(57)【要約】【課題】燃料電池から排出された排気燃料ガスを循環させる燃料電池システムでは、排気燃料ガス中に充分な水蒸気が無く、液体燃料を気化した際に混合ガスの温度が低下して炭素析出が発生する問題点があった。【解決手段】燃料噴霧器１から噴霧した液体燃料を気化する燃料気化手段２と、燃料気化手段２からの気化燃料を改質して燃料ガスとする燃料改質手段３と、燃料電池ＦＣの燃料ガス排出部から燃料気化手段２に至る経路中に１次空気を導入する１次空気導入手段Ａ１と、燃料気化手段２から燃料改質手段３に至る経路中に２次空気を導入する２次空気導入手段Ａ２と、燃料改質手段３を加熱する改質加熱手段４を備えたことにより、燃料気化手段２において部分燃焼を行うことで水蒸気と熱を生成し、炭素析出を発生させずに液体燃料を気化し得るものとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を気化した後に改質して燃料ガスとし、その燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電すると共に、燃料電池から排出された排気燃料ガスの一部を上流側に戻して循環させる構造を有する燃料電池システムであって、
燃料噴霧器から噴霧した液体燃料を気化する燃料気化手段と、燃料気化手段からの気化燃料を改質して燃料ガスとする燃料改質手段と、燃料電池の燃料ガス排出部から燃料気化手段に至る経路中に１次空気を導入する１次空気導入手段と、燃料気化手段から燃料改質手段に至る経路中に２次空気を導入する２次空気導入手段と、燃料改質手段を加熱する改質加熱手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料気化手段が、燃料電池からの排気燃料ガスと１次空気とを混合燃焼させる部分燃焼室と、部分燃焼室の熱により液体燃料を気化させる気化室を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池の燃料ガス排出部からの経路を上流側に接続し且つ燃料電池の燃料ガス供給部に至る経路を下流側に接続した燃料処理用のケーシングを備え、このケーシングに、燃料気化手段、燃料改質手段、１次空気導入手段、及び２次空気導入手段を一体的に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料処理用のケーシングが、上流側から下流側に至る間に、１次空気導入手段を設けた部分燃焼室と、燃料噴霧器を設けた気化室と、２次空気供給手段及び燃料改質手段を設けた改質室を備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
部分燃焼室と気化室との間に、火炎通過防止手段を備えたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料噴霧器が、液体燃料の噴霧孔に隣接して３次空気の導入孔を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池の要求出力を検知する電池出力検知手段と、燃料電池の運転状況を検知する電池状況検知手段と、燃料気化手段の運転状況を検知する気化状況検知手段を備えると共に、  電池出力検知手段、電池状況検知手段、及び気化状況検知手段の各出力に基づいて、循環させる排気燃料ガスの量、１次空気導入手段から導入する１次空気の量、及び燃料噴霧器から噴霧する液体燃料の量を増減させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料改質手段の運転状況を検知する改質状況検知手段を備え、制御手段が、改質状況検知手段の出力に基いて、２次空気導入手段から導入する２次空気の量の増減させる手段であることを特徴とする請求項７の記載の燃料電池システム。
【請求項９】
電池状況検知手段が、燃料電池の発電出力と、燃料電池の温度及び排気燃料ガスの温度の少なくとも一方の温度と、排気燃料ガス中の水蒸気量及び未燃燃料量を検知すると共に、これらの時間変化を把握する手段であることを特徴とする請求項７及び８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
