(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の原燃料を改質して水素を生成する燃料改質手段と、
該燃料改質手段で生成した水素および酸素を含むガスを用いて発電する燃料電池と、
該燃料電池から排出される排気を浄化する排気浄化装置と、
システム停止時にシステム内に残留したガスを前記原燃料と空気とを燃焼せしめた燃焼ガスで置き換える燃焼ガスパージ実行手段と、
該燃焼ガスパージ実行手段がシステム内を前記燃焼ガスで置き換えた後に、システム内を空気で置き換える空気パージ実行手段と、
を備えた改質型燃料電池システムであって、
前記燃料改質手段は、上流より、炭化水素系燃料を水素リッチのガスへ改質する改質装置、前記水素リッチガス中の一酸化炭素を水と反応せしめて水素と二酸化炭素を生成するＣＯ変成器、前記水素リッチガス中の残留一酸化炭素を選択的に酸素と反応させる選択酸化反応器とを備え、
システム停止時は前記選択酸化反応器の内部を高温時には前記燃焼ガスパージ実行手段により内部のガスを燃焼ガスで置き換え、所定温度以下となったら前記空気パージ実行手段により内部のガスを空気で置き換え、他の部位は前記空気パージ実行手段により空気で内部のガスを置き換えることを特徴とする改質型燃料電池システム。
【請求項２】
炭化水素系の原燃料を改質して水素を生成する燃料改質手段と、該燃料改質手段で生成した水素および酸素を含むガスを用いて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出される排気を浄化する排気浄化装置と、を備えた改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、
前記燃料改質手段は、上流より、炭化水素系燃料を水素リッチのガスへ改質する改質装置、前記水素リッチガス中の一酸化炭素を水と反応せしめて水素と二酸化炭素を生成するＣＯ変成器、前記水素リッチガス中の残留一酸化炭素を選択的に酸素と反応させる選択酸化反応器とを備え、
システム停止時は前記選択酸化反応器の内部を高温時には前記原燃料と空気とを燃焼せしめた燃焼ガスで、所定温度以下となったら空気で置き換え、他の部位は空気で内部のガスを置き換えることを特徴とする改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法。
【請求項３】
前記改質型燃料電池システムは、その起動時にシステムを加熱するために炭化水素系の原燃料と空気を燃焼せしめた燃焼ガスをシステム内に供給する起動燃焼器を備え、
システム停止時にシステム内に残留したガスを置き換えるための燃焼ガスを前記起動燃焼器で生成することを特徴とする請求項２に記載の改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法。
【請求項４】
前記炭化水素系燃料と空気を燃焼せしめた燃焼ガスの空燃比を略理論空燃比とすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法。
【請求項５】
前記炭化水素系燃料と空気を燃焼せしめた燃焼ガスの空燃比を理論空燃比よりもわずかに過濃側とすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質型燃料電池システム及びその残留ガスパージ方法に係り、特に不要な酸化反応を抑制した残留ガスパージを行うことができる改質型燃料電池システム及びその残留ガスパージ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法としては、例えば特開２０００−２７７１３７号公報がある。本従来例の内容を簡潔に説明する。
【０００３】
改質型燃料電池システムでは、システムを停止するとシステム内に改質装置で改質された高濃度の水素や、改質しきれなかった原燃料の蒸気等の可燃性ガスが充満した状態となり、そのガスが漏れ出したり、温度の低下とともに外部から酸素を含んだ空気が流入する等残留可燃性ガスが燃焼し易い状況下に置かれることが考えられる。従って一般的にシステム停止時には残留ガスを窒素等の不活性ガスで置き換えるパージが必要となり、そのためパージ用のガスを別に用意している。
