(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含むガスを燃料とし固体高分子を電解質として酸化剤極と燃料極を有する燃料電池と、燃料電池を経由して冷却媒体を循環させる燃料電池冷却媒体径路と、燃料電池冷却媒体径路の燃料電池上流から燃料電池冷却媒体を分岐しこれを燃料電池冷却媒体径路に燃料電池下流にて合流させる燃料処理系冷却媒体径路と、燃料電池冷却媒体径路で冷却媒体を循環させる冷却媒体循環ポンプと、これら冷却媒体から熱量を除去し冷却媒体の温度を調整する燃料電池冷却媒体冷却器と、燃料電池燃料極上流に設置され改質触媒層を有しこの改質触媒層において炭素原子と水素原子を分子中に少なくとも各々一個以上含む燃料及び酸素を含む気体及び水蒸気の混合気を水素リッチガスに改質する改質器と、水素リッチガス流路の改質器下流に設置され水素リッチガスと燃料処理系冷却媒体径路を流通する燃料電池冷却媒体との熱交換を行う水素リッチガス冷却器と、水素リッチガス冷却器下流に設置され低温一酸化炭素変成触媒層を有する低温一酸化炭素変成器と、低温一酸化炭素変成器上流に設置され吸収材層を有しこの吸収材層により燃料もしくは水素リッチガス中の硫黄分を吸収する脱硫器と、低温一酸化炭素変成器下流に設置され選択酸化式一酸化炭素除去触媒層を有する単数もしくは複数の選択酸化式一酸化炭素除去器と、燃料電池の燃料極からの排気ガスの全量と酸化剤極からの排気ガスの全量もしくは一部を混合して燃焼する排気ガスバーナーと、排気ガスバーナーの燃焼ガス及び酸化剤極の排気ガスの混合ガスから水を凝縮させる水凝縮器とが備えられた固体高分子型燃料電池発電装置において、
改質器に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器と、
水蒸発器で発生した水蒸気を過熱する水蒸気過熱器と、
改質器に供給する燃料を酸素を含むガスと混合した状態で加熱する燃料混合ガス予熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーからの燃焼ガスが、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２】
改質器の外筒部に水素リッチガス冷却器が設置され、改質器及び水素リッチガス冷却器が複合一体化されたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項３】
排気ガスバーナーの外筒部に水蒸気過熱器が設置され、排気ガスバーナー及び水蒸気過熱器が複合一体化されたことを特徴とする請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項４】
排気ガスバーナー及び水蒸気過熱器が複合一体化された機器の外筒部に混合ガス予熱器が設置され、排気ガスバーナーと水蒸気過熱器と混合ガス予熱器とが複合一体化されたことを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項５】
改質器外筒部に水素リッチガス冷却器と共に水蒸発器が設置され、改質器と水素リッチガス冷却器と水蒸発器とが複合一体化されたことを特徴とする請求項２、３または４記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項６】
脱硫器が水素リッチガス流路の水素リッチガス冷却器と低温一酸化炭素変成器の中間に設置され、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器が複合一体化されたことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項７】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第２の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項８】
起動バーナーと第１の合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と燃料電池冷却媒体加熱器の間に第２止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第２の合流点の間に第３止め弁が設けられたことを特徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項９】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第２の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
起動バーナーと第１の合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と燃料電池冷却媒体加熱器の間に第２止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第２の合流点の間に第３止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ水蒸発器温度、燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が開き、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかの温度が予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第１止め弁が開いて第２止め弁及び第３止め弁が閉じ、
第２止め弁及び第３止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、
第２止め弁及び第３止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が閉じ、
停止時には第１止め弁が閉じて第２止め弁及び第３止め弁が開くことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項１０】
第２止め弁と第３止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第２の分岐点が形成され、
第２の分岐点には外気に開放される配管が接続され、
この配管に第４止め弁が設けられたことを特徴とする請求項８記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項１１】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第２の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
起動バーナーと第１の合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と燃料電池冷却媒体加熱器の間に第２止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第２の合流点の間に第３止め弁が設けられ、
さらに、第２止め弁と第３止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第２の分岐点が形成され、
第２の分岐点には外気に開放される配管が接続され、
この配管に第４止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が開いて第４止め弁が閉じ、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第２止め弁及び第３止め弁が閉じて第１止め弁及び第４止め弁が開き、
第２止め弁及び第３止め弁が開いて第４止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、
第２止め弁及び第３止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて第４止め弁が開いて運転状態に移行し、
運転時には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が閉じて第４止め弁が開き、
装置停止時には第２止め弁または第３止め弁の少なくとも一方と第４止め弁が開くことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項１２】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項１３】
起動バーナーと合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられたことを特徴とする請求項１２記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項１４】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
起動バーナーと合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁及び第２止め弁が開き、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第１止め弁が開いて第２止め弁が閉じ、
第２止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、
第２止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には第１止め弁及び第２止め弁が閉じることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項１５】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成されたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項１６】
起動バーナーと合流点の間に止め弁が設けられたことを特徴とする請求項１５記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項１７】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
起動バーナーと合流点の間に止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時の水蒸発器温度が予め設定された目標温度に未達であれば止め弁が開き、
止め弁が開いた状態で燃料電池冷却媒体加熱器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には、燃料電池冷却媒体冷却器が運転されて温度制御を行い、
水蒸発器温度が予め設定された目標温度に達したら止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には止め弁が閉じ、
かつ装置起動時には脱硫器、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の温度がそれぞれ個別に電力によって加熱されることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項１８】
水素を含むガスを燃料とし固体高分子を電解質として酸化剤極と燃料極を有する燃料電池と、燃料電池を経由して冷却媒体を循環させる燃料電池冷却媒体径路と、燃料電池冷却媒体径路の燃料電池上流から燃料電池冷却媒体を分岐しこれを燃料電池冷却媒体径路に燃料電池下流にて合流させる燃料処理系冷却媒体径路と、燃料電池冷却媒体径路で冷却媒体を循環させる冷却媒体循環ポンプと、これら冷却媒体から熱量を除去し冷却媒体の温度を調整する燃料電池冷却媒体冷却器と、燃料電池燃料極上流に設置され改質触媒層を有しこの改質触媒層において炭素原子と水素原子を分子中に少なくとも各々一個以上含む燃料及び酸素を含む気体及び水蒸気の混合気を水素リッチガスに改質する改質器と、水素リッチガス流路の改質器下流に設置され水素リッチガスと燃料処理系冷却媒体径路を流通する燃料電池冷却媒体との熱交換を行う水素リッチガス冷却器と、水素リッチガス冷却器下流に設置され低温一酸化炭素変成触媒層を有する低温一酸化炭素変成器と、低温一酸化炭素変成器上流に設置され吸収材層を有しこの吸収材層により燃料もしくは水素リッチガス中の硫黄分を吸収する脱硫器と、低温一酸化炭素変成器下流に設置され選択酸化式一酸化炭素除去触媒層を有する単数もしくは複数の選択酸化式一酸化炭素除去器と、燃料電池の燃料極からの排気ガスの全量と酸化剤極からの排気ガスの全量もしくは一部を混合して燃焼する排気ガスバーナーと、排気ガスバーナーの燃焼ガス及び酸化剤極の排気ガスの混合ガスから水を凝縮させる水凝縮器とが備えられた固体高分子型燃料電池発電装置において、
改質器に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器と、
酸素を含むガスと燃料と水蒸発器で発生した水蒸気との混合ガスを過熱する燃料混合ガス過熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーからの燃焼ガスが、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項１９】
改質器の外筒部に水素リッチガス冷却器が設置され、改質器及び水素リッチガス冷却器が複合一体化されたことを特徴とする請求項１８記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２０】
排気ガスバーナーの外筒部に燃料混合ガス過熱器が設置され、排気ガスバーナー及び燃料混合ガス過熱器が複合一体化されたことを特徴とする請求項１８または１９記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２１】
改質器外筒部に水素リッチガス冷却器と共に水蒸発器が設置され、改質器と水素リッチガス冷却器と水蒸発器とが複合一体化されたことを特徴とする請求項１９または２０記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２２】
脱硫器が水素リッチガス流路の水素リッチガス冷却器と低温一酸化炭素変成器の中間に設置され、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器が複合一体化されたことを特徴とする請求項１８、１９、２０または２１記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２３】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器の下流に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第２の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、次いで燃料混合ガス過熱器を通過した後、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過し、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器を通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする請求項１８、１９、２０、２１、または２２記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２４】
改質器の改質触媒層と第１の合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第２の合流点の間に第３止め弁が設けられたことを特徴とする請求項２３記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２５】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器の下流に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第２の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、次いで燃料混合ガス過熱器を通過した後、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過し、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器を通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
改質器の改質触媒層と第１の合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第２の合流点の間に第３止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ水蒸発器温度、燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が開き、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかの温度が予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第１止め弁が開いて第２止め弁及び第３止め弁が閉じ、
第２止め弁及び第３止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、
第２止め弁及び第３止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が閉じ、
停止時には第１止め弁が閉じて第２止め弁及び第３止め弁が開くことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２６】
第２止め弁と第３止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第２の分岐点が形成され、
第２の分岐点には外気に開放される配管が接続され、
この配管に第４止め弁が設けられたことを特徴とする請求項２４記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２７】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器の下流に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第２の合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、次いで燃料混合ガス過熱器を通過した後、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過し、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器を通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
