(57)【要約】【課題】改質部に供給される水蒸気の生成の開始を確実に判定することができるとともに、製造コストの削減を図ることのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】改質用燃料および改質水から水素を含む燃料ガスを生成して燃料電池１０の燃料極１１に供給する改質部２１と、改質水を蒸発させて水蒸気を生成し改質部２１に供給する蒸発部２６と、改質部２１を加熱するバーナ２５と、改質部２１の出口部の温度θ１を検出する温度センサ２１ｃと、改質部２１、蒸発部２６およびバーナ２５を制御する制御装置１とを備える燃料電池システムである。制御装置１は、温度センサ２１ｃに基づく改質部２１の出口部の温度上昇率α１が基準温度上昇率αｍ以上になったとき、水蒸気が生成されたと判定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用燃料および改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質水を蒸発させて水蒸気を生成し前記改質部に供給する蒸発部と、前記改質部を加熱する燃焼部と、前記改質部の出口部の温度を検出する温度検出手段と、前記改質部、蒸発部および燃焼部を制御する制御装置とを備える改質装置であって、
前記制御装置は、前記温度検出手段に基づく前記改質部の出口部の温度上昇率が所定値以上になったとき、前記水蒸気の生成が開始されたと判定することを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１において、前記制御装置は、前記蒸発部に改質水を供給してから所定時間を経過しても、前記改質部の出口部の温度上昇率が所定値以上にならないとき、水蒸気生成異常と判定することを特徴とする改質装置。
【請求項３】
改質用燃料および改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質水を蒸発させて水蒸気を生成し前記改質部に供給する蒸発部と、前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃焼部の出口部の温度を検出する温度検出手段と、前記改質部、蒸発部および燃焼部を制御する制御装置とを備える改質装置であって、
前記制御装置は、前記燃焼部の温度低下率が所定値以上になったとき、前記水蒸気の生成が開始されたと判定することを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項３において、前記制御装置は、前記蒸発部に改質水を供給してから所定時間を経過しても、前記燃焼部の温度低下率が所定値以上にならないとき、水蒸気生成異常と判定することを特徴とする改質装置。
【請求項５】
燃料ガスが燃料極に供給され、酸化剤ガスが酸化剤極に供給されて発電する燃料電池システムにおいて、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の改質装置により生成された改質ガスを前記燃料ガスとして使用することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質装置および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、改質用燃料および改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質部と、改質水を蒸発させて水蒸気を生成し改質部に供給する蒸発部と、改質部を加熱する燃焼部と、改質部、蒸発部および燃焼部を制御する制御装置とを有する改質装置として特許文献１および特許文献２に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された改質装置は、蒸発部から改質部に供給される水蒸気の温度を測定する温度センサを有しており、この温度センサに基づく水蒸気の温度が設定温度範囲内にないとき、制御装置は改質反応が異常であると判定している。そして、制御装置は、水蒸気の温度が設定温度範囲よりも大きいときには蒸発部への改質水の量を増大させて改質部に供給される水蒸気量を増大させ、水蒸気の温度が設定温度範囲よりも小さいときには蒸発部への改質水の量を減少させて改質部に供給される水蒸気量を減少させている。この改質装置によれば、改質部の水蒸気比を適正に維持しやすく、改質反応の状態を良好に維持することができると考えられる。
【０００３】
また、特許文献２に記載された改質装置は、改質部の温度を測定する温度センサを有しており、この温度センサに基づく改質部の温度により、燃焼部の燃焼量を増減して改質部の温度を制御している。この改質装置によれば、改質部の温度を適正に維持しやすく、改質反応の状態を良好に維持することができると考えられる。
【特許文献１】特開２００５−２２５７２５号公報
【特許文献２】特許３７７２６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１記載の改質装置では、蒸発部から改質部に供給される水蒸気の温度を測定する温度センサを蒸発部に設けているため、部品コスト等が上昇し改質装置の製造コストが高騰化してしまう。また、水蒸気を蒸発部で検知しているため、改質部に水蒸気が十分流入していない場合も起こり得る。この場合には、改質部に供給される水蒸気に対して改質用燃料中の炭素が多すぎるため、コーキングを起こし、改質触媒を劣化させるおそれがある。
