燃料電池システム
【課題】長時間の停止を含む起動停止に対しても燃料電池の劣化を防止することが可能である燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池１と、燃料処理機２と、燃料処理機２で生成した燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス流路１０と、水素含有ガスとしての燃料ガスを貯留する燃料ガス貯留タンク２２と、燃料ガス貯留タンク２２と燃料ガス遮断弁１１より下流の燃料ガス流路１０とを接続するタンク連結流路２３と、タンク連結流路２３を通流する水素含有ガスの通流／遮断を行なう連結遮断弁２４と、燃料電池１の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段２５と、制御部２６と、を備える。
【解決手段】燃料電池１と、燃料処理機２と、燃料処理機２で生成した燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス流路１０と、水素含有ガスとしての燃料ガスを貯留する燃料ガス貯留タンク２２と、燃料ガス貯留タンク２２と燃料ガス遮断弁１１より下流の燃料ガス流路１０とを接続するタンク連結流路２３と、タンク連結流路２３を通流する水素含有ガスの通流／遮断を行なう連結遮断弁２４と、燃料電池１の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段２５と、制御部２６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に長時間の停止を含む起動停止に対処した燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池を用いた家庭用のコージェネレーションシステムに対して、幅広い需要が見込まれている。一方、家庭用の燃料電池の想定寿命は、ＤＳＳベース（１日１回の起動停止）で４万時間、起動停止回数３０００回以上といわれており、レベルの高い耐久性が要求される。特に長時間の停止においては、燃料電池の燃料極から水素がなくなることは、燃料極の電位が高くなり電極劣化を招くそのため、起動停止回数の多い燃料電池では耐久性への影響は大きく、解決すべき課題となっている。
【０００３】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池の発電を停止するときには水素リッチな燃料ガスを燃料電池を含む封止区間に封入し、燃料電池の発電停止後にはさらに原料ガスを封止区間に供給・封入することにより、燃料電池の燃料極への空気混入を防止するものがあった（例えば、特許文献１参照）。図６は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。
【０００４】
図６に示すように従来の燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素とを用いて発電を行なう燃料電池１０１と、原料を水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理機１０２と、燃料処理機１０２に原料供給源からの原料を供給する原料流路１０３と、燃料処理機１０２への原料の供給／遮断を行なう原料遮断弁１０４と、燃料処理機１０２に水供給源からの水を供給する水流路１０５と、燃料処理機１０２への水の供給／遮断を行なう水遮断弁１０６と、燃料処理機１０２を加熱するバーナ１０７と、バーナ１０７への燃焼用空気を供給するファン１０８と、ファン１０８から供給された燃焼用空気をバーナ１０７に導入する燃焼空気流路１０９と、燃料処理機１０２から生成された燃料ガスを燃料電池１０１に供給する燃料ガス流路１１０と、燃料電池１０１から排出される残余燃料ガスをバーナ１０７に供給する残余燃料ガス流路１１２と、残余燃料ガスの排出／遮断を行なう残余燃料ガス遮断弁１１３と、燃料処理機１０２からの燃料ガスを燃料電池１０１をバイパスして残余燃料ガス遮断弁１１３より下流の残余燃料ガス流路１１２と合流する燃料ガスバイパス流路１１４と、燃料ガスの通流を燃料電池１０１側とバイパス側とに切り替える三方切替弁１１５と、燃料電池１０１への反応空気を供給するブロワ１１７と、ブロワ１１７からの反応空気を燃料電池１０１に通流する空気流路１１８と、燃料電池１０１からの残余空気を燃料電池システムの系外に排出する残余空気流路１２０と、原料供給源からの原料を燃料電池１０１と残余燃料ガス遮断弁１１３の間の残余燃料ガス流路１１２に供給する原料バイパス流路１３０と、原料バイパス流路１３０の原料の供給／遮断を行なう原料バイパス遮断弁１３１とから構成されている。
【０００５】
以上のように構成された燃料電池システムの運転停止時には、三方切替弁１１５を燃料電池１０１側に切替え、原料遮断弁１０４、水遮断弁１０６、残余燃料ガス遮断弁１１３、原料バイパス遮断弁１３１を閉として、燃料電池１０１および燃料処理機１０２に燃料ガスを封入し封止する。次いで、封止区間の内圧低下に応じて原料バイパス遮断弁１３１を開として原料バイパス流路１３０より原料を封入する。その後、燃料処理機１０２が原料の炭化によるコーキングを起こさない温度まで低下すると、三方切替弁１１５は燃料電池１０１側を保持し、原料遮断弁１０４、残余燃料ガス遮断弁１１３を開として原料を燃料処理機１０２を通じて燃料電池１０１に通流し、燃料電池１０１の燃料極を原料でパージする。パージが終わると再度、原料遮断弁１０４、残余燃料ガス遮断弁１１３を閉とし
て封止区間を形成し、圧力低下に応じて原料遮断弁１０４を開として原料を封入する。そのため、燃料電池１０１の内部含有ガスは、停止直後は水素リッチな燃料ガスであるが、パージ後は水素を含まない原料に置換された状態で、原料の封入を定期的に実施して封入区間を正圧に保持し空気混入を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２５９６６３号公報（第６−１６頁、図１および図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、燃料電池システムを普及させるためには低コスト化が重要課題であるが、低コストの観点から燃料電池１０１の触媒量を削減していくと、長時間の停止においては燃料電池１０１への空気混入を防止するだけでは電極劣化することが分かってきた。すなわち、燃料電池１０１のシール面を介しての拡散的な水素排出や空気流入による水素消費などにより、燃料電池１０１の燃料極の水素が少なくなることにより燃料極の電位が高くなり電極劣化が発生することを発明者らは究明した。ところが、上述した従来の燃料電池システムでは、運転停止から所定時間経過すると燃料電池１０１内部を原料でパージするため水素が存在しなくなる運転方法であり、かつ、空気極側は大気開放であるために拡散的に空気が流入してくるため、燃料電池１０１の触媒量を低減したシステムを想定した場合、長時間の停止に対しては、従来の停止方法による封止区間の正圧保持では燃料電池の燃料極が劣化する、という課題があった。
【０００８】
そこで本発明は、前記従来の課題を解決するもので、長時間の停止を含む起動停止に対しても燃料電池の劣化を防止することが可能である燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、燃料電池での発電および燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、ガス供給判断手段が燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、水素含有ガス供給手段を用いて燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給するように制御する制御部とを備える。
【００１０】
これによって、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて燃料電池の劣化前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段を用いての判断として水素含有ガス供給が必要であるとなったときに、水素含有ガス供給手段を用いて水素含有ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、燃料電池での発電および燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、ガス供給判断手段
が燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、燃料処理部での燃料ガス生成を開始し、生成した水素リッチな燃料ガスを燃料電池の燃料極側に供給するように制御する制御部とを備える。
【００１２】
これによって、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて燃料電池の劣化前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段を用いての判断として水素含有ガス供給が必要であるとなったときに、燃料処理部での燃料ガス生成により生成した水素リッチな燃料ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムが発電を停止しているときにガス供給判断手段を用いることにより、燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、水素含有ガス供給が必要であるとなったときには水素含有ガスを燃料電池の燃料極側に供給することにより、長時間の停止を含む起動停止に対しても燃料電池の劣化を防止することが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図
【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池システムのブロック図
【図４】本発明の実施の形態４における燃料電池システムのブロック図
【図５】本発明の実施の形態５における燃料電池システムのブロック図
【図６】従来の燃料電池システムのブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の本発明は、炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、燃料電池での発電および燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、ガス供給判断手段が燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、水素含有ガス供給手段を用いて燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給するように制御する制御部とを備える燃料電池システムである。かかる構成にすることにより、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて燃料電池の劣化前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段を用いての判断として水素含有ガス供給が必要であるとなったときに、水素含有ガス供給手段を用いて水素含有ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができる。
【００１６】
第２の本発明は、炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、燃料電池での発電および燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、ガス供給判断手段が燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、燃料処理部での燃料ガス生成を開始し、生成した水素リッチな燃料ガスを燃料電池の燃料極側に供給するように制御する制御部とを備える燃料電池システムである。かかる構成によって、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて燃料電池の劣化前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段を用