気化状況検知手段が、排気燃料ガスの温度、１次空気導入手段から導入する１次空気の温度、及び燃料噴霧器から噴霧する液体燃料の温度のうちの少なくとも１つの温度を検知する手段であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
改質状況検知手段が、燃料改質手段の温度及び燃料改質手段３の入口ガス温度の少なくとも一つを検知する手段であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池が、酸化物イオン導電性を有する電解質を備えた固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムを制御する方法であって、
燃料電池の要求出力と、燃料電池の運転状況と、燃料気化手段の運転状況と、燃料改質手段の運転状況を検知し、液体燃料の噴霧量を算出し、気化燃料の温度を所望の温度にする１次空気の導入量と気化燃料の改質反応に必要な酸素量とから、２次空気の導入量を決定する制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムを制御する方法であって、    燃料電池の要求出力とその時間変化に対して、燃料電池の運転状況とその時間変化を検出し、液体燃料の噴霧量を算出し、気化燃料の温度を所望の温度にするうえで１次空気を導入するか否かを判断する制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
燃料電池の要求出力が低出力から高出力に変化した場合に、出力変化後に必要な液体燃料の噴霧量を出力変化直前に比べて増加させる一方で、出力変化直後の１次空気の導入量は、出力変化後の定常運転での１次空気の導入量よりも多くの導入量にする制御を行うことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
燃料電池の要求出力が高出力から低出力に変化した場合に、出力変化後に必要な液体燃料の噴霧量を出力変化直前に比べて減少させる一方で、出力変化直後の１次空気の導入量は、出力変化後の定常運転での１次空気の導入量よりも少ない導入量にする制御及び導入しない制御のいずれか一方の制御を行うことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池を備えると共に、その燃料電池から排出された燃料ガスの一部を上流側に戻して循環利用するようにした燃料電池システム及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、水素や炭化水素系を燃料とし、酸素や空気を酸化剤として電気化学的反応により発電する電池である。燃料には気体や液体を用いることができるが、自動車等の移動体に適用する場合には燃料電池システムの容積をできる限り小さくすることが重要であるから、その燃料源は気体よりも液体であることが望ましい。
【０００３】
さらに、炭化水素系燃料の中でもＣ２種以上の燃料を用いる場合には、燃料電池の燃料極内部に炭素が析出し、これにより電極活性が損なわれて発電性能が低下する可能性があるので、事前に燃料をある程度改質することが望ましい。この改質には、燃料に水を添加することで改質する水蒸気改質（CnH2n+2+nH2O→nCO+(2n+1)H2）や、燃料に酸素を添加することで改質する部分酸化改質（CnH2n+2+0.5nO2→nCO+(n+1)H2）がある。また、水蒸気改質は吸熱反応であり、部分酸化改質は発熱反応であることから、これらを組み合わせることで熱収支を合わせたオートサーマル改質もある。
【０００４】
従来、液体燃料を用いた燃料電池システムとしては、特許文献１に記載されているように、灯油燃料と水蒸気を気化・混合して改質器に供給し、水蒸気改質により水素を含有する燃料ガスを発生させ、その燃料ガスを燃料電池に供給するものがあった。ところが、水蒸気改質を行う上記の燃料電池システムは、炭素析出の抑制にはなるものの、水が多量に必要であって、燃料タンクや水タンクといった装置構成によりシステム全体の重量や容積が増大するので、移動体用の燃料電池システムには好ましくなかった。また、部分酸化改質は発熱反応であるから、燃料の一部が熱エネルギとして燃料電池に供給されることになり、その分発電効率が低下するという恐れがあった。
