(57)【要約】【課題】  簡易な構成により低加湿条件の下で運転される高分子電解質形燃料電池の高分子電解質膜の劣化を防止可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】  高分子電解質形の燃料電池１と、水素生成器２と、酸化剤ガスを燃料電池１のカソード１ｂに供給する酸化剤ガス供給装置３と、燃焼用燃料ガスを燃焼用空気により燃焼させて水を含んだ燃焼排ガスを生成し、かつ当該燃焼により水素生成器２に水蒸気改質反応に必要な熱を供給するバーナ４と、燃料電池システム１０１Ａの起動動作時に、バーナ４で生成された燃焼排ガスを燃料電池１のカソード１ｂに供給するよう構成された燃焼排ガス供給機構５と、を備える。【選択図】  図１
2012069383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される水素含有ガスとカソードに供給される酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する高分子電解質形の燃料電池と、
原料ガスを水蒸気改質反応させて水素含有ガスを生成し、該生成した水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給する水素生成器と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給する酸化剤ガス供給装置と、
燃焼用燃料ガスを燃焼用空気により燃焼させて水を含んだ燃焼排ガスを生成し、かつ前記燃焼により前記水素生成器に前記水蒸気改質反応に必要な熱を供給するバーナと、
燃料電池システムの起動動作時に、前記バーナで生成された燃焼排ガスを前記燃料電池のカソードに供給するよう構成された燃焼排ガス供給機構と、を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼排ガス供給機構が、前記酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガスと前記バーナで生成された前記燃焼排ガスとを選択的に前記燃料電池のカソードに供給するよう構成されており、
前記燃焼排ガス供給機構は、燃料電池システムの起動動作時に、前記バーナで生成された前記燃焼排ガスを前記燃料電池のカソードに供給し、その後、前記酸化剤ガス供給器からの前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給するよう構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システムの起動動作時に、前記燃料ガス供給装置が前記水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給した後、前記燃焼排ガス供給機構が前記バーナで生成された前記燃焼排ガスを燃料電池のカソードに供給し、その後、前記酸化剤ガス供給器が前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給するよう構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼排ガス供給機構によって前記バーナから前記燃料電池のカソードに供給される燃焼排ガスの経路に設けられ、該燃焼排ガスに熱を放出させる放熱器をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃焼排ガス供給機構によって前記バーナから前記燃料電池のカソードに供給される燃焼排ガスの経路に設けられ、該燃焼排ガス中のＣＯ又はＮＯｘを酸化させるよう該燃焼排ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
アノードに供給される水素含有ガスとカソードに供給される酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する高分子電解質形の燃料電池と、
原料ガスを水蒸気改質反応させて水素含有ガスを生成し、該生成した水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給する水素生成器と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給する酸化剤ガス供給装置と、
燃焼用燃料ガスを燃焼用空気により燃焼させて水を含んだ燃焼排ガスを生成し、かつ前記燃焼により前記水素生成器に前記水蒸気改質反応に必要な熱を供給するバーナと、
前記バーナで生成された燃焼排ガスを前記燃料電池のカソードに供給する燃焼排ガス供給機構と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
燃料電池システムの起動動作時に、前記燃焼排ガス供給機構を用いて、前記バーナで生成された前記燃焼排ガスを前記燃料電池のカソードに供給する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記燃焼排ガス供給機構が、前記酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガスと前記バーナで生成された前記燃焼排ガスとを選択的に前記燃料電池のカソードに供給するよう構成されており、
