(57)【要約】燃料電池発電システム１００は、その起動時に、バイパス手段１８、２０を経由して前記燃料極に原料ガスが注入され、かつ制御装置３６は、原料流量測定手段４０により出力される出力値に基づいて、原料供給切り替え手段を動作させて、前記燃料極１１ａへの前記原料ガスの供給を停止した後、燃料生成装置１２への原料ガス供給を開始するものである。
2005015673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料生成装置と、原料ガスを前記燃料生成装置に供給する原料供給手段と、前記燃料生成装置から供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料生成装置をバイパスして原料ガスを前記燃料電池の燃料極に供給するバイパス手段と、前記原料供給手段から原料ガスを供給する供給先を、前記燃料生成装置と前記バイパス手段との間で切り替える原料供給切り替え手段と、前記原料供給手段と前記燃料極との間の原料ガス経路に配置され、前記バイパス手段を流れる原料ガスの流量を計測する原料流量測定手段と、制御装置と、を備え、
燃料電池発電システムの起動時に、前記バイパス手段を経由して前記燃料極に原料ガスが注入され、かつ、前記制御装置は、前記原料流量測定手段により出力される出力値に基づいて、前記原料供給切り替え手段を動作させて、前記燃料極への前記原料ガスの供給を停止した後、前記燃料生成装置への原料ガス供給を開始する燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記原料ガス経路に脱硫器を備え、前記脱硫器により前記原料ガスとしての都市ガスに含有される硫黄成分が除去される請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記燃料生成装置を加熱する燃焼器を備え、前記バイパス経路を経由して前記燃料極を流れる原料ガスまたは前記原料供給手段から供給される原料ガスが、前記燃焼器により燃焼される請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記原料供給切り替え手段の上流に、前記原料供給手段から送出される原料ガスの流量を調整する原料流量調整手段を備えた請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記燃料極および前記燃料生成装置の少なくとも何れか一方に、空気を供給する空気供給手段を備え、前記空気供給手段により前記燃料極および前記燃料生成装置の少なくとも何れか一方に空気が供給されると共に前記空気の供給が停止した後、前記バイパス手段を経由した原料ガスが前記燃料極に供給される請求項１記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、燃料電池を用いて発電する燃料電池発電システムに関する。
〔技術背景〕
従来の燃料電池発電システムは主として、燃料極で水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を消費しかつ空気極で酸素ガスを消費して発電する燃料電池と、空気極に酸素ガスを送るブロアと、原料ガス（例えば、都市ガスや天然ガス）と水蒸気から水蒸気改質反応によって改質ガスを生成する燃料生成装置と、燃料極において消費されなかった改質ガス（オフガス）に含有される水蒸気を凝縮する凝縮器と、オフガスを燃焼して得られる燃焼ガスの熱交換により燃料生成装置の改質触媒体を加熱するバーナと、を有している。
こうした燃料電池発電システムの起動の際には、特開昭６２−２７６７６３号公報や特開２００２−１１０２０７号公報に開示された燃料電池発電システムのパージ方法のように、燃料電池発電システムの内部に窒素ガスパージ処理を行うことにより空気と燃料ガスからなる混合ガス異常燃焼の発生等が適切に抑制されている。
一方、窒素ガスパージ処理には、窒素ボンベや窒素分離発生装置の専用の窒素設備が必要であり、燃料電池発電システムを家庭用定置型分散発電源や電気自動車用電源等の用途として使用する場合に、上記の窒素設備は、発電システムのコスト低減およびサイズコンパクト化の両面に対して制約を与えていた。
このため、燃料電池発電システムの起動の際の窒素ガスパージ処理に替えて、原料ガスにより燃料電池発電システムの内部をパージ処理する原料ガスパージ処理技術が知られている。例えば、ＵＳ２００３／０１０４７１１Ａ１号の公報に記載の燃料電池発電システムによれば、バイパス経路を経由した脱硫ガス（イオウ成分を除去した原料ガス）を燃料ガス供給配管から燃料極に導き、そこを原料ガスによりパージ処理した後、原料ガスを燃料生成装置に導くように制御するパージガス系統技術が示されている（図６および図７並びにこれらの関連記載を参照）。
ところで、少なくとも原料ガスの燃料生成装置への供給の開始前には、燃料電池発電システムの燃料極に対する原料ガスパージ処理動作を確実に完了させておくことが、後ほど述べる理由により燃料生成装置の改質反応安定化を図るうえで肝要であると、本願発明者等は判断しており、原料ガスパージ処理技術を使った燃料電池発電システムにあっては、燃料極に対する原料ガスパージ処理動作の停止時期判定機能は不可欠な要素技術である。
そうであるにもかかわらず、上記ＵＳ２００３／０１０４７１１Ａ１号の公報に記載の装置では、燃料極に対する原料ガスパージ処理の停止時期の判定は困難である。
【発明の開示】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、システムの起動時に、原料ガスによりその燃料極をパージ処理する際に、原料ガスパージ処理の停止時期を適切に判定可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
そして、この目的を達成するために、本発明に係る燃料電池発電システムは、原料ガスを改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料生成装置と、原料ガスを前記燃料生成装置に供給する原料供給手段と、前記燃料生成装置から供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料生成装置をバイパスして原料ガスを前記燃料電池の燃料極に供給するバイパス手段と、前記原料供給手段から原料ガスを供給する供給先を、前記燃料生成装置と前記バイパス手段との間で切り替える原料供給切り替え手段と、前記原料供給手段と前記燃料極との間の原料ガス経路に配置され、前記バイパス手段を流れる原料ガスの流量を計測する原料流量測定手段と、制御装置と、を備え、燃料電池発電システムの起動時に、前記バイパス手段を経由して前記燃料極に原料ガスが注入され、かつ、前記制御装置は、前記原料流量測定手段により出力された出力値に基づいて、前記原料供給切り替え手段を動作させて、前記燃料極への前記原料ガスの供給を停止した後に、前記燃料生成装置への原料ガス供給を開始するものである。
これにより、システムの起動時に、原料ガスにより燃料極をパージ処理する際に、原料ガスパージ処理の停止時期を適切に判定可能な燃料電池発電システムが得られる。
なおここで、前記原料ガス経路に脱硫器を備え、前記脱硫器により前記原料ガスとしての都市ガスに含有される硫黄成分が除去されるように構成しても良い。
また、前記燃料生成装置を加熱する燃焼器を備え、前記バイパス経路を経由して前記燃料極を流れる原料ガスまたは前記原料供給手段から供給される原料ガスが、前記燃焼器により燃焼されるように構成しても良い。
また、前記原料供給切り替え手段の上流に、前記原料供給手段から送出される原料ガスの流量を調整する原料流量調整手段を備えても良い。
これにより、原料ガスのバーナへの供給が急激に変動することを回避でき、バーナの燃焼状態を安定に維持できる。
また、前記燃料極および前記燃料生成装置の少なくとも何れか一方に、空気を供給する空気供給手段を備え、前記空気供給手段により前記燃料極および前記燃料生成装置の少なくとも何れか一方に空気が供給されると共に前記空気の供給が停止した後、前記バイパス手段を経由した原料ガスが前記燃料極に供給されるように構成しても良い。
これにより、燃料電池発電システムの起動の際に、燃料極または燃料生成装置に可燃性ガスが残留する場合には、可燃性ガスを空気により押し出して燃料極または燃料生成装置の内部を空気雰囲気に置換できるため、燃料生成装置の昇温が適切に実行され得る。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
図２は、第１の実施の形態における原料供給切り替え手段の変形例を示したブロック図である。
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
図７は、第５の実施の形態における原料供給切り替え手段の変形例を示したブロック図である。
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
図９は、図８における破線部分（空気供給手段と昇圧器）の変形例を示したブロック図である。
参照符号一覧表
１１                燃料電池
１１ａ              燃料極
１１ｃ              空気極
１２                燃料生成装置
１３                原料供給源
１４                原料供給路
１５                原料元弁
１６                燃料ガス供給路
１７                燃料ガス切り替え弁
１８                第１のバイパス路
１９                原料供給弁
２０                原料バイパス弁
２１                原料切り替え弁
２２                脱硫器
２３                昇圧器
２４                バーナ
２５                燃料ガス排出路
２６                第２のバイパス路
２７                原料ガス分岐路
２８                バーナ用原料供給弁
２９                原料流量調整弁
３０                バイパス路流量調整弁
３１                空気供給路
３２                第１の空気弁
３３                ブロア
３４                空気逆流防止弁
３５                第２の空気弁
３６                制御装置
４０                原料流量計
４４                分流弁
４５                凝縮器
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
この燃料電池発電システム１００の主要部は、燃料極１１ａで水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を消費しかつ空気極１１ｃで酸素ガス（酸化剤ガス）を消費して発電する燃料電池１１と、空気極１１ｃに酸素ガスを送るブロア４３と、メタンガス、天然ガス又はプロパンガス等の少なくとも炭素および水素からなる化合物を含有する原料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料生成装置１２と、燃料生成装置１２に原料を供給する原料供給手段１３と、により構成されている。
