(57)【要約】【課題】未燃の炭化水素系燃料が混在した排ガスを熱や水の回収する系統に導入することを防ぐことができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】炭化水素系の燃焼用燃料ｍ２及び水素含有ガスｇ、ｐを導入し燃焼して改質熱を生成する燃焼部２３を有し水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質器２０と、改質ガスｇと酸素含有ガスｔとを導入し、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と、燃焼部２３における水素含有ガスｇ、ｐの燃焼で生成された燃焼排ガスＧｃの熱を回収する熱回収手段３４と、燃焼排ガスＧｃ及び燃焼用燃料ｍ２の燃焼で生成された燃焼排ガスＧｅを、熱回収手段３４へと導くのと系外に排出するのとを切り替える切替手段６８、６９と、燃焼用燃料ｍ２燃焼時の燃焼排ガスＧｅを系外へと排出するように切替手段６８、６９を制御する制御装置３９とを備える燃料電池システム１１とする。【選択図】図１
2007188842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料燃料と水とを導入し前記原料燃料を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器であって、炭化水素系の燃焼用燃料及び水素含有ガスを導入し燃焼して前記改質に必要な改質熱を生成する燃焼部を有する改質器と；
前記改質ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入し、前記改質ガス中の水素と前記酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池と；
前記燃焼部における燃焼で生成された燃焼排ガスの熱を回収する熱回収手段と；
前記燃焼排ガスを、前記熱回収手段へと導くのと系外に排出するのとを切り替える切替手段と；
前記燃焼部が前記燃焼用燃料を燃焼しているときに前記燃焼排ガスを系外へと排出するように前記切替手段を制御する制御装置とを備える；
燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器で生成された改質ガスを前記燃料電池の燃料極へと導く、第１の開閉弁が配設された改質ガス流路と；
前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスを前記燃焼部へと導く、第２の開閉弁が配設された燃料極オフガス流路と；
前記第１の開閉弁の上流側の前記改質ガス流路と前記第２の開閉弁の下流側の前記燃料極オフガス流路とを接続する、第３の開閉弁が配設されたバイパス流路と；
前記燃焼部で生成された燃焼排ガスを系外へと排出する、第４の開閉弁が配設された排ガス排出流路と；
前記燃焼部で生成された燃焼排ガスを前記熱回収手段へと導く、第５の開閉弁が配設された排ガス回収流路とを備え；
前記制御装置が、前記改質器の温度及び前記燃焼部での燃焼開始からの経過時間の少なくとも一方に基づいて、前記第１、第２、第５の開閉弁を閉かつ前記第４の開閉弁を開にする状態と、前記第１、第２、第５の開閉弁を開かつ前記第３及び第４の開閉弁を閉にする状態とを切り替える制御をするように構成された；
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱回収手段に代えて、前記燃焼部における燃焼で生成された燃焼排ガスに含まれる水及び前記燃料電池における電気化学的反応の際に生成された水を回収する水回収手段を備え；
前記切替手段が、前記燃焼排ガスを、前記水回収手段へと導くのと系外に排出するのとを切り替えるように構成された；
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水回収手段で回収した水を、前記改質器へ供給する回収改質水流路を備える；
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを加湿する加湿器と；
前記水回収手段で回収した水を、前記加湿器へ供給する回収加湿水流路とを備える；
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃焼用燃料が灯油又はガソリンである；
