(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを用いて発電する固体高分子型の燃料電池と；
前記燃料電池で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部を有し、前記燃焼部で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置と；
前記燃料改質装置に前記改質用原料を供給する改質用原料供給系と；
前記燃焼部に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系と；
前記未利用燃料ガスを前記燃焼部に供給する未利用燃料ガス供給系と；
前記改質用原料供給系を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマーと；
前記タイマーが所定の時間を経過したときに、前記未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが前記燃焼部に供給されて前記燃焼熱を得るための前記燃焼用燃料が過多になったと判断して、前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラとを備える；
燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料ガスを用いて発電する燃料電池と；
前記燃料電池で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部を有し、前記燃焼部で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置と；
前記燃焼部に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系と；
前記未利用燃料ガスを前記燃焼部に供給する未利用燃料ガス供給系と；
前記燃焼部の温度を検出する温度検出計と；
前記温度検出計の検出する温度が所定の閾値を超えて上昇したときに、前記未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが前記燃焼部に供給されたと判断して、前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラとを備える；
燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料ガスを用いて発電する燃料電池と；
前記燃料電池で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部を有し、前記燃焼部で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置と；
前記燃焼部に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系と；
前記未利用燃料ガスを前記燃焼部に供給する未利用燃料ガス供給系と；
前記燃焼部の温度を検出する温度検出計と；
前記温度検出計の検出する温度の変化率が所定の値を超えたときに、前記未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが前記燃焼部に供給されたと判断して、前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラとを備える；
燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記燃料改質装置に前記改質用原料を供給する改質用原料供給系と；
前記改質用原料供給系を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマーとをさらに備え；
前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給の減少または停止が、前記タイマーが起動した後に行われるように構成された；
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
燃料ガスを用いて発電する燃料電池と；
前記燃料電池で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部を有し、前記燃焼部で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置と；
前記燃焼部に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系と；
前記未利用燃料ガスを前記燃焼部に供給する未利用燃料ガス供給系と；
前記燃焼用原料供給系を通して供給される前記燃焼用原料の流量を検出する流量検出計と；
前記流量検出計の検出する流量が所定の閾値に達したときに、前記未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが前記燃焼部に供給されたと判断して、前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラとを備える；
燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に燃焼用ガスの燃焼熱を利用して燃料ガスを得る燃料改質装置を備える燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、改質用原料ガスを改質して得た燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池発電装置においては、装置起動初期には燃焼用原料により燃料改質装置燃焼部にて燃焼を行い、当該燃料改質装置の加熱を行うが、改質用原料供給開始後は、当該燃料改質装置で改質した改質ガス(水素リッチガス)の全量または一部である未利用燃料ガスが当該燃料改質装置燃焼部で燃焼されていた。このように燃焼用原料から未利用燃料ガスへ、あるいは未利用燃料ガスと燃焼用原料の両方へと、燃焼ガスを切り替えるに当たって、改質用原料および未利用燃料ガスは、配管系内部に残存する非可燃性ガスが完全にパージされるまで外部に排出され、パージが終了した後に燃焼室に導入されるか、あるいは更に外部に排出され続け、発電が開始されてから燃焼室へ導入されるという方法が一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の燃料電池発電装置においては、可燃性ガスが外部に排出されるため、これを処理する燃焼器やフレアスタックなどの処理装置を別途設ける必要があって、システムが複雑になるという問題があった。
【０００４】
そこで本発明は、単純なシステムで燃焼用原料から未利用燃料ガスへの切換をスムーズに行うことのできる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、燃料ガスを用いて発電する固体高分子型の燃料電池６１と；燃料電池６１で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部３１を有し、燃焼部３１で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置３０と；燃料改質装置３０に前記改質用原料を供給する改質用原料供給系１２と；燃焼部３１に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系１１と；前記未利用燃料ガスを燃焼部３１に供給する未利用燃料ガス供給系２１と；改質用原料供給系１２を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマー７２と；タイマー７２が所定の時間ｔ１１を経過したときに、未利用燃料ガス供給系２１を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部３１に供給されて前記燃焼熱を得るための前記燃焼用燃料が過多になったと判断して、燃焼用原料供給系１１を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラ７１とを備える。燃料ガスは典型的には水素を主成分とするガスである。
【０００６】
このように構成すると、改質用原料供給系を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマーを備え、タイマーが所定の時間を経過したときに、未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部に供給されて前記燃焼熱を得るための前記燃焼用燃料が過多になったと判断するので、単純な構造で、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止することができる。
【０００７】
燃料ガスを用いての発電は、典型的には水素を主成分とする燃料ガスを酸化剤と電気化学的に反応させて行う。燃焼用原料及び改質用原料は典型的には炭化水素（天然ガス等）やアルコール（メタノール等）である。未利用燃料ガス供給系は、燃料電池で発電が行われていない場合には、燃料電池に供給される燃料ガスはその全量が燃料電池で利用されないので、該燃料ガスの全量が未利用燃料ガスに該当し、燃料電池で発電が行われているときは発電に利用されずに排出されるガス、いわば燃料ガスの余剰分が未利用燃料ガスに該当する。また燃料電池が発電しているときに、燃料電池を経由して排出されるガス全体をオフガスあるいはアノードオフガスとも呼ぶ。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、請求項２に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図６に示すように、燃料ガスを用いて発電する燃料電池６１と；燃料電池６１で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部３１を有し、前記燃焼部３１で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置３０と；燃焼部３１に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系１１と；前記未利用燃料ガスを燃焼部３１に供給する未利用燃料ガス供給系２１と；燃焼部３１の温度を検出する温度検出計７４と；温度検出計７４の検出する温度が所定の閾値を超えて上昇したときに、未利用燃料ガス供給系２１を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部３１に供給されたと判断して、燃焼用原料供給系１１を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラ７３とを備える。
