(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質手段と、
前記改質手段を加熱するための加熱手段と、
前記改質手段に接続された水供給手段と、
前記改質手段に接続された空気供給手段と、
前記改質手段の下流に接続された燃料電池と、
前記燃料電池のアノード排出口に設けられた閉止弁と、
前記改質手段と前記燃料電池との間に配置された切替手段と、
前記切替手段を介して分岐された排出経路と、を備えた燃料電池発電システムであって、
（１）前記燃料電池発電システムの運転開始前に、前記水供給手段によって水を前記改質手段に供給し、前記水を前記加熱手段で加熱して水蒸気を発生させ、前記水蒸気を前記改質手段から前記燃料電池に導入する制御と、
（２）前記水蒸気が前記燃料電池に導入された後、前記閉止弁を閉鎖する際に、前記切替手段から前記燃料電池に至る経路を遮断して、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記排出経路に至る経路を通じさせる様に前記切替手段を作動させる制御と、
（３）前記切替手段を前記作動させた後、原料ガスの供給を開始して前記改質手段において水素リッチガスを発生させる制御と、
（４）前記改質手段の温度が所定の温度に達した後、前記排出経路を遮断して、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記燃料電池に至る経路を通じさせる様に前記切替手段を作動させて前記水素リッチガスを前記燃料電池に導入する際に、前記閉止弁を開く制御とを行う制御手段を備えた、燃料電池発電システム。
【請求項２】
改質手段と、
前記改質手段を加熱するための加熱手段と、
前記改質手段に接続された水供給手段と、
前記改質手段に接続された空気供給手段と、
前記改質手段の下流に接続された燃料電池と、
前記燃料電池のアノード排出口に設けられた閉止弁と、
前記改質手段と前記燃料電池との間に配置された一酸化炭素除去手段と、
前記一酸化炭素除去手段と前記燃料電池との間に配置された切替手段と、
前記切替手段を介して分岐される排出経路と、を備えた燃料電池発電システムであって、
（１）前記燃料電池発電システムの運転開始前に、前記水供給手段によって水を前記改質手段に供給し、前記水を前記加熱手段で加熱して水蒸気を発生させ、前記水蒸気を前記改質手段から前記燃料電池に導入する制御と、
（２）前記水蒸気が前記燃料電池に導入された後、前記閉止弁を閉鎖する際に、前記切替手段から前記燃料電池に至る経路を遮断して、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記排出経路に至る経路を通じさせる様に前記切替手段を作動させる制御と、
（３）前記切替手段を前記作動させた後、原料ガスの供給を開始して前記改質手段において水素リッチガスを発生させる制御と、
（４）前記一酸化炭素除去手段の温度が、前記水素リッチガスから一酸化炭素を除去するために必要な温度まで上昇した後、前記排出経路を遮断して、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記燃料電池に至る経路を通じさせる様に前記切替手段を作動させて前記水素リッチガスを前記燃料電池に導入する際に、前記閉止弁を開く制御とを行う制御手段を備えた、燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記排出経路が前記加熱手段に接続される、請求項１又は２記載の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する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムは、特開平３−２５７７６２に示すように、図５に示す構成をしていた。すなわち原料ガスから水素リッチガスを発生させる改質器１と、改質器１を加熱する加熱手段としてのバーナ２と、改質器１の上流に窒素供給管１４および遮断弁１５を介して接続された窒素設備１６と、改質器１の下流に改質ガス供給管１７を介して接続され空気中の酸素と発生した水素とを反応させて発電する燃料電池９とを備え、燃料電池９のアノード９ａ側の下流はアノード排出ガス接続管１２を介してバーナ２へ接続されていた。
【０００３】
一般の燃料電池発電システムにおいては、発電運転を停止させる時はまず原料ガスの供給を停止させるが、この時改質器１から、改質ガス供給管１７、燃料電池９のアノード９ａおよびアノード排出ガス接続管１２を介してバーナ２へ至る経路中に水素リッチガスが滞留することになる。このとき、大気開放されたバーナ２から自然対流によって水素リッチガスが滞留する経路内に空気が流入した場合、水素が爆発する恐れがあった。
【０００４】
そこで、この従来の燃料電池発電システムのように、発電運転停止時に遮断弁１５を開き、窒素設備１６から窒素供給管１４を介して不活性ガスとしての窒素を改質器１から、改質ガス供給管１７、燃料電池９のアノード９ａおよびアノード排出ガス接続管１２を介してバーナ２へ至る経路に供給することにより、この経路内に残留する水素リッチガスを全てパージしバーナ２で燃焼させていた。
【０００５】