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に性能の低下を抑制しつつ熱や水を回収する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、クリーンな発電装置として注目されている。酸素は空気に含まれる形として、水素は改質器によって灯油等の炭化水素系燃料が改質された水素含有ガスに含まれて、燃料電池に供給されることが多い。改質器で炭化水素系燃料を水素含有ガスに改質するには改質熱を要する。改質熱を得るために、改質器の起動当初は炭化水素系燃料の一部を燃焼装置に導いて燃焼させ、水素含有ガスが燃料電池に供給されるようになると燃料電池で消費されなかった水素を含むオフガスを燃焼装置に導いて燃焼させることが行われる。
【０００３】
燃料電池に供給される水素含有ガス及び空気は、プロトン交換膜の電気伝導度を高く維持する観点から、所定の温度及び湿度に調節する必要がある。水素含有ガス及び空気を所定の温度及び湿度に調節するために必要な熱及び水をできる限り系内で賄うようにするため、改質器における改質熱を得る際の炭化水素系燃料及びオフガスを燃焼させた後に発生した排ガスから熱及び水分を回収するように構成された燃料電池システムがある（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２７６７５７号公報（図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、炭化水素系燃料を燃焼させた後に発生した排ガスには、燃焼装置での不完全燃焼や着火の失敗等により、未燃の炭化水素系燃料が混在する場合がある。未燃の炭化水素系燃料が混在した排ガスが、熱回収を行う例えば熱交換器に入ると炭化水素系燃料が内面に付着して熱交換効率が低下し、回収水に入ると回収水が炭化水素系燃料で汚染されて燃料電池の性能低下や故障を招くこととなる。
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑み、未燃の炭化水素系燃料が混在した排ガスを熱や水の回収する系統に導入することを防ぐことができる燃料電池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】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、原料燃料ｍ１と水ｓとを導入し原料燃料ｍ１を改質して水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質器２０であって、炭化水素系の燃焼用燃料ｍ２及び水素含有ガスｇ、ｐを導入し燃焼して改質に必要な改質熱を生成する燃焼部２３を有する改質器２０と；改質ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスｔとを導入し、改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と；燃焼部２３における燃焼で生成された燃焼排ガスＧｃの熱を回収する熱回収手段３４と；燃焼排ガスＧｃ、Ｇｅを、熱回収手段３４へと導くのと系外に排出するのとを切り替える切替手段６８、６９と；燃焼部２３が燃焼用燃料ｍ２を燃焼しているときに燃焼排ガスＧｅを系外へと排出するように切替手段６８、６９を制御する制御装置３９とを備える。
【０００７】
このように構成すると、燃焼部が炭化水素系の燃焼用燃料を燃焼しているときに燃焼排ガスを系外へと排出するように切替手段を制御するので、未燃の炭化水素系燃料が混在した排ガスが熱回収手段に導入されることを防ぐことができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、改質器２０で生成された改質ガスｇを燃料電池３０の燃料極３１へと導く、第１の開閉弁６１が配設された改質ガス流路５１と；燃料電池３０の燃料極３１から排出される燃料極オフガスｐを燃焼部２３へと導く、第２の開閉弁６２が配設された燃料極オフガス流路５２と；第１の開閉弁６１の上流側の改質ガス流路５１と第２の開閉弁６２の下流側の燃料極オフガス流路５２とを接続する、第３の開閉弁６３が配設されたバイパス流路５３と；燃焼部２３で生成された燃焼排ガスＧｅを系外へと排出する、第４の開閉弁６９が配設された排ガス排出流路４９と；燃焼部２３で生成された燃焼排ガスＧｃを熱回収手段３４へと導く、第５の開閉弁６８が配設された排ガス回収流路４８とを備え；制御装置３９が、改質器２０の温度及び燃焼部２３での燃焼開始からの経過時間の少なくとも一方に基づいて、第１、第２、第５の開閉弁６１、６２、６８を閉かつ第４の開閉弁６９を開にする状態と、第１、第２、第５の開閉弁６１、６２、６８を開かつ前記第３及び第４の開閉弁６３、６９を閉にする状態とを切り替える制御をするように構成されている。
【０００９】