【０００５】
これに対して、燃料電池から排出された排気燃料ガスの一部を上流側に戻して循環させ、排気燃料ガス中の未燃燃料と水蒸気を改質器に導入して改質を行うシステム（特許文献２参照）や、燃料ガス循環型の燃料電池において水蒸気改質反応と部分酸化改質反応を併用するシステム（特許文献３参照）が提案されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３１９３２８号公報
【特許文献２】特許第２９１９５８８号公報
【特許文献３】特開２０００−３２３１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のように燃料電池から排出された排気燃料ガスを循環させる燃料電池システムにおいては、高温の排気燃料ガス中に液体燃料を噴霧して気化させる場合、排気燃料ガス中に充分な水蒸気が無いと、気化器における混合ガスの温度が低下して炭素析出が発生する可能性があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、液体燃料を気化した後に改質して燃料ガスとし、その燃料ガスを燃料電池に供給すると共に、燃料電池から排出された排気燃料ガスの一部を循環させる燃料電池システムであって、炭素析出を発生させずに液体燃料を気化することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、液体燃料を気化した後に改質して燃料ガスとし、その燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電すると共に、燃料電池から排出された排気燃料ガスの一部を上流側に戻して循環させる構造を有している。ここで、燃料電池に供給する燃料ガスは、水素を含有するガス若しくは水素リッチなガスである。
【００１０】
そして、燃料電池システムは、燃料噴霧器から噴霧した液体燃料を気化する燃料気化手段と、燃料気化手段からの気化燃料を改質して燃料ガスとする燃料改質手段と、燃料電池の燃料ガス排出部から燃料気化手段に至る経路中に１次空気を導入する１次空気導入手段と、燃料気化手段から燃料改質手段に至る経路中に２次空気を導入する２次空気導入手段と、燃料改質手段を加熱する改質加熱手段を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
上記の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）を燃料電池に供給して発電する一方で、燃料電池からの排気燃料ガスの一部を上流側に戻して、その排気燃料ガスに１次空気を導入する。これにより、排気燃料ガス中の水素が酸素と反応して熱と水蒸気が発生し、その雰囲気中に液体燃料を噴霧することで気化させる。つまり、排気燃料ガスと１次空気との混合で部分燃焼が行われ、その高温の雰囲気中に液体燃料を噴霧することにより、炭素析出温度よりも充分に高い温度で液体燃料が気化される。その後、気化燃料に２次空気を導入することで部分酸化改質により燃料ガスを得る。
【００１２】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池の要求出力と、燃料電池の運転状況と、燃料気化手段の運転状況と、燃料改質手段の運転状況を検知し、液体燃料の噴霧量を算出する。そして、当該制御方法は、気化燃料の温度を所望の温度にする１次空気の導入量と気化燃料の改質反応に必要な酸素量とから、２次空気の導入量を決定する制御を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、液体燃料を気化した後に改質して燃料ガスとし、その燃料ガスを燃料電池に供給すると共に、燃料電池から排出された排気燃料ガスの一部を循環させる燃料電池システムにおいて、炭素析出を発生させずに液体燃料を気化することができ、長期にわたって高効率な発電性能を維持することができる。また、当該燃料電池システムは、動作温度が比較的低い（例えば７００℃程度）燃料電池を備えたシステムにおいても炭素析出を防止することができ、自動車等の移動体への適用に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の燃料電池システムの第１実施形態を説明するブロック図である。