前記燃焼排ガス供給機構を用いて、燃料電池システムの起動動作時に、前記バーナで生成された前記燃焼排ガスを前記燃料電池のカソードに供給し、その後、前記酸化剤ガス供給器からの前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給する、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
前記燃料電池システムの起動動作時に、前記燃料ガス供給装置を用いて前記水素含有ガスを前記燃料電池アノードに供給した後、前記燃焼排ガス供給機構を用いて前記バーナで生成された前記燃焼排ガスを燃料電池カソードに供給し、その後、前記酸化剤ガス供給器を用いて前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給する、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
前記燃焼排ガス供給機構によって前記バーナから前記燃料電池のカソードに供給される燃焼排ガスの経路に設けられた放熱器を用いて、該燃焼排ガスに熱を放出させる、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
前記燃焼排ガス供給機構によって前記バーナから前記燃料電池のカソードに供給される燃焼排ガスの経路に設けられた触媒燃料器を用いて、該燃焼排ガス中の一酸化炭素を酸化させるよう該燃焼排ガスを触媒燃焼させる、請求項６に記載の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、燃料電池システム及びその運転方法に関し、特に低加湿条件の下で運転される高分子電解質形燃料電池の高分子電解質膜の劣化防止機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、高分子電解質形燃料電池と、高分子電解質形燃料電池のアノードに水分を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、高分子電解質形燃料電池のカソードに水分を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を少なくとも備える燃料電池システムの実用化（例えば、電気自動車等の移動体用の発電システム、家庭用コジェネレーションシステムとしての実用化）に向けて、様々な検討がなされている。
【０００３】
これらの検討の中で、燃料電池システムのエネルギー変換効率を十分に確保するための技術開発は重要な検討課題の１つであり、例えば、燃料ガスの露点をＴｄａとし、酸化剤ガスの露点をＴｄｃとし、高分子電解質形燃料電池の温度をＴｃｅｌｌとする場合、Ｔｃｅｌｌ＞ＴｄａかつＴｃｅｌｌ＞Ｔｄｃを満たす運転条件（以下、この運転条件を「低加湿条件」という）の下で運転させる燃料電池システムの運転方法、又は、これに基づき作動する燃料電池システムが、エネルギー変換効率を十分に確保可能な燃料電池システム及びその運転方法の１つとして提案されている。
【０００４】
一方、燃料電池システムの運転方法としては、電気エネルギーや熱エネルギーを必要としない状態においては燃料電池システムを稼動させる必要がないため、通常、電気エネルギーや熱エネルギーが必要となった場合に燃料電池システムを起動し、電気エネルギーや熱エネルギーが不必要となった場合には燃料電池システムの運転を停止させる、起動停止型の運転方法が求められている。
【０００５】
ところで、燃料電池システムでは、高分子電解質形燃料電池を起動及び停止させる際、高分子電解質形燃料電池の状態は閉回路状態から開回路状態に移行する。ここで、燃料電池システムが低加湿条件の下で運転される場合、その起動及び停止に伴い高分子電解質形燃料電池の状態が閉回路状態から開回路状態に移行すると、高分子電解質膜の劣化が著しく進行する。その結果、このような燃料電池システムでは、その高分子電解質膜の劣化に起因して、高分子電解質膜の分解物であるフッ化物イオンが高分子電解質形燃料電池のアノード及びカソードから排出される。
【０００６】
そこで、この問題を解決するために、燃料電池システムが低加湿条件の下で発電運転されている状態からその発電運転を停止させる際に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの露点を制御して、高分子電解質形燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させ、その後、高分子電解質形燃料電池と負荷との電気的な接続を切断することにより、高分子電解質膜中の含水量を制御し、これにより、発電運転の停止時の低加湿状態を回避して高分子電解質膜の劣化を防止する燃料電池システム及びその運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ  ２００７／０４６４８３  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の従来技術では、燃料電池システム停止時における運転方法が提案されているものの、起動時に関しては不十分である。燃料電池システム起動時においては、スタックの転極を防ぐため、必ず燃料ガス及び酸化剤ガスの供給後に外部回路と接続しなければならない。この場合、外部回路との接続前に必ず開回路状態になるため、高分子電解質膜が劣化しやすい低加湿条件の下での開回路状態を防ぐことは難しい。
【０００９】
