(57)【要約】【課題】燃料電池の発電停止後または起動時におけるシステム外部からの燃料および水蒸気の供給量を抑えつつ、燃料電池の酸化劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、改質器３２と、固体酸化物型の燃料電池１０と、燃料ポンプ３１と、水ポンプ４１と、圧送ブロワ２１と、リサイクル経路８２と、エジェクタ８１と、燃料ポンプ３１、水ポンプ４１、圧送ブロワ２１を制御する制御装置１００と、を備える。制御装置１００は、停止後高温期間に、燃料電池１０への酸化剤ガスの供給量が増加するように圧送ブロワ２１を制御し、且つ、改質器３２へ供給する燃料および水蒸気が減少するように燃料ポンプ３１および水ポンプ４１を制御する。エジェクタ８１は、改質器３２に供給される燃料および水蒸気の流れを駆動流として利用して燃料オフガスの一部をリサイクル経路８２に吸引して改質器３２に供給可能に構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３２）と、
前記改質器で生成された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
前記改質器に燃料を供給する燃料ポンプ（３１）と、
前記改質器に水蒸気を供給する水ポンプ（４１）と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ポンプ（２１）と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスの一部を前記改質器に導くリサイクル経路（８２）と、
前記リサイクル経路を介して前記改質器に燃料オフガスの一部を供給するオフガス供給部（８１）と、
前記燃料ポンプ、前記水ポンプ、前記酸化剤ポンプを制御する制御装置（１００）と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電停止から前記燃料電池の温度が所定の基準温度以下となるまでの停止後高温期間に、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給量が増加するように前記酸化剤ポンプを制御し、且つ、前記改質器へ供給する燃料および水蒸気が減少するように前記燃料ポンプおよび前記水ポンプを制御し、
前記オフガス供給部は、前記改質器に供給される燃料および水蒸気の流れを駆動流として利用して燃料オフガスの一部を前記リサイクル経路に吸引して前記改質器に供給可能に構成されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記燃料電池の発電停止後に前記燃料電池の温度が前記基準温度以下になると、前記改質器への水蒸気および燃料の供給が停止するように前記燃料ポンプおよび前記水ポンプを制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスまたは燃料オフガスを前記オフガス供給部の下流側から上流側に導くガス循環経路（５０）と、
前記ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部（５１）と、を備え、
前記制御装置は、前記停止後高温期間に前記ガス循環経路に燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるように前記流量調整部を制御する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガス循環経路は、燃料オフガスが前記オフガス供給部の上流側に導かれるように前記燃料電池の出口側に接続されている請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス循環経路は、前記ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスが前記燃料ポンプに吸引されるように前記燃料ポンプの上流側に接続されており、
前記ガス循環経路には、前記ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスを放熱させる放熱器（５２）が設けられている請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記放熱器には、燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分が凝縮して生成される凝縮水を回収する凝縮水回収経路（５４）が接続され、
前記凝縮水回収経路は、凝縮水を再利用可能なように前記水ポンプの入口側に接続されている請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記放熱器には、燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分が凝縮して生成される凝縮水を回収する凝縮水回収部（５３）が接続されるとともに、前記放熱器で生成される凝縮水の回収量を検出する回収量検出部（１０７）が設けられ、
前記制御装置は、前記放熱器で生成される凝縮水の回収量に基づいて前記水ポンプを制御する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記改質器へ供給する水蒸気を生成する気化器（４２）と、
前記気化器の内部の水量に相関性がある物理量を検出する水量検出部（１０４、１０６）と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電停止後に前記気化器の内部の水が空になるまで前記燃料電池への酸化剤ガスの供給が継続されるように前記酸化剤ポンプを制御する請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水量検出部は、前記気化器の内部温度を前記気化器の内部の水量に相関性がある物理量として検出するように構成されている請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水量検出部は、前記オフガス供給部よりも水流れ上流側の圧力を前記気化器の内部の水量に相関性がある物理量として検出するように構成されている請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記オフガス供給部は、前記改質器よりも燃料流れ上流側に設けられたエジェクタ（８１）を含んでおり、
前記エジェクタは、水蒸気および燃料を噴射するノズル部（８１１）、前記ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料オフガスの一部を前記リサイクル経路に吸引する吸引部（８１２）、前記ノズル部から噴射される水蒸気および燃料と前記吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して前記改質器に向けて吐出する吐出部（８１３）を有する請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料または前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させることで前記改質器を昇温させる燃焼ガスを生成する燃焼器（７３）と、
燃焼ガスを前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスと熱交換させて昇温させる予熱器（２２）と、を備え、
前記改質器は、前記予熱器を通過する前の燃料ガスによって加熱される構成になっている請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３２）と、
前記改質器で生成された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
前記改質器へ供給する水蒸気を生成する気化器（４２）と、
前記改質器に燃料を供給する燃料ポンプ（３１）と、
前記改質器に水蒸気を供給する水ポンプ（４１）と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスの一部を前記改質器に導くリサイクル経路（８２）と、
前記リサイクル経路を介して前記改質器に燃料オフガスの一部を供給するオフガス供給部（８１）と、
前記燃料ポンプ、前記水ポンプを制御する制御装置（１００）と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の起動時に前記気化器で水を蒸発させることが可能な状態になると、前記改質器へ水蒸気および燃料が供給されるように前記燃料ポンプおよび前記水ポンプを制御し、
前記オフガス供給部は、前記改質器に供給される水蒸気および燃料の流れを駆動流として利用して燃料オフガスの一部を前記リサイクル経路に吸引して前記改質器に供給可能に構成されている燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料ガスまたは燃料オフガスを前記オフガス供給部の下流側から上流側に導くガス循環経路（５０）と、