このように、従来の燃料電池発電システムでは、窒素によるパージ動作によって、水素が爆発することを未然に防止し、安全性を確保していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池発電システムでは、窒素によるパージ動作のため窒素ボンベなどの窒素設備１６を具備する必要があり、例えば家庭用定置型分散発電や電気自動車用電源などに用いた場合、大きなスペースが必要で機器のイニシャルコストがかかるという課題がある。また、窒素ボンベを定期的に交換、補充する必要もあり、ランニングコストもかかるという課題がある。
【０００７】
また、燃料電池が高分子電解質型の場合、窒素によるパージ動作の後に電池の運転を停止したときは、電解質膜が乾いて収縮するため、電極と電解質膜の接合性が悪くなり、電池性能が低下するという課題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を考慮し、省スペースでイニシャルコストおよびランニングコストが安く、または性能が低下しない燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決するための第１の本発明は、
改質手段と、
前記改質手段を加熱するための加熱手段と、
前記改質手段に接続された水供給手段と、
前記改質手段に接続された空気供給手段と、
前記改質手段の下流に接続された燃料電池と、
前記燃料電池のアノード排出口に設けられた閉止弁と、
前記改質手段と前記燃料電池との間に配置された切替手段と、
前記切替手段を介して分岐された排出経路と、を備えた燃料電池発電システムであって、
（１）前記燃料電池発電システムの運転開始前に、前記水供給手段によって水を前記改質手段に供給し、前記水を前記加熱手段で加熱して水蒸気を発生させ、前記水蒸気を前記改質手段から前記燃料電池に導入する制御と、
（２）前記水蒸気が前記燃料電池に導入された後、前記閉止弁を閉鎖する際に、前記切替手段から前記燃料電池に至る経路を遮断して、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記排出経路に至る経路を通じさせる様に前記切替手段を作動させる制御と、
（３）前記切替手段を前記作動させた後、原料ガスの供給を開始して前記改質手段において水素リッチガスを発生させる制御と、
（４）前記改質手段の温度が所定の温度に達した後、前記排出経路を遮断して、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記燃料電池に至る経路を通じさせる様に前記切替手段を作動させて前記水素リッチガスを前記燃料電池に導入する際に、前記閉止弁を開く制御とを行う制御手段を備えた、燃料電池発電システムである。
【００１０】
第２の本発明は、
改質手段と、
前記改質手段を加熱するための加熱手段と、
前記改質手段に接続された水供給手段と、
前記改質手段に接続された空気供給手段と、
前記改質手段の下流に接続された燃料電池と、
前記燃料電池のアノード排出口に設けられた閉止弁と、
前記改質手段と前記燃料電池との間に配置された一酸化炭素除去手段と、
前記一酸化炭素除去手段と前記燃料電池との間に配置された切替手段と、
前記切替手段を介して分岐される排出経路と、を備えた燃料電池発電システムであって、
（１）前記燃料電池発電システムの運転開始前に、前記水供給手段によって水を前記改質手段に供給し、前記水を前記加熱手段で加熱して水蒸気を発生させ、前記水蒸気を前記改質手段から前記燃料電池に導入する制御と、
（２）前記水蒸気が前記燃料電池に導入された後、前記閉止弁を閉鎖する際に、前記切替手段から前記燃料電池に至る経路を遮断して、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記排出経路に至る経路を通じさせる様に前記切替手段を作動させる制御と、
（３）前記切替手段を前記作動させた後、原料ガスの供給を開始して前記改質手段において水素リッチガスを発生させる制御と、
（４）前記一酸化炭素除去手段の温度が、前記水素リッチガスから一酸化炭素を除去するために必要な温度まで上昇した後、前記排出経路を遮断して、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記燃料電池に至る経路を通じさせる様に前記切替手段を作動させて前記水素リッチガスを前記燃料電池に導入する際に、前記閉止弁を開く制御とを行う制御手段を備えた、燃料電池発電システムである。
【００１１】
第３の本発明は、前記排出経路が前記加熱手段に接続される、第１又は２の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２１】