特に、燃料電池システムの異常停止後の再起動時においては、低加湿条件の下で運転している燃料電池の温度を急激に低下させることが困難であり、通常起動時よりさらに低加湿条件の下での開回路状態になりやすく、高分子電解質膜の劣化を抑制するのは困難である。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成により低加湿条件の下で運転される高分子電解質形燃料電池の高分子電解質膜の劣化を防止可能な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】
【００１１】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、燃料電池の起動時に、バーナで燃焼用燃料料ガスを燃焼させて改質反応に必要な熱を供給する際に生成される燃焼排ガスを燃料電池カソードに供給することが好適であることを見出し、本発明を想到するに至った。
【００１２】
そこで、本発明のある形態(aspect)に係る燃料電池システムは、アノードに供給される水素含有ガスとカソードに供給される酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する高分子電解質形の燃料電池と、原料ガスを水蒸気改質反応させて水素含有ガスを生成し、該生成した水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給する水素生成器と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給する酸化剤ガス供給装置と、燃焼用燃料ガスを燃焼用空気により燃焼させて水を含んだ燃焼排ガスを生成し、かつ前記燃焼により前記水素生成器に前記水蒸気改質反応に必要な熱を供給するバーナと、燃料電池システムの起動動作時に、前記バーナで生成された燃焼排ガスを前記燃料電池のカソードに供給するよう構成された燃焼排ガス供給機構と、を備える。
【００１３】
この構成によれば、燃料電池システムの起動動作時に、燃焼排ガス供給機構によって、バーナで生成され水を含んだ燃焼排ガスが燃料電池のカソードに供給されるので、当該燃焼排ガスの水により高分子電解質膜が潤され、当該高分子電解質膜の含水量が相対的に上昇する。このため、簡易な構成により低加湿条件の下で運転される高分子電解質形燃料電池の高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
【００１４】
前記燃焼排ガス供給機構が、前記酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガスと前記バーナで生成された前記燃焼排ガスとを選択的に前記燃料電池のカソードに供給するよう構成されており、前記燃焼排ガス供給機構は、燃料電池システムの起動動作時に、前記バーナで生成された前記燃焼排ガスを前記燃料電池のカソードに供給し、その後、前記酸化剤ガス供給器からの前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給するよう構成されていてもよい。
【００１５】
前記燃料電池システムの起動動作時に、前記燃料ガス供給装置が前記水素含有ガスを前記燃料電池アノードに供給した後、前記燃焼排ガス供給機構が前記バーナで生成された前記燃焼排ガスを燃料電池カソードに供給し、その後、前記酸化剤ガス供給器が前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給するよう構成されていてもよい。
【００１６】
この構成によれば、燃料電池のカソードに酸化剤ガスが供給される前に、燃料電池のアノードに水素含有ガスが供給されるので、高分子電解質膜を透過してアノードに酸化剤ガスが混入することによるアノードの電位上昇を防ぐことができる。その結果、アノードの触媒の劣化を抑制することができる。
【００１７】
前記燃焼排ガス供給機構によって前記バーナから前記燃料電池のカソードに供給される燃焼排ガスの経路に設けられ、該燃焼排ガスに熱を放出させる放熱器をさらに備えてもよい。
【００１８】
この構成によれば、放熱器で降温されて相対湿度が上昇した燃焼排ガスがカソードに供給されるので、より好適に高分子電解質膜を潤しかつその劣化を防止することができる。
【００１９】
前記燃焼排ガス供給機構によって前記バーナから前記燃料電池のカソードに供給される燃焼排ガスの経路に設けられ、該燃焼排ガス中のＣＯ又はＮＯｘを酸化させるよう該燃焼排ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器をさらに備えてもよい。
【００２０】
この構成によれば、触媒燃焼器によりその含有するＣＯ又はＮＯｘが酸化されて除去された燃焼排ガスが燃料電池のカソードに供給されるので、カソードの触媒のＣＯ又はＮＯｘによる被毒を防止することができる。
【００２１】
また、本発明の他の形態(aspect)に係る燃料電池システムの運転方法は、アノードに供給される水素含有ガスとカソードに供給される酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する高分子電解質形の燃料電池と、原料ガスを水蒸気改質反応させて水素含有ガスを生成し、該生成した水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給する水素生成器と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給する酸化剤ガス供給装置と、燃焼用燃料ガスを燃焼用空気により燃焼させて水を含んだ燃焼排ガスを生成し、かつ前記燃焼により前記水素生成器に前記水蒸気改質反応に必要な熱を供給するバーナと、前記バーナで生成された燃焼排ガスを前記燃料電池のカソードに供給する燃焼排ガス供給機構と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池システムの起動動作時に、前記燃焼排ガス供給機構を用いて、前記バーナで生成された前記燃焼排ガスを前記燃料電池のカソードに供給する。
