专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，配置所述燃料电池系统以将通过重整烃类原料而生成 的重整气体供给至燃料电池，由此发电。
背景技术：
燃料电池供给氢气或富氢气体至其间插入电解液的电极中的之一，并且还供给氧 化剂气体(oxidant gas)如含氧气的空气至另一个电极，由此通过电化学反应发电。近来， 注意力集中在联产系统(cogeneration system)，所述联产系统利用通过燃料电池发电并 且还回收当燃料电池发电时产生的热，从而如此利用回收的热作为热能。在燃料电池系统中，作为生成燃料电池需要的富氢气体的一种方法，在约700°C下 将烃原料气体如城市煤气或LPG在用重整催化剂填充的重整部中与水蒸汽一起进行蒸汽 重整，由此生成含有氢气作为主要组分的重整气体。在蒸汽重整期间，在从重整部输出的重 整气体中含有约10% -15%的量的一氧化碳此时作为副产物生成。一氧化碳使燃料电池的 电极催化剂中毒，由此劣化发电能力。出于该原因，需要消除在重整气体中的一氧化碳直至 浓度为IOOppm以下，和优选IOppm以下。通常，转化部和选择性氧化部作为一氧化碳减少部设置在重整部的下游处。转化 部用转化催化剂填充。转化催化剂使从重整部输出的重整气体中的一氧化碳与水蒸汽反 应，由此进行水煤气转化反应以形成氢气和二氧化碳。选择性氧化部用选择性氧化催化剂 填充。供给选择性氧化催化剂空气和已通过转化部减少一氧化碳浓度的重整气体，由此将 一氧化碳和空气中的氧气进行选择性氧化反应，以致重整气体中一氧化碳的浓度减少至 IOppm以下。此时，转化部在约200°C以上的温度下进行水煤气转化反应，并且选择性氧化 部在约100°C的温度下进行选择性氧化反应。重整部进一步包括加热燃烧器部。在燃料电池系统的发电期间，燃烧器部使用供 给至燃烧器部的空气燃烧在燃料电池的发电中未使用的重整气体(下文中称为“废气”)中 的氢气，由此维持用于为吸热反应的重整反应的重整催化剂温度在约700°C下。此外，在启 动操作燃料电池系统期间，燃烧器部燃烧尚未用于生成氢气的原料气体和含所述原料气体 与氢气的混合气体，由此增加重整催化剂的温度。下文中，当需要时，连接装配有燃烧器部的重整部、转化部和选择性氧化部的氢生 产装置作为燃料处理器描述。在启动操作燃料电池系统时，需要将在燃料处理器中的催化剂加热至预定温度用 于由原料气体生成重整气体。公开了包括以下的方法供给原料气体至燃料处理器；将从 燃料处理器输出的原料气体通过绕过燃料电池的通道返回至燃烧器部，由此燃烧该气体； 和通过燃烧热加热燃料处理器的催化剂(例如，参见专利文献1)。当中断燃料电池系统的发电时，暂停将原料气体和水蒸汽供给至重整部。此时燃 料处理器的内部通过由于仍残留在燃料处理器中的重整气体的温度下降引起的体积收缩 和由于温度下降引起的重整气体中水蒸汽的凝缩而降压。为了避免此类降压，当停止操作时，首先暂停原料气体和水蒸汽的供给，在燃料处理器的温度已降低至预定温度之后，燃料 处理器中重整气体通过原料气体吹扫。当燃料处理器的内压已降低至预定压力水平以下 时，将原料气体供给至燃料处理器，由此维持正压(例如，参见专利文献2)。现有技术文献专利文献专利文献1 :JP-A-2008-218;355专利文献2 JP-B-413060
发明内容
本发明要解决的问题然而，相关现有技术的燃料电池系统具有以下问题。当停止发电时，为了吹扫包括在燃料处理器内的水蒸汽的重整气体和保持燃料处 理器的内压在正压下，相关现有技术的燃料电池系统供给原料气体如城市煤气或LPG至燃 料处理器。此时，与在停止燃料电池系统期间催化剂的温度降低相关，原料气体或原料气体 的一些组分被吸附至各催化剂。同时，在启动操作燃料电池系统时各催化剂的温度增加至预定温度。因此，将原料 气体通过燃料处理器供给至燃烧器部并与空气一起燃烧，由此增加催化剂的温度。随着催 化剂的温度上升，将吸附至各催化剂的原料气体组分脱附然后与供给至燃料处理器的原料 气体一起供给至燃烧器部。因此，实际供给至燃烧器部的原料气体量比供给至燃料处理器 的原料气体量大的是对应于原料气体脱附组分的量。原料气体与空气的比偏离，由此在燃 烧器部中发生不完全燃烧。此外，将通过不完全燃烧引起的一氧化碳放出至燃料电池系统 外。在一些情况下，在燃烧器部中发生失火(flame vanish)。结果，产生以下问题在燃料 处理器中催化剂的温度不增加，这阻止启动操作燃料电池系统。本发明解决了现有技术的问题，且其目的在于提供能够以燃烧器部中稳定的燃烧 进行稳定启动的燃料电池系统。用于解决问题的方案为了解决现有技术的问题，本发明提供一种燃料电池系统，其包括重整部，配置 所述重整部以将含原料气体和水蒸汽的混合气体通过重整催化剂进行重整反应，由此生成 含氢气的重整气体；一氧化碳减少部，配置所述一氧化碳减少部以使通过重整部生成的重 整气体接触一氧化碳减少催化剂，由此减少在重整气体中包含的一氧化碳；燃料电池，配置 所述燃料电池以通过在经过一氧化碳减少部的重整气体中包含的氢发电；燃烧器部，配置 所述燃烧器部以使用通过鼓风机供给的燃烧空气燃烧含有在燃料电池中未消耗的氢的废 气、原料气体和重整气体中的至少之一；和原料气体供给装置，配置所述原料气体供给装置 以将原料气体供给至重整部和直接供给至或者通过重整部供给至燃烧器部，其中在启动操 作所述燃料电池系统时，根据通过原料气体供给装置供给并在燃烧器部中燃烧的原料气体 量以及从吸附至重整催化剂和一氧化碳减少催化剂中的至少之一的原料气体的组分中脱 附的脱附原料气体量，调节通过鼓风机传送至燃烧器部的燃烧空气量。因此，燃烧器部的稳定燃烧能够在启动操作燃料电池系统时持续地进行。本发明的效果
本发明可以实现能够通过使燃烧器部燃烧原料气体由此增加燃料处理器中催化 剂的温度至预定温度来进行稳定的启动操作的燃料电池系统。
图1为示出根据本发明第一实施方案的燃料电池系统的构造的示意图。图2为用于解释在该实施方案的燃料电池系统中使用的燃料处理器的主要部分 的截面图。图3为示出该实施方案燃料电池系统的转化部的转化催化剂的温度和从转化催 化剂中脱附的原料气体量之间的关系的图。图4为示出在启动操作该实施方案的燃料电池系统时主要部分的控制流的流程 图。图5为示出重整催化剂的温度、转化催化剂的温度和选择性氧化催化剂的温度在 启动操作该实施方案的燃料电池系统时如何增加的特征图。图6为在涉及启动操作本实施方案的燃料电池系统的其他方法中用于解释主要 部分的控制流的流程图。图7为示出根据本发明第二实施方案的燃料电池系统的构造的示意图。图8为示出在启动操作该实施方案的燃料电池系统时主要部分的控制流的流程 图。图9为在涉及启动操作该实施方案的燃料电池系统的其他方法中用于解释主要 部分的控制流的流程图。图10为说明本发明实施方案的燃料电池系统的其他实施例的示意图。图11为示出根据本发明第三实施方案的燃料电池系统的构造的示意图。图12为示出在启动操作该实施方案的燃料电池系统时主要部分的控制流的流程 图。图13为示出根据本发明第四实施方案的燃料电池系统的构造的示意图。图14为示出在启动操作该实施方案的燃料电池系统时主要部分的控制流的流程 图。附图标记说明1燃料电池系统2燃料电池2a固体高分子电解质膜2b阳极电极2c阴极电极3燃料处理器4水蒸汽产生装置4a水蒸汽通道5控制部6原料气体供给装置7燃烧空气风扇
7a燃烧空气通道8阴极鼓风机9重整部9a重整催化剂10,30 转化部IOa转化催化剂IOb转化温度传感器11，32选择性氧化部Ila选择性氧化催化剂lib选择性氧化空气供给通道12燃烧器部13燃烧废气通道14原料气体供给通道15原料气体通道15a燃料电池入口通道15b燃料电池旁路通道15c废气通道16燃料电池旁路阀17燃料电池入口阀18燃料电池出口阀20第一圆筒体21第二圆筒体22第三圆筒体23第四圆筒体24第一气体流路25第二气体流路26燃烧室27废气折返部28原料气体折返部31 转化加热器(SHIFT HEATER)33选择性氧化加热器34加热燃烧器部35前述阶段燃烧器部的方向控制阀36燃烧空气通道转换阀40流量计41 氧气浓度计(OXIMETER)
具体实施例方式第一发明提供一种燃料电池系统，其包括重整部，配置所述重整部以将含原料气体和水蒸汽的混合气体通过重整催化剂进行重整反应，由此生成含氢气的重整气体；一氧 化碳减少部，配置所述一氧化碳减少部以使通过重整部生成的重整气体接触一氧化碳减少 催化剂，由此减少在重整气体中包含的一氧化碳；燃料电池，配置所述燃料电池以通过在经 过一氧化碳减少部的重整气体中包含的氢气发电；燃烧器部，配置所述燃烧器部以使用通 过鼓风机供给的燃烧空气燃烧含有在燃料电池中未消耗的氢气的废气、原料气体和重整气 体中的至少之一；和原料气体供给装置，配置所述原料气体供给装置以将原料气体供给至 重整部和直接供给至或者通过重整部供给至燃烧器部，其中在启动操作所述燃料电池系统 时，根据通过原料气体供给装置供给和在燃烧器部中燃烧的原料气体量以及从吸附至重整 催化剂和一氧化碳减少催化剂中的至少之一的原料气体的组分中脱附的脱附原料气体量， 调节通过鼓风机传送至燃烧器部的燃烧空气量。通过该构造，将供给至燃烧器部的燃烧空气量与从原料气体供给装置中供给的原 料气体和通过脱附供给的脱附原料气体的总量的比调节至预定比例，由此可以进行稳定的 燃烧。结果，可以提供通过增加在燃料处理器中催化剂的温度至预定温度能够进行稳定的 启动操作的燃料电池系统。第二发明提供包括加热部件的根据第一发明的燃料电池系统所述加热部件用于 在启动操作燃料电池系统时加热重整催化剂和一氧化碳减少催化剂中的至少之一。利用该构造，能够有效地将吸附至催化剂的原料气体脱附。第三发明提供包括测量部件的根据第一或第二发明的燃料电池系统，所述测量部 件用于在启动操作燃料电池系统时至少测量在从原料气体供给装置供给至燃烧器部的原 料气体中的脱附原料气体和脱附原料气体的流量。