改質器の改質触媒層と第１の合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第２の合流点の間に第３止め弁が設けられ、
第２止め弁と第３止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第２の分岐点が形成され、
第２の分岐点には外気に開放される配管が接続され、
この配管に第４止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が開いて第４止め弁が閉じ、
装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第２止め弁及び第３止め弁が閉じて第１止め弁及び第４止め弁が開き、
第２止め弁及び第３止め弁が開いて第４止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、
第２止め弁及び第３止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて第４止め弁が開いて運転状態に移行し、
運転時には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が閉じて第４止め弁が開き、
装置停止時には第２止め弁または第３止め弁の少なくとも一方と第４止め弁が開くことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２８】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入した後、燃料混合ガス過熱器を通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする請求項１８、１９、２０、２１、または２２記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項２９】
改質触媒層と合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられたことを特徴とする請求項２８記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項３０】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
燃料混合ガス過熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入した後、燃料混合ガス過熱器を通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置され、
改質触媒層と合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時でかつ脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達しない場合には第１止め弁及び第２止め弁が開き、
装置起動時でかつ脱硫器温度温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達した場合には第１止め弁が開いて第２止め弁が閉じ、
運転時には第１止め弁及び第２止め弁が閉じることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項３１】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成されたことを特徴とする請求項１８、１９、２０、２１、または２２記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項３２】
改質器の改質触媒層と合流点の間に止め弁が設けられたことを特徴とする請求項３１記載の固体高分子型燃料電池発電装置。
【請求項３３】
燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、
排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、
装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成され、
改質器の改質触媒層と合流点の間に止め弁が設けられた固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法において、
装置起動時の水蒸発器温度が予め設定された目標温度に未達であれば止め弁が開き、
止め弁が開いた状態で燃料電池冷却媒体加熱器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には、燃料電池冷却媒体冷却器が運転されて温度制御を行い、
水蒸発器温度が予め設定された目標温度に達したら止め弁が閉じて運転状態に移行し、
運転時には止め弁が閉じ、
かつ装置起動時には脱硫器、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の温度がそれぞれ個別に電力によって加熱されることを特徴とする固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転温度が水の沸点以下である固体高分子型燃料電池発電装置に係り、特に、燃料改質に水蒸気と空気などの酸素を含むガスを使用する固体高分子型燃料電池発電装置の構成とその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置とは、連続して供給される流体を原料に電気化学反応を行うことにより、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その基本的な機器構成を図２６に示す。図に示すように燃料電池発電装置の主要構成機器として、燃料電池１、改質器２、一酸化炭素変成器３、排気ガスバーナー４、水凝縮器５が設けられている。
【０００３】
燃料電池１はイオン伝導性の電解質層とその両面に配置される燃料極１１及び酸化剤極１２を基本構成単位とし、通常はこれを複数単位積層して構成される。燃料極１１に供給されるガスは水素を含有し、燃料電池１にて電力を発生する電気化学反応により水素は水に酸化される。この燃料電池１に供給される水素を含有するガスは改質器２にて製造される。
【０００４】
改質器２は改質触媒層２１を有し、ここで燃料を水蒸気とともに気相での触媒反応により改質し、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水を主成分とする水素リッチガスを提供する。燃料は水素原子及び炭素原子をそれぞれ少なくとも一個は含む分子から構成されている。
【０００５】
燃料には酸素原子は含んでもよいが窒素など水素や水との反応で塩基性化合物を生成し、酸性電解質層を用いた場合にこれを失活させるおそれがある原子、もしくは硫黄やハロゲンなど改質触媒などを被毒する可能性がある原子、金属元素など酸化物が不揮発性である原子を含む化合物は燃料として望ましくない。これらの濃度が低い物質を燃料として選定すると同時に、上記のような望ましくない物質が燃料に含まれている場合には少なくとも被毒などの影響を受けるおそれのある機器に至る前にこれらを除去する必要がある。燃料電池に好適な燃料として都市ガス、ＬＰＧ、メタノール、灯油などが挙げられる。
【０００６】
燃料の改質方法としては、水蒸気のみで行う水蒸気改質と、酸素もしくは空気を水蒸気と併用する部分酸化型水蒸気改質が代表的である。メタンを例にして改質器２での部分酸化型水蒸気改質反応を示す。
【０００７】
【化１】
ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 …（１）
【化２】
ＣＨ4 ＋Ｏ2 →ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ＋Ｈ2 …（２）
【化３】
ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋Ｈ2 …（３）
反応（１）は−２０６kJ/molの吸熱反応、標準状態で反応（２）は＋２７８kJ/molの発熱反応で、ＣＯシフト反応と呼ばれる反応（３）は＋４１kJ/molの発熱反応である。水蒸気改質のみの改質器２では（１）及び（３）の反応のみがおこるため、トータルの改質反応は−１６５kJ/molの吸熱反応となり、ＣＨ4 あたり４つのＨ2 が生成する。
【０００８】
しかしながらＯ2 を含むガスのみを酸化剤として用いる狭義の部分酸化改質では、（２）及び（３）の反応からトータルの熱収支は＋３１９kJ/molの発熱反応となるが、ＣＨ4 当たり２つのＨ2 しか生成しない。水とＯ2 の双方を改質に使用する部分酸化型水蒸気改質での熱収支は前記２例の中間となり、Ｏ2 ／ＣＨ4 ＝０．３４で熱的にバランスし、この場合のＣＨ4 当たりのＨ2 生成量は３．３である。Ｏ2 量がこのバランス値より大きい場合には改質反応でのトータル熱収支は発熱となりＣＨ4 当たりのＨ2 生成量は３．３より減少し、効率は低下する。逆にこの値より小さい場合には吸熱となり、ＣＨ4 当たりのＨ2 生成量は３．３より増大し、効率は上昇する。
【０００９】
純然たる水蒸気改質反応では大きな吸熱反応となるので、反応の維持のために外部から大量の熱を供給する必要がある。したがって、改質器２の加熱を目的として複雑な機構が不可欠となり、改質器２は一般に高価となる。一方、部分酸化型水蒸気改質反応では導入するＯ2 量などを調整することで改質器２の機構を簡素化でき安価で済むが、その反面、Ｈ2 の生成効率は水蒸気改質に比較して劣ることになる。
【００１０】
改質触媒層２１に使用する改質触媒としては例えば日産ガードラー社製Ｇ−９０を初めとするニッケル系触媒などが挙げられるが、これ及び後段で挙げるＣｕ−ＺｎＯ系低温一酸化炭素変成触媒はＣｌなどにより被毒する。このため、改質に使用される水蒸気は蒸留水もしくはイオン交換水から発生させることが望ましい。
【００１１】
一酸化炭素は燃料電池１の燃料極１１にて電気化学反応を起こす触媒を被毒するため、可能な限り濃度を低下させることが必要である。改質器２でもＣＯシフト反応は進行するが、改質器２出口でのＣＯ濃度は数パーセントオーダーであり、燃料極１１の触媒被毒を避ける上では充分ではない。そこで、改質器２と燃料電池燃料極１１の中間に一酸化炭素変成器３が設置されている。この一酸化炭素変成器３の働きにより一酸化炭素濃度を望ましいレベルにまで低減することができる。
【００１２】
多くの場合、一酸化炭素変成器３は目標とする一酸化炭素濃度に応じ、複数の一酸化炭素変成器を直列に設置して構成される。一酸化炭素変成器３の例としては、低温一酸化炭素変成器３１と選択酸化式一酸化炭素除去器３２とが挙げられる。低温一酸化炭素変成器３１はＣＯシフト反応を促進する触媒からなる低温一酸化炭素変成触媒層を有しており、ＣＯシフト反応の促進によりＣＯ濃度を低下させるものである。低温一酸化炭素変成器３１ではＣＯのシフトに伴って水素が生成するので水素の生成効率の上では有利であるが、反応が平衡反応であるため、出口の一酸化炭素濃度は出口ガス温度での平衡濃度に制約されることになる。一方、選択酸化式一酸化炭素除去器３２は、充填された触媒上での水素リッチガス中の一酸化炭素と酸素との選択酸化反応により一酸化炭素濃度を低減する機器である。この選択酸化式一酸化炭素除去器３２での反応は不可逆反応であるためシフト反応よりも一酸化炭素濃度を低減することが可能である。但し、一酸化炭素が水素生成に利用されないので、水素の生成効率の上では不利である。加えて一酸化炭素除去量を確保するため一酸化炭素に対して過剰量の酸素が供給され、水素の一部を酸化するので水素の生成効率は更に低くなる。このように一酸化炭素濃度が高い場合に選択酸化式一酸化炭素除去を行うことは水素生成効率の上で不利である。そのため、選択酸化式一酸化炭素除去は通常、数千ｐｐｍの一酸化炭素濃度を数十ｐｐｍ以下に低下させる場合に使用される。
【００１３】
ところで、前記低温一酸化炭素変成器３１におけるＣＯシフト反応は低温で平衡上有利であるため、反応温度は３００℃以下、さらに言えば２００℃程度が望ましい。これに対して改質器２の運転温度は最低４００℃、通常６００℃以上の高温なので、改質器２から出た水素リッチガスを低温一酸化炭素変成器３１に供給する際、水素リッチガスの温度を低下させなくてはならない。そのため、改質器２と低温一酸化炭素変成器３１の間には水素リッチガス冷却器２２が設置されている。
【００１４】
また、前記都市ガス、ＬＰＧ、灯油などの燃料には、有機化合物の形で微量の硫黄分が含まれており、上記の反応器に使用される各種触媒を、特に低温で被毒することがある。このような触媒の一例としてＣｕ−ＺｎＯ系低温一酸化炭素変成触媒が挙げられる。そのため、低温一酸化炭素変成器３１の前段において、硫黄分を除去する脱硫器３３が設けられている。一酸化炭素と異なり、硫黄分を化学反応によって非被毒性の気体に転換することはできないので、通常、脱硫器３３の前段で含硫黄有機化合物をＨ2 Ｓガス、ＳＯ2 ガスなどに変化させた上で脱硫器３３にて吸収材層による吸収除去を行うようになっている。このような脱硫器３３吸収材層の例としてはＺｎＯなどが知られている。
【００１５】
脱硫器３３は改質器２の前段に置かれる場合と、改質器２の後段に置かれる場合とがある。脱硫器３３が改質器２の前段に置かれる場合、燃料中の含硫黄有機化合物をＨ2 Ｓなどに変化させるための反応器を更にその前段に設置する必要があり、機器が煩雑で小型化が困難になるが、改質触媒層２１の硫黄被毒を避ける上ではより確実である。これに対して脱硫器３３が改質器２の後段に置かれる場合、含硫黄有機化合物は特段の前処理無しで改質器２にてＨ2 Ｓに変化するため、機器の簡素化・低コスト化を図ることができる。Ｎｉ系などの改質触媒も高温では硫黄被毒の影響は小さく、このような形態は可能だが、脱硫器３３の代表的な吸収材であるＺｎＯは高温で揮発性であるため、脱硫器３３は水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の間に設置されることが望ましい。図２６では脱硫器３３は水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の間に設置されているが、上記のように改質器２の上流でもよい。
【００１６】
上記のような手段により有害な不純物を除去された水素リッチガスは燃料電池１に入り、燃料電池燃料極１１を通過する間に燃料電池酸化剤極１２を流動する空気中に含まれる酸素との間に下記の電気化学反応が発生し、電力と熱が生成すると共に、その含有する水素が消費される。生成した電力は直流であるが、通常イナバーターを介して交流に変換され、需要端に供給される。また、生成熱は燃料電池冷却媒体径路１３を流通する冷却媒体により燃料電池の外に排出される。
【００１７】
【化４】
燃料極：２Ｈ2   →  ４Ｈ+ ＋４ｅ- …（４）
【化５】
酸化剤極：Ｏ2 ＋４ＨＨ+ ＋４ｅ-   →  ２Ｈ2 Ｏ…（５）
効率の面では電気化学反応による水素リッチガス中の水素の利用率が高いほうが良いが、利用率が高くなり過ぎると水素リッチガス流量の変動や燃料電池１内での水素リッチガス配流の不均一などの要因により燃料欠乏に陥る危険がある。そのため、水素利用率は８０％以下にすることが望ましい。
【００１８】
燃料電池燃料極１１に供給された可燃ガスの一部は未反応のまま燃料電池燃料極１１から排出される。かかる未反応可燃ガスには、電気化学反応に利用されなかった水素のほか、改質器２で改質されなかった燃料や改質器２もしくは一酸化炭素変成器３１で副生した炭化水素がありうる。これらをそのまま環境に排出することは安全上問題が有る。そこで、これらを燃焼するために排気ガスバーナー４が設けられている。排気ガスバーナー４の酸化剤としては燃料電池酸化剤極１２排出ガスの一部もしくは大気を使用することが一般的である。排気ガスバーナー４の燃焼ガスは高温であるため、機器の加熱源として使用することができる。
【００１９】
排気ガスバーナー４の燃焼ガス及びバーナー４で使用されなかった燃料電池酸化剤極１２の排出ガスは、水素リッチガス製造のため添加された水及び燃料電池１及び排気ガスバーナー４で消費された燃料から発生した水を含んでいる。この水を回収するために排気ガス出口に水凝縮器５が設置されている。
【００２０】
以上のような構成を有する燃料電池発電装置は、燃料電池の電解質層によっていくつかのタイプに分かれている。すなわち、燐酸を使用する燐酸型燃料電池、アルカリ水溶液を使用するアルカリ型燃料電池、溶融炭酸塩を使用する溶融炭酸塩型燃料電池、固体セラミックス電解質を用いる固体電解質型燃料電池、固体高分子電解質を使用する固体高分子電解質型燃料電池などが挙げられる。これらのうちで固体高分子電解質型燃料電池は、水の沸点以下の比較的低温で運転されるために比較的短時間で起動可能であり、かつ高出力密度が期待され、更には燐酸型に見られるような電解質の減損がないことから、近年特に注目を集めている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子電解質型燃料電池においては発電装置としての効率を上昇させるにあたり、次のような解決すべき課題がある。発電効率は燃料からのＨ2 の生成効率に依存するが、これを高めるためには改質器２での反応を水蒸気改質に近づけなくてはならない。しかしそれは改質反応が吸熱側に傾くことを意味し、外部からの熱供給が必要となる。発電装置内で最大の発熱量を示す機器は燃料電池１であるが、運転温度が通常水の沸点以下の低温であるため、通常６００℃以上の高温で運転される改質器２への熱供給には利用できない。従って改質器２への熱供給には、他の加熱源を用いる必要がある。そこで従来より、排気ガスバーナー４の使用が検討されている。
【００２２】
また、発電装置内には改質器２に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器が設置されるが、この水蒸発器の加熱源としても排気ガスバーナー４が期待されている。これは燃料電池１の運転温度が水の沸点以下であるため、燃料電池１の発熱が水蒸気の発生にも使用できないからである。
【００２３】