本発明に関連する発明は、改質手段と、前記改質手段を加熱するための加熱手段と、前記改質手段に接続された水供給手段と、前記改質手段に接続された空気供給手段と、前記改質手段の下流に接続された切替手段と、前記切替手段の下流に接続された燃料電池と、前記切替手段を介して分岐された排出経路とを備えた燃料電池発電システムの停止方法であって、前記燃料電池システムの運転開始前、または前記改質手段への原料ガスの供給を停止した後、前記水供給手段によって水を前記改質手段に供給し、前記水を前記加熱手段で加熱して水蒸気を発生させる工程と、前記水蒸気を前記改質手段から前記燃料電池までの燃料経路に導入することにより、前記燃料経路に残留しているガスを置換する工程と、前記燃料経路を前記水蒸気で置換した後、前記切替手段を作動させることにより、前記燃料経路のうち前記切替手段から前記燃料電池に至る経路を遮断し、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記排出経路に至る経路を通じさせる工程と、前記切替手段を作動させた後、前記空気供給手段によって、前記改質手段に空気を導入し、前記燃料経路のうち前記改質手段から前記切替手段までの経路に残留する水蒸気を置換する工程とを備える、燃料電池発電システムの停止方法である。
【００２２】
本発明に関連する発明は、改質手段と、前記改質手段を加熱するための加熱手段と、前記改質手段に接続された水供給手段と、前記改質手段に接続された空気供給手段と、前記改質手段の下流に接続された一酸化炭素除去手段と、前記一酸化炭素除去手段の下流に接続された切替手段と、前記切替手段の下流に接続された、燃料電池と、前記切替手段を介して分岐される排出経路と、を備える燃料電池発電システムの運転開始方法であって、前記燃料電池発電システムの運転開始前に、前記水供給手段によって水を前記改質手段に供給し、前記水を前記加熱手段で加熱して水蒸気を発生させる工程と、前記水蒸気を前記改質手段から前記燃料電池に導入し、その後前記切替手段を作動させることにより、前記燃料経路のうち前記切替手段から前記燃料電池に至る経路を遮断し、前記改質手段から前記切替手段を経由して前記排出経路に至る経路を通じさせる工程と、前記切替手段を作動させた後、原料ガスの供給を開始して前記改質手段において水素リッチガスを発生させる工程と、前記一酸化炭素除去手段の温度が、前記水素リッチガスから一酸化炭素を除去するために必要な温度まで上昇した後、前記切替手段を作動させることにより、前記排出経路を遮断し、前記燃料経路に一酸化炭素を除去した水素リッチガスを導入する工程と、を備える燃料電池発電システムの運転開始方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの構成を示す模式図である。なお、本実施の形態１においては高分子電解質型の燃料電池を使用するものとして説明する。
【００２５】
本発明の改質手段である改質器１の内部には、改質反応を進行させるための改質触媒１ａが充填されている。改質器１には本発明の加熱手段としてのバーナ２が備えつけられ、改質器１の上流部１ｂの入口には脱硫器６を介して原料ガス供給弁３が接続され、原料ガス供給弁３には原料ガス配管が接続されている。
【００２６】
上流部１ｂには、原料ガスに合流するように接続された本発明の水供給手段としての水ポンプ４が接続されている。また、本発明の空気供給手段としての空気ポンプ５の出口が、三方弁１９の出口の一端を介して上流部１ｂに接続されている。ここで、三方弁１９の出口の他端は、一酸化炭素除去器７に接続されている。また、原料ガス供給弁３の上流側からは、配管が一部分岐されて遮断弁２０を経由して改質器１のバーナ２に接続されている。
【００２７】
改質器１の下流には一酸化炭素除去器７が接続され、その内部には一酸化炭素除去反応を進行させるための一酸化炭素除去触媒７ａが充填されている。また、改質器１と一酸化炭素除去器７との間には、変成反応によって一酸化炭素濃度をある程度低下させるための変成器８が設けられている。
【００２８】
本発明の燃料電池９は、アノード９ａとカソード９ｂとを備えている。アノード９ａおよびカソード９ｂは、それぞれ入口および出口を有している。そして、燃料電池９のカソード９ｂの入口には送風機１０が接続されている。一方、燃料電池９のアノード９ａの入口は、例えばテフロン（登録商標）などの腐食耐性のある材質で作製された配管を介して、三方弁１３の出口の一端が接続されている。また、燃料電池９の内部には発電反応を進行させるための触媒（図示せず）が設けられている。三方弁１３の入口は、一酸化炭素除去器７の下流に配管を介して接続され、三方弁１３の出口の他端は、排出経路１８の一端が接続され、排出経路１８の他端は、バーナ２に接続されている。ここで、三方弁１３は、燃料電池９に対してできるだけ近接して配置され、三方弁１３から燃料電池９のアノード９ａへ至る配管は短い。またアノード９ａの出口には、配管の一端が接続され、その配管の他端は本発明の燃料電池発電システムの外部に開放され、その配管の途中には、閉止弁２２が設けられている。
【００２９】
なお、改質器１の容器、一酸化炭素除去器７の容器、三方弁１３および改質器１から三方弁１３に至る配管は、ＳＵＳ製である。
【００３０】
本発明の制御装置１１は、運転、停止時における原料ガス供給弁３、遮断弁２０、バーナ２、水ポンプ４、空気ポンプ５、送風機１０、三方弁１３、三方弁１９、閉止弁２２等を制御するために、メモリ部（図示せず）、演算処理部（図示せず）、インターフェース部（図示せず）などのハードウェアを備えたコンピュータを有し、メモリ部は、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＲＡＭカード、半導体メモリ等の記録媒体に格納されたプログラムを読み取るための記録媒体読み取り装置（図示せず）を有している。そして、制御装置１１には、原料ガス供給弁３、遮断弁２０、バーナ２、水ポンプ４、空気ポンプ５、送風機１０、三方弁１３、三方弁１９、閉止弁２２が電気的に接続されている。