即使当将吸附至重整催化剂和一氧化碳 减少催化剂中的至少之一的原料气体脱附并供给至燃烧器部时，也能够根据供给至燃烧器 部的原料气体的流量调节燃烧空气量。因此，燃烧器部能够进行稳定的燃烧。第四发明提供其中测量部件为流量计的根据第三发明的燃料电池系统，配置所述 流量计以至少测量脱附原料气体的流量。能够相对容易地准确测量供给至燃烧器部的原料 气体的流量。因而，能够根据供给至燃烧器部的原料气体量调节供给至燃烧器部的燃烧空 气量，并且燃烧器部能够进行稳定的燃烧。第五发明提供其中测量部件为压力表的根据第三发明的燃料电池系统，配置所述 压力表以至少检测脱附原料气体的压力。由于能够用根据供给至燃烧器部的原料气体的压 力的相对简单构造测量原料气体的流量，因而，能够根据供给至燃烧器部的原料气体的流 量调节供给至燃烧器部的燃烧空气的流量，由此燃烧器部能够进行稳定的燃烧。第六发明提供包括废气分析部件的根据第一或第二发明的燃料电池系统，所述废 气分析部件用于检测来自在燃烧器部燃烧之后生成的燃烧废气组分中的至少之一组分的 浓度，其中燃烧空气量根据通过废气分析部件检测的浓度调节。利用该构造，可以确定由于脱附原料气体导致燃烧器部的燃烧状态开始劣化，并 调节燃烧空气的流量。因而，燃烧器部能够进行稳定的燃烧。第七发明提供包括一个以上的温度传感器的根据第一或第二发明的燃料电池系 统，配置所述温度传感器以检测重整催化剂的温度和一氧化碳减少催化剂的温度中的至少 之一，其中脱附原料气体量在启动操作燃料电池系统时基于通过温度传感器检测的重整催 化剂的温度和一氧化碳减少催化剂的温度中的至少之一来推定，所述脱附原料气体从吸附
8至重整催化剂和一氧化碳减少催化剂中的至少之一的原料气体的组分中脱附以及通过燃 烧器部燃烧。利用该构造，可以以相对高的精确度和通过简单的构造推定脱附原料气体量，并 且燃烧器部能够进行稳定的燃烧。第八发明提供包括计时器部件的根据第一、第二和第七任一项发明的燃料电池系 统，所述计时器部件用于测量自加热部件开始加热操作起经过的时间，其中脱附原料气体 量基于通过计时器部件测量的时间来推定，所述脱附原料气体从吸附至重整催化剂和一氧 化碳减少催化剂中的至少之一的原料气体的组分中脱附以及通过燃烧器部燃烧。利用该构造，脱附原料气体量能够由此借助于简单的构造检测。第九发明提供如下的根据第二、第七和第八任一项发明的燃料电池系统其中在 启动操作燃料电池系统时，加热部件开始加热重整催化剂和一氧化碳减少催化剂中的至少 之一，和其中在自加热部件开始加热操作起经过预定时间之后，使原料气体供给装置操作。利用该构造，在不减少通过原料气体供给装置供给的原料气体量的情况下，可以 用少量原料气体的燃烧缓和地减少催化剂的升温速率。此外，即使当在启动操作燃料电池 系统前吸附至催化剂的原料气体量比推定量小时和即使当在燃烧器部仅燃烧脱附原料气 体期间在推定时间段中因为脱附原料气体量比推定量小而发生失火时，也可以防止过量未 燃烧的原料气体通过燃烧废气通道放出至燃料电池系统外。此外，在经过预定时间段之后 开始从原料气体供给装置供给原料气体，由此能够再次进行点火。第十发明提供包括一个以上的温度传感器的根据第二、第七和第八任一项发明的 燃料电池系统，配置所述温度传感器以检测重整催化剂的温度和一氧化碳减少催化剂的温 度中的至少之一，其中在启动操作燃料电池系统时，加热部件开始加热重整催化剂和一氧 化碳减少催化剂中的至少之一，和其中在通过温度传感器检测的温度变为预定温度以上之 后，起动原料气体供给装置。利用该构造，在不减少通过原料气体供给装置供给的原料气体量的情况下，可以 用少量原料气体的燃烧缓和地减少催化剂的升温速率。此外，即使当在启动操作燃料电池 系统前吸附至催化剂的原料气体量比推定量小时和即使当在燃烧器部仅燃烧脱附原料气 体期间在推定时间段中因为脱附原料气体量比推定量小而发生失火时，也可以从通过温度 传感器检测的一种或多种催化剂的升温速率中检测出失火的发生。第十一发明提供如下的根据第二、第七和第八任一项发明的燃料电池系统其中 在启动操作燃料电池系统时，起动原料气体供给装置和加热部件，其中在燃烧器部燃烧从 原料气体供给装置供给的原料气体预定时间之后，停止操作原料气体供给装置，和其中在 自加热部件开始加热操作起经过预定时间之后，起动原料气体供给装置。原料气体供给装 置能够供给燃烧器部预定量的原料气体，而不管将从催化剂脱附的脱附原料气体量。因此， 燃烧器部能够进行稳定的点火。第十二发明提供包括一个以上的温度传感器的根据第二、第七和第八任一项发明 的燃料电池系统，配置所述温度传感器以检测重整催化剂的温度和一氧化碳减少催化剂的 温度中的至少之一，其中在启动操作燃料电池系统时，起动原料气体供给装置和加热部件， 其中在自加热部件开始加热操作起经过预定时间之后，或者在温度传感器检测到第一预定 温度以上之后，停止操作原料气体供给装置，和其中在温度传感器检测到第二预定温度以上之后，起动原料气体供给装置。即使当由于催化剂不充分的加热而从催化剂脱附的脱附 原料气体量非常小时，原料气体供给装置也能够供给预定量的原料气体至燃烧器部，因而 燃烧器部能够进行稳定的点火。第十三发明提供其中加热部件包括电加热器的根据第二至第十二任一项发明的 燃料电池系统。禾Ij用该结构，可以相对容易地控制催化剂加热的开始和完成。由于电加热器 通过开启/关闭控制和输入电压的控制能够容易地控制器加热速率，可以容易地控制催化 剂的升温速率。结果，通过减少升温速率，可以防止通过突然的温度变化引起的催化剂的劣 化。反之，通过增加升温速率，可以缩短启动时间和控制从催化剂脱附的脱附原料气体量。第十四发明提供如下的根据第二至第十二任一项发明的燃料电池系统其中加热 部件包括加热燃烧器部，和其中重整部和一氧化碳减少部中的至少之一通过加热燃烧器部 的燃烧废气加热。利用该结构，可以有效地使用由加热燃烧器部的燃烧产生的废气热用于 加热一种或多种催化剂。因此，能够实现具有较高能源效率的启动特征的燃料电池系统。第十五发明提供其中燃烧器部用作加热燃烧器部的根据第十四发明的燃料电池 系统。结果，可以将燃烧器部的数量减少至一个。另外，还能够简化原料气体和燃烧空气供 给至燃烧器部的管。因而，用作加热部件的燃烧器部能够通过简单的构造实现，因此能够防 止燃料电池系统尺寸的增加和系统的复杂化。尽管通过参照附图在此描述本发明的实施方案，但是将与前述现有技术的构造相 同的构造指定相同的附图标记，并省略其详细说明。本发明不应限制于该实施方案。(第一实施方案)图1为示出根据本发明第一实施方案的燃料电池系统的构造的示意图。如图1中所示，实施方案的燃料电池系统1至少包括燃料电池2、燃料处理器3、水 蒸汽产生装置4、控制部5、原料气体供给装置6、燃烧空气风扇7和阴极鼓风机8。燃烧空气 风扇7为以供给燃烧空气至稍后所述燃烧器部而配置的鼓风机。此时利用LPG作为供给至 燃料电池系统1的原料气体。将LPG圆筒体(未示出)连接至在燃料电池系统1外的原料 气体供给装置6。其他的烃类材料如城市煤气也可以用作原料气体。当原料气体经过设置 在原料气体供给装置6上游处或在原料气体供给装置6和燃料处理器3之间的脱硫部(未 示出)时，清除添加至烃类材料作为增味剂的硫化合物。燃料电池2具有其中固体高分子电解质膜加夹持在阳极电极2b和阴极电极2c 之间的结构。阳极电极2b用包括大量的通过燃料处理器3生成的氢气的重整气体供给，以 及阴极电极2c用借助于阴极鼓风机8的空气供给，由此发电。燃料处理器3具有顺次连接重整部9以及转化部10和选择性氧化部11的构造，所 述转化部10和选择性氧化部11 二者组成一氧化碳减少部。重整部9用重整催化剂9a填 充；转化部10用转化催化剂IOa填充；和选择性氧化部11用选择性氧化催化剂Ila填充。重整部9设置有燃烧器部12。原料气体中氢气和在包括通过燃料电池2发电未使 用的氢气的废气中氢气与通过燃烧空气风扇7经由燃烧空气通道7a吹入至燃烧器部12的 空气一起燃烧。所得燃烧废气经由燃烧废气通道13放出至燃料电池系统1外。配置燃烧 废气通道13以采取其中该通道从燃烧器部12通过重整部9的空间、转化部10的空间和选 择性氧化部11的空间通过的构造，分隔这些空间以防止该通道与重整催化剂9a、转化催化 剂IOa和选择性氧化催化剂Ila直接接触。
通过原料气体供给装置6经由原料气体供给通道14供给至用重整部9的重整催 化剂9a填充的空间的原料气体首先经过用重整催化剂9a填充的层。接下来，原料气体从重 整部9中放出并供给至用转化部10的转化催化剂IOa填充的空间，于是经过用转化催化剂 IOa填充的层。原料气体从转化部10中放出并供给至用选择性氧化部11的选择性氧化催化 剂Ila填充的空间，于是经过用选择性氧化催化剂Ila填充的层。随后，流通(circulated) 原料气体以使其从选择性氧化部11中放出经由原料气体供给通道14和原料气体通道15 而至原料气体通道15中。原料气体通道15具有该通道在燃料电池2的阳极电极2b的入口上游处分叉为燃 料电池入口通道1 和燃料电池旁路通道1 这样的结构。将燃料电池入口通道1 连接 至燃料电池2的阳极电极2b的入口，将废气通道15c连接至阳极电极2b的出口。将废气 通道15c不与燃料电池2连接的一侧连接至原料气体通道15的燃料电池旁路通道15b。此 外，燃料电池旁路通道1 设置有燃料电池旁路阀16 ；燃料电池入口通道1 设置有燃料 电池入口阀17 ；和废气通道15c设置有燃料电池出口阀18。控制部5控制燃料电池旁路阀 16、燃料电池入口阀17和燃料电池出口阀18的打开和关闭。原料气体通道15在燃料电池 入口通道1 和燃料电池旁路通道1 之间转换。此外，在燃料电池旁路通道1 和废气 通道15c相互连接的下游位置处将原料气体通道15连接至燃烧器部12。此外，根据需要，将原料气体供给通道14连接至水蒸汽通道如用于将来自水蒸汽 产生装置4的水蒸汽在原料气体中混合的同时供给至重整部9。