このように排気ガスバーナー４に対する熱源としての需要は大きいが、その発熱は燃料電池１の発熱の高々５０〜６０％程度しかない。通常、燃料電池１は、その燃料極１１入口におけるＨ2 量を１００とすると８０を発電に消費し、その５０〜６０％程度を電気エネルギーに、残余の４０〜５０％程度を熱に変換する。従って燃料電池１の発熱は燃料極１１入口におけるＨ2 量に換算して３２〜４０程度である。しかし、排気ガスバーナー４で燃焼されるＨ2 量は発電で消費されなかった２０のみであり、燃料電池１の発熱に比較して少ない。このため、排気ガスバーナー４から発生する熱量の効率的な運用が要請されていた。
【００２４】
また、燃料電池発電装置が起動するためには各機器が機能を発揮する温度にまで昇温させる必要がある。燃料極１１の触媒は前述したように一酸化炭素により被毒するが、これは触媒表面に一酸化炭素が吸着し触媒活性サイトを被覆することが原因である。従って、運転前に燃料極１１に流通するガス中に一酸化炭素が含まれているとこれにより触媒活性サイトが被覆され、運転開始時には燃料極１１の触媒が重被毒状態に陥る可能性がある。運転中の水素リッチガス中に含まれる一酸化炭素を低減させることは勿論であるが、起動前に燃料極１１に流通するガスについても一酸化炭素を低減させなくてはならない。そのため、改質器２への原料ガス導入及び発電開始に先立ち、低温一酸化炭素変成器３１及び選択酸化式一酸化炭素除去器３２を充分運転可能な温度に昇温させる必要がある。
【００２５】
さらに、改質反応を開始するためにも改質触媒層２１はある程度の温度まで昇温する必要がある。ニッケル系改質触媒を例に取ると、運転温度範囲は４００℃〜１３００℃とされているので、４００℃程度までの昇温は必要と考えられる。改質触媒が燃焼触媒として作用し、原料ガスの燃焼による昇温が期待できるとしても、発火条件が整う温度まで改質触媒層２１を昇温する必要があるので、改質器２への原料ガス導入に先立って改質器２を充分運転可能な温度にまで昇温する必要がある。
【００２６】
また、水蒸発器に関して言えば、これを昇温させなければ水蒸気が発生しない。部分酸化型水蒸気改質反応では原料ガスに水蒸気を使用しなくとも水素生成が可能であるが、通常運転時の水蒸気導入を前提とした場合より投入燃料に対する発熱量が著しく増大するため、改質触媒層２１が高熱で損傷する可能性がある。ニッケル系改質触媒を例に取ると耐用温度は１３００℃であり、一時的にせよ局所的にせよこれ以上高温にすることは避ける必要がある。そのため、改質器２への原料ガス導入に先立ち、水蒸発器６１を昇温して水蒸気が発生可能な状態にしなくてはならない。
【００２７】
固体高分子型燃料電池以外のタイプ、例えば燐酸型燃料電池では各機器に流通する燃料電池冷却媒体を用いての昇温が可能であった。すなわち、低温一酸化炭素変成器３１においてＣｕ−ＺｎＯ系の低温一酸化炭素変成触媒を使用した場合、運転温度は約２００℃である。しかし、これは水の沸点以下である固体高分子型燃料電池の運転温度よりも高く、燃料電池冷却媒体を使ってこの温度まで昇温させることはできない。このように、固体高分子型燃料電池発電装置を起動するためには燃料電池冷却媒体を使用できず、新たな方法が求められている。さらには、発電装置全体の小型化と高効率化を図るために、各機器のコンパクト化や放熱損失の低減が要求されていた。
【００２８】
本発明は、以上のような従来技術の持つ課題を解消するために提案されたものであり、その主たる目的は、コンパクトで機器構成が簡素でありながら、停止状態から短時間で起動でき、かつ排熱を有効に回収する高効率の固体高分子型燃料電池発電装置及びその運転方法を提供することにある。
【００２９】
また、本発明の他の目的は、各機器のコンパクト化及び放熱損失の低減を実現し、装置全体の小型化とさらなる高効率化を図った固体高分子型燃料電池発電装置を提案することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために提案されたものであり、水素を含むガスを燃料とし固体高分子を電解質として酸化剤極と燃料極を有する燃料電池と、燃料電池を経由して冷却媒体を循環させる燃料電池冷却媒体径路と、燃料電池冷却媒体径路の燃料電池上流から燃料電池冷却媒体を分岐しこれを燃料電池冷却媒体径路に燃料電池下流にて合流させる燃料処理系冷却媒体径路と、燃料電池冷却媒体径路で冷却媒体を循環させる冷却媒体循環ポンプと、これら冷却媒体から熱量を除去し冷却媒体の温度を調整する燃料電池冷却媒体冷却器と、燃料電池燃料極上流に設置され改質触媒層を有しこの改質触媒層において炭素原子と水素原子を分子中に少なくとも各々一個以上含む燃料及び酸素を含む気体及び水蒸気の混合気を水素リッチガスに改質する改質器と、水素リッチガス流路の改質器下流に設置され水素リッチガスと燃料処理系冷却媒体径路を流通する燃料電池冷却媒体との熱交換を行う水素リッチガス冷却器と、水素リッチガス冷却器下流に設置され低温一酸化炭素変成触媒層を有する低温一酸化炭素変成器と、低温一酸化炭素変成器上流に設置され吸収材層を有しこの吸収材層により燃料もしくは水素リッチガス中の硫黄分を吸収する脱硫器と、低温一酸化炭素変成器下流に設置され選択酸化式一酸化炭素除去触媒層を有する単数もしくは複数の選択酸化式一酸化炭素除去器と、燃料電池の燃料極からの排気ガスの全量と酸化剤極からの排気ガスの全量もしくは一部を混合して燃焼する排気ガスバーナーと、排気ガスバーナーの燃焼ガス及び酸化剤極の排気ガスの混合ガスから水を凝縮させる水凝縮器とが備えられた固体高分子型燃料電池発電装置において、次のような特徴を有している。
【００３１】
請求項１の発明は、改質器に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器と、水蒸発器で発生した水蒸気を過熱する水蒸気過熱器と、改質器に供給する燃料を酸素を含むガスと混合した状態で加熱する燃料混合ガス予熱器とが設けられ、排気ガスバーナーからの燃焼ガスが、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されたことを特徴とする。
【００３２】
以上のような請求項１の発明では、燃料電池で消費されなかった可燃性物質を排気ガスバーナーで燃焼し、この燃焼ガスを水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、水凝縮器と高温の機器から順に通過させることにより、排気ガスバーナーの燃焼熱を効率よく回収することができる。これらの機器の運転温度は、その出口温度が改質器に供給する反応ガス温度である、水蒸気過熱器が最も高く、次いで燃料混合ガス予熱器、熱交換後の排気ガス温度が水の沸点程度である水蒸発器、熱交換後の排気ガス温度が燃料電池排出ガスの露点を下回る水凝縮器の順で低下する。一方、効率の面では、部分酸化型改質器での発熱を抑制することが望ましく、そのためには原料ガスの温度を可能な限り上昇させることが望ましい。従って、熱回収のための高温ガスもこの順番に従って流通させることが効率の面で最も望ましい。
【００３３】
また、空気などの酸素を含んだガスと燃料との混合ガスを加熱する燃料混合ガス予熱器の運転温度は、水蒸気過熱器のそれより低く抑える必要があるが、これは水蒸気と共存しない状態で空気など酸素を含んだガスと燃料の混合ガスを加熱した場合には、水蒸気と共存した場合に比較してより低い温度で発火する可能性があるためである。
【００３４】
ところで、水蒸発器で必要な温度は水蒸気の過熱や燃料混合ガスの予熱に必要な温度より低いにもかかわらず熱量としては多いので、仮に燃料混合ガス予熱に先立って水蒸発を行うと、加熱源である排気ガスバーナーの燃焼ガス温度が下がり、燃料混合ガスの温度が上がらなくなって効率の面で不利である。本発明では水蒸発器と水蒸気過熱器とを分離しているため、このような効率面での不利を回避することができ、しかも流量制御が容易である。
【００３５】
請求項２の発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器の外筒部に水素リッチガス冷却器が設置され、改質器及び水素リッチガス冷却器が複合一体化されたことを特徴とする。
【００３６】
以上のような請求項２の発明では、改質器及び水素リッチガス冷却器を複合一体化させることで発電装置の体積を減少させることができる。また、フロー上連続している改質器と水素リッチガス冷却器の間の接続流路を極小化することができる。さらに、より高温で運転される改質器を、より低温で運転される水素リッチガス冷却器で包囲するため、改質器表面から大気への放熱損失を抑制する機能もある。
【００３７】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、排気ガスバーナーの外筒部に水蒸気過熱器が設置され、排気ガスバーナー及び水蒸気過熱器が複合一体化されたことを特徴とする。
【００３８】
請求項４の発明は、請求項３記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、排気ガスバーナー及び水蒸気過熱器が複合一体化された機器の外筒部に混合ガス予熱器が設置され、排気ガスバーナーと水蒸気過熱器と混合ガス予熱器とが複合一体化されたことを特徴とする。
【００３９】
以上の請求項３または４の発明では、水蒸気過熱器もしくは燃料混合ガス予熱器を排気ガスバーナーと複合一体化させることで発電装置体積の減少が可能である。また、フローシークエンス上連続した排気ガスバーナーと水蒸気過熱器もしくは燃料混合ガス予熱器との間の接続流路を極小化できる。さらに、より高温で運転される排気ガスバーナーを、より低温で運転される水蒸気過熱器もしくは燃料混合ガス予熱器で囲むので、排気ガスバーナー表面から大気への放熱損失を抑えることができる。
【００４０】
請求項５の発明は、請求項２、３または４記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器外筒部に水素リッチガス冷却器と共に水蒸発器が設置され、改質器と水素リッチガス冷却器と水蒸発器とが複合一体化されたことを特徴とする。
【００４１】
上記の請求項５の発明では、改質器に水素リッチガス冷却器及び水蒸発器を複合一体化させることで、前記請求項２の発明の持つ作用効果に加えて、装置のコンパクト化をいっそう進めることができる。
【００４２】
請求項６の発明は、請求項１、２、３、４または５記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、脱硫器が水素リッチガス流路の水素リッチガス冷却器と低温一酸化炭素変成器の中間に設置され、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器が複合一体化されたことを特徴とする。
【００４３】
以上の請求項６の発明では、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器を複合一体化させることにより、装置体積の減少、並びに低温一酸化炭素変成器における放熱損失の抑制を実現することができる。
【００４４】
請求項７の発明は、請求項１、２、３、４、５または６記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点が形成され、燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第２の合流点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする。
【００４５】
以上の構成を有する請求項７の発明においては、装置起動時に起動バーナーからの燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過する。このことにより、改質器に原料となるガスが供給される前に予め各機器を充分高温に昇温することができ、しかも起動時に生成した一酸化炭素の吸着による燃料極触媒被毒を防止することができる。と同時に、燃料電池冷却媒体を昇温する。
【００４６】
また、改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層、すなわち燃料電池燃料極の上流に位置する機器については、水素リッチガスが流通する経路とは独立して起動バーナー燃焼ガスの流通経路を設置したので、燃料処理系の触媒層において高温・還元性雰囲気での使用が想定されていても、燃焼ガスの流通による酸化及び結露の心配がなく、活性低下が起こらず、起動前の還元操作も不要である。
【００４７】
請求項８の発明は、請求項７記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、起動バーナーと第１の合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と燃料電池冷却媒体加熱器の間に第２止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第２の合流点の間に第３止め弁が設けられたことを特徴とする。
【００４８】
このような請求項８の発明では、流路の切替えを止め弁の開閉で行うので、起動バーナーの燃焼ガス流路と排気バーナーの燃焼ガス流路を共通化でき、機器を簡素化することができる。
【００４９】
請求項９の発明は、請求項８の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ水蒸発器温度、燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が開き、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかの温度が予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第１止め弁が開いて第２止め弁及び第３止め弁が閉じ、第２止め弁及び第３止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、第２止め弁及び第３止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が閉じ、停止時には第１止め弁が閉じて第２止め弁及び第３止め弁が開くことを特徴とする。
【００５０】
請求項９の発明においては、以上のような運転方法を実施することにより、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温することができ、さらには過剰な昇温を防止することができる。
【００５１】
請求項１０の発明は、請求項８記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、第２止め弁と第３止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第２の分岐点が形成され、第２の分岐点には外気に開放される配管が接続され、この配管に第４止め弁が設けられたことを特徴とする。
【００５２】
請求項１１の発明は、請求項１０の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が開いて第４止め弁が閉じ、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第２止め弁及び第３止め弁が閉じて第１止め弁及び第４止め弁が開き、第２止め弁及び第３止め弁が開いて第４止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、第２止め弁及び第３止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて第４止め弁が開いて運転状態に移行し、運転時には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が閉じて第４止め弁が開き、装置停止時には第２止め弁または第３止め弁の少なくとも一方と第４止め弁が開くことを特徴とする。
【００５３】
上記請求項１０及び１１の発明によれば、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温でき、過剰昇温を防ぐと共に、第４止め弁の働きにより起動バーナー燃焼ガス流路の減圧を防止することができる。
【００５４】
請求項１２の発明は、請求項１、２、３、４、５または６記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、燃料混合ガス予熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする。
【００５５】
上記請求項１２の発明においては、装置起動時に起動バーナーからの燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過するまでは、前記請求項７の発明と同じであるが、それ以降熱交換に使用されることなく大気中に放出される点が異なっている。このような請求項１２の発明によれば、各機器を充分高温に昇温することができると同時に、簡易な装置を構築することができる。
【００５６】
請求項１３の発明は、請求項１２記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、起動バーナーと合流点の間に第１止め弁が、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられたことを特徴とする。
【００５７】
請求項１４の発明は、請求項１３の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁及び第２止め弁が開き、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第１止め弁が開いて第２止め弁が閉じ、第２止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、第２止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には第１止め弁及び第２止め弁が閉じることを特徴とする。
【００５８】
上記の請求項１３及び１４の発明では、請求項１２記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温でき、過剰昇温を防ぎながら、装置の簡略化を図ることができる。
【００５９】
請求項１５の発明は、請求項１、２、３、４、５または６記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと水蒸気過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成されたことを特徴とする。
【００６０】
以上の請求項１５の発明では、高温が必要な改質器の昇温及び昇温に多くの熱量を必要とする燃料電池冷却媒体加熱器や水蒸発器の加熱にのみ起動バーナー燃焼ガスを利用している。つまり、起動バーナー燃焼ガスによる昇温を選択的に実施することにより燃焼ガス流路をシンプルにし、装置の簡易化を進めることができる。
【００６１】