【０００４】
しかし、パージ専用のガスを用意する場合は、そのガスの残量を把握して残量が少ない場合は補給するなどのメンテナンスが必要である。さらに、車などの移動手段に燃料電池システムを用いる場合は搭載スペースや補給の問題も発生し、良好な代替手段が必要とされる。
【０００５】
本従来例は、上記のようなパージ専用のガスの用意が不要であり、各部の劣化も最小限とできる例であり、パージするためのガスに、改質装置に供給される原料と空気とを反応させて酸素を消費させることによって生成される窒素と二酸化炭素が主成分となる燃焼ガスを用いることで上記問題点を解決している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術においては、以下のような問題点があった。炭化水素系原料を酸化させた場合、炭化水素系原料中の水素と酸素により水蒸気が生成される。その水蒸気がシステム内に残留して冷却されると水が改質装置内の触媒表面で凝縮し、触媒を覆う。そのため次回の起動時に原料と空気を改質装置へ導入してもその水分が除去されるまで改質反応が進まず、結果的に改質装置が起動するまでに多くの時間を要する。
【０００７】
また、改質装置が冷却されてから空気でパージする構成とすると、低温のため排気浄化装置における排気処理の効率が低下して、可燃性の原料残ガスや水素、一酸化炭素が処理されずに大気に放出される可能性がある。
【０００８】
また、燃料改質器下流には高濃度の一酸化炭素が存在するが、選択酸化反応器に冷えた状態の一酸化炭素が流入すると選択酸化反応器が一酸化炭素被毒を起こすため、次回システムを起動する際に被毒解除を行う必要があり、起動に時間を要するという問題点もあった。
【０００９】
さらに、改質装置が冷却されていない状態で空気でパージすると、触媒にルテニウム等を用いている場合には、高温で酸化雰囲気にさらされることになり、触媒が劣化してしまうという問題点があった。
【００１０】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、短時間で改質装置を再起動することができる改質型燃料電池システムを提供することである。
【００１１】
また本発明の目的は、短時間で改質装置を再起動することができる改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、炭化水素系の原燃料を改質して水素を生成する燃料改質手段と、該燃料改質手段で生成した水素および酸素を含むガスを用いて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出される排気を浄化する排気浄化装置と、システム停止時にシステム内に残留したガスを前記原燃料と空気とを燃焼せしめた燃焼ガスで置き換える燃焼ガスパージ実行手段と、該燃焼ガスパージ実行手段がシステム内を前記燃焼ガスで置き換えた後に、システム内を空気で置き換える空気パージ実行手段と、を備えた改質型燃料電池システムであって、前記燃料改質手段は、上流より、炭化水素系燃料を水素リッチのガスへ改質する改質装置、前記水素リッチガス中の一酸化炭素を水と反応せしめて水素と二酸化炭素を生成するＣＯ変成器、前記水素リッチガス中の残留一酸化炭素を選択的に酸素と反応させる選択酸化反応器とを備え、システム停止時は前記選択酸化反応器の内部を高温時には前記燃焼ガスパージ実行手段により内部のガスを燃焼ガスで置き換え、所定温度以下となったら前記空気パージ実行手段により内部のガスを空気で置き換え、他の部位は前記空気パージ実行手段により空気で内部のガスを置き換えることを要旨とする改質型燃料電池システムである。