用于本发明第一实施方案的燃料电池系统的燃料处理器3参照图2在下文中描 述。图2为用于解释在本发明第一实施方案的燃料电池系统中使用的燃料处理器3的 主要部分的截面图。如图2中所示，燃料处理器3具有从内侧依次配置并处于实质上同心式样的第一 圆筒体20、第二圆筒体21、第三圆筒体22和第四圆筒体23。燃烧废气通道13由第一圆筒 体20和第二圆筒体21之间的空间形成；第一气体通道M在第二圆筒体21和第三圆筒体 22之间的空间内形成为环状；和第二气体通道25由第三圆筒体22和第四圆筒体23之间 的空间形成。此外，在第一圆筒体20的内部空间中配置的是燃烧器部12、用于用原料气体 和废气供给燃烧器部12的原料气体通道15、燃烧空气通道7a和燃烧室26。燃烧室沈和 燃烧废气通道13经由放置在燃烧室端和燃烧废气通道端的附近的废气折返部27而彼此相 互连通。同样地，第一气体流路M和第二气体流路25经由配置在第一气体流路M端和第 二气体流路25端的附近的原料气体折返部28而彼此相互连通。第一气体流路M设置有例如用其中氧化铝载体承载金属钌的球形重整催化剂9a 填充的重整部9。除了金属钌之外，镍催化剂、钼系催化剂和钼族催化剂如铑等也能够用作 重整催化剂9a。此外，除了球形之外，其他形状如圆筒状也能够用作重整催化剂9a的形状。第二气体流路25也设置有例如用Cu-Si系转化催化剂IOa(具体地，MDC-7，由 Sud-chemie Co.，Ltd.制造)填充的转化部10和例如用球形钌系选择性氧化催化剂Ila填 充的选择性氧化部11。除上述那些以外的钼系催化剂也能够用作转化催化剂IOa和选择性 氧化催化剂11a。将选择性氧化部11连接至选择性氧化空气供给通道lib用于使选择性氧化催化剂Ila实现氧化反应。此外，将原料气体供给通道14连接至第一气体流路M的上部 位置。尽管本实施方案参照使用借助于选择性氧化反应减少一氧化碳浓度的选择性氧化 部11作为选择性氧化部11的实例来描述，但一氧化碳浓度也可以例如通过甲烷化反应 (methanation reaction)来减少。转化部10设置有用于测量转化催化剂IOa的温度的转化温度传感器10b。在启 动操作燃料电池系统1时，转化温度传感器IOb也能够用于其中控制部5根据检测的转化 催化剂IOa的温度推定从吸附至转化催化剂IOa的原料气体中脱附的脱附原料气体量的情况。燃料处理器3的外部用未图示的热绝缘体覆盖。因而，考虑到部的热绝缘，设置燃 料处理器从而实现达到稍后所述的温度平衡。参照图3，提供下列用于解释本发明点；即，燃料电池系统1的转化部10的转化催 化剂IOa的温度和从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气体量之间的关系。图3为示出本发明第一实施方案燃料电池系统1的转化部10的转化催化剂IOa 的温度和从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气体量之间的关系的图。图3示出试验结果。具体地，使用仅转化部10用转化催化剂IOa填充的实验性生 产的燃料处理器3。将给定量LPG从原料气体供给装置6直接供给至燃烧器部12并与预定 燃烧空气一起燃烧。当转化催化剂IOa借助于燃烧废气加热时所需的转化催化剂IOa的温 度和作为从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气体的LPG量，用经过的时间测量。在以下 描述中，根据需要，下文中提供作为脱附原料气体的LPG作为脱附LPG。图3的横轴表示自开始加热转化催化剂IOa起经过的时间；图3的第一纵轴表示 LPG的流量；和第二纵轴表示转化催化剂IOa的温度。图3中的虚线表示从转化催化剂IOa 中脱附的脱附LPG量，和实线表示转化催化剂IOa的温度。为了与从转化催化剂IOa中脱 附的脱附LPG量进行比较，作为从原料气体供给装置6中供给的原料气体的LPG量通过图 3中的破折线指定。如图3中所示，当开始加热转化催化剂IOa时，几乎等于外部空气温度的转化催化 剂IOa的温度，即约25°C，以基本上给定的速率逐渐升高。随着转化催化剂IOa的温度的增 加，从转化催化剂IOa中脱附的脱附LPG的脱附开始，以及脱附LPG量保持增加直至温度为 约60°C。随后，脱附LPG量在从当增加转化催化剂IOa的温度时直到当温度达到约180°C 时的期间内逐渐减少。然而，保持排出LPG。因此，根据图3中所示的试验结果的转化催化剂IOa的温度和从转化催化剂IOa 中脱附LPG量之间的相互关系作为计算公式在控制部5中存储。脱附LPG的量由通过转化 温度传感器IOb检测的转化催化剂IOa的温度推定。由此控制部5根据脱附LPG的量和作为供给至燃烧器部的原料气体的LPG量控制
燃烧空气量。吸附至转化催化剂IOa的LPG量根据转化催化剂IOa的填充量以及转化催化剂 IOa的形状和类型改变。即使当使用其他的烃类原料气体如城市煤气时，吸附至转化催化 剂IOa的LPG量也改变。由于转化温度传感器IOb测量转化催化剂IOa的一部分的温度， 并且转化催化剂的温度和脱附原料气体量根据转化温度传感器IOb的位置改变。因此，为 了解决该事实，重要的是预先确定转化催化剂IOa的温度和从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气体量之间的关系，以及在控制部5中存储因此确定的关系。类似于转化催化剂10a，可以测量通过加热重整催化剂9a和选择性氧化催化剂 Ila而从重整催化剂9a和选择性氧化催化剂Ila中脱附的脱附LPG量。根据测量结果将重 整催化剂9a的温度、选择性氧化催化剂Ila的温度和脱附LPG量之间的关系在控制部5中 存储。由此能够推定从重整催化剂9a和选择性氧化催化剂Ila中脱附的脱附LPG量。然 而，用于第一实施方案的重整催化剂9a和选择性氧化催化剂Ila吸附极少的LPG。当与从 原料气体供给装置6中供给的LPG量比较时，随着温度上升脱附的脱附LPG量不充分地少。 出于该原因，在将从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气体量取作主要参数的同时进行控 制。具有前述构造的燃料电池系统1的操作和优点在下文中参照图1和2描述。首先描述在正常发电期间进行的燃料电池系统1的操作。首先，原料气体供给装置6用作为与从水蒸汽产生装置4中供给的水蒸汽混合的 原料气体的LPG供给其中重整催化剂9a的温度维持在约700°C的重整部9。包括氢气、一 氧化碳和水蒸汽的重整气体借助于水蒸汽重整反应和经由重整部9的重整催化剂9a而产 生。接下来，将从重整部9中放出的重整气体供给至用转化部10的转化催化剂IOa填 充的层并从下至上流通通过该填充层。由于维持在约200-300°C的转化催化剂IOa的作用， 此时发生由在重整气体中包括的一氧化碳和水蒸汽产生二氧化碳和氢气的转移反应。重整 气体中的一氧化碳浓度由此减少至约0. 5%以下。将从转化部10中放出的重整气体与经由选择性氧化空气供给通道lib供给的少 量空气一起额外供给至用选择性氧化部11的选择性氧化催化剂Ila填充的层，和重整气体 从下至上流通通过该填充层。由于维持在约100-200°C的选择性氧化催化剂Ila的作用，此 时将重整气体中的一氧化碳进行氧化。重整气体中一氧化碳的浓度进一步减少至IOppm以 下。从选择性氧化部11中放出的重整气体经过关闭燃料电池旁路阀16以及开启燃料 电池入口阀17和燃料电池出口阀18的原料气体通道15，因而使其向燃料电池2的阳极电 极2b供给。将作为重整气体中氢气的一部分通过发电消耗的结果排出的废气和通过燃烧 空气风扇7供给的空气供给至燃烧器部12，以及将该气体和空气通过燃烧器部12燃烧。重 整催化剂9a通过废气的燃烧热加热并维持在约700°C。燃烧废气流通通过在转化部10和 选择性氧化部11中的内部通道，由此转化催化剂IOa维持在约200-300°C，并且选择性氧化 催化剂Ila维持在约150-200°C。同时，空气借助于阴极鼓风机8向燃料电池2的阴极电极2c供给。空气中氧气的 一部分通过发电消耗，并且使废气从燃料电池系统1排出至外部。通过燃料电池2产生的电力通过未图示的外部负荷消耗。在下文中描述在暂停发电期间进行的燃料电池系统1的操作。首先，在断开燃料电池2和外部负荷之间的连接之后，停止空气通过阴极鼓风机8 供给至燃料电池2和通过原料气体供给装置6供给原料气体。同时，关闭燃料电池旁路阀 16、燃料电池入口阀17和燃料电池出口阀18。此时同时停止水蒸汽产生装置4，由此也停 止水蒸汽经由水蒸汽通道如供给至原料气体供给通道14。