【０００５】
また、上記特許文献２記載の改質装置では、蒸発部に温度センサを設けていないため部品コスト等の削減を図ることができるものの、改質部に供給される改質水（水蒸気）の制御については記載されていない。
【０００６】
本発明は係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、改質部に供給される水蒸気の生成の開始を確実に判定することができるとともに、製造コストの削減を図ることのできる改質装置および燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る改質装置の特徴は、改質用燃料および改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質水を蒸発させて水蒸気を生成し前記改質部に供給する蒸発部と、前記改質部を加熱する燃焼部と、前記改質部の出口部の温度を検出する温度検出手段と、前記改質部、蒸発部および燃焼部を制御する制御装置とを備える改質装置であって、前記制御装置は、前記温度検出手段に基づく前記改質部の出口部の温度上昇率が所定値以上になったとき、前記水蒸気の生成が開始されたと判定することである。
【０００８】
請求項２に係る改質装置の特徴は、請求項１において、前記制御装置は、前記蒸発部に改質水を供給してから所定時間を経過しても、前記改質部の出口部の温度上昇率が所定値以上にならないとき、水蒸気生成異常と判定することである。
【０００９】
請求項３に係る改質装置の特徴は、改質用燃料および改質水から水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質水を蒸発させて水蒸気を生成し前記改質部に供給する蒸発部と、前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃焼部の出口部の温度を検出する温度検出手段と、前記改質部、蒸発部および燃焼部を制御する制御装置とを備える改質装置であって、前記制御装置は、前記燃焼部の温度低下率が所定値以上になったとき、前記水蒸気の生成が開始されたと判定することである。
【００１０】
請求項４に係る改質装置の特徴は、請求項３において、前記制御装置は、前記蒸発部に改質水を供給してから所定時間を経過しても、前記燃焼部の温度低下率が所定値以上にならないとき、水蒸気生成異常と判定することである。
【００１１】
請求項５に係る燃料電池システムの特徴は、燃料ガスが燃料極に供給され、酸化剤ガスが酸化剤極に供給されて発電する燃料電池システムにおいて、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の改質装置により生成された改質ガスを前記燃料ガスとして使用することある。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る改質装置においては、温度検出手段により改質部の出口部の温度が検出され、制御装置は、その温度上昇率が所定値以上になったとき、水蒸気の生成が開始されたと判定する。改質部への水蒸気供給開始前では、改質部内のガスはほとんど動かないため、改質部の出口部への伝熱は主に伝導によって行われる。このため、改質部の出口部の温度上昇率はそれほど大きくない。しかし、蒸発部で生成された水蒸気が改質部に供給されると、この水蒸気が燃焼ガスにより加熱され、加熱された水蒸気が改質部の出口部に移動する。そのため、出口部の温度が急激に上昇し、その温度上昇率が大きくなる。この温度上昇率により確実に水蒸気の生成の判定をすることができる。また、温度検出手段により検出された改質部の出口部の温度に基づいて水蒸気の生成の開始の判定をしているため、蒸発部に温度センサを設ける必要がない。したがって、この改質装置によれば、改質部に供給される水蒸気の生成の開始を確実に判定することができるとともに、製造コストの削減を図ることができる。また、改質部の出口部に温度検出手段を設けているため、その温度上昇率が所定値以上になったときには、すでに改質部全体に水蒸気が充満している。そのため、水蒸気が不足している状態で改質用燃料を改質部に供給することを抑制でき、コーキングによる改質触媒の劣化を抑制できる。
【００１３】
請求項２に係る改質装置においては、蒸発部に改質水を供給してから所定時間を経過しても、改質部の出口部の温度上昇率が所定値以上にならないとき、水蒸気生成異常と判定される。改質部に水蒸気が供給されないにもかかわらず加熱し続けると、改質部が劣化し耐久性が低下するのみならず、無駄に燃焼用燃料を燃焼させる時間が増加することでエネルギーをロスする。そのため、改質部の出口部の温度上昇率に基づき水蒸気生成異常と判定された場合、改質装置を停止させる等の処置を行えば、耐久性の低下を抑制し、エネルギーのロスを抑制できる。
【００１４】
請求項３に係る改質装置においては、温度検出手段により燃焼部の温度が検出され、制御装置は、その温度低下率が所定値以上になったとき、水蒸気の生成が開始されたと判定する。改質部全体が水蒸気によって満たされていない状態において、燃焼部に着火されると、燃焼部の温度は局所的に急激に上昇し、制御状態により略一定の温度に維持される。しかし、発明者による実験の結果、蒸発部で生成された水蒸気が改質部内に供給されると、燃焼部の温度が一時的に低下することが確認された。そのため、この温度低下率により確実に水蒸気の生成の判定をすることができる。また、温度検出手段により検出された燃焼部の温度に基づいて水蒸気の生成の開始の判定をしているため、蒸発部に温度センサを設ける必要がない。したがって、この改質装置によれば、改質部に供給される水蒸気の生成の開始を確実に判定することができるとともに、製造コストの削減を図ることができる。