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、炭化水素系の原燃料を改質して水素を生成する燃料改質手段と、該燃料改質手段で生成した水素および酸素を含むガスを用いて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出される排気を浄化する排気浄化装置と、を備えた改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、前記燃料改質手段は、上流より、炭化水素系燃料を水素リッチのガスへ改質する改質装置、前記水素リッチガス中の一酸化炭素を水と反応せしめて水素と二酸化炭素を生成するＣＯ変成器、前記水素リッチガス中の残留一酸化炭素を選択的に酸素と反応させる選択酸化反応器とを備え、システム停止時は前記選択酸化反応器の内部を高温時には前記原燃料と空気とを燃焼せしめた燃焼ガスで、所定温度以下となったら空気で置き換え、他の部位は空気で内部のガスを置き換えることを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項２に記載の改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法において、前記改質型燃料電池システムは、その起動時にシステムを加熱するために炭化水素系の原燃料と空気を燃焼せしめた燃焼ガスをシステム内に供給する起動燃焼器を備え、システム停止時にシステム内に残留したガスを置き換えるための燃焼ガスを前記起動燃焼器で生成することを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法において、前記炭化水素系燃料と空気を燃焼せしめた燃焼ガスの空燃比を略理論空燃比とすることを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の改質型燃料電池システムの残留ガスパージ方法において、前記炭化水素系燃料と空気を燃焼せしめた燃焼ガスの空燃比を理論空燃比よりもわずかに過濃側とすることを要旨とする。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１または請求項２記載の発明によれば、酸化に弱いルテニウム等を用いている選択酸化反応器のみ高温時には燃焼ガスで、所定温度以下となったら空気で内部のガスを置き換え、他の部位は空気で内部のガスを置き換える構成とした。
ルテニウムは１００℃以上で酸化雰囲気にさらされると劣化してしまう。従ってルテニウムを使用している部分は１００℃以上の場合はたとえ水分が多くても酸素濃度の低い燃焼ガス等でパージする必要がある。しかし、酸化に対して強い物質しか使用していない部分についてはこの限りではないので最初から空気でパージしておけば水分の凝縮の問題もなく良好である。その後ルテニウムを使用している部分のみ１００℃以下となってから空気でパージする構成とすればシステム全体で凝縮する水の量を少なくすることができるため、１００℃以下となってからの空気パージの時間を短縮することが可能となるという効果がある。
【００２２】
請求項３記載の発明によれば、システム停止時に改質触媒には不活性な燃焼ガスが供給されるため、改質触媒の温度上昇を回避し、耐久性の低下を防止することができるという効果がある。
【００２３】
請求項４記載の発明によれば、燃焼ガス中の一酸化炭素濃度も低く、酸素もほとんど存在しない良好な不活性ガスが得られるため、システム内の触媒を劣化させることなく大気汚染に対しても良好なパージガスが得られるという効果がある。
【００２４】
請求項５記載の発明によれば、システム停止時に供給する燃焼ガスの空燃比を理論空燃比よりもわずかに過濃側としたので、空燃比制御の変動があっても燃焼ガス中に酸素が残存し、システム内の酸化に弱い物質を劣化させることを防止することができるという効果がある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明が適用可能な改質型燃料電池システムの参考例の構成を説明するシステム構成図である。同図において、改質型燃料電池システムは、炭化水素系の原燃料を改質して水素を生成する燃料改質手段としての燃料改質器１及びＣＯ変成器４及び選択酸化反応器５と、燃料改質器１で生成した水素および酸素を含むガスを用いて発電する燃料電池６と、燃料電池６から排出される排気を浄化する排気浄化装置としての後処理装置８と、システム停止時にシステム内に残留したガスを原燃料と空気とを燃焼せしめた燃焼ガスで置き換える燃焼ガスパージ実行手段及び該燃焼ガスパージ実行手段がシステム内を前記燃焼ガスで置き換えた後に、システム内を空気で置き換える空気パージ実行手段としてのコントロールユニット１０とを備えている。