また、この燃料電池発電システム１００のガス供給系統は、原料ガス供給の上流側から説明すると、原料供給手段１３から流出する原料ガスを燃料生成装置１２に導く原料供給路１４と、燃料生成装置１２から流出する燃料ガスを燃料電池１１の燃料極１１ａに導く燃料ガス供給路１６と、原料供給路１４の途中から分岐して延びて、燃料ガス供給路１６の途中に接続する第１のバイパス路１８と、第１のバイパス路１８と原料供給路１４との分岐箇所より上流側に位置して原料供給路１４の途中に配置され、原料ガスの下流側への供給及び遮断を可能にする原料元弁１５と、原料供給手段１３と原料元弁１５の間の原料供給路１４の途中に配置され、原料ガス流量を検知すると共にその積算流量を計測する原料流量計４０と、上記分岐箇所より下流側に位置して原料供給路１４の途中に配置され、原料ガスの燃料生成装置１２への供給及び遮断を可能にする原料供給弁１９と、第１のバイパス路１８の途中に配置され、原料ガスの燃料極１１ａへの供給及び遮断を可能にする原料バイパス弁２０と、第１のバイパス路１８と燃料ガス供給路１６との接続箇所より上流側に位置して燃料ガス供給路１６の途中に配置され、燃料ガスの供給先を燃料電池１１の燃料極１１ａ又は他の装置（図示せず）に切り替え可能な燃料ガス切り替え弁１７と、を有している。なお原料供給手段１３としては、例えば、炭化水素ガスを充填したボンベや都市ガス配管に設けられた開閉弁等が挙げられる。
ここで、第１のバイパス路１８の原料ガス通流動作および原料供給弁１９の開閉動作並びに原料バイパス弁２０の開閉動作によって、原料供給路１４を流れる原料ガスを、上記の分岐箇所において第１のバイパス路１８を通して燃料生成装置１２をバイパスしつつ燃料ガス供給路１６、更にはその下流の燃料極１１ａに導くことが可能である。
すなわち、原料供給切り替え動作は、原料供給弁１９の開閉動作および原料バイパス弁２０の開閉動作によって実現される。また、バイパス手段としての具体的な実施態様は、第１のバイパス路１８と原料バイパス弁２０と、によって構成されている。
なお、原料ガス流量を測定してその積算流量を計測する原料流量計４０の代替手段として、第１のバイパス路１８の途中に同様の原料流量計を配置しても良い。
また、制御装置３６は、原料流量計４０から出力される積算流量に対応する検知信号を受け取って、この信号に基づいて原料供給弁１９と原料バイパス弁２０の動作を適切に制御する。
なお図示は省略しているが、制御装置３６は、燃料電池発電システム１００の全体の動作も制御している。
次に、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作例を説明する。なお、第１の実施の形態の燃料電池発電システムの動作について説明しつつ、その発電方法の一実施の形態も併せて述べる（以下、第２〜第６の実施の形態も同様）。
燃料電池発電システム１００の起動時に、制御装置３６は、原料元弁１５と原料バイパス弁２０を開く一方、原料供給弁１９を閉める。
また、制御装置３６は、燃料ガス切換弁１７の切り替え動作を実行して、燃料ガス供給路１６の燃料生成装置側の部分１６ａを燃料電池１１に供給しないポート（外部への排出ポート１７ａ）に接続する。
この状態において、原料供給手段１３から原料供給路１４を通って流れる原料ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料ガス供給路１６の燃料電池側の部分１６ｂに導かれ、続いて、この部分１６ｂに導かれた原料ガスは、燃料極１１ａに注入されて燃料極１１ａの内部をパージした後、燃料極１１ａの排出流路からその外部に流出する。
ここで、制御装置３６は、原料流量計４０から出力される検知信号を監視してそこを通過する原料ガスの積算流量を検出し、この積算流量と、第１のバイパス路１８の容積や燃料極１１ａの容積等を合算した燃料電池発電システム１００の内容量（既知量）と、を比較する。
そして、パージ処理用の原料ガスの積算流量が少なくとも上記の内容量以上になるように、制御装置３６は燃料電池発電システム１００のガス供給系統を制御する。
燃料電池発電システム１００の内部に充填するガスを完全に原料ガスによりパージ処理するには、原料ガスの供給量は、少なくとも燃料電池発電システム１００の内容量（４〜５リットル）以上必要であり、望ましくは燃料電池発電システム１００の内容量の３倍程度必要である。
続いて、制御装置３６は、例えば、パージ処理用の原料ガスの積算流量として所定量（例えば、燃料電池発電システム１００の内容量の３倍）を燃料極１１ａに送出した時点で、原料バイパス弁２０を閉める。
そしてその後、制御装置３６は、原料供給弁１９を開ける。こうして、原料ガスの燃料極１１ａへの注入が完了した後、原料ガスの燃料生成装置１２への供給が開始される。
即ち、制御装置３６は、原料流量計４０により得られる原料ガスの積算流量（原料流量計４０の出力値）に基づき燃料極１１ａに対する原料ガスパージ処理の停止時期判定する機能を有している。
一方、燃料生成装置１２に送られた原料ガスは、高温状態の改質触媒体（図示せず）で水蒸気と共に改質反応して、その反応の結果、水素リッチな燃料ガスが生成する。また、燃料生成装置１２には、改質反応後の燃料ガスに含有される一酸化炭素ガスを、適切に除去可能な機能が備わっており、これにより、燃料電池１１の白金系（Ｐｔ）電極触媒にダメージを与えないレベル以下に一酸化炭素ガス濃度が低下され得る。
なお、燃料生成装置１２の起動時から所定期間の間には、燃料生成装置１２の内部が低温にあることに起因して一酸化炭素ガスの除去機能を充分に発揮できずに燃料ガス中の一酸化炭素ガス濃度を所定レベル以下に下げることが難しい。
このため、上記の所定期間の間は、制御装置３６は、燃料ガスの燃料極１１ａへの供給を防止するように、燃料ガス切り替え弁１７をそのままの状態（燃料ガス供給路１６の燃料生成装置側の部分１６ａと外部の排出側ポート１７ａとを連通する状態）に維持する。
外部に排出した燃料ガスは、燃料生成装置１２を加熱するバーナ又は他のバーナ（図示せず）に供給してそこで燃焼処理しても良い。
そして、燃料ガス中の一酸化炭素ガス濃度が所定レベル以下に低下すると、制御装置３６は、燃料ガス切り替え弁１７の切り替え動作を実行して燃料ガス供給路１６と燃料極１１ａとを連通して、燃料ガス供給路１６を通流する燃料ガスは、燃料極１１ａに供給され、空気極１１ｃの空気と共に燃料電池１１の発電に利用される。
燃料極１１ａから発電に使用されなかったオフガス（水素ガスと、水蒸気と、二酸化炭素ガスと、一酸化炭素ガスとの混合ガス）は、燃料極１１ａから燃料電池１１の外部に排出される。外部に排出したオフガスは、燃料生成装置１２を加熱するバーナ又は他のバーナ（図示せず）に供給してそこで燃料処理しても良い。
こうした燃料電池発電システム１００は、以下の作用効果を奏する。
第１に、制御装置３６が、原料流量計４０により得られる原料ガスの積算流量に基づき、燃料極１１ａに対する原料ガスパージ処理の停止時期を決定するという原料ガスパージ処理の停止機能を有しており、これにより、燃料極１１ａへの原料ガスパージ処理を完了した後に、原料ガスの燃料生成装置１２への供給を開始するという処理手順が確実に取られ得る。
仮に、両方の処理を同時進行させると、燃料生成装置１２の内部の改質反応の進行に基づく分子量増大や燃料生成装置１２の内部温度の上昇によって燃料生成装置１２の内部体積が増え、これにより燃料生成装置１２の内部圧力の損失が増大して、燃料生成装置１２に供給する原料ガス流量と燃料極１１ａをパージ処理する原料ガス流量とが変動を来たし、最終的にはバーナ火炎不安定化や燃料生成装置１２の改質反応不安定に繋がる可能性がある。
また仮に、上記の処理手順を逆にすると、燃料極１１ａへの原料ガス供給を開始した瞬間に、バーナに供給する流量バランスが崩れて、上記と同様にバーナ火炎不安定化や燃料生成装置１２の改質反応不安定化に繋がりかねない。
第２に、以下に示すように、燃料ガスと空気との混合による異常燃焼を抑制して、原料ガスパージ処理により燃料極１１ａに滞留する空気を適切に外部に排出することが可能になる。
即ち、システム停止期間中に、燃料電池１１の下流流路に空気が混入し、この混入した空気が、燃料極１１ａまで拡散して燃料極１１ａの内部の白金系電極触媒の近傍に滞留する可能性がある。もしくは、空気極１１ｃに存在する空気が、電界質膜（図示せず）を通過することにより燃料極１１ａまで拡散して燃料極１１ａの内部の電極触媒の近傍に滞留する可能性もある。
こうなると、次回の起動時に、空気の滞留する燃料極１１ａに不用意に燃料ガス（水素ガス）を供給すると、水素ガスと酸素ガスとの混合による可燃範囲（水素ガスの可燃範囲：４％〜７５％）は広く、かつ水素と酸素からなる混合ガスは、白金系触媒の作用により低温反応可能なため、これらの混合ガスが、燃料極１１ａの白金電極触媒の作用により異常燃焼しかねない。
一方、原料ガス（例えば、メタンガス）と酸素ガスとの混合による可燃範囲は、水素ガスに比べて充分に狭く（メタンガスの可燃範囲：５％〜１５％）、かつメタンと酸素からなる混合ガスの反応は、低温で進行しないため、予め燃料極１１ａに原料ガスを注入することにより、原料ガスが燃料極１１ａに滞留するガス（例えば、空気）を押し出し、水素ガスと酸素ガスとが燃料極１１ａにて混合することが未然に防止され得る。
なおここでは、原料供給切り替え手段は、図１に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図２に示した第１のバイパス路１８と、原料供給路１４を通流する原料ガスを燃料生成装置１２に導く場合と第１のバイパス路１８に導く場合と、に切り替える原料切り替え弁２１と、により構成することも可能である。
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、原料切り替え弁２１と、により構成されたものである。これにより、燃料電池発電システム１００の起動時に、制御装置３６は、原料元弁１５を開いてかつ原料切り替え弁２１の切り替え動作を実行して原料供給路１４と第１のバイパス路１８を連通する。そして、原料供給手段１３から送られる原料ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料極１１ａに注入され得る。
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図１と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
この燃料電池発電システム１１０には、図１に示した燃料電池発電システム１００の構成に加え、都市ガスに含有する腐臭剤としての硫黄成分を除去する脱硫器２２と、都市ガスを所定の圧力まで昇圧する昇圧器２３とが設けられている。よってここでは、原料供給手段１３としては、都市ガス配管１３ａに設けられた開閉弁（図示せず）が使用される。
次に、この燃料電池発電システム１１０の動作例を説明する。但し、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００の動作と共通するものは簡略化して述べる。
燃料電池発電システム１１０の起動時には、制御装置３６は、原料元弁１５と原料バイパス弁２０とを開きかつ原料供給弁１９を閉める。同時に、燃料ガス切り替え弁１７を燃料ガスの排出側に切り替え動作して、昇圧器２３を作動させる。
都市ガス配管１３ａにより脱硫器２２に導かれた都市ガスは、脱硫器２２において硫黄成分を除去された後、昇圧器２３により所定圧力まで昇圧され原料供給路１４に送出される。そして、原料供給路１４に送出された都市ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料極１１ａに導かれる。燃料極１１ａに導かれた都市ガスは、燃料極１１ａの内部をパージ処理して、燃料極１１ａの排出流路からその外部に排出される。