このように構成すると、改質器の温度及び燃焼部での燃焼開始からの経過時間の少なくとも一方に基づいて、第１、第２、第５の開閉弁を閉かつ第４の開閉弁を開にする状態と、第１、第２、第５の開閉弁を開かつ前記第３及び第４の開閉弁を閉にする状態とを切り替える制御をするので、炭化水素系の燃焼用燃料を燃焼した排ガスが系外に排出され、その後水素含有ガスが燃焼した排ガスが系外に排出された後に熱回収手段に導かれることとなり、未燃の炭化水素系燃料が混在した排ガスが熱回収手段に導入されることをより確実に防ぐことができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図３に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、熱回収手段３４（例えば図１参照）に代えて、燃焼部２３における燃焼で生成された燃焼排ガスＧｃに含まれる水及び燃料電池３０における電気化学的反応の際に生成された水を回収する水回収手段３４Ａ、３５を備え；切替手段６８、６９が、燃焼排ガスＧｃ、Ｇｅを、水回収手段３４Ａ、３５へと導くのと系外に排出するのとを切り替えるように構成されている。
【００１１】
このように構成すると、切替手段が、燃焼排ガスを、水回収手段へと導くのと系外に排出するのとを切り替えるので、未燃の炭化水素系燃料が混在した排ガスが水回収手段に導入されることを防ぐことができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図３に示すように、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、水回収手段３４Ａ、３５で回収した水ｗ１を、改質器２０へ供給する回収改質水流路４１を備える。
【００１３】
このように構成すると、炭化水素系燃料によって汚染されていない回収水を改質器に導入することができ、燃料電池の性能低下を抑制すると共に、系外から導入する水の量を抑制することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図３に示すように、請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池３０に供給する酸化剤ガスｔを加湿する加湿器３８と；水回収手段３４Ａ、３５で回収した水ｗ２を、加湿器３８へ供給する回収加湿水流路４２とを備える。
【００１５】
このように構成すると、炭化水素系燃料によって汚染されていない回収水を水回収手段で回収して加湿器へ供給することができ、加湿器の故障を防ぐと共に、系外から導入する水の量を抑制することができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、燃焼用燃料ｍ２（例えば図１及び図２参照）が灯油又はガソリンである。
【００１７】
このように構成すると、灯油又はガソリンは、他の燃料に比べて入手容易で安価な燃料なので、燃料電池システムのランニングコストを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃焼部が炭化水素系の燃焼用燃料を燃焼しているときに燃焼排ガスを系外へと排出するように切替手段を制御するので、未燃の炭化水素系燃料が混在した排ガスが熱回収手段に導入されることを防ぐことができる。また、熱回収手段に代えて、燃焼部における燃焼で生成された燃焼排ガスに含まれる水及び燃料電池における電気化学的反応の際に生成された水を回収する水回収手段を備える場合は、切替手段が燃焼排ガスを水回収手段へと導くのと系外に排出するのとを切り替えるので、未燃の炭化水素系燃料が混在した排ガスが水回収手段に導入されることを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
まず図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１１を説明する。図１は、燃料電池システム１１を説明する系統図である。燃料電池システム１１は、水素を主成分とする改質ガスｇを生成する改質器２０と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と、燃料電池３０に供給する改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの温度を整える熱交換器３３と、排熱を回収する熱交換器３４と、燃料電池システム１１を制御する制御装置３９と、改質器２０の燃焼部２３から排出される排ガスの流路を切り替える開閉弁６８、６９を備えている。
【００２０】