【００１５】
請求項４に係る改質装置においては、蒸発部に改質水を供給してから所定時間を経過しても、燃焼部の温度低下率が所定値以上にならないとき、水蒸気生成異常と判定される。改質部に水蒸気が供給されないにもかかわらず加熱し続けると、改質部が劣化し耐久性が低下するのみならず、無駄に燃焼用燃料を燃焼させる時間が増加することでエネルギーをロスする。そのため、燃焼部の温度低下率に基づき水蒸気生成異常と判定された場合、改質装置を停止させる等の処置を行えば、耐久性の低下を抑制し、エネルギーのロスを抑制できる。
【００１６】
請求項５に係る燃料電池システムにおいては、請求項１乃至４のいずれか一項に記載された改質装置により生成された改質ガスを燃料ガスとして使用するので、改質部に供給される水蒸気の生成の開始を確実に判定することができるとともに、製造コストの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る改質装置および燃料電池システムの実施形態１，２について説明する。図１は実施形態１の燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０、この燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質装置２０、および燃料電池システムを制御する制御装置１を備えている。
【００１８】
燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。
【００１９】
改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部（熱交換部）２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という）２４、バーナ２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
【００２０】
改質部２１は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。
【００２１】
改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部（熱交換部）２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。また、改質部２１の出口部には、温度センサ２１ｃが配設されており、この温度センサ２１ｃにより改質部２１の出口部の温度θ１を検出することができる。ここで、「改質部の出口部」とは、改質部２１出口から改質部２１内部側では１００ｍｍ以内が望ましく、より望ましくは５０ｍｍ以内がよい。改質部２１出口から改質部２１外部側では１００ｍｍ以内が望ましく、より望ましくは５０ｍｍ以内がよい。改質部２１と直後の機器との間に管路が存在する場合、この管路内も「改質部の出口部」に含まれ、改質部２１内部側の望ましい距離は改質部２１と管路との境界を基点とし、改質部２１外部側の望ましい距離は管路の出口を基点とする。この温度センサ２１ｃが「温度検出手段」である。
【００２２】
冷却部（熱交換部）２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。
【００２３】
具体的には、冷却部（熱交換部）２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１が接続されている。改質用燃料供給管４１には、上流から順番に燃料ポンプ４２、脱硫器４６および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は改質用燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４２は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。脱硫器４６は燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を低減するものである。燃料供給源から供給される燃料のうち改質部２１に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、バーナ２５に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。
【００２４】
また、改質用燃料供給管４１の脱硫器４６と改質用燃料バルブ４３との間にはバーナ２５に接続された燃焼用空気供給管６４に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されている。燃焼用燃料供給管４４には燃焼用燃料バルブ４５が設けられている。燃焼用燃料バルブ４５は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が閉じられ燃焼用燃料バルブ４５が開かれている場合、バーナ２５に燃焼用燃料が供給され、また、燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が開かれ燃焼用燃料バルブ４５が閉じられている場合、改質部２１に改質用燃料が供給される。