前記ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部（５１）と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の起動時に前記改質器で燃料ガスの生成が可能な状態になると、前記ガス循環経路に燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるように前記流量調整部を制御する請求項１３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型の燃料電池は、電池セルの燃料極が例えばニッケルで構成されるため、燃料電池の発電停止後の高温期間に燃料極の酸化劣化が生じ易い。この対策として、例えば、燃料電池の発電停止後、燃料電池の温度が所定温度以下となるまで改質器への燃料および水蒸気の供給を維持し、水素を含む燃料ガス（すなわち、還元ガス）を燃料電池に供給するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９２４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の燃料電池は、燃料電池の酸化劣化の抑制に効果がある一方で、燃料電池の発電停止後であっても改質器に対して燃料および水蒸気を供給し続ける必要があるので、システム外部からの燃料および水蒸気の供給量が増加してしまう。燃料および水蒸気の供給量の増加は、例えば、経済性の悪化、水タンクの大型化、水供給ラインの設置等を招く要因となることから好ましくない。なお、燃料電池の酸化劣化は、燃料電池の発電停止後に限らず、燃料電池の起動時等にも生じ得る。
【０００５】
本開示は、燃料電池の発電停止後または起動時におけるシステム外部からの燃料および水蒸気の供給量を抑えつつ、燃料電池の酸化劣化を抑制可能な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】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、
水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３２）と、
改質器で生成された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
改質器に燃料を供給する燃料ポンプ（３１）と、
改質器に水蒸気を供給する水ポンプ（４１）と、
燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ポンプ（２１）と、
燃料電池から排出された燃料オフガスの一部を改質器に導くリサイクル経路（８２）と、
リサイクル経路を介して改質器に燃料オフガスの一部を供給するオフガス供給部（８１）と、
燃料ポンプ、水ポンプ、酸化剤ポンプを制御する制御装置（１００）と、を備え、
制御装置は、燃料電池の発電停止から燃料電池の温度が所定の基準温度以下となるまでの停止後高温期間に、燃料電池への酸化剤ガスの供給量が増加するように酸化剤ポンプを制御し、且つ、改質器へ供給する燃料および水蒸気が減少するように燃料ポンプおよび水ポンプを制御し、
オフガス供給部は、改質器に供給される燃料および水蒸気の流れを駆動流として利用して燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引して改質器に供給可能に構成されている。
【０００７】
これによると、燃料電池の発電停止後の所定期間、燃料電池には、水蒸気および燃料によって改質器で生成された燃料ガスが供給されるので、燃料電池の酸化劣化を抑制することができる。また、改質器には、リサイクル経路を介して燃料オフガスの一部が供給されることから、システム外部から改質器への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
【０００８】
したがって、燃料電池の発電停止後におけるシステム外部からの燃料および水蒸気の供給量を抑えつつ、燃料電池の酸化劣化を抑制することが可能となる。
【０００９】
また、請求項１３に記載の発明は、
水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３２）と、
改質器で生成された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
改質器へ供給する水蒸気を生成する気化器（４２）と、
改質器に燃料を供給する燃料ポンプ（３１）と、
改質器に水蒸気を供給する水ポンプ（４１）と、
燃料電池から排出された燃料オフガスの一部を改質器に導くリサイクル経路（８０）と、
リサイクル経路を介して改質器に燃料オフガスの一部を供給するオフガス供給部（８１）と、
燃料ポンプ、水ポンプを制御する制御装置（１００）と、を備え、
制御装置は、燃料電池の起動時に気化器で水を蒸発させることが可能な状態になると、改質器へ水蒸気および燃料が供給されるように燃料ポンプおよび水ポンプを制御し、
オフガス供給部は、改質器に供給される水蒸気および燃料の流れを駆動流として利用して燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引して改質器に供給可能に構成されている。
【００１０】
これによると、燃料電池の起動時に気化器で水を蒸発させることが可能な状態になると、燃料電池には、水蒸気および燃料によって改質器で生成された燃料ガスが供給されるので、燃料電池の酸化劣化を抑制することができる。また、改質器には、リサイクル経路を介して燃料オフガスの一部が供給されることから、システム外部から改質器への燃料および水蒸気の供給量を抑えることができる。
【００１１】
したがって、燃料電池の起動時におけるシステム外部からの燃料および水蒸気の供給量を抑えつつ、燃料電池の酸化劣化を抑制することが可能となる。
【００１２】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置を示す模式図である。
【図３】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する起動処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する停止処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行するパージ処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】第１実施形態の変形例となる燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】第２実施形態の燃料電池システムの起動時にエジェクタに吸入される燃料オフガスの吸入量の増加を説明するための説明図である。
【図１０】第３実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図１１】第３実施形態の変形例となる燃料電池システムの概略構成図である。
【図１２】第４実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図１３】第５実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図１４】凝縮水の回収量と水ポンプによる水の供給量と関係の一例を示す図である。
【図１５】第６実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。
【００１５】
（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型の燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）１０を備えている。
【００１６】
燃料電池１０は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（本例では空気中の酸素）の電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セルを積層したスタック構造を有している。なお、発電セルの形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。
【００１７】
図示しないが発電セルは、固体酸化物電解質、空気極（すなわち、カソード）、燃料極（すなわち、アノード）を含んで構成されている。燃料極には、シフト反応等に活性の高いニッケルと電解質材料であるイットリア安定化ジルコニアのサーメット等が用いられている。本実施形態の発電セルは、炭化水素系の燃料である都市ガス（すなわち、メタンを主成分とするガス）を改質して生成される水素および一酸化炭素を燃料ガスとしている。なお、使用する燃料は、炭化水素系の燃料であれば、都市ガス以外のガスが採用されていてもよい。
【００１８】
燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
【００１９】
（燃料極）２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  …（Ｆ１）
【００２０】