いての判断として水素含有ガス供給が必要であるとなったときに、燃料処理部での燃料ガス生成により生成した水素リッチな燃料ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができる。
【００１７】
第３の本発明は、特に、第１または第２の本発明の燃料電池システムに加えて、燃料電池への燃料ガス供給が停止している時間を検知する停止時間検知手段をさらに備え、ガス供給判断手段は停止時間検知手段が検知する時間が所定時間以上である場合に燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする燃料電池システムである。かかる構成にすることにより、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて、検知した停止時間に応じて燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断することができる。
【００１８】
第４の本発明は、特に、第１または第２の本発明の燃料電池システムに加えて、燃料電池での発電が停止しているときに燃料電池の酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、燃料電池の電圧を検知する電圧検知手段とをさらに備え、ガス供給判断手段は酸化剤供給手段が酸化剤ガスを供給した時に電圧検知手段が検知する電圧が所定電圧以下である場合に燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする燃料電池システムである。かかる構成にすることにより、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて、空気供給時に発生する燃料電池の電圧に応じて燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断することができる。
【００１９】
第５の本発明は、特に、第１または第２の本発明の燃料電池システムに加えて、燃料電池の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器をさらに備え、ガス供給判断手段は水素濃度検知器が検知する水素濃度が所定濃度以下である場合に燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする燃料電池システムである。かかる構成にすることにより、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて、燃料電池の燃料極側の水素濃度に応じて燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断することができる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の本実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態における燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素とを用いて発電を行なう燃料電池１と、原料を水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理機２と、燃料処理機２に原料供給源からの原料を供給する原料流路３と、燃料処理機２への原料の供給／遮断を行なう原料遮断弁４と、燃料処理機２に水供給源からの水を供給する水流路５と、燃料処理機２への水の供給／遮断を行なう水遮断弁６と、燃料処理機２を加熱するバーナ７と、バーナ７への燃焼用空気を供給するファン８と、ファン８から供給された燃焼用空気をバーナ７に導入する燃焼空気流路９と、燃料処理機２から生成された燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス流路１０と、燃料電池１への燃料ガスの供給／地断を行なう燃料ガス遮断弁１１と、燃料電池１から排出される残余燃料ガスをバーナ７に供給する残余燃料ガス流路１２と、残余燃料ガスの排出／遮断を行なう残余燃料ガス遮断弁１３と、燃料処理機２からの燃料ガスを燃料電池１をバ
イパスして残余燃料ガス遮断弁１３より下流の残余燃料ガス流路１２と合流する燃料ガスバイパス流路１４と、燃料ガスバイパス流路１４を通流する燃料ガスの通流／遮断を行なうバイパス遮断弁１５と、残余燃料ガス流路１２または燃料ガスバイパス流路１４を通流する残余燃料ガスまたは燃料ガスのバーナへの供給／遮断を行なうバーナ遮断弁１６と、燃料電池１への反応空気を供給するブロワ１７と、ブロワ１７からの反応空気を燃料電池１に通流する空気流路１８と、ブロワ１７からの反応空気を燃料電池１に供給／遮断を行なう空気遮断弁１９と、燃料電池１からの残余空気を燃料電池システムの系外に排出する残余空気流路２０と、燃料電池１からの残余空気の排出／遮断を行なう残余空気遮断弁２１と、水素含有ガスとしての燃料ガスを貯留する燃料ガス貯留タンク２２と、燃料ガス貯留タンク２２と燃料ガス遮断弁１１より下流の燃料ガス流路１０とを接続するタンク連結流路２３と、タンク連結流路２３を通流する水素含有ガスの通流／遮断を行なう連結遮断弁２４と、燃料電池１の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段２５と、制御部２６と、を備える。
【００２３】
原料流路３は上流側が原料供給源に接続され、下流側が燃料処理機２に接続されている。水流路５は上流側が水供給源に接続され、下流側が燃料処理機２に接続されている。燃焼空気流路９は上流側がファン８に接続され、下流側がバーナ７に接続されている。燃料ガス流路１０は上流側が燃料処理機２に接続され、下流側が燃料電池１に接続されている。残余燃料ガス流路１２は上流側が燃料電池１に接続され、下流側がバーナ７に接続されている。燃料ガスバイパス流路１４は、上流側が燃料処理機２と燃料ガス遮断弁１１との間の燃料ガス流路１０に接続され、下流側が残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６との間の残余燃料ガス流路１２に接続されている。空気流路１８は上流側がブロワ１７に接続され、下流側が燃料電池１に接続されている。残余空気流路２０は上流側が燃料電池１に接続され、下流側は内部を通流する残余空気が燃料電池システムの系外に排出されるように配置されている。タンク連結流路２３は上流側が燃料ガス貯留タンクに接続され、下流側は燃料ガス遮断弁１１と燃料電池１との間の燃料ガス流路１０に接続されている。
【００２４】
ここで、原料は、当該原料と水流路５を通じて供給された水とを用いて改質反応により水素含有ガスを生成できるものであればよい。原料として、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。また前述の有機化合物の混合ガスである都市ガス、ＬＰガスから付臭成分除去したものを使用することもできる。またここで、原料供給源としては原料を充填したボンベ、ガスインフララインを用いることができる。また、水供給源としてはイオン交換樹脂などにより、水道などの外部からの供給水または燃料電池システム内部で生成した水を回収した回収水から水質浄化された水を生成する、浄化機を用いることができる。
【００２５】
なお本実施の形態における、燃料ガス貯留タンク２２とタンク連結流路２３と連結遮断弁２４は、本発明における水素含有ガス供給手段の具体的な実施の一例である。
【００２６】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００２７】
図１に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２
から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。さらに燃料ガス貯留タンク２２には、燃料ガスが燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に供給されているときに連結遮断弁２４を開とすることにより、燃料ガスの一部を貯留する。
【００２８】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。そして、連結遮断弁２４を閉として、燃料ガスを燃料ガス貯留タンク２２に封入する。
【００２９】
燃料電池システムが停止を継続しているときは、ガス供給判断手段２５は、燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に供給するかどうかを判断し、燃料ガスを供給すると判断した場合は、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスは、タンク連結流路２３、燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に流入させる。
【００３０】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段２５を用いて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガスである燃料ガスを燃料ガス貯留タンク２２から供給する必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に流入させることにより、燃料電池１の燃料極側に水素を供給し、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態では、水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２とタンク連結流路２３と連結遮断弁２４で構成するとしたがこの限りではなく、タンク連結流路２３にポンプを設け、ポンプにより燃料ガス貯留タンク２２に燃料ガスを圧入する構成にしてもよい。
【００３２】
また、本実施の形態ではタンク連結流路２３は燃料ガス遮断弁１１と燃料電池１の間の燃料ガス流路に接続するとしたがこの限りではなく、燃料電池１と残余燃料ガス遮断弁１３の間の残余燃料ガス流路に接続しても構わない。また、燃料ガス遮断弁１１より上流の
燃料ガス流路１０、または残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６の間の残余燃料ガス流路１２に接続し、燃料ガス供給時には各々、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３も開として流入させる構成としても構わない。
【００３３】
また、本実施の形態における燃料ガス貯留タンク２２としては、圧力差により燃料ガスを物理的に貯留するタンクであっても構わないし、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブを用いての化学的に貯留するタンクであっても構わない。
【００３４】
また、本実施の形態における水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２を用いて貯留した燃料ガスが供給できる構成としたがこの限りではなく、燃料ガス貯留タンク２２の代わりに水素含有ガスボンベを用いる構成にしても構わない。
【００３５】
（実施の形態２）
図２は、本発明の本実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００３６】