【００３１】
次に、本実施の形態１における燃料電池発電システムの運転時の動作を説明する。まず、運転を開始する場合、制御装置１１は、遮断弁２０を開放する指令を出し、バーナ２に原料ガスを導入する。バーナ２は、原料ガスが導入されると同時に着火され、改質器１を加熱する。
【００３２】
次いで、制御装置１１は水ポンプ４が作動するよう指令を出し、上流部１ｂを介して改質器１に水が導入される。また制御装置１１は、閉止弁２２を開放する指令を出し、改質器１から変成器８、一酸化炭素除去器７および三方弁１３を介して燃料電池９のアノード９ａの出口までの配管を介した経路（以下燃料経路という）は、外部に開放される。なお、このとき三方弁１３は、排出経路１８を閉鎖し、三方弁１３から燃料電池９のアノード９ａに至る経路を開放している。そして、改質器１に導入された水は、バーナ２により加熱されて、水蒸気となり、その水蒸気が燃料経路へ導入される。燃料電池９のアノード９ａに導入された水蒸気は、アノード９ａの高分子電解質膜が電極と接合するために十分な湿度を高分子電解質膜に与える。そして水蒸気は、燃料電池９のアノード９ａから外部に排出される。このとき、燃料経路内に万一水素リッチガスや原料ガスが残留していたとしても、水蒸気の量が燃料経路内をパージするために充分な量が供給されていれば、水蒸気とともに外部に排出させることができる。
【００３３】
その後、制御装置１１は、閉止弁２２を閉鎖する指令を出し、閉止弁２２が閉鎖されることにより、滞留する水蒸気は燃料経路内に封鎖される。
【００３４】
次に制御装置１１は、原料ガス供給弁３を開く指令を出し、炭化水素などの原料ガスが、脱硫器６に導入される。脱硫器６に導入された原料ガスは、その付臭成分に含まれる硫黄分が除去され上流部１ｂを介して改質器１に供給される。改質器１に供給された原料ガスと、水ポンプ４により供給されバーナ２に加熱されて発生している水蒸気とが、改質触媒１ａを通過することにより、改質反応によって水素リッチガスが生成される。
【００３５】
生成された水素リッチガスは、変成器８に導入されてある程度一酸化炭素が低減され、その後、一酸化炭素除去器７に送られる。そして、制御装置１１が空気ポンプ５を始動させ、空気を三方弁１９を介して一酸化炭素除去器７へ送る。そして、水素リッチガスに含まれる一酸化炭素は、一酸化炭素除去器７の内部で一酸化炭素除去触媒７ａ上で選択酸化されることにより除去される。
【００３６】
このとき三方弁１９は、三方弁１９から改質器１の上流部１ｂへ至る経路を遮断し、三方弁１９から一酸化炭素除去触媒７へ至る経路を開放しているため、空気が改質触媒１に送られることはない。
【００３７】
このとき、改質反応の初期においては、改質器１内の温度が十分に昇温していないために、改質反応が十分に進行しておらず、燃料電池９での発電反応に必要な水素が充分に生成されていない。また、改質器１の温度が十分に昇温していないために、一酸化炭素除去器７内における温度も充分に上昇しておらず、一酸化炭素除去触媒７ａが充分に機能していない。従って、改質器１内で生成された初期の水素リッチガスは、変成器８を経由してきても、一酸化炭素除去器７の出口において高濃度（５％前後）の一酸化炭素を含む。このような改質反応の初期に生成される水素リッチガスでは、燃料電池９から十分な発電出力が得られないのみならず、燃料電池９の触媒を被毒させてしまう。特に高分子電解質型の場合、反応温度が低いためこの傾向が顕著に現れる。
【００３８】
そこで、制御装置１１は、水素リッチガスが生成される前に（すなわち原料ガス供給弁３を開放する前に）三方弁１３を作動させて、三方弁１３から燃料電池９のアノード９ａに至る経路を閉鎖し、排出経路１８を開放する。このとき、燃料電池９のアノード９ａ内には水蒸気が滞留したままである。
【００３９】
そして、生成された直後の水素リッチガスは、改質器１内および一酸化炭素除去器７内の温度が充分に昇温するまで（例えば、改質器１内の温度が７００℃に達するまで、および一酸化炭素除去器７内の温度が１５０℃に達するまで）、排出経路１８を経てバーナ２に供給され、原料ガスとともにバーナ２において燃焼される。
【００４０】
その後、改質器１内の温度センサ（図示せず）が、改質器１内の温度が改質に必要な温度に達したことを検出し、かつ一酸化炭素除去器７内の温度センサ（図示せず）が、一酸化炭素除去器７内の一酸化炭素除去触媒７ａが一酸化炭素除去に必要な温度に達したことを検出した後、制御装置１１は、三方弁１３を作動させて、排出経路１８を閉鎖して三方弁１３から燃料電池９のアノード９ａに至る経路を開通させる。それと同時に制御装置１１は、閉止弁２２を開放して、一酸化炭素除去触媒７ａにて充分に一酸化炭素が除去された水素リッチガスが、燃料電池９のアノード９ａに供給される。
【００４１】