【０００９】
このように構成すると、燃焼部３１の温度を検出するので、燃焼部３１で燃焼する燃料の量の変化を敏感に検知することができる。
【００１０】
請求項２に記載の燃料電池発電システムでは、温度計７４の検出する温度の変化を検知することにより、未利用燃料ガス供給系２１を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部３１に供給されたことを検知するように構成している。
【００１１】
このように構成すると、温度の変化、例えば温度上昇を検知することにより未利用燃料ガスが燃焼部に供給されたことを検知して燃焼用原料の供給を減少または停止するので、応答が迅速である。未利用燃料ガスが供給されると燃焼部の温度がそれまでと比較して大きく変化する。
温度の変化は、典型的には温度の変化率であるが、その他例えば温度の上昇値であってもよく、例えばほぼ一定であった温度がある閾値（例えば３０〜４０℃）を越えて上昇したことを検知するものとしてもよい。
【００１２】
また請求項３に記載のように、検知する温度の変化が温度計７４の検出する温度の変化率であるものとしてもよい。
【００１３】
温度の変化率とは、特に温度変化の時間微分値である。例えば温度がほぼ一定の状態から温度上昇が始まると、温度の変化率はゼロから正の値となる。温度が上昇傾向にあっても、その上昇傾向が強くなると、温度の変化率はある正の値からそれよりも大きな正の値となる。温度が下降傾向にあっても、下降傾向が弱くなれば、温度の変化率は負のある値から負ではあるが絶対値が小さい値となる。そのような温度の変化率、特に温度の上昇スピードの変化、中でも上昇傾向となる、又は上昇傾向が強くなるのを検知する。即ち、温度の変化率の増大を検知する。
また請求項４に記載のように、請求項２又は請求項３に記載の燃料電池発電システムでは、例えば図６に示すように、燃料改質装置３０に前記改質用原料を供給する改質用原料供給系１２と；改質用原料供給系１２を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマー７２（例えば図１参照）とをさらに備え；燃焼用原料供給系１１を通した前記燃焼用原料の供給の減少または停止が、タイマー７２（例えば図１参照）が起動した後に行われるように構成されていてもよい。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項５に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図７に示すように、燃料ガスを用いて発電する燃料電池６１と；燃料電池６１で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部３１を有し、前記燃焼部３１で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置３０と；燃焼部３１に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系１１と；前記未利用燃料ガスを燃焼部３１に供給する未利用燃料ガス供給系２１と；燃焼用原料供給系１１を通して供給される前記燃焼用原料の流量を検出する流量検出計７６と；流量検出計７６の検出する流量が所定の閾値に達したときに、未利用燃料ガス供給系２１を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部３１に供給されたと判断して、燃焼用原料供給系１１を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラ７５とを備える。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似記号を付し、重複した説明は省略する。
【００１６】
図１〜図４を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。本実施の形態は、プロトン伝導性を持つ固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池６１と、炭化水素またはアルコールを主とする改質用原料を改質して燃料電池に水素を主成分とする燃料ガスを供給する燃料改質装置３０とを含んで構成された、固体高分子型燃料電池発電システムである。
【００１７】
燃料改質装置３０は、改質用原料を固体高分子型燃料電池６１に供給可能な燃料ガスへの改質を行う触媒等を充填した改質部３５と、ここで改質を行うために必要な熱を得るための燃焼部３１とを含んで構成される。燃焼部３１は、燃焼用ガスの燃焼を行うバーナー３２および燃焼室３３とを含んで構成される。燃焼室３３は、バーナー３２で生じる火炎を収納する。改質部３５は、水蒸気改質等の改質反応を行う改質触媒、ＣＯ変成反応を行う変成触媒、ＣＯ除去を行う選択酸化触媒層を含んで構成される。