図２に示すように、本実施の形態における燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素とを用いて発電を行なう燃料電池１と、原料を水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理機２と、燃料処理機２に原料供給源からの原料を供給する原料流路３と、燃料処理機２への原料の供給／遮断を行なう原料遮断弁４と、燃料処理機２に水供給源からの水を供給する水流路５と、燃料処理機２への水の供給／遮断を行なう水遮断弁６と、燃料処理機２を加熱するバーナ７と、バーナ７への燃焼用空気を供給するファン８と、ファン８から供給された燃焼用空気をバーナ７に導入する燃焼空気流路９と、燃料処理機２から生成された燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス流路１０と、燃料電池１への燃料ガスの供給／地断を行なう燃料ガス遮断弁１１と、燃料電池１から排出される残余燃料ガスをバーナ７に供給する残余燃料ガス流路１２と、残余燃料ガスの排出／遮断を行なう残余燃料ガス遮断弁１３と、燃料処理機２からの燃料ガスを燃料電池１をバイパスして残余燃料ガス遮断弁１３より下流の残余燃料ガス流路１２と合流する燃料ガスバイパス流路１４と、燃料ガスバイパス流路１４を通流する燃料ガスの通流／遮断を行なうバイパス遮断弁１５と、残余燃料ガス流路１２または燃料ガスバイパス流路１４を通流する残余燃料ガスまたは燃料ガスのバーナへの供給／遮断を行なうバーナ遮断弁１６と、燃料電池１への反応空気を供給するブロワ１７と、ブロワ１７からの反応空気を燃料電池１に通流する空気流路１８と、ブロワ１７からの反応空気を燃料電池１に供給／遮断を行なう空気遮断弁１９と、燃料電池１からの残余空気を燃料電池システムの系外に排出する残余空気流路２０と、燃料電池１からの残余空気の排出／遮断を行なう残余空気遮断弁２１と、燃料電池１の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段２５と、制御部２６と、を備える。
【００３７】
原料流路３は上流側が原料供給源に接続され、下流側が燃料処理機２に接続されている。水流路５は上流側が水供給源に接続され、下流側が燃料処理機２に接続されている。燃焼空気流路９は上流側がファン８に接続され、下流側がバーナ７に接続されている。燃料ガス流路１０は上流側が燃料処理機２に接続され、下流側が燃料電池１に接続されている。残余燃料ガス流路１２は上流側が燃料電池１に接続され、下流側がバーナ７に接続されている。燃料ガスバイパス流路１４は、上流側が燃料処理機２と燃料ガス遮断弁１１との間の燃料ガス流路１０に接続され、下流側が残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６との間の残余燃料ガス流路１２に接続されている。空気流路１８は上流側がブロワ１７に接続され、下流側が燃料電池１に接続されている。残余空気流路２０は上流側が燃料電池１に接続され、下流側は内部を通流する残余空気が燃料電池システムの系外に排出されるように配置されている。
【００３８】
ここで、原料は、当該原料と水流路５を通じて供給された水とを用いて改質反応により水素含有ガスを生成できるものであればよい。原料として、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。また前述の有機化合物の混合ガスである都市ガス、ＬＰガスから付臭成分除去したものを使用することもできる。またここで、原料供給源としては原料を充填したボンベ、ガスインフララインを用いることができる。また、水供給源としてはイオン交換樹脂などにより、水道などの外部からの供給水または燃料電池システム内部で生成した水を回収した回収水から水質浄化された水を生成する、浄化機を用いることができる。
【００３９】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００４０】
図２に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。
【００４１】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。
【００４２】
燃料電池システムが停止を継続しているときは、ガス供給判断手段２５は、燃料処理機２で生成した燃料ガスを燃料電池１に供給するかどうかを判断し、燃料ガスを供給すると判断した場合は、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、原料遮断弁４を開、水遮断弁６を開、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開として燃料処理機２に原料と水を供給し、触媒を用いての水素リッチな燃料ガスの生成を開始する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給され、ファン８により供給された空気を用いて燃焼される。燃料処理機２の触媒温度が昇温され、燃料ガスの成分が安定すると、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２で生成された燃料ガスは、燃料電池１に供給され、生成された水素リッ
チな燃料ガスで燃料電池１の燃料極側はパージされる。一方このとき、ブロワ１７は停止、空気遮断弁１９は閉、残余空気遮断弁２１は閉として、燃料電池１のカソード電極側には酸素を含んだ空気の供給はしない。
【００４３】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段２５を用いて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、燃料処理機２を起動させ、燃料ガスの成分が安定した後に燃料ガスを燃料電池１に通流することで燃料電池１の燃料極を水素リッチな燃料ガスでパージし、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００４４】
（実施の形態３）
図３は、本発明の本実施の形態３における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図３において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４５】
本実施の形態における燃料電池システムは、実施の形態１における燃料電池システムと比して、燃料電池システムが運転を停止してからの時間を検知する停止時間タイマ２７をさらに備える点で異なる。
【００４６】
なお本実施の形態における、停止時間タイマ２７は、本発明における停止時間検知手段の具体的な実施の一例である。
【００４７】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００４８】
図３に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。さら
に燃料ガス貯留タンク２２には、燃料ガスが燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に供給されているときに連結遮断弁２４を開とすることにより、燃料ガスの一部を貯留する。
【００４９】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。そして、連結遮断弁２４を閉として、燃料ガスを燃料ガス貯留タンク２２に封入する。
【００５０】
燃料電池システムが停止を継続しているときは、停止時間タイマ２７が停止時間のカウントを継続する。ガス供給判断手段２５は、停止時間タイマ２７の停止時間カウントが所定時間（たとえば４８時間）を超えた場合、燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に供給すると判断し、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスは、タンク連結流路２３、燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に流入させる。
【００５１】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。つまり停止時間と燃料電池１の電極劣化の間には相関がある。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段２５を用いて、停止時間タイマ２７が検知した停止時間に応じて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に流入させることにより、燃料電池１のアノード電極側に水素を供給し、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００５２】
なお、本実施の形態では、水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２とタンク連結流路２３と連結遮断弁２４で構成するとしたがこの限りではなく、タンク連結流路２３にポンプを設け、ポンプにより燃料ガス貯留タンク２２に燃料ガスを圧入する構成にしてもよい。
【００５３】
また、本実施の形態ではタンク連結流路２３は燃料ガス遮断弁１１と燃料電池１の間の燃料ガス流路に接続するとしたがこの限りではなく、燃料電池１と残余燃料ガス遮断弁１３の間の残余燃料ガス流路に接続しても構わない。また、燃料ガス遮断弁１１より上流の燃料ガス流路１０、または残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６の間の残余燃料ガス流路１２に接続し、燃料ガス供給時には各々、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３も開として流入させる構成としても構わない。
【００５４】
また、本実施の形態における燃料ガス貯留タンク２２としては、圧力差により燃料ガスを物理的に貯留するタンクであっても構わないし、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブを用いての化学的に貯留するタンクであっても構わない。
【００５５】
また、本実施の形態における水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２を用いて貯留した燃料ガスが供給できる構成としたがこの限りではなく、燃料
ガス貯留タンク２２の代わりに水素含有ガスボンベを用いる構成にしても構わない。
【００５６】
また、本実施の形態における燃料電池システムは、図１に示す実施の形態１における燃料電池システムに加えて、『燃料電池システムが運転を停止してからの時間を検知する停止時間タイマ２７をさらに備える』としたが、この限りではなく、図２に示す実施の形態２における燃料電池システムに加えて、『燃料電池システムが運転を停止してからの時間を検知する停止時間タイマ２７をさらに備える』とする構成としても構わない。
【００５７】
（実施の形態４）
図４は、本発明の本実施の形態４における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図４において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００５８】
本実施の形態における燃料電池システムは、実施の形態１における燃料電池システムと比して、燃料電池１の直流電圧を測定する電圧検知器２８をさらに備える点で異なる。
【００５９】
なお本実施の形態における、ブロワ１７と空気遮断弁１９と残余空気遮断弁２１、電圧検知器２８は、各々、本発明における酸化剤供給手段、電圧検知手段の具体的な実施の一例である。
【００６０】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００６１】
図４に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。さらに燃料ガス貯留タンク２２には、燃料ガスが燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に供給されているときに連結遮断弁２４を開とすることにより、燃料ガスの一部を貯留する。
【００６２】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。そして、連結遮断弁２４を閉として、燃料ガスを燃料ガス貯留タンク２２に封入する。
【００６３】
燃料電池システムが停止を継続しているときに制御部２６は、ガス供給判断手段２５が燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に供給するかどうかを判断できるように、空気遮断弁１９および残余空気遮断弁２１を開としてブロワ１７を作動し燃料電池１の空気極側に空気を供給する。ガス供給判断手段２５は燃料電池１の空気極側に空気を供給した時に電圧検知器２８が検知する電圧が所定電圧以下（例えば、燃料電池１を構成するセルの平均電圧が１００ｍＶ以下）である場合、燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に供給すると判断し、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスは、タンク連結流路２３、燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に流入させる。