請求項１６の発明は、請求項１５記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、起動バーナーと合流点の間に止め弁が設けられたことを特徴とする。
【００６２】
請求項１７の発明は、請求項１６の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時の水蒸発器温度が予め設定された目標温度に未達であれば止め弁が開き、止め弁が開いた状態で燃料電池冷却媒体加熱器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には、燃料電池冷却媒体冷却器が運転されて温度制御を行い、水蒸発器温度が予め設定された目標温度に達したら止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には止め弁が閉じ、かつ装置起動時には脱硫器、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の温度がそれぞれ個別に電力によって加熱されることを特徴とする。
【００６３】
上記の請求項１６及び１７の発明では、請求項１５記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、各機器の昇温及び過剰昇温の防止、さらには装置の簡略化を実現することができる。
【００６４】
請求項１８の発明は、改質器に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器と、酸素を含むガスと燃料と水蒸発器で発生した水蒸気との混合ガスを過熱する燃料混合ガス過熱器とが設けられ、排気ガスバーナーからの燃焼ガスが、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されたことを特徴とする。
【００６５】
以上のような請求項１８の発明では、燃料電池で消費されなかった可燃性物質を排気ガスバーナーで燃焼し、この燃焼ガスを燃料混合ガス過熱器、及び水蒸発器、水凝縮器と高温の機器から順に通過させることにより、排気ガスバーナーの燃焼熱を効率よく回収することができる。また、請求項１８の発明においては、燃料を空気と混合するだけではなく、水蒸気と混合した状態で過熱するため、請求項１の発明に比べて改質器へ導入する反応ガス温度を高く設定することができる。さらには、酸素を含むガスの改質器への投入量を減らすことが可能である。
【００６６】
請求項１９の発明は、請求項１８記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器の外筒部に水素リッチガス冷却器が設置され、改質器及び水素リッチガス冷却器が複合一体化されたことを特徴とする。
【００６７】
以上のような請求項１９の発明では、改質器及び水素リッチガス冷却器を複合一体化させることで発電装置の体積を減少させることができ、改質器と水素リッチガス冷却器との接続流路の極小化と、改質器表面から大気への放熱損失の抑制を図ることができる。
【００６８】
請求項２０の発明は、請求項１８または１９記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、排気ガスバーナーの外筒部に燃料混合ガス過熱器が設置され、排気ガスバーナー及び燃料混合ガス過熱器が複合一体化されたことを特徴とする。
【００６９】
以上の請求項２０の発明では、燃料混合ガス過熱器を排気ガスバーナーと複合一体化させることで発電装置体積の減少が可能である。また、排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器との間の接続流路を極小化できる。さらに、排気ガスバーナーを燃料混合ガス過熱器で囲むことにより、排気ガスバーナー表面から大気への放熱損失を抑えることができる。
【００７０】
請求項２１の発明は、請求項１９または２０記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器外筒部に水素リッチガス冷却器と共に水蒸発器が設置され、改質器と水素リッチガス冷却器と水蒸発器とが複合一体化されたことを特徴とする。
【００７１】
上記の請求項２１の発明では、改質器に水素リッチガス冷却器及び水蒸発器を複合一体化させることで、前記請求項１９の発明の持つ作用効果をいっそう進めることができる。
【００７２】
請求項２２の発明は、請求項１８、１９、２０または２１記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、脱硫器が水素リッチガス流路の水素リッチガス冷却器と低温一酸化炭素変成器の中間に設置され、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器が複合一体化されたことを特徴とする。
【００７３】
以上の請求項２２の発明では、低温一酸化炭素変成器及び脱硫器を複合一体化させることにより、装置体積の減少、並びに低温一酸化炭素変成器における放熱損失の抑制を実現することができる。
【００７４】
請求項２３の発明は、請求項１８、１９、２０、２１または２２記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点が形成され、燃料混合ガス過熱器の下流に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、分岐点の下流に燃焼ガスが合流する第２の合流点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、次いで燃料混合ガス過熱器を通過した後、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過し、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器を通過するように構成され、かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする。
【００７５】
以上の構成を有する請求項２３の発明は、前述した請求項７の発明と同様の作用効果を有している。すなわち、装置起動時に起動バーナーからの燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、第１の合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、第２の合流点で再び残余の起動バーナーからの燃焼ガスに合流し、更に起動バーナー燃焼ガスが水蒸発器、水凝縮器の順に通過する。このことにより、改質器に原料となるガスが供給される前に予め各機器を充分高温に昇温することができ、しかも起動時に生成した一酸化炭素の吸着による燃料極触媒被毒を防止することができる。と同時に、燃料電池冷却媒体を昇温する。
【００７６】
また、改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層、すなわち燃料電池燃料極の上流に位置する機器については、水素リッチガスが流通する経路とは独立して起動バーナー燃焼ガスの流通経路を設置したので、燃焼ガスの流通による酸化及び結露の心配がなく、活性低下が起こらず、かつ起動前に還元操作を行う必要もない。
【００７７】
請求項２４の発明は、請求項２３記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器の改質触媒層と第１の合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層と第２の合流点の間に第３止め弁が設けられたことを特徴とする。
【００７８】
このような請求項２４の発明では、前記請求項８の発明と同じく、流路の切替えを止め弁の開閉で行うので、起動バーナーの燃焼ガス流路と排気バーナーの燃焼ガス流路を共通化でき、機器を簡素化することができる。
【００７９】
請求項２５の発明は、請求項２４の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ水蒸発器温度、燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が開き、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかの温度が予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第１止め弁が開いて第２止め弁及び第３止め弁が閉じ、第２止め弁及び第３止め弁が開いた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、第２止め弁及び第３止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が閉じ、停止時には第１止め弁が閉じて第２止め弁及び第３止め弁が開くことを特徴とする。
【００８０】
請求項２５の発明では、以上のような運転方法を実施することにより、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温することができ、さらには過剰な昇温を防止することができる。
【００８１】
請求項２６の発明は、請求項２４記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、第２止め弁と第３止め弁の間の流路のいずれかの箇所に第２の分岐点が形成され、第２の分岐点には外気に開放される配管が接続され、この配管に第４止め弁が設けられたことを特徴とする。
【００８２】
請求項２７の発明は、請求項２６の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達せずかついずれの温度も予め設定された最高限界温度に達しない場合には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が開いて第４止め弁が閉じ、装置起動時でかつ燃料電池冷却媒体加熱器温度、脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達したかもしくはいずれかが予め設定された最高限界温度に達し、かつ水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達しない場合には第２止め弁及び第３止め弁が閉じて第１止め弁及び第４止め弁が開き、第２止め弁及び第３止め弁が開いて第４止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第１止め弁のみが閉じ、第２止め弁及び第３止め弁が閉じた状態で水蒸発器温度が予め設定した目標温度に達した場合には第１止め弁が閉じて第４止め弁が開いて運転状態に移行し、運転時には第１止め弁、第２止め弁及び第３止め弁が閉じて第４止め弁が開き、装置停止時には第２止め弁または第３止め弁の少なくとも一方と第４止め弁が開くことを特徴とする。
【００８３】
上記請求項２６及び２７の発明によれば、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温でき、過剰昇温を防ぐと共に、第４止め弁の働きにより起動バーナー燃焼ガス流路の減圧を防止することができる。
【００８４】
請求項２８の発明は、請求項１８、１９、２０、２１または２２記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、燃料混合ガス過熱器と水蒸発器の間に燃焼ガスが分れる分岐点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入した後、燃料混合ガス過熱器を通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過した後、大気中に出て、一方、分岐点にて分岐された残余の起動バーナーからの燃焼ガスは更に水蒸発器、水凝縮器の順に通過するように構成され、かつ改質触媒層、脱硫器吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層には起動バーナー燃焼ガスを流通する経路が、水素リッチガスが流通する経路とは独立して設置されたことを特徴とする。
【００８５】
上記請求項２８の発明においては、装置起動時に起動バーナーからの燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器の順に通過し、分岐点にて分岐された燃焼ガスが燃料電池冷却媒体加熱器、脱硫器の吸収材層、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の順に通過するまでは、前記請求項２２の発明と同じであるが、それ以降熱交換に使用されることなく大気中に放出される点が異なっている。このような請求項２８の発明によれば、各機器を充分高温に昇温することができると同時に、簡易な装置を構築することができる。
【００８６】
請求項２９の発明は、請求項２８記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質触媒層と合流点の間に第１止め弁が設けられ、分岐点と脱硫器吸収材層の間に第２止め弁が設けられたことを特徴とする。
【００８７】
請求項３０の発明は、請求項２９の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時でかつ脱硫器温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度の少なくとも一つが予め設定された目標温度に達しない場合には第１止め弁及び第２止め弁が開き、装置起動時でかつ脱硫器温度温度、低温一酸化炭素変成触媒層温度、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層温度のすべてが予め設定された目標温度以上に達した場合には第１止め弁が開いて第２止め弁が閉じ、運転時には第１止め弁及び第２止め弁が閉じることを特徴とする。
【００８８】
上記の請求項２９及び３０の発明では、請求項２８記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、各機器をほぼ同調して所定の温度にまで昇温でき、過剰昇温を防ぎながら、装置の簡略化を図ることができる。
【００８９】
請求項３１の発明は、請求項１８、１９、２０、２１または２２記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナーと、燃料電池の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器とが設けられ、排気ガスバーナーと燃料混合ガス過熱器の間に起動バーナーからの燃焼ガスが排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に合流する合流点が形成され、装置起動時に起動バーナーが動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器の改質触媒層を通過した後、合流点にて排気ガスバーナーからの燃焼ガス流路に流入し、燃料混合ガス過熱器、水蒸発器、燃料電池冷却媒体加熱器、水凝縮器の順に通過するように構成されたことを特徴とする。
【００９０】
以上の請求項３１の発明では、１つの合流点を形成するだけで、請求項２２の発明と同様の作用効果を得ることができ、装置の簡易化をいっそう進めることができる。
【００９１】
請求項３２の発明は、請求項３１記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、改質器の改質触媒層と合流点の間に止め弁が設けられたことを特徴とする。
【００９２】
請求項３３の発明は、請求項３２の発明にかかる固体高分子型燃料電池発電装置の運転方法であり、装置起動時の水蒸発器温度が予め設定された目標温度に未達であれば止め弁が開き、止め弁が開いた状態で燃料電池冷却媒体加熱器温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には、燃料電池冷却媒体冷却器が運転されて温度制御を行い、水蒸発器温度が予め設定された目標温度に達したら止め弁が閉じて運転状態に移行し、運転時には止め弁が閉じ、かつ装置起動時には脱硫器、低温一酸化炭素変成触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去触媒層の温度がそれぞれ個別に電力によって加熱されることを特徴とする。
【００９３】
上記の請求項３２及び３３の発明では、請求項３１記載の固体高分子型燃料電池発電装置において、各機器の昇温及び過剰昇温の防止、さらには装置の簡略化を実現することができる。
【００９４】
【発明の実施の形態】
（１）第１の実施の形態
［構成］
以下、本発明の実施の形態の一例について図面を参照して具体的に説明する。なお、図２６に示した従来例の構成要素と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。
【００９５】
まず、請求項１にかかる第１の実施の形態を図１に示す。排気ガスバーナー４の下流側には水蒸気を過熱する水蒸気過熱器６２が設けられ、その下流側には改質器２に供給する燃料を酸素を含むガスと混合した状態で加熱する燃料混合ガス予熱器６３、改質器２に供給する水蒸気を発生させる水蒸発器６１が順次設けられている。これらの機器には排気ガスバーナー４からの燃焼ガスが、水蒸気過熱器６２、燃料混合ガス予熱器６３、水蒸発器６１、水凝縮器５の順に通過するように燃焼ガス流路が形成されている。
【００９６】
水蒸気は水蒸発器６１で生成され、途中水蒸気過熱器６２に入ってここで加熱され、その後、改質器２に送られる。燃料は酸素を含むガスと混合された後、燃料混合ガス予熱器６３を通じて予熱され、改質器２に送られる。改質器２での部分酸化型水蒸気改質反応を可能な限り水蒸気改質側に近づけるため、改質器２入口における原料ガス濃度は高い方が良い。従って、水蒸気過熱器６２及び燃料混合ガス予熱器６３での出口温度は高い方が望ましい。
【００９７】
燃料には炭素原子と水素原子を分子中に少なくとも各々一個以上含む気体が適用されている。具体的にはメタン、エタン、プロパン、ブタンなどの気体状炭化水素、及びこれらを主成分とする都市ガス、ガソリン、灯油、軽油などの液体状炭化水素の蒸気、及びメタノール、エタノール、ジメチルエーテル、イソプロパノール、アセトンなどの酸素を含む有機化合物が挙げられる。有機珪素化合物、有機金属化合物など、不揮発性物質が生成する物質は改質器２内部に生成物を沈着させるので燃料として相応しくない。またチオール類などの硫黄を含む化合物、ビニルクロライドをはじめとする有機塩素化合物などのハロゲンを含む化合物、アミン類、アミド類などの窒素を含む化合物は燃料電池１や後段の機器に被毒などの悪影響を与えるので相応しくない。酸素を含むガスとしては空気が挙げられるがこれに限らず、ほかに酸素ガス、燃料電池酸化剤極１２排気ガス、排気ガスバーナー４からのガス及びこれらの間の混合物が適当である。