【００１８】
本改質装置３０は、例えば全体的に円筒形に形成されており、該円筒の中心線が鉛直方向に向くように設置される。図中、円筒形構造の中心部には、燃焼室３３が形成されており、燃焼室３３の内部に、上方から下方に向けて燃焼ガスを導くバーナー３２が設置されている。バーナー３２の先端部に火炎が形成される。燃焼室３３には、温度検出器としての熱電対を利用した温度計７４が取り付けられている（図６参照）。
【００１９】
またバーナー３２には、弁１１ｂを有する燃焼用原料供給系１１と弁２１ａを有する未利用燃料ガス供給系２１及び弁１３ｂを有する燃焼用空気供給系１３が接続されている。未利用燃料ガスは、燃料電池６１で発電に利用されなかった燃料ガスである。未利用燃料ガス供給系２１で供給されるガスは燃焼部３１で燃焼される。
【００２０】
燃焼用原料供給系１１は、本燃料電池発電システムの起動初期の燃焼を行うために必要な燃焼用原料を供給する系である。燃焼用原料としては、本実施の形態では天然ガスを主成分とする都市ガスを用いる。このガスは取り扱いが容易で、入手もしやすい。但し、他の炭化水素ガスや液体燃料であってもよい。液体燃料としては、メタノール等のアルコールが適している。但し、灯油、軽油等の液体炭化水素であってもよい。
【００２１】
また改質部３５には、弁１２ｂを有する改質用原料供給系１２が接続されている。改質用原料は、本実施の形態では、燃焼用原料と共通なものとなっており、天然ガスを主成分とする都市ガスが用いられている。但し、燃焼用原料と同様に、他の炭化水素ガスや液体燃料であってもよい。また、メタノール等のアルコールや、灯油、軽油等の液体炭化水素であってもよい。
【００２２】
燃焼用原料供給系１１には、燃焼用原料を昇圧する昇圧機であるブロワ１１ａが弁１１ｂの上流側に備えられ、改質用原料供給系１２には、改質用原料を昇圧する昇圧機であるブロワ１２ａが弁１２ｂの上流側に備えられ、燃焼用空気供給系１３には、燃焼用空気を昇圧する昇圧機であるブロワ１３ａが弁１３ｂの上流側に備えられている。またブロワ１１ａの上流側には弁１１ｃが、ブロワ１２ａの上流側には弁１２ｃが備えられている。なお、燃焼用原料及び改質用原料として、例えばガスボンベから供給される加圧ガスを用いる場合には、前記ブロワは用いなくてもよい。
【００２３】
この実施の形態では、前述のように燃焼用原料と改質用原料とが共通化されている。したがって、燃焼用原料供給系１１と改質用原料供給系１２とは、弁１１ｃと弁１２ｃの上流側で共通の原料供給系から分岐している。
【００２４】
改質用原料供給系１２には、ブロワ１２ａと弁１２ｂとの間に、不活性ガスである窒素ガスを供給する窒素ガス供給系が接続されている。窒素ガス供給系には弁１２ｄが備えられている。この系から改質用原料供給系１２を通して供給される窒素ガスは、本燃料電池発電システム起動初期において、熱媒体として均一な昇温を促進するためのものであり、また停止時には、安全上システム内に可燃性ガスが残留しないように置換を行うために用いる。前記目的のために前記窒素の代わりに空気や水蒸気等の非可燃性の媒体（不活性ガスも含む概念）を用いてもよい。これらの媒体は起動時には必ずしも用いなくてもよいが、この場合システム内には、前回停止操作時に残留可燃性ガスの置換を行うために用いた非可燃性ガスが残留している。
【００２５】
さらに、改質部３５には改質部３５で改質された燃料ガスを燃料電池６１に供給する燃料ガス供給系２５が接続されている。
【００２６】
また燃焼部３１には、燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排気系２３が接続されている。
【００２７】
バーナー３２に供給された燃焼用ガス又は未利用燃料ガスは、燃焼用空気供給系１３を通して供給される空気と混合され燃焼室３３で燃焼する。発生した燃焼ガスは、燃焼室３３から流出する。この間に改質部３５を加熱する。燃焼室３３の温度は、ここでの燃焼による発熱量に敏感であり、燃焼ガス量が増えると直ちに上昇する。
【００２８】
本発明の実施の形態で使用される燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池６１である。この燃料電池は、セルスタックとして構成されている。このセルスタックは、電解質を構成する固体高分子膜を有し、該固体高分子膜の一方の面側に燃料極を、他方の面側に酸化剤極を有する。燃料極には水素を主成分とする燃料ガスが供給され、酸化剤極には酸化剤ガスとしての空気が供給される。そして、供給された燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う。このような固体高分子膜と、炭素等の導電性材料で作られたセパレータとが交互に重ねられ多層構造として、セルスタックが構成されている。
【００２９】
図１〜図４のフローチャートを参照して、本発明の第１の実施の形態を説明する。弁１１ｂと弁１２ｂは、信号伝達系でコントローラ７１に接続されている。コントローラ７１には、タイマー７２が接続されている。なおコントローラ７１は、後述のような制御を行わせるソフトをインストールしたマイクロコンピュータ又はパソコンであってもよく、タイマー７２はコントローラ７１に組み込んであってもよい。