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−  …（Ｆ２）
また、燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
【００２１】
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ２−→２ＣＯ２＋４ｅ−  …（Ｆ３）
【００２２】
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−  …（Ｆ４）
燃料電池１０には、燃料電池１０の電池温度Ｔｃを検出する電池温度センサ１０１、燃料電池１０から出力される出力電圧Ｖｃｓを検出する電池電圧センサ１０２が設けられている。
【００２３】
図示しないが、燃料電池１０は、後述する空気予熱器２２、改質器３２、気化器４２、燃焼器７３等とともに断熱性を有するハウジングの内側に配置されている。燃料電池１０は、起動時に後述する燃焼器７３によって暖機される。
【００２４】
燃料電池１０は、空気入口部１０ａに、空気の流通経路である空気経路２０が接続されている。空気経路２０には、燃料電池１０に空気を圧送する圧送ブロワ２１、燃料電池１０に供給する空気を加熱する空気予熱器２２が設けられている。
【００２５】
圧送ブロワ２１は、大気中の空気を吸い込んで燃料電池１０に供給する酸化剤ポンプである。圧送ブロワ２１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動式のブロワで構成されている。
【００２６】
空気予熱器２２は、圧送ブロワ２１から圧送された空気を後述する燃焼器７３で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する熱交換器である。空気予熱器２２は、燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池１０の発電効率の向上を図るために設けられている。
【００２７】
一方、燃料電池１０は、燃料入口部１０ｂに、燃料や燃料ガスの流通経路である燃料経路３０が接続されている。燃料経路３０には、上流側から順に、燃料ポンプ３１、改質器３２が設けられている。
【００２８】
燃料ポンプ３１は、燃料電池１０側に向けて燃料を供給するためのポンプである。燃料ポンプ３１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
【００２９】
改質器３２は、水蒸気を用いて燃料ポンプ３１から供給された燃料を改質して燃料ガスを生成するものである。改質器３２は、例えば、ニッケルを含む水蒸気改質触媒、反応器を含んで構成されている。
【００３０】
ここで、改質器３２としては、部分酸化改質反応により燃料ガスを生成する構成とすることも考えられるが、この場合、改質器３２の構成機器に温度耐久性等が要求され、非常に高価になってしまう。このため、本実施形態では、改質器３２として、部分酸化改質反応ではなく水蒸気改質反応により燃料ガスを生成するものを採用している。
【００３１】
具体的には、改質器３２は、燃料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱するとともに、以下の反応式Ｆ５に示す改質反応、および反応式Ｆ６に示すシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）を生成する。
【００３２】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２  …（Ｆ５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２  …（Ｆ６）
ここで、改質器３２における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。このため、改質器３２は、燃料電池１０の発電時に周囲に放出される熱（放射熱）を吸熱できるように、燃料電池１０の周囲に配設されていることが望ましい。
【００３３】
改質器３２の出口側には、改質器３２の温度を検出するための改質温度センサ１０３が設置されている。改質温度センサ１０３は、改質器３２を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、改質温度センサ１０３は、改質器３２の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。
【００３４】
燃料経路３０には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間に水供給経路４０が接続されている。水供給経路４０には、システム外部から水を供給する水ポンプ４１、改質器３２へ供給する水蒸気を生成する気化器４２が設けられている。
【００３５】
水ポンプ４１は、気化器４２を介して改質器３２側に水蒸気を供給するポンプである。水ポンプ４１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
【００３６】
気化器４２は、燃焼ガスによって昇温するように構成されている。具体的には、気化器４２は、水ポンプ４１から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器で構成されている。
【００３７】
気化器４２には、気化器４２の温度を検出するための気化温度センサ１０４が設置されている。気化温度センサ１０４は、気化器４２を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、気化温度センサ１０４は、気化器４２の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。
【００３８】
燃料経路３０には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間にエジェクタ８１が設けられている。具体的には、エジェクタ８１は、流体を噴射するノズル部８１１、燃料電池１０の出口側から流体を吸引する吸引部８１２、ノズル部８１１から噴射される流体と吸引部８１２から吸引される流体とを混合して改質器３２に向けて吐出する吐出部８１３を有する。
【００３９】
ノズル部８１１は、流体を噴射可能な絞り構造を有している。ノズル部８１１は、絞り開度が固定された固定絞り構造で構成されている。また、吐出部８１３は、ノズル部８１１からの流体および吸引部８１２からの流体が混合された後に昇圧されるように流路断面積が下流側に向かって拡大している。なお、ノズル部８１１は、絞り開度を変更可能な可変絞り構造で構成されていてもよい。
【００４０】
エジェクタ８１の吸引部８１２は、ノズル部８１１の出口側の負圧を利用して燃料電池１０の出口側から流体を吸引するように構成されている。具体的には、吸引部８１２には、燃料排出経路７２を流れる流体が吸引されるように、燃料排出経路７２から分岐するリサイクル経路８２が接続されている。本実施形態では、エジェクタ８１が、リサイクル経路８２を介して改質器３２に燃料オフガスの一部を供給するオフガス供給部を構成する。
【００４１】
また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出するオフガスが流れるオフガス経路７０が接続されている。具体的には、燃料電池１０には、空気出口部１０ｃに燃料電池１０から排出される酸化剤オフガスが流れる空気排出経路７１が接続され、燃料出口部１０ｄに燃料電池１０から排出される燃料オフガスが流れる燃料排出経路７２が接続されている。
【００４２】
オフガス経路７０には、燃焼器７３が接続されている。燃焼器７３は、燃料または燃料オフガスを燃焼させることで改質器３２等を昇温させる燃焼ガスを生成するものである。燃焼器７３は、例えば、燃料電池１０の発電時に、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池システム１の各機器を昇温させるための燃焼ガスを生成する。図示しないが、燃焼器７３は、燃料を燃焼させるためのバーナを有している。燃焼器７３では、バーナの点火によって、燃料の燃焼が開始されて燃焼ガスが生成される。
【００４３】
燃焼器７３には、高温の燃焼ガスを流通させる燃焼ガス経路７４が接続されている。燃焼ガス経路７４は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効活用すべく、上流側から順に、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２、触媒燃焼器７５といった順に接続されている。
【００４４】
触媒燃焼器７５は、システム外部に排気するオフガス中の水素濃度等を低下させるものである。触媒燃焼器７５は、燃料オフガスに含まれる水を触媒上で燃焼可能なように、例えば、白金等が担持された触媒を含む燃焼器で構成されている。なお、燃焼ガスを各機器に流す順序は、各機器にて必要とされる熱量等に応じて変更してもよい。
【００４５】