【００２２】
この構成によれば、上述のように、簡易な構成により低加湿条件の下で運転される高分子電解質形燃料電池の高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料電池システム及びその運転方法において、簡易な構成により低加湿条件の下で運転される高分子電解質形燃料電池の高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は図１の燃料電池システムの起動動作を示すフローチャートである。
【図３】図３は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】図４は図３の燃料電池システムの起動動作を示すフローチャートである。
【図５】図５は本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図６】図６は図５の燃料電池システムの起動動作を示すフローチャートである。
【図７】図７は本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図８】図８は本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図９】図９は本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの異常停止時における起動動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付してその重複する説明を省略する。
【００２６】
（実施の形態１）
［構成］
図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【００２７】
図１に示すように、本実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａは、燃料電池１と、水素生成器２と、酸化剤ガス供給装置３と、バーナ４と、燃焼排ガス供給機構５と、を備える(comprise)。また、燃料電池１は低加湿条件の下で運転される。
【００２８】
＜一般的な要素＞
燃料電池１は高分子電解質形燃料電池で構成されている。燃料電池１を構成する高分子電解質形燃料電池は、燃料ガスとしての水素含有ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電するものであればよい。このような高分子電解質形燃料電池は周知であるので、その詳しい説明を省略し、本発明と関連する事項のみ説明する。燃料電池１はアノード１ａとカソード１ｂとこれらの間に挟まれた高分子電解質膜（図示せず）とを含むＭＥＡ(membrane-electrode assembly)を備えるセルが複数積層されて構成されている。このような燃料電池１には、アノード１ａに水素含有ガスを導く内部燃料ガス経路１１とカソード１ｂに酸化剤ガスを導く内部酸化剤ガス経路１２とが形成されている。内部燃料ガス経路１１の下流端には燃料ガス排出ライン８が接続され、内部酸化剤ガス経路１２の下流端には酸化剤ガス排出ライン９が接続されている。燃料電池１は、外部から内部燃料ガス経路１１を通じてアノード１ａに供給される水素含有ガスと外部から内部酸化剤ガス経路１２を通じてカソード１ｂに供給される酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する。発電に用いられなかった未消費の水素含有ガス（オフガス）は、内部燃料ガス経路１１を通じて燃料ガス排出ライン８に排出される。また、発電に用いられなかった未消費の酸化剤ガスは、内部酸化剤ガス経路１２を通じて酸化剤ガス排出ライン９に排出される。
【００２９】
内部燃料ガス経路１１の上流端には燃料ガス供給ライン６が接続され、燃料ガス供給ライン６の上流端に、水素生成器２が接続されている。水素生成器２は周知のもので構成することができる。水素生成器２は、外部から供給される原料ガスを外部から供給される水と水蒸気改質反応させて水素含有ガスを生成し、この生成した水素含有ガスを上述のように燃料ガスとして燃料電池１のアノード１ａに供給する。原料ガスとして、インフラストラクチャーから供給される天然ガス、天然ガスを主成分とする都市ガス、ＬＰＧ(liquefied petroleum gas)等、あるいは、ボンベに充填されたプロパンガスやブタンガス等の炭化水素系のガスを用いることができる。
【００３０】
水素生成器２は、バーナ４によって加熱されるように構成されている。バーナ４は、周知のもので構成することができる。バーナ４は、燃焼用燃料ガスを燃焼用空気により燃焼させて水を含んだ露点の高い燃焼排ガスを生成し、かつこの燃焼により水素生成器２に水蒸気改質反応に必要な熱を供給する。燃焼排ガスは燃焼排ガスライン１０を通じて大気に排出される。燃焼用燃料ガスは燃焼用空気で燃焼させることによって水を含む燃焼排ガスを生成するものであればよい。燃焼用燃料ガスとして、一般的には、原料ガス及び／又はオフガスが用いられる。もちろん、燃焼用燃料ガスとして、専用の燃料ガスを用いてもよい。