接下来，当在经过预定时间之后将重整催化剂9a的温度通过外部空气冷却至约 300°C时，关闭燃料电池旁路阀16，由此原料气体供给装置6依次供给作为原料气体的LPG 至重整部9、转化部10和选择性氧化部11。因而将含水蒸汽的重整气体吹扫至用各催化剂 填充的各层。由于此时转化催化剂IOa的温度和选择性氧化催化剂Ila的温度为100°C以 上，重整气体中的水蒸汽将不在各催化剂表面上冷凝。随后，在LPG已供给预定时间使得可 以借助于LPG从各催化剂填充的各层中充分地吹扫含水蒸汽的重整气体之后，关闭燃料电 池旁路阀16，由此停止原料气体供给装置6。此外，当燃料处理器3作为因为燃料处理器的温度和环境大气的温度之间的差异 而散热的结果变冷时，燃料处理器3的内压因为在燃料处理器3中加热的LPG的体积收缩 而减少。然而，原料气体供给装置6在预定时间供给LPG，于是燃料处理器3的内压维持在 正压下。根据需要，出于维持内压在正压下的目的用LPG供给燃料处理器3的操作，在下文 中作为保持压力操作描述。借助于吹扫和保持压力操作，转化催化剂IOa在温度下降之后充分地吸附LPG。由 于实际上城市煤气和LPG为含烃类气体组分如甲烷和丙烷的混合气体，催化剂吸附的容易 性根据各烃类气体改变。具体地，较高分子量的烃类气体组分与较低分子量的烃类气体组 分相比趋于更容易被吸附。然而，由于用作主要组分的丙烷占本实施方案中采用的LPG组 合物的约98%，因此即使当LPG作为实质上含单一组分或丙烷的气体处理时也不会产生问 题。因此，吸附至转化催化剂IOa的原料气体的组分也作为原料气体描述。本实施方案的启动操作燃料电池系统在下文中参照附图描述。图4为示出在启动操作本发明第一实施方案的燃料电池系统时主要部分的控制 流的流程图。如图4中所示，在启动操作燃料电池系统1时首先开启燃料电池旁路阀16，并且原 料气体供给装置6将预定量的作为原料气体的LPG供给重整部9 (步骤Si)。随后，LPG依 次流通通过转化部10和选择性氧化部11并经由原料气体通道15的燃料电池旁路通道1 供给至燃烧器部12。同时，燃烧空气风扇7以与通过原料气体供给装置6供给的LPG的流 量相当的空气量发送至燃烧器部12 (步骤Si)，由此LPG通过点火器点火(步骤S2)。当燃烧器部12开始燃烧LPG时，所得热加热重整部9的重整催化剂9a，于是重整 催化剂9a的温度(TkK)增加。同时，燃烧废气依次经过在转化部10和选择性氧化部11中 的燃烧废气通道13，由此加热转化催化剂IOa和选择性氧化催化剂11a。转化催化剂IOa 的温度(ThH)和选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)增加。接下来，转化温度传感器IOb检测转化催化剂IOa的温度(ThH)，由此进行比较 (步骤S3)。此时，当转化催化剂IOa的温度(ThH)低于预定温度(Thl)时(在步骤S3中 为否)，将从吸附至转化催化剂IOa的LPG中脱附的脱附LPG量基于在控制部5中存储的信 息进行推定(步骤S4)。调节通过燃烧空气风扇7供给至燃烧器部12的燃烧空气量以使 其变为与通过原料气体供给装置6供给的LPG和将脱附的脱附LPG(推定值)的总量相当 (步骤S5)。与在步骤Sl和步骤S5中相关描述的LPG的流量相当的燃烧空气量为包括足以完 全燃烧供给至燃烧器部12的LPG的氧气量的空气量的预定倍数，因而将LPG分解为二氧化 碳和水(水蒸汽)。空气量与LPG量的比在下文中作为空燃比描述。具体地，例如，1.0的空燃比为当理想地燃烧供给空气中氧气和LPG时将LPG以恰好的比例分解为二氧化碳和水 时的比例。例如，2.0的空燃比为供给空气中的一半氧气未用于燃烧并仍残留于燃烧废气中 时的比例。在本实施方案的燃料电池系统1中，在步骤Sl和S5中的空燃比设为2. 5-3.0。如 果空燃比太大或太小，则劣化可燃性。即使点燃LPG，也将发生不完全燃烧，由此生产一氧化 碳。一氧化碳将作为燃烧废气排出至燃料电池系统外，这会引起失火。在此情况下，持续地进行根据通过转化温度传感器IOb检测的温度调整燃烧空气 量(步骤S5)直到转化催化剂IOa的温度(ThH)达到预定温度(Thl)以上(在步骤S3中 为是)，重整催化剂9a的温度(ThK)达到200°C以上；转化催化剂IOa的温度(ThH)达到 180°C以上；和选择性氧化催化剂Ila的温度( 达到150°C以上(在步骤S6中为是)。接下来，当重整催化剂9a的温度(ThK)达到200°C以上；转化催化剂IOa的温度 (ThH)达到180°C以上；和选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)达到150°C以上(在步骤S6 中为是)时，开始来自水蒸汽产生装置4中的水蒸汽经由水蒸汽通道如供给至原料气体供 给通道14。将含LPG和水蒸汽的混合气体供给至用重整部9的重整催化剂9a填充的层，于 是开始重整LPG为氢气(步骤S7)。调节燃烧空气量以使空燃比达到1.5-2.0。如果当重 整催化剂9a的温度、转化催化剂IOa的温度和选择性氧化催化剂Ila的温度不超过100°C 时供给水蒸汽，水蒸汽将冷凝，这会阻碍气流。出于该原因，需要在步骤S6中选择“是”，即 重整催化剂9a的温度(ThK)为200°C以上、转化催化剂IOa的温度(ThH)为180°C以上和 选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)为150°C以上，为在具有各温度分布的全部催化剂达到 100°C以上时温度传感器的温度。如果当重整催化剂9a的温度超过400°C时不供给水蒸汽， 碳将沉积在重整催化剂表面上，这会劣化催化剂的功能。出于该原因，需要如下方式的设计 考虑在重整催化剂9a的温度(ThK)超过400°C之前，转化催化剂IOa的温度(ThH)和选 择性氧化催化剂Ila的温度( 超过100°C。现在关于以下进行确定各催化剂是否在各预定温度下；即，重整催化剂9a是否 落入约600-700°C的温度范围内；转化催化剂IOa是否落入约200-300°C的温度范围内；和 选择性氧化催化剂Ila是否落入约150-200°C的温度范围内(步骤S8)。当各催化剂的温度 低于它们的各自温度范围(在步骤S8中为否)时，各催化剂的反应不充分。即，由于重整 气体中的氢气量小和由于一氧化碳量大，使仍处于升温过程中的重整气体流通通过燃料电 池旁路通道15b。当各催化剂的温度已增加至各自预定温度范围(在步骤S8中为是)时， 在重整气体的组分已变得稳定之后关闭燃料电池旁路阀16。同时，将重整气体通过开启燃 料电池入口阀17和燃料电池出口阀18供给至燃料电池2的阳极电极2b，并开始发电。当 各催化剂的温度在各自预定温度范围外(在步骤S8中为否)时，进行与现有技术中进行的 控制类似的控制，并等待处理直到温度落入各自温度范围内。如上所述，根据第一实施方案的燃料电池系统1，在启动操作时将通过转化催化剂 IOa的温度的增加引起的原料气体的脱附根据通过转化温度传感器IOb检测的转化催化剂 IOa的温度推定。将燃烧空气供给至燃烧器部12并在燃烧器部12中燃烧，以致预定空燃比 在脱附气体的推定量和供给的原料气体量的总和下获得。结果，在抑制不完全燃烧的发生 的同时实现稳定的燃烧，并能够可靠地进行启动操作燃料电池系统1。第一实施方案的燃料电池系统1已经参照在启动操作燃料电池系统1时从转化催
15化剂IOa中脱附的脱附LPG量根据检测转化催化剂IOa的温度的转化温度传感器IOb的值 推定的实例描述。然而，燃料电池系统不限制于此类实例。例如，如图5中所示，转化催化 剂IOa的温度借助于测量自从开始加热起经过的时间(tl)的计时器推定。从转化催化剂 IOa中脱附的脱附LPG量也能够从由此推定的温度中进一步推定。假定LPG量的方法在下 文中具体参照图5描述。图5为示出在启动操作该实施方案的燃料电池系统1时重整催化剂9a的温度、转 化催化剂IOa的温度和选择性氧化催化剂Ila的温度如何增加的特征图。如图5中所示，重整催化剂9a的温度(ThK)、转化催化剂IOa的温度(ThH)和选择 性氧化催化剂Ila的温度(ThS)由自从开始加热重整催化剂9a、转化催化剂IOa和选择性 氧化催化剂Ila起经过的时间(tl)来确定。首先，在启动操作燃料电池系统时，计时器测 量自从开始加热起经过的时间(tl)，由此假定此时完成转化催化剂IOa的温度。从转化催 化剂IOa中脱附的脱附LPG量根据转化催化剂IOa的温度推定。燃烧空气量基于经由控制 部5的假定而调节和控制。在此情况下，在开始加热时转化催化剂IOa的温度(ThH)必须 是已知的。然而，通过测量重整催化剂9a的温度的温度传感器测量的温度或通过测量选择 性氧化催化剂Ila的温度的温度传感器测量的温度可以取代温度(ThH)。本实施方案的燃料电池系统1已经借助设置有用于检测转化催化剂IOa的温度 (ThH)的转化温度传感器IOb的实例来描述。没有提供关于用于检测重整催化剂9a的温 度(ThK)和选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)的部件的描述。然而，也可以分别设置用 于检测重整催化剂9a的温度的重整温度传感器和用于检测选择性氧化催化剂Ila的温度 的选择性氧化温度传感器。可选择地，重整催化剂9a的温度和选择性氧化催化剂Ila的温 度也能够由通过转化温度传感器IOb检测的转化催化剂IOa的温度来检测。用于本发明第一实施方案的燃料电池系统1的其他的启动操作方法在下文中参 照图6描述。图6为在用于本发明第一实施方案的燃料电池系统1的其他启动操作方法中用于 描述主要部分的控制流的流程图。如图6中所示，在启动操作燃料电池系统1时首先将燃料电池旁路阀16开启，由 此起动原料气体供给装置6和燃烧空气风扇7，从而由此供给作为原料气体的LPG和空气 (步骤Si)。供给至燃烧器部12的LPG和燃烧空气通过点火器点火(步骤S2)。因此，在燃 烧器部12中开始LPG燃烧，以致转化催化剂IOa的温度(ThH)因此增加。将转化催化剂IOa的温度(ThH)和预定温度(Thl)进行相互比较(步骤S3)。当 转化催化剂IOa的温度(ThH)超过预定温度(Thl)时(在步骤S3中为是)，原料气体供给 装置6停止(步骤S4)。此时停止将从原料气体供给装置6中作为原料气体的LPG供给至 燃烧器部12。然而，已经将从转化催化剂IOa中脱附的脱附LPG供给至燃烧器部12，以致 顺序燃烧。现在将转化催化剂IOa的温度(ThH)和预定温度(TM)进行相互比较(步骤S5)。 当转化催化剂IOa的温度(ThH)低于预定温度(Th2)时(在步骤S5中为否)，控制部5推 定从吸附至转化催化剂IOa的LPG中脱附的脱附LPG量(步骤S6)。调节通过燃烧空气风 扇7供给至燃烧器部12的燃烧空气量以使其变为与从转化催化剂IOa中脱附的脱附LPG 量相当(步骤S7)。