次に本発明の燃料電池発電システムの運転中の動作について説明する。燃料電池９のアノード９ａに水素リッチガスが供給される一方で、燃料電池９のカソード９ｂには制御装置１１からの指令により、送風機１０から空気が供給される。燃料電池９内では、アノード９ａに供給された水素リッチガス中の水素とカソード９ｂに供給された空気中の酸素とが反応し、発電を行う。そして、反応することなく残った水素リッチガスは、アノード排出ガスとして燃料電池９のアノード９ａの出口から排出される。また反応することなく残った空気は、燃料電池９のカソード９ｂから排出される。
【００４２】
次に、本発明の燃料電池発電システムの運転を停止させる時の動作について説明する。まず、制御装置１１から指令が出て、原料ガス供給弁３が閉じられ原料ガスの供給を停止させる。原料ガスの一部は、原料ガス供給弁３の上流で分岐されて遮断弁２０を介してバーナ２に供給され続ける。
【００４３】
このとき、水ポンプ４は停止されず、この水ポンプ４から供給されている水は改質器１内部に入る。改質器１内部に導入された水は、バーナ２で加熱され水蒸気となって、燃料経路へ送られ、残留したガスである水素リッチガスとともに燃料電池９のアノード９ａの出口から外部に放出される。この動作は、燃料経路に残留する水素リッチガスを水蒸気でパージするものである。
【００４４】
なお、このとき空気ポンプ５は停止されるよう制御装置１１から指令を受け、空気が燃料経路に導入されないようにする。
【００４５】
その後、制御装置１１は、遮断弁２０を閉鎖してバーナ２による加熱を停止させ、同時に水ポンプ４による水の供給を停止させて燃料経路への水蒸気の供給を停止させる。次に制御装置１１は、三方弁１３を作動させて、三方弁１３から燃料電池９のアノード９ａの入口に至る経路を閉鎖し、三方弁１３から排出経路１８に至る経路を開通させる。また、制御装置１１は、閉止弁２２を閉鎖させ、水蒸気を三方弁１３から燃料電池９のアノード９ａを介して閉止弁２２に至る経路内に滞留させる。このようにすることにより、アノード９ａ側の高分子電解質膜が乾燥して収縮することがなく、電極（図示せず）と高分子電解質膜との接合性が悪化することがない。
【００４６】
次に制御装置１１は、三方弁１９を作動させて、三方弁１９から一酸化炭素除去器７へ至る経路を遮断し、三方弁１９から改質器１の上流部１ｂへ至る経路を開通させる。そして、空気ポンプ５を再び作動させて空気ポンプ５から空気を改質器１の上流部１ｂに供給する。そして、改質器１の上流部１ｂに導入された空気は、燃料経路のうち、改質器１、変成器８、一酸化炭素除去器７および三方弁１３に至るまでの配管に残留する水蒸気を置換（パージ）して排出経路１８およびバーナ２を介して外部に放出される。
【００４７】
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムの運転停止時において、三方弁１３から燃料電池９のアノード９ａへ至る経路には、水蒸気が滞留したままである。しかし、三方弁１３から燃料電池９へ至る配管は、テフロン（登録商標）などの非金属製腐食耐性材料で作製されているため、水蒸気が凝結しても金属イオンが溶出して高分子電解質膜に悪影響を与える心配は無い。なお、この配管の長さは短くされており、配管材料にテフロン（登録商標）を使用してもコストアップの要因にはならないようにされている。ここで、三方弁１３を使用する代わりに、燃料経路を全てテフロン（登録商標）を用いて構成することもできるが、この場合コストが大幅に上昇してしまうため、現実的ではない。
【００４８】
このようにして、発電運転停止直後に改質器１から燃料電池９のアノード９ａへ至る燃料経路を直接空気によるパージを行わず、水蒸気でパージを行うことにより、燃焼限界内の水素と酸素の混合ガスが生じる可能性がある水素リッチガスと空気との界面が形成されず、改質器１内の高温雰囲気内において爆発が生じる危険を避けることができる。
【００４９】
しかし、もし、燃料経路を直接空気でパージすると、水素リッチガスと空気との界面で燃焼限界内の水素と酸素との混合ガスが生じ、そのガスが改質器１内を通過する際に高温雰囲気に晒されて爆発する可能性がある。
【００５０】
また、もし、改質器１、一酸化炭素除去器７、および三方弁１３に至るまでの経路内が、水蒸気パージされた後空気パージされなければ、経路内の水蒸気が凝縮されて水となり、この経路内における機器、配管が上述のようにＳＵＳで作製されていても、長時間に渡り水が経路内に滞留することにより、滞留した水が、配管、機器の金属イオン（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒなど）を微量ではあるが溶出させる。そして溶出された金属イオンは、その後の運転または停止時に、水素リッチガスまたは水蒸気とともに、アノード９ａの高分子電解質膜に吸着される。高分子電解質膜に陽イオンである金属イオンが吸着すると、高分子電解質膜は、本来、陽イオンであるプロトンをカソード側に伝達する性能が低下されてしまう。
【００５１】
また、燃料電池９内に滞留した水蒸気を空気で置換しないことによって、高分子電解質膜（図示せず）が乾燥するという悪影響を避けることができる。従って高分子電解質型の燃料電池発電システムを停止した後も、燃料電池９のアノード９ａ内に水蒸気が滞留するため、高分子電解質膜が乾燥して収縮することがなく、電極（図示せず）と高分子電解質膜との接合性が悪化することがない。
【００５２】