【００３０】
燃料ガス供給系２５は、燃料電池６１に接続されている。燃料ガス供給系２５には、燃料電池６１に接続される上流側に弁２５ａが備えられている。この燃料ガス供給系２５で供給される燃料ガスは、燃料電池６１の燃料極に供給される。なお、燃料電池６１には、不図示の空気供給系により、酸化剤としての空気が供給される。
【００３１】
未利用燃料ガス供給系２１は、燃料電池６１に接続されている。ここでいう未利用燃料ガスは、燃料極で水素が発電に利用された後の余剰改質ガスであり、まだ水素をかなり含むいわゆる水素リッチガスである。未利用燃料ガス供給系２１には、燃料電池６１側から、弁２１ｂと弁２１ａがこの順番で備えられている。
【００３２】
改質装置３０と弁２５ａとの間の燃料ガス供給系２５と、弁２１ａと弁２１ｂとの間の未利用燃料ガス供給系２１とは、バイパス系２４で接続されている。バイパス系２４には、弁２４ａが備えられている。また弁２１ａと弁２１ｂとの間の未利用燃料ガス供給系２１からは、未利用燃料ガス排気系２２が引き出されており、この系には弁２２ａが備えられている。
【００３３】
なお図１〜図４、図６、７では、図中黒く塗りつぶした弁は閉、白く示された弁は開となっていることを意味する。
【００３４】
図１のフローチャートは、改質装置３０の昇温時の弁の開閉状態を示す。このときは、弁１２ｃは閉となっており、改質用原料は供給されない。その代わり、弁１２ｄが開となっており、改質用ガス供給系１２を通して、改質装置３０には窒素ガスが供給される。また弁２１ａは閉となっており、窒素ガスはバーナー３２には供給されない。また弁２５ａと弁２１ｂとは閉となっており、改質装置３０からの窒素ガスは、燃料電池６１には供給されない。また弁２４ａ、弁２２ａは、開となっている。
【００３５】
この状態では、改質装置３０を含む燃料電池発電システムは、発電開始前の運転準備段階にある。改質用原料供給系１２から弁１２ｂを介して改質装置３０に供給される窒素ガスは、改質部３５に窒素ガスを充填して、燃料ガス供給系２５を通って、さらにバイパス系２４を通って未利用燃料ガス排気系２２に抜ける。
【００３６】
燃焼用原料供給系１１から弁１１ｂを介して、燃焼用原料である天然ガスが、バーナー３２に供給される。この天然ガスは、燃焼用空気供給系１３から弁１３ｂを介して、バーナーに供給される燃焼用空気と混合され、バーナー３２でひいては燃焼室３３内で燃焼する。燃焼排ガスは、燃焼排ガス排気系２３を通してシステム外に排出される。
このように改質装置３０には、燃焼用ガス、窒素ガス、燃焼用空気が供給され、改質装置３０が燃焼用ガスの燃焼により加熱されている。しかしながら、燃料ガスはまだ燃料電池６１には供給されていない。したがって未利用燃料ガスは、まだ改質装置３０に戻って来ていない。ここで改質部３５に供給される窒素ガスは、改質部３５の加熱が一様になるのを助ける。
【００３７】
このように、この状態では、改質用原料ガス供給系１２からは窒素ガスが改質部３５に供給され、燃料ガス供給系２５、バイパス系２４、未利用燃料ガス排気系２２を通して排出される。また燃焼用原料供給系である燃焼用ガス供給系１１から燃焼用ガスが、燃焼用空気供給系１３から燃焼用空気が、それぞれバーナー３２に供給され、燃焼室３３で燃焼した結果生じた燃焼ガスは、燃焼排ガス排気系２３を通して排気される。
なお後で説明する図５の線図上では、この状態は時刻ｔ０〜ｔ３に該当する。
【００３８】
図２のフローチャートは、改質用原料の供給が開始されたときの弁の開閉状態を示す。このときは、図１の状態と比べて、弁１２ｄが閉となり、その代わりに弁１２ｃが開となっている。また弁２２ａが閉、弁２１ａが開となっている。
【００３９】
この状態では、まず改質用原料供給系１２から弁１２ｂを介して改質用原料が改質装置３０に供給され始める。このとき窒素ガスの供給は停止しているので、改質装置３０内の窒素ガスは、改質用原料と置換され始める。改質部３５内が改質用原料で十分に置換されると、改質用原料は燃料ガス供給系２５を通って、さらにバイパス系２４を通って未利用燃料ガス供給系２１に流入し、最後にバーナー３２に到る。
【００４０】
この間も、燃焼用原料供給系１１からは燃焼用原料である天然ガスが、バーナー３２に供給されており、改質装置３０の加熱は継続している。
なお後で説明する図５の線図上では、この状態は時刻ｔ３〜ｔ５に該当する。
【００４１】
図３のフローチャートは、未利用燃料ガスが燃焼部３１に供給された後、燃焼用原料の供給が停止又は減少されたときの弁の開閉状態を示す。このときは、図２の状態と比べて、弁１１ｃが閉となっている。この状態では、未利用燃料ガスが燃焼部３１に供給されるので、燃焼用原料を供給する必要がなくなり、したがって弁１１ｃが閉となるのである。後で説明する図５の線図上では、この状態は時刻ｔ５〜ｔ６に該当する。
なお、燃焼用原料と未利用燃料ガスの両方を継続的に用いて改質器の加熱を行う場合には、弁１１ｃは開のままとする。
【００４２】
図４のフローチャートは、発電中又は発電可能状態における弁の開閉状態を示す。このときは、図３の状態と比べて、弁２４ａが閉となり、弁２５ａと弁２１ｂとが開となっている。この状態では、燃料ガスが供給系２５を通して燃料電池６１に供給され、未利用燃料ガスが系２１を通して、バーナー３２に供給されている。