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当转化催化剂IOa的温度(ThH)超过预定温度(Th2)时(在步骤S5中为是)，再 次起动原料气体供给装置6，由此从原料气体供给装置6中用LPG供给燃烧器部12 (步骤 S8)。此时，调节通过燃烧空气风扇7供给至燃烧器部的燃烧空气量以使其变为与通过原料 气体供给装置6供给的LPG和脱附LPG的总量相当(步骤S9)。持续地进行根据通过转化温度传感器IOb检测的温度调整燃烧空气量(步骤S9) 直到重整催化剂9a的温度(ThK)达到200°C以上；转化催化剂IOa的温度(ThH)达到180°C 以上；和选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)达到150°C以上(在步骤SlO中为是)。当重整催化剂9a的温度(ThK)已达到200°C以上；转化催化剂IOa的温度(ThH) 已达到180°C以上；和选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)已达到150°C以上时(在步骤 SlO中为是)，水蒸汽产生装置4开始将水蒸汽经由水蒸汽通道如供给至原料气体供给通 道14。将含LPG和水蒸汽的混合气体供给至用重整部9的重整催化剂9a填充的层，于是开 始LPG重整为氢气(步骤Sll)。调节燃烧空气量以致空燃比达到1. 5-2. 0。现在做出关于以下的确定各催化剂是否在各预定温度下；即，重整催化剂9a是 否落入约600-700°C的温度范围内；转化催化剂IOa是否落入约200-300°C的温度范围内； 和选择性氧化催化剂Ila是否落入约150-200°C的温度范围内(步骤S12)。当各催化剂的 温度低于它们各自温度范围(在步骤S12中为否)时，各催化剂的反应不充分。即，重整气 体中的氢气量小和该气体中的一氧化碳量大。因此，使处于升温过程中的重整气体流通通 过燃料电池旁路通道15b。当各催化剂的温度已增加至它们的预定温度范围(在步骤S12 中为是)时，在重整气体的组分已变得稳定之后关闭燃料电池旁路阀16。同时，将重整气体 通过开启燃料电池入口阀17和燃料电池出口阀18供给至燃料电池2的阳极电极2b，并开 始发电。如上所述，在用于第一实施方案的燃料电池系统1的其他启动操作方法下，在图6 中示出的步骤S8之前，与图5中示出的各催化剂温度的增加相比，可以使各催化剂温度的 增加更缓和。由此可以防止用各催化剂填充的各层的温度分布(变化)的发生。变得可以 防止在其它方面可能通过在各催化剂中和制成燃料处理器3的各圆筒体中急剧的温度改 变引起的劣化。在控制第一实施方案的另一个启动操作期间，在转化催化剂IOa的温度已达到预 定温度Thl之后，原料气体供给装置停止供给LPG。然而，控制操作不限于此。例如，如从图 5中示出的在自从开始加热起经过的时间和转化催化剂IOa的温度之间的关系显而易见的 是，在自从开始加热转化催化剂IOa起经过预定时间之后原料气体供给装置6也能够停止 供给LPG。第一实施方案的燃料电池系统1参照将在启动操作燃料电池系统1时通过燃烧器 部12燃烧的原料气体经由燃料处理器3供给至燃烧器部12的构造的实例来描述。然而， 该构造不限于该实例。例如，也可以采取装配有将原料气体从原料气体供给装置中直接供 给至燃烧器部12的通道(未示出)和其中在启动操作燃料电池系统1时将原料气体直接 供给至燃烧器部12的构造，从而由此燃烧原料气体。为了防止在其它方面可能通过燃料处 理器3的温度增加引起的压力增加，此时，应当使原料气体通道从燃料处理器3连通至燃烧 器部12。在如上所述构造的情况下，通过推定从各催化剂中脱附的脱附原料气体量和调整 燃烧空气量还可以产生类似的优点。
以如下为例描述该实施方案仅将从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气体量作 为目标和调节燃烧空气量的燃料电池系统1。出于此的原因是该实例基于如下试验结果，所 述试验结果显示用于第一实施方案的重整催化剂9a和选择性氧化催化剂Ila吸附的作为 原料气体的LPG量极少，并且对通过吸附LPG量施加的空燃比的影响充分小。然而，当原料气体的类型和催化剂的类型与形状改变时，原料气体通常通过除了 转化催化剂IOa以外的重整催化剂9a和选择性氧化催化剂Ila吸附。存在脱附的脱附原 料气体量对空燃比的影响随着温度的增加而增加的情况。在此情况下，实验性地确定重整 部9、转化部10和选择性氧化部11中的各部随着催化剂温度的增加脱附的脱附原料气体 量。在启动操作燃料电池系统1时从催化剂中脱附的脱附原料气体量由单独催化剂的温度 推定。也可以调节和控制燃烧空气量以致关于从各催化剂中脱附的脱附原料气体总量与从 原料气体供给装置中供给的原料气体量的空燃比达到预定比例。能够实现防止不完全燃烧 发生、能够有可靠的启动操作和显示更高可靠性的燃料电池系统。(第二实施方案)图7为示出本发明第二实施方案的燃料电池系统1的构造的示意图。在图7中， 将与图1中所示的那些相同的构成元件指定相同的附图标记，并为了简洁在此省略它们的解释。如图7中所示，本实施方案的燃料电池系统1与第一实施方案的燃料电池系统1 的不同之处在于在第一实施方案方面描述的燃料电池系统1的转化部30设置有转化加热 器31以及选择性氧化部32设置有选择性氧化加热器33。如图7中所示，配置第二实施方案的燃料电池系统1以使转化加热器31设置在其 中转化加热器31不接触转化催化剂IOa的转化部30的外部，和选择性氧化加热器33设置 在其中选择性氧化加热器33不接触选择性氧化催化剂Ila的选择性氧化部32的外部。转 化加热器31和选择性氧化加热器33例如为在施用电力时产生热的电加热器，由此加热转 化部30和选择性氧化部32。启动操作本发明第二实施方案的燃料电池系统1在下文中通过使用图8同时参照 图7描述。图8为示出在启动操作本发明第二实施方案的燃料电池系统1时主要部分的控制 流的流程图。有时省略关于与在第一实施方案方面描述的那些相同的那些元素的详细解 释。如图8中所示，在启动操作燃料电池系统1时，原料气体供给装置6首先将作为原 料气体的LPG供给燃烧器部12，燃烧空气风扇7将燃烧空气供给燃烧器部12 (步骤Si)。 在燃烧器部12中，未图示的点火器点燃由此供给的LPG和燃烧空气，由此产生燃烧(步骤 S2)。由此所得燃烧废气依次流通通过设置在不直接接触转化催化剂IOa的转化部30中和 不直接接触选择性氧化催化剂Ila的选择性氧化部11中的燃烧废气通道13。结果，开始从 内部加热转化催化剂IOa和选择性氧化催化剂11a。同时，此时将电力施用至转化加热器31和选择性氧化加热器33，由此也从外部加 热转化催化剂IOa和选择性氧化催化剂Ila (步骤S2a)。持续地进行转化加热器31和选择 性氧化加热器33的加热操作直到通过转化温度传感器IOb检测的转化催化剂IOa的温度 (ThH)达到预定温度(Tha)(在步骤S3a中为是)。在转化催化剂IOa的温度(ThH)已经达到或超过预定温度之后，停止将电力施用至转化加热器31和选择性氧化加热器33，因此仅 留下通过燃烧废气引起的加热。稍后将描述预定温度(Tha)。然后控制部5比较转化催化剂IOa的温度(ThH)与预定温度(Thl)(步骤S3)。从 转化催化剂IOa中脱附的脱附LPG量根据转化催化剂IOa的温度(ThH)(步骤S4)推定直到 通过转化温度传感器IOb检测的转化催化剂IOa的温度(ThH)超过预定温度(Thl)(在步 骤S3中为否)。此外，脱附LPG量与通过原料气体供给装置6供给的作为原料气体的LPG 量结合，并且由此结合的LPG与预定量的燃烧空气在燃烧器部12中一起燃烧(步骤S5)。迄今描述的操作类似于在第一实施方案方面描述的操作。然而，在第二实施方案 中，从两侧即双层圆筒状填充层的内壁和外壁加热转化催化剂10a。因此，在通过转化温度 传感器IOb检测的温度下，转化催化剂IOa的温度分布可以不同于在第一实施方案方面描 述的转化催化剂的温度分布。因此，通过转化温度传感器IOb检测的温度(ThH)和从转化 催化剂IOa中脱附的脱附LPG量可依赖于转化温度传感器IOb的位置而使设置转化加热器 31的情况不同于不设置转化加热器31的情况。持续地进行加热转化加热器31和选择性氧化加热器33的预定温度(Tha)首先是 即使当将原料气体在100°c以上的温度下与水蒸汽混合的同时供给至转化催化剂IOa和选 择性氧化催化剂Ila时也不冷凝的温度，和在将水蒸汽供给至燃料处理器3的同时与LPG 混合之前的温度。具体地，第二实施方案的燃料电池系统1进行控制操作，以当转化温度传 感器IOb已检测到约180°C的温度时切断转化加热器31和选择性氧化加热器33的电源供 应。在第二实施方案的燃料电池系统1中，选择性氧化催化剂的温度还是约150°C。如上所述，在第二实施方案的燃料电池系统1中，作为在启动操作时转化催化剂 IOa的温度增加的结果脱附的脱附原料气体量由通过转化温度传感器IOb检测的转化催化 剂IOa的温度推定。根据推定的脱附气体和供给的原料气体的总量，将燃烧空气供给至燃 烧器部12，以致达到预定的空燃比，由此产生燃烧。结果，在防止不完全燃烧发生的同时可 以产生稳定的燃烧，并且必定进行启动操作燃料电池系统1。此外，在短时间内加热转化催 化剂IOa和选择性氧化催化剂Ila至预定温度使得可以缩短通过启动操作消耗的燃料电池 系统1的上升时间(rise time)。第二实施方案的燃料电池系统1参照启动操作燃料电池系统1通过使用转化加热 器31和选择性氧化加热器33进行的实例来描述。然而，启动操作燃料电池系统不限于使 用两个加热器。例如，在不使用选择性氧化加热器33的情况下也可以仅设置转化加热器。 在此情况下，用流通通过转化催化剂IOa填充的层的原料气体借助于通过转化加热器31进 行的加热转化催化剂IOa以及借助于通过燃烧废气进行的加热转化催化剂IOa来加热。将 由此加热的原料气体供给至用选择性氧化催化剂Ila填充的层。因此，当与不设置转化加 热器31的情况相比时，能够在较短时间内加热选择性氧化加热器11a。结果，以低成本有效 地建立在启动操作时存在期望较短的上升时间的燃料电池系统1。第二实施方案的燃料电池系统1参照其中电加热器用于转化加热器31和选择性 氧化加热器33的实例来描述。然而，该加热器不限于电加热器。例如，还可以设置具有类 似于燃烧器部12的构造的加热燃烧器部。由此变得可以消除加热器的功率消耗并以简单 构造实现显示更高的系统效率的燃料电池系统1。此外，能够使燃烧器部还用作加热燃烧器 部。由此能够进一步简化燃料电池系统的构造。此时，也能够配置加热燃烧器部以额外地