【００２５】
さらに、改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部（熱交換部）２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部（熱交換部）２２を通って改質部２１に供給されている。
【００２６】
ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部（熱交換部）２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部（熱交換部）２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【００２７】
ＣＯ浄化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ浄化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ浄化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。
【００２８】
このＣＯ浄化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ浄化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。
【００２９】
したがって、ＣＯ浄化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。
【００３０】
燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ浄化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介してバーナ２５が接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。
【００３１】
起動運転時には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）時には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。
【００３２】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。
【００３３】
バーナ２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。バーナ２５においては、バーナ２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガス（これらは可燃ガスである。）がバーナ２５に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、改質部２１と断熱部２８との間および断熱部２８と蒸発部２６との間に形成されて改質部２１や蒸発部２６を加熱するように配設された燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして外部に排出される。燃焼ガスは改質部２１の改質触媒２１ａを活性温度域となるように加熱し、蒸発部（熱交換部）２２を水蒸気生成するために加熱する。ここで、バーナ２５と燃焼ガス流路２７とが「燃焼部」である。
【００３４】
燃焼用空気供給管６４には、燃焼用空気ポンプ（燃焼用酸化剤ガス供給手段）６５および燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は大気から燃焼用空気を吸い込みバーナ２５に吐出するものであり、制御装置の指令に応じてバーナ２５に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ６６は、制御装置の指令に応じて燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。
【００３５】
蒸発部２６は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成して冷却部（熱交換部）２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を覆って当接して設けられている。
【００３６】
この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク（図示省略）に接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ浄化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部（熱交換部）２２を介して改質部２１へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉するものである。
【００３７】
制御装置１には、温度センサ２１ｃ、各ポンプ４２，５３，６５，６２，６８、各バルブ４３，４５，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６およびバーナ２５等が電気的に接続されている。制御装置１により燃料電池システムが制御される。