改質器２０は、原料燃料ｍ１と水ｓとを導入し水蒸気改質反応により、水素を主成分とする、水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、原料燃料ｍ１の水蒸気改質反応に必要な改質熱を発生する燃焼部２３とを備えている。原料燃料ｍ１は、典型的には、炭化水素系の燃料である灯油又はガソリンであるが、これ以外にメタン、エタン等の天然ガスやメタノール等の鎖式炭化水素はもとより、ナフサ等の石油製品やＬＰＧ等の炭化水素を主成分とする混合物等の、加熱用の燃焼に適するものも含まれる。しかしながら、灯油又はガソリンは、他の燃料に比べて入手容易で安価であり、燃料電池システム１１のランニングコスト抑制に資するため、原料燃料ｍ１を灯油又はガソリンとするのが好ましい。改質部２５に導入する水ｓは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、後述する燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。
【００２１】
改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料燃料ｍ１が改質されて生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び選択酸化触媒が充填された一酸化炭素低減部（不図示）を有し、改質器２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する一酸化炭素低減部における反応は発熱反応となる。改質部２５には、原料燃料ｍ１を導入するための改質燃料管４４と、水ｓを導入するための改質水管４１Ａが接続されている。改質水管４１Ａは、改質部２５直近の改質燃料管４４に接続されていると、原料燃料ｍ１と水ｓとが混合された状態で改質部２５に導入されて好適である。しかしながら、改質水管４１Ａが改質部２５に直接接続されていてもよい。また、改質部２５（改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位）には改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。さらに、改質部２５には、温度を検出する温度検出器（不図示）が設けられている。
【００２２】
燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質器２０内に配設されている。燃焼部２３は、炭化水素系燃料である燃焼用燃料ｍ２、並びに水素含有ガスである燃料極オフガスｐ及び改質ガスｇを導入し、バーナー（不図示）でこれらを燃焼させて改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部２３は、燃料電池システム１１の状態に応じて、燃焼用燃料ｍ２、燃料極オフガスｐ、改質ガスｇのいずれか１種類を導入して燃焼させる。燃焼用燃料ｍ２は、本実施の形態では、原料燃料ｍ１と同じものが使用される。すなわち、原料燃料ｍ１及び燃焼用燃料ｍ２は、燃料管４３を流れる燃料ｍが分流したものを用途に応じて呼称を変えたものであり、成分は同じものである。燃焼部２３には、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。燃焼部２３には、燃料極オフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能な燃料極オフガス管５２と、燃焼用燃料ｍ２を導入する燃焼燃料管４５と、燃焼空気ａを導入する燃焼空気管４６とが接続されている。また、燃焼部２３には、バーナー（不図示）で燃焼した後の排ガスＧｃ、Ｇｅを排出する排ガス管４７が接続されている。なお、排ガスとは、燃焼用燃料ｍ２を燃焼して発生した排出排ガスＧｅと、改質ガスｇあるいは燃料極オフガスｐを燃焼して発生した回収排ガスＧｃとの総称である。
【００２３】
燃料電池３０は、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入する燃料極３１と、酸化剤ガスｔを導入する空気極３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部（不図示）とを含んで構成されている。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、燃料極３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極３２に移動すると共に電子が燃料極３１と空気極３２とを結ぶ導線を通って空気極３２に移動して、空気極３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池３０には、必要に応じて、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー（不図示）が接続される。