19加热重整部9。用于启动本发明第二实施方案的燃料电池系统1的其他方法在下文中参照图9描 述。图9为在启动本发明第二实施方案的燃料电池系统1的其他方法中用于描述主要 部分的控制流的流程图。如图9中所示，在启动操作燃料电池系统1时首先开启燃料电池旁路阀16，并起动 原料气体供给装置6和燃烧空气风扇7，由此用作为原料气体的LPG和燃烧空气供给燃烧器 部12(步骤Si)。通过使用未图示的点火器进行点火，由此开始LPG的燃烧(步骤S2)。随后，在转化催化剂IOa的温度的增加通过使用转化温度传感器IOb已经确定之 后，开始将电力应用至转化加热器31和选择性氧化加热器33，以及加热器开始加热各催化 剂(步骤S3)。此时，停止通过原料气体供给装置6提供的原料气体供给，并且仅燃烧随着 转化催化剂IOa的温度的增加变得从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气体(步骤S4)。接下来，现在相互比较转化催化剂IOa的温度(ThH)和预定温度(Thl)(步骤S5)。 从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气体量首先由通过转化温度传感器IOb检测的转化催 化剂IOa的温度推定(步骤S6)直到转化催化剂IOa的温度(ThH)超过预定温度(Thl)(在 步骤S5中为否)。然后调节通过燃烧空气风扇7输送出的空气量(步骤S7)。燃料电池系 统以与其他实施方案相同的方式沿着以下步骤SlO的控制流开始。当转化催化剂IOa的温度(ThH)超过预定温度(Thl)(在步骤S5中为是)时，在 经过预定时间之后，在保持未图示的点火器运转的同时，原料气体供给装置6重新开始供 给作为原料气体的LPG (步骤S8)。接下来，调节通过燃烧空气风扇7供给至燃烧器部12的燃烧空气量以使其变为与 通过原料气体供给装置6供给的LPG和脱附LPG的总量相当(步骤S9)。燃料电池系统1随着如在其他实施方案中的以下步骤SlO的控制流进行启动操作。在上述已描述单独源于从转化催化剂IOa中脱附的脱附LPG的燃烧参照持续地进 行燃烧直到转化催化剂IOa的温度(ThH)达到预定温度(Thl)的实例。然而，也可以采取 用于在达到预定温度(Thl)之前保持燃烧一段给定时间的其他的方法。预定温度(Thl)指 明在以下时的转化催化剂IOa的温度当充分量的LPG通过吸附至转化催化剂IOa时，从转 化催化剂IOa中脱附的脱附LPG量变得比通过原料气体供给装置6供给的作为原料气体的 LPG量充分地小至脱附LPG量不太(not much)影响空燃比的程度。此外，预定时间指明在 脱附LPG量变得充分较小之前经过的时间。根据第二实施方案，优先燃烧从吸附至转化催化剂IOa的原料气体中脱附的脱附 原料气体。当与连同从原料气体供给装置中供给的原料气体同时燃烧脱附原料气体的情况 相比时，即使增加通过原料气体供给装置供给的原料气体量也能够使重整催化剂9a的温 度的增加缓和。由此可以防止用重整催化剂9a填充的层的温度分布的变化，否则这可能当 重整催化剂9a的温度增加急剧时产生，和重整催化剂9a的断裂，否则这可能通过由于急剧 温度改变的应力而引起。结果，能够实现稳定的启动操作和长期可靠性地操作的燃料电池 系统1。具体地，当将在启动操作时从催化剂中脱附的脱附原料气体和通过原料气体供给装置供给的原料气体混合并在燃烧器部12中燃烧时，必须使从原料气体供给装置中供给 的原料气体量充分地较小。同时，在发电期间，必须供给将转变为发电需要的重整气体材料 的原料气体量同时将进行吸热反应的水蒸汽重整的重整部9的温度借助于废气中氢气的 燃烧维持在约700°C。为此，能够通过控制流量在宽范围内供给原料气体的原料气体供给装 置变得必需，这相应地导致热发电系统(heat generation system)的大型化和复杂化。根据第二实施方案，可以借助于控制开/关转化加热器31和控制加热器输出控制 转化催化剂IOa的温度的增加。此外，也能够调节从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气 体的流量。结果，可以借助于比较简单的构造使能够控制重整催化剂9a的升温速率的燃料 电池系统具体化。第二实施方案参照包括以下的实例来描述作为原料气体的LPG从原料气体供给 装置中最初供给至燃烧器部12、借助于点火器点燃LPG、开始加热器的加热操作和随后停 止从原料气体供给装置中供给LPG，并开始仅燃烧从转化催化剂IOa中脱附的脱附LPG。然 而，第二实施方案不限于该操作次序。例如，可以借助于加热器首先开始加热转化催化剂 10a，然后可以将从催化剂中脱附所得的脱附LPG点燃。即使在此情况下，也产生类似的操 作和工作效应。尽管第二实施方案的燃料电池系统1借助于采取电加热器作为转化加热器31和 选择性氧化加热器33的例子来描述，然而，该加热器不限于电加热器。例如，也可以设置具 有类似于燃烧器部12的构造和在启动操作时要用于加热催化剂的加热燃烧器部。具有加热燃烧器部的燃料电池系统的构造的实例在下文中参照附图描述。图10为说明本发明第二实施方案的燃料电池系统的其他实例的示意图。如图10中所示，本实施方案的燃料电池系统1另外具有燃烧器部12、加热燃烧器 部34、前述阶段燃烧器部的方向控制阀35和燃烧空气通道转换阀36。根据来自控制部5 的信号，前述阶段燃烧器部方向控制阀35在燃烧器部12和加热燃烧器部34之间转换来自 原料气体通道15的原料气体，并随后供给气体至由此选择的燃烧器部。根据来自控制部5 的信号，燃烧空气通道转换阀36在燃烧器部12和加热燃烧器部34之间转换燃烧空气，然 后供给气体至选择的燃烧器部。加热燃烧器部34以与燃烧器部12进行的相同方式借助于 燃烧热和燃烧废气加热重整催化剂9a、转化催化剂IOa和选择性氧化催化剂11a。此时，能够使加热燃烧器部34比燃烧器部12更小并能够燃烧甚至少量的原料气 体以及还加强控制各催化剂的升温速率。因此，在启动操作燃料电池系统时使用加热燃烧 器部34，由此能够以相对更高的准确度控制给予催化剂的热量。如上所述，根据本实施方案，另外设置加热燃烧器部34从而由此以相对更高的准 确度控制催化剂中温度增加的速率，以致能够以更高的准确度控制脱附原料气体量。因此 可以使能够保持燃烧器部12的空燃比在预定范围内和进行稳定的启动操作的燃料电池系 统具体化。(第三实施方案)图11为示出根据本发明第三实施方案的燃料电池系统1的构造的示意图。在图 11中，将与在第一和第二实施方案方面中描述的燃料电池系统1的那些相同的构成元件指 定相同的附图标记，并省略它们的解释。如图11中所示，第三实施方案的燃料电池系统1与在第一实施方案方面中描述的
21燃料电池系统的不同之处在于将原料气体通道15运行通过的流量计40配置在第一实施 方案方面中描述的燃料电池系统1的原料气体通道15中。在启动操作燃料电池系统1时，流量计40测量从原料气体供给装置6中供给的原 料气体和从燃料处理器3的催化剂中脱附的脱附原料气体的总量。词“供给至燃烧器部12 的燃烧气体”在启动操作燃料电池系统1时指定从原料气体供给装置6中供给的原料气体 和从燃料处理器3的催化剂中脱附的脱附原料气体。将流量计40以通过流量计40测量的 燃烧气体的流量作为信号输入至控制部5这样的方式布线。在启动操作第三实施方案的燃料电池系统1时进行的操作在下文中通过使用图 12同时参照图11描述。图12为示出在启动操作第三实施方案的燃料电池系统1时主要部分的控制流的 流程图。在一些情况下省略关于与其他实施方案的它们相应部分类似的本实施方案的部分 的详细解释。如图12中所示，在启动操作燃料电池系统1时，原料气体供给装置6将预定流量 的作为原料气体的LPG供给至燃烧器部12 ；和燃烧空气风扇7也将预定流量的燃烧空气供 给至燃烧器部12 (步骤Si)。首先将作为原料气体的LPG经由原料气体供给通道14供给至 重整部9。LPG顺序地流通通过转化部10和选择性氧化部11并由此经由原料气体通道15 的燃料电池旁路通道1 供给至燃烧器部12。在该时间点，仅将作为从原料气体供给装置 6中供给的原料气体的LPG作为燃烧气体供给至燃烧器部12。在燃烧器部12中由此供给的LPG和燃烧空气借助于未图示的点火器点燃，于是开 始燃烧(步骤S》。当燃烧器部12开始燃烧LPG时，通过燃烧热开始加热重整部9的重整 催化剂9a，于是重整催化剂9a的温度(ThK)开始增加。同时，燃烧废气流动通过位于转化 部10和选择性氧化部11中的燃烧废气通道13，由此开始加热转化催化剂IOa和选择性氧 化催化剂11a。转化催化剂IOa的温度(ThH)和选择性氧化催化剂Ila的温度( 开始 增加。当转化催化剂IOa的温度开始增加时，吸附至转化催化剂IOa的LPG开始脱附，并 将由此脱附的LPG作为脱附LPG供给至燃烧器部12。因此，燃烧器部12用作为燃烧气体 的LPG供给，所述LPG是从原料气体供给装置6中供给的原料气体和脱附LPG。此时，流量 计40开始检测燃烧气体的流量，控制部5根据通过流量计40检测的燃烧气体的流量开始 调节燃烧空气的流量(步骤S3)。将重整催化剂9a的温度(ThK)、转化催化剂IOa的温度(ThH)和选择性氧化催化 剂Ila的温度(ThS)与它们各自预定温度比较(步骤S4)。当任何重整催化剂9a的温度 (ThK)、转化催化剂IOa的温度(ThH)和选择性氧化催化剂Ila的温度( 低于其预定温 度(在步骤S4中为否)时，持续地进行根据通过流量计40检测的燃烧气体的流量调节燃 烧空气的流量。在第三实施方案的燃料电池系统1中，将各预定温度以与第三实施方案燃 料电池系统1相同的方式如下设定；即，重整催化剂9a的温度(ThK)设为200°C;转化催化 剂IOa的温度(ThH)设为180°C ；和选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)设为150°C。当所有的温度，即重整催化剂9a的温度(ThK)、转化催化剂IOa的温度(ThH)和选 择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)都达到它们预定温度以上(在步骤S4中为是)时，开始 从水蒸汽产生装置4经由水蒸汽通道如供给水蒸汽至原料气体供给通道14，并完成根据通