次に、制御装置３６は原料バイバス弁２０を閉めて、都市ガスの燃料電池１１への注入が終了する。その後、制御装置３６は、原料供給弁１９を開いて、昇圧器２３で昇圧した都市ガスが燃料生成装置１２に供給される。
なお、これ以降の燃料電池発電システム１１０の動作は、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００の動作と同じため、ここではその説明は省略する。
この燃料電池発電システム１１０は、第１の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
燃料極１１ａに脱硫後の都市ガスを注入したため、燃料極１１ａの硫黄被毒を防止でき、これにより、燃料電池１１の耐久性の向上を図り得る。また、通常、約２ｋＰａの都市ガス圧力を昇圧器２３において昇圧してパージ処理する際に、この昇圧器２３の能力を任意に可変させることによりパージ用の都市ガス流量を可変でき、最適な都市ガス流量かつ最適なパージ処理時間においてパージ処理を実行することが可能になる。
ここでは、原料供給切り替え手段は、図３に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図２に示した第１のバイパス路１８と、原料供給路１４を通流する都市ガスを、燃料生成装置１２に導く場合と第１のバイパス路１８に導く場合とに切り替える原料切り替え弁２１と、により構成することも可能である。
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、原料切り替え弁２１と、により構成されるものである。
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図３と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
この燃料電池発電システム１２０には、図３に示した燃料電池発電システム１１０の構成に加え、改質反応を行うために燃料生成装置１２を高温に保持するバーナ２４（燃焼器）と、燃料極１１ａから排出される排出用燃料ガス（オフガスやパージ処理済みガス）をバーナ２４に供給する燃料ガス排出路２５と、燃料ガス排出路２５の途中に配置され、燃料ガス中に含有する水蒸気を除去する凝縮器４５と、燃料ガス切り替え弁１７の切り替え動作により、燃料ガス供給路１６と燃料ガス排出路２５との間を繋ぎ、燃料電池１１の燃料極１１ａをバイパスするように燃料生成装置１２から送出するガスを導く第２のバイパス路２６と、が設けられている。
次に、この燃料電池発電システム１２０の動作例を説明する。但し、第１および第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作と共通するものは簡略化して述べる。
燃料電池発電システム１２０の起動時には、制御装置３６は、原料元弁１５と原料バイパス弁２０とを開きかつ原料供給弁１９を閉める。同時に、制御装置３６は、燃料ガス切り替え弁１７を燃料ガス供給路１６と第２のバイパス路２６とを連通するように切り替え動作して、昇圧器２３を作動させる。
都市ガス配管１３ａにより脱硫器２２に導かれた都市ガスは、脱硫器２２において硫黄成分を除去された後、昇圧器２３により所定圧力まで昇圧され原料供給路１４に送出される。そして、原料供給路１４に送出された都市ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料極１１ａに導かれる。燃料極１１ａに導かれた都市ガスは、燃料極１１ａの内部をパージ処理して、燃料極１１ａからその外部に流出する。外部に流出した都市ガスは、燃料ガス排出路２５を通ってバーナ２４に送られ、そこで燃焼処理して高温の燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスとの熱交換により燃料生成装置１２は加熱され得る。なお、この燃焼ガスは、燃料生成装置１２を加熱した後、大気に排出される。
次に、制御装置３６は、原料バイパス弁２０を閉めて、都市ガスの燃料電池１１への注入が終了する。その後、制御装置３６が、原料供給弁１９を開いて、これにより昇圧器２３で昇圧した都市ガスが燃料生成装置１２に供給される。
燃料生成装置１２に送られた都市ガスは、高温状態の改質触媒体（図示せず）において水蒸気と共に改質反応して、その反応の結果として水素リッチな燃料ガスが生成する。また、燃料生成装置１２には、改質反応後の燃料ガスに含有する一酸化炭素ガスを、適切に除去可能な機能が内蔵されており、これにより、燃料電池１１の白金系（Ｐｔ）電極触媒にダメージを与えないレベル以下に一酸化炭素ガス濃度を低下できる。
なお、燃料生成装置１２の起動時から所定期間の間には、燃料生成装置１２の内部が低温状態にあることに起因して一酸化炭素ガスの除去機能を充分に発揮できずに燃料ガス中の一酸化炭素ガス濃度を所定レベル以下に下げることが難しい。
このため、制御装置３６は、上記の所定期間の間は、燃料ガスの燃料極１１ａへの供給を防止するように、燃料ガス切り替え弁１７をそのままの状態（燃料ガス供給路１６と第２のバイパス路２６とが連通する状態）に維持する。そして、一酸化炭素ガスを多く含んだ燃料ガスは、第２のバイパス路２６を経由して燃料ガス排出路２５に送られた後、燃料生成装置１２を加熱するバーナ２４に供給され、そこで燃焼処理される。
一方、燃料ガス中の一酸化炭素ガス濃度が所定レベル以下に低下すると、制御装置３６は、燃料ガス切り替え弁１７の切り替え動作を実行して燃料ガス供給路１６と燃料極１１ａとを連通して、これにより、燃料ガス供給路１６を通流する燃料ガスは、燃料極１１ａに供給され、空気極１１ｃの空気と共に燃料電池１１の発電に利用される。なお、燃料極１１ａから発電に使用されなかったオフガス（水素ガスと、水蒸気と、二酸化炭素ガスと、一酸化炭素ガスとの混合ガス）は、燃料極１１ａから燃料ガス排出路２５に流出する。燃料ガス排出路２５に流出したオフガスは、燃料生成装置１２を加熱するバーナ２４に供給され、そこで燃料処理される。
この燃料電池発電システム１２０は、第１および第２の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
燃料電池１１の内部をパージ処理してその燃料極１１ａから流出する脱硫した都市ガスは、燃料生成装置１２のバーナ２４において燃焼処理して燃料生成装置１２の加熱用燃焼ガスとして処理されるため、パージ処理済みの可燃ガスを適切に処置でき、システム外部への可燃ガスの不用意な放出を未然に防止できかつ可燃ガスの燃焼熱を有効に利用できる。
ここでは、原料供給切り替え手段は、図４に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図２に示した第１のバイパス路１８と、原料供給路１４を通流する都市ガスを、燃料生成装置１２に導く場合と第１のバイパス路１８に導く場合とに切り替える原料切り替え弁２１と、により構成することも可能である。
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、原料切り替え弁２１と、により構成されるものである。
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図４と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
この燃料電池発電システム１３０には、図４に示した燃料電池発電システム１２０の構成に加え、都市ガス配管１３ａから分岐してバーナ２４に延び、都市ガスをバーナ２４に供給する原料ガス分岐路２７と、原料ガス分岐路２７の途中に配置され、都市ガスのバーナ２４への供給及び遮断を実行するバーナ用原料供給弁２８と、都市ガス配管１３ａと原料ガス分岐路２７との分岐箇所に配置され、原料ガス分岐路２７を流れる都市ガス流量および原料供給路１４を流れる都市ガス流量を調整可能な分流弁４４と、が設けられている。なお、このバーナ用原料供給弁２８の開閉動作および分流弁４４の分流動作は、制御装置３６により制御されている。
次に、この燃料電池発電システム１３０の動作例を説明する。但し、第１〜第３の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作と共通するものは簡略化して述べる。
燃料電池発電システム１３０の起動時には、都市ガス配管１３ａを流れる都市ガスは、分流弁４４において原料ガス分岐路２７を流れる都市ガスと、原料供給路１４を流れる都市ガスとに適切な割合で分流される。
この状態で、制御装置３６は、バーナ用原料供給弁２８を開いて原料ガス分岐路２７を経由して都市ガスをバーナ２４に供給する。そして、バーナ２４において都市ガスが燃焼し生成した燃焼ガスとの熱交換により燃料生成装置１２が速やかに昇温される。なお、燃料生成装置１２と熱交換した燃焼ガスは、大気に放出される。
原料供給路１４を流れる都市ガスに対する燃料電池発電システム１３０の動作は、第３の実施の形態に係る燃料電池発電システム１２０の動作と同じであるため、ここではその説明は省略する。
この燃料電池発電システム１３０は、第１〜第３の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
燃焼ガスとの熱交換による燃料生成装置１２の昇温動作と燃料極１１ａへの脱硫した都市ガスの注入によるパージ動作とが並行して実行され、これにより燃料電池発電システム１３０の起動時間の短縮が図られる。
ここでは、原料供給切り替え手段は、図５に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図２に示した第１のバイパス路１８と、原料供給路１４を通流する都市ガスを、燃料生成装置１２に導く場合と第１のバイパス路１８に導く場合とに切り替える原料切り替え弁２１と、により構成することも可能である。
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、原料切り替え弁２１と、により構成されるものである。
（第５の実施の形態）
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図５と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
燃料電池発電システム１４０には、図５に示した燃料電池発電システム１３０の構成に加え、昇圧器２３より下流側かつ第１のバイパス路１８と原料供給路１４との分岐箇所より上流側に位置して原料供給路１４の途中に配置され、都市ガス流量を調整可能な原料流量調整弁２９（原料流量調整手段）が設けられている。なお、この原料流量調整弁２９の調整動作は制御装置３６により制御されている。
次に、この燃料電池発電システム１４０の動作例を説明する。但し、第１〜第４の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作と共通するものは簡略化して述べる。
燃料電池発電システム１４０の起動時には、都市ガス配管１３ａを流れる都市ガスは、分流弁４４において原料ガス分岐路２７を流れる都市ガスと、原料供給路１４を流れる都市ガスとに適切な割合で分流される。この状態で、制御装置３６は、バーナ用原料供給弁２８を開いて原料ガス分岐路２７を経由して都市ガスをバーナ２４に供給する。そして、バーナ２４において都市ガスが燃焼して生成された燃焼ガスとの熱交換により、燃料生成装置１２が速やかに昇温される。