【図２】第１実施形態の改質加熱手段の変更例を説明するブロック図である。
【図３】本発明の燃料電池システムの第２実施形態を説明するブロック図である。
【図４】第２実施形態の改質加熱手段の変更例を説明するブロック図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの第３実施形態を説明するブロック図である。
【図６】第３実施形態の改質加熱手段の変更例を説明するブロック図である。
【図７】図１に示す燃料気化手段及び燃料改質手段の具体的構成を示す断面図である。
【図８】燃料気化手段及び燃料改質手段の他の実施形態を示す断面図である。
【図９】燃料気化手段及び燃料改質手段のさらに他の実施形態を示す断面図である。
【図１０】第２実施形態のシステム制御方法を説明するフローチャートである。
【図１１】第３実施形態のシステム制御方法を説明するフローチャートである。
【図１２】システム制御方法の他の実施形態を説明するフローチャートである。
【図１３】システム制御方法のさらに他の実施形態を説明するフローチャートである。
【図１４】図１又は図２に示す燃料電池システムにおける各部位のガス温度を例示するグラフ（ａ）及び従来例のグラフ（ｂ）である。
【図１５】燃料電池の要求出力及び排気燃料ガスの変化と、１次空気及び液体燃料の導入量を示す各々グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、液体燃料を気化した後に改質して燃料ガスとし、その燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電すると共に、燃料電池から排出された排気燃料ガスの一部を上流側に戻して循環させる構造を有している。
【００１６】
上記の燃料電池は、酸化物イオン導電性を有する電解質を備えた固体酸化物型燃料電池である。電解質には、イットリア安定化ジルコニア等のジルコニア系材料、サマリアドープドセリア等のセリア系材料、及びランタンストロンチュウムガリュウムマンガネート等のランタン系材料などの各種材料が用いられる。ただし、電解質の材料は、酸化物イオンを導電させるものであれば良く、上述の限りではない。
【００１７】
燃料電池システムは、液体燃料にはメタノール、エタノール、ガソリン、軽油及び灯油などの炭化水素系燃料を使用することができ、また、酸化剤ガスには空気を使用することができる。そして、燃料電池システムは、液体燃料を気化した後に改質して水素リッチな燃料ガスを生成し、その燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電する。燃料電池は、上述の如く酸化物イオンを導電させる材料から成る電解質を採用しているので、発電により水蒸気を生成する。
【００１８】
そこで、本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出された排気燃料ガス、すなわち水蒸気と未燃燃料を含む排気燃料ガスを上流側に戻して循環利用することで、以下に説明するように、高効率な水蒸気改質反応と液体燃料を気化させる熱を共に利用する。
【００１９】
図１に示す第１実施形態の燃料電池システムは、燃料噴霧器１から噴霧した液体燃料を気化する燃料気化手段２と、燃料気化手段２からの気化燃料を改質して燃料ガスとする燃料改質手段３を備えている。また、燃料電池システムは、燃料電池ＦＣの燃料ガス排出部から燃料気化手段２に至る経路中に１次空気を導入する１次空気導入手段Ａ１と、燃料気化手段２から燃料改質手段３に至る経路中に２次空気を導入する２次空気導入手段Ａ２を備えている。さらに、燃料電池システムは、燃料改質手段３を加熱する改質加熱手段４を備えている。