22过流量计40测量的值控制燃烧空气的流量。将包括LPG和水蒸汽的混合气体供给至用重 整部9的重整催化剂9a填充的层，于是开始重整LPG为氢气(步骤S5)。根据通过流量计40测量的值开始水蒸汽供给和完成控制燃烧空气的流量的原因 是流通通过流量计40的燃烧气体的组合物目前为止已经从流通的LPG改变为包括氢气的 重整气体。另外，重整气体包括水蒸汽。因此，流量计40不能准确地测量燃烧气体的流量。然而，当所有的温度，即重整催化剂9a的温度(ThK)、转化催化剂IOa的温度 (ThH)和选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)都达到它们预定温度以上时，如图3中所示从 催化剂中脱附的脱附原料气体(本实施方案的脱附LPG)变得实质上耗尽，以致脱附原料气 体达到停止影响燃烧器部12的燃烧。燃烧空气的流量根据从原料气体供给装置6中供给 的作为原料气体的LPG的流量调节。现在确定各催化剂是否落入它们各自预定温度范围内。即，进行确定重整催化剂 的温度是否落入约600-700°C的温度范围；转化催化剂的温度是否落入约200-300°C的温 度范围；和选择性氧化催化剂的温度是否落入约150-200°C的温度范围(步骤S6)。当各催 化剂的温度低于它们各自温度范围(在步骤S6中为否)时，各催化剂的反应不充分，重整 气体中氢气量小。此外，一氧化碳的量大。因此，使处于升温过程中的重整气体流通通过燃 料电池旁路通道15b。当各催化剂的温度已增加至预定温度范围(在步骤S6中为是)时， 在重整气体的组分已变得稳定之后关闭燃料电池旁路阀16。同时，开启燃料电池入口阀17 和燃料电池出口阀18，将重整气体供给至燃料电池2的阳极电极2b，于是开始发电。此外， 当各催化剂的温度在它们各自预定温度范围外(在步骤S6中为否)时，进行与现有技术中 进行的控制类似的控制，并等待该系统直到催化剂落入它们各自温度范围内。如上所述，根据第三实施方案的燃料电池系统1，流量计40测量在启动操作时随 着其温度增加从转化催化剂IOa中脱附的脱附原料气体和从原料气体供给装置中供给的 原料气体的总流量。燃烧空气的流量能够根据通过流量计40测量的值调节。因此，能够使 通过燃烧器部12进行的燃烧稳定。结果，实现稳定的燃烧同时防止不完全燃烧的发生，并 且能够可靠地进行启动操作燃料电池系统1。在第三实施方案的燃料电池系统1中，将流量计40放置在原料气体通道中。然而， 也可以将流量计配置在燃料电池旁路通道或废气通道中。在第三实施方案的燃料电池系统1中，在启动操作燃料电池系统1时将从原料气 体供给装置中供给的原料气体经由燃料处理器3供给至燃烧器部12。燃料电池系统也能够 作为其他燃料电池系统具体化。具体地，该系统设置有从原料气体供给通道中独立分支的 和将原料气体直接供给至燃烧器部12的分支通道，和在将从原料气体供给装置中供给的 原料气体供给至燃料处理器3和将原料气体经由分支通道直接供给至燃烧器部12之间转 换的通道转换部件。在其启动操作初期阶段时，在燃料处理器3的各催化剂温度达到充分 地减少一氧化碳浓度并适合于产生充分包括氢气的良好质量的重整气体的预定温度之前， 燃料电池系统将从原料气体供给装置中供给的原料气体经由分支通道直接供给至燃烧器 部。在此情况下，流量计开始测量从燃料处理器3的各催化剂中脱附的脱附原料气体的流 量。控制部5在燃烧器部以与通过流量计40测量的脱附原料气体和从原料气体供给装置 中供给的原料气体的总量相当的燃烧空气的流量供给这样的方式下控制燃烧空气风扇。由 此能够产生如在第三实施方案中产生的类似优点。
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在第三实施方案的燃料电池系统1中，从原料气体供给装置中供给的原料气体和 从燃料处理器3的各催化剂中脱附的脱附原料气体的总量通过使用流量计40测量。然而， 该总量也可以通过使用压力表测量。具体地，类似于在第三实施方案中产生的优点也能够 通过以下产生。即，例如，预先将压力表连接至原料气体通道，并且将通过原料气体通道的 气流的流量和压力之间的关系预先存储在控制部5中。在启动操作燃料电池系统1时，供 给至燃烧器部12的原料气体的流量(即，从原料气体供给装置中供给的原料气体和从燃料 处理器3的各催化剂中脱附的脱附原料气体的总量)由通过压力表测量的值推定。控制部 根据推定值控制从燃烧空气风扇中供给的燃烧空气的流量。在第三实施方案中，通过使用LPG作为原料气体提供解释。然而，原料气体在其他 实施方案中也不限于LPG。也能够施用其他烃类材料如城市煤气和煤油。当使用液体烃类 材料如煤油时，最好是蒸发材料为气体形式。此外，当材料气体的类型改变时，预期燃料处 理器3的各催化剂中吸附的原料气体量、各催化剂的温度和脱附原料气体的流量的性能改 变。在第三实施方案的燃料电池系统1中，测量含供给至燃烧器部12的脱附原料气体的原 料气体的流量，并且燃烧空气的流量根据测量值调节。因此，能够使通过燃烧器部12进行 的燃烧稳定。然而，关于流量计40，必需使用能够根据原料气体的类型测量原料气体的流量 的流量计40。在第三实施方案的燃料电池系统1中，使当停止根据通过流量计40检测的原料气 体的流量控制燃烧空气的流量时的定时与作为燃料处理器3的各催化剂的温度已经达到 它们各自预定温度以上的结果供给水蒸汽时的定时相同。该定时不限于上述，只要各催化 剂的温度增加从而由此超过脱附原料气体不会影响通过燃烧器部12进行的燃烧的温度即可。(第四实施方案)图13为示出根据本发明第四实施方案的燃料电池系统1的构造的示意图。在图 13中，将与在第一至第三实施方案方面中描述的燃料电池系统1的它们对应部分相同的构 成元件指定相同的附图标记，并省略它们的解释。如图13中所示，第四实施方案的燃料电池系统1与在第一实施方案方面中描述的 其对应部分的不同之处在于将相当于用于测量燃烧废气中氧气浓度的废气分析部件的氧 气浓度计41放置在在第一实施方案方面中描述的燃料电池系统1的燃烧废气通道13中。氧气浓度计41用于测量在原料气体、废气和重整气体在燃烧器部12中连同燃烧 空气一起燃烧之后产生的燃烧废气中的氧气浓度。将氧气浓度计41以测量值作为信号输 入至控制部5这样的方式电连接。在启动操作第四实施方案的燃料电池系统1时进行的操作在下文中通过参照图 14同时参照图13描述。图14为示出在启动操作第四实施方案的燃料电池系统1时主要部分的控制流的 流程图。在一些情况下省略关于与在其他实施方案方面描述的它们相应部分相同的系统部 分的详细解释。如图14中所示，在启动操作燃料电池系统1时，原料气体供给装置6首先将预定 流量的作为原料气体的LPG供给至燃烧器部12 ；燃烧空气风扇7也将预定流量的燃烧空气 供给至燃烧器部12(步骤Si)。首先将作为原料气体的LPG经由原料气体供给通道14供
24给至重整部9。LPG通过转化部10和选择性氧化部11顺序地流通并经由原料气体通道15 的燃料电池旁路通道1 供给至燃烧器部12。在该时间点，仅将作为从原料气体供给装置 6中供给的原料气体的LPG作为燃烧气体供给至燃烧器部12。在燃烧器部12中，未图示的点火器开始点燃供给的LPG和燃烧空气，从而由此开 始燃烧(步骤S》。当燃烧器部12开始燃烧LPG时，通过燃烧热开始加热重整部9的重整 催化剂9a，于是重整催化剂9a的温度(ThK)开始增加。同时，燃烧废气运行通过在转化部 10和选择性氧化部11中形成的燃烧废气通道13，由此开始加热转化催化剂IOa和选择性 氧化催化剂11a。转化催化剂IOa的温度(ThH)和选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS)开 始增加。接下来，氧气浓度计41开始测量从燃烧器部12中发出的燃烧废气中的氧气浓度 和输入测量值至控制部5中。根据通过氧气浓度计41测量的氧气浓度，控制部5以通过氧 气浓度计41测量的氧气浓度达到预定氧气浓度这样的方式控制燃烧风扇，由此调整燃烧 空气的流量(步骤S； )。具体地，当通过氧气浓度计41测量的燃烧废气中的氧气浓度低于 预定氧气浓度时，通过燃烧空气风扇7供给的燃烧空气的流量增加。相反地，当燃烧废气中 的氧气浓度高于预定氧气浓度时，通过燃烧空气风扇7供给的燃烧空气的流量减少。当燃料处理器3的各催化剂的温度开始增加时和当催化剂吸附的原料气体开始 脱附时，从原料气体供给装置6中供给的原料气体和从催化剂中脱附的脱附原料气体的总 量开始供给至燃烧器部12。由于燃烧空气的流量根据燃烧废气中的氧气浓度调节，将与供 给的原料气体的流量相当的燃烧空气量供给至燃烧器部12中。接下来，将重整催化剂9a的温度(ThK)、转化催化剂IOa的温度(ThH)和选择性氧 化催化剂Ila的温度( 与它们各自预定温度(步骤S4)进行比较。