なお後で説明する図５の線図上では、この状態は時刻ｔ６〜に該当する。但し、実際の負荷接続はｔ７〜である。
【００４３】
図５の、実測値に基いて作成した線図を参照し、また適宜図１〜図４を参照して、第１の実施の形態の作用を説明する。図中□で示すプロットは、改質用原料ガスまたはその代わりの窒素ガスの流量を、○で示すプロットは、燃焼用ガスの流量、●で示すプロットは、燃焼部３１の温度、特に燃焼室３３の温度を表わす。
【００４４】
図中、時刻ｔ０には弁１２ｃが閉、弁１２ｄが開とされ、改質用原料ガス供給系１２から、改質装置３０に窒素ガスが供給されている。この時点では、この系統からは改質用原料ガスの代わりに窒素ガスを供給する。なお、窒素ガスは改質装置３０に供給されるに十分な圧力をもっているものとして、ブロワ１２ａの吐出側に接続された系から供給されている。このときブロワ１２ａは運転の必要がない。しかしながら、十分な圧力を有していないときは、窒素供給系はブロワ１２ａの吸込側に接続してもよい。このときはブロワ１２ａを運転する。
【００４５】
燃料電池発電システムの起動は、最初に燃焼用ガスを改質装置の燃焼部３１に供給し、改質装置の昇温後改質用原料ガスを供給する。改質用原料ガス供給開始前、改質装置および燃料ガス供給系および未利用燃料ガス供給系の内部には、熱媒体として窒素ガス等の不活性ガスや、その他の非可燃性ガスである空気、水蒸気等が流通される。起動時に熱媒体を用いない場合には、前回停止時に可燃性ガスを置換するために導入された窒素ガス等の非可燃性ガスがシステム内部に封入されている。したがって、改質用原料ガス供給直後は燃料極から排出される未利用燃料ガスを導く未利用燃料ガス供給系から燃焼部３１へ供給されるのは改質ガス（水素リッチガス）でなく不活性ガス等の非可燃性ガスとなる。したがって、改質用原料ガス供給開始後直ちに燃焼用ガスの供給を停止すると燃焼部３１における失火等の不適合を生じる。
【００４６】
図中□で示されるように、時刻ｔ０〜ｔ１では、窒素が供給されている。また、弁１１ｂは閉となっており、燃焼用ガスは供給されていない。このときは燃料電池発電システムは、運転開始前の待機状態にある。燃焼部３１としての燃焼室３３の温度（図中●）は、ほぼ常温としての大気温度に等しい。
【００４７】
時刻ｔ１に、ブロワ１１ａが運転され、弁１１ｂが開とされて燃焼用ガス供給系１１を通して燃焼用ガスの供給が開始される（図中○）。また同様に、ブロワ１３ａが運転され、弁１３ｂが開とされて燃焼用空気供給系１３を通して燃焼用空気の供給が開始される。供給される燃焼用ガスと空気とにより、バーナー３２が働き燃焼室３３内での燃焼が始まる。このようにして、燃焼室３３の温度（図中●）が、上昇し始める。このときコントローラ７１は、不図示の信号ラインにより温度検出器（図１には不図示）で検出した燃焼室３３の温度を受信しており、所定の設定温度になるように、調節弁１１ｂを開閉調節している。したがって図示のように、時刻ｔ２に燃焼室３３の温度が設定温度になると、燃焼ガスの流量が減少し始める。そして燃焼室３３の温度は設定温度に維持される。
【００４８】
この状態を所定の時間継続すると、燃焼用ガスの流量は図中横ばいとなる。即ち、燃焼室３３の温度を設定温度に維持するのに必要な燃焼用ガスの流量がほぼ一定となる。このような状態における任意の時刻ｔ３に改質用原料ガスの供給を開始する。このときは、改質用原料ガス供給系１２に流れていた窒素ガスを、改質用原料ガス、典型的には天然ガスを用いた都市ガスに切換える。天然ガスはメタンガスを主成分とする。図１、図２では、二方弁１２ｃと１２ｄの開閉により切り替えているが、この２つの二方弁は不図示の三方弁で置き換えてもよい。
【００４９】
次に時刻ｔ３〜ｔ５の状態を説明する。図中、時刻ｔ３には弁１２ｄが閉、弁１２ｃが開とされ（図２）、改質用原料ガス供給系１２から、改質装置３０に改質用原料ガスとしての天然ガスが供給され始める。このときタイマー７２がオンとなる。
【００５０】
コントローラ７１は、燃焼室３３の温度が設定温度になるように燃焼用ガス供給系の弁１１ｂを開閉調節している。この状態で所定の時間が経過すると、時刻ｔ４において未利用燃料ガスが改質装置３０に到達する。即ちここで未利用燃料ガス供給系２１から燃焼部３１への供給ガスが非可燃性ガスから改質用ガスに変わる。このようにして燃焼部３１への総可燃性ガス供給量が増加するため燃焼部温度は上昇する。言い換えれば、燃焼室３３中では燃焼用ガスと未利用燃料（アノードオフガス）の兼焼状態となる。したがって燃焼室の温度が上昇を開始する。それに応じてコントローラ７１が作動するので、燃焼用ガス流量が減少する。
【００５１】
但し、本実施の形態では燃焼用ガスには最低流量が設定されており、例え燃焼室の温度が上昇しても、この最低流量より下には下がらない。線図上では、燃焼用ガス流量が一定値で横ばいになっているのが分かる。このように燃焼用ガス流量に閾値を設定してそれよりも下回らないようにするとバーナー３２の失火の防止を図ることができる。
【００５２】
一方コントローラ７１に接続されたタイマー７２は、改質用ガスの供給を開始した時刻ｔ３に、前述のようにオンにされる。タイマー７２が所定の設定時間ｔ１１を経過して時刻ｔ５になったときに、コントローラ７１を介して燃焼用ガス用の弁１１ｂに閉の信号を送り、これを閉とする。これはタイマーからの信号を待って、前記のように設定されている燃焼用ガスの最低流量値をゼロに変更することによって行ってもよい。