【００２４】
燃料極３１と改質部２５とは、改質ガス管５１を介して接続されている。改質ガス管５１には改質ガス開閉弁６１が設けられている。また、燃料極３１と燃焼部２３とは、燃料極オフガス管５２を介して接続され、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含む燃料極オフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。燃料極オフガス管５２には、燃料極オフガス開閉弁６２が配設されている。また、改質ガス開閉弁６１の上流側の改質ガス管５１と、燃料極オフガス開閉弁６２よりも下流の燃料極オフガス管５２とが、バイパス管５３で接続されている。バイパス管５３にはバイパス開閉弁６３が設けられている。空気極３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガス管５４と、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含む空気極オフガスｑを排出する空気極オフガス管５５とが接続されている。酸化剤ガス管５４には酸化剤ガスｔを加湿する加湿器３８が配設されている。
【００２５】
燃料電池３０の上流側の改質ガス管５１及び酸化剤ガス管５４には、熱交換器３３が配設されている。熱交換器３３は、加湿された酸化剤ガスｔと改質器２０から導出された改質ガスｇとを熱交換し、さらにこれらと燃料電池３０の発熱を奪う冷却水（不図示）とを熱交換する三流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。さらに好適には、酸化剤ガスｔと改質ガスｇとの流路には、フィンを設けた管を備える多管式熱交換器が用いられる。あるいは、三重管型熱交換器も好適に用いられる。
【００２６】
改質器２０の燃焼部２３に接続された排ガス管４７は、排ガス回収管４８と排ガス排出管４９とに分かれている。排ガス回収管４８と排ガス排出管４９との分岐点は、燃焼部２３のできるだけ近くであって、少なくとも排ガス管４７を流れる排出排ガスＧｅの温度が燃焼用燃料ｍ２の凝縮温度よりも高い温度である位置に設けるのが好ましい。この好ましい温度にある位置に分岐点を設けると、仮に未燃の燃焼用燃料ｍ２が排出排ガスＧｅに混ざっていても燃焼用燃料ｍ２が気化しているので排ガス管４７に燃焼用燃料ｍ２が付着することがなく、排ガス管４７が清浄に保たれる。排ガス回収管４８には回収開閉弁６８が配設されており、排ガス排出管４９には排出開閉弁６９が配設されている。回収開閉弁６８と排出開閉弁６９とで切替手段を構成している。なお、本実施の形態では切替手段として２つの開閉弁６８、６９を設けることとしたが、排ガス回収管４８と排ガス排出管４９との分岐部に三方弁を設けてもよい。
【００２７】
回収開閉弁６８より下流の排ガス回収管４８には、空気極オフガス管５５が接続されている。また、空気極オフガス管５５との接続部より下流の排ガス回収管４８には、熱回収手段としての熱交換器３４が配設されている。熱交換器３４は、回収排ガスＧｃと空気極オフガスｑとが混合した混合排ガスＧｄと、熱媒体管８４を流れる流体ｆとの間で熱交換を行わせる機器であり、多管式熱交換器が好適に用いられる。流体ｆには、加湿器３８に供給する水や、系外の熱需要に供給するために蓄熱する熱媒体を適用することができる。
【００２８】
排出開閉弁６９より下流の排ガス排出管４９と熱媒体管８４には、排出排ガスＧｅと流体ｆとの間で熱交換を行わせる熱交換器８１が配設されている。熱交換器８１は、未燃の燃焼用燃料ｍ２が含まれた排出排ガスＧｅが導入することがあるので、汚れが付着しにくくメンテナンスが容易な構造であることが好ましい。熱交換器８１より下流の排ガス排出管４９には気液分離器８２が配設されている。気液分離器８２の下方には、分離した液体を貯留する廃液タンク８３が設けられている。
【００２９】
制御装置３９は、燃料電池システム１１の運転を制御する装置である。制御装置３９は、改質部２５の温度検出器（不図示）と信号ケーブルで接続されており、改質器２０の温度を信号として受信することができるように構成されている。また、制御装置３９は、タイマー等の計時手段を内蔵している。また、制御装置３９は、開閉弁６１〜６５、６８、６９とそれぞれ信号ケーブル（不図示）で接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。
【００３０】