以上のような構成、動作を有する燃料電池発電システムによれば、パージのための窒素設備が不要であるため、省スペースでイニシャルコストおよびランニングコストが安い燃料電池発電システムを提供することができる。また、燃料電池の触媒におけるＣＯ被毒が少なく、高分子電解質膜が乾燥する問題が無いため、性能劣化が少なく信頼性が高い燃料電池発電システムを提供することができる。
【００５３】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムのシステム構成を示す模式図である。実施の形態１と同一の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。この実施の形態２の燃料電池発電システムは、燃料電池９のアノード９ａの出口にその一端が接続されたアノード排出ガス接続管１２を有する。このアノード排出ガス接続管１２の他端は、バーナ２に接続されている。また、バーナ２の上流には水素センサ２１が設置され、制御手段１１に電気的に接続されている。そして水素濃度が燃焼限界かそれ以下になると信号を制御装置に送信する構成を有している。
【００５４】
つぎに、本発明の実施の形態２における動作を説明する。まず、運転開始時の動作においては、水蒸気が燃料電池９内に導入された後、閉止弁２２を閉鎖する点が実施の形態１における動作と異なる。そして三方弁１３が作動して水素リッチガスが燃料電池９のアノード９ａに導入されるときに、制御装置１１は、閉止弁２２を開放する。このようにすることにより、初期の水素リッチガスが排出経路１８およびバーナ２を経由して、燃料電池９のアノード９ａに逆流することを防ぐことができる。他の運転開始時の動作は実施の形態１と同様である。
【００５５】
次に運転中は、燃料電池９のアノード９ａに導入された水素リッチガスに含まれる水素の大半が発電反応により消費され、若干量が残留してアノード排出ガスとしてアノード９ａから排出される。このアノード排出ガスがアノード排出ガス接続管１２を介してバーナ２に導入され、原料ガスとともに燃焼される。
【００５６】
次に、運転停止時の動作について説明する。実施の形態１と同様に、まず水蒸気により燃料経路、およびアノード排出ガス接続管１２に残留する水素リッチガスが置換されるが、置換された残留水素リッチガスは、アノード排出ガス接続管１２を介してバーナ２に供給され、原料ガスとともにバーナ２において燃焼される。そして、バーナ２により改質器１が加熱されることによって水蒸気が発生する。
【００５７】
その後、制御装置１１は遮断弁２０を閉鎖する指令を出す。この遮断弁２０が閉鎖されることにより原料ガスのバーナ２への供給は停止し、バーナ２においてはアノード排出ガスに含まれる残留水素のみが燃料として燃焼される。
【００５８】
従って、水蒸気によるパージが進んでアノード排出ガスに含まれる残留水素が無くなるか、燃焼限界を下回る濃度に達するとバーナ２は失火する。このとき、水素センサ２１が信号を制御装置１１に送信し、その後制御装置１１は、水ポンプ４を停止させ、三方弁１３を作動させて、改質器１から変成器８および一酸化炭素除去器７を経由して排出経路１８からバーナ２に至る経路を開通する。また、制御装置１１は、閉止弁２２を閉鎖させる。そして、制御装置１１は、空気ポンプ５を起動して、空気を改質器１に導入し、導入された空気は、改質器１、変成器８、一酸化炭素除去器７、および一酸化炭素除去器７から三方弁１３に至る経路に残留する水蒸気を置換し、バーナ２から外部に放出される。
【００５９】
このとき閉止弁２２が閉鎖されているため、改質器１に導入された空気は、アノード排出ガス接続管１８を通って燃料電池９のアノード９ａに流れ込むことがなく、高分子電解質膜が乾燥することはない。
【００６０】
このようにすれば、燃料経路に残留する水素を外部に放出せず全て燃やし尽くすことができるために、燃料電池発電システムの外部に不用意に水素が滞留する心配が無く、安全性を高めることができる。また、残留水素ガスをパージ用水蒸気生成のために有効利用することができるので、燃料電池発電システムの効率を上げることができる。
【００６１】
上記の実施の形態２の説明では、水素センサ２１が水素が充分少ないことを検知して、制御手段に送信するとしたが、水素センサ２１が無く、火炎検知器（図示せず）がバーナ２の付近に設置され、失火を検出して制御装置に信号を送信する構成としても同様の効果が得られる。または、水素センサ２１も火炎検知器もなく、人手により失火を目視確認し、その後ボタン（図示せず）を押すなどして次の動作に移る指令を制御装置に送信しても、確実に水素が存在しないことを確認できるので同様の効果を得ることができる。
【００６２】
また、運転停止時に残留水素ガスは、運転停止動作の最初は原料ガスとともにバーナ２で燃焼されるとしたが、運転停止動作の最初から残留水素ガスのみがバーナ２で燃焼されても、パージをするために充分な水蒸気を発生することができれば、同様の効果を得ることができる。
【００６３】
なお、以上までの説明では、本発明の切替手段として三方弁１３を使用する例を示したが、三方弁１３に限定されることはなく、例えば、二方弁を複数組み合わせて、経路を切り替えるようにしてもよく、制御装置１１からの指令を受けて経路を２通りに切り替えることができるのであれば、どのような切替手段を使用しても同様の効果を得ることができる。
【００６４】