【００３８】
上記の構成の燃料電池システムの作動について図２および図３を参照して説明する。図２は制御プログラムのフローチャートである。また、図３は改質部２１の出口部の温度θ１のグラフである。なお、図３におけるθ３は蒸発部２６の温度であり、水蒸気供給管５１の蒸発部２６の出口付近に配設される温度センサにより測定される温度である。ただし、本実施形態においては、温度θ３を測定する温度センサは設けられていないが、改質部２１の出口部の温度θ１との比較のため、図３には温度θ３が記入されている。
【００３９】
燃料電池システムが停止しているときには、各ポンプ４２，５３，６５，６２，６８は停止状態であり、各バルブ４３，４５，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６は閉状態である。ステップＳ１０において、燃料電池システムに対する起動指示が出されると（図３の時刻Ｔ０）、ステップＳ１２において、燃焼用空気バルブ６６が開かれ、燃焼用空気ポンプ６５が駆動される。また、燃焼用燃料バルブ４５が開かれ、燃料ポンプ４２が駆動され、バーナ２５に着火される。これにより、改質部２１が加熱されるが、改質部２１内のガスはほとんど動かないため、改質部２１の出口部への伝導は主に伝導によって行われる。そのため、改質部２１の出口部の温度θ１はゆっくりと上昇する。この際、燃焼用燃料は燃焼用燃料供給管４４を通って燃焼用空気供給管６４で燃焼用空気に合流して混合され、その予混合ガスが燃焼用空気供給管６４を通ってバーナ２５に供給される。また、改質水バルブ５４が開かれ、改質水ポンプ５３が駆動される。さらに、第２改質ガスバルブ７６が開かれる。これにより、蒸発部２６に改質水が供給され、バーナ２５から排出された燃焼ガスにより改質水が加熱されるため、蒸発部２６の温度θ３はゆっくりと上昇する。そして、蒸発部２６において水蒸気が発生すると、蒸発部２６の温度θ３は急激に上昇する（図３の時刻Ｔ１）。この際、第２改質ガスバルブ７６が開かれているため、蒸発部２６で発生した水蒸気は、水蒸気供給管５１、冷却部（熱交換部）２２、改質部２１、冷却部（熱交換部）２２、ＣＯシフト部２３、接続管８９、ＣＯ浄化部２４、改質ガス供給管７１、バイパス管７３およびオフガス供給管７２を通ってバーナ２５に流入する。また、この水蒸気に押された改質部２１や配管内のガスも同様の経路でバーナ２５に流入する。
【００４０】
ステップＳ１３においては、蒸発部２６に改質水が供給されてからの時間が所定時間Ｔｍを経過したか否かが調べられる。所定時間Ｔｍを経過した場合、ステップＳ１５において、水蒸気生成不良として異常判定し、その旨が通知されるとともに燃料電池システムが停止される。ここで、所定時間Ｔｍは、改質水ポンプ５３等が正常に働いており給水管５２から蒸発部２６に所定量の改質水が供給されている場合、蒸発部２６において生成された水蒸気が改質部２１に到達する時間（図３における時刻Ｔ０から時刻Ｔ２までの時間）に基づいて求められる。具体的には、予め試験により時刻Ｔ０から時刻Ｔ２までの時間を測定し、その時間に測定誤差等を見越した余裕時間を加えて所定時間Ｔｍが求められる。ステップＳ１５が実行される場合は、所定時間Ｔｍを経過しても改質部２１に十分な水蒸気が到達しない場合であり、例えば、改質水ポンプ５３の異常等により蒸発部２６に所定量の改質水が供給されない場合が考えられる。このような場合に、ステップＳ１５において燃料電池システムが停止されることにより、耐久性の低下を抑制し、エネルギーのロスを抑制できる。
【００４１】
所定時間Ｔｍを経過していない場合、ステップＳ１４において、温度センサ２１ｃから改質部２１の出口部の温度θ１が入力され、この温度θ１の温度上昇率α１が基準温度上昇率αｍ以上になったか否かが調べられる。温度上昇率α１が基準温度上昇率αｍ未満である場合、改質部２１に十分な水蒸気が到達しないと判断され、ステップＳ１３に戻される。温度上昇率α１が基準温度上昇率αｍ以上である場合（図３の時刻Ｔ２）、改質部２１に十分な水蒸気が到達し、蒸発部２６において水蒸気が生成されたと判定される（ステップＳ１６）。
【００４２】
改質部２１への水蒸気供給開始前では、改質部２１内のガスはほとんど動かないため、改質部２１の出口部への伝熱は主に伝導によって行われる。このため、改質部２１の出口部の温度上昇率α１はそれほど大きくない。しかし、蒸発部２６で生成された水蒸気が改質部２１に供給されると、この水蒸気が燃焼ガスにより加熱され、加熱された水蒸気が改質部２１の出口部に移動する。そのため、出口部の温度θ１が急激に上昇し、その温度上昇率α１が大きくなる。したがって、この温度上昇率α１により確実に水蒸気の生成の判定をすることができる。
【００４３】
そして、燃料電池システムの暖機運転の後、定常運転（発電）が開始される（ステップＳ１７〜Ｓ１９）。ステップＳ１７においては、燃焼用燃料バルブ４５が閉じられ、バーナ２５への燃焼用燃料の供給が停止され、バーナ２５が消火される。ただし、燃焼用空気バルブ６６は開かれており、燃焼用空気供給管６４を通って供給された燃焼用空気により燃焼部（バーナ２５および燃焼ガス流路２７）内に残留する燃焼ガスや過剰な水蒸気が排気管８１から排出され、燃焼部（バーナ２５および燃焼ガス流路２７）から掃気される。そのため、不安定な状態でのバーナ２５の再着火を抑制できる。
【００４４】