【００９８】
燃料混合ガス予熱器６３での燃料混合ガスの予熱は、発火しない条件で行われる。可燃性ガスの発火は温度、燃料と酸素を含むガスとの混合比、不活性成分の存在によって変化する。例えば燃料が純メタンで酸素を含むガスが空気である場合についてH.F.Cowardらによる"Limits of Inflammability"を参照すると、常温での燃料／空気混合気の発火範囲は５．３％から１３．５％だが、６００℃での燃料／空気混合気の発火範囲は３．３％から１６．５％に広がる。上述した反応（２）の部分酸化反応のみを想定した、最も低い燃料／空気混合割合でも２０．９％であるので、６００℃程度では混合気は発火せず、局所的に酸素濃度が上昇して発火しても火炎は伝播しないことがわかる。しかしながら局所的に着火して周囲の温度が上昇すると発火条件を満たすおそれがあるので、上限を４００℃程度に抑制することが望ましい。また、一般に分子量が大きくなるほど発火温度は低下する傾向にあるので、導入される燃料に応じて加熱温度上限を変更する必要がある。
【００９９】
水蒸気の温度は高い方が良いが、高温水蒸気に耐える材料は高価であるため、水蒸気温度は６５０℃以下に抑制することが安価な装置を製作する上で望ましい。また、高温の水蒸気を燃料混合ガスに導入すると温度上昇により発火限界に入る可能性もある。温度一定下では水蒸気のような不活性ガスの導入は発火の濃度限界範囲を縮小させる役割を果たすが、加熱が伴う場合はこの限りではない。そのため、燃料の組成、加熱温度、導入蒸気量といった各種の要因を考慮しながら水蒸気過熱温度を決定する必要がある。以上に見られるように、望ましい燃料混合ガス予熱温度は望ましい水蒸気過熱温度よりも低く、同一の熱源として排気ガスバーナー４を用いる場合には燃料混合ガス予熱器６３を水蒸気過熱器６２の下流側に置くべきことが分かる。
【０１００】
改質器２の投入された水蒸気、酸素を含むガス及び燃料は、改質器２にて部分酸化反応により水素リッチガスに変換される。改質反応を維持するため、改質触媒層２１の温度は６００℃以上であることが望ましい。部分酸化型水蒸気改質反応では通常改質触媒層２１入口で酸化反応が優先して発生し、大きな発熱があることが一般的であるので、通常入口から出口にかけて温度が単調に減少する傾向が見られる。従って改質触媒層２１の温度を６００℃以上に保つために改質器２出口ガス温度を６００℃以上に保つことが望ましい。
【０１０１】
一方、改質器２から出た水素リッチガスは水素リッチガス冷却器２２及び脱硫器３３を経て低温一酸化炭素変成器３１に導入される。低温一酸化炭素変成器３１の温度は、通常使用されるＣｕ−ＺｎＯ系触媒について２００℃程度であることが望ましい。このため、水素リッチガスの温度６００℃以上から２００℃程度にまでを低下させる必要があり、水素リッチガス冷却器２２によって対応する。第１の実施の形態では制御の安定性の面から冷媒として燃料処理系冷却媒体径路１３３を流通する燃料処理系冷却媒体を使用する。
【０１０２】
水素リッチガス冷却器２２にて昇温された燃料電池冷却媒体は、燃料電池１の発熱により昇温された燃料電池冷却媒体と合流し、燃料電池冷却媒体冷却器１３４にて所定の温度にまで冷却され、再び燃料電池１及び水素リッチガス冷却器２２に供給される。燃料電池冷却媒体冷却器１３４は単なる冷却器に限らず、適当な媒体と組合せることで熱回収を行ってもよい。
【０１０３】
改質器２出口でＣＯ濃度は数％であるが、低温一酸化炭素変成器３１を通過する間に上記反応（３）のシフト反応により、ＣＯ濃度は出口で数千ｐｐｍ程度にまで低下する。反応（３）は発熱反応であるため低温で平衡上有利であるが、反応速度は反対に低温ほど低下するので低温一酸化炭素変成触媒に固有の最適温度が存在する。かかる低温一酸化炭素変成触媒としては、日産ガードラー社製Ｇ−６６Ｂを代表例とするＣｕ−ＺｎＯ系触媒が一般的である。これの最適運転温度は２００℃程度である。
【０１０４】
一般に低温一酸化炭素変成触媒は、上記Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒に見られるように、Ｓで被毒するものが多い。そのため脱硫器３３が低温一酸化炭素変成器３１の上流に設置されている。図１では脱硫器３３は水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の間に設置されているが、設置場所はここに限らず、低温一酸化炭素変成器３１の上流のいかなる場所でもよい。但し、代表的な脱硫器３３吸収材であるＺｎＯは揮発性であるので、使用温度は４５０℃以下、更には３００℃以下であることが望ましく、従って水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の間もしくは燃料混合ガス予熱器６３の上流が望ましい。
【０１０５】
低温一酸化炭素変成器３１を通過した水素リッチガスは、空気などの酸素を含むガスと共に選択酸化式一酸化炭素除去器３２に導入され、ここで更に一酸化炭素濃度が数十ｐｐｍまでに低減される。前述したように、これは特に低温で顕著である燃料極１１の電極触媒の一酸化炭素による被毒を低減するためである。
【０１０６】
この選択酸化式一酸化炭素除去器３２は特定触媒上で一酸化炭素の酸化反応速度が水素の酸化反応速度より速いことを利用するものであり、高温では両者の差が狭まるため、２００℃以下の低温で運転することが望ましい。つまり通常、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の運転温度は低温一酸化炭素変成器３１のそれより低く設定される。
【０１０７】
選択酸化式一酸化炭素除去器３２は１つの反応器からなっていてもよいし、２つ以上の複数の反応器からなっていてもよい。また、空気は均一に混合される必要があるため、特開平０８−１５７２０１号公報に見られるように反応器前の配管に空気を吹き込んでもよいし、特開平０８−１３３７０１号公報に見られるように反応器前に混合マニホールドを設置してそこに空気を吹き込んでもよい。
【０１０８】
燃料極１１で水素リッチガスの水素の約８割が電気化学反応に使用された後、残余の水素及び未改質燃料などのその他可燃性物質を含む燃料極１１排気ガスが排気ガスバーナー４に送られ、ここで酸化剤極１２排気ガスの一部と混合されて燃焼される。
【０１０９】
燃焼により生成した高温ガスは水蒸気過熱器６２に導入され、ここで原料水蒸気を過熱する。然る後に燃料混合ガス予熱器６３に導入され、燃料と酸素を含んだガスの混合ガスを予熱する。その後、水蒸発器６１に導入され、原料となる水の蒸発に使用される。上記機器の加熱に使用された排気ガスバーナー４の燃焼ガス及び排気ガスバーナー４に導入されなかった酸化剤極１２の排気ガスは水凝縮器５を通過し、含有する水分の回収が行われる。
【０１１０】
［作用効果］
上記のような構成を有する第１の実施の形態に関して、下記の条件で温度及び効率を見積もった。
【０１１１】
▲１▼燃料：純メタン  ▲２▼酸素を含むガス：空気  ▲３▼水蒸気／メタン：３．０
▲４▼メタン／空気：０．４７    ▲５▼水、空気、メタンの温度：２０℃
▲６▼水蒸気過熱温度：６５０℃  ▲７▼燃料混合ガス予熱温度：４００℃
▲８▼燃料極水素利用率：８０％  ▲９▼放熱損失：なし
その結果、水素の生成効率はＨＨＶで７２％に達した。また、水蒸気混合後の燃料混合ガス温度は５００℃であり、メタン／空気が４７％でかつ不活性ガスとして水蒸気が４９％導入されているため、発火限界外であった。改質器２の出口温度は６４０℃であり、反応温度は確保されていた。
【０１１２】
各機器の温度についてみると、水蒸気過熱器６２での排気ガスバーナー４からの燃焼ガスの温度は入口側で８２０℃、出口側で６８０℃であり、これにより水蒸気が１０２℃から６５０℃まで昇温された。燃料混合ガス予熱器６３での排気ガスバーナー４からの燃焼ガス温度は入口側で６８０℃、出口側で５３０℃であり、これにより燃料混合ガスが２０℃から４００℃まで昇温された。
【０１１３】
次に水蒸発器６１については、排気ガスバーナー４の燃焼ガス温度は入口側で５３０℃、出口側で１９０℃であり、これにより２０℃の水が１０２℃の水蒸気に転換された。各機器については所定温度への昇温が可能であり、かつピンチ温度も確保されていた。
【０１１４】
以上述べたように、第１の実施の形態によれば、燃料極１１排気ガス中に含まれる可燃性ガスを排気ガスバーナー４で燃焼させ、この燃焼ガスを水蒸気過熱器、燃料混合ガス予熱器、水蒸発器、水凝縮器と高温の機器から順に通過させることにより、改質器２での反応を確保しながら、排気ガスバーナーの燃焼熱を効率的かつ安全に回収できる。第１の実施の形態においては高温が必要とされる機器から順に加熱していくことにより、高温が必要な機器の加熱源温度が不足する事態を防ぐことができる。
【０１１５】
また、第１の実施の形態では水蒸発器６１と水蒸気過熱器６２とを分離しているので流量制御が容易であり、簡略化を進めることができる。しかも、水蒸発器６１にて多くの熱量が奪われる前段で燃料混合ガス予熱器６３の加熱を実施するため、排気ガスバーナー４の燃焼ガスから高効率で熱回収を実施できる。
【０１１６】
（２）第２の実施の形態
［構成］
次に請求項２にかかる第２の実施の形態について図２を参照して説明する。なお、以下の実施の形態において使用されるガス及びガス流通の順序、各機器における望ましい温度などは第１の実施の形態と同一である。
【０１１７】
第２の実施の形態では、改質器２の外筒部に水素リッチガス冷却器２２が設置され複合一体化された点に特徴がある。
【０１１８】
［作用効果］
第２の実施の形態によれば、改質器２と水素リッチガス冷却器２２の間の配管を省いて発電装置の体積を減少させ、装置のコンパクト化を図ることができる。また高温で運転される改質器２の外筒部を、より低温で運転される水素リッチガス冷却器２２にて包囲するので、改質器２表面から大気への放熱損失を減少させることができる。燃料電池発電装置が小型化するに従って放熱損失を抑えることの重要さは増すため、このような構成は有効である。
【０１１９】
（３）第３の実施の形態
［構成］
第３の実施の形態の構成を図３に示す。第３の実施の形態は請求項３に対応し、その特徴は、排気ガスバーナー４の外筒部に水蒸気過熱器６２が設置されて複合一体化された点にある。
【０１２０】
［作用効果］
上記第２の実施の形態では改質器２での放熱損失低減に成功したが、排気ガスバーナー４の出口ガスは８００℃前後という高温であり、かつ熱回収の必要があるため、この部分の放熱損失を低減することが求められている。この要求に応えるべく、第３の実施の形態では、高温で運転される排気ガスバーナー４を、より低温で運転される水蒸気過熱器６２で囲み、排気ガスバーナー４表面から大気への放熱損失を抑えている。また、水蒸気過熱器６２を排気ガスバーナー４と複合一体化させることで両者間の接続流路が極小化するため、発電装置全体の体積も減り、装置のコンパクト化を進めることができる。
【０１２１】
（４）第４の実施の形態
［構成］
図４は請求項４にかかる第４の実施の形態を示している。第４の実施の形態は上記第３の実施の形態に改良を加えたもので、排気ガスバーナー４と複合一体化された水蒸気過熱器６２の外筒部に混合ガス予熱器６３が設置され、排気ガスバーナー４と水蒸気過熱器６２と混合ガス予熱器６３という３つの機器が複合一体化されたことに特徴がある。
【０１２２】
［作用効果］
前記第１の実施の形態での見積で明らかなように、水蒸気過熱器６２加熱後の排気ガスバーナー４の燃焼ガスの温度は未だ６８０℃以上の高温であり、排気ガスバーナー４の放熱損失は無視できない。熱回収効率を高めるためは、排気ガスバーナー４及びその下流の機器の一体化を更に進めることが有効である。
【０１２３】
第４の実施の形態では、排気ガスバーナー４、水蒸気過熱器６２及び混合ガス予熱器６３を複合一体化したことにより、機器間の接続流路を極小化でき、排気ガスバーナー４から大気への放熱損失を大幅に抑えて、熱回収効率を高めることができる。
【０１２４】
（５）第５の実施の形態
［構成］
請求項５にかかる第５の実施の形態について図５を用いて説明する。第５の実施の形態では、改質器２の外筒部下部に水素リッチガス冷却器２２が設置されると共に、改質器２の外筒部上部に水蒸発器６１が設置され、改質器２と水素リッチガス冷却器２２と水蒸発器６１という３つの機器が複合一体化されたことを特徴としている。なお、図５では水蒸発器６１を改質器２外筒部に直接設置しているが、これを水素リッチガス冷却器２２外側に設置してもよい。
【０１２５】
［作用効果］
このような第５の実施の形態では、改質器２に水素リッチガス冷却器２２及び水蒸発器６１を複合一体化させることで、装置のコンパクト化をより高めることが可能である。
【０１２６】
（６）第６の実施の形態
［構成］
第６の実施の形態は請求項６にかかり、図６に示すように、脱硫器３３が水素リッチガス流路の水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の中間に設置された点に構成上の特徴がある。なお、図６では脱硫器３３が低温一酸化炭素変成器３１の前段に置かれた形になっているが、脱硫器３３の外筒部に低温一酸化炭素変成器３１を設置する、もしくは低温一酸化炭素変成器３１の外筒に脱硫器３３を設置するなどして両者を複合一体化させ放熱損失の低減を図ってもよいし、他の方法をとってもよい。
【０１２７】
［作用効果］
脱硫器３３の運転温度は脱硫反応を促進するために高温が望ましいが、ＺｎＯなどからなる脱硫器３３吸収材の昇華損失を抑制する上でその上限を３００℃程度に抑制する必要がある。一方、低温一酸化炭素変成器３１の運転温度は２００℃程度であるが、低温では反応速度が低下するため、放熱損失により低温一酸化炭素変成器３１温度が低温側に傾くことは望ましくない。低温一酸化炭素変成器３１でおこるシフト反応は発熱反応であるが、低負荷で反応ガス流量が少ない場合には放熱が発熱に勝り運転温度が維持できないおそれがある。
【０１２８】
第６の実施の形態においては、脱硫器３３と低温一酸化炭素変成器３１とを複合一体化することにより、放熱損失を低減させて一酸化炭素変成器３１の運転温度を維持することができる。また、機器の複合一体化により装置体積の減少を図ることができる。
【０１２９】
（７）第７の実施の形態
［構成］
第７の実施の形態は請求項７に対応しており、図７は第７の実施の形態の構成図である。なお、図７では改質器２、水素リッチガス冷却器２２、低温一酸化炭素変成器３１、脱硫器３３、排気ガスバーナー４、水蒸発器６１、水蒸気過熱器６２、燃料混合ガス予熱器６３の関係は請求項１に基づいて各々独立に記述したが、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５もしくは請求項６の発明に基づいて複合一体化させてもよい。
【０１３０】
第７の実施の形態の特徴は次の点にある。すなわち、燃料と酸素を含むガスを反応させて燃焼ガスを発生させる起動バーナー７０と、燃料電池１の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器１３５とが設けられている。起動バーナー７０は改質器２とは独立に設置してもよいし、改質器２と複合一体化するような構造であってもよい。
【０１３１】
起動バーナー７０では、すすなどが生成しないよう燃焼ガスが確実に完全燃焼する必要がある。そのため燃料に対して酸素過多で発生させなくてはならない。また、改質触媒層２１は還元性雰囲気が望ましい。したがって、起動バーナー７０燃焼ガスは改質触媒層２１及びその雰囲気から隔絶され、リークなどによる相互の流通が存在しないように製作されている。
【０１３２】
起動バーナー７０の燃焼ガス温度は改質器２が運転可能となる温度以上である必要があり、ニッケル系改質触媒を使用する場合には４００℃以上であることが望ましい。但し、下流の機器に高温に弱いものがあるので過剰な高温化は回避し、４００〜５００℃程度であることが望ましい。これを達成するための起動バーナー７０としては、燃料が11,000kcal/m3(HHV)の都市ガスの場合に少なくとも燃料体積の６０倍程度の空気を導入し、かつこの混合比で安定に燃焼させるような触媒燃焼器が好適である。
【０１３３】
また、排気ガスバーナー４と水蒸気過熱器６２の間には起動バーナー７０からの燃焼ガスが排気ガスバーナー４からの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点７３が形成されている。さらに、燃料混合ガス予熱器６３と水蒸発器６１の間には燃焼ガスが分れる分岐点７１が形成され、この分岐点７１の下流には再度燃焼ガス流路に燃焼ガスが合流する第２の合流点７４が形成されている。
【０１３４】
装置起動時には起動バーナー７０が動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器２の改質触媒層２１を通過した後（図中の＊）、第１の合流点７３にて排気ガスバーナー４からの燃焼ガス流路に入る。このガス流路には元来、排気ガスバーナー４からの燃焼ガスが流れているため、雰囲気還元性である必要はなく、起動バーナー７０の燃焼ガスラインと共通化している。
【０１３５】
さらに、起動バーナー７０からの燃焼ガスは、水蒸気過熱器６２、燃料混合ガス予熱器６３の順に通過する。そして、燃料混合ガス予熱器６３を通過した起動バーナー７０の燃焼ガスは、分岐点７１にて直接水蒸発器６１に通じる通常の流路から一部が分岐し（図中の＊＊）、燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３の吸収材層、低温一酸化炭素変成器３１の触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層を貫流する。改質触媒層２１と同じくこれらは還元性雰囲気が望ましいため、起動バーナー７０燃焼ガスは脱硫器３３吸収材、低温一酸化炭素変成器３１の触媒、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒及びその雰囲気から隔絶され、リークなどによる相互の流通が存在しないよう製作されている。その後、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層を貫流した起動バーナー７０燃焼ガスは、第２の合流点７４で再び残余の起動バーナー７０からの燃焼ガスに合流し、水蒸発器６１、水凝縮器５の順に通過する。
【０１３６】