一方、制御装置３６は、原料元弁１５と原料バイパス弁２０とを開きかつ原料供給弁１９を閉める。そして、制御装置３６は、燃料ガス切り替え弁１７を燃料ガス供給路１６と第２のバイパス路２６とを連通するように切り替え動作して、昇圧器２３を作動させる。
こうして、都市ガス配管１３ａにより脱硫器２２に導かれた都市ガスは、脱硫器２２において硫黄成分を除去された後、昇圧器２３により所定圧力まで昇圧され原料供給路１４に送出される。そして、原料供給路１４に送出された都市ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料極１１ａに導かれる。燃料極１１ａに導かれた都市ガスは、燃料極１１ａの内部をパージ処理して、燃料極１１ａから燃料ガス排出路２５に流出する。燃料ガス排出路２５に流出した都市ガスは、燃料ガス排出路２５を通ってバーナ２４に送られ、そこで燃焼処理して高温の燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスとの熱交換により燃料生成装置１２を加熱することができる。なお、この燃焼ガスは、燃料生成装置１２を加熱した後に大気に排出される。
次に、制御装置３６は、既に説明した所定量の都市ガスによって燃料極１１ａをパージ処理できたと判断すると、原料バイパス弁２０を閉じて都市ガスを燃料極１１ａに導くことを停止する。続いて、制御装置３６は、原料供給弁１９を開いて都市ガスの燃料生成装置１２への供給を開始する。
ここで、都市ガスの燃料極１１ａへの注入開始の際には、原料流量調整弁２９の動作として、その調整弁２９の開度が、全閉状態から徐々に開けて所定のガス流量に落ち着くように制御装置３６により調整される。また、都市ガスの燃料極１１ａへの注入終了の際には、原料流量調整弁２９の動作として、その調整弁２９の開度が、所定の開度から徐々に閉じて全閉状態に至るように制御装置３６により調整される。
なお、これ以降の燃料電池発電システム１４０の動作は、第４の実施の形態に係る燃料電池発電システム１３０の動作と同じため、その説明は省略する。
この燃料電池発電システム１４０は、第１〜第４の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
原料流量調整弁２９の開度調整動作により、都市ガスの燃料極１１ａへの注入開始の際には、都市ガスの注入量が流量ゼロ（調整弁２９の開度：全閉状態）から徐々に増加して所定の流量に到達するように制御され、都市ガスの燃料極１１ａへの注入終了の際には、都市ガス注入量が所定の流量から徐々に減少して流量ゼロに至るように制御されるため、燃料極１１ａから送出されるパージ処理済みの都市ガス流量が急激に変動してバーナ２４に供給されるという不具合が抑制され、バーナ２４の燃焼状態を安定に維持することが可能である。
ここでは、原料供給切り替え手段は、図６に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、原料流量調整弁２９と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図７に示した第１のバイパス路１８と、原料供給弁１９と、第１のバイパス路１８を通流するガスの流量を調整可能なバイパス路流量調整弁３０と、により構成することも可能である。即ち、バイパス路流量調整弁３０の開度調整動作により、都市ガスの燃料極１１ａへの注入開始の際には、都市ガスの注入量が流量ゼロ（調整弁３０の開度：全閉状態）から徐々に増加して所定の流量に到達するように制御され、都市ガスの燃料極１１ａへの注入終了の際には、都市ガス注入量が所定の流量から徐々に減少して流量ゼロに至るように制御され得る。
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、バイパス路流量調整弁３０と、により構成されるものである。
（第６の実施の形態）
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図５と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
この燃料電池発電システム１５０には、図５に示した燃料電池発電システム１３０の構成に加え、原料供給路１４に向けて空気を送風するブロア３３と、ブロア３３から原料供給路１４に空気を導く空気供給路３１と、空気供給路３１の途中に配置され、原料供給路１４への空気の供給及び遮断を実行する第１の空気弁３２と、原料供給路１４に導かれた空気が脱硫器２２の方向に逆流することを防止するため、昇圧器２３より下流側かつ空気供給路３１と原料供給路１４との接続箇所より上流側に位置して原料供給路１４の途中に配置された空気逆流防止弁３４と、が設けられている。
ここで、空気供給手段の具体的な実施の形態は、図８に示した空気供給路３１と、第１の空気弁３２と、ブロア３３と、空気逆流防止弁３４と、によって構成されたものである。また、第１の空気弁３２の開閉動作は、制御装置３６により制御されている。
次に、この燃料電池発電システム１４０の動作例を説明する。但し、第１〜第４の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作と共通するものは簡略化して述べる。
燃料電池発電システム１４０の起動時には、制御装置３６は、原料供給弁１９及び第１の空気弁３２を開きかつ原料バイパス弁２０及び空気逆流防止弁３４を閉め、更に、燃料ガス切り替え弁１７の切り替え動作により燃料ガス供給路１６と燃料極１１ａとを連通する。
この状態で、制御装置３６は、ブロア３３を作動する。そして、ブロア３３から送風した空気は、空気供給路３１を通って原料供給路１４に導かれた後、その空気は、空気逆流防止弁３４により脱硫器２２の方向への流入が遮られ、燃料生成装置１２に送られる。燃料生成装置１２に送られた空気は、その内部をパージ処理して燃料ガス供給路１６に送出される。次いで、燃料ガス供給路１６に送出された空気は、燃料極１１ａに送られる。燃料極１１ａに送られた空気は、燃料極１１ａをパージ処理して燃料ガス排出路２５に送出される。次いで、燃料ガス排出路２５に送出された空気は、凝縮器４５を通過して燃料ガス排出路２５を流れ、バーナ２４に送られ、そこで処理される。なお、空気の原料供給路１４への供給を停止する際には、制御装置３６は、ブロア３３の作動を停止すると共に第１の空気弁３２を閉める。
これ以降の燃料電池発電システム１５０の動作は、第４の実施の形態に係る燃料電池発電システム１３０の動作と同じため、その説明は省略する。
この燃料電池発電システム１５０は、第１〜第４の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
燃料電池発電システム１５０の起動の際に、燃料極１１ａおよび燃料生成装置１２に滞留するガス例として、その停止期間に流路下流箇所において大気から混入して燃料極１１ａに拡散した空気が想定され得る。
また、停電やバーナ火炎の失火等の何らかの不具合により可燃ガス（都市ガス、メタン、プロパンまたは天然ガス）の燃料極１１ａ等への混入および拡散も想定され得る。
とりわけ、燃料電池発電システム１５０の停止期間中に可燃ガスが燃料極１１ａ等に混入する場合には、次回の起動時の都市ガスパージ処理を行う際に、想定熱量以上の可燃性ガスがバーナ２４に送られるため、燃料生成装置１２の温度が過昇する懸念がある。
こうした問題に適切に対処するため、燃料電池発電システム１５０の起動の際には、燃料極１１ａおよび燃料生成装置１２に滞留するガスを空気によりシステム外部に排出する。これにより、燃料極１１ａおよび燃料生成装置１２の内部ガスを空気という特定ガスに置換可能なため、その後の都市ガスパージ動作が適切に実行され得る。即ち、燃料極１１ａおよび燃料生成装置１２の内部ガスを空気に置き換えるというガス雰囲気リセット動作が実行されることになる。
なおここでは、空気供給路３１と、第１の空気弁３２と、ブロア３３と、空気逆流防止弁３４と、によって構成した空気供給手段が、昇圧器２３より下流側かつ原料供給路１４と第１のバイパス路１８との分岐箇所より上流側に位置する原料供給路１４に対して空気を供給する例を説明したが、これが、脱硫器２２と昇圧器２３の間の原料供給路１４に対して空気を供給するように構成しても良い。
また、ここでの空気の注入手順例として、燃料生成装置１２に空気を供給し、次いで、燃料生成装置１２に供給した空気を燃料電池１１に送るという直列的な供給方法を示したが、原料バイパス弁２０の開閉動作および燃料ガス切り替え弁１７の開閉動作によって燃料生成装置１２への空気供給と燃料電池１１への空気供給とを並行して行うことも両者を独立して行うことも可能である。
また、図８に示した破線部分に囲った構成要素（空気供給手段と昇圧器２３）を、図９に示した昇圧器２３と、昇圧器２３の上流側に位置して原料供給路１４の途中に配置された空気逆流防止弁３４と、一端を大気に開放しかつ他端を昇圧器２３と空気逆流防止弁３４との間の原料供給路１４に連通するように配置された空気供給路３１と、空気供給路３１の途中に配置された第２の空気弁３５と、により置き換えることも可能である。すなわち、燃料生成装置１２への空気注入の際には、制御装置３６は、空気逆流防止弁３４を閉めかつ第２の空気弁３５を開いて、この状態において昇圧器２３の作動を開始する。これにより、昇圧器２３は、空気を原料供給路１４に送風するためのブロアの役割を兼ねて、第２の空気弁３５の一端から吸い込んだ空気を原料供給路１４（正確には昇圧器２３と空気逆流防止弁３４との間の原料供給路１４）に導くことが可能である。
なお、燃料生成装置１２には、白金族貴金属（白金、ルテニウム、ロジウムまたはパラジウム）のうちの少なくとも１種類以上および金属酸化物からなる変成触媒体を収納する変成部と、変成部に一酸化炭素ガスと水蒸気を副成分として含有する水素ガスを供給する水素ガス供給部とが設けられている。こうすると、燃料生成装置１２の変成触媒体の耐酸化性が向上するため、燃料生成装置１２に空気を注入する形態における燃料電池発電システムの耐久性向上が図られる。
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の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。
〔産業上の利用の可能性〕
本発明による燃料電池システムは、燃料電池発電システムの起動の際に、燃料電池の燃料極を適切に原料ガスパージ処理することが可能になり、家庭用または自動車用等の燃料電池発電システムとして有用である。
【図１】
2005015673.tif 000003
【図２】
2005015673.tif 000004
【図３】
2005015673.tif 000005
【図４】
2005015673.tif 000006
【図５】
2005015673.tif 000007
【図６】
2005015673.tif 000008
【図７】
2005015673.tif 000009
【図８】
2005015673.tif 000010
【図９】
2005015673.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成17年2月24日(2005.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料生成装置と、原料ガスを前記燃料生成装置に供給する原料供給手段と、前記燃料生成装置から供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料生成装置をバイパスして原料ガスを前記燃料電池の燃料極に供給するバイパス手段と、前記原料供給手段から原料ガスを供給する供給先を、前記燃料生成装置と前記バイパス手段との間で切り替える原料供給切り替え手段と、前記原料供給手段と前記燃料極との間の原料ガス経路に配置され、前記バイパス手段を流れる原料ガスの流量を計測する原料流量測定手段と、制御装置と、を備え、