次に、燃料電池システム１における電子制御部を構成する制御装置１００について図２を参照して説明する。図２に示す制御装置１００は、プロセッサ、メモリを含む周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路で構成されている。制御装置１００は、メモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する。
【００４６】
制御装置１００の入力側には、電池温度センサ１０１、電池電圧センサ１０２、改質温度センサ１０３、気化温度センサ１０４を含む各種センサが接続されており、各種センサの検出結果が制御装置１００に入力されるようになっている。
【００４７】
また、制御装置１００には、操作パネル１０５が接続されている。操作パネル１０５には、燃料電池１０の発電をオンオフするための運転スイッチ１０５ａ、燃料電池１０の作動状態を表示するディスプレイ１０５ｂ等が設けられている。
【００４８】
一方、制御装置１００の出力側には、制御機器として、圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３１、水ポンプ４１、図示しない燃焼器７３のバーナ等が接続されている。これら制御機器は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
【００４９】
次に、燃料電池システム１の全体的な作動について、図３のフローチャートを参照して説明する。図３に示す各制御処理は、運転スイッチ１０５ａがオンされると制御装置１００によって実行される。
【００５０】
運転スイッチ１０５ａがオンされると、図３に示すように、制御装置１００は、ステップＳ１０にて、燃料電池１０を起動させる起動処理を実行する。この起動処理の詳細については、図４のフローチャートを参照して説明する。
【００５１】
図４に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ１１０にて、初期化処理を実行する。制御装置１００は、初期化処理として各種設定値、各種フラグ等を初期化する。
【００５２】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ１２０にて、燃料電池１０を含む各種機器を燃料電池１０の発電等に適した温度まで昇温させる暖機処理を実行する。制御装置１００は、燃料電池１０を介さずに燃焼器７３に対して燃料および空気を供給した状態でバーナを点火する。これにより、燃焼器７３では、バーナの点火によって燃料および空気の混合ガスが可燃ガスとして燃焼されることで高温の燃焼ガスが生成される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路７４を流れる際に改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。これにより、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２が昇温する。
【００５３】
ここで、燃料電池１０は、暖機処理が開始されると、徐々に電池温度Ｔｃが上昇するが、電池温度Ｔｃの上昇に伴って燃料極の酸化劣化が生じ易くなる。これを避けるべく、制御装置１００は、電池温度Ｔｃが燃料極の酸化劣化が促進される酸化劣化温度（例えば、４００℃）になる前に、燃料電池１０に対して還元ガスである水素を含む燃料ガスを供給する。
【００５４】
制御装置１００は、暖機処理の開始後、ステップＳ１３０にて、蒸発可能状態であるか否かを判定する。換言すれば、制御装置１００は、ステップＳ１３０にて、燃焼ガスによって気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。
【００５５】
本実施形態の制御装置１００は、気化温度センサ１０４の検出温度に基づいて、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、気化温度センサ１０４の検出温度が所定の蒸発基準温度Ｔｅｔｈ（例えば、１００℃）以上となる場合に、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態（すなわち、蒸発可能状態）であると判定する。一方、制御装置１００は、気化温度センサ１０４の検出温度が蒸発基準温度Ｔｅｔｈ未満となる場合に、気化器４２で水を蒸発させることが困難な状態（すなわち、蒸発困難状態）であると判定する。
【００５６】
ステップＳ１３０の判定処理の結果が蒸発可能状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ１４０にて水蒸気生成処理を実行する。制御装置１００は、水蒸気生成処理時に、気化器４２に対して水が供給されるように水ポンプ４１を制御する。制御装置１００は、水蒸気生成処理時に、燃料電池１０の発電処理時に比べて気化器４２に流れる水の供給量が少なくなるように水ポンプ４１を制御する。気化器４２では、水が供給されると、水が蒸発して水蒸気が生成される。なお、制御装置１００は、水ポンプ４１以外の制御機器について暖機処理の制御状態を維持する。
【００５７】
水蒸気生成処理の開始後、制御装置１００は、ステップＳ１５０にて、改質可能状態であるか否かを判定する。すなわち、制御装置１００は、ステップＳ１５０にて、改質器３２で燃料ガスの生成が可能な状態であるか否かを判定する。
【００５８】
本実施形態の制御装置１００は、改質温度センサ１０３の検出温度に基づいて、改質器３２で燃料ガスの生成が可能な状態であるか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、改質温度センサ１０３の検出温度が所定の改質基準温度Ｔｒｔｈ（例えば、３００℃）以上となる場合に、改質器３２で燃料ガスの生成が可能な状態（すなわち、改質可能状態）であると判定する。一方、制御装置１００は、改質温度センサ１０３の検出温度が改質基準温度Ｔｒｔｈ未満となる場合に、改質器３２で燃料ガスの生成が困難な状態（すなわち、改質困難状態）であると判定する。なお、改質器３２における改質反応は、水が蒸発する温度よりも高い温度（例えば、３００℃以上）であって、燃料極の酸化劣化が促進される温度よりも低い温度で進行する。このため、改質基準温度Ｔｒｔｈは、蒸発基準温度Ｔｅｔｈよりも高く、酸化劣化温度よりも低い温度に設定される。
【００５９】
ステップＳ１５０の判定処理の結果が改質可能状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ１６０にて、改質器３２にて燃料ガスを生成する改質処理を実行する。制御装置１００は、改質処理時に、燃料が燃料経路３０を介して改質器３２に流れるように燃料ポンプ３１を制御する。制御装置１００は、改質処理時に、燃料電池１０の発電処理時に比べて改質器３２に流れる燃料の供給量が少なくなるように燃料ポンプ３１を制御する。なお、制御装置１００は、燃料ポンプ３１以外の制御機器について水蒸気生成処理の制御状態を維持する。
【００６０】
これにより、燃料が燃料経路３０を介して改質器３２に供給される。改質器３２では、燃料および水蒸気の混合ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ５、Ｆ６に示す反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）が生成される。改質器３２で生成された燃料ガスは、燃料電池１０に供給される。改質基準温度程度では燃料電池１０の温度が発電に適した温度になっているとは限らないが、燃料極に対して燃料ガスが供給されることで燃料極の酸化劣化が抑制される。
【００６１】
ここで、燃料電池システム１には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間にエジェクタ８１が設けられている。エジェクタ８１では、改質器３２で生成された燃料ガスがノズル部８１１から噴射されることで生ずる負圧によって、燃料電池１０の出口側の燃料オフガスがリサイクル経路８２を介して吸引部８１２に吸引される。これによれば、動力を増やすことなく、燃料電池１０に対して供給する燃料ガスの質量流量を確保することができる。
【００６２】
以上までが制御装置１００が実行する起動処理に関する説明である。制御装置１００は、起動処理を実行した後、図３のステップＳ２０にて、燃料電池１０で電気エネルギを出力する発電処理を実行する。
【００６３】
制御装置１００は、改質処理の開始後、電池温度センサ１０１の検出温度が所定の発電基準温度（例えば、５００℃）以上となると、発電処理を実行する。具体的には、制御装置１００は、発電処理時に、燃料電池１０に要求される電力を出力可能なように、改質処理時に比べて、燃料および水蒸気の供給量が増加するように燃料ポンプ３１および水ポンプ４１を制御する。
【００６４】
これにより、改質器３２で生成された燃料ガスが燃料電池１０に供給される。燃料電池１０では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギが出力される。そして、燃料電池１０から排出されるオフガスは、可燃ガスとして燃焼器７３で燃焼される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路７４を流れる際に改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。なお、燃料オフガスの一部は、改質器３２で生成された燃料ガスがノズル部８１１から噴射されることで生ずる負圧によって、リサイクル経路８２を介して吸引部８１２に吸引される。