【００２９】
さらに改質型燃料電池システムは、システム内に空気を供給するコンプレッサ２０と、システム起動時にシステムを暖機するための起動燃焼器９と、燃料電池６へ供給する空気を加湿する加湿器７とを備えている。
【００３０】
燃料改質器１には、例えばガソリン等の原燃料が燃料噴射弁２によって供給されると共に空気も供給される。その結果燃料改質器１で部分酸化反応が起こり、式（１）で示すように主に水素と一酸化炭素が生成される。
【００３１】
【化１】
ＣｎＨｍ＋（ｎ／２）Ｏ2  →  ｎＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ2    …（１）
燃料改質器１を出た改質ガスは水噴射弁３により供給される水とともにＣＯ変成器４へ流入する。ＣＯ変成器４は、その内部の触媒上で生ずる式（２）に示す水性ガスシフト反応により、改質ガス中のＣＯ濃度を低減し水素濃度を増加させる。
【００３２】
【化２】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋Ｈ2        …（２）
ＣＯ変成器４を出た改質ガスは、追加供給される空気とともに選択酸化反応器５へ流入する。選択酸化反応器５は、その内部の触媒上で生ずる式（３）に示すＣＯ選択酸化反応により、改質ガス中のＣＯ濃度をさらに低下させる。
【００３３】
【化３】
ＣＯ＋（１／２）Ｏ2  →  ＣＯ2      …（３）
選択酸化反応器５を出た改質ガスは、燃料電池６の水素極へ供給される。燃料電池６で発電を行うためには空気も必要であるが、その空気は加湿器７で加湿された後に燃料電池６の酸素極へ導かれる。そして燃料電池６の水素極で式（４）、酸素極で式（５）の電池反応を起こすため、直流電流を外部に取り出すことが可能となる。
【００３４】
【化４】
２Ｈ2  →  ４Ｈ+＋４ｅ-              …（４）
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-  →  ２Ｈ2Ｏ        …（５）
燃料電池６を流出した水素極側のガスには電池反応に使用されなかった余剰の水素、未改質の原燃料や中間生成物が含まれている。また、酸素極側から流出するガスには電池反応に使用されなかった余剰空気が流出する。これらのオフガスは下流の後処理装置８へ流入して内部の触媒上で可燃性ガス成分と酸素が反応して燃焼ガスとして大気に放出される。
【００３５】
この時、空気導入弁１９を介してコンプレッサ２０から空気を後処理装置８へ供給することで酸素不足を解消できるとともに、大量の可燃性ガスが流入する場合も触媒の温度上昇を抑えることが可能となり、後処理装置８の劣化を抑制することができる。
【００３６】
改質型燃料電池システムは、常温よりも高い温度、例えば燃料改質器１等は数百℃の高温で動作する。そのため改質型燃料電池システムを起動する際には各部の温度を上昇させる暖機が必要がある。この暖機のために、燃料改質器１の上流には起動燃焼器９が設けられ、改質型燃料電池システムを起動する際に起動燃焼器９で燃料噴射弁１４より供給される燃料と空気導入弁１５から供給される空気を燃焼させ、その燃焼ガスを改質システムへ供給して加熱する手法が公知である。
【００３７】
また、コンプレッサ２０から空気導入弁１５を介して起動燃焼器９へ流入する空気の流量を検出する流量計１１、起動燃焼器９の燃焼ガス中の酸素濃度を検出するＯ２センサ１２、及び選択酸化反応器の温度を検出する温度センサ１３が設けられている。これら、流量計１１、Ｏ２センサ１２、及び温度センサ１３の検出出力は、コントロールユニット１０へ接続され、制御入力情報となっている。
【００３８】