燃料電池発電システムの起動時に、前記バイパス手段を経由して前記燃料極に原料ガスが注入され、かつ、前記制御装置は、前記原料流量測定手段により出力される出力値に基づいて、前記原料供給切り替え手段を動作させて、前記燃料極への前記原料ガスの供給を停止した後、前記燃料生成装置への原料ガス供給を開始する燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記原料ガス経路に脱硫器を備え、前記脱硫器により前記原料ガスとしての都市ガスに含有される硫黄成分が除去される請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記燃料生成装置を加熱する燃焼器を備え、前記バイパス経路を経由して前記燃料極を流れる原料ガスまたは前記原料供給手段から供給される原料ガスが、前記燃焼器により燃焼される請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記原料供給切り替え手段の上流に、前記原料供給手段から送出される原料ガスの流量を調整する原料流量調整手段を備えた請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記燃料極および前記燃料生成装置の少なくとも何れか一方に、空気を供給する空気供給手段を備え、前記空気供給手段により前記燃料極および前記燃料生成装置の少なくとも何れか一方に空気が供給されると共に前記空気の供給が停止した後、前記バイパス手段を経由した原料ガスが前記燃料極に供給される請求項１記載の燃料電池発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電する燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池発電システムは主として、燃料極で水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を消費しかつ空気極で酸素ガスを消費して発電する燃料電池と、空気極に酸素ガスを送るブロアと、原料ガス（例えば、都市ガスや天然ガス）と水蒸気から水蒸気改質反応によって改質ガスを生成する燃料生成装置と、燃料極において消費されなかった改質ガス（オフガス）に含有される水蒸気を凝縮する凝縮器と、オフガスを燃焼して得られる燃焼ガスの熱交換により燃料生成装置の改質触媒体を加熱するバーナと、を有している。
【０００３】
こうした燃料電池発電システムの起動の際には、燃料電池発電システムのパージ方法のように、燃料電池発電システムの内部に窒素ガスパージ処理を行うことにより空気と燃料ガスからなる混合ガス異常燃焼の発生等が適切に抑制されている（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００４】
一方、窒素ガスパージ処理には、窒素ボンベや窒素分離発生装置の専用の窒素設備が必要であり、燃料電池発電システムを家庭用定置型分散発電源や電気自動車用電源等の用途として使用する場合に、上記の窒素設備は、発電システムのコスト低減およびサイズコンパクト化の両面に対して制約を与えていた。
【０００５】
このため、燃料電池発電システムの起動の際の窒素ガスパージ処理に替えて、原料ガスにより燃料電池発電システムの内部をパージ処理する原料ガスパージ処理技術が知られている。例えば、バイパス経路を経由した脱硫ガス（イオウ成分を除去した原料ガス）を燃料ガス供給配管から燃料極に導き、そこを原料ガスによりパージ処理した後、原料ガスを燃料生成装置に導くように制御するパージガス系統技術が示されている（特許文献３の図６および図７並びにこれらの関連記載を参照）。
【特許文献１】特開昭６２−２７６７６３号公報
【特許文献２】特開２００２−１１０２０７号公報
【特許文献３】米国公開特許２００３／０１０４７１１Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、少なくとも原料ガスの燃料生成装置への供給の開始前には、燃料電池発電システムの燃料極に対する原料ガスパージ処理動作を確実に完了させておくことが、後ほど述べる理由により燃料生成装置の改質反応安定化を図るうえで肝要であると、本願発明者等は判断しており、原料ガスパージ処理技術を使った燃料電池発電システムにあっては、燃料極に対する原料ガスパージ処理動作の停止時期判定機能は不可欠な要素技術である。
【０００７】
そうであるにもかかわらず、上記特許文献３に記載の装置では、燃料極に対する原料ガスパージ処理の停止時期の判定は困難である。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、システムの起動時に、原料ガスによりその燃料極をパージ処理する際に、原料ガスパージ処理の停止時期を適切に判定可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そして、この目的を達成するために、本発明に係る燃料電池発電システムは、原料ガスを改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料生成装置と、原料ガスを前記燃料生成装置に供給する原料供給手段と、前記燃料生成装置から供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料生成装置をバイパスして原料ガスを前記燃料電池の燃料極に供給するバイパス手段と、前記原料供給手段から原料ガスを供給する供給先を、前記燃料生成装置と前記バイパス手段との間で切り替える原料供給切り替え手段と、前記原料供給手段と前記燃料極との間の原料ガス経路に配置され、前記バイパス手段を流れる原料ガスの流量を計測する原料流量測定手段と、制御装置と、を備え、燃料電池発電システムの起動時に、前記バイパス手段を経由して前記燃料極に原料ガスが注入され、かつ、前記制御装置は、前記原料流量測定手段により出力された出力値に基づいて、前記原料供給切り替え手段を動作させて、前記燃料極への前記原料ガスの供給を停止した後に、前記燃料生成装置への原料ガス供給を開始するものである。
【００１０】
これにより、システムの起動時に、原料ガスにより燃料極をパージ処理する際に、原料ガスパージ処理の停止時期を適切に判定可能な燃料電池発電システムが得られる。
【００１１】
なおここで、前記原料ガス経路に脱硫器を備え、前記脱硫器により前記原料ガスとしての都市ガスに含有される硫黄成分が除去されるように構成しても良い。
【００１２】
また、前記燃料生成装置を加熱する燃焼器を備え、前記バイパス経路を経由して前記燃料極を流れる原料ガスまたは前記原料供給手段から供給される原料ガスが、前記燃焼器により燃焼されるように構成しても良い。
【００１３】
また、前記原料供給切り替え手段の上流に、前記原料供給手段から送出される原料ガスの流量を調整する原料流量調整手段を備えても良い。
【００１４】
これにより、原料ガスのバーナへの供給が急激に変動することを回避でき、バーナの燃焼状態を安定に維持できる。
【００１５】
また、前記燃料極および前記燃料生成装置の少なくとも何れか一方に、空気を供給する空気供給手段を備え、前記空気供給手段により前記燃料極および前記燃料生成装置の少なくとも何れか一方に空気が供給されると共に前記空気の供給が停止した後、前記バイパス手段を経由した原料ガスが前記燃料極に供給されるように構成しても良い。
【００１６】
これにより、燃料電池発電システムの起動の際に、燃料極または燃料生成装置に可燃性ガスが残留する場合には、可燃性ガスを空気により押し出して燃料極または燃料生成装置の内部を空気雰囲気に置換できるため、燃料生成装置の昇温が適切に実行され得る。
【００１７】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、システムの起動時に、原料ガスによりその燃料極をパージ処理する際に、原料ガスパージ処理の停止時期を適切に判定可能な燃料電池発電システムが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
【００２１】
この燃料電池発電システム１００の主要部は、燃料極１１ａで水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を消費しかつ空気極１１ｃで酸素ガス（酸化剤ガス）を消費して発電する燃料電池１１と、空気極１１ｃに酸素ガスを送るブロア４３と、メタンガス、天然ガス又はプロパンガス等の少なくとも炭素および水素からなる化合物を含有する原料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料生成装置１２と、燃料生成装置１２に原料を供給する原料供給手段１３と、により構成されている。
【００２２】
また、この燃料電池発電システム１００のガス供給系統は、原料ガス供給の上流側から説明すると、原料供給手段１３から流出する原料ガスを燃料生成装置１２に導く原料供給路１４と、燃料生成装置１２から流出する燃料ガスを燃料電池１１の燃料極１１ａに導く燃料ガス供給路１６と、原料供給路１４の途中から分岐して延びて、燃料ガス供給路１６の途中に接続する第１のバイパス路１８と、第１のバイパス路１８と原料供給路１４との分岐箇所より上流側に位置して原料供給路１４の途中に配置され、原料ガスの下流側への供給及び遮断を可能にする原料元弁１５と、原料供給手段１３と原料元弁１５の間の原料供給路１４の途中に配置され、原料ガス流量を検知すると共にその積算流量を計測する原料流量計４０と、上記分岐箇所より下流側に位置して原料供給路１４の途中に配置され、原料ガスの燃料生成装置１２への供給及び遮断を可能にする原料供給弁１９と、第１のバイパス路１８の途中に配置され、原料ガスの燃料極１１ａへの供給及び遮断を可能にする原料バイパス弁２０と、第１のバイパス路１８と燃料ガス供給路１６との接続箇所より上流側に位置して燃料ガス供給路１６の途中に配置され、燃料ガスの供給先を燃料電池１１の燃料極１１ａ又は他の装置（図示せず）に切り替え可能な燃料ガス切り替え弁１７と、を有している。なお原料供給手段１３としては、例えば、炭化水素ガスを充填したボンベや都市ガス配管に設けられた開閉弁等が挙げられる。
【００２３】
ここで、第１のバイパス路１８の原料ガス通流動作および原料供給弁１９の開閉動作並びに原料バイパス弁２０の開閉動作によって、原料供給路１４を流れる原料ガスを、上記の分岐箇所において第１のバイパス路１８を通して燃料生成装置１２をバイパスしつつ燃料ガス供給路１６、更にはその下流の燃料極１１ａに導くことが可能である。
【００２４】
すなわち、原料供給切り替え動作は、原料供給弁１９の開閉動作および原料バイパス弁２０の開閉動作によって実現される。また、バイパス手段としての具体的な実施態様は、第１のバイパス路１８と原料バイパス弁２０と、によって構成されている。
【００２５】
なお、原料ガス流量を測定してその積算流量を計測する原料流量計４０の代替手段として、第１のバイパス路１８の途中に同様の原料流量計を配置しても良い。
【００２６】
また、制御装置３６は、原料流量計４０から出力される積算流量に対応する検知信号を受け取って、この信号に基づいて原料供給弁１９と原料バイパス弁２０の動作を適切に制御する。