また、水供給手段として水ポンプ４を使用する例で説明したが、水供給手段としては、例えば給水タンクや外部の給水弁などであってもよく、改質器１内でパージと改質のための水蒸気を供給できる手段であれば、どのような手段であってもよい。
【００６５】
また、空気供給手段として空気ポンプ５を使用する例で説明したが、空気供給手段としては、例えば送風機などであってもよく、水蒸気をパージし、または一酸化炭素除去手段に必要とされる空気を供給するとができれば、どのような手段であってもよい。
【００６６】
また、燃料電池９は、三方弁１３の下流にテフロン（登録商標）配管を介して接続されるととして説明したが、この配管材は、テフロン（登録商標）に限定されることがなく、三方弁１３の上流側と同じ材質でもよく、その場合、三方弁１３と燃料電池９のアノード９ａとの配管距離を充分に短くすれば上記と同様の効果を得ることができる。
【００６７】
以上の説明では、燃料電池発電システムの運転開始時に、初期の水素リッチガスは三方弁１３、排出経路１８を介してバーナ２に供給されるとして説明したが、これに限定されることなく、排出経路１８が外部に開放されていて、初期の水素リッチガスは、三方弁１３から排出経路１８を介して外部に排出されてもよい。その場合も、改質器１および一酸化炭素除去器７の内部温度が充分に上昇した後に、三方弁１３を動作させて、水素リッチガスを燃料電池９に供給すればよい。
【００６８】
なお、上記の説明では、燃料電池発電システムの運転の停止時に、水蒸気で燃料経路を置換した後、閉止弁２２を閉鎖するとして説明したが、燃料電池発電システムを停止させてから次の起動までの時間間隔が短く、アノード９ａ側の高分子電解質膜の乾燥が問題にならない場合、または、アノード９ａ側の電解質膜が乾燥しても、次の運転開始時に時間を要してもよい場合は、閉止弁２２を閉鎖しなくてもよいし、または閉止弁２２自体がなくてもよい。
【００６９】
さらに、アノード９ａ側の電解質膜が乾燥しても、次の運転開始時に時間を要してもよい場合は、三方弁１３を省略することもできる。その場合の運転開始前の動作としては、実施の形態１の場合と同様に水蒸気を発生させ、発生させた水蒸気を改質手段から燃料電池９に導入させる。次に、遮断弁２０を開放して原料ガスをバーナ２に供給するが、改質反応が十分進行し、一酸化炭素除去触媒７ａが十分機能する程度まで、バーナ２により改質器１を加熱する。改質器１および一酸化炭素除去器７が所定の温度に達した後、原料ガス供給弁３を開放して、改質器１において水素リッチガスを生成させる。そして充分に一酸化炭素が除去された水素リッチガスを燃料電池９に導入すればよい。
【００７０】
次に運転停止時においては、実施の形態１の場合と同様に、水蒸気を発生させ、発生させた水蒸気を燃料経路に導入し、燃料経路に残留するガスを置換する。その後、空気ポンプ５を作動させて、空気を燃料経路に導入して燃料経路内に残留する水蒸気を空気で置換すればよい。
【００７１】
また、以上の説明では、原料ガスの改質方式として、水蒸気改質方式が採用されるとして説明してきたが、部分改質方式が採用されてもよい。その場合の構成例を実施の形態１の変形例として図３に示す。この場合は、空気ポンプ５からの配管が一酸化炭素除去器７へ至る配管と、改質器１へ至る配管とに分岐される。そして、燃料電池発電システムの運転中においても、改質器１へ空気が供給される。しかし、燃料電池発電システムを停止させる動作においては、空気ポンプ５は一旦停止され、水蒸気によって燃料経路が置換された後に、空気ポンプ５が再び作動されて空気によって燃料経路内の水蒸気が置換される。
【００７２】
また、以上の説明では、燃料電池発電システムの運転開始前に燃料電池のアノードに水蒸気を導入するとして説明したが、燃料電池発電システムの停止時に燃料電池のアノードに水蒸気を導入して、燃料電池の運転開始時に電解質膜の湿度が燃料電池の運転に支障が無い程度に保たれていれば、燃料電池の運転開始時に燃料電池のアノードに水蒸気が導入されなくてもよい。さらに、燃料電池９が固体酸化物型、溶融炭酸塩型、燐酸型などの高分子電解質膜型以外の場合は、電解質膜が乾燥する問題が無いので、パージの目的以外では、運転開始時に水蒸気が燃料経路に導入されなくてもよい。
【００７３】
また、以上の説明では、改質器１１に水を供給することにより水蒸気を発生させ、高分子電解質型の燃料電池９に水蒸気を導入するとして説明してきたが、本発明の燃料電池９は、アノード９ａにおける高分子電解質膜を加湿することができるのであれば、運転開始前に水蒸気または水を直接、燃料電池９に導入するための高分子電解質膜加湿手段を有する燃料電池９であってもよい。
【００７４】
例えば、改質手段として部分酸化方式を使用すれば、改質手段に水を供給する必要がないため、水ポンプ５は燃料経路をパージするために必要とされる水が供給される能力があればよい。一方電解質加湿手段としては、燃料電池９のアノード９ａの電解質膜に、その乾燥を防ぐために必要な水の量が供給されればよい。また、原料ガスとして水素を使用すれば、改質触媒１、変成器８、一酸化炭素除去器７も不要となり、燃料経路の内部容積が小さくなるため、水蒸気パージするための水ポンプ５はさらに小さな能力のものでよい。また、運手停止後、閉止弁２２を閉鎖して、外部から燃料経路に空気が導入される可能性が排除できれば、水ポンプが不要となることも考えられる。