ステップＳ１８においては、改質用燃料バルブ４３が開かれる。これにより、燃料供給管４１を通った改質用燃料は、水蒸気供給管５１から供給される改質水（水蒸気）と混合される。そして、その混合ガスは、冷却部（熱交換部）２２を通って改質部２１に供給される。改質部２１に供給された改質用燃料は改質され改質ガスになり、冷却部（熱交換部）２２、ＣＯシフト部２３、接続管８９、ＣＯ浄化部２４、改質ガス供給管７１、バイパス管７３およびオフガス供給管７２を通ってバーナ２５に流入する。燃焼用空気は供給されており、バーナ２５に着火され、改質ガスが燃焼される。
【００４５】
ステップＳ１９においては、改質装置２０の暖機の終了を確認した後、定常運転（発電）が開始される。なお、改質装置２０の暖機の終了とは、改質部２１、ＣＯシフト部２３、ＣＯ浄化部２４等が規定温度に到達し、規定の水素量を生成するとともに改質ガスのＣＯ濃度が規定濃度以下に低下する状態をいう。
【００４６】
定常運転（発電）中においては、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開かれ、燃焼用燃料バルブ４５および第２改質ガスバルブ７６が閉じられる。これにより、バーナ２５には燃料電池１０の燃料極１１からのアノードオフガス（燃料電池１０の燃料極１１に供給され消費されずに排出された水素や未改質の改質用燃料を含んだ改質ガス）が供給され、燃焼用燃料の供給は停止される。ただし、燃焼用空気は上記と同様に供給されている。すなわち、バーナ２５には、オフガス供給管７２を通ってアノードオフガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給管６４を通って燃焼用空気が供給される。このとき、バーナ２５では燃焼用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い焚きは行われていない。いわゆる追い焚きレスシステムである。
【００４７】
実施形態１に係る燃料電池システムにおいては、蒸発部２６で生成された水蒸気が改質部２１に供給されると、この水蒸気が燃焼ガスにより加熱され、加熱された水蒸気が改質部２１の出口部に移動するめ、出口部の温度θ１が急激に上昇し、その温度上昇率α１が大きくなる。したがって、この温度上昇率α１により確実に水蒸気の生成の判定をすることができる。また、温度センサ２１ｃにより検出された改質部２１の出口部の温度θ１に基づいて水蒸気の生成の開始の判定をしているため、蒸発部２６に温度センサを設ける必要がない。したがって、この燃料電池システムによれば、改質部２１に供給される水蒸気の生成の開始を確実に判定することができるとともに、製造コストの削減を図ることができる。また、改質部２１の出口部に温度センサ２１ｃを設けているため、その温度上昇率α１が基準温度上昇率αｍ以上になったときには、すでに改質部２１全体に水蒸気が充満している。そのため、水蒸気が不足している状態で改質用燃料を改質部２１に供給することを抑制でき、コーキングによる改質触媒の劣化を抑制できる。
【００４８】
実施形態２の燃料電池システムの構成は、図１に示す実施形態１の構成と略同一である。ただし、温度センサ２１ｃは配設されていない。また、図４に示すバーナ２５が用いられる。
【００４９】
図４に示すように、バーナ２５は、基部２５ａと、基部２５ａに設けられて基部２５ａと連通する筒状の燃焼筒（筒体）２５ｂと、オフガスノズル２５ｃと、温度センサ２５ｅと、を備えている。バーナ２５は、制御装置１の指令に応じて点火用電極（図示省略）により着火されるものである。ここで、温度センサ２５ｅがバーナ２５の温度θ２を検出する「温度検出手段」である。
【００５０】
基部２５ａは、ベースプレート２５ａ１、ベースプレート２５ａ１を覆って固定されたベースケーシング２５ａ２から構成されている。ベースプレート２５ａ１にはオフガス供給管７２が接続され、ベースプレート２５ａ１の空間（内部空間）２５ａ４に臨む内壁面にはオフガスノズル２５ｃの基端が接続されている。これらオフガス供給管７２とオフガスノズル２５ｃは、ベースプレート２５ａ１に形成された接続路２５ａ３により連通され、アノードオフガスおよび改質ガスのいずれかがオフガスノズル２５ｃに導入（供給）される。ベースケーシング２５ａ２には、燃焼用空気供給管６４が連結され、燃焼用空気または燃焼用空気と燃焼用燃料が予め混合された予混合ガスが基部２５ａ内にベースプレート２５ａ１とベースケーシング２５ａ２とで形成された空間２５ａ４に導入される。燃焼用空気、予混合ガスの何れかが空間２５ａ４に導入される口６４ａが第１導入口である。
【００５１】
燃焼筒２５ｂは、上端（一端）が基部２５ａのベースケーシング２５ａ２と接続され連通し下方（他端）が開放されている。燃焼筒２５ｂの長手方向の途中（例えば中間より下端側）に円盤状の仕切り板２５ｂ１が設けられており、燃焼筒２５ｂを長手方向に仕切っている。
【００５２】