【００５３】
このときもまだ燃料電池の負荷はかけられていないので、改質用原料ガスの流量には変化がない。ここで燃焼用ガスの供給が停止され、未利用燃料ガス（アノードオフガス）の専焼になるので、燃焼室３３の温度は設定値に向けて低下を始める。
【００５４】
タイマー７２の設定時間ｔ１１は、統計的、経験的に、当該燃料電池発電システムにおいて、改質用ガスの供給を開始してからこれが燃料電池スタック６１に到達し、アノードオフガスが改質装置３０に確実に戻ってくる時間に設定されている。したがって燃焼用ガスの供給を停止しても、バーナー３２が失火することがない。
【００５５】
次に時刻ｔ５の後の時刻ｔ６になったところで、弁２５ａと弁２１ｂが開となり、弁２４ａが閉となって、燃料電池スタック６１に燃料ガスが供給される。改質用原料ガスの流量は、かけられる負荷に見合う流量に制御される。その後時刻ｔ７において、燃料電池スタックに不図示の負荷が接続され、発電が開始される。
【００５６】
図６のフローチャートを参照して、第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態と異なる構成部分を重点的に説明する。本図は第１の実施の形態の図２に対応する。但し、窒素供給系や、燃焼用原料供給系と改質用原料供給系とに共通に原料を供給する系統は図示を省略してある。
【００５７】
図中燃焼用ガス供給系１１の弁１１ｂは、コントローラ７３に接続されており、コントローラ７３は温度検出器７４からの温度検出信号を受信するように構成されている。温度検出器７４は、燃焼室３３の温度を検出するように熱電対が取り付けられている。熱電対は燃焼室の壁板に埋め込まれていてもよいし、壁板を貫通して燃焼室３３内の燃焼ガスに接触するように設置されていてもよい。
【００５８】
このように構成すると、図５の線図で説明したように、この温度を設定値に維持するようにコントローラ７３が調節弁１１ｂを開閉調節することができる。また温度検出計７４は、アノードオフガスがバーナー３２に供給されたこと、ひいてはオフガスが燃焼室３３で燃焼開始したことを検知することができる。コントローラ７３は、これを検知して燃焼用ガス調節弁１１ｂを開閉調節し、または閉とするので、オフガスが供給されたことを検知して、燃焼用ガスの供給を減少または停止することができる。これは、図２における時刻ｔ５における系の挙動に対応する。
【００５９】
図７のフローチャートを参照して、第３の実施の形態を説明する。第１又は第２の実施の形態と異なる構成部分を重点的に説明する。本図は第１の実施の形態の図２に対応する。また図６と同様に説明に直接係わらない部分は図示を省略してある。図中燃焼用ガス供給系１１の弁１１ｂは、コントローラ７５に接続されており、コントローラ７５は流量検出器７６からの流量検出信号を受信するように構成されている。流量検出器７６は、燃焼用ガス供給系１１の、弁１１ｂとバーナー３２との間に設置されており、燃焼用ガスの供給量を検出する。
【００６０】
コントローラ７５は、温度検出器（図７には不図示、図６参照）で検出された燃焼室３３の温度を設定値に維持するように燃焼ガス調節弁１１ｂを開閉制御する。一方、流量検出器７６で検出された流量が所定の閾値に達したときに弁１１ｂを閉として、燃焼用ガスを遮断する。これは、図５の線図上の時刻ｔ５における系の挙動に対応する。前記燃焼用ガスの流量の前記所定の閾値は、オフガスがバーナー３２に到達したことを保証するような値とする。即ち、未利用燃料ガスがバーナー３２に達すると、燃焼用ガスの必要量が低下するので、燃焼用ガスの流量を監視していれば未利用燃料ガスがバーナー３２に供給されたか否かを検知することができることを利用する。
【００６１】
このように、改質用原料ガスは最低流量値における一定流量制御されており燃焼用ガス流量で燃焼部温度を一定制御している場合には、当該部分の温度上昇を抑制するために燃焼用ガス流量は低下する。そこで、改質用原料ガス供給開始後の燃焼部温度の上昇あるいは燃焼用ガス流量の低下等により未利用燃料ガス燃焼開始を検知し、未利用燃料ガス燃焼が確実に開始されてから燃焼用ガスを供給停止することにより燃焼部３１の失火等を回避することが可能となる。
【００６２】
以上のように本発明の第１の実施の形態の燃料電池発電システムでは、連続的あるいは断続的に未利用燃料ガスを専焼する燃料改質装置と燃焼用ガスを直接当該燃料改質装置の燃焼部３１に供給する系統と当該燃料改質装置において生成した改質ガス（水素リッチガス）を未利用燃料ガスとして当該燃料改質装置の燃焼部３１に供給する系統を兼ね備え、且つ、当該燃料改質装置の燃焼部温度等を測定する計測器類を１つ以上有する固体高分子電解質型燃料電池発電装置において、装置起動時に改質用原料ガスが原料改質系に供給された後、当該燃料改質装置で生成する改質ガス（水素リッチガス）が未利用燃料ガスとして当該燃料改質装置燃焼部３１に供給され燃焼用ガスと未利用燃料ガスによる兼焼が開始したことを改質用原料ガス供給開始時に起動するタイマーにより検知する方法を備える。
【００６３】