【００６４】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。また水素が減少した場合は、燃料電池１の空気極側に空気を供給しても燃料電池１の顕著な電圧上昇は見られない。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、制御部２６が酸化剤供給手段であるブロワ１７と空気遮断弁１９と残余空気遮断弁２１を動作させての燃料電池１のカソード電極側への空気供給により、ガス供給判断手段２５は燃料電池１のカソード電極側に空気を供給した時の電圧検知器２８が検知する電圧に応じて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に流入させることにより、燃料電池１の燃料極側に水素を供給し、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００６５】
なお、本実施の形態では、水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２とタンク連結流路２３と連結遮断弁２４で構成するとしたがこの限りではなく、タンク連結流路２３にポンプを設け、ポンプにより燃料ガス貯留タンク２２に燃料ガスを圧入する構成にしてもよい。
【００６６】
また、本実施の形態ではタンク連結流路２３は燃料ガス遮断弁１１と燃料電池１の間の燃料ガス流路に接続するとしたがこの限りではなく、燃料電池１と残余燃料ガス遮断弁１３の間の残余燃料ガス流路に接続しても構わない。また、燃料ガス遮断弁１１より上流の燃料ガス流路１０、または残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６の間の残余燃料ガス流路１２に接続し、燃料ガス供給時には各々、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３も開として流入させる構成としても構わない。
【００６７】
また、本実施の形態における燃料ガス貯留タンク２２としては、圧力差により燃料ガスを物理的に貯留するタンクであっても構わないし、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブを用いての化学的に貯留するタンクであっても構わない。
【００６８】
また、本実施の形態における水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２を用いて貯留した燃料ガスが供給できる構成としたがこの限りではなく、燃料ガス貯留タンク２２の代わりに水素含有ガスボンベを用いる構成にしても構わない。
【００６９】
また、制御部２６が行なうブロワ１７と空気遮断弁１９と残余空気遮断弁２１を動作さ
せての燃料電池１のカソード電極側への空気供給は、燃料電池システムが停止を継続しているときにおいて定期的に複数回実施しても構わない。
【００７０】
また、本実施の形態における燃料電池システムは、図１に示す実施の形態１における燃料電池システムに加えて、『燃料電池１の直流電圧を測定する電圧検知器２８をさらに備える』としたが、この限りではなく、図２に示す実施の形態２における燃料電池システムに加えて、『燃料電池１の直流電圧を測定する電圧検知器２８をさらに備える』とする構成としても構わない。
【００７１】
（実施の形態５）
図５は、本発明の本実施の形態５における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図５において、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７２】
本実施の形態における燃料電池システムは、実施の形態２における燃料電池システムと比して、燃料電池１の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器２９をさらに備える点で異なる。
【００７３】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００７４】
図５に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。
【００７５】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。
【００７６】
燃料電池システムが停止を継続しているときは、水素濃度検知器２９が燃料電池１の燃料極側の水素濃度を検知する。ガス供給判断手段２５は、水素濃度検知器２９の検知する濃度が所定濃度以下（たとえば０．１％以下）を下回った場合、燃料処理機２で生成した燃料ガスを燃料電池１に供給すると判断し、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃
料ガスを供給する」判断を受けて、原料遮断弁４を開、水遮断弁６を開、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開として燃料処理機２に原料と水を供給し、触媒を用いての水素リッチな燃料ガスの生成を開始する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給され、ファン８により供給された空気を用いて燃焼される。燃料処理機２の触媒温度が昇温され、燃料ガスの成分が安定すると、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２で生成された燃料ガスは、燃料電池１に供給され、生成された水素リッチな燃料ガスで燃料電池１の燃料極側はパージされる。一方このとき、ブロワ１７は停止、空気遮断弁１９は閉、残余空気遮断弁２１は閉として、燃料電池１のカソード電極側には酸素を含んだ空気の供給はしない。
【００７７】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。また水素が減少した場合は、当然、燃料電池１の燃料極の水素濃度は低下する。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段２５を用いて、水素濃度検知器２９が検知した水素濃度に応じて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、燃料処理機２を起動させ、燃料ガスの成分が安定した後に燃料ガスを燃料電池１に通流することで燃料電池１の燃料極を水素リッチな燃料ガスでパージし、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００７８】
なお、本実施の形態における燃料電池システムは、図２に示す実施の形態２における燃料電池システムに加えて、『燃料電池１の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器２９をさらに備える』としたが、この限りではなく、図１に示す実施の形態１における燃料電池システムに加えて、『燃料電池１の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器２９をさらに備える』とする構成としても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池システムが発電を停止しているときにガス供給判断手段を用いることにより、燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、水素含有ガス供給が必要であるとなったときには水素含有ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができるため、長時間の停止を含む起動停止を行なう燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 燃料電池
２ 燃料処理機
３ 原料流路
４ 原料遮断弁
５ 水流路
６ 水遮断弁
７ バーナ
８ ファン
９ 燃焼空気流路
１０ 燃料ガス流路
１１ 燃料ガス遮断弁
１２ 残余燃料ガス流路
１３ 残余燃料ガス遮断弁
１４ 燃料ガスバイパス流路
１５ バイパス遮断弁
１６ バーナ遮断弁
１７ ブロワ
１８ 空気流路
１９ 空気遮断弁
２０ 残余空気流路
２１ 残余空気遮断弁
２２ 燃料ガス貯留タンク
２３ タンク連結流路
２４ 連結遮断弁
２５ ガス供給判断手段
２６ 制御部
２７ 停止時間タイマ
２８ 電圧検知器
２９ 水素濃度検知器
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に長時間の停止を含む起動停止に対処した燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池を用いた家庭用のコージェネレーションシステムに対して、幅広い需要が見込まれている。一方、家庭用の燃料電池の想定寿命は、ＤＳＳベース（１日１回の起動停止）で４万時間、起動停止回数３０００回以上といわれており、レベルの高い耐久性が要求される。特に長時間の停止においては、燃料電池の燃料極から水素がなくなることは、燃料極の電位が高くなり電極劣化を招くそのため、起動停止回数の多い燃料電池では耐久性への影響は大きく、解決すべき課題となっている。
【０００３】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池の発電を停止するときには水素リッチな燃料ガスを燃料電池を含む封止区間に封入し、燃料電池の発電停止後にはさらに原料ガスを封止区間に供給・封入することにより、燃料電池の燃料極への空気混入を防止するものがあった（例えば、特許文献１参照）。図６は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。
【０００４】
図６に示すように従来の燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素とを用いて発電を行なう燃料電池１０１と、原料を水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理機１０２と、燃料処理機１０２に原料供給源からの原料を供給する原料流路１０３と、燃料処理機１０２への原料の供給／遮断を行なう原料遮断弁１０４と、燃料処理機１０２に水供給源からの水を供給する水流路１０５と、燃料処理機１０２への水の供給／遮断を行なう水遮断弁１０６と、燃料処理機１０２を加熱するバーナ１０７と、バーナ１０７への燃焼用空気を供給するファン１０８と、ファン１０８から供給された燃焼用空気をバーナ１０７に導入する燃焼空気流路１０９と、燃料処理機１０２から生成された燃料ガスを燃料電池１０１に供給する燃料ガス流路１１０と、燃料電池１０１から排出される残余燃料ガスをバーナ１０７に供給する残余燃料ガス流路１１２と、残余燃料ガスの排出／遮断を行なう残余燃料ガス遮断弁１１３と、燃料処理機１０２からの燃料ガスを燃料電池１０１をバイパスして残余燃料ガス遮断弁１１３より下流の残余燃料ガス流路１１２と合流する燃料ガスバイパス流路１１４と、燃料ガスの通流を燃料電池１０１側とバイパス側とに切り替える三方切替弁１１５と、燃料電池１０１への反応空気を供給するブロワ１１７と、ブロワ１１７からの反応空気を燃料電池１０１に通流する空気流路１１８と、燃料電池１０１からの残余空気を燃料電池システムの系外に排出する残余空気流路１２０と、原料供給源からの原料を燃料電池１０１と残余燃料ガス遮断弁１１３の間の残余燃料ガス流路１１２に供給する原料バイパス流路１３０と、原料バイパス流路１３０の原料の供給／遮断を行なう原料バイパス遮断弁１３１とから構成されている。
【０００５】