【００２７】
なお図示は省略しているが、制御装置３６は、燃料電池発電システム１００の全体の動作も制御している。
【００２８】
次に、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作例を説明する。なお、第１の実施の形態の燃料電池発電システムの動作について説明しつつ、その発電方法の一実施の形態も併せて述べる（以下、第２〜第６の実施の形態も同様）。
【００２９】
燃料電池発電システム１００の起動時に、制御装置３６は、原料元弁１５と原料バイパス弁２０を開く一方、原料供給弁１９を閉める。
【００３０】
また、制御装置３６は、燃料ガス切換弁１７の切り替え動作を実行して、燃料ガス供給路１６の燃料生成装置側の部分１６ａを燃料電池１１に供給しないポート（外部への排出ポート１７ａ）に接続する。
【００３１】
この状態において、原料供給手段１３から原料供給路１４を通って流れる原料ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料ガス供給路１６の燃料電池側の部分１６ｂに導かれ、続いて、この部分１６ｂに導かれた原料ガスは、燃料極１１ａに注入されて燃料極１１ａの内部をパージした後、燃料極１１ａの排出流路からその外部に流出する。
【００３２】
ここで、制御装置３６は、原料流量計４０から出力される検知信号を監視してそこを通過する原料ガスの積算流量を検出し、この積算流量と、第１のバイパス路１８の容積や燃料極１１ａの容積等を合算した燃料電池発電システム１００の内容量（既知量）と、を比較する。
【００３３】
そして、パージ処理用の原料ガスの積算流量が少なくとも上記の内容量以上になるように、制御装置３６は燃料電池発電システム１００のガス供給系統を制御する。
【００３４】
燃料電池発電システム１００の内部に充填するガスを完全に原料ガスによりパージ処理するには、原料ガスの供給量は、少なくとも燃料電池発電システム１００の内容量（４〜５リットル）以上必要であり、望ましくは燃料電池発電システム１００の内容量の３倍程度必要である。
【００３５】
続いて、制御装置３６は、例えば、パージ処理用の原料ガスの積算流量として所定量（例えば、燃料電池発電システム１００の内容量の３倍）を燃料極１１ａに送出した時点で、原料バイパス弁２０を閉める。
【００３６】
そしてその後、制御装置３６は、原料供給弁１９を開ける。こうして、原料ガスの燃料極１１ａへの注入が完了した後、原料ガスの燃料生成装置１２への供給が開始される。
【００３７】
即ち、制御装置３６は、原料流量計４０により得られる原料ガスの積算流量（原料流量計４０の出力値）に基づき燃料極１１ａに対する原料ガスパージ処理の停止時期判定する機能を有している。
【００３８】
一方、燃料生成装置１２に送られた原料ガスは、高温状態の改質触媒体（図示せず）で水蒸気と共に改質反応して、その反応の結果、水素リッチな燃料ガスが生成する。また、燃料生成装置１２には、改質反応後の燃料ガスに含有される一酸化炭素ガスを、適切に除去可能な機能が備わっており、これにより、燃料電池１１の白金系（Ｐｔ）電極触媒にダメージを与えないレベル以下に一酸化炭素ガス濃度が低下され得る。
【００３９】
なお、燃料生成装置１２の起動時から所定期間の間には、燃料生成装置１２の内部が低温にあることに起因して一酸化炭素ガスの除去機能を充分に発揮できずに燃料ガス中の一酸化炭素ガス濃度を所定レベル以下に下げることが難しい。
【００４０】
このため、上記の所定期間の間は、制御装置３６は、燃料ガスの燃料極１１ａへの供給を防止するように、燃料ガス切り替え弁１７をそのままの状態（燃料ガス供給路１６の燃料生成装置側の部分１６ａと外部の排出側ポート１７ａとを連通する状態）に維持する。
【００４１】
外部に排出した燃料ガスは、燃料生成装置１２を加熱するバーナ又は他のバーナ（図示せず）に供給してそこで燃焼処理しても良い。
【００４２】
そして、燃料ガス中の一酸化炭素ガス濃度が所定レベル以下に低下すると、制御装置３６は、燃料ガス切り替え弁１７の切り替え動作を実行して燃料ガス供給路１６と燃料極１１ａとを連通して、燃料ガス供給路１６を通流する燃料ガスは、燃料極１１ａに供給され、空気極１１ｃの空気と共に燃料電池１１の発電に利用される。
【００４３】
燃料極１１ａから発電に使用されなかったオフガス（水素ガスと、水蒸気と、二酸化炭素ガスと、一酸化炭素ガスとの混合ガス）は、燃料極１１ａから燃料電池１１の外部に排出される。外部に排出したオフガスは、燃料生成装置１２を加熱するバーナ又は他のバーナ（図示せず）に供給してそこで燃料処理しても良い。
【００４４】
こうした燃料電池発電システム１００は、以下の作用効果を奏する。
【００４５】
第１に、制御装置３６が、原料流量計４０により得られる原料ガスの積算流量に基づき、燃料極１１ａに対する原料ガスパージ処理の停止時期を決定するという原料ガスパージ処理の停止機能を有しており、これにより、燃料極１１ａへの原料ガスパージ処理を完了した後に、原料ガスの燃料生成装置１２への供給を開始するという処理手順が確実に取られ得る。
【００４６】
仮に、両方の処理を同時進行させると、燃料生成装置１２の内部の改質反応の進行に基づく分子量増大や燃料生成装置１２の内部温度の上昇によって燃料生成装置１２の内部体積が増え、これにより燃料生成装置１２の内部圧力の損失が増大して、燃料生成装置１２に供給する原料ガス流量と燃料極１１ａをパージ処理する原料ガス流量とが変動を来たし、最終的にはバーナ火炎不安定化や燃料生成装置１２の改質反応不安定に繋がる可能性がある。
【００４７】
また仮に、上記の処理手順を逆にすると、燃料極１１ａへの原料ガス供給を開始した瞬間に、バーナに供給する流量バランスが崩れて、上記と同様にバーナ火炎不安定化や燃料生成装置１２の改質反応不安定化に繋がりかねない。
【００４８】
第２に、以下に示すように、燃料ガスと空気との混合による異常燃焼を抑制して、原料ガスパージ処理により燃料極１１ａに滞留する空気を適切に外部に排出することが可能になる。
【００４９】
即ち、システム停止期間中に、燃料電池１１の下流流路に空気が混入し、この混入した空気が、燃料極１１ａまで拡散して燃料極１１ａの内部の白金系電極触媒の近傍に滞留する可能性がある。もしくは、空気極１１ｃに存在する空気が、電界質膜（図示せず）を通過することにより燃料極１１ａまで拡散して燃料極１１ａの内部の電極触媒の近傍に滞留する可能性もある。
【００５０】
こうなると、次回の起動時に、空気の滞留する燃料極１１ａに不用意に燃料ガス（水素ガス）を供給すると、水素ガスと酸素ガスとの混合による可燃範囲（水素ガスの可燃範囲：４％〜７５％）は広く、かつ水素と酸素からなる混合ガスは、白金系触媒の作用により低温反応可能なため、これらの混合ガスが、燃料極１１ａの白金電極触媒の作用により異常燃焼しかねない。
【００５１】
一方、原料ガス（例えば、メタンガス）と酸素ガスとの混合による可燃範囲は、水素ガスに比べて充分に狭く（メタンガスの可燃範囲：５％〜１５％）、かつメタンと酸素からなる混合ガスの反応は、低温で進行しないため、予め燃料極１１ａに原料ガスを注入することにより、原料ガスが燃料極１１ａに滞留するガス（例えば、空気）を押し出し、水素ガスと酸素ガスとが燃料極１１ａにて混合することが未然に防止され得る。
【００５２】
なおここでは、原料供給切り替え手段は、図１に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図２に示した第１のバイパス路１８と、原料供給路１４を通流する原料ガスを燃料生成装置１２に導く場合と第１のバイパス路１８に導く場合と、に切り替える原料切り替え弁２１と、により構成することも可能である。
【００５３】
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、原料切り替え弁２１と、により構成されたものである。これにより、燃料電池発電システム１００の起動時に、制御装置３６は、原料元弁１５を開いてかつ原料切り替え弁２１の切り替え動作を実行して原料供給路１４と第１のバイパス路１８を連通する。そして、原料供給手段１３から送られる原料ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料極１１ａに注入され得る。
【００５４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図１と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
【００５５】
この燃料電池発電システム１１０には、図１に示した燃料電池発電システム１００の構成に加え、都市ガスに含有する腐臭剤としての硫黄成分を除去する脱硫器２２と、都市ガスを所定の圧力まで昇圧する昇圧器２３とが設けられている。よってここでは、原料供給手段１３としては、都市ガス配管１３ａに設けられた開閉弁（図示せず）が使用される。
【００５６】
次に、この燃料電池発電システム１１０の動作例を説明する。但し、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００の動作と共通するものは簡略化して述べる。
【００５７】
燃料電池発電システム１１０の起動時には、制御装置３６は、原料元弁１５と原料バイパス弁２０とを開きかつ原料供給弁１９を閉める。同時に、燃料ガス切り替え弁１７を燃料ガスの排出側に切り替え動作して、昇圧器２３を作動させる。
【００５８】
都市ガス配管１３ａにより脱硫器２２に導かれた都市ガスは、脱硫器２２において硫黄成分を除去された後、昇圧器２３により所定圧力まで昇圧され原料供給路１４に送出される。そして、原料供給路１４に送出された都市ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料極１１ａに導かれる。燃料極１１ａに導かれた都市ガスは、燃料極１１ａの内部をパージ処理して、燃料極１１ａの排出流路からその外部に排出される。
【００５９】
次に、制御装置３６は原料バイパス弁２０を閉めて、都市ガスの燃料電池１１への注入が終了する。その後、制御装置３６は、原料供給弁１９を開いて、昇圧器２３で昇圧した都市ガスが燃料生成装置１２に供給される。
【００６０】
なお、これ以降の燃料電池発電システム１１０の動作は、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００の動作と同じため、ここではその説明は省略する。
【００６１】
この燃料電池発電システム１１０は、第１の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
【００６２】
燃料極１１ａに脱硫後の都市ガスを注入したため、燃料極１１ａの硫黄被毒を防止でき、これにより、燃料電池１１の耐久性の向上を図り得る。また、通常、約２ｋＰａの都市ガス圧力を昇圧器２３において昇圧してパージ処理する際に、この昇圧器２３の能力を任意に可変させることによりパージ用の都市ガス流量を可変でき、最適な都市ガス流量かつ最適なパージ処理時間においてパージ処理を実行することが可能になる。
【００６３】
ここでは、原料供給切り替え手段は、図３に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図２に示した第１のバイパス路１８と、原料供給路１４を通流する都市ガスを、燃料生成装置１２に導く場合と第１のバイパス路１８に導く場合とに切り替える原料切り替え弁２１と、により構成することも可能である。
【００６４】