また第２の実施の形態の燃料電池発電システムは、燃焼用ガスと未利用燃料ガスによる兼焼が開始したことを燃焼部温度等の当該燃料改質装置の温度変化により検知する方法を備える。
【００６４】
また第３の実施の形態の燃料電池発電システムは、燃焼用ガスと未利用燃料ガスによる兼焼が開始したことを燃焼用ガスの流量変化により検知する方法を備える。
【００６５】
また、タイマーにより検知する方法と当該燃料改質装置の温度変化により検知する方法の双方により未利用燃料ガス燃焼開始を判断する制御方法を備えるようにしてもよい。
【００６６】
さらに、燃料改質装置の温度変化により検知する方法又は燃焼用ガスの流量変化により検知する方法により発信される検知信号により起動するタイマーによりアノードオフガス燃焼開始を判断する制御方法を備える燃料電池発電システムとしてもよい。
【００６７】
さらに、以上のいずれかの方法によりアノードオフガス燃焼が開始したことを確認した後に燃焼用ガスの減少操作を開始する制御方法を備えた燃料電池発電システムとしてもよい。
【００６８】
このように本発明の実施の形態によれば、燃料電池において発電を行っていない場合には燃料ガスの全量からなり、また燃料電池において発電を行っている場合には利用されずに排出される燃料ガスの余剰分からなる未利用燃料ガスを、未利用燃料ガス供給系を通して燃焼部３１に供給する。
【００６９】
なお以上の実施の形態では、燃料電池は固体高分子型として説明したが、これに限定されるものではなく、他の形式、例えばリン酸型等であってもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように第１の発明によれば、改質用原料供給系を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマーを備え、タイマーが所定の時間を経過したか否かにより、未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部に供給されたことを検知するので、単純な構造で、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止することができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【００７１】
また第２の発明によれば、燃焼部の温度を検出する温度検出計を備え、温度検出計の検出する温度に基いて、未利用燃料ガス供給系を通して未利用燃料ガスが燃焼部に供給されたことを検知して、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止するように構成されているので、燃焼部の温度を検出することから、燃焼部で燃焼する燃料の量の変化を敏感に検知することができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【００７２】
また第３の発明によれば、燃焼用原料供給系を通して供給される燃焼用原料の流量を検出する流量検出計を備え、流量検出計の検出する流量に基いて、未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部に供給されたことを検知して、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止するように構成するので、単純な構造で、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止することができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態である燃料電池発電システムの改質部昇温時の状態を示すフローチャートである。
【図２】第１の実施の形態の改質用原料供給開始状態を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施の形態の燃焼用原料供給停止状態を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施の形態の発電中の状態を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態の作用を説明する線図である。
【図６】第２の実施の形態である燃料電池発電システムを示すフローチャートである。
【図７】第３の実施の形態である燃料電池発電システムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１  燃焼用ガス供給系
１１ａ  ブロワ
１１ｂ  弁
１２  改質用原料ガス供給系
１２ａ  ブロワ
１２ｂ  弁
１３  燃焼用空気供給系
１３ｂ  弁
２１  未利用燃料ガス供給系
２１ａ、２１ｂ  弁
２２  未利用燃料ガス排気系
２３  燃焼排ガス排気系
２４  バイパス系
２５  燃料ガス供給系
３０  改質装置
３２  バーナー
３３  燃焼室
６１  燃料電池
７１、７３、７５  コントローラ
７２  タイマー
７４  温度検出器
７６  流量検出器
【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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