以上のように構成された燃料電池システムの運転停止時には、三方切替弁１１５を燃料電池１０１側に切替え、原料遮断弁１０４、水遮断弁１０６、残余燃料ガス遮断弁１１３、原料バイパス遮断弁１３１を閉として、燃料電池１０１および燃料処理機１０２に燃料ガスを封入し封止する。次いで、封止区間の内圧低下に応じて原料バイパス遮断弁１３１を開として原料バイパス流路１３０より原料を封入する。その後、燃料処理機１０２が原料の炭化によるコーキングを起こさない温度まで低下すると、三方切替弁１１５は燃料電池１０１側を保持し、原料遮断弁１０４、残余燃料ガス遮断弁１１３を開として原料を燃料処理機１０２を通じて燃料電池１０１に通流し、燃料電池１０１の燃料極を原料でパージする。パージが終わると再度、原料遮断弁１０４、残余燃料ガス遮断弁１１３を閉とし
て封止区間を形成し、圧力低下に応じて原料遮断弁１０４を開として原料を封入する。そのため、燃料電池１０１の内部含有ガスは、停止直後は水素リッチな燃料ガスであるが、パージ後は水素を含まない原料に置換された状態で、原料の封入を定期的に実施して封入区間を正圧に保持し空気混入を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２５９６６３号公報（第６−１６頁、図１および図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、燃料電池システムを普及させるためには低コスト化が重要課題であるが、低コストの観点から燃料電池１０１の触媒量を削減していくと、長時間の停止においては燃料電池１０１への空気混入を防止するだけでは電極劣化することが分かってきた。すなわち、燃料電池１０１のシール面を介しての拡散的な水素排出や空気流入による水素消費などにより、燃料電池１０１の燃料極の水素が少なくなることにより燃料極の電位が高くなり電極劣化が発生することを発明者らは究明した。ところが、上述した従来の燃料電池システムでは、運転停止から所定時間経過すると燃料電池１０１内部を原料でパージするため水素が存在しなくなる運転方法であり、かつ、空気極側は大気開放であるために拡散的に空気が流入してくるため、燃料電池１０１の触媒量を低減したシステムを想定した場合、長時間の停止に対しては、従来の停止方法による封止区間の正圧保持では燃料電池の燃料極が劣化する、という課題があった。
【０００８】
そこで本発明は、前記従来の課題を解決するもので、長時間の停止を含む起動停止に対しても燃料電池の劣化を防止することが可能である燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、燃料電池での発電および燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、ガス供給判断手段が燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、水素含有ガス供給手段を用いて燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給するように制御する制御部とを備える。
【００１０】
これによって、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて燃料電池の劣化前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段を用いての判断として水素含有ガス供給が必要であるとなったときに、水素含有ガス供給手段を用いて水素含有ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、燃料電池での発電および燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、ガス供給判断手段
が燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、燃料処理部での燃料ガス生成を開始し、生成した水素リッチな燃料ガスを燃料電池の燃料極側に供給するように制御する制御部とを備える。
【００１２】
これによって、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて燃料電池の劣化前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段を用いての判断として水素含有ガス供給が必要であるとなったときに、燃料処理部での燃料ガス生成により生成した水素リッチな燃料ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムが発電を停止しているときにガス供給判断手段を用いることにより、燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、水素含有ガス供給が必要であるとなったときには水素含有ガスを燃料電池の燃料極側に供給することにより、長時間の停止を含む起動停止に対しても燃料電池の劣化を防止することが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図
【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池システムのブロック図
【図４】本発明の実施の形態４における燃料電池システムのブロック図
【図５】本発明の実施の形態５における燃料電池システムのブロック図
【図６】従来の燃料電池システムのブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の本発明は、炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、燃料電池での発電および燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、ガス供給判断手段が燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、水素含有ガス供給手段を用いて燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給するように制御する制御部とを備える燃料電池システムである。かかる構成にすることにより、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて燃料電池の劣化前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段を用いての判断として水素含有ガス供給が必要であるとなったときに、水素含有ガス供給手段を用いて水素含有ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができる。
【００１６】
第２の本発明は、炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、燃料電池での発電および燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、ガス供給判断手段が燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、燃料処理部での燃料ガス生成を開始し、生成した水素リッチな燃料ガスを燃料電池の燃料極側に供給するように制御する制御部とを備える燃料電池システムである。かかる構成によって、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて燃料電池の劣化前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段を用
いての判断として水素含有ガス供給が必要であるとなったときに、燃料処理部での燃料ガス生成により生成した水素リッチな燃料ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができる。
【００１７】
第３の本発明は、特に、第１または第２の本発明の燃料電池システムに加えて、燃料電池への燃料ガス供給が停止している時間を検知する停止時間検知手段をさらに備え、ガス供給判断手段は停止時間検知手段が検知する時間が所定時間以上である場合に燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする燃料電池システムである。かかる構成にすることにより、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて、検知した停止時間に応じて燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断することができる。
【００１８】
第４の本発明は、特に、第１または第２の本発明の燃料電池システムに加えて、燃料電池での発電が停止しているときに燃料電池の酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、燃料電池の電圧を検知する電圧検知手段とをさらに備え、ガス供給判断手段は酸化剤供給手段が酸化剤ガスを供給した時に電圧検知手段が検知する電圧が所定電圧以下である場合に燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする燃料電池システムである。かかる構成にすることにより、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて、空気供給時に発生する燃料電池の電圧に応じて燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断することができる。
【００１９】
第５の本発明は、特に、第１または第２の本発明の燃料電池システムに加えて、燃料電池の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器をさらに備え、ガス供給判断手段は水素濃度検知器が検知する水素濃度が所定濃度以下である場合に燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする燃料電池システムである。かかる構成にすることにより、長時間の停止中に燃料電池の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段を用いて、燃料電池の燃料極側の水素濃度に応じて燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断することができる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の本実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態における燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素とを用いて発電を行なう燃料電池１と、原料を水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理機２と、燃料処理機２に原料供給源からの原料を供給する原料流路３と、燃料処理機２への原料の供給／遮断を行なう原料遮断弁４と、燃料処理機２に水供給源からの水を供給する水流路５と、燃料処理機２への水の供給／遮断を行なう水遮断弁６と、燃料処理機２を加熱するバーナ７と、バーナ７への燃焼用空気を供給するファン８と、ファン８から供給された燃焼用空気をバーナ７に導入する燃焼空気流路９と、燃料処理機２から生成された燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス流路１０と、燃料電池１への燃料ガスの供給／地断を行なう燃料ガス遮断弁１１と、燃料電池１から排出される残余燃料ガスをバーナ７に供給する残余燃料ガス流路１２と、残余燃料ガスの排出／遮断を行なう残余燃料ガス遮断弁１３と、燃料処理機２からの燃料ガスを燃料電池１をバ
イパスして残余燃料ガス遮断弁１３より下流の残余燃料ガス流路１２と合流する燃料ガスバイパス流路１４と、燃料ガスバイパス流路１４を通流する燃料ガスの通流／遮断を行なうバイパス遮断弁１５と、残余燃料ガス流路１２または燃料ガスバイパス流路１４を通流する残余燃料ガスまたは燃料ガスのバーナへの供給／遮断を行なうバーナ遮断弁１６と、燃料電池１への反応空気を供給するブロワ１７と、ブロワ１７からの反応空気を燃料電池１に通流する空気流路１８と、ブロワ１７からの反応空気を燃料電池１に供給／遮断を行なう空気遮断弁１９と、燃料電池１からの残余空気を燃料電池システムの系外に排出する残余空気流路２０と、燃料電池１からの残余空気の排出／遮断を行なう残余空気遮断弁２１と、水素含有ガスとしての燃料ガスを貯留する燃料ガス貯留タンク２２と、燃料ガス貯留タンク２２と燃料ガス遮断弁１１より下流の燃料ガス流路１０とを接続するタンク連結流路２３と、タンク連結流路２３を通流する水素含有ガスの通流／遮断を行なう連結遮断弁２４と、燃料電池１の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段２５と、制御部２６と、を備える。