【００２０】
図示の燃料電池システムは、燃料電池ＦＣからの排気燃料ガスの一部と空気とを混合燃料させるアフターバーナ５と、アフターバーナ５を熱源とする予熱器６を備え、この予熱器６によって燃料電池ＦＣに供給する酸化剤ガス（空気）を予熱するようにしている。
【００２１】
燃料気化手段２は、燃料電池ＦＣからの排気燃料ガスと１次空気とを混合燃焼させる部分燃焼室２Ａと、部分燃焼室２Ａの熱により液体燃料を気化させる気化室２Ｂを備えている。また、燃料気化手段２は、より好ましい実施形態として、燃料改質手段３と一体化した構造にすることができる。
【００２２】
すなわち、この実施形態の燃料電池システムは、図７に示すように、燃料電池ＦＣの燃料ガス排出部からの経路Ｐ１を上流側に接続し且つ燃料電池ＦＣの燃料ガス供給部に至る経路Ｐ２を下流側に接続した燃料処理用のケーシングＣを備えている。そして、ケーシングＣに、燃料気化手段２、燃料改質手段３、１次空気導入手段Ａ１、及び２次空気導入手段Ａ１を一体的に備えている。
【００２３】
さらに具体的には、燃料処理用のケーシングＣは、上流側から下流側に至る間に、１次空気導入手段Ａ１を設けた部分燃焼室２Ａと、燃料噴霧器１を設けた気化室２Ｂと、２次空気供給手段Ａ２及び燃料改質手段３を設けた改質室７を備えている。そして、改質室３Ａの外周側に改質加熱手段４が設けてある。
【００２４】
燃料改質手段３は、気化燃料を直接的に燃料ガスに改質するものでも良いし、例えば燃料電池ＦＣのガス導入部に改質機能を有する場合には、一次的な改質（プレ改質）を行うものであっても良い。改質加熱手段４は、電気ヒータや、アフターバーナ５を熱源とする加熱器などを用いることができるほか、図２に示す如くアフターバーナ５自体であっても良く、とくに限定されるものではない。
【００２５】
上記構成を備えた燃料電池システムは、液体燃料から生成した燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池ＦＣに供給して発電する一方で、燃料電池ＦＣからの排気燃料ガスを燃料気化手段２及びアフターバーナ５に導入する。燃料気化手段２では、部分燃焼室２Ａにおいて、排気燃料ガス中に１次空気を導入する。これにより、排気燃料ガス中の水素が酸素と反応して熱及び水蒸気が発生する。そこで、気化室２Ｂにおいて、その高温雰囲気中に液体燃料を噴霧することで、炭素析出温度（例えば約６５０℃以下の温度）よりも充分に高い温度で液体燃料を気化する。
【００２６】
そして、燃料電池システムは、改質室７において、気化燃料に部分酸化改質反応用の２次空気を導入し、且つ改質反応を吸熱側で運転させるために改質加熱手段４（図２ではアフターバーナ５）で加熱する。これにより、燃料改質手段３において、気化燃料に対して部分酸化改質と水蒸気改質を行って燃料ガスを生成し、その燃料ガスを燃料電池ＦＣに供給する。
【００２７】
ここで、図１４は、燃料電池システムにおける各部位のガス（アノードガス）温度を例示するグラフである。図１４（ａ）は本発明例であり、図１４（ｂ）は排気燃料ガスを単に気化器に循環させる構造の従来例である。
【００２８】
図１４に示す例では、液体燃料はガソリンであり、排気燃料ガスの温度は６５０℃であり、排気燃料ガスの組成はＨ２，ＣＨ４，ＣＯ，ＣＯ２，Ｈ２Ｏ，及びＮ２等である。また、排気燃料ガス中の水蒸気と液体燃料中のカーボンとのモル比率（Ｓ／Ｃ）は０．９であり、導入する全酸素と液体燃料中のカーボンとのモル比率（Ｏ２／Ｃ）は０．２である。さらに、酸化剤ガス（空気）や液体燃料の温度は２５℃である。
【００２９】
図１４（ｂ）に示す従来例では、燃料電池の動作温度が７００℃で且つ排気燃料ガスの７０％を循環させるとして、循環させた排気燃料ガスに液体燃料を噴霧すると、その温度が６５０℃から５６０℃となって、この段階で炭素析出が発生する。その後、部分酸化改質反応用の空気を導入すると、気化燃料の温度が４８０℃に低下する。このように、従来例では、導入される液体燃料に比べて、排気燃料ガス中の水蒸気量が炭素析出を抑制するには不充分であるため、配管壁面などに炭素が析出することとなる。