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、原料切り替え弁２１と、により構成されるものである。
【００６５】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図３と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
【００６６】
この燃料電池発電システム１２０には、図３に示した燃料電池発電システム１１０の構成に加え、改質反応を行うために燃料生成装置１２を高温に保持するバーナ２４（燃焼器）と、燃料極１１ａから排出される排出用燃料ガス（オフガスやパージ処理済みガス）をバーナ２４に供給する燃料ガス排出路２５と、燃料ガス排出路２５の途中に配置され、燃料ガス中に含有する水蒸気を除去する凝縮器４５と、燃料ガス切り替え弁１７の切り替え動作により、燃料ガス供給路１６と燃料ガス排出路２５との間を繋ぎ、燃料電池１１の燃料極１１ａをバイパスするように燃料生成装置１２から送出するガスを導く第２のバイパス路２６と、が設けられている。
【００６７】
次に、この燃料電池発電システム１２０の動作例を説明する。但し、第１および第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作と共通するものは簡略化して述べる。
【００６８】
燃料電池発電システム１２０の起動時には、制御装置３６は、原料元弁１５と原料バイパス弁２０とを開きかつ原料供給弁１９を閉める。同時に、制御装置３６は、燃料ガス切り替え弁１７を燃料ガス供給路１６と第２のバイパス路２６とを連通するように切り替え動作して、昇圧器２３を作動させる。
【００６９】
都市ガス配管１３ａにより脱硫器２２に導かれた都市ガスは、脱硫器２２において硫黄成分を除去された後、昇圧器２３により所定圧力まで昇圧され原料供給路１４に送出される。そして、原料供給路１４に送出された都市ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料極１１ａに導かれる。燃料極１１ａに導かれた都市ガスは、燃料極１１ａの内部をパージ処理して、燃料極１１ａからその外部に流出する。外部に流出した都市ガスは、燃料ガス排出路２５を通ってバーナ２４に送られ、そこで燃焼処理して高温の燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスとの熱交換により燃料生成装置１２は加熱され得る。なお、この燃焼ガスは、燃料生成装置１２を加熱した後、大気に排出される。
【００７０】
次に、制御装置３６は、原料バイパス弁２０を閉めて、都市ガスの燃料電池１１への注入が終了する。その後、制御装置３６が、原料供給弁１９を開いて、これにより昇圧器２３で昇圧した都市ガスが燃料生成装置１２に供給される。
【００７１】
燃料生成装置１２に送られた都市ガスは、高温状態の改質触媒体（図示せず）において水蒸気と共に改質反応して、その反応の結果として水素リッチな燃料ガスが生成する。また、燃料生成装置１２には、改質反応後の燃料ガスに含有する一酸化炭素ガスを、適切に除去可能な機能が内蔵されており、これにより、燃料電池１１の白金系（Ｐｔ）電極触媒にダメージを与えないレベル以下に一酸化炭素ガス濃度を低下できる。
【００７２】
なお、燃料生成装置１２の起動時から所定期間の間には、燃料生成装置１２の内部が低温状態にあることに起因して一酸化炭素ガスの除去機能を充分に発揮できずに燃料ガス中の一酸化炭素ガス濃度を所定レベル以下に下げることが難しい。
【００７３】
このため、制御装置３６は、上記の所定期間の間は、燃料ガスの燃料極１１ａへの供給を防止するように、燃料ガス切り替え弁１７をそのままの状態（燃料ガス供給路１６と第２のバイパス路２６とが連通する状態）に維持する。そして、一酸化炭素ガスを多く含んだ燃料ガスは、第２のバイパス路２６を経由して燃料ガス排出路２５に送られた後、燃料生成装置１２を加熱するバーナ２４に供給され、そこで燃焼処理される。
【００７４】
一方、燃料ガス中の一酸化炭素ガス濃度が所定レベル以下に低下すると、制御装置３６は、燃料ガス切り替え弁１７の切り替え動作を実行して燃料ガス供給路１６と燃料極１１ａとを連通して、これにより、燃料ガス供給路１６を通流する燃料ガスは、燃料極１１ａに供給され、空気極１１ｃの空気と共に燃料電池１１の発電に利用される。なお、燃料極１１ａから発電に使用されなかったオフガス（水素ガスと、水蒸気と、二酸化炭素ガスと、一酸化炭素ガスとの混合ガス）は、燃料極１１ａから燃料ガス排出路２５に流出する。燃料ガス排出路２５に流出したオフガスは、燃料生成装置１２を加熱するバーナ２４に供給され、そこで燃料処理される。
【００７５】
この燃料電池発電システム１２０は、第１および第２の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
【００７６】
燃料電池１１の内部をパージ処理してその燃料極１１ａから流出する脱硫した都市ガスは、燃料生成装置１２のバーナ２４において燃焼処理して燃料生成装置１２の加熱用燃焼ガスとして処理されるため、パージ処理済みの可燃ガスを適切に処置でき、システム外部への可燃ガスの不用意な放出を未然に防止できかつ可燃ガスの燃焼熱を有効に利用できる。
【００７７】
ここでは、原料供給切り替え手段は、図４に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図２に示した第１のバイパス路１８と、原料供給路１４を通流する都市ガスを、燃料生成装置１２に導く場合と第１のバイパス路１８に導く場合とに切り替える原料切り替え弁２１と、により構成することも可能である。
【００７８】
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、原料切り替え弁２１と、により構成されるものである。
【００７９】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図４と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
【００８０】
この燃料電池発電システム１３０には、図４に示した燃料電池発電システム１２０の構成に加え、都市ガス配管１３ａから分岐してバーナ２４に延び、都市ガスをバーナ２４に供給する原料ガス分岐路２７と、原料ガス分岐路２７の途中に配置され、都市ガスのバーナ２４への供給及び遮断を実行するバーナ用原料供給弁２８と、都市ガス配管１３ａと原料ガス分岐路２７との分岐箇所に配置され、原料ガス分岐路２７を流れる都市ガス流量および原料供給路１４を流れる都市ガス流量を調整可能な分流弁４４と、が設けられている。なお、このバーナ用原料供給弁２８の開閉動作および分流弁４４の分流動作は、制御装置３６により制御されている。
【００８１】
次に、この燃料電池発電システム１３０の動作例を説明する。但し、第１〜第３の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作と共通するものは簡略化して述べる。
【００８２】
燃料電池発電システム１３０の起動時には、都市ガス配管１３ａを流れる都市ガスは、分流弁４４において原料ガス分岐路２７を流れる都市ガスと、原料供給路１４を流れる都市ガスとに適切な割合で分流される。
【００８３】
この状態で、制御装置３６は、バーナ用原料供給弁２８を開いて原料ガス分岐路２７を経由して都市ガスをバーナ２４に供給する。そして、バーナ２４において都市ガスが燃焼し生成した燃焼ガスとの熱交換により燃料生成装置１２が速やかに昇温される。なお、燃料生成装置１２と熱交換した燃焼ガスは、大気に放出される。
【００８４】
原料供給路１４を流れる都市ガスに対する燃料電池発電システム１３０の動作は、第３の実施の形態に係る燃料電池発電システム１２０の動作と同じであるため、ここではその説明は省略する。
【００８５】
この燃料電池発電システム１３０は、第１〜第３の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
【００８６】
燃焼ガスとの熱交換による燃料生成装置１２の昇温動作と燃料極１１ａへの脱硫した都市ガスの注入によるパージ動作とが並行して実行され、これにより燃料電池発電システム１３０の起動時間の短縮が図られる。
【００８７】
ここでは、原料供給切り替え手段は、図５に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図２に示した第１のバイパス路１８と、原料供給路１４を通流する都市ガスを、燃料生成装置１２に導く場合と第１のバイパス路１８に導く場合とに切り替える原料切り替え弁２１と、により構成することも可能である。
【００８８】
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、原料切り替え弁２１と、により構成されるものである。
【００８９】
（第５の実施の形態）
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図５と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
【００９０】
燃料電池発電システム１４０には、図５に示した燃料電池発電システム１３０の構成に加え、昇圧器２３より下流側かつ第１のバイパス路１８と原料供給路１４との分岐箇所より上流側に位置して原料供給路１４の途中に配置され、都市ガス流量を調整可能な原料流量調整弁２９（原料流量調整手段）が設けられている。なお、この原料流量調整弁２９の調整動作は制御装置３６により制御されている。
【００９１】
次に、この燃料電池発電システム１４０の動作例を説明する。但し、第１〜第４の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作と共通するものは簡略化して述べる。
【００９２】
燃料電池発電システム１４０の起動時には、都市ガス配管１３ａを流れる都市ガスは、分流弁４４において原料ガス分岐路２７を流れる都市ガスと、原料供給路１４を流れる都市ガスとに適切な割合で分流される。この状態で、制御装置３６は、バーナ用原料供給弁２８を開いて原料ガス分岐路２７を経由して都市ガスをバーナ２４に供給する。そして、バーナ２４において都市ガスが燃焼して生成された燃焼ガスとの熱交換により、燃料生成装置１２が速やかに昇温される。
【００９３】
一方、制御装置３６は、原料元弁１５と原料バイパス弁２０とを開きかつ原料供給弁１９を閉める。そして、制御装置３６は、燃料ガス切り替え弁１７を燃料ガス供給路１６と第２のバイパス路２６とを連通するように切り替え動作して、昇圧器２３を作動させる。
【００９４】
こうして、都市ガス配管１３ａにより脱硫器２２に導かれた都市ガスは、脱硫器２２において硫黄成分を除去された後、昇圧器２３により所定圧力まで昇圧され原料供給路１４に送出される。そして、原料供給路１４に送出された都市ガスは、第１のバイパス路１８を経由して燃料極１１ａに導かれる。燃料極１１ａに導かれた都市ガスは、燃料極１１ａの内部をパージ処理して、燃料極１１ａから燃料ガス排出路２５に流出する。燃料ガス排出路２５に流出した都市ガスは、燃料ガス排出路２５を通ってバーナ２４に送られ、そこで燃焼処理して高温の燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスとの熱交換により燃料生成装置１２を加熱することができる。なお、この燃焼ガスは、燃料生成装置１２を加熱した後に大気に排出される。
【００９５】