続いて図１及び図２を参照して、燃料電池システム１１の作用を説明する。
図２は、燃料電池システム１１の開閉弁の動作のタイミングを説明するフローチャートである。燃料電池システム１１の起動時は、改質ガス開閉弁６１、燃料極オフガス開閉弁６２、バイパス開閉弁６３、改質燃料開閉弁６４、回収開閉弁６８を閉にして、排出開閉弁６９を開にする（ＳＴ１）。各開閉弁６１〜６４、６８、６９の状態が整ったら、燃焼燃料開閉弁６５を開の状態であることを確認した後（燃焼燃料開閉弁６５が閉の状態であれば開にし、開の状態であればそのまま維持する）、燃焼用燃料ｍ２及び燃焼空気ａを燃焼部２３に供給する（ＳＴ２）。燃焼用燃料ｍ２が灯油やガソリンのように液体燃料の場合は、気化器（不図示）を所定の温度に加温した後に燃焼用燃料ｍ２及び燃焼空気ａを燃焼部２３に供給する。燃焼用燃料ｍ２及び燃焼空気ａを燃焼部２３に供給したら、燃焼部２３内のバーナー（不図示）を着火する（ＳＴ３）。着火の有無は、例えば、バーナーの近傍に設置した温度検知器（不図示）等によって確認することができる。
【００３１】
着火により燃焼用燃料ｍ２が燃焼した後の排出排ガスＧｅは、排ガス管４７及び排ガス排出管４９を通って系外（大気）へと排出される。排出排ガスＧｅは、熱交換器８１で流体ｆと熱交換することにより温度が下げられた後に系外に排出される。これにより、排出排ガスＧｅのが高温のまま系外に排出されることによって生じる不都合を回避することができる。熱交換器８１によって温度が低下した排出排ガスＧｅは一部の水分が凝縮し、凝縮した水分は気液分離器８２で分離されて廃液タンク８３に貯留される。廃液タンク８３に貯留された凝縮水には、未燃の燃焼用燃料ｍ２が含まれることがあるが、量が少ないため適切な処理を施した後に系外に排出する。
【００３２】
燃焼用燃料ｍ２及び燃焼空気ａを燃焼部２３に供給してバーナーを着火したら、改質器２０の温度が所定の温度になったか否かを判断する（ＳＴ４）。ここでいう所定の温度は、原料燃料ｍ１を改質するのに十分な温度である。所定の温度に至っていない場合は、この判断を繰り返す（ＳＴ４）。改質器２０の温度が所定の温度以上になったら、改質燃料開閉弁６４を開にして原料燃料ｍ１を改質部２５に供給し、水ｓも改質部２５に供給すると共に、バイパス開閉弁６３を開にして、燃焼燃料開閉弁６５を閉にする（ＳＴ５）。すると、原料燃料ｍ１の改質反応が開始されて改質ガスｇが生成される。改質器２０で改質ガスｇが生成され始めた頃は、改質ガスｇの組成が不安定であり、水素を含むものの燃料電池３０に有害な一酸化炭素を多く含む場合がある。したがって生成され始めの改質ガスｇが燃料電池３０に供給されないように、上述のように改質ガス開閉弁６１及び燃料極オフガス開閉弁６２を閉とし、バイパス開閉弁６３を開として、生成され始めの改質ガスｇを、バイパス管５３を介して改質器２０の燃焼部２３へ導いている。なお、燃焼燃料開閉弁６５を閉にしたことで（ＳＴ５）、燃焼部２３内のバーナーの火は一旦消えている。
【００３３】
次に、制御装置３９のタイマーにより、燃焼燃料開閉弁６５を閉にしてから所定時間が経過したか否かを判断する（ＳＴ６）。この所定時間が経過する間に、燃焼部２３内に残留する燃焼用燃料ｍ２が燃焼した後の排出排ガスＧｅを、生成され始めの改質ガスｇが、排ガス管４７及び排出排ガス管４９へ向けて燃焼部２３から押し出す。所定時間が経過していない場合はこの判断を繰り返す（ＳＴ６）。所定時間が経過したら再び燃焼部２３内のバーナー（不図示）を着火する（ＳＴ７）。着火の有無は、例えば、バーナーの近傍に設置した温度検知器（不図示）等によって確認することができる。なお、燃焼部２３が高温の場合は、バーナー（不図示）の点火装置を用いなくても改質ガスｇの供給によって着火することもある。着火が確認できたら、次に着火から所定時間が経過したか否かを判断する（ＳＴ８）。この工程における所定時間は、改質部２５で生成される改質ガスｇの組成が安定するまでの時間である。所定時間が経過していない場合はこの判断を繰り返す（ＳＴ８）。所定時間が経過したら、バイパス開閉弁６３及び排出開閉弁６９を閉じ、改質ガス開閉弁６１、燃料極オフガス開閉弁６２、及び回収開閉弁６８を開にする（ＳＴ９）。なお、生成され始めの改質ガスｇによって着火する工程（ＳＴ７）の前に改質器２０の放熱が大きく、この開閉弁を切り替える工程（ＳＴ９）の際に改質器２０が所定の温度を下回っている場合は、開閉弁を切り替える工程（ＳＴ９）の前に改質器２０を所定の温度に上昇させることが好ましい。
【００３４】