【００６５】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ３０にて、燃料電池１０の発電を停止するか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、運転スイッチ１０５ａがオフされたか否かを判定する。
【００６６】
運転スイッチ１０５ａがオンに維持されている場合、制御装置１００は、発電処理を継続する。また、運転スイッチ１０５ａがオフされた場合、制御装置１００は、ステップＳ４０にて、停止処理を実行する。この停止処理の詳細については、図５のフローチャートを参照して説明する。
【００６７】
図５に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ４１０にて、燃料電池１０の温度を低下させる降温処理を実行する。制御装置１００は、燃焼器７３のバーナを消灯した後、空気の供給量が増加するように圧送ブロワ２１を制御し、且つ、改質器３２へ供給する燃料および水蒸気が減少するように燃料ポンプ３１および水ポンプ４１を制御する。具体的には、制御装置１００は、燃料電池１０から出力される出力電圧Ｖｃｓが所定の基準電圧Ｖｃｔｈ以上となる範囲で燃料ポンプ３１および水ポンプ４１を制御する。
【００６８】
燃焼器７３のバーナが消灯されることで、燃焼器７３における燃焼ガスの生成が停止される。この状態で、圧送ブロワ２１から供給される空気の供給量が増加すると、空気によって燃料電池１０が冷却されることで燃料電池１０の電池温度Ｔｃが低下する。
【００６９】
また、改質器３２への燃料および水蒸気の供給を停止せずに減少させた状態で継続することで、改質器３２で生成された燃料ガスが燃料電池１０に供給される。これにより、燃料電池１０の燃料極に対して燃料ガスが供給されることで燃料極の酸化劣化が抑制される。なお、燃料電池システム１には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間にエジェクタ８１が設けられているので、動力を増やすことなく、燃料電池１０に対して供給する燃料ガスの質量流量を確保することができる。
【００７０】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ４２０にて、燃料電池１０の電池温度Ｔｃが所定の基準温度Ｔｃｔｈ以下であるか否かを判定する。基準温度Ｔｃｔｈは、電池温度Ｔｃが燃料極の酸化劣化が促進される酸化劣化温度（例えば、４００℃）以下に設定される。
【００７１】
燃料電池１０の電池温度Ｔｃが基準温度Ｔｃｔｈ以下になると、制御装置１００は、ステップＳ４３０にて、改質器３２への水蒸気および燃料の供給が停止するように燃料ポンプ３１および水ポンプ４１を制御する。すなわち、燃料電池１０の電池温度Ｔｃが酸化劣化温度以下になると、制御装置１００は、燃料ポンプ３１および水ポンプ４１の作動を停止する。換言すれば、制御装置１００は、燃料電池１０の発電停止から電池温度Ｔｃが基準温度Ｔｃｔｈ以下となるまでの停止後高温期間中、燃料ポンプ３１および水ポンプ４１の作動を継続する。
【００７２】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ４４０に移行して、気化器４２の内部の水分を除去するためのパージ処理を実行する。制御装置１００は、パージ処理の実行時に、燃料電池１０の発電停止後に気化器４２の内部の水が空になるまで燃料電池１０への空気の供給が継続されるように圧送ブロワ２１を制御する。このパージ処理の詳細については、図６のフローチャートを参照して説明する。
【００７３】
図６に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ４４１にて、圧送ブロワ２１の作動を継続する。これによると、燃料電池１０から受熱して昇温した空気が燃焼ガス経路７４を介して気化器４２に流れる。この際、気化器４２では、その内部に残った残水が空気との熱交換によって蒸発することで、残水量が減少する。
【００７４】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ４４２にて、気化器４２に残水ないか否かを判定する。すなわち、制御装置１００は、気化器４２の内部の水が空であるか否かを判定する。
【００７５】
ここで、気化器４２に残水がある場合と残水がない場合とでは、気化器４２の内部が異なる温度になる。具体的には、気化器４２に残水がない場合、残水がある場合に比べて温度が高くなり易い。このように、気化器４２の残水量は、気化器４２の内部の温度に相関性を有する。
【００７６】
そこで、本実施形態の制御装置１００は、気化温度センサ１０４の検出温度に基づいて、気化器４２に残水がないか否かを判定する。本実施形態では、気化温度センサ１０４が気化器４２の内部の水量に相関性がある物理量を検出する水量検出部を構成する。
【００７７】
ステップＳ４４２の判定処理の結果、気化器４２に残水がない場合、制御装置１００は、ステップＳ４４３に移行して、燃料電池１０への空気の供給が停止されるように圧送ブロワ２１の作動を停止する。これにより、制御装置１００は、燃料電池１０の発電停止後、気化器４２の内部の水が空になるまで燃料電池１０への空気の供給を継続する。
【００７８】
以上説明した燃料電池システム１は、燃料電池１０の起動時および発電停止後に、燃料電池１０に対して、水蒸気および燃料によって改質器３２で生成された燃料ガスが供給されるので、燃料電池１０の酸化劣化を抑制することができる。また、改質器３２には、リサイクル経路８２を介して燃料オフガスの一部が供給されることから、燃料ポンプ３１および水ポンプ４１から改質器３２への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
【００７９】
したがって、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の起動時および発電停止後におけるシステム外部からの燃料および水蒸気の供給量を抑えつつ、燃料電池１０の酸化劣化を抑制することが可能となる。
【００８０】
また、制御装置１００は、燃料電池１０の発電停止後、燃料電池１０の電池温度Ｔｃが基準温度Ｔｃｔｈ以下になると、改質器３２への水蒸気および燃料の供給が停止するように燃料ポンプ３１および水ポンプ４１を制御する。これによると、燃料電池１０の電池温度Ｔｃが低下すると、水蒸気および燃料の供給を停止するので、燃料電池１０での燃料および水蒸気の使用を停止しつつ、燃料電池１０の酸化劣化を抑制することができる。
【００８１】
さらに、制御装置１００は、燃料電池１０の発電停止後に気化器４２の内部の水が空になるまで燃料電池１０への空気の供給が継続されるように圧送ブロワ２１を制御する。これによれば、気化器４２の凍結割れを抑制することができる。また、燃料電池１０の停止中に気化器４２に残留した水分が燃料電池１０の内部に侵入することを防止することができる。
【００８２】
特に、本実施形態の燃料電池システム１は、気化温度センサ１０４を気化器４２の内部の水分量を把握する水量検出部として機能させる構成になっている。このため、部品点数を増加させることなく燃料電池１０の発電停止後に気化器４２の内部の水を空にすることが可能になる。
【００８３】
ここで、暖機処理の実行と同時に、気化器４２に対して水を供給することが考えられるが、この場合、温度の低い水が気化器４２に供給されると、当該水によって気化器４２が昇温され難くなってしまう。このことは、燃料電池１０の起動時間が長くなってしまう要因となることから好ましくない。
【００８４】
これに対して、本実施形態の燃料電池システム１は、暖機処理の開始後に、燃焼ガスによって気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態になると、気化器４２へ水を供給する水蒸気生成処理が実行される構成になっている。このように、気化器４２で水を蒸発させることが可能になった後に、気化器４２に水を供給する構成では、燃焼ガスによって気化器４２を早期に昇温させることができる。このことは、燃料電池１０の起動時間の短縮化に寄与する。
【００８５】
また、燃料電池システム１は、水蒸気生成処理の開始後に、改質器３２で燃料ガスの生成が可能な状態になると、燃料経路３０を介して燃料を改質器３２に流す改質処理を実行する構成になっている。このように、水蒸気生成処理の開始後に改質処理を実行すれば、改質器３２に供給する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比（すなわち、Ｓ／Ｃ）を高い状態に維持することが可能となるので、改質器３２における炭素析出の発生を充分に抑制することができる。
【００８６】
（第１実施形態の変形例）
上述の第１実施形態では、気化温度センサ１０４を気化器４２の内部の水分量を把握する水量検出部として機能させる例について説明したが、これに限定されない。気化器４２に残水がある場合と残水がない場合とでは、気化器４２の内部、具体的にはエジェクタ８１の上流側で異なる圧力になる。すなわち、気化器４２に残水がない場合、残水がある場合に比べて圧力が低くなる。このように、気化器４２の残水量は、エジェクタ８１の上流側の圧力に相関性を有する。