また、コントロールユニット１０には、燃料噴射弁２、燃料噴射弁１４、水噴射弁３、空気導入弁１５，１６，１７，１８，１９が接続され、燃料及び水の噴射量と、空気流量をコントロールユニット１０が制御するようになっている。
【００３９】
次に、システムを停止する場合にコントロールユニット１０が制御する内容について説明する。図２は、参考例における制御ブロック図である。システム停止手段３１は停止命令を受け各部装置を停止する。燃焼ガスパージ実行手段３２ではシステムが停止したことを確認した後、起動燃焼器で燃焼ガスを生成して改質燃料電池システムへ送り込み、酸化に弱い部位の劣化を抑えながら内部のパージを行う。空気パージ実行手段３３は改質システムの酸化に弱い部位が所定温度以下となったことを確認すると起動燃焼器より空気のみをシステム内に導入してシステム内を乾燥パージする。
【００４０】
次に各手段での詳細な制御フローについて説明する。図３は参考例におけるシステム停止手段３１を示すフローチャートである。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１ではシステム起動許可フラグＦＲＵＮを参照し、システム起動許可が出ている場合（ＦＲＵＮ＝１）はそのまま本フローを終了し、システム起動許可が取り消された場合、すなわちシステムの停止命令が出た場合（ＦＲＵＮ＝０）はＳ２へ進む。システムの起動許可は例えば運転者の操作する起動スイッチのＯＮ／ＯＦＦ（ＦＲＵＮ＝１／ＦＲＵＮ＝０）に応じて割り付けられる。Ｓ２では、高負荷状態でいきなりシステムをストップしないように、所定負荷運転まで負荷を落とす。これは、高負荷状態で電力取り出しを急に停止すると、未使用の水素が大量に後処理装置８に流入し、後処理装置８の温度が上昇して後処理装置が劣化する恐れがあるためである。
【００４１】
次いでＳ３で燃料電池６からの電力取り出しを停止する。Ｓ４で、空気導入弁１６，１７，１８，を閉じて、燃料改質器１、選択酸化反応器５、加湿器７へ送られていた空気を停止する。通常運転時は、起動燃焼器９には空気を供給されていないため、ここであらためて起動燃焼器９へ停止命令を出す必要はない。後処理装置８には今後一酸化炭素や水素等の可燃ガスがパージにより流入するので、後処理装置８への空気供給は停止しない。
【００４２】
その後、Ｓ５で燃料噴射弁２及び水噴射弁３を停止して、燃料改質器１への燃料供給とＣＯ変成器４への水供給を停止する。Ｓ４とＳ５はほぼ同時でもかまわないが、通常運転時は理論混合比に対して酸素の供給量は少ない状態であるので、停止時に空気を減量しないまま燃料を減量すると、混合比が理論混合比に近づき燃料改質器１の温度が上昇して燃料改質器１が劣化する場合があるので好ましくない。次いでＳ６でガスパージ（燃焼ガスによるパージ）を許可すべくガスパージ許可フラグＦＧＰＧを１として、本フローを終了する。
【００４３】
図４は参考例における燃焼ガスパージ実行手段３２よる燃焼ガスパージ動作の詳細を示すフローチャートである。まずＳ１１でシステム起動許可フラグＦＲＵＮを参照し、システム起動許可が出ている場合（ＦＲＵＮ＝１）はＳ２１へ進み、システム起動許可が取り消された場合、すなわちシステムの停止命令が出た場合（ＦＲＵＮ＝０）はＳ１２へ進む。
【００４４】
Ｓ１２ではガスパージ許可フラグＦＧＰＧを参照して、燃焼ガスによるパージが許可されているか（ＦＧＰＧ＝１）否か（ＦＧＰＧ＝０）を判定し、不許可であればＳ２１へ進み、許可されていればＳ１３へ進む。ガスパージ許可は前述したシステム停止手段により図３のＳ６で出されている。Ｓ１３でガスパージの実施時間（ＴＭＲ１）を計測し、所定時間ＳＬＴ１以上すなわち内部が充分パージできる時間以上ガスパージを行ったかを判定し、所定時間ＳＬＴ１を超えていればＳ２０へ進むが、所定時間ＳＬＴ１以下であればＳ１４へ進む。
【００４５】
Ｓ１４ではコンプレッサ２０を所定回転数に制御するとともに起動燃焼器９の空気導入弁１５を所定開度とし、さらに後処理装置８の空気導入弁１９も所定開度とする。これらの開度や回転数は、パージにより後処理装置８へ流入する可燃ガスが後処理装置内部で燃焼することにより後処理装置８の温度が上がりすぎて後処理装置が劣化しないような制御量を例えば実験的に求めておくこととする。その後Ｓ１５で起動燃焼器９へ流入している空気量Ｑａを検出する流量計１１を読み込み、式（６）により基本燃料噴射パルス幅Ｔｐを求める。