次に、制御装置３６は、既に説明した所定量の都市ガスによって燃料極１１ａをパージ処理できたと判断すると、原料バイパス弁２０を閉じて都市ガスを燃料極１１ａに導くことを停止する。続いて、制御装置３６は、原料供給弁１９を開いて都市ガスの燃料生成装置１２への供給を開始する。
【００９６】
ここで、都市ガスの燃料極１１ａへの注入開始の際には、原料流量調整弁２９の動作として、その調整弁２９の開度が、全閉状態から徐々に開けて所定のガス流量に落ち着くように制御装置３６により調整される。また、都市ガスの燃料極１１ａへの注入終了の際には、原料流量調整弁２９の動作として、その調整弁２９の開度が、所定の開度から徐々に閉じて全閉状態に至るように制御装置３６により調整される。
【００９７】
なお、これ以降の燃料電池発電システム１４０の動作は、第４の実施の形態に係る燃料電池発電システム１３０の動作と同じため、その説明は省略する。
【００９８】
この燃料電池発電システム１４０は、第１〜第４の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
【００９９】
原料流量調整弁２９の開度調整動作により、都市ガスの燃料極１１ａへの注入開始の際には、都市ガスの注入量が流量ゼロ（調整弁２９の開度：全閉状態）から徐々に増加して所定の流量に到達するように制御され、都市ガスの燃料極１１ａへの注入終了の際には、都市ガス注入量が所定の流量から徐々に減少して流量ゼロに至るように制御されるため、燃料極１１ａから送出されるパージ処理済みの都市ガス流量が急激に変動してバーナ２４に供給されるという不具合が抑制され、バーナ２４の燃焼状態を安定に維持することが可能である。
【０１００】
ここでは、原料供給切り替え手段は、図６に示した破線に囲った部分に相当する第１のバイパス路１８（バイパス手段）と、原料供給弁１９と、原料バイパス弁２０（バイパス手段）と、原料流量調整弁２９と、により構成されているが、この原料供給切り替え手段の変形例として、図７に示した第１のバイパス路１８と、原料供給弁１９と、第１のバイパス路１８を通流するガスの流量を調整可能なバイパス路流量調整弁３０と、により構成することも可能である。即ち、バイパス路流量調整弁３０の開度調整動作により、都市ガスの燃料極１１ａへの注入開始の際には、都市ガスの注入量が流量ゼロ（調整弁３０の開度：全閉状態）から徐々に増加して所定の流量に到達するように制御され、都市ガスの燃料極１１ａへの注入終了の際には、都市ガス注入量が所定の流量から徐々に減少して流量ゼロに至るように制御され得る。
【０１０１】
なおこの場合、バイパス手段としての具体的な実施の形態は、第１のバイパス路１８と、バイパス路流量調整弁３０と、により構成されるものである。
【０１０２】
（第６の実施の形態）
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。但し、図５と同じ部材については同一の符号を付与してかつその説明を省略する。
【０１０３】
この燃料電池発電システム１５０には、図５に示した燃料電池発電システム１３０の構成に加え、原料供給路１４に向けて空気を送風するブロア３３と、ブロア３３から原料供給路１４に空気を導く空気供給路３１と、空気供給路３１の途中に配置され、原料供給路１４への空気の供給及び遮断を実行する第１の空気弁３２と、原料供給路１４に導かれた空気が脱硫器２２の方向に逆流することを防止するため、昇圧器２３より下流側かつ空気供給路３１と原料供給路１４との接続箇所より上流側に位置して原料供給路１４の途中に配置された空気逆流防止弁３４と、が設けられている。
【０１０４】
ここで、空気供給手段の具体的な実施の形態は、図８に示した空気供給路３１と、第１の空気弁３２と、ブロア３３と、空気逆流防止弁３４と、によって構成されたものである。また、第１の空気弁３２の開閉動作は、制御装置３６により制御されている。
【０１０５】
次に、この燃料電池発電システム１４０の動作例を説明する。但し、第１〜第４の実施の形態に係る燃料電池発電システムの動作と共通するものは簡略化して述べる。
【０１０６】
燃料電池発電システム１４０の起動時には、制御装置３６は、原料供給弁１９及び第１の空気弁３２を開きかつ原料バイパス弁２０及び空気逆流防止弁３４を閉め、更に、燃料ガス切り替え弁１７の切り替え動作により燃料ガス供給路１６と燃料極１１ａとを連通する。
【０１０７】
この状態で、制御装置３６は、ブロア３３を作動する。そして、ブロア３３から送風した空気は、空気供給路３１を通って原料供給路１４に導かれた後、その空気は、空気逆流防止弁３４により脱硫器２２の方向への流入が遮られ、燃料生成装置１２に送られる。燃料生成装置１２に送られた空気は、その内部をパージ処理して燃料ガス供給路１６に送出される。次いで、燃料ガス供給路１６に送出された空気は、燃料極１１ａに送られる。燃料極１１ａに送られた空気は、燃料極１１ａをパージ処理して燃料ガス排出路２５に送出される。次いで、燃料ガス排出路２５に送出された空気は、凝縮器４５を通過して燃料ガス排出路２５を流れ、バーナ２４に送られ、そこで処理される。なお、空気の原料供給路１４への供給を停止する際には、制御装置３６は、ブロア３３の作動を停止すると共に第１の空気弁３２を閉める。
【０１０８】
これ以降の燃料電池発電システム１５０の動作は、第４の実施の形態に係る燃料電池発電システム１３０の動作と同じため、その説明は省略する。
【０１０９】
この燃料電池発電システム１５０は、第１〜第４の実施の形態で得られる効果に加え、以下の効果も奏する。
【０１１０】
燃料電池発電システム１５０の起動の際に、燃料極１１ａおよび燃料生成装置１２に滞留するガス例として、その停止期間に流路下流箇所において大気から混入して燃料極１１ａに拡散した空気が想定され得る。
【０１１１】
また、停電やバーナ火炎の失火等の何らかの不具合により可燃ガス（都市ガス、メタン、プロパンまたは天然ガス）の燃料極１１ａ等への混入および拡散も想定され得る。
【０１１２】
とりわけ、燃料電池発電システム１５０の停止期間中に可燃ガスが燃料極１１ａ等に混入する場合には、次回の起動時の都市ガスパージ処理を行う際に、想定熱量以上の可燃性ガスがバーナ２４に送られるため、燃料生成装置１２の温度が過昇する懸念がある。
【０１１３】
こうした問題に適切に対処するため、燃料電池発電システム１５０の起動の際には、燃料極１１ａおよび燃料生成装置１２に滞留するガスを空気によりシステム外部に排出する。これにより、燃料極１１ａおよび燃料生成装置１２の内部ガスを空気という特定ガスに置換可能なため、その後の都市ガスパージ動作が適切に実行され得る。即ち、燃料極１１ａおよび燃料生成装置１２の内部ガスを空気に置き換えるというガス雰囲気リセット動作が実行されることになる。
【０１１４】
なおここでは、空気供給路３１と、第１の空気弁３２と、ブロア３３と、空気逆流防止弁３４と、によって構成した空気供給手段が、昇圧器２３より下流側かつ原料供給路１４と第１のバイパス路１８との分岐箇所より上流側に位置する原料供給路１４に対して空気を供給する例を説明したが、これが、脱硫器２２と昇圧器２３の間の原料供給路１４に対して空気を供給するように構成しても良い。
【０１１５】
また、ここでの空気の注入手順例として、燃料生成装置１２に空気を供給し、次いで、燃料生成装置１２に供給した空気を燃料電池１１に送るという直列的な供給方法を示したが、原料バイパス弁２０の開閉動作および燃料ガス切り替え弁１７の開閉動作によって燃料生成装置１２への空気供給と燃料電池１１への空気供給とを並行して行うことも両者を独立して行うことも可能である。
【０１１６】
また、図８に示した破線部分に囲った構成要素（空気供給手段と昇圧器２３）を、図９に示した昇圧器２３と、昇圧器２３の上流側に位置して原料供給路１４の途中に配置された空気逆流防止弁３４と、一端を大気に開放しかつ他端を昇圧器２３と空気逆流防止弁３４との間の原料供給路１４に連通するように配置された空気供給路３１と、空気供給路３１の途中に配置された第２の空気弁３５と、により置き換えることも可能である。すなわち、燃料生成装置１２への空気注入の際には、制御装置３６は、空気逆流防止弁３４を閉めかつ第２の空気弁３５を開いて、この状態において昇圧器２３の作動を開始する。これにより、昇圧器２３は、空気を原料供給路１４に送風するためのブロアの役割を兼ねて、第２の空気弁３５の一端から吸い込んだ空気を原料供給路１４（正確には昇圧器２３と空気逆流防止弁３４との間の原料供給路１４）に導くことが可能である。
【０１１７】
なお、燃料生成装置１２には、白金族貴金属（白金、ルテニウム、ロジウムまたはパラジウム）のうちの少なくとも１種類以上および金属酸化物からなる変成触媒体を収納する変成部と、変成部に一酸化炭素ガスと水蒸気を副成分として含有する水素ガスを供給する水素ガス供給部とが設けられている。こうすると、燃料生成装置１２の変成触媒体の耐酸化性が向上するため、燃料生成装置１２に空気を注入する形態における燃料電池発電システムの耐久性向上が図られる。
【０１１８】
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の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】
【０１１９】
本発明による燃料電池システムは、燃料電池発電システムの起動の際に、燃料電池の燃料極を適切に原料ガスパージ処理することが可能になり、家庭用または自動車用等の燃料電池発電システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
【図２】第１の実施の形態における原料供給切り替え手段の変形例を示したブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
【図７】第５の実施の形態における原料供給切り替え手段の変形例を示したブロック図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示したブロック図である。
【図９】図８における破線部分（空気供給手段と昇圧器）の変形例を示したブロック図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１１   燃料電池
１１ａ 燃料極
１１ｃ 空気極
１２ 燃料生成装置
１３ 原料供給源
１４ 原料供給路
１５ 原料元弁
１６ 燃料ガス供給路
１７ 燃料ガス切り替え弁
１８ 第１のバイパス路
１９ 原料供給弁
２０ 原料バイパス弁
２１ 原料切り替え弁
２２ 脱硫器
２３ 昇圧器
２４ バーナ
２５ 燃料ガス排出路
２６ 第２のバイパス路
２７ 原料ガス分岐路
２８ バーナ用原料供給弁
２９ 原料流量調整弁
３０ バイパス路流量調整弁
３１ 空気供給路
３２ 第１の空気弁
３３ ブロア
３４ 空気逆流防止弁
３５ 第２の空気弁
３６ 制御装置
４０ 原料流量計
４４ 分流弁
４５ 凝縮器
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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】
2005015673.tif 000016
【図６】
2005015673.tif 000017
【図７】
2005015673.tif 000018
【図８】
2005015673.tif 000019
【図９】
2005015673.tif 000020
【国際調査報告】
2005015673.tif 000021
2005015673.tif 000022
2005015673.tif 000023
2005015673.tif 000024