【００２３】
原料流路３は上流側が原料供給源に接続され、下流側が燃料処理機２に接続されている。水流路５は上流側が水供給源に接続され、下流側が燃料処理機２に接続されている。燃焼空気流路９は上流側がファン８に接続され、下流側がバーナ７に接続されている。燃料ガス流路１０は上流側が燃料処理機２に接続され、下流側が燃料電池１に接続されている。残余燃料ガス流路１２は上流側が燃料電池１に接続され、下流側がバーナ７に接続されている。燃料ガスバイパス流路１４は、上流側が燃料処理機２と燃料ガス遮断弁１１との間の燃料ガス流路１０に接続され、下流側が残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６との間の残余燃料ガス流路１２に接続されている。空気流路１８は上流側がブロワ１７に接続され、下流側が燃料電池１に接続されている。残余空気流路２０は上流側が燃料電池１に接続され、下流側は内部を通流する残余空気が燃料電池システムの系外に排出されるように配置されている。タンク連結流路２３は上流側が燃料ガス貯留タンクに接続され、下流側は燃料ガス遮断弁１１と燃料電池１との間の燃料ガス流路１０に接続されている。
【００２４】
ここで、原料は、当該原料と水流路５を通じて供給された水とを用いて改質反応により水素含有ガスを生成できるものであればよい。原料として、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。また前述の有機化合物の混合ガスである都市ガス、ＬＰガスから付臭成分除去したものを使用することもできる。またここで、原料供給源としては原料を充填したボンベ、ガスインフララインを用いることができる。また、水供給源としてはイオン交換樹脂などにより、水道などの外部からの供給水または燃料電池システム内部で生成した水を回収した回収水から水質浄化された水を生成する、浄化機を用いることができる。
【００２５】
なお本実施の形態における、燃料ガス貯留タンク２２とタンク連結流路２３と連結遮断弁２４は、本発明における水素含有ガス供給手段の具体的な実施の一例である。
【００２６】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００２７】
図１に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２
から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。さらに燃料ガス貯留タンク２２には、燃料ガスが燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に供給されているときに連結遮断弁２４を開とすることにより、燃料ガスの一部を貯留する。
【００２８】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。そして、連結遮断弁２４を閉として、燃料ガスを燃料ガス貯留タンク２２に封入する。
【００２９】
燃料電池システムが停止を継続しているときは、ガス供給判断手段２５は、燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に供給するかどうかを判断し、燃料ガスを供給すると判断した場合は、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスは、タンク連結流路２３、燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に流入させる。
【００３０】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段２５を用いて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガスである燃料ガスを燃料ガス貯留タンク２２から供給する必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に流入させることにより、燃料電池１の燃料極側に水素を供給し、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態では、水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２とタンク連結流路２３と連結遮断弁２４で構成するとしたがこの限りではなく、タンク連結流路２３にポンプを設け、ポンプにより燃料ガス貯留タンク２２に燃料ガスを圧入する構成にしてもよい。
【００３２】
また、本実施の形態ではタンク連結流路２３は燃料ガス遮断弁１１と燃料電池１の間の燃料ガス流路に接続するとしたがこの限りではなく、燃料電池１と残余燃料ガス遮断弁１３の間の残余燃料ガス流路に接続しても構わない。また、燃料ガス遮断弁１１より上流の
燃料ガス流路１０、または残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６の間の残余燃料ガス流路１２に接続し、燃料ガス供給時には各々、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３も開として流入させる構成としても構わない。
【００３３】
また、本実施の形態における燃料ガス貯留タンク２２としては、圧力差により燃料ガスを物理的に貯留するタンクであっても構わないし、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブを用いての化学的に貯留するタンクであっても構わない。
【００３４】
また、本実施の形態における水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２を用いて貯留した燃料ガスが供給できる構成としたがこの限りではなく、燃料ガス貯留タンク２２の代わりに水素含有ガスボンベを用いる構成にしても構わない。
【００３５】
（実施の形態２）
図２は、本発明の本実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００３６】
図２に示すように、本実施の形態における燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素とを用いて発電を行なう燃料電池１と、原料を水蒸気改質し水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理機２と、燃料処理機２に原料供給源からの原料を供給する原料流路３と、燃料処理機２への原料の供給／遮断を行なう原料遮断弁４と、燃料処理機２に水供給源からの水を供給する水流路５と、燃料処理機２への水の供給／遮断を行なう水遮断弁６と、燃料処理機２を加熱するバーナ７と、バーナ７への燃焼用空気を供給するファン８と、ファン８から供給された燃焼用空気をバーナ７に導入する燃焼空気流路９と、燃料処理機２から生成された燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス流路１０と、燃料電池１への燃料ガスの供給／地断を行なう燃料ガス遮断弁１１と、燃料電池１から排出される残余燃料ガスをバーナ７に供給する残余燃料ガス流路１２と、残余燃料ガスの排出／遮断を行なう残余燃料ガス遮断弁１３と、燃料処理機２からの燃料ガスを燃料電池１をバイパスして残余燃料ガス遮断弁１３より下流の残余燃料ガス流路１２と合流する燃料ガスバイパス流路１４と、燃料ガスバイパス流路１４を通流する燃料ガスの通流／遮断を行なうバイパス遮断弁１５と、残余燃料ガス流路１２または燃料ガスバイパス流路１４を通流する残余燃料ガスまたは燃料ガスのバーナへの供給／遮断を行なうバーナ遮断弁１６と、燃料電池１への反応空気を供給するブロワ１７と、ブロワ１７からの反応空気を燃料電池１に通流する空気流路１８と、ブロワ１７からの反応空気を燃料電池１に供給／遮断を行なう空気遮断弁１９と、燃料電池１からの残余空気を燃料電池システムの系外に排出する残余空気流路２０と、燃料電池１からの残余空気の排出／遮断を行なう残余空気遮断弁２１と、燃料電池１の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段２５と、制御部２６と、を備える。
【００３７】
原料流路３は上流側が原料供給源に接続され、下流側が燃料処理機２に接続されている。水流路５は上流側が水供給源に接続され、下流側が燃料処理機２に接続されている。燃焼空気流路９は上流側がファン８に接続され、下流側がバーナ７に接続されている。燃料ガス流路１０は上流側が燃料処理機２に接続され、下流側が燃料電池１に接続されている。残余燃料ガス流路１２は上流側が燃料電池１に接続され、下流側がバーナ７に接続されている。燃料ガスバイパス流路１４は、上流側が燃料処理機２と燃料ガス遮断弁１１との間の燃料ガス流路１０に接続され、下流側が残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６との間の残余燃料ガス流路１２に接続されている。空気流路１８は上流側がブロワ１７に接続され、下流側が燃料電池１に接続されている。残余空気流路２０は上流側が燃料電池１に接続され、下流側は内部を通流する残余空気が燃料電池システムの系外に排出されるように配置されている。
【００３８】
ここで、原料は、当該原料と水流路５を通じて供給された水とを用いて改質反応により水素含有ガスを生成できるものであればよい。原料として、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。また前述の有機化合物の混合ガスである都市ガス、ＬＰガスから付臭成分除去したものを使用することもできる。またここで、原料供給源としては原料を充填したボンベ、ガスインフララインを用いることができる。また、水供給源としてはイオン交換樹脂などにより、水道などの外部からの供給水または燃料電池システム内部で生成した水を回収した回収水から水質浄化された水を生成する、浄化機を用いることができる。
【００３９】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００４０】
図２に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。
【００４１】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。
【００４２】
燃料電池システムが停止を継続しているときは、ガス供給判断手段２５は、燃料処理機２で生成した燃料ガスを燃料電池１に供給するかどうかを判断し、燃料ガスを供給すると判断した場合は、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、原料遮断弁４を開、水遮断弁６を開、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開として燃料処理機２に原料と水を供給し、触媒を用いての水素リッチな燃料ガスの生成を開始する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給され、ファン８により供給された空気を用いて燃焼される。燃料処理機２の触媒温度が昇温され、燃料ガスの成分が安定すると、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２で生成された燃料ガスは、燃料電池１に供給され、生成された水素リッ
チな燃料ガスで燃料電池１の燃料極側はパージされる。一方このとき、ブロワ１７は停止、空気遮断弁１９は閉、残余空気遮断弁２１は閉として、燃料電池１のカソード電極側には酸素を含んだ空気の供給はしない。