各開閉弁を切り替えると（ＳＴ９）、改質ガスｇは燃料電池３０の燃料極３１に供給される。ここの時点では空気極３２に酸化剤ガスｔが供給されていないので、燃料電池３０での発電はない。各開閉弁を切り替えたら（ＳＴ９）、各開閉弁を切り替えてから所定時間が経過したか否かの判断をする（ＳＴ１０）。空気極３２に酸化剤ガスｔが供給されていない段階では、燃料極３１に供給された改質ガスｇは、ほぼそのまま燃料極オフガスｐとして燃料極オフガス管５２を通って燃焼部２３に流入するところ、ここでいう所定時間は、少なくとも、組成が安定した改質ガスｇが燃料極３１を通過して燃焼部２３に至るまでの時間である。所定時間が経過していない場合はこの判断を繰り返す（ＳＴ１０）。所定時間が経過したら、再び燃焼部２３内のバーナー（不図示）を着火する（ＳＴ１１）。これは、バイパス開閉弁６３を閉じたことによって（ＳＴ９）、燃焼部２３内のバーナーの火は一旦消えているからであり、燃焼部２３が高温となっていてバーナー（不図示）の点火装置を用いなくても燃料極オフガスｐの供給によって着火している場合は、この着火工程（ＳＴ１１）を省略することができる。着火の有無は、例えば、バーナーの近傍に設置した温度検知器（不図示）等によって確認することができる。燃焼部２３に残留している組成が安定する前の改質ガスｇ及び燃料極オフガスｐが燃焼した後の回収排ガスＧｃは、排ガス管４７及び排ガス回収管４８を流れる。
【００３５】
燃料極オフガスｐの供給によって着火したら（ＳＴ１１）、空気極３２への酸化剤ガスｔの供給が開始され、燃料電池３０での発電が開始される（ＳＴ１２）。空気極３２に供給される酸化剤ガスｔは、加湿器３８及び熱交換器３３により、燃料電池３０での発電に適した温度及び湿度に調節される。空気極３２に供給された酸化剤ガスｔは、酸素が消費された後に空気極オフガスｑとして空気極オフガス管５５に排出される。空気極オフガスｑは、その後排ガス回収管４８に流入して回収排ガスＧｃと合流する。合流した回収排ガスＧｃと空気極オフガスｑとは混合回収ガスＧｄとなって熱交換器３４に流入する。熱交換器３４に流入した混合回収ガスＧｄは、熱媒体管８４から熱交換器３４に流入した流体ｆと熱交換することにより熱が回収された後に系外（大気）に排出される。このとき、回収排ガスＧｃ及び空気極オフガスｑは、未燃の炭化水素系燃料のような汚染物質を含まないので、排ガス回収管４８や熱交換器３４に汚れが付着することがほとんどなく、排ガス回収管４８の管摩擦抵抗の増加や熱交換器３４の性能低下を招来することがない。なお、混合回収ガスＧｄから熱を回収した流体ｆは、加湿器３８に導かれて酸化剤ガスｔの温度を上昇させ、あるいは蓄熱された後に系外の熱需要（不図示）で消費される。
【００３６】
次に図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１２を説明する。図３は、燃料電池システム１２を説明する系統図である。燃料電池システム１２の、燃料電池システム１１（図１参照）との相違点は以下の通りである。燃料電池システム１２は、排ガス回収管４８に、燃料電池システム１１における熱交換器３４（図１参照）に代えて、水回収手段としての熱交換器３４Ａ及び気液分離器３５を備えている。排ガス回収管４８の上流から下流に向かって、熱交換器３４Ａ、気液分離器３５の順で排ガス回収管４８に配設されている。また、気液分離器３５で分離した回収水ｗを回収水管４０を介して回収し貯留する回収水タンク３６を備えている。回収水タンク３６は、改質水管４１を介して改質器２０の改質部２５と接続され、加湿水管４２を介して加湿器３８と接続されている。これにより、回収水タンク３６から、改質部２５へ改質水ｗ１を供給し、加湿器３６へ加湿水ｗ２を供給することができるようになっている。これ以外の構成は、燃料電池システム１１（図１参照）と同様であるので説明を省略する。
【００３７】
次に燃料電池システム１２の作用を説明する。燃料電池システム１２の起動から、組成が安定した改質ガスｇが燃料電池３０に供給され、燃料極オフガスｐが燃焼した回収排ガスＧｃが排ガス回収管４８へ排出されるまでは燃料電池システム１１（図１及び図２参照）と同様であるので説明を省略する。回収排ガスＧｃと空気極オフガスｑとが合流した混合回収ガスＧｄは、熱交換器３４Ａで熱媒体管８４から熱交換器３４Ａに流入した流体ｆと熱交換することにより熱が回収され、温度が低下する。温度が低下した混合回収ガスＧｄは一部の水分が凝縮する。また、空気極オフガスｑには、燃料電池３０における電気化学的反応によって生じた水が含まれている。したがって、熱交換器３４Ａを出た混合回収ガスＧｄには相当の凝縮水が含まれている。熱交換器３４Ａを出た混合回収ガスＧｄは気液分離器３５に流入し、凝縮水が分離される。凝縮水が除かれた混合回収ガスＧｄは、系外（大気）に放出される。他方、分離された凝縮水は、回収水ｗとして回収水管４０を流れ、回収水タンク３６に流入する。
【００３８】