【００４６】
【数１】
Ｔｐ＝Ｑａ×Ｃ              …（６）
ここでＣは燃料や噴射弁の特性、燃料供給圧等によって異なる定数であり、このパルス幅Ｔｐを燃料噴射弁へ与えればＱａに対して理論混合比となる燃料量を供給できる定数である。
【００４７】
次いでＳ１７で以後に記載するα算出処理によって算出されるαを用いて燃料噴射パルス幅Ｔｉを次の式（７）により算出し、起動燃焼器９の燃料噴射弁１４をこのパルス幅で駆動する。
【００４８】
【数２】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α            …（７）
なお、基本燃料噴射パルス幅Ｔｐは、燃料噴射弁の製造ばらつきや劣化、日々の変動により正確な理論混合比から外れて精度が確保できない場合がある。αは、この基本燃料噴射パルス幅Ｔｐに乗じる係数であり、実際の燃料噴射パルス幅Ｔｉをより正確な理論混合比に制御するための噴射パルス幅倍率である。
【００４９】
その後Ｓ１９でタイマーを所定幅ＤＴ１だけ加算し、本フローを終了する。Ｓ１３でガスパージ継続時間が所定時間（ＳＬＴ１）以上の場合は充分パージが行われたと判断してＳ２０でエアパージ（空気によるパージ）を許可してＳ２１へ進む。前述の通りＳ１１でシステムが運転中である場合、ガスパージの許可が下りていない場合もＳ２１へ進み、ここで次回の停止動作のためにガスパージ許可フラグＦＧＰＧをゼロとすると共に、ガスパージ継続時間を示すガスパージタイマーＴＭＲ１もゼロとして本フローを終了する。
【００５０】
なお、所定時間ＳＬＴ１は、予め実験等によって求めておくとよい。また所定時間ＳＬＴ１は、酸化に弱い触媒を用いている部位の温度が、触媒が酸化しない温度になる時間として求めておくとなおよい。
【００５１】
図５は、燃焼ガスパージ実行手段３２の中のサブルーチンであるα算出処理（図４のＳ１７）の詳細フローチャートを示している。まずＳ３１でＯ２センサ１２の出力ＶＯ２を読み込む。Ｏ２センサ１２はセンサ部に接触しているガスの空燃比に応じて電圧を出力するセンサであり、空燃比が理論空燃比よりも濃い場合は所定電圧よりも高い電圧を出力し、逆に薄い場合は所定電圧よりも低い電圧を出力する。Ｓ３２でＯ２センサ１２の出力が所定値を超えているか否かを判定し、所定値を超えていれば空燃比が理論空燃比より過濃なのでＳ３７へ進み、所定値以下であれば空燃比が理論空燃比より希薄なのでＳ３３へ進む。
【００５２】
Ｓ３３では後述するフラグＦＰＲをゼロとし、Ｓ３４でフラグＦＰＬがゼロか否かを判定する。このフラグはＳ３７でゼロになるため、このフラグがゼロの場合は前回このフローが実行された時にはＯ２センサ１２の信号が所定値を超えていた、すなわち燃焼ガスの空燃比が理論空燃比よりも濃かったことを意味する。すなわち燃焼ガスの空燃比が理論空燃比に対して薄くなってはじめてこのフローが実行された場合のみＳ３６へ進み、αに正の所定値ＰＬが加算されてＦＰＬ＝１として本フローを終了する。
【００５３】
次回以降Ｓ３２で、Ｏ２センサ１２の出力が所定値ＳＬＶＯ２を超えない限りはＦＰＬ＝１であるので、必ずＳ３５が実行され、αに正の所定値ＩＬが加算され続ける。その後Ｏ２センサ１２の出力が所定値ＳＬＶＯ２を超えた場合には、Ｓ３７へ進みＦＰＬ＝０としてからＳ３８でＦＰＲがゼロか否かを判定する。
【００５４】
前述のようにＳ３３でＦＰＲ＝０となっているのでＯ２センサ１２の信号が所定値を超えてはじめて本フローが実行された場合のみＳ４０へ進みαに負の所定値ＰＲが加算されＦＰＲ＝１として本フローを終了する。次回以降Ｓ３２でＯ２センサ１２の出力が所定値以下とならない限りはＦＰＲ＝１であるので必ずＳ３９が実行され、αに負の所定値ＩＲが加算され続ける。
【００５５】
以上のフローを繰り返すことにより、αが図７に示すように計算されるため結果的に燃焼ガスの空燃比は図７のように理論空燃比近傍に制御されることになる。
【００５６】
