム
１０１  改質器
１０２  バーナ
１０３  変成器
１０４  浄化器
１０５  燃料電池
１０６  改質水蒸発部
１０７  改質水供給装置
１０８  バーナ空気供給装置
１０９  第１の三方弁
１１０  第２の三方弁
１１１  制御装置
１１２  改質器温度検出器
１１３  変成器温度検出器
１１４  浄化器温度検出器
１１５  計時装置
１１６  ＣＰＵ
１１７  メモリ
２００  燃料電池システム
２０１  改質器
２０２  バーナ
２０３  変成器
２０４  浄化器
２０５  燃料電池
２０７  変成空気供給装置
２０８  バーナ空気供給装置
２０９  第１の三方弁
２１０  第２の三方弁
２１１  制御装置
２１２  改質器温度検出器
２１３  変成器温度検出器
２１４  浄化器温度検出器
２１５  計時装置
２１６  ＣＰＵ
２１７  メモリ
３００  燃料電池システム
３０１  改質器
３０２  バーナ
３０３  変成器
３０４  浄化器
３０５  燃料電池
３０７  浄化空気供給装置
３０８  バーナ空気供給装置
３０９  第１の三方弁
３１０  第２の三方弁
３１１  制御装置
３１２  改質器温度検出器
３１３  変成器温度検出器
３１４  浄化器温度検出器
３１５  計時装置
３１６  ＣＰＵ
３１７  メモリ
【図１】
0005135209.tif 000002
【図２】
0005135209.tif 000003
【図３】
0005135209.tif 000004
【図４】
0005135209.tif 000005
【図５】
0005135209.tif 000006
【図６】
0005135209.tif 000007