【００８７】
このため、燃料電池システム１は、例えば、図７に示すように、エジェクタ８１の上流側に圧力センサ１０６を設け、当該圧力センサ１０６の検出温度に基づいて、気化器４２に残水がないか否かを判定する構成になっていてもよい。なお、本変形例では、圧力センサ１０６が気化器４２の内部の水量に相関性がある物理量を検出する水量検出部を構成する。
【００８８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図８、図９を参照して説明する。本実施形態では、改質器３２で生成された燃料ガスをエジェクタ８１の下流側から上流側に導くガス循環経路５０が設けられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【００８９】
図８に示すように、燃料経路３０には、燃料経路３０を開閉する燃料開閉弁３３が設けられている。燃料開閉弁３３は、燃料経路３０における燃料ポンプ３１の上流側に設けられている。燃料開閉弁３３は、制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。
【００９０】
また、燃料電池システム１には、燃料経路３０に対してガス循環経路５０が接続されている。ガス循環経路５０は、エジェクタ８１を通過した燃料ガスの一部を燃料電池１０ではなく、エジェクタ８１の上流側に戻すための経路である。
【００９１】
ガス循環経路５０は、一端側が燃料経路３０における燃料開閉弁３３と燃料ポンプ３１との間に接続され、他端側が燃料経路３０における改質器３２と燃料電池１０との間に接続されている。
【００９２】
ガス循環経路５０には、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの流量を調整するための流量調整部５１が設けられている。流量調整部５１は、制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。
【００９３】
その他の構成は、第１実施形態と同様である。燃料電池システム１は、燃料電池１０の起動時および発電停止後の停止後高温期間に、ガス循環経路５０に燃料ガスが流れるように流量調整部５１を制御する。
【００９４】
以下、本実施形態の制御装置１００が実行する起動処理について図９を参照して説明する。制御装置１００は、図９に示すように、暖機処理によって燃料電池１０の電池温度Ｔｃが蒸発基準温度Ｔｅｔｈまで昇温すると、水ポンプ４１が作動することで、システム外部から改質器３２および燃料電池１０に流入する燃料ガスおよび水蒸気の流量Ｇｒｆが上昇する。
【００９５】
また、制御装置１００は、燃料電池１０の電池温度Ｔｃが改質基準温度Ｔｒｔｈまで昇温すると、システム外部から燃料ガスが供給されるように燃料開閉弁３３によって燃料経路３０を開放し、燃料ポンプ３１の作動を開始する。
【００９６】
さらに、制御装置１００は、ガス循環経路５０に燃料ガスが流れるように流量調整部５１を制御する。具体的には、制御装置１００は、ガス循環経路５０が開放されるように流量調整部５１を制御する。
【００９７】
ガス循環経路５０が開放された状態で燃料ポンプ３１の作動が開始されると、ガス循環経路５０から燃料ガスが吸引されることで、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの流量Ｇｒaが増加する。
【００９８】
ガス循環経路５０を流れる燃料ガスは、燃料ポンプ３１および水ポンプ４１によってシステム外部から導入される水蒸気および燃料ととともにエジェクタ８１に流入する。エジェクタ８１では、駆動流となる燃料ガスの質量流量が増加することで、エジェクタ８１に吸引される燃料オフガスの吸引量も増加する。この結果、燃料電池１０に流入する燃料ガスの流量Ｇｒｓが増加する。
【００９９】
次に、本実施形態の制御装置１００が実行する停止処理について説明する。制御装置１００は、降温処理を実行する際に、燃料開閉弁３３によって燃料経路３０を開放した状態で、改質器３２へ供給する燃料および水蒸気が減少するように燃料ポンプ３１および水ポンプ４１を制御する。また、制御装置１００は、ガス循環経路５０に燃料ガスが流れるように流量調整部５１を制御する。具体的には、制御装置１００は、ガス循環経路５０が開放されるように流量調整部５１を制御する。
【０１００】
ガス循環経路５０が開放された状態で燃料ポンプ３１の作動が開始されると、ガス循環経路５０から燃料ガスが吸引されることで、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの流量Ｇｒaが増加する。そして、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスは、燃料ポンプ３１および水ポンプ４１によってシステム外部から導入される水蒸気および燃料ととともにエジェクタ８１に流入する。エジェクタ８１では、駆動流となる燃料ガスの質量流量が増加することで、エジェクタ８１に吸引される燃料オフガスの吸引量も増加する。この結果、燃料電池１０に流入する燃料ガスの流量Ｇｒｓが増加する。
【０１０１】
このように構成される燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の起動時に、エジェクタ８１には、システム外部から導入される水蒸気および燃料だけでなく、ガス循環経路５０からの燃料ガスが流入する。これにより、エジェクタ８１において駆動流となる燃料ガス等の質量流量が増加するので、エジェクタ８１に吸引される燃料オフガスの吸引量を増加させることができる。この結果、燃料電池１０の起動時におけるシステム外部から改質器３２への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
【０１０２】
また、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の発電停止後の所定期間、エジェクタ８１には、システム外部から導入される水蒸気および燃料だけでなく、ガス循環経路５０からの燃料ガスが流入する。これにより、エジェクタ８１において駆動流となる燃料ガス等の質量流量が増加するので、エジェクタ８１に吸引される燃料オフガスの吸引量を増加させることができる。この結果、燃料電池１０の発電停止後におけるシステム外部から改質器３２への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
【０１０３】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１は、ガス循環経路５０を有しており、ガス循環経路５０を介して改質器３２で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ８１のノズル部８１１に流入させることが可能になっている。このため、燃料電池１０の発電時には、ガス循環経路５０を介して改質器３２で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ８１のノズル部８１１に流入させることで、エジェクタ８１の吸引部８１２に吸引する流体の質量流量を増加させることが望ましい。
【０１０４】
これによると、燃料の供給量を増加させることなく、燃料電池１０の上流側に戻す燃料オフガスの流量を増加させることができるので、未反応ガスを有効活用した燃費の向上効果を充分に得ることができる。
【０１０５】
（第２実施形態の変形例）
上述の第２実施形態では、燃料電池１０の停止処理にて、燃料開閉弁３３によって燃料経路３０を開放した状態で、改質器３２へ供給する燃料および水蒸気が減少するように燃料ポンプ３１および水ポンプ４１を制御する例について説明したが、これに限定されない。
【０１０６】
燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１０の停止処理にて、燃料開閉弁３３によって燃料経路３０を閉鎖した状態で、水ポンプ４１および燃料ポンプ３１だけを継続して作動させるように構成されていてもよい。これによれば、ガス循環経路５０を介して燃料経路３０に燃料ガスが流れ込むため、燃料電池１０に対して燃料ガスを供給することができる。
【０１０７】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図１０を参照して説明する。本実施形態では、燃料電池システム１におけるガス循環経路５０の接続位置が第２実施形態と相違している。本実施形態では、第２実施形態と異なる部分について主に説明し、第２実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【０１０８】
図１０に示すように、本実施形態のガス循環経路５０は、燃料電池１０を通過した燃料オフガスの一部をエジェクタ８１の上流側に戻すように構成されている。具体的には、ガス循環経路５０は、一端側が燃料経路３０における燃料開閉弁３３と燃料ポンプ３１との間に接続され、他端側が燃料排出経路７２における燃料電池１０と燃焼器７３との間に接続されている。