オフガスノズル２５ｃは、燃焼筒２５ｂの内部に燃焼筒２５ｂの軸方向に沿って軸方向が設けられたノズルである。このオフガスノズル２５ｃは、空間２５ａ４および燃焼筒２５ｂ内を仕切り板２５ｂ１に向けて延在し、仕切り板２５ｂ１の中央を貫通し、燃焼空間２５ｄまで延びている。オフガスノズル２５ｃの先端部分は閉じられており、先端から少し離れた側面部分（先端部）に第１噴射口２５ｃ１が設けられている。第１噴射口２５ｃ１は、オフガスノズル２５ｃの先端部側面に開口して複数設けられるものである。本実施の形態では、第１噴射口２５ｃ１は、オフガスノズル２５ｃの径方向に開口して複数（本実施の形態では４個）設けられている。第１噴射口２５ｃ１は、断面略円形である。基端側から供給されたアノードオフガスまたは改質ガスが複数の第１噴射口２５ｃ１から径方向外側に向けて放射状に噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。オフガスノズル２５ｃはアノードオフガス用とともに燃料電池１０をバイパスした改質ガス用としても使用される。
【００５３】
なお、燃焼空間２５ｄは、可燃ガスを燃焼させるために設けた部分であり、燃焼筒２５ｂ内でオフガスノズル２５ｃの先端が仕切り板２５ｂ１から突出した側の空間のことである。なお、燃焼筒２５ｂのうち仕切り板２５ｂ１より先端の部分はフード２５ｂ３である。このフード２５ｂ３がオフガスノズル２５ｃの仕切り板２５ｂ１から突出した先端部を覆うように設けられている。
【００５４】
仕切り板２５ｂ１は、オフガスノズル２５ｃの第１噴射口２５ｃ１より基端側位置に該オフガスノズル２５ｃと燃焼筒２５ｂの間に固定された板状部材である。仕切り板２５ｂ１は、オフガスノズル２５ｃに直交させて固定されている。仕切り板２５ｂ１は、本実施の形態では平板状であるが、平板状でなくてもよい。
【００５５】
この仕切り板２５ｂ１のオフガスノズル２５ｃの周囲には複数の第２噴射口２５ｂ２（実施の形態では１６個）が設けられている。この第２噴射口２５ｂ２は、仕切り板２５ｂ１を軸方向に貫通して設けられている。本実施の形態では、第２噴射口２５ｂ２は、オフガスノズル２５ｃの軸方向に平行な向きに開口して設けられている。第２噴射口２５ｂ２は、軸方向に貫通していればよく、軸方向に平行でなく、傾斜していてもよい。第２噴射口２５ｂ２は、断面略円形である。
【００５６】
なお、基部２５ａ、燃焼筒２５ｂおよび仕切り板２５ｂ１から筐体２５ｇが構成されている。また、筐体２５ｇには内部空間２５ｈ（基部２５ａ、燃焼筒２５ｂおよび仕切り板２５ｂ１から区画された空間である。）が形成されている。内部空間２５ｈは空間２５ａ４と、燃焼筒２５ｂとオフガスノズル２５ｃとの空間のうち仕切り板２５ｂ１で区画された基部２５ａ側の部分と、から形成されている。
【００５７】
アノードオフガスまたは燃料ガスを燃焼用空気で拡散燃焼させる拡散燃焼の場合には、アノードオフガスまたは燃料ガスがオフガスノズル２５ｃに供給され、燃焼用空気が第２噴出口２５ｂ２から噴出するように供給される。すなわち、オフガスノズル２５ｃに供給されたアノードオフガスまたは燃料ガスが第１噴射口２５ｃ１からオフガスノズル２５ｃの径方向外側に向けて噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。基部２５ａ内の空間２５ａ４に導入された燃焼用空気が第２噴出口２５ｂ２からオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。この場合、第１噴射口２５ｃ１からオフガスノズル２５ｃの径方向外側に向けて噴出されるアノードオフガスまたは燃料ガスは、第２噴射口２５ｂ２からオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出される燃焼用空気の流れによって、オフガスノズル２５ｃの先端突出側に向かう流れとなり、外側に拡がろうとする火炎２５ｆをオフガスノズル２５ｃの軸方向に沿った方向に向けている。
【００５８】
一方、燃焼用燃料と燃焼用空気とを予混合して燃焼用燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼の場合には、燃焼用燃料と燃焼用空気とが予混合して第２噴出口２５ｂ２から噴出するように供給される。すなわち、基部２５ａ内の空間２５ａ４に導入された予混合ガスが第２噴出口２５ｂ２からオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。なお、予混合ガスは燃焼用空気供給管６４を通って供給される。
【００５９】
温度センサ２５ｅは、バーナ２５の燃焼空間２５ｄ内で生じる火炎２５ｆの輻射温度を検出して、その検出結果を制御装置１に送信するもの（例えば輻射温度計）である。温度センサ２５ｅは、例えばシース熱電対であり、基部２５ａのベースプレート２５ａ１を貫通し仕切り板２５ｂ１を貫通して燃焼空間２５ｄ内に挿入されている。その先端部分（先端２５ｅ１からやや後方）が温度計測部である。温度センサ２５ｅの先端２５ｅ１は、第１噴射口２５ｃ１の仕切り板２５ｂ１側の端２５ｃ２より仕切り板２５ｂ１側となるように設けられているが、これに限定されない。温度センサ２５ｅの温度計測部が火炎２５ｆの輻射温度を計測できる位置であればよい。具体的には、温度センサ２５ｅの位置は、バーナ２５および燃焼ガス流路２７のうち、火炎２５ｆの火炎面２５ｆ１の外部であればよい。ここで火炎面とは、可燃ガス（例えばアノードオフガス、予混合ガス（燃焼用燃料を含む））の燃焼反応（酸化反応）が起こっている部分とそれ以外の部分の境界面をいう。なお、本実施の形態では、温度センサ２５ｅとして熱電対を用いているが、サーミスタを用いてもよい。
【００６０】