図６は参考例における空気パージ実行手段３３を示すフローチャートである。まずＳ５１でシステム起動許可フラグＦＲＵＮを参照し、システム起動許可が出ている場合（ＦＲＵＮ＝１）はＳ５８へ進み、システム起動許可が取り消された場合、すなわちシステムの停止命令が出た場合（ＦＲＵＮ＝０）はＳ５２へ進む。Ｓ５２では空気パージ（空気によるパージ）が許可されているか（ＦＡＰＧ＝１）否か（ＦＡＰＧ＝０）を判定し、不許可であればＳ５８へ進み、許可されていればＳ５３へ進む。
【００５７】
空気パージの許可は、前述した燃焼ガスパージ実行手段３２により図４のＳ２０で出されている。Ｓ５３で選択酸化反応器５の触媒温度を検出する温度センサ１３の出力を参照し、所定温度（ＳＬＴＰＲＯＸ）を超えていればＳ５８へ進み、所定温度以下であればＳ５４へ進む。Ｓ５４で空気パージの実施時間（ＴＭＲ２）を計測し、所定時間以上すなわちシステム内部が充分パージできる時間以上空気パージを行ったかを判定し、所定時間を超えていればＳ５７へ進むが、所定時間以下であればＳ５５へ進む。
【００５８】
Ｓ５５ではコンプレッサ２０を所定回転数に制御するとともに起動燃焼器９の空気導入弁１５を所定開度とし、さらに後処理装置８の空気導入弁１９も所定開度とする。これらの開度や回転数は、システム内部に残留する燃焼ガスが効率よく後処理装置８で処理されるように、例えば実験などで定めておく。後処理装置８への空気供給が不用の場合は開度をゼロとすればよい。
【００５９】
以上のフローを実施することで、システム高温時は不活性な燃焼ガスでシステム内をパージし、システムが冷却して低温となってから空気でシステム内をパージできるので、大気汚染、システムの酸化劣化、凝縮水皮膜による次回の起動遅延、システムのＣＯ被毒が抑制できる。
【００６０】
本参考例で図５のα算出処理中の定数の絶対値、｜ＰＬ｜と｜ＰＲ｜、｜ＩＬ｜と｜ＩＲ｜は、それぞれ互いにほぼ同じ量とすると、理論空燃比からの空燃比の振れ幅が均等となり、トータルの空燃比は理論空燃比近傍となるが、たとえば｜ＰＬ｜＞｜ＰＲ｜とすると、図８に示すとおりトータルの空燃比が若干過濃側へシフトする。本手法を適用することでパージ実行時にシステム内に流入する燃焼ガスの空燃比をわずかに過濃とすることができるので、酸素濃度が高くなることがなくシステムの耐劣化性に有効で、一酸化炭素濃度も低いパージガスを生成することができる。
【００６１】
本発明に係る改質型燃料電池システムの実施形態のシステム構成図を図９に示す。参考例と同じ構成部分については参考例と同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。また、実施形態の構成図ではコンプレッサ２０やコンプレッサ２０から各部に圧縮空気を分配する配管系等説明に不要な部分は見易さのため省略した。基本的に各部位に付属しているバルブ、インジェクタ、センサ類、コンプレッサ類等はコントロールユニット１０との接続を含めて参考例と同じように構成されている。
【００６２】
図９に示した本実施形態と図１の参考例との主要な相違は、参考例に対して流路切替バルブ２１，２２，２４と、バイパス通路２３，２５，２６が追加されていることである。
【００６３】
流路切替バルブ２１は、起動燃焼器９からの燃焼ガスを燃料改質器１へ導くか、或いはバイパス通路２３を介して選択酸化反応器５へ導くかを切替制御できる。流路切替バルブ２２は、ＣＯ変成器４から流出するガスを選択酸化反応器５へ導くか、或いはバイパス通路２５を介して燃料電池６へ導くかを切替制御可能である。流路切替バルブ２４は、選択酸化反応器５から流出するガスを燃料電池６の水素極へ導くか、或いはバイパス通路２６を介して後処理装置８へ導くかを選択可能となっている。また、それぞれの流路切替バルブ２１，２２，２４はコントロールユニット１０へと接続され、コントロールユニット１０の指示により流路を選択できる。
【００６４】