【０１０９】
その他の構成は、第２実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、燃料オフガスがエジェクタ８１の上流側に導かれるように燃料電池１０の出口側にガス循環経路５０が接続されている。これによると、ガス循環経路５０が燃料電池１０の入口側に接続されている場合に比べて、燃料電池１０の発電停止後に燃料電池１０への燃料オフガスの供給量が増加する。このため、システム外部からの水蒸気および燃料の供給量を増やすことなく燃料電池１０の酸化劣化を充分に抑制することができる。
【０１１０】
（第３実施形態の変形例）
上述の第３実施形態では、燃料電池１０の出口側にガス循環経路５０が接続されているものを例示したが、これに限定されない。ガス循環経路５０は、例えば、図１１に示すように、一端側が燃料経路３０における燃料開閉弁３３と燃料ポンプ３１との間に接続され、他端側が燃料経路３０におけるエジェクタ８１と改質器３２との間に接続されていてもよい。
【０１１１】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、図１２を参照して説明する。本実施形態では、ガス循環経路５０に放熱器５２が設けられている点が第３実施形態と相違している。本実施形態では、第３実施形態と異なる部分について主に説明し、第３実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【０１１２】
図１２に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、ガス循環経路５０に対して放熱器５２が設けられている。放熱器５２は、ガス循環経路５０を流れる燃料オフガスと図示しない送風機からの外気とを熱交換させて燃料オフガスを放熱させる熱交換器である。放熱器５２は、ガス循環経路５０における流量調整部５１の上流側に配置されている。
【０１１３】
その他の構成は、第３実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１によれば、放熱器５２にて放熱された後の燃料オフガスが燃料ポンプ３１に吸引されるので、燃料ポンプ３１に対して高温の燃料オフガスが流入してしまうことを抑制することができる。この結果、燃料ポンプ３１を熱的に保護することができる。
【０１１４】
（第４実施形態の変形例）
上述の第４実施形態では、燃料電池１０の出口側に接続されたガス循環経路５０に対して放熱器５２を設ける例について説明したが、これに限定されない。放熱器５２は、例えば、第２実施形態等のように燃料電池１０の入口側に接続されたガス循環経路５０に対して設けられていてもよい。このことは以降の実施形態においても同様である。
【０１１５】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について、図１３、図１４を参照して説明する。本実施形態では、放熱器５２にて生じた凝縮水を回収する回収タンク５３が設けられている点が第４実施形態と相違している。本実施形態では、第４実施形態と異なる部分について主に説明し、第４実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【０１１６】
燃料オフガスには、燃料電池１０の内部で生じた水分が含まれる。この水分は、蒸気となってガス循環経路５０に流入する。ガス循環経路５０に流入した水蒸気は、放熱器５２にて放熱されることで凝縮する。
【０１１７】
本実施形態の放熱器５２には、図１３に示すように、放熱器５２で燃料オフガスに含まれる水分を凝縮する回収タンク５３が接続されている。本実施形態では、回収タンク５３が、燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分が凝縮して生成される凝縮水を回収する凝縮水回収部を構成する。
【０１１８】
また、放熱器５２には、放熱器５２からの凝縮水の回収量を検出する回収量検出部として放熱器５２の温度を検出する放熱温度センサ１０７が設けられている。放熱器５２にて水分が凝縮する場合、水分が凝縮しない場合に比べて伝熱量が非常に大きくなる。このため、制御装置１００は、放熱器５２における伝熱量の変化を放熱温度センサ１０７にて検出することで、放熱器５２で生成される凝縮水の回収量を把握するように構成されている。
【０１１９】
ここで、回収タンク５３に凝縮水を回収する構成では、放熱器５２における凝縮水の回収量が多くなるほど、ガス循環経路５０から燃料経路３０に流れる水量が少なくなってしまう。
【０１２０】
このことを考慮して、本実施形態の制御装置１００は、放熱器５２からの凝縮水の回収量に基づいて水ポンプ４１を制御する。制御装置１００は、例えば、図１４に示すように、凝縮水の回収量が多くなるに伴って気化器４２への水の供給量が増加するように水ポンプ４１を制御する。
【０１２１】
その他の構成は、第４実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、制御装置１００が放熱器５２で生成される凝縮水の回収量に基づいて水ポンプ４１を制御する。これによると、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分を考慮して水ポンプ４１から供給する水の供給量を調整することができるので、改質器３２や燃料電池１０に対して適量の水蒸気を供給することが可能になる。また、回収した凝縮水を燃料電池１０の発電や温度調整に再利用する構成とすれば、水自立とシステムの温度調整を両立し易くなるといった利点がある。
【０１２２】
（第５実施形態の変形例）
上述の第５実施形態では、放熱器５２の温度を放熱温度センサ１０７で検出することで、放熱器５２で生成される凝縮水の回収量を把握する例について説明したが、これに限定されない。凝縮水の回収量を把握する手段は、放熱温度センサ１０７以外のセンサによって実現されていてもよい。
【０１２３】
（第６実施形態）
次に、第６実施形態について、図１５を参照して説明する。本実施形態では、放熱器５２で生成された凝縮水を回収する凝縮水回収経路５４が設けられている点が第５実施形態と相違している。本実施形態では、第５実施形態と異なる部分について主に説明し、第５実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【０１２４】
図１５に示すように、放熱器５２には、放熱器５２で燃料オフガスに含まれる水分を凝縮する回収タンク５３が接続されている。回収タンク５３には、凝縮水回収経路５４が接続されている。この凝縮水回収経路５４は、放熱器５２で生成される凝縮水を再利用可能なように水ポンプ４１の入口側に接続されている。
【０１２５】
その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分を改質器３２における水蒸気改質等に再利用可能な構成になっている。これによると、例えば、システム外部からの水の供給が困難な状況であっても、燃料電池１０を作動させることが可能になる。
【０１２６】
（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
【０１２７】
上述の実施形態では、燃料電池１０の起動時および発電停止後に、燃料電池１０に対して、水蒸気および燃料によって改質器３２で生成された燃料ガスが供給される燃料電池システム１を例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１０の起動時または発電停止後に、燃料電池１０に対して、水蒸気および燃料によって改質器３２で生成された燃料ガスが供給されるように構成されていてもよい。
【０１２８】
上述の実施形態では、燃料電池１０の停止処理として、パージ処理が実行されるものを例示したが、これに限定されない。燃料電池１０の停止処理は、例えば、パージ処理が実行されない処理になっていてもよい。
【０１２９】
上述の実施形態では、エジェクタ８１によって、オフガス供給部が構成された燃料電池システム１を例示したが、これに限定されない。オフガス供給部は、エジェクタ８１以外の機器（例えば、ポンプ）によって構成されていてもよい。
【０１３０】
上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【０１３１】
上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
【０１３２】
上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
【０１３３】
（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、停止後高温期間に、酸化剤ガスの供給量が増加するように酸化剤ポンプを制御し、燃料および水蒸気の供給量が減少するように燃料ポンプおよび水ポンプを制御する。そして、オフガス供給部は、改質器に供給される燃料および水蒸気の流れを駆動流として利用して燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引して改質器に供給可能に構成されている。
【０１３４】