【００３０】
これに対して、図１４（ａ）に示す本発明例では、６５０℃の排気燃料ガスに１次空気を単純に混合したとしても５８０℃程度となり、これは充分に自己発火する温度であるために、排気燃料ガスと１次空気との部分燃焼により熱と水蒸気が発生して温度が９４０℃に上昇する。その後、液体燃料の噴霧により８００℃に低下し、２次空気の導入により７４６℃に低下するが、前段の部分燃焼によって温度が７００℃以上に維持され、炭素析出を確実に防ぐことができる。換言すれば、炭素析出が生じない高い温度で液体燃料を気化することができる。
【００３１】
このように、上記実施形態の燃料電池システムは、炭素析出を発生させずに液体燃料を気化することができ、長期にわたって良好な発電性能を維持することができる。また、動作温度が比較的低い（例えば６００〜７００℃程度）燃料電池を備えたシステムにおいても炭素析出を防止し得るので、自動車等の移動体への適用に極めて有効なものとなる。
【００３２】
さらに、当該燃料電池システムは、燃料気化手段２と燃料改質手段３を配管類で接続することなく一体化した構成としたため、部分燃焼室２Ａで発生した熱を放散させずに、改質反応で要求される反応熱として利用することができ、熱を有効に利用して液体燃料の処理機能や発電機能の向上を実現することができるうえに、システムのさらなる小型軽量化なども図ることができる。
【００３３】
図３に示す第２実施形態の燃料電池システムは、図１に示す第１実施形態と同等の基本構成を備えている他に、燃料電池ＦＣの要求出力を検知する電池出力検知手段１１と、燃料電池ＦＣの運転状況を検知する電池状況検知手段１２と、燃料気化手段２の運転状況を検知する気化状況検知手段１３を備えている。なお、図４に示す燃料電池システムは、アフターバーナ５を改質加熱手段とした例である。
【００３４】
さらに、燃料電池システムは、電池出力検知手段１１、電池状況検知手段１２、及び気化状況検知手段１３の各出力に基づいて、循環させる排気燃料ガスの量、１次空気導入手段Ａ１から導入する１次空気の量、及び燃料噴霧器１から噴霧する液体燃料の量を増減させる制御手段１０を備えている。
【００３５】
電池出力検知手段１１は、例えば、当該燃料電池システムを自動車に搭載した場合、アクセルの操作信号などを要求出力として検知する手段である。
【００３６】
電池状況検知手段１２は、燃料電池ＦＣの発電出力（電流、電圧）と、燃料電池ＦＣの温度及び排気燃料ガスの温度の少なくとも一方の温度と、排気燃料ガス中の水蒸気量及び未燃燃料量を検知すると共に、これらの時間変化を把握する手段である。排気燃料ガスの温度は、燃料電池ＦＣの温度から推算することが可能である。また、排気燃料ガス中の水蒸気量及び未燃燃料量は、投入する液体燃料量、空気量及び発電出力（燃料利用率）から推算することが可能である。
【００３７】
気化状況検知手段１３は、排気燃料ガスの温度、１次空気導入手段Ａ１から導入する１次空気の温度、及び燃料噴霧器１から噴霧する液体燃料の温度のうちの少なくとも１つの温度を検知する手段である。
【００３８】
上記の燃料電池システムは、とくに、電池出力検知手段１１、電池状況検知手段１２、気化状況検知手段１３及び制御手段１０により、運転状況に応じて排気燃料ガスと、１次空気の量、液体燃料の量を増減させる制御を行う。
【００３９】
すなわち、図１０に示すように、制御手段１０では、ステップＳ１において、電池出力検知手段１１により燃料電池ＦＣの要求出力を取得する。次に、ステップＳ２において、電池状況検知手段１２及び気化状況検知手段１３により、燃料電池ＦＣの運転状況（排気燃料ガス中の水蒸気量と未燃燃料量）及び燃料気化手段２の運転状況（排気燃料ガスの温度）を検知する。
【００４０】
そして、ステップＳ３において、排気燃料ガスの循環量と噴霧する液体燃料の量を決定する。続いて、ステップＳ４において、液体燃料の量とその液体燃料を炭素析出させずに気化させるのに充分な温度以上で且つ燃料気化手段２（部分燃焼室及び気化室）の耐熱温度以下となる部分燃焼ガスを生成するのに必要な１次空気量を算出して、その１次空気を部分燃焼室２Ａに導入する。その後、ステップＳ５において、先に算出した量の液体燃料を気化室２Ｂに噴霧する。