なお、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層は、反応器が複数から成る場合には２つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器１３５は図７では燃料処理系冷却媒体循環径路１３３の水素リッチガス冷却器２２上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流かつ燃料電池１の上流の部分を除けば、燃料処理系冷却媒体循環径路１３３を含む燃料電池冷却媒体径路１３１のいずれの位置でもよい。燃料電池冷却媒体加熱器１３５の設置位置として燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流及び燃料電池１の上流の部分を除くのは、この部分で測定した燃料電池冷却媒体温度で燃料電池冷却媒体冷却器１３４での熱交換量を制御することが多いため、この位置に燃料電池加熱器１３５を設置すると擾乱要因となるからである。また、図７では脱硫器３３を水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の中間に設置しているが、ここに限定されず例えば改質器２導入前の燃料流路に設置してもよい。
【０１３７】
［作用効果］
以上のような構成を有する第７の実施の形態の作用効果は次の通りである。すなわち、装置起動時に発生した燃焼ガス起動バーナー７０の燃焼ガスは、水蒸気過熱器６２、燃料混合ガス予熱器６３の順に通過してこれらの機器を暖める。起動バーナー７０の燃焼ガス温度が高々５００℃程度であるので、これら機器の昇温限度は４００℃程度と考えられ、水蒸気過熱器６２及び燃料混合ガス予熱器６３の望ましい運転温度には未達である。しかしながら、これらの機器は熱回収のために存在し、起動時には効率は度外視するので、運転温度程度にまで昇温する必要はない。つまり、反応ガスを流通させた際に凝縮が発生しない程度に暖管すればよいので、この条件で機能を充分に果たすことができる。
【０１３８】
燃料混合ガス予熱器６３を通過した起動バーナー７０燃焼ガスの温度は３００〜４００℃程度である。これをこのまま脱硫器３３吸収材、低温一酸化炭素変成器３１触媒層などの加熱に使用すると、これらは昇華性のＺｎＯを含む場合が多いため、損傷する可能性がある。そこで、分岐点７１にて分かれた起動バーナー７０燃焼ガスは脱硫器３３吸収材を通過させる前に燃料電池冷却媒体加熱器１３５にて燃料電池冷却媒体と熱交換し、２５０℃程度にまで温度を低下させる。と同時に、燃料電池冷却媒体の昇温に使用する。これ以降の加熱目標温度は脱硫器３３が２００〜２５０℃、低温一酸化炭素変成器３１が２００℃程度、選択酸化式一酸化炭素除去器３２が２００℃以下であるので、この順に起動バーナー７０の燃焼ガスを通過させれば、各機器をほぼ同時に目標温度を達成することが可能である。燃料電池冷却媒体の加熱目標温度は高々８５℃程度で低いが、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２に比較して熱容量が大きいため、過度に昇温することはない。
【０１３９】
一方、水蒸発器６１では発電開始までに多量の水を沸点まで加熱しかつ水蒸気を発生させなければならないので、起動に大量の熱量が必要である。必要な温度は１００℃強で、脱硫器３３などの目標温度に比較して低いが、熱容量が大きいのでこれら機器の下流に配置すると昇温が遅れるおそれがある。そのため、第７の実施の形態では起動バーナー７０燃焼ガスが分岐点７１で分かれ、一方は燃料電池冷却媒体加熱器１３５以下の加熱を行い、他方は熱量を維持して水蒸発器６１の加熱に使用することができる。これにより水蒸発器６１の昇温を他の機器と同調して確実に行うことが可能となった。
【０１４０】
また、第７の実施の形態では、改質触媒層２１、脱硫器３３吸収材層、低温一酸化炭素変成器３１触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去器３２触媒層といった燃料電池１燃料極１１の上流に位置する機器については、水素リッチガスが流通する経路とは独立して起動バーナー７０燃焼ガスの流通経路を設置している。そのため、燃料処理系の触媒層において高温・還元性雰囲気での使用が想定されていても、燃焼ガスの流通により酸化及び結露が生じて活性低下が起きるおそれがなく、起動前の昇温に加えて還元操作を行う必要がない。
【０１４１】
（８）第８の実施の形態
［構成］
請求項８及び９にかかる第８の実施の形態について図８を参照して説明する。第８の実施の形態は前記第７の実施の形態（請求項７の発明に対応）において、起動バーナー７０燃焼ガスと排気ガスバーナー４燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けた点に特徴があり、切替えを請求項９の発明にかかる運転方法で実施している。
【０１４２】
すなわち、起動バーナー７０と第１の合流点７３の間に第１止め弁７５が設けられ、分岐点７１と燃料電池冷却媒体加熱器１３５の間に第２止め弁７６が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層と第２の合流点７４の間に第３止め弁７７が設けられている。これら３つの止め弁７５、７６及び７７を請求項１１の発明にかかる運転方法により開閉し、燃焼ガスの流路切替えを行うようになっている。
【０１４３】
［止め弁の開閉］
装置起動時には起動バーナー７０が点火されると共に、３つすべての止め弁７５、７６、７７が開き、起動バーナー７０燃焼ガスが流通する。分岐点７１と第２の合流点７４の間には止め弁は無く、燃料混合ガス予熱器６３出口側の高温ガスの一部は直接、水蒸発器６１を加熱する。なお、分岐点７１で分岐するガス流量を最適に配分するため、分岐点７１と第２の合流点７４の間にはオリフィスなどの圧損要素を設置してもよい。
【０１４４】
燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２のすべての昇温が完了したら、第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じる。但し、何らかの原因でいずれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合には他の機器の昇温が完了していなくとも、第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じる。
【０１４５】
第２止め弁７６と第３止め弁７７の間に設置してある機器には温度の上限があるものが多い。例えば、燃料電池冷却媒体加熱器１３５の温度が沸点に近づくことは燃料電池冷却媒体全体がこの温度まで昇温することを意味するので、固体高分子電解質膜を初めとする燃料電池１の構成部材に損傷を与える可能性がある。また、脱硫器３３と低温一酸化炭素変成器３１は前述したように昇華性のＺｎＯを含む場合があり、選択酸化式一酸化炭素除去器３２では高温で反応の選択性が悪化する傾向が見られている。そのため、これら機器に最高限界温度を設定し、いづれかが限界に達したら第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じて、機器の昇温を中断する。
【０１４６】
一方、水蒸発器６１は第２の合流点７４で合流した起動バーナー７０燃焼ガスで昇温される。この温度が目標温度に達しない間は第１止め弁７５が開いて起動バーナー７０燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第２止め弁７６及び第３止め弁７７が閉じていたら、起動のための加熱を終了して第１止め弁７５が閉り、起動バーナー７０が停止して発電運転に移行する。
【０１４７】
運転中はこれらすべての弁７５、７６、７７が閉じて通常運転時の熱バランスを擾乱させない。停止時には第２止め弁７６及び第３止め弁７７が開いて起動バーナー燃焼ガス流路が水凝縮などで減圧し、リークなどの不適合の原因となることを防ぐことができる。
【０１４８】
但し、燃料電池冷却媒体加熱器１３５から選択酸化式一酸化炭素除去器３２の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器６１の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器６１温度が予め設定された最高限界温度に達した場合は第２止め弁７６及び第３止め弁７７を開けたままで第１止め弁７５を閉め、起動バーナー７０を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱する。水蒸発器６１の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい。
【０１４９】
［作用効果］
第８の実施の形態では、上記の機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぐことが可能となった。また、止め弁の開閉により燃焼ガス流路の切替えることができるので、起動バーナー７０の燃焼ガス流路と排気ガスバーナー４の燃焼ガス流路を共通化でき、装置の簡素化を図ることができる。
【０１５０】
（９）第９の実施の形態
［構成］
請求項１０、１１にかかる第９の実施の形態について図９を用いて説明する。第９の実施の形態と前記第８の実施の形態との相違点は、第９の実施の形態では第２止め弁７６と第３止め弁７７の間に第２の分岐点７２があり、ここから大気に開放するベント配管が設置されていて、これに第４止め弁７８が設置されていることである。これは第２止め弁７６と第３止め弁７７が閉じた時にこの間を封じ切りにしないためのものである。これら４つの止め弁７５、７６、７７及び７８を請求項１１の発明にかかる運転方法により開閉し、前記第８の実施の形態と同じく、起動バーナー７０燃焼ガスと排気ガスバーナー４燃焼ガスの流路切替えるになっている。なお、前記分岐点７１をここでは第１の分岐点７１とする。
【０１５１】
［止め弁の開閉］
装置起動時には起動バーナー７０が点火されると共に、第４止め弁７８以外の３つの止め弁７５、７６及び７７が開き、起動バーナー７０燃焼ガスが流通する。第１の分岐点７１と第２の合流点７４の間には止め弁が無い点、分岐点７１と第２の合流点７４の間にはオリフィスなどの圧損要素を設置してもよい点などは第８の実施の形態と同様である。
【０１５２】
燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２すべての昇温が完了したら、第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じ、第１止め弁７５及び第４止め弁７８を開く。但し、何らかの原因でいずれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合は他の機器の昇温が完了していなくとも第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じ、第４止め弁７８を開く。これは第８の実施の形態にて説明したように、機器の安全性を確保するためである。
【０１５３】
一方、水蒸発器６１の温度が目標温度に達しない間は第１止め弁７５が開いて起動バーナー７０燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第２止め弁７６及び第３止め弁７７が閉じかつ第４止め弁７８が開いていたら、起動のための加熱を終了して第１止め弁７５が閉り、起動バーナー７０が停止して発電運転に移行する。
【０１５４】
運転中はこれらすべての止め弁７５、７６、７７及び７８が閉じて通常運転時の熱バランスの擾乱を防ぐようになっている。停止時には第２止め弁７６か第３止め弁７７のどちらかと第４止め弁７８が開いて起動バーナー７０燃焼ガス流路の減圧を防ぐことができる。
【０１５５】
但し、燃料電池冷却媒体加熱器１３５から選択酸化式一酸化炭素除去器３２の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器６１の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器６１温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第２止め弁７６及び第３止め弁７７を開け、かつ第４止め弁７８を閉めた状態で第１止め弁７５を閉める。これにより、起動バーナー７０を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱するものとする。なお、水蒸発器６１の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい点は第８の実施の形態と同然である。
【０１５６】
［作用効果］
以上の第９の実施の形態では、上記の機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぐことができる。また、燃焼ガス流路が切替可能であるため起動バーナー７０の燃焼ガス流路と排気ガスバーナー４の燃焼ガス流路を共通化でき、装置を簡素化できる。さらには、第４止め弁７８の働きにより起動バーナー７０燃焼ガス流路の減圧を防止することができる。
【０１５７】
（１０）第１０の実施の形態
［構成］
請求項１２にかかる第１０の実施の形態について、図１０を参照して説明する。第１０の実施の形態は第７の実施の形態（請求項７の発明に対応）の変形である。選択酸化式一酸化炭素変成器３２は比較的低温で運転され、Ａｕ系やＲｕ系触媒を使用した場合には運転温度が水の沸点以下である場合も有る。このような場合、選択酸化式一酸化炭素変成器３２出口での起動バーナー７０燃焼ガスの温度は水蒸発器６１の加熱に利用可能な水準には無い。従って第２の合流点７４を設けてまでしてこれを水蒸気器６１に導入する必要はなく、大気開放することが望ましい。
【０１５８】
第１０の実施の形態は起動バーナー７０燃焼ガス流路が分岐点７１で分岐され、燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２を加熱した起動バーナー７０燃焼ガスが以降熱交換に使用されること無く大気中に放出されることを特徴とする。
【０１５９】
選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層は、反応器が複数から成る場合には２つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器１３５は図１０では燃料処理系冷却媒体循環径路１３３の水素リッチガス冷却器２２上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料処理系冷却媒体循環径路１３３を含む燃料電池冷却媒体径路１３１のいずれの位置でもよい。但し、燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流かつ燃料電池１の上流の部分は、ここで測定した燃料電池冷却媒体温度で燃料電池冷却媒体冷却器１３４での熱交換量を制御することが多く、擾乱要因となるため、この位置に燃料電池加熱器１３５を設置するこは避ける。また、図１０では脱硫器３３は水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器２導入前の燃料流路に設置してもよい。
【０１６０】
［作用効果］
以上のような第１０の実施の形態によれば、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつより簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することが可能となった。
【０１６１】
なお、第７の実施の形態（請求項７の発明に対応）と第１０の実施の形態（請求項１２の発明に対応）の長短は、選択酸化式一酸化炭素変成器３２の目標運転温度、特にこれが複数段に分割されている場合には最終段の目標運転温度に依存する。すなわち、目標運転温度が高ければ前者の方が有利であり、水の沸点前後の低温であれば後者の方がより効果的である。
【０１６２】
（１１）第１１の実施の形態
［構成］
図１１に示す第１１の実施の形態は、請求項１３及び１４に対応するものであり、第１０の実施の形態（請求項１２の発明に対応）において、起動バーナー７０燃焼ガスと排気ガスバーナー４燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けた点に特徴がある。すなわち、起動バーナー７０と第１の合流点７３の間に第１止め弁７５が設けられ、分岐点７１と脱硫器３３の吸収材層の間に第２止め弁７６が設けられている。これら止め弁７５、７６の開閉を請求項１４の発明にかかる運転方法で実施している。
【０１６３】
［止め弁の開閉］
装置起動時には起動バーナー７０が点火されると共に、２つの止め弁７５、７６が開き、起動バーナー７０燃焼ガスが流通する。流量配分最適化のための圧損要素は水蒸発器６１の上流に設置する必要が無く、かつ圧損要素として水蒸発器６１及び水凝縮器５をカウントすることができるので、第２の合流点７４を有する場合より設置する圧損要素を低減し、排気ガスライン全体の圧損を低下させることが可能である。
【０１６４】
燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２すべての昇温が完了したら、第２止め弁７６を閉じる。但し、何らかの原因でいづれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合は他の機器の昇温が完了していなくとも第２止め弁７６を閉じ、安全性を確保する。
【０１６５】
一方、水蒸発器６１は温度が目標温度に達しない間は第１止め弁７５が開いて起動バーナー７０燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第２止め弁７６が閉じていたら起動のための加熱を終了して第１止め弁７５が閉り、起動バーナー７０が停止して発電運転に移行する。
【０１６６】
運転中は止め弁７５及び７６が両方とも閉じて通常運転時の熱バランスの擾乱を防止する。停止時には第２止め弁７６が開いても閉じていても起動バーナー７０燃焼ガス流路は大気に開放されるので、減圧のおそれはない。但し、燃料電池冷却媒体加熱器１３５から選択酸化式一酸化炭素除去器３２の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器６１の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器６１温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第２止め弁７６を開けたままで第１止め弁７５を閉め、起動バーナー７０を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱する。なお、水蒸発器６１の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい。
【０１６７】
［作用効果］