【００４３】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段２５を用いて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、燃料処理機２を起動させ、燃料ガスの成分が安定した後に燃料ガスを燃料電池１に通流することで燃料電池１の燃料極を水素リッチな燃料ガスでパージし、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００４４】
（実施の形態３）
図３は、本発明の本実施の形態３における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図３において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４５】
本実施の形態における燃料電池システムは、実施の形態１における燃料電池システムと比して、燃料電池システムが運転を停止してからの時間を検知する停止時間タイマ２７をさらに備える点で異なる。
【００４６】
なお本実施の形態における、停止時間タイマ２７は、本発明における停止時間検知手段の具体的な実施の一例である。
【００４７】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００４８】
図３に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。さら
に燃料ガス貯留タンク２２には、燃料ガスが燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に供給されているときに連結遮断弁２４を開とすることにより、燃料ガスの一部を貯留する。
【００４９】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。そして、連結遮断弁２４を閉として、燃料ガスを燃料ガス貯留タンク２２に封入する。
【００５０】
燃料電池システムが停止を継続しているときは、停止時間タイマ２７が停止時間のカウントを継続する。ガス供給判断手段２５は、停止時間タイマ２７の停止時間カウントが所定時間（たとえば４８時間）を超えた場合、燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に供給すると判断し、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスは、タンク連結流路２３、燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に流入させる。
【００５１】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。つまり停止時間と燃料電池１の電極劣化の間には相関がある。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段２５を用いて、停止時間タイマ２７が検知した停止時間に応じて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に流入させることにより、燃料電池１のアノード電極側に水素を供給し、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００５２】
なお、本実施の形態では、水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２とタンク連結流路２３と連結遮断弁２４で構成するとしたがこの限りではなく、タンク連結流路２３にポンプを設け、ポンプにより燃料ガス貯留タンク２２に燃料ガスを圧入する構成にしてもよい。
【００５３】
また、本実施の形態ではタンク連結流路２３は燃料ガス遮断弁１１と燃料電池１の間の燃料ガス流路に接続するとしたがこの限りではなく、燃料電池１と残余燃料ガス遮断弁１３の間の残余燃料ガス流路に接続しても構わない。また、燃料ガス遮断弁１１より上流の燃料ガス流路１０、または残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６の間の残余燃料ガス流路１２に接続し、燃料ガス供給時には各々、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３も開として流入させる構成としても構わない。
【００５４】
また、本実施の形態における燃料ガス貯留タンク２２としては、圧力差により燃料ガスを物理的に貯留するタンクであっても構わないし、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブを用いての化学的に貯留するタンクであっても構わない。
【００５５】
また、本実施の形態における水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２を用いて貯留した燃料ガスが供給できる構成としたがこの限りではなく、燃料
ガス貯留タンク２２の代わりに水素含有ガスボンベを用いる構成にしても構わない。
【００５６】
また、本実施の形態における燃料電池システムは、図１に示す実施の形態１における燃料電池システムに加えて、『燃料電池システムが運転を停止してからの時間を検知する停止時間タイマ２７をさらに備える』としたが、この限りではなく、図２に示す実施の形態２における燃料電池システムに加えて、『燃料電池システムが運転を停止してからの時間を検知する停止時間タイマ２７をさらに備える』とする構成としても構わない。
【００５７】
（実施の形態４）
図４は、本発明の本実施の形態４における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図４において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００５８】
本実施の形態における燃料電池システムは、実施の形態１における燃料電池システムと比して、燃料電池１の直流電圧を測定する電圧検知器２８をさらに備える点で異なる。
【００５９】
なお本実施の形態における、ブロワ１７と空気遮断弁１９と残余空気遮断弁２１、電圧検知器２８は、各々、本発明における酸化剤供給手段、電圧検知手段の具体的な実施の一例である。
【００６０】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００６１】
図４に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。さらに燃料ガス貯留タンク２２には、燃料ガスが燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に供給されているときに連結遮断弁２４を開とすることにより、燃料ガスの一部を貯留する。
【００６２】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。そして、連結遮断弁２４を閉として、燃料ガスを燃料ガス貯留タンク２２に封入する。
【００６３】
燃料電池システムが停止を継続しているときに制御部２６は、ガス供給判断手段２５が燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に供給するかどうかを判断できるように、空気遮断弁１９および残余空気遮断弁２１を開としてブロワ１７を作動し燃料電池１の空気極側に空気を供給する。ガス供給判断手段２５は燃料電池１の空気極側に空気を供給した時に電圧検知器２８が検知する電圧が所定電圧以下（例えば、燃料電池１を構成するセルの平均電圧が１００ｍＶ以下）である場合、燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に供給すると判断し、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスは、タンク連結流路２３、燃料ガス流路１０を通じて燃料電池１に流入させる。
【００６４】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。また水素が減少した場合は、燃料電池１の空気極側に空気を供給しても燃料電池１の顕著な電圧上昇は見られない。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、制御部２６が酸化剤供給手段であるブロワ１７と空気遮断弁１９と残余空気遮断弁２１を動作させての燃料電池１のカソード電極側への空気供給により、ガス供給判断手段２５は燃料電池１のカソード電極側に空気を供給した時の電圧検知器２８が検知する電圧に応じて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、連結遮断弁２４を開とすることにより燃料ガス貯留タンク２２に保持している燃料ガスを燃料電池１に流入させることにより、燃料電池１の燃料極側に水素を供給し、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００６５】
なお、本実施の形態では、水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２とタンク連結流路２３と連結遮断弁２４で構成するとしたがこの限りではなく、タンク連結流路２３にポンプを設け、ポンプにより燃料ガス貯留タンク２２に燃料ガスを圧入する構成にしてもよい。
【００６６】
また、本実施の形態ではタンク連結流路２３は燃料ガス遮断弁１１と燃料電池１の間の燃料ガス流路に接続するとしたがこの限りではなく、燃料電池１と残余燃料ガス遮断弁１３の間の残余燃料ガス流路に接続しても構わない。また、燃料ガス遮断弁１１より上流の燃料ガス流路１０、または残余燃料ガス遮断弁１３とバーナ遮断弁１６の間の残余燃料ガス流路１２に接続し、燃料ガス供給時には各々、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３も開として流入させる構成としても構わない。
【００６７】
また、本実施の形態における燃料ガス貯留タンク２２としては、圧力差により燃料ガスを物理的に貯留するタンクであっても構わないし、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブを用いての化学的に貯留するタンクであっても構わない。
【００６８】
また、本実施の形態における水素含有ガス供給手段の具体的一例として、燃料ガス貯留タンク２２を用いて貯留した燃料ガスが供給できる構成としたがこの限りではなく、燃料ガス貯留タンク２２の代わりに水素含有ガスボンベを用いる構成にしても構わない。
【００６９】
また、制御部２６が行なうブロワ１７と空気遮断弁１９と残余空気遮断弁２１を動作さ
せての燃料電池１のカソード電極側への空気供給は、燃料電池システムが停止を継続しているときにおいて定期的に複数回実施しても構わない。
【００７０】
また、本実施の形態における燃料電池システムは、図１に示す実施の形態１における燃料電池システムに加えて、『燃料電池１の直流電圧を測定する電圧検知器２８をさらに備える』としたが、この限りではなく、図２に示す実施の形態２における燃料電池システムに加えて、『燃料電池１の直流電圧を測定する電圧検知器２８をさらに備える』とする構成としても構わない。
【００７１】
（実施の形態５）
図５は、本発明の本実施の形態５における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図５において、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７２】
本実施の形態における燃料電池システムは、実施の形態２における燃料電池システムと比して、燃料電池１の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器２９をさらに備える点で異なる。
【００７３】
次に、本実施の形態における燃料電池システムに関して、具体的動作を説明する。
【００７４】