上記の構成の燃料電池システムの作動について図５および図６を参照して説明する。図５は制御プログラムのフローチャートである。また、図６はバーナ２５の温度θ２のグラフである。図５に示す制御プログラムのフローチャートも、図２に示す実施形態１のものと略同様であり、同一の処理については同一の符号を用いるものとし、その説明を省略する。なお、図６におけるθ３は蒸発部２６の温度であり、本実施形態においても蒸発部２６の出口付近に配設される温度センサにより測定される温度であり、蒸発部２６に温度センサは設けられていないが、バーナ２５の温度θ２との比較のため図６には温度θ３も記入されている。
【００６１】
ステップＳ１０において、燃料電池システムに対する起動指示が出されると（図６の時刻Ｔ０）、ステップＳ１２において、バーナ２５に着火される。これにより、改質部２１全体は急激には暖機されないが、バーナ２５の温度θ２は急激に上昇して略一定温度になる。時刻Ｔ１は蒸発部２６において水蒸気が発生する時刻であり、実施形態１と同様である。
【００６２】
ステップＳ２４において、温度センサ２５ｅからバーナ２５の温度θ２が入力され、この温度θ２の温度低下率α２が基準温度低下率αｎ以上になったか否かが調べられる。温度低下率α２が基準温度低下率αｎ未満である場合、改質部２１に十分な水蒸気が到達しないと判断され、ステップＳ１３に戻される。温度低下率α２が基準温度低下率αｎ以上である場合（図６の時刻Ｔ３）、改質部２１に十分な水蒸気が到達し、蒸発部２６において水蒸気が生成されたと判定される（ステップＳ１６）。そして、実施形態１と同様、燃料電池システムの暖機運転の後、定常運転（発電）が開始される（ステップＳ１７〜Ｓ１９）。
【００６３】
実施形態２に係る燃料電池システムにおいては、温度センサ２５ｅによりバーナ２５の温度θ２が検出され、制御装置１は、その温度低下率α２が基準温度低下率αｎ以上になったとき、水蒸気の生成が開始されたと判定する。ここで、改質部２１全体が水蒸気によって満たされていない状態において、バーナ２５に着火されると、バーナ２５の温度θ２は急激に上昇し、制御状態により略一定の温度に維持される。しかし、発明者による実験の結果、蒸発部２６で生成された水蒸気が改質部２１内に供給されると、バーナ２５の温度θ２が一時的に低下し、温度低下率α２が増大することが確認された。これは、改質部２１に供給された水蒸気にバーナ２５の熱が奪われ、この水蒸気が燃焼ガス流路２７を通って排気管８１から排出されるためであると考えられる。したがって、この温度低下率α２により確実に水蒸気の生成の開始の判定をすることができる。また、温度センサ２５ｅにより検出されたバーナ２５の温度θ２に基づいて水蒸気の生成の開始の判定をしているため、蒸発部２６に温度センサを設ける必要がない。したがって、この燃料電池システムによっても、改質部２１に供給される水蒸気の生成の開始を確実に判定することができるとともに、製造コストの削減を図ることができる。
【００６４】
また、この燃料電池システムにおいては、蒸発部２６に改質水を供給してから所定時間Ｔｍを経過しても、バーナ２５の温度低下率α２が基準温度低下率αｎ以上にならないとき、水蒸気生成異常と判定される。水蒸気生成異常と判定された場合、燃料電池システムを停止させることにより、耐久性の低下を抑制し、エネルギーのロスを抑制できる。
【００６５】
以上において、本発明の燃料電池システムを実施形態１，２に即して説明したが、本発明はこれらに制限されるものではなく、本発明の技術的思想に反しない限り、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施形態１，２に係る燃料電池システムの概要を示す概要図である。
【図２】実施形態１に係り、制御プログラムのフローチャートである。
【図３】実施形態１に係り、改質部の出口部の温度のグラフである。
【図４】実施形態に係り、燃焼部の断面図である。
【図５】実施形態２に係り、制御プログラムのフローチャートである。
【図６】実施形態２に係り、燃焼部の温度のグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１…制御装置、１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）、２５…バーナ、２５ａ…基部、２５ｂ…燃焼筒、２５ｂ１…仕切り板（平面板状部材）、２５ｂ２…第２噴出口、２５ｃ…オフガスノズル、２５ｃ１…第１噴出口、２５ｇ…筐体、２５ｈ…内部空間、２１ｃ、２５ｅ…温度検出手段（温度センサ）、２６…蒸発部、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、４１…燃料供給管、４２…燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料バルブ、４６…脱硫器、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…燃焼用空気ポンプ、６６…燃焼用空気バルブ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、８１，８２…排気管、８９…接続管、θ１…改質部出口部温度、θ２…燃焼部温度、θ３…蒸発部温度、α１…温度上昇率、α２…温度低下率、αｍ…基準温度上昇率、αｎ…基準温度低下率。
【図１】
2010037158.tif 000003
【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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