図１０は、実施形態を表すブロック図である。システム停止手段４１は参考例の図２に示したシステム停止手段３１と同じのため説明を省略する。パージ実行手段４２は、酸化に弱いルテニウムを選択酸化反応器５に使用したことを想定し、選択酸化反応器５のみ燃焼ガスパージを実施し、それ以外を空気でパージする。追加パージ実行手段４３では燃焼ガスパージを実施した選択酸化反応器５のみ温度の低下が確認された後、追加パージ実行手段４３により空気での追加パージを実施する。
【００６５】
図１１は本実施形態のパージ実行手段４２の処理内容を示すフローチャートである。本フローは参考例の燃焼ガスパージ実行手段３２のフローに対し、Ｓ６４が追加され、Ｓ６５で制御する対象が増加したのみで、Ｓ６１〜６３はＳ１１〜１３と、Ｓ６６〜７２はＳ１５〜２１と同じである。
【００６６】
Ｓ６４では流路切替バルブ２１，２２，２４でガスの流路をバイパス通路２３，２５，２６へ切り替える。Ｓ６５ではＳ１４と同様にコンプレッサを所定回転数に制御し、起動燃焼器９の空気導入弁１５を所定開度とし、後処理装置８の空気導入弁（図示せず）も所定開度とするとともに、燃料改質器１の空気導入弁（図示せず）も所定開度に調整する。
【００６７】
図１２は本実施形態の追加パージ実行手段４３の処理内容を示すフローチャートである。本フローは参考例の空気パージ実行手段３３のフローに対し、Ｓ８５が追加されたのみで、Ｓ８１〜８４はＳ５１〜５４と、Ｓ８６〜８９はＳ５５〜５８と同じである。Ｓ８５ではＳ６４と同様に流路切替バルブ２１，２２，２４でガスの流路をバイパス通路２３，２５，２６へ切り替える。
【００６８】
以上のフローを実施することで、システム高温時は酸素の存在するガスでのパージでは劣化する部分のみ不活性な燃焼ガスでパージし、それ以外は空気でパージすると共に、システム高温時は酸素の存在するガスでのパージでは劣化する部分の温度が所定値以下となったことを確認した後、その部分のみ空気でパージして燃焼ガス中の水分の凝縮を回避することで、次回の始動を効率的に行える。
【００６９】
また、本構成とすることで、システム高温時は酸素の存在するガスでのパージができない部分についてのみ燃焼ガスでパージするので、その後の空気による水分除去のためのパージ時間が少なくて済み、コンプレッサの運転時間も短縮できるため効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る改質型燃料電池システムが適用可能な参考例の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】参考例の制御ブロック図である。
【図３】図２における「システム停止手段」の動作を説明するフローチャートである。
【図４】図２における「燃焼ガスパージ実行手段」の動作を説明するフローチャートである。
【図５】図４における「α算出処理」の詳細を説明するフローチャートである。
【図６】図２における「空気パージ実行手段」の動作を説明するフローチャートである。
【図７】Ｏ２センサの信号とα（噴射パルス幅倍率）と空燃比との関係を表す図である。
【図８】わずかに過濃な燃焼ガスを生成するときのαと空燃比の関係を表す図である。
【図９】本発明に係る改質型燃料電池システムの実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図１０】実施形態の制御ブロック図である。
【図１１】図１０における「パージ実行手段」の動作を説明するフローチャートである。
【図１２】図１０における「追加パージ実行手段」の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料改質器
２…燃料噴射弁
３…水噴射弁
４…ＣＯ変成器
５…選択酸化反応器
６…燃料電池
７…加湿器
８…後処理装置
９…起動燃焼器
１０…コントロールユニット
１１…流量計
１２…Ｏ２センサ
１３…温度センサ
１４…燃料噴射弁
１５，１６，１７，１８，１９…空気導入弁
２０…コンプレッサ
３１…システム停止手段
３２…燃焼ガスパージ実行手段
３３…空気パージ実行手段
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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