【００７５】
また、以上の説明では、燃料電池９として高分子電解型燃料電池を使用する場合として説明したが、燐酸型燃料電池を用いることも考えられる。その場合の起動時の動作としては、実施の形態１と同様であるが、停止時の動作において、電解質膜が乾燥する問題がないため、水蒸気パージの後、三方弁１３を作動させないで空気パージを行ってもよい。
【００７６】
また、固体酸化物型、溶融炭酸塩型などの作動温度が高い燃料電池を用いる場合は、燃料電池９に触媒が必要とされないため、三方弁１３はなくてもよい。図４に実施の形態１の変形例として、そのような場合の構成例を示す。その場合、変成器８、一酸化炭素除去器７は省略される。
【００７７】
そして、その場合の運転開始時の動作としては、実施の形態１の場合と同様にまず水蒸気を燃料経路に導入して、燃料経路に残留するガスを水蒸気で置換し、その後、実施の形態１の場合と同様に原料ガスを改質器１に供給することにより、水素リッチガスを発生させ、水素リッチガスを燃料電池９のアノード９ａに導入させる。この場合、発生した水素リッチガスには一酸化炭素が含まれるが、固体酸化物型または溶融炭酸塩型の燃料電池の作動温度は、高分子電解質型の燃料電池の作動温度よりも高いため、一酸化炭素も発電反応に寄与する。
【００７８】
次に、運転停止時には、実施の形態１の場合と同様に、水蒸気を燃料経路に導入して、燃料経路内に残留するガスを水蒸気で置換し、その後空気ポンプ５を作動させて燃料経路内に滞留する水蒸気を空気で置換する、という動作となる。
【００７９】
このような動作により燃料電池発電システムの運転開始前、および運転停止後のパージを行うことができる。なお、この場合、必要が無ければ運手開始前のパージを省略することができる。
【００８０】
また、以上の説明では、制御装置１１がハードウェアで構成されたコンピュータを有するとして説明したが、制御装置１１はリレーで構成されていてもよく、本発明の燃料電池発電システムの運転、停止時に、原料ガス供給弁３、遮断弁２０、バーナ２、水ポンプ４、空気ポンプ５、送風機１０、三方弁１３、三方弁１９等をシーケンス的に制御できるものであれば、他のタイプの制御装置であっても同様の効果が得られる。
【００８１】
なお、以上の説明において、制御装置１１は、複数の制御手段で構成されていてもよいし、一体化して構成化されていてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、イニシャルコストおよびランニングコストを低減させた燃料電池発電システムを提供することができる。
【００８３】
また、改質手段の下流に切替手段を有する場合は、高分子電解質型燃料電池発電システムの性能劣化を防ぐことができる。
【００８４】
また、改質反応が水蒸気改質方式である場合は、イニシャルコストをさらに低減させることができる。
【００８５】
また、燃料電池が切替手段の下流に腐食耐性配管で接続された場合は、燃料電池発電システムの性能劣化をさらに防ぐことができる。
【００８６】
また、燃料電池のアノードから排出されるアノード排出ガスを加熱手段に導入する場合は、安全性を高めることができる。
【００８７】
また、排出経路が加熱手段に接続される場合は、さらに安全性を高めることができる。
【００８８】
また、アノード排出口に閉止弁が設けられた場合は、燃料電池発電システムの性能劣化をさらに防ぐことができる。
【００８９】
本発明の電解質膜加湿手段を有する燃料電池によれば、高分子電解質型燃料電池の性能劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における、燃料電池発電システムのシステム構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態２における、燃料電池発電システムのシステム構成を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１の変形例である、燃料電池発電システムのシステム構成を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１の変形例である、燃料電池発電システムのシステム構成を示す模式図である。
【図５】図５は、従来の燃料電池発電システムのシステム構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１  改質器
１ａ  改質触媒
１ｂ  上流部
２  バーナ
３  原料ガス供給弁
４  水ポンプ
５  空気ポンプ
６  脱硫器
７  一酸化炭素除去器
７ａ  一酸化炭素除去触媒
８  変成器
９  燃料電池
９ａ  アノード
９ｂ  カソード
１０  送風機
１１  制御装置
１２  アノード排出ガス接続管
１３  三方弁
１４  窒素供給管
１５  遮断弁
１６  窒素設備
１７  改質ガス供給管
１８  排出経路
１９  三方弁
【図１】
0004024543.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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