図５に示す燃料電池システムでは、原料遮断弁４を開にすることにより原料供給源から供給された原料は原料流路３を通じて燃料処理機２に供給される。また水遮断弁６を開にすることにより水供給源から供給された水は水流路５を通じて燃料処理機２に供給される。燃料処理機２では供給された原料と水を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質および一酸化炭素低減することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０を通じて燃料処理機２より排出される。燃料処理機２の起動時など、燃料ガスの成分が安定していない場合は、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。また燃料処理機２での起動が完了し燃料ガスの成分が安定した場合は、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２から排出された燃料ガスは、燃料電池１に供給される。一方、空気遮断弁１９を開、残余空気遮断弁２１を開とすることにより、ブロワ１７からの反応用空気も空気流路１８を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることにより発電を行なう。発電に使用されなかった空気は残余空気として、残余空気流路２０を通じて燃料電池システムの系外に排出される。また、発電に使用されなかった燃料ガスは残余燃料ガスとして、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給される。バーナ７ではファン８により供給された燃焼用空気も燃焼空気流路９を通じて供給され、バーナ７での燃焼により燃料処理機２の触媒温度を高温に維持する。
【００７５】
一方、燃料電池システムでの発電を終了する場合、原料遮断弁４および水遮断弁６を閉とすることにより、燃料処理機２への原料および水の供給を停止する。また、燃料ガス遮断弁１１、残余燃料ガス遮断弁１３、バイパス遮断弁１５、バーナ遮断弁１６を閉として、燃料電池１への燃料ガス供給も停止する。一方、反応用の空気に関しても、ブロワ１７を停止させ、空気遮断弁１９、残余空気遮断弁２１を閉とすることにより、停止させる。
【００７６】
燃料電池システムが停止を継続しているときは、水素濃度検知器２９が燃料電池１の燃料極側の水素濃度を検知する。ガス供給判断手段２５は、水素濃度検知器２９の検知する濃度が所定濃度以下（たとえば０．１％以下）を下回った場合、燃料処理機２で生成した燃料ガスを燃料電池１に供給すると判断し、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃
料ガスを供給する」判断を受けて、原料遮断弁４を開、水遮断弁６を開、燃料ガス遮断弁１１を閉、残余燃料ガス遮断弁１３を閉、バイパス遮断弁１５を開、バーナ遮断弁１６を開として燃料処理機２に原料と水を供給し、触媒を用いての水素リッチな燃料ガスの生成を開始する。生成された燃料ガスは燃料ガス流路１０、燃料ガスバイパス流路１４、残余燃料ガス流路１２を通じてバーナ７に供給され、ファン８により供給された空気を用いて燃焼される。燃料処理機２の触媒温度が昇温され、燃料ガスの成分が安定すると、燃料ガス遮断弁１１を開、残余燃料ガス遮断弁１３を開、バイパス遮断弁１５を閉、バーナ遮断弁１６を開とすることにより、燃料処理機２で生成された燃料ガスは、燃料電池１に供給され、生成された水素リッチな燃料ガスで燃料電池１の燃料極側はパージされる。一方このとき、ブロワ１７は停止、空気遮断弁１９は閉、残余空気遮断弁２１は閉として、燃料電池１のカソード電極側には酸素を含んだ空気の供給はしない。
【００７７】
一般的に停止時間が長くなると燃料電池１のシール面を介して水素が排出＆空気が流入することで燃料電池１内部の水素が減少することで燃料電池の電極（とくに燃料極）の電位が高くなり燃料電池１の電極劣化が発生することが分かっている。また水素が減少した場合は、当然、燃料電池１の燃料極の水素濃度は低下する。そこで、本実施の形態における燃料電池システムの構成をとると、長時間の停止中に燃料電池１の燃料極側に含有する水素が減少した場合においても、ガス供給判断手段２５を用いて、水素濃度検知器２９が検知した水素濃度に応じて燃料電池１の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、ガス供給判断手段２５が水素含有ガスである燃料ガスの供給が必要であると判断したときには、制御部２６はガス供給判断手段２５での「燃料ガスを供給する」判断を受けて、燃料処理機２を起動させ、燃料ガスの成分が安定した後に燃料ガスを燃料電池１に通流することで燃料電池１の燃料極を水素リッチな燃料ガスでパージし、電極の電位を低下させることが可能となり、長時間の停止を含む起動停止に対して燃料電池１の電極劣化を防止することができる。
【００７８】
なお、本実施の形態における燃料電池システムは、図２に示す実施の形態２における燃料電池システムに加えて、『燃料電池１の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器２９をさらに備える』としたが、この限りではなく、図１に示す実施の形態１における燃料電池システムに加えて、『燃料電池１の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器２９をさらに備える』とする構成としても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池システムが発電を停止しているときにガス供給判断手段を用いることにより、燃料電池の電極劣化が発生する前に水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断し、水素含有ガス供給が必要であるとなったときには水素含有ガスを燃料電池の燃料極側に供給することができるため、長時間の停止を含む起動停止を行なう燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 燃料電池
２ 燃料処理機
３ 原料流路
４ 原料遮断弁
５ 水流路
６ 水遮断弁
７ バーナ
８ ファン
９ 燃焼空気流路
１０ 燃料ガス流路
１１ 燃料ガス遮断弁
１２ 残余燃料ガス流路
１３ 残余燃料ガス遮断弁
１４ 燃料ガスバイパス流路
１５ バイパス遮断弁
１６ バーナ遮断弁
１７ ブロワ
１８ 空気流路
１９ 空気遮断弁
２０ 残余空気流路
２１ 残余空気遮断弁
２２ 燃料ガス貯留タンク
２３ タンク連結流路
２４ 連結遮断弁
２５ ガス供給判断手段
２６ 制御部
２７ 停止時間タイマ
２８ 電圧検知器
２９ 水素濃度検知器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、
前記燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池での発電および前記燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、
前記燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、
前記ガス供給判断手段が前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、前記水素含有ガス供給手段を用いて前記燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給するように制御する制御部とを備える
燃料電池システム。
【請求項２】
炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、
前記燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池での発電および前記燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、
前記ガス供給判断手段が前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、前記燃料処理部での燃料ガス生成を開始し、生成した水素リッチな燃料ガスを前記燃料電池の燃料極側に供給するように制御する制御部とを備える
燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池への燃料ガス供給が停止している時間を検知する停止時間検知手段をさらに備え、
前記ガス供給判断手段は、
前記停止時間検知手段が検知する時間が所定時間以上である場合、前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池での発電が停止しているときに前記燃料電池の前記酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知手段とをさらに備え、
前記ガス供給判断手段は、
前記酸化剤供給手段が前記酸化剤ガスを供給した時に前記電圧検知手段が検知する電圧が所定電圧以下である場合、前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器をさらに備え、
前記ガス供給判断手段は、
前記水素濃度検知器が検知する水素濃度が所定濃度以下である場合、前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、
前記燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池での発電および前記燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、
前記燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、
前記ガス供給判断手段が前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、前記水素含有ガス供給手段を用いて前記燃料電池の燃料極側に水素含有ガスを供給するように制御する制御部とを備える
燃料電池システム。
【請求項２】
炭化水素系原料から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理部と、
前記燃料処理部で生成された燃料ガスを燃料極側に導入し酸化剤ガスを酸化剤極側に導入し前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池での発電および前記燃料処理部での燃料ガス生成が停止しているときに前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であるか否かを判断するガス供給判断手段と、
前記ガス供給判断手段が前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断したときに、前記燃料処理部での燃料ガス生成を開始し、生成した水素リッチな燃料ガスを前記燃料電池の燃料極側に供給するように制御する制御部とを備える
燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池への燃料ガス供給が停止している時間を検知する停止時間検知手段をさらに備え、
前記ガス供給判断手段は、
前記停止時間検知手段が検知する時間が所定時間以上である場合、前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池での発電が停止しているときに前記燃料電池の前記酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知手段とをさらに備え、
前記ガス供給判断手段は、
前記酸化剤供給手段が前記酸化剤ガスを供給した時に前記電圧検知手段が検知する電圧が所定電圧以下である場合、前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の燃料極側の水素濃度を検知する水素濃度検知器をさらに備え、
前記ガス供給判断手段は、
前記水素濃度検知器が検知する水素濃度が所定濃度以下である場合、前記燃料電池の燃料極側への水素含有ガス供給が必要であると判断することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−８４４１８（Ｐ２０１２−８４４１８Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３０２１０（Ｐ２０１０−２３０２１０）
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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