第１１の実施の形態では、上記のような機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぎながら、より簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することが可能となった。
【０１６８】
（１２）第１２の実施の形態
［構成］
第１２の実施の形態は請求項１５に対応しており、図１２は第１２の実施の形態の構成図を示している。これまで第７の実施の形態から第１１の実施の形態にかけては、起動バーナー７０燃焼ガスを脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の昇温に使用する場合を例示した。しかしながら、装置及び各反応器が小規模である場合、各反応器に特段の起動用加熱配管を設けることは困難であり、かつ運転中にこれを通じての放熱損失も無視できない。
【０１６９】
そこで、請求項１５の発明にかかる第１２の実施の形態では、起動バーナー７０燃焼ガスが改質器２の改質触媒層２１を通過した後、合流点７３にて排気ガスバーナー４からの燃焼ガス流路に流入し、水蒸気過熱器６２、燃料混合ガス予熱器６３、水蒸発器６１、燃料電池冷却媒体加熱器１３５、水凝縮器５の順に通過するように構成されたことを特徴とする。
【０１７０】
起動バーナー７０で発生した起動バーナー７０燃焼ガスは改質触媒層２１を貫流して加熱した後、水蒸気過熱器６２と燃料混合ガス予熱器６３を加熱し、水蒸発器６１を加熱する。ここでガス温度が比較的低位になってから、燃料電池冷却媒体加熱器１３５を加熱する。燃料電池冷却媒体は通常水の沸点以下高々８５℃程度なので、水蒸発器６１加熱後のガスでも加熱可能である。燃料電池冷却媒体加熱器１３５を出た起動バーナー７０燃焼ガスは水凝縮器５を経て大気に放出される。なお、目標昇温温度が比較的低くかつ加熱に必要な熱量が比較的少ない脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の昇温は電力で行うようになっている。
【０１７１】
選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層は、反応器が複数から成る場合には２つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器１３５は図１２では燃料処理系冷却媒体循環径路１３３の水素リッチガス冷却器２２上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流かつ燃料電池１の上流の部分を除く、燃料処理系冷却媒体循環径路１３３を含む燃料電池冷却媒体径路１３１のいずれの位置でもよい。燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流かつ燃料電池１の上流部分は通常、燃料電池冷却媒体温度の測定箇所であり、測定結果に基づいて燃料電池冷却媒体冷却器１３４での熱交換量を制御する。したがって、前記の位置を燃料電池加熱器１３５の設置位置に選ぶと擾乱要因となり易い。そのためこの部分は外す。また、図１２では脱硫器３３は水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器２導入前の燃料流路に設置してもよい。
【０１７２】
［作用効果］
以上の第１２の実施の形態では、高温が必要な改質器２２の昇温及び昇温に多くの熱量を必要とする燃料電池冷却媒体加熱器１３５及び水蒸発器６１の加熱にのみ起動バーナー７０燃焼ガスを使用している。すなわち、機器を選んで燃焼ガスを供給することにより燃焼ガス流路をシンプルに構成することができ、装置の簡略化を進めることができる。
【０１７３】
なお、請求項７もしくは請求項１２の発明と請求項１５の発明のどちらを採用するかは、装置の規模に依存する。装置規模が大きければ請求項７もしくは請求項１２の発明が有利であり、装置規模が小さければ請求項１５の発明の方がより効果的である。
【０１７４】
（１３）第１３の実施の形態
［構成］
請求項１６及び１７に対応する第１３の実施の形態について、図１３を用いて説明する。第１３の実施の形態は第１２の実施の形態（請求項１５の発明に対応）において、起動バーナー７０燃焼ガスと排気ガスバーナー４燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けている。すなわち、起動バーナー７０と第１の合流点７３の間に第１止め弁７５が設けられ、請求項１７の発明にかかる運転方法により第１止め弁７５を開閉してガス流路の切替えを行っている。
【０１７５】
［止め弁の開閉］
装置起動時には起動バーナー７０が点火されると共に、第１止め弁７５が開き、起動バーナー７０燃焼ガスが流通する。流量配分最適化の必要が無いのでそのための圧損要素は不要である。水蒸発器６１は温度が目標温度に達しない間は止め弁７５が開いて起動バーナー７０燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達したら起動のための加熱を終了して第１止め弁７５が閉り、起動バーナー７０が停止して発電運転に移行する。
【０１７６】
運転中は第１止め弁７５が閉じて通常運転時の熱バランスを擾乱させない。停止時には第１止め弁７５が開いても閉じていてもその両側とも大気に開放されるので減圧のおそれはない。但し、水蒸発器６１の昇温が未了であるのに燃料電池冷却媒体加熱器１３５の昇温が最高限界温度に達した場合は、燃料電池１の冷却水温度調節を目的に設置された燃料電池冷却媒体冷却器１３４により熱を放出する。これにより水蒸発器６１の昇温を継続しながら燃料電池冷却媒体の過度の昇温を防ぐ。
【０１７７】
［作用効果］
第１３の実施の形態では、上記のような機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぎながら、より簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することができる。
【０１７８】
（１４）第１４の実施の形態
［構成］
請求項１８にかかる第１４の実施の形態を図１４に示す。第１４の実施の形態は請求項１の発明にかかる第１の実施の形態の変形であり、水蒸気過熱器６１と燃料混合ガス予熱器６２を統合して燃料混合ガス過熱器６４が設けられている点に特徴がある。燃料混合ガス過熱器６４は、酸素を含むガスと燃料と水蒸発器６１で発生した水蒸気との混合ガスを過熱する機器である。排気ガスバーナー４の燃焼ガスは燃料混合ガス過熱器６４、水蒸発器６１、水凝縮器５の順に通過するようになっている。以上の点以外では第１の実施の形態の構成と同様である。
【０１７９】
［作用効果］
上記のような構成を有する第１４の実施の形態に関して、下記の条件で温度及び効率を見積もった。
【０１８０】
▲１▼燃料：純メタン  ▲２▼酸素を含むガス：空気  ▲３▼水蒸気／メタン：３．０
▲４▼メタン／空気：０．５０    ▲５▼水、空気、メタンの温度：２０℃
▲６▼燃料混合ガス過熱温度：４５０℃  ▲７▼燃料極水素利用率：８０％
▲８▼放熱損失：なし
その結果、水素の生成効率はＨＨＶで７０％強で、第１の実施の形態での見積と大きな相違はなかった。また、第１４の実施の形態では、燃料を空気と混合するだけでなく、水蒸気と混合した状態で燃料混合ガス過熱器６４にて過熱するため、請求項１の発明に比較して改質器２へ導入する反応ガスの温度を高く設定でき、酸素を含むガスの改質器２への投入量を減らすことができる。但し、燃料及び空気と水蒸気が混合された時に凝縮が発生しない程度に水蒸気温度を上昇させなければならず、水蒸発器６１から排出される排気ガスバーナー４燃焼ガスの熱量は増大するため、効率の優劣は場合により相違する。
【０１８１】
（１５）第１５の実施の形態
［構成］
次に請求項１９にかかる第１５の実施の形態について図１５を参照して説明する。第１５の実施の形態では、改質器２の外筒部に水素リッチガス冷却器２２が設置され複合一体化された点に特徴がある。
【０１８２】
［作用効果］
第１９の実施の形態によれば、改質器２と水素リッチガス冷却器２２の間の配管を省いて発電装置の体積を減少させ、装置のコンパクト化を図ることができる。また高温で運転される改質器２の外筒部を、より低温で運転される水素リッチガス冷却器２２にて包囲するので、改質器２表面から大気への放熱損失を減少させることができる。
【０１８３】
（１６）第１６の実施の形態
［構成］
第１６の実施の形態の構成を図１６に示す。第１６の実施の形態は請求項２０に対応し、その特徴は、排気ガスバーナー４の外筒部に燃料混合ガス過熱器６４が設置されて複合一体化された点にある。
【０１８４】
［作用効果］
第１６の実施の形態では、高温で運転される排気ガスバーナー４を燃料混合ガス過熱器６４で囲むことにより、排気ガスバーナー４表面から大気への放熱損失を抑えている。また、燃料混合ガス過熱器６４と排気ガスバーナー４とを複合一体化させることで両者間の接続流路が極小化し、装置をコンパクト化することができる。
【０１８５】
（１７）第１７の実施の形態
［構成］
請求項２１にかかる第１７の実施の形態について図１７を用いて説明する。第２１の実施の形態では、前記第５の実施の形態と同様、改質器２の外筒部下部に水素リッチガス冷却器２２が設置されると共に、改質器２の外筒部上部に水蒸発器６１が設置され、改質器２と水素リッチガス冷却器２２と水蒸発器６１という３つの機器が複合一体化されている。なお、図１７では水蒸発器６１を改質器２外筒部に直接設置しているが、これを水素リッチガス冷却器２２外側に設置してもよい。
【０１８６】
［作用効果］
このような第１７の実施の形態では、改質器２に水素リッチガス冷却器２２及び水蒸発器６１を複合一体化させることで、装置のコンパクト化をより高めることが可能とである。
【０１８７】
（１８）第１８の実施の形態
［構成］
図１８に示す第１８の実施の形態は請求項２２にかかり、前記第６の実施の形態と同様に、脱硫器３３の位置を水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の間に限定された点に特徴がある。なお、図１８では脱硫器３３が低温一酸化炭素変成器３１の前段に置かれた形になっているが、脱硫器３３の外筒部に低温一酸化炭素変成器３１を設置する、もしくは低温一酸化炭素変成器３１の外筒に脱硫器３３を設置するなどして両者を複合一体化させ放熱損失の低減を図ってもよいし、他の方法をとってもよい。
【０１８８】
［作用効果］
第１８の実施の形態においては、脱硫器３３と低温一酸化炭素変成器３１とを複合一体化することにより、放熱損失を低減させて一酸化炭素変成器３１の運転温度を維持することができる。また、機器の複合一体化により装置体積の減少を図ることができる。
【０１８９】
（１９）第１９の実施の形態
［構成］
第１９の実施の形態は請求項２３に対応しており、図１９は第１９の実施の形態の構成図である。第１９の実施の形態には、前記第７の実施の形態と同じく起動バーナー７０と、燃料電池１の冷却媒体とガス体との熱交換を行う燃料電池冷却媒体加熱器１３５とが設けられている。起動バーナー７０は改質器２とは独立に設置してもよいし、改質器２と複合一体化するような構造であってもよい。また、改質器２、水素リッチガス冷却器２２、低温一酸化炭素変成器３１、脱硫器３３、排気ガスバーナー４、水蒸発器６１、燃料混合ガス過熱器６４の関係は請求項１８に基づいて各々独立に記述したが、請求項１９、請求項２０、請求項２１、請求項２２の発明に基づいて複合一体化させてもよい。
【０１９０】
起動バーナー７０燃焼ガスは酸素過多で発生させる必要があるが、改質触媒層２１は還元性雰囲気が望ましいため、起動バーナー７０燃焼ガスは改質触媒及びその雰囲気から隔絶され、リークなどによる相互の流通が存在しないよう製作されている。改質器２は４００℃以上に昇温することが望ましいが、下流の機器に高温に弱いものがあるので起動バーナー７０の燃焼ガス温度は４００〜５００℃程度であることが望ましい。これを達成するため、起動バーナー７０は少なくとも燃料体積の６０倍程度の空気を導入し、かつこの混合比で安定に燃焼させるために触媒燃焼器を使用することが好適である。
【０１９１】
また、排気ガスバーナー４と燃料混合ガス過熱器６４の間には起動バーナー７０からの燃焼ガスが排気ガスバーナー４からの燃焼ガス流路に合流する第１の合流点７３が形成され、燃料混合ガス過熱器６４と水蒸発器６１の間には燃焼ガスが分れる分岐点７１が形成され、さらには分岐点７１の下流には再度燃焼ガス流路に燃焼ガスが合流する第２の合流点７４が形成されている。
【０１９２】
装置起動時には起動バーナー７０が動作して燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスが改質器２の改質触媒層２１を通過した後（図中の＊）、第１の合流点７３にて排気ガスバーナー４からの燃焼ガス流路に入る。このガス流路には元来、排気ガスバーナー４からの燃焼ガスが流れているため、雰囲気還元性である必要はなく、起動バーナー７０の燃焼ガスラインと共通化している。
【０１９３】
さらに、起動バーナー７０からの燃焼ガスは燃料混合ガス過熱器６４を通過し、分岐点７１にて直接水蒸発器６１に通じる通常の流路から一部が分岐し（図中の＊＊）、燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３の吸収材層、低温一酸化炭素変成器３１の触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層を貫流する。起動バーナー７０燃焼ガスは脱硫器３３吸収材、低温一酸化炭素変成器３１触媒、選択酸化式一酸化炭素除去器３２触媒及びその雰囲気から隔絶され、リークなどによる相互の流通が存在しないよう製作されている。選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層を貫流した起動バーナー７０燃焼ガスは、合流点７２にて分岐点７１にて分岐した残余の起動バーナー７０燃焼ガスと合流し、水蒸発器６１、水凝縮器５の順に送られる。
【０１９４】
なお、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層は、反応器が複数から成る場合には２つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器１３５は図１９では燃料処理系冷却媒体循環径路１３３の水素リッチガス冷却器２２上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流かつ燃料電池１の上流の部分を除く、燃料処理系冷却媒体循環径路１３３を含む燃料電池冷却媒体径路１３１のいずれの位置でもよい。燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流かつ燃料電池１の上流の部分は、この部分で測定した燃料電池冷却媒体温度で燃料電池冷却媒体冷却器１３４での熱交換量を制御することが多い。そのため、この位置に燃料電池加熱器１３５を設置すると擾乱要因となり易い。また、図１９では脱硫器３３は水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器２導入前の燃料流路に設置してもよい。
【０１９５】
［作用効果］
以上のような構成を有する第１９の実施の形態の作用効果は次の通りである。すなわち、装置起動時に発生した燃焼ガス起動バーナー７０の燃焼ガスは、燃料混合ガス過熱器６４を通過してこれを暖める。このとき燃料混合ガス過熱器６４の望ましい運転温度には未達であるが、燃料混合ガス過熱器６４は熱回収のために存在し、起動時には効率は度外視するので、運転温度程度にまで昇温する必要はなく、この条件で機能を充分に果たすことができる。
【０１９６】
このような流路構成を取ることで、起動バーナー７０燃焼ガスという同一の加熱源を用いながら、燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２、水蒸発器６１の昇温を同調して行うことができる。
【０１９７】
また、第１９の実施の形態では、改質触媒層２１、脱硫器３３吸収材層、低温一酸化炭素変成器３１触媒層、選択酸化式一酸化炭素除去器３２触媒層といった燃料電池１燃料極１１の上流に位置する機器について、水素リッチガスが流通する経路とは独立して起動バーナー７０燃焼ガスの流通経路を設置している。そのため、燃料処理系の触媒層において高温・還元性雰囲気での使用が想定されていても、燃焼ガスの流通により酸化及び結露が生じて活性低下が起きるおそれがなく、起動前の昇温に加えて還元操作を行う必要がない。
【０１９８】
（２０）第２０の実施の形態
［構成］
請求項２４及び２５にかかる第２０の実施の形態について図２０を参照して説明する。第２０の実施の形態は前記第１９の実施の形態（請求項２３の発明に対応）において、起動バーナー７０燃焼ガスと排気ガスバーナー４燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けた点に特徴があり、切替えを請求項２５の発明にかかる運転方法で実施している。
【０１９９】
すなわち、第８の実施の形態と同じく、起動バーナー７０と第１の合流点７３の間に第１止め弁７５が設けられ、分岐点７１と燃料電池冷却媒体加熱器１３５の間に第２止め弁７６が設けられ、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層と第２の合流点７４の間に第３止め弁７７が設けられている。これら３つの止め弁７５、７６及び７７を請求項２５の発明にかかる運転方法により開閉し、燃焼ガスの流路切替えを行うようになっている。
【０２００】
［止め弁の開閉］
装置起動時には起動バーナー７０が点火されると共に、３つすべての止め弁７５、７６、７７が開き、起動バーナー７０燃焼ガスが流通する。分岐点７１と第２の合流点７４の間には止め弁は無く、燃料混合ガス過熱器６４出口側の高温ガスの一部は直接、水蒸発器６１を加熱する。なお、分岐点７１で分岐するガス流量を最適に配分するため、分岐点７１と第２の合流点７４の間にはオリフィスなどの圧損要素を設置してもよい。
【０２０１】
燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２のすべての昇温が完了したら、第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じる。但し、何らかの原因でいずれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合には他の機器の昇温が完了していなくとも、第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じる。
【０２０２】