【００３１】
また、燃料電池１の内部酸化剤ガス経路１２の上流端には酸化剤ガス供給ライン７が接続されている。酸化剤ガス供給ライン７の上流端に酸化剤ガス供給装置３が接続されている。酸化剤ガス供給装置３は、例えば、シロッコファン等の送風機で構成され、酸化剤ガスとしての空気を上述のように酸化剤ガス供給ライン７及び内部酸化剤ガス経路１２を通じて燃料電池１のカソード１ｂに供給する。
【００３２】
＜燃焼排ガス供給機構５＞
燃焼排ガス供給機構５は、本実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａを特徴付ける要素である。燃焼排ガス供給機構５は、燃料電池システム１０１Ａの起動動作時に、バーナ４で生成された燃焼排ガスを燃料電池１のカソード１ｂに供給するよう構成されている。本実施の形態１では、燃焼排ガス供給機構５は、例えば、燃焼排ガスライン１０と酸化剤ガス供給ライン７とを接続する燃焼排ガス分岐ライン５ａと、燃焼排ガス分岐ライン５ａに設けられた第１開閉弁５ｂと、酸化剤ガス供給ライン７の燃焼排ガス分岐ライン５ａと当該酸化剤ガス供給ライン７との接続点より上流の部分に設けられた第２開閉弁５ｃとを備える。そして、第１開閉弁５ｂ及び第２開閉弁５ｃが、後述するように、制御器２１により制御されて、燃料電池システム１０１Ａの起動動作時に、バーナ４で生成された燃焼排ガスを燃料電池１のカソード１ｂに供給するよう動作する。なお、燃焼排ガス供給機構５の構成は種々考えられ、この構成には限定されない。燃焼排ガス供給機構５の他の構成例を、実施の形態２で説明する。
【００３３】
＜制御器２１＞
制御器２１は、燃料電池システム１０１Ａの全体の動作を制御する。制御器２１には、所定のセンサ及び入力装置等から必要なデータが入力され、制御器２１はこれらの入力データを適宜処理し、所定の要素（水素生成器２、酸化剤ガス供給装置３、バーナ４、燃焼排ガス供給機構５等）に制御信号を出力してこれらを制御する。制御器２１は、制御機能を有するものであればよい。制御器２１は、例えば、マイクロコントローラ、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)、論理回路等で構成することができる。また、制御器２１は、集中制御する単独の制御器によって構成されていてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器によって構成されていてもよい。例えば、制御器２１は燃焼排ガス供給機構５の第１開閉弁５ｂ及び第２開閉弁５ｃのみを制御し、燃料電池システム１０１Ａの他の要素を他の制御器が制御するよう構成してもよい。
【００３４】
［動作］
次に、以上のように構成された燃料電池システム１０１Ａの動作（燃料電池システム１０１Ａの運転方法）を説明する。燃料電池システム１０１Ａは、発電運転をする発電動作と、制御器２１以外の要素が停止している停止状態（待機動作）と、燃料電池システム１０１Ａを停止状態から発電動作に移行させる起動動作と、燃料電池システム１０１Ａを発電動作から停止状態に移行させる停止動作との４つの動作モードを有する。起動動作とは、具体的には、制御器２１が起動信号を出力してから燃料電池１が発電を開始する直前までの期間をいう。
【００３５】
図２は図１の燃料電池システムの起動動作を示すフローチャートである。以下の動作は制御器２１の制御により遂行される。また、停止状態では、第１開閉弁５ｂ及び第２開閉弁５ｃは共に閉止されている。
【００３６】
図２に示すように、起動動作が開始されると、水素生成器２が暖機される（ステップＳ１）。具体的には、バーナ４に燃焼用空気及び燃焼用燃料ガスが供給されるとともにバーナ４が点火される。これにより、バーナ４で燃焼用燃料ガスが燃焼用空気で燃焼されて露点の高い燃焼排ガスが生成される。この燃焼排ガスは燃焼排ガスライン１０を通じて大気に排出される。また、バーナ４における燃焼により水素生成器２が加熱されて暖められる。なお、これに合わせて燃料電池１も適宜暖機される。
【００３７】
水素生成器２の暖機が完了すると、燃料電池１のカソード１ｂへ燃焼排ガスが供給される（ステップＳ２）。具体的には、第２開閉弁５ｃが閉止されたまま第１開閉弁５ｂが開放される。すると、バーナ４で生成された燃焼排ガスが燃焼排ガスライン１０と燃焼排ガス分岐ライン５ａと酸化剤ガス供給ライン７とを通って燃料電池１のカソード１ｂに供給される。これにより、露点の高い燃焼排ガスに含まれる水によって高分子電解質膜が潤され、当該高分子電解質膜の含水量が上昇する。なお、水素生成器２の暖機が完了したか否かは、例えば、水素生成器２の温度をモニタすることにより、あるいは暖機開始からの経過時間を計測すること等により判定される。
【００３８】
次に、燃料電池１のアノード１ａに水素含有ガスが供給される（ステップＳ３）。具体的には、水素生成器２に原料ガス及び水が供給されて、水蒸気改質反応により水素含有ガスが生成され、この生成された水素含有ガスが燃料ガス供給ライン６を通って燃料電池１のアノード１ａに供給される。なお、水素含有ガスは水蒸気改質反応に用いられなかった水を適宜含んでいる。
【００３９】
次に、燃料電池１のカソード１ｂに酸化剤ガスが供給される（ステップＳ４）。具体的には、第２開閉弁５ｃが開放されるとともに酸化剤ガス供給装置３が起動され、酸化剤ガスとしての空気が、酸化剤ガス供給ライン７を通ってその途中で燃焼排ガスと混合されて燃料電池１のカソード１ｂに供給される。これにより、燃料電池１は開回路状態となるが、露点の高い燃焼排ガス中の水により高分子電解質膜の含水量が相対的に上昇しているので、当該高分子電解質膜の劣化が抑制される。