回収排ガスＧｃ及び空気極オフガスｑは、未燃の炭化水素系燃料のような汚染物質を含まないので、回収水タンク３６に流入した回収水ｗも汚染物質を含んでいない。そのため、この回収した水を酸化剤ガスｔの加湿に利用したり、原料燃料ｍ１の改質に利用することができる。利用することができるというのは、燃料電池の性能低下を実用に耐えうる程度に抑制することができることである。また、このように回収水ｗを、酸化剤ガスｔの加湿や原料燃料ｍ１の改質に効率的に利用することにより外部からの水の補充を必要としない、いわゆる水自立運転が可能となる。回収水タンク３６内の回収水ｗは、一部が改質水ｗ１として改質部２５に供給され、一部は加湿水ｗ２として加湿器３８に供給される。改質部２５及び加湿器３８に供給する水が回収水ｗでは不足する場合は、外部から補充することとなる。
【００３９】
次に図４を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１１、１２（図１、図３参照）における改質器と排ガス管との接続部の変形例を説明する。図４（ａ）は第１の変形例を示す部分系統図であり、図４（ｂ）は第２の変形例を示す部分系統図である。
図４（ａ）に示す第１の変形例では、改質器２０の燃焼部２３に接続する、回収排ガスＧｃ及び排出排ガスＧｅを流す管が、共通の排ガス管４７（図１、図３参照）を介さずに、排ガス回収管４８と排ガス排出管４９とがそれぞれ直接燃焼部２３に接続されている。これ以外の構成は、燃料電池システム１１、１２（図１、図３参照）と同様である。このように構成すると、燃焼部２３を出た直後から、排出排ガスＧｅが排ガス回収管４８を流れることがなくなり、燃焼部２３から回収開閉弁６８までの排ガス回収管４８の汚染も防ぐことができる。
【００４０】
図４（ｂ）に示す第２の変形例では、燃焼部２３内を回収燃焼部２３Ａと排出燃焼部２３Ｂとの２つに分けると共にそれぞれにバーナー（不図示）を設け、排ガス回収管４８が回収燃焼部２３Ａに、排ガス排出管４９が排出燃焼部２３に、それぞれ直接接続されている。さらに、燃焼空気管４６が、燃焼部２３に接続する手前で、燃焼空気開閉弁６６Ａが配設された燃焼空気管４６Ａと、燃焼空気開閉弁６６Ｂが配設された燃焼空気管４６Ｂとの二股に分かれ、燃焼空気管４６Ａが回収燃焼部２３Ａに接続され、燃焼空気管４６Ｂが排出燃焼部２３Ｂに接続されている。これ以外の構成は、燃料電池システム１１、１２（図１、図３参照）と同様である。また、第２の変形例に係る燃料電池システムの作用は、燃焼用燃料ｍ２を燃焼しているときは燃焼空気開閉弁６６Ｂを開、燃焼空気開閉弁６６Ａを閉にして、生成され始めの改質ガスｇ及び燃料極オフガスｐを燃焼しているときは燃焼空気開閉弁６６Ａを開、燃焼空気開閉弁６６Ｂを閉にする以外は、燃料電池システム１１、１２（図１、図３参照）と同様である。第２の変形例に係る燃料電池システムでは、燃焼部２３の時点で燃焼する燃料が区別されているため、排ガス回収管４８の系統に炭化水素系燃料のような汚染物質が入り込むことがなく、確実に排ガス回収管４８の系統の汚染を防ぐことができる。
【００４１】
以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを説明する系統図である。
【図２】燃料電池システムの開閉弁の動作のタイミングを説明するフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを説明する系統図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける改質器と排ガス管との接続部の変形例を説明する部分系統図である。（ａ）は第１の変形例を示す部分系統図、（ｂ）は第２の変形例を示す部分系統図である。
【符号の説明】
【００４３】
２０  改質器
２３  燃焼部
３０  燃料電池
３１  燃料極
３４  熱交換器
３５  気液分離器
３８  加湿器
３９  制御装置
４１  回収改質水流路
４２  回収加湿水流路
４８  排ガス回収流路
４９  排ガス排出流路
５１  改質ガス流路
５２  燃料極オフガス流路
５３  バイパス流路
６１  改質ガス開閉弁
６２  燃料極オフガス開閉弁
６３  バイパス開閉弁
６８  回収開閉弁
６９  排出開閉弁
ｇ  改質ガス
ｍ１  原料燃料
ｍ２  燃焼用燃料（炭化水素系）
ｐ  燃料極オフガス
ｓ  水
ｔ  酸化剤ガス
ｗ１  水
Ｇｃ  回収排ガス
Ｇｅ  排出排ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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