第２止め弁７６と第３止め弁７７の間に設置してある機器には温度の上限があるものが多い。例えば、燃料電池冷却媒体加熱器１３５の温度が沸点に近づくことは燃料電池冷却媒体全体がこの温度まで昇温することを意味するので、固体高分子電解質膜を初めとする燃料電池１の構成部材に損傷を与える可能性がある。また、脱硫器３３と低温一酸化炭素変成器３１は前述したように昇華性のＺｎＯを含む場合があり、選択酸化式一酸化炭素除去器３２では高温で反応の選択性が悪化する傾向が見られている。そのため、これら機器に最高限界温度を設定し、いづれかが限界に達したら第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じて、機器の昇温を中断する。
【０２０３】
一方、水蒸発器６１は第２の合流点７４で合流した起動バーナー７０燃焼ガスで昇温される。この温度が目標温度に達しない間は第１止め弁７５が開いて起動バーナー７０燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第２止め弁７６及び第３止め弁７７が閉じていたら、起動のための加熱を終了して第１止め弁７５が閉り、起動バーナー７０が停止して発電運転に移行する。
【０２０４】
運転中はこれらすべての弁７５、７６、７７が閉じて通常運転時の熱バランスを擾乱させない。停止時には第２止め弁７６及び第３止め弁７７が開いて起動バーナー燃焼ガス流路が水凝縮などで減圧し、リークなどの不適合の原因となることを防ぐことができる。
【０２０５】
但し、燃料電池冷却媒体加熱器１３５から選択酸化式一酸化炭素除去器３２の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器６１の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器６１温度が予め設定された最高限界温度に達した場合は第２止め弁７６及び第３止め弁７７を開けたままで第１止め弁７５を閉め、起動バーナー７０を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱する。水蒸発器６１の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい。
【０２０６】
［作用効果］
第２０の実施の形態では、上記の機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぐことが可能となった。また、止め弁の開閉により燃焼ガス流路の切替えることができるので、起動バーナー７０の燃焼ガス流路と排気ガスバーナー４の燃焼ガス流路を共通化でき、装置の簡素化を図ることができる。
【０２０７】
（２１）第２１の実施の形態
［構成］
請求項２６、２７にかかる第２１の実施の形態について図２１を用いて説明する。第２１の実施の形態と前記第２０の実施の形態との相違点は、第２１の実施の形態では第２止め弁７６と第３止め弁７７の間に第２の分岐点７２があり、ここから大気に開放するベント配管が設置されていて、これに第４止め弁７８が設置されていることである。これは第２止め弁７６と第３止め弁７７が閉じた時にこの間を封じ切りにしないためのものである。これら４つの止め弁７５、７６、７７及び７８を請求項２７の発明にかかる運転方法により開閉し、前記第２０の実施の形態と同じく、起動バーナー７０燃焼ガスと排気ガスバーナー４燃焼ガスの流路切替えるになっている。なお、前記分岐点７１をここでは第１の分岐点７１とする。
【０２０８】
［止め弁の開閉］
装置起動時には起動バーナー７０が点火されると共に、第４止め弁７８以外の３つの止め弁７５、７６及び７７が開き、起動バーナー７０燃焼ガスが流通する。第１の分岐点７１と第２の合流点７４の間には止め弁が無い点、分岐点７１と第２の合流点７４の間にはオリフィスなどの圧損要素を設置してもよい点などは第２０の実施の形態と同様である。
【０２０９】
燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２すべての昇温が完了したら、第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じ、第１止め弁７５及び第４止め弁７８を開く。但し、何らかの原因でいずれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合は他の機器の昇温が完了していなくとも第２止め弁７６及び第３止め弁７７を閉じ、第４止め弁７８を開いて、機器の安全性を確保する。
【０２１０】
一方、水蒸発器６１の温度が目標温度に達しない間は第１止め弁７５が開いて起動バーナー７０燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第２止め弁７６及び第３止め弁７７が閉じかつ第４止め弁７８が開いていたら、起動のための加熱を終了して第１止め弁７５が閉り、起動バーナー７０が停止して発電運転に移行する。
【０２１１】
運転中はこれらすべての止め弁７５、７６、７７及び７８が閉じて通常運転時の熱バランスの擾乱を防ぐようになっている。停止時には第２止め弁７６か第３止め弁７７のどちらかと第４止め弁７８が開いて起動バーナー７０燃焼ガス流路の減圧を防ぐことができる。
【０２１２】
但し、燃料電池冷却媒体加熱器１３５から選択酸化式一酸化炭素除去器３２の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器６１の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器６１温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第２止め弁７６及び第３止め弁７７を開け、かつ第４止め弁７８を閉めた状態で第１止め弁７５を閉める。これにより、起動バーナー７０を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱するものとする。なお、水蒸発器６１の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい点は第８の実施の形態と同然である。
【０２１３】
［作用効果］
以上の第２１の実施の形態では、上記の機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぐことができる。また、燃焼ガス流路が切替可能であるため起動バーナー７０の燃焼ガス流路と排気ガスバーナー４の燃焼ガス流路を共通化でき、装置を簡素化できる。さらには、第４止め弁７８の働きにより起動バーナー７０燃焼ガス流路の減圧を防止することができる。
【０２１４】
（２２）第２２の実施の形態
［構成］
請求項２８にかかる第２２の実施の形態について、図２２を参照して説明する。第２２の実施の形態は第１９の実施の形態（請求項２３の発明に対応）の変形である。第２２の実施の形態は第１０の実施の形態と同様、起動バーナー７０燃焼ガス流路が分岐点７１で分岐され、燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２を加熱した起動バーナー７０燃焼ガスが以降熱交換に使用されること無く大気中に放出されることを特徴とする。
【０２１５】
選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層は、反応器が複数から成る場合には２つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器１３５は図２２では燃料処理系冷却媒体循環径路１３３の水素リッチガス冷却器２２上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流かつ燃料電池１の上流の部分を除く、燃料処理系冷却媒体循環径路１３３を含む燃料電池冷却媒体径路１３１のいずれの位置でもよい。また、図２２では脱硫器は水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器２導入前の燃料流路に設置してもよい。
【０２１６】
［作用効果］
以上のような第２２の実施の形態によれば、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつより簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することが可能となった。
【０２１７】
なお、第１９の実施の形態（請求項２３の発明に対応）と第２２の実施の形態（請求項２８の発明に対応）の長短は、選択酸化式一酸化炭素変成器３２の目標運転温度、特にこれが複数段に分割されている場合には最終段の目標運転温度に依存する。目標運転温度が高ければ前者の方が有利であり、水の沸点前後の低温であれば後者の方がより効果的である。
【０２１８】
（２３）第２３の実施の形態
［構成］
図２３に示す第２３の実施の形態は、請求項２９及び３０に対応するものであり、第２２の実施の形態（請求項２８の発明に対応）において、起動バーナー７０燃焼ガスと排気ガスバーナー４燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けた点に特徴がある。すなわち、起動バーナー７０と第１の合流点７３の間に第１止め弁７５が設けられ、分岐点７１と脱硫器３３の吸収材層の間に第２止め弁７６が設けられている。これら止め弁７５、７６の開閉を請求項３０の発明にかかる運転方法で実施している。
【０２１９】
［止め弁の開閉］
装置起動時には起動バーナー７０が点火されると共に、２つの止め弁７５、７６が開き、起動バーナー７０燃焼ガスが流通する。流量配分最適化のための圧損要素は水蒸発器６１の上流に設置する必要が無く、かつ圧損要素として水蒸発器６１及び水凝縮器５をカウントすることができるので、第２の合流点７４を有する場合より設置する圧損要素を低減し、排気ガスライン全体の圧損を低下させることが可能である。
【０２２０】
燃料電池冷却媒体加熱器１３５、脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２すべての昇温が完了したら、第２止め弁７６を閉じる。但し、何らかの原因でいづれかの機器の温度が過度に上昇し、予め設定された最高限界温度を越えた場合は他の機器の昇温が完了していなくとも第２止め弁７６を閉じ、安全性を確保する。
【０２２１】
一方、水蒸発器６１は温度が目標温度に達しない間は第１止め弁７５が開いて起動バーナー７０燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達してかつ第２止め弁７６が閉じていたら起動のための加熱を終了して第１止め弁７５が閉り、起動バーナー７０が停止して発電運転に移行する。
【０２２２】
運転中は止め弁７５及び７６が両方とも閉じて通常運転時の熱バランスの擾乱を防止する。停止時には第２止め弁７６が開いても閉じていても起動バーナー７０燃焼ガス流路は大気に開放されるので、減圧のおそれはない。但し、燃料電池冷却媒体加熱器１３５から選択酸化式一酸化炭素除去器３２の間の機器の加熱が未了であっても、水蒸発器６１の温度が沸点を越えて過度に上昇すると危険であるので、水蒸発器６１温度が予め設定された最高限界温度に達した場合には第２止め弁７６を開けたままで第１止め弁７５を閉め、起動バーナー７０を停止して新たな熱量の供給を停止し、残熱で昇温未了の機器を加熱する。なお、水蒸発器６１の過度の昇温を防ぐため、安全弁を設置してもよい。
【０２２３】
［作用効果］
第２３の実施の形態では、上記のような機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぎながら、より簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することが可能となった。
【０２２４】
（２４）第２４の実施の形態
［構成］
第２４の実施の形態は請求項３１に対応しており、図２４は第２４の実施の形態の構成図を示している。第２４の実施の形態では、起動バーナー７０燃焼ガスが改質器２の改質触媒層２１を通過した後、合流点７３にて排気ガスバーナー４からの燃焼ガス流路に流入し、燃料混合ガス過熱器６４、水蒸発器６１、燃料電池冷却媒体加熱器１３５、水凝縮器５の順に通過するように構成されたことを特徴とする。
【０２２５】
起動バーナー７０で発生した起動バーナー７０燃焼ガスは改質触媒層２１を貫流して加熱した後、燃料混合ガス過熱器６４を過熱し、さらに水蒸発器６１を加熱する。ここでガス温度が比較的低位になってから、燃料電池冷却媒体加熱器１３５を加熱する。燃料電池冷却媒体は通常水の沸点以下高々８５℃程度なので、水蒸発器６１加熱後のガスでも加熱可能である。燃料電池冷却媒体加熱器１３５を出た起動バーナー７０燃焼ガスは水凝縮器５を経て大気に放出される。なお、目標昇温温度が比較的低くかつ加熱に必要な熱量が比較的少ない脱硫器３３、低温一酸化炭素変成器３１、選択酸化式一酸化炭素除去器３２の昇温は電力で行うようになっている。
【０２２６】
選択酸化式一酸化炭素除去器３２の触媒層は、反応器が複数から成る場合には２つ以上に分かれていてもよい。また、燃料電池冷却媒体加熱器１３５は図１２では燃料処理系冷却媒体循環径路１３３の水素リッチガス冷却器２２上流に設置されているが、設置位置はここに限定されず、燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流かつ燃料電池１の上流の部分を除く、燃料処理系冷却媒体循環径路１３３を含む燃料電池冷却媒体径路１３１のいずれの位置でもよい。燃料電池冷却媒体加熱器１３４の下流かつ燃料電池１の上流部分は通常、燃料電池冷却媒体温度の測定箇所であり、測定結果に基づいて燃料電池冷却媒体冷却器１３４での熱交換量を制御する。したがって、前記の位置を燃料電池加熱器１３５の設置位置に選ぶと擾乱要因となり易い。そのためこの部分は外す。また、図２４では脱硫器３３は水素リッチガス冷却器２２と低温一酸化炭素変成器３１の中間に設置されているが、ここに限定されず例えば改質器２導入前の燃料流路に設置してもよい。
【０２２７】
［作用効果］
以上の第２４の実施の形態では、高温が必要な改質器２２の昇温及び昇温に多くの熱量を必要とする燃料電池冷却媒体加熱器１３５及び水蒸発器６１の加熱にのみ起動バーナー７０燃焼ガスを使用している。つまり、機器を選んで燃焼ガスを供給することにより燃焼ガス流路をシンプルに構成することができ、装置の簡略化を進めることができる。
【０２２８】
なお、請求項２３もしくは請求項２８の発明と請求項３１の発明のどちらを採用するかは、装置の規模に依存する。装置規模が大きければ請求項２３もしくは請求項２８の発明が有利であり、装置規模が小さければ請求項３１の発明の方がより効果的である。
【０２２９】
（２５）第２５の実施の形態
［構成］
請求項３２及び３３に対応する第２５の実施の形態について、図２５を用いて説明する。第２５の実施の形態は第２４の実施の形態（請求項３１の発明に対応）において、起動バーナー７０燃焼ガスと排気ガスバーナー４燃焼ガスの流路切替えを行う機構を設けている。すなわち、起動バーナー７０と第１の合流点７３の間に第１止め弁７５が設けられ、請求項３３の発明にかかる運転方法により第１止め弁７５を開閉してガス流路の切替えを行っている。
【０２３０】
［止め弁の開閉］
装置起動時には起動バーナー７０が点火されると共に、第１止め弁７５が開き、起動バーナー７０燃焼ガスが流通する。流量配分最適化の必要が無いのでそのための圧損要素は不要である。水蒸発器６１は温度が目標温度に達しない間は止め弁７５が開いて起動バーナー７０燃焼ガスが送り込まれ、目標温度に達したら起動のための加熱を終了して第１止め弁７５が閉り、起動バーナー７０が停止して発電運転に移行する。
【０２３１】
運転中は第１止め弁７５が閉じて通常運転時の熱バランスを擾乱させない。停止時には第１止め弁７５が開いても閉じていてもその両側とも大気に開放されるので減圧のおそれはない。但し、水蒸発器６１の昇温が未了であるのに燃料電池冷却媒体加熱器１３５の昇温が最高限界温度に達した場合は、燃料電池１の冷却水温度調節を目的に設置された燃料電池冷却媒体冷却器１３４により熱を放出する。これにより水蒸発器６１の昇温を継続しながら燃料電池冷却媒体の過度の昇温を防ぐ。
【０２３２】
［作用効果］
第２５の実施の形態では、上記のような機構と制御により、燃料電池発電装置の各機器をほぼ同調して所定の温度に昇温し、かつ過剰昇温を防ぎながら、より簡易かつ効果的な燃料電池発電装置を構築することができる。
【０２３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コンパクトで機器構成が簡素でありながら、停止状態から短時間で起動でき、かつ排熱を有効に回収する高効率の固体高分子型燃料電池発電装置及びその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の構成図。
【図５】本発明の第５の実施の形態の構成図。
【図６】本発明の第６の実施の形態の構成図。
【図７】本発明の第７の実施の形態の構成図。
【図８】本発明の第８の実施の形態の構成図。
【図９】本発明の第９の実施の形態の構成図。
【図１０】本発明の第１０の実施の形態の構成図。
【図１１】本発明の第１１の実施の形態の構成図。
【図１２】本発明の第１２の実施の形態の構成図。
【図１３】本発明の第１３の実施の形態の構成図。
【図１４】本発明の第１４の実施の形態の構成図。
【図１５】本発明の第１５の実施の形態の構成図。
【図１６】本発明の第１６の実施の形態の構成図。
【図１７】本発明の第１７の実施の形態の構成図。
【図１８】本発明の第１８の実施の形態の構成図。
【図１９】本発明の第１９実施の形態の構成図。
【図２０】本発明の第２０の実施の形態の構成図。
【図２１】本発明の第２１の実施の形態の構成図。
【図２２】本発明の第２２の実施の形態の構成図。
【図２３】本発明の第２３の実施の形態の構成図。
【図２４】本発明の第２４の実施の形態の構成図。
【図２５】本発明の第２５の実施の形態の構成図。
【図２６】従来の固体高分子型燃料電池発電装置の構成図。
【符号の説明】
１：燃料電池
１１：燃料極
１２：酸化剤極
１３：冷却装置
１３１：燃料電池冷却媒体径路
１３２：冷却媒体循環ポンプ
１３３：燃料処理系冷却媒体循環径路
１３４：燃料電池冷却媒体冷却器
１３５：燃料電池冷却媒体加熱器
２：改質器
２１：改質触媒層
２２：水素リッチガス冷却器
３：一酸化炭素変成器
３１：低温一酸化炭素変成器
３２：選択酸化式一酸化炭素除去器
３３：脱硫器
４：排気ガスバーナー
５：水凝縮器
６１：水蒸発器
６２：水蒸気過熱器
６３：燃料混合ガス予熱器
６４：燃料混合ガス過熱器
７０：起動バーナー
７１：第１の分岐点
７２：第２の分岐点
７３：第１の合流点
７４：第２の合流点
７５：第１止め弁
７６：第２止め弁
７７：第３止め弁
７８：第４止め弁
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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