【００４０】
次に、発電が開始される（ステップＳ５）。具体的には、燃料電池１が外部回路（負荷）に接続され、それにより、燃料電池１が発電を開始する。これにより、燃料電池システム１０１Ａが発電動作に移行し、起動動作が完了する。なお、この後、燃料電池システム１０１Ａは、制御器２１から停止信号が出力されると、停止動作を経て停止状態に移行する。
【００４１】
ここで、燃焼排ガスのカソード１ｂへの供給期間は、燃料電池１が開回路状態にある間、高分子電解質膜の劣化を防止できる程度に当該高分子電解質膜を潤すことができる期間であればよい。従って、高分子電解質膜の劣化を防止できる限り、燃焼排ガスのカソード１ｂへの供給を任意のタイミングで停止することができる。例えば、燃焼排ガスのカソード１ｂへの供給を、酸化剤ガスのカソード１ｂへの供給の前、それと同時、及びその後のいずれのタイミングで停止してもよい。また、発電動作において、燃焼排ガスのカソード１ｂへの供給を継続してもよい。
【００４２】
以上に説明したような本実施の形態１に燃料電池システム及びその運転方法によれば、燃焼排ガス供給機構５を設けるという簡易な構成により、低加湿条件の下で運転される高分子電解質形の燃料電池１の高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。図４は図３の燃料電池システムの起動動作を示すフローチャートである。
【００４４】
図３に示すように、本実施の形態２の燃料電池システム１０１Ｂは、燃焼排ガス供給機構５の構成が実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａと異なり、その他は実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａと同じである。
【００４５】
本実施の形態２の燃料電池システム１０１Ｂにおける燃焼排ガス供給機構５は、燃焼排ガス分岐ライン５ａと三方弁５ｄとを備える。三方弁５ｄは、燃焼排ガス分岐ライン５ａと酸化剤ガス供給ライン７との接続点に設けられていて、制御器２１の制御により、酸化剤ガス供給ライン７の三方弁５ｄより上流の部分と燃焼排ガス分岐ライン５ａとを、酸化剤ガス供給ライン７の三方弁５ｄより下流側の部分に選択的に接続する。これにより、酸化剤ガス供給装置３からの酸化剤ガスとバーナ４で生成された燃焼排ガスとが選択的に燃料電池１のカソード１ｂに供給される。
【００４６】
図４に示すように、このように構成された燃料電池システム１０１Ｂの動作（運転方法）は、実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａの動作におけるステップＳ４がステップＳ６に置き換えられている点以外は、実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａの動作と同じである。ステップＳ６では、燃料電池１のカソード１ｂへ酸化剤ガスが供給されると同時に燃料電池１のカソード１ｂへの燃焼排ガスの供給が停止される。
【００４７】
このような、本実施の形態２の燃料電池システム１０１Ｂによれば、実施の形態１と同様の効果が得られ、かつ燃焼排ガス供給機構５の構成をより簡素化することができる。
【００４８】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。図６は図５の燃料電池システムの起動動作を示すフローチャートである。
【００４９】
図５に示すように、本実施の形態３の燃料電池システム１０１Ｃは、バーナ４へ燃焼用燃料ガスの供給する構成が具体的に特定されている点が実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａと異なり、その他は実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａと同じである。
【００５０】
本実施の形態３の燃料電池システム１０１Ｂにおいては、燃料ガス排出ライン８がバーナ４の燃焼用燃料ガス入り口（図示せず）に接続されている。また、燃料ガス供給ライン６と燃料ガス排出ライン８とを接続する燃料ガスバイパスライン３１が設けられ、この燃料ガスバイパスライン３１と燃料ガス排出ライン８との接続点に三方弁３２が設けられている。三方弁３２は、制御器２１の制御により、燃料ガス供給ライン６の三方弁３２より上流の部分を、燃料ガス供給ライン６の三方弁３２より下流の部分と燃料ガスバイパスライン３１とに選択的に接続する。これにより、水素生成器２で生成された水素含有ガスが、バーナ４と燃料電池１のアノード１ａとに選択的に供給される。
【００５１】
次にこのように構成された燃料電池システム１０１Ｃの動作（運転方法）を説明する。
【００５２】
図６に示すように、起動動作が開始されると、水素生成器２が暖機される（ステップＳ１１）。水素生成器２の暖機方法は基本的に実施の形態１と同じである。但し、本実施の形態３では、三方弁３２が、燃料ガス供給ライン６の三方弁３２より上流の部分を燃料ガスバイパスライン３１に接続するよう制御され、それにより水素生成器２で生成された水素含有ガスが燃焼用燃料ガスとしてバーナ４に供給される。バーナ４は、この水素含有ガスを燃焼させて水素生成器２を暖機する。
【００５３】