当任何的重整催化 剂9a的温度(ThK)、转化催化剂IOa的温度(ThH)和选择性氧化催化剂Ila的温度(ThS) 低于它们的预定温度(在步骤S4中为否)时，燃烧空气的流量根据通过氧气浓度计41检 测的在燃烧废气中的氧气浓度而持续调节。如同其他实施方案的燃料电池系统1，第四实施 方案的燃料电池系统具有以下预定温度。即，重整催化剂9a的温度(ThK)设为200°C;转化 催化剂IOa的温度(ThH)设为180°C ；和选择性氧化催化剂Ila的温度( 设为150°C。当所有的重整催化剂9a的温度(ThK)、转化催化剂IOa的温度(ThH)和选择性氧 化催化剂Ila的温度( 都达到它们预定温度以上(在步骤S4中为是)时，水蒸汽产生 装置4开始经由水蒸汽通道如供给水蒸汽至原料气体供给通道14，还完成根据通过氧气浓 度计41测量的值控制燃烧空气的流量。将包括LPG和水蒸汽的混合气体供给至用重整部 9的重整催化剂9a填充的层，并开始重整LPG为氢气(步骤S5)。当转化催化剂IOa的温度(ThH)达到预定温度(在此情况下180°C )以上时，从催 化剂中脱附的脱附原料气体(在该实施方案中的脱附LPG)变得如图3中所示实质上耗尽， 并且不影响在燃烧器部12中进行的燃烧。因此，燃烧空气的流量根据通过原料气体供给装 置6供给的作为原料气体的LPG的流量调节。现在关于以下确定各催化剂是否在各预定温度下；即，重整催化剂是否落入约 600-700°C的温度范围内；转化催化剂是否落入约200-300°C的温度范围内；和选择性氧化 催化剂是否落入约150-200°C的温度范围内(步骤S6)。当各催化剂的温度低于它们各自 温度范围(在步骤S6中为否)时，各催化剂的反应不充分。即，由于重整气体中的氢气量
25小和由于一氧化碳的量大，使仍在升温过程中的重整气体流通通过燃料电池旁路通道15b。 当各催化剂的温度已增加至各自预定温度范围(在步骤S6中为是)时，在重整气体的组分 已变得稳定之后关闭燃料电池旁路阀16。同时，将重整气体通过开启燃料电池入口阀17和 燃料电池出口阀18供给至燃料电池2的阳极电极2b，并开始发电。当各催化剂的温度在各 自预定温度范围外(在步骤S6中为否)时，进行与现有技术中进行的控制类似的控制，并 等待处理直到温度落入各自温度范围内。如上所述，根据第四实施方案的燃料电池系统1，燃烧空气的流量在启动操作时根 据燃烧废气中的氧气浓度调节。因此，即使当催化剂吸附的原料气体作为燃料处理器3中 催化剂的温度增加的结果开始脱附时和当将由此脱附的原料气体供给至燃烧器部时，能够 使在燃烧器部中进行的燃烧稳定。结果，防止不完全燃烧的发生，和实现稳定的燃烧。因而， 必定能够进行启动操作燃料电池系统。在第四实施方案的燃料电池系统中，燃烧空气的流量通过使用测量燃烧废气中氧 气浓度的氧气浓度计以燃烧废气中的氧气浓度达到预定氧气浓度这样的方式而调节。然 而，也能够替代使用用于测量燃烧废气中二氧化碳浓度的二氧化碳浓度计。在此情况下，当 通过燃烧器部要燃烧的原料气体的流量作为燃料处理器3中催化剂的温度增加的结果通 过脱附原料气体增加时，燃烧废气中的二氧化碳浓度增加。因此，能够产生类似于通过第四 实施方案的燃料电池系统产生的优点，只要相应地增加通过燃烧风扇供给的燃烧空气量即 可。本专利申请基于2009年3月27日提交的日本专利申请(申请号2009-078441)， 将其全部内容在此弓I入以作参照。产业上的可利用性本发明的燃料电池系统能够进行稳定的启动操作以及稳定的燃烧器部的燃烧，因 此，其可用于通过将烃类材料如城市煤气和LPG进行蒸汽重整而利用该材料的燃料电池系 统的技术领域。
2权利要求
1.一种燃料电池系统，其包括重整部，配置所述重整部以将含原料气体和水蒸汽的混合气体通过重整催化剂进行重 整反应，由此生成包含氢气的重整气体；一氧化碳减少部，配置所述一氧化碳减少部以使通过所述重整部生成的所述重整气体 接触一氧化碳减少催化剂，由此减少在所述重整气体中包含的一氧化碳；燃料电池，配置所述燃料电池以通过在经过所述一氧化碳减少部的所述重整气体中包 含的氢气发电；燃烧器部，配置所述燃烧器部以使用通过鼓风机供给的燃烧空气燃烧在所述燃料电池 中未消耗的包含氢气的废气、所述原料气体和所述重整气体中的至少之一；和原料气体供给装置，配置所述原料气体供给装置以将所述原料气体供给至所述重整部 和直接或者通过所述重整部供给至所述燃烧器部，其中在启动操作所述燃料电池系统时，根据通过所述原料气体供给装置供给并在所述 燃烧器部中燃烧的原料气体量以及从吸附至所述重整催化剂和所述一氧化碳减少催化剂 中的至少之一的所述原料气体的组分中脱附的脱附原料气体量，调节通过所述鼓风机传送 至所述燃烧器部的燃烧空气量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其包括加热部件，所述加热部件用于在启动 操作所述燃料电池系统时加热所述重整催化剂和所述一氧化碳减少催化剂中的至少之一。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其包括测量部件，所述测量部件用于在启 动操作所述燃料电池系统时至少测量在从所述原料气体供给装置供给至所述燃烧器部的 所述原料气体中的脱附原料气体和所述脱附原料气体的流量。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述测量部件为流量计，配置所述流量 计以至少测量所述脱附原料气体的流量。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述测量部件为压力表，配置所述压力 表以至少检测所述脱附原料气体的压力。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其包括废气分析部件，所述废气分析部件 用于检测在通过所述燃烧器部燃烧之后生成的燃烧废气组分中的至少一种组分的浓度，其中所述燃烧空气量根据通过所述废气分析部件检测的浓度调节。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其包括一个以上的温度传感器，配置所述 温度传感器以检测所述重整催化剂的温度和所述一氧化碳减少催化剂的温度中的至少之其中所述脱附原料气体的量在启动操作所述燃料电池系统时基于通过所述温度传感 器检测的所述重整催化剂的温度和所述一氧化碳减少催化剂的温度中的至少之一来推定， 所述脱附原料气体从吸附至所述重整催化剂和所述一氧化碳减少催化剂中的至少之一的 所述原料气体的组分中脱附以及通过所述燃烧器部燃烧。
8.根据权利要求1、2和7任一项所述的燃料电池系统，其包括计时器部件，所述计时器 部件用于测量自所述加热部件开始加热操作起经过的时间，其中所述脱附原料气体的量基于通过所述计时器部件测量的时间来推定，所述脱附原 料气体从吸附至所述重整催化剂和所述一氧化碳减少催化剂中的至少之一的所述原料气 体的组分中脱附以及通过所述燃烧器部燃烧。
9.根据权利要求2、7和8任一项所述的燃料电池系统，其中在启动操作所述燃料电池系统时，所述加热部件开始加热所述重整催化剂和所述 一氧化碳减少催化剂中的至少之一，和其中在自所述加热部件开始加热操作起经过预定时间之后，使所述原料气体供给装置 操作。
10.根据权利要求2、7和8任一项所述的燃料电池系统，其包括一个以上的温度传感 器，配置所述温度传感器以检测所述重整催化剂的温度和所述一氧化碳减少催化剂的温度 中的至少之一，其中在启动操作所述燃料电池系统时，所述加热部件开始加热所述重整催化剂和所述 一氧化碳减少催化剂中的至少之一，和其中在通过所述温度传感器检测的温度变为预定温度以上之后，起动所述原料气体供给装置。
11.根据权利要求2、7和8任一项所述的燃料电池系统，其中在启动操作所述燃料电池系统时，起动所述原料气体供给装置和所述加热部件， 其中在所述燃烧器部燃烧从所述原料气体供给装置供给的原料气体预定时间之后，停 止操作所述原料气体供给装置，和其中在自所述加热部件开始加热操作起经过预定时间之后，起动所述原料气体供给装置。
12.根据权利要求2、7和8任一项所述的燃料电池系统，其包括一个以上的温度传感 器，配置所述温度传感器以检测所述重整催化剂的温度和所述一氧化碳减少催化剂的温度 中的至少之一，其中在启动操作所述燃料电池系统时，起动所述原料气体供给装置和所述加热部件， 其中在自所述加热部件开始加热操作起经过预定时间之后，或者在所述温度传感器检 测到第一预定温度以上之后，停止操作所述原料气体供给装置，和其中在所述温度传感器检测到第二预定温度以上之后，起动所述原料气体供给装置。
13.根据权利要求2-12任一项所述的燃料电池系统， 其中所述加热部件包括电加热器。
14.根据权利要求2-12任一项所述的燃料电池系统， 其中所述加热部件包括加热燃烧器部，和其中所述重整部和所述一氧化碳减少部中的至少之一通过所述加热燃烧器部的燃烧 废气加热。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述燃烧器部用作加热燃烧器部。
全文摘要
提供一种燃料电池系统，其能够在启动操作该燃料电池系统时稳定的启动操作和在燃烧器部中稳定的燃烧。在启动操作该燃料电池系统时，通过鼓风机传送至燃烧器部(12)的燃烧空气量根据通过原料气体供给部(6)供给至燃烧器部(12)的原料气体和在燃料处理器(3)的催化剂吸附的原料气体组分中由于催化剂温度升高而脱离的并供给至燃烧器部(12)的原料气体的推定量的总量调节。
文档编号H01M8/06GK102138240SQ201080002469
公开日2011年7月27日 申请日期2010年3月24日 优先权日2009年3月27日
发明者田口清, 龙井洋 申请人:松下电器产业株式会社