第２の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、燃料電池の発電停止後に燃料電池の温度が基準温度以下になると、改質器への水蒸気および燃料の供給が停止するように燃料ポンプおよび水ポンプを制御する。これによると、燃料電池の温度が低下すると、水蒸気および燃料の供給を停止するので、燃料電池での燃料および水蒸気の使用を停止しつつ、燃料電池の酸化劣化を抑制することができる。
【０１３５】
第３の観点によれば、燃料電池システムは、燃料ガスまたは燃料オフガスをオフガス供給部の下流側から上流側に導くガス循環経路と、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部と、を備える。制御装置は、停止後高温期間にガス循環経路に燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるように流量調整部を制御する。
【０１３６】
これによると、燃料電池の発電停止後の所定期間、オフガス供給部には、システム外部から導入される水蒸気および燃料だけでなく、ガス循環経路からの燃料ガスまたは燃料オフガスが流入する。これにより、オフガス供給部において駆動流となる燃料ガス等の質量流量が増加するので、オフガス供給部に吸引される燃料オフガスの吸引量を増加させることができる。この結果、燃料電池の発電停止後におけるシステム外部から改質器への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
【０１３７】
第４の観点によれば、燃料電池システムのガス循環経路は、燃料オフガスがオフガス供給部の上流側に導かれるように燃料電池の出口側に接続されている。これによると、ガス循環経路が燃料電池の入口側に接続されている場合に比べて、燃料電池の発電停止後に燃料電池への燃料オフガスの供給量が増加する。このため、システム外部からの水蒸気および燃料の供給量を増やすことなく燃料電池の酸化劣化を充分に抑制することができる。
【０１３８】
第５の観点によれば、燃料電池システムのガス循環経路は、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスが燃料ポンプに吸引されるように燃料ポンプの上流側に接続されている。そして、ガス循環経路には、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスを放熱させる放熱器が設けられている。これによると、放熱器で放熱された後の燃料ガスまたは燃料オフガスが燃料ポンプに吸引されるので、燃料ポンプを熱的に保護することができる。
【０１３９】
第６の観点によれば、燃料電池システムの放熱器には、燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分が凝縮して生成される凝縮水を回収する凝縮水回収経路が接続されている。そして、凝縮水回収経路は、凝縮水を再利用可能なように水ポンプの入口側に接続されている。
【０１４０】
このように、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分を再利用する構成とすれば、例えば、システム外部からの水の供給が困難な状況であっても、燃料電池を作動させることが可能になる。
【０１４１】
第７の観点によれば、燃料電池システムは、放熱器に対して、燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分が凝縮して生成される凝縮水を回収する凝縮水回収部が接続されるとともに、放熱器で生成される凝縮水の回収量を検出する回収量検出部が設けられている。そして、制御装置は、放熱器で生成される凝縮水の回収量に基づいて水ポンプを制御する。
【０１４２】
これによると、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分を考慮して水ポンプから供給する水蒸気の供給量を調整することができるので、改質器や燃料電池に対して適量の水蒸気を供給することが可能になる。また、回収した凝縮水を燃料電池の発電や温度調整に再利用する構成とすれば、水自立とシステムの温度調整を両立し易くなるといった利点がある。
【０１４３】
第８の観点によれば、燃料電池システムは、改質器へ供給する水蒸気を生成する気化器と、気化器の内部の水量に相関性がある物理量を検出する水量検出部と、を備える。そして、制御装置は、燃料電池の発電停止後に気化器の内部の水が空になるまで燃料電池への酸化剤ガスの供給が継続されるように酸化剤ポンプを制御する。これによれば、気化器の凍結割れを抑制することができる。また、燃料電池の停止中に気化器に残留した水分が燃料電池の内部に侵入することを防止することができる。
【０１４４】
第９の観点によれば、燃料電池システムは、水量検出部が、気化器の内部温度を気化器の内部の水量に相関性がある物理量として検出するように構成されている。気化器の内部温度は、気化器の内部の水量に応じて変化することから、気化器の内部温度を気化器の内部の水量に相関性がある物理量とすることができる。
【０１４５】
第１０の観点によれば、燃料電池システムは、水量検出部が、オフガス供給部よりも水流れ上流側の圧力を気化器の内部の水量に相関性がある物理量として検出するように構成されている。オフガス供給部よりも水流れ上流側の圧力は、気化器の内部の水量に応じて変化することから、オフガス供給部よりも水流れ上流側の圧力を気化器の内部の水量に相関性がある物理量とすることができる。
【０１４６】
第１１の観点によれば、燃料電池システムのオフガス供給部は、改質器よりも燃料流れ上流側に設けられたエジェクタを含んでいる。エジェクタは、水蒸気および燃料を噴射するノズル部、ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引する吸引部、ノズル部から噴射される水蒸気および燃料と吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して改質器に向けて吐出する吐出部を有する。オフガス供給部をエジェクタで構成すれば、動力を増やすことなく、改質器および燃料電池に供給する流体の供給量を増加させることができる。
【０１４７】
第１２の観点によれば、燃料電池システムは、燃料または燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させることで改質器を昇温させる燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスを燃料電池に供給される前の酸化剤ガスと熱交換させて昇温させる予熱器と、を備える。そして、改質器は、予熱器を通過する前の燃料ガスによって加熱される構成になっている。
【０１４８】
これによると、燃料オフガスを燃焼させて生成した燃焼ガスによって予熱器および改質器を加熱すれば、システム外部からの熱供給が不要となるので、システムを熱的に自立させることが可能となる。
【０１４９】
第１３の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、燃料電池の起動時に気化器で水を蒸発させることが可能な状態になると、改質器へ水蒸気および燃料が供給されるように燃料ポンプおよび水ポンプを制御する。そして、オフガス供給部は、改質器に供給される水蒸気および燃料の流れを駆動流として利用して燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引して改質器に供給可能に構成されている。
【０１５０】
第１４の観点によれば、燃料電池システムは、燃料ガスまたは燃料オフガスをオフガス供給部の下流側から上流側に導くガス循環経路と、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部と、を備える。そして、制御装置は、燃料電池の起動時に改質器で燃料ガスの生成が可能な状態になると、ガス循環経路に燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるように流量調整部を制御する。
【０１５１】
これによると、燃料電池の起動時に、オフガス供給部には、システム外部から導入される水蒸気および燃料だけでなく、ガス循環経路からの燃料ガスまたは燃料オフガスが流入する。これにより、オフガス供給部において駆動流となる燃料ガス等の質量流量が増加するので、オフガス供給部に吸引される燃料オフガスの吸引量を増加させることができる。この結果、燃料電池の起動時におけるシステム外部から改質器への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
【符号の説明】
【０１５２】
１０      燃料電池
２１      圧送ブロワ（酸化剤ポンプ）
３１      燃料ポンプ
３２      改質器
４１      水ポンプ
８１      エジェクタ（オフガス供給部）
８２      リサイクル経路
１００    制御装置
【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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