水素生成器２の暖機が完了すると、燃料電池１のアノード１ａへ水素含有ガスが供給される（ステップＳ１２）。具体的には、三方弁３２が、燃料ガス供給ライン６の三方弁３２より上流の部分を燃料ガス供給ライン６の三方弁３２より下流の部分に接続するよう制御され。これにより、水素生成器２で生成された水素含有ガスが燃料電池１のアノード１ａに供給される。また、燃料電池１で消費されなかった水素含有ガス（オフガス）が燃焼用燃料ガスとして燃料ガス排出ライン８を通ってバーナ４に供給され、当該バーナ４により燃焼させられる。
【００５４】
次に、燃料電池１のカソード１ｂに燃焼排ガスが供給され（ステップＳ１３）、その後、燃料電池１のカソード１ｂに酸化剤ガスが供給される（ステップＳ１４）、その後、発電が開始される（ステップＳ１５）。これらステップにおける具体的な動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明を省略する。
【００５５】
このような、本実施の形態３の燃料電池システム１０１Ｃによれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、燃料電池１のカソード１ｂに酸化剤ガスが供給される前に、アノード１ａに水素含有ガスが供給されるので、高分子電解質膜を透過してアノード１ａに酸化剤ガスが混入することによるアノード１ａの電位上昇を防ぐことができ、アノード１ａの触媒の劣化を抑制することができる。また、アノード１ａに水素含有ガスを供給してから、カソード１ｂに酸化剤ガスとして空気を供給することになるので、アノード１ａに空気が残っていた場合でも転極することがなく、アノード１ａ及びカソード１ｂの触媒層の耐久性を十分に確保することが可能となる。
【００５６】
なお、燃料電池システム１０１Ｃの起動から所定時間、原料ガスをバーナ４に供給するよう構成してもよい。
【００５７】
（実施の形態４）
図７は本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【００５８】
図７に示すように、本実施の形態４の燃料電池システム１０１Ｄは、燃焼排ガスライン１０の当該燃焼排ガスライン１０と燃焼排ガス分岐ライン５ａとの接続点より上流の部分に放熱器３３が設けられている点が実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａと異なり、その他は実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａと同じである。
【００５９】
放熱器３３は、燃焼排ガスライン１０を流れる燃焼排ガスを放熱させるよう構成されている。具体的には、例えば、表面にフィンを有し内部を燃焼排ガスが流れる管路とこの管路の表面に送風してこれを冷却する風冷却ファンとによって構成することができる。また、例えば、燃焼排ガスを冷却流体と熱交換させて冷却する熱交換器で構成してもよい。この場合、冷却流体として、燃料電池１の排熱を回収して利用する給湯システムの貯湯水を用いてもよい。
【００６０】
このように構成された本実施の形態４によれば、実施の形態１と同様の効果が得られ、かつ高温の燃焼排ガスが放熱器３３により降温されて相対湿度が上昇した燃焼排ガスが燃料電池１のカソード１ｂに供給されるので、高分子電解質膜をより好適に潤すことができる。
【００６１】
（実施の形態５）
図８は本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【００６２】
図８に示すように、本実施の形態５の燃料電池システム１０１Ｅは、燃焼排ガスライン１０の当該燃焼排ガスライン１０と燃焼排ガス分岐ライン５ａとの接続点より上流の部分に触媒燃焼器３４が設けられている点が実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａと異なり、その他は実施の形態１の燃料電池システム１０１Ａと同じである。
【００６３】
触媒燃焼器３４は、燃焼排ガスライン１０を流れる燃焼排ガスを触媒燃焼させるよう構成されている。具体的には、触媒燃焼器３４は、例えば、ハニカム状アルミナ担体に担持した白金触媒を備えた反応容器で構成され、燃焼排ガス中のＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を酸化させるよう該燃焼排ガスを触媒燃焼させる。燃焼排ガスを燃料電池１のカソード１ｂに供給する場合、燃焼排ガス中の酸素の比率を低くすることが必要である。酸素の比率が高いと、カソード１ｂの電位が上昇してその触媒が酸化劣化する可能性があるからである。しかし、燃焼排ガス中の酸素の比率を低くしようとすると、バーナ４への燃焼用空気の供給量をできる限り少なくする必要があり、燃焼用燃料ガスの燃焼時にＣＯが副生しやすくなる。また、バーナ４の燃焼温度が高いことから、ＮＯｘが副生することがある。これらＣＯ及びＮＯｘは燃料電池１のカソード１ｂの触媒を被毒する可能性がある。そこで、触媒燃焼器３４を設けることにより、燃焼排ガス中のＣＯ及びＮＯｘがカソード１ｂの触媒を被毒させない化合物にまで酸化される。これにより、カソード１ｂに供給する燃焼排ガス中の触媒被毒物を除去することができる。その結果、実施の形態１と同様の効果が得られ、かつ燃料電池１の耐久性をより向上することが可能となる。なお、触媒燃焼器３４の触媒は、ＣＯ及びＮＯｘのいずれかを酸化するものであってもよい。
【００６４】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６は、実施の形態１乃至５の燃料電池システム１０１Ａ〜１０１Ｅの異常停止時における起動動作を例示するものである。
【００６５】
図９は本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの異常停止時における起動動作を示すフローチャートである。
【００６６】
図９に示すように、本実施の形態６では、燃料電池システム１０１Ａ〜１０１Ｅが異常停止した後、再起動するには、まず、水素生成器２が起動される（ステップＳ２１）。
【００６７】
次いで、燃料電池１のアノード１ａに水素含有ガスが供給される（ステップＳ２２）。
【００６８】
次いで、燃料電池１のカソード１ｂに燃焼排ガスが供給される（ステップＳ２３）。
【００６９】
次いで、燃料電池１のカソード１ｂに酸化剤ガスが供給される（ステップＳ２４）。
【００７０】
次いで、発電が開始される（ステップＳ２５）。
【００７１】
なお、ステップＳ２２〜２４における具体的な動作は実施の形態１乃至５の燃料電池システム１０１Ａ〜１０１Ｅの起動動作と同じであるので、その説明を省略する。
【００７２】
例えば、原料にメタンガスを用いて、これを空気燃焼させた場合、
ＣＨ４＋２Ｏ２＋８Ｎ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋８Ｎ２
という反応が進む。この反応が完全に進むと、この燃焼ガスのうちの２／（１＋２＋８）＝２／１１が水となる。ここで、１気圧＝１０１３ｈＰａであるから、水蒸気圧は
１０１３×２／１１＝１８４．１８ｈＰａとなる。
【００７３】
そして、５８．３℃のときの飽和水蒸気圧が１８４．１８ｈＰａであるので、この燃焼ガスの露点は５８℃である。よって、メタンガスを主成分として含む原料をバーナ４で燃焼用燃料として燃焼させることによって、燃料電池１の温度が５８℃以上で、カソード１ｂにおける酸化剤ガスの露点が５８℃以下で発電していた燃料電池システム１０１Ａ〜１０１Ｅにおいて、異常停止し、その後、再起動する場合には、この運転方法により燃料電池１の低加湿条件の下での開回路状態を防ぐことができ、燃料電池１の耐久性を十分に確保することが可能となる。
【００７４】
なお、このような効果を得るためには、実施の形態１乃至５の燃料電池システム１０１Ａ〜１０１Ｅを、例えば、原料ガスとして天然ガス（メタンガスであればより好適である。）を用い、水素生成器２の起動から所定時間、バーナ４に燃焼用燃料ガスとして当該原料ガスを供給するよう構成すればよい。
【００７５】
（その他の実施の形態）
実施の形態１乃至６において、水素生成器２を、原料ガスを水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する改質部と変成部及び又はＣＯ低減部とを備えるよう構成してもよい。ここで、変成部は改質部で生成された水素含有ガスのＣＯ濃度を変成反応により低減する機能を有する。また、ＣＯ低減部は、改質部又は変成部から流出する水素含有ガスのＣＯ濃度を酸化反応又はメタン化反応により低減する機能を有する。この構成により、ＣＯ濃度が低減された水素含有ガスを燃料ガスとして燃料電池１のアノード１ａに供給することができる。
【００７６】
実施の形態１乃至６において、アノード１ａへの水素含有ガスの供給開始のタイミングは、水素生成器２の暖機完了から発電開始までの間のいずれのタイミングでもよい。但し、高分子電解質膜を透過してアノード１ａに酸化剤ガスが混入することによるアノード１ａの触媒の劣化抑制の観点からは、カソード１ｂへの酸化剤ガスの供給を開始する前が好ましい。
【００７７】
実施の形態２を実施の形態３乃至６のいずれかのように変形してもよい。また、この他、実施の形態１乃至６を、互いに相手を排除しない限り、適宜、組み合わせてもよい。
【００７８】
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】
【００７９】
本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池の起動の際における低加湿条件の下での開回路状態による高分子電解質膜の劣化等を防止できる燃料電池システム及びその運転方法として有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１  燃料電池
１ａ  アノード
１ｂ  カソード
２  水素生成器
３  酸化剤ガス供給装置
４  バーナ
５  燃焼排ガス供給機構
５ａ  燃焼排ガス分岐ライン
５ｂ  第１開閉弁
５ｃ  第２開閉弁
５ｄ  三方弁
６  燃料ガス供給ライン
７  酸化剤ガス供給ライン
８  燃料ガス排出ライン
９  酸化剤ガス排出ライン
１０  燃焼排ガスライン
１１  内部燃料ガス経路
１２  内部酸化剤ガス経路
２１  制御器
３１  燃料ガスバイパスライン
３２  三方弁
３３  放熱器
３４  触媒燃焼器
１０１Ａ  燃料電池システム
１０１Ｂ  燃料電池システム
１０１Ｃ  燃料電池システム
１０１Ｄ  燃料電池システム
１０１Ｅ  燃料電池システム 

【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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【図８】
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【図９】
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