【００４１】
このように、上記実施形態の燃料電池システム及びその制御方法では、所望の温度域内で燃料気化手段２を動作させることとなり、燃料気化手段２での部分燃焼後の温度が高温（１０００℃以上）になることを阻止し、燃料気化手段２の構成材料である金属の酸化や腐食、熱応力による変形を防いで、システムの耐久性を向上させることができる。
【００４２】
また、上記実施形態の燃料電池システム及びその制御方法では、とくに、排気燃料ガスの温度と、導入する空気や液体燃料の温度のうちの少なくとも一つ検知することで、燃料気化手段２での燃料気化後のガス温度をより高精度に制御することができる。
【００４３】
図５に示す第３実施形態の燃料電池システムは、図３に示す第２実施形態と同等の構成を備え、電池出力検知手段１１、電池状況検知手段１２、及び気化状況検知手段１３に加えて、燃料改質手段３の運転状況を検知する改質状況検知手段１４を備えている。
【００４４】
改質状況検知手段１４は、燃料改質手段３の温度及び同手段３の入口ガス温度の少なくとも一つを検知する手段である。燃料改質手段３の入口ガス温度は、液体燃料気化後の燃料ガスと２次空気との混合ガスの温度である。なお、図６に示す燃料電池システムは、アフターバーナ５を改質加熱手段とした例である。
【００４５】
この実施形態の場合、制御手段１０は、電池出力検知手段１１、電池状況検知手段１２、及び気化状況検知手段１３の各出力に基づいて、第２実施形態と同等の制御を行い、さらに、改質状況検知手段１４の出力に基いて、２次空気導入手段Ａ２から導入する２次空気の量の増減させる制御を行う。
【００４６】
上記の燃料電池システムでは、燃料電池ＦＣの要求出力と、燃料電池ＦＣの運転状況と、燃料気化手段２の運転状況と、燃料改質手段３の運転状況を検知し、液体燃料の噴霧量を算出し、気化燃料の温度を所望の温度にする１次空気の導入量と気化燃料の改質反応に必要な酸素量とから、２次空気の導入量を決定する制御を行う。
【００４７】
すなわち、図１１に示すように、制御手段１０では、ステップＳ１１において、電池出力検知手段１１により燃料電池ＦＣの要求出力を取得する。次に、ステップＳ１２において、電池状況検知手段１２、気化状況検知手段１３及び改質状況検知手段１４により、燃料電池ＦＣ、燃料気化手段２及び燃料改質手段３の運転状況を検知する。
【００４８】
そして、ステップＳ１３において、燃料改質手段３の動作条件、排気燃料ガスの循環量及び噴霧する液体燃料の量を決定する。その後、ステップＳ１４において、液体燃料を気化した後の気化燃料の温度が所望の温度になる１次空気の量と燃料改質手段３の改質反応に必要な酸素量から２次空気の量を算出する。
【００４９】
このとき、改質反応に必要な酸素量は、次の方法で求める。まず、排気燃料ガスと液体燃料を改質させるのに必要な熱量を推算し、これに、改質反応に必要な熱量から燃料気化手段２から燃料改質手段３の入口に至る範囲におけるガスからの放熱量を足し、改質加熱手段４により供給される熱量を引いて、燃料改質手段３の内部で発生させる必要のある熱量を求める。そして、燃料改質手段３の内部で発生させる熱量を得るのに充分な酸素量を推算する。
【００５０】
なお、燃料気化手段２から燃料改質手段３の入口に至る範囲におけるガスの放熱量は、検知した改質入口ガス温度と、放熱しないと仮定して推定した改質入口ガス温度との解離から求めるか、若しくは、検知した燃料改質手段３の温度と、放熱しないと仮定して推定した燃料改質手段３の温度との解離から求める。
【００５１】
さらに、制御手段１０では、ステップＳ１５において、燃料気化手段２の部分燃焼室２Ａに算出した量の１次空気を導入し、ステップＳ１６において、燃料気化手段２の気化室２Ｂに算出した量の液体燃料を噴霧し、ステップＳ１７において、改質室７に算出した量の２次空気を導入する。
【００５２】
ここで、燃料改質手段３の運転に導入する２次空気の量は、改質反応を吸熱反応にさせるか発熱反応にさせるかに係わるので、システム効率に大きな影響を与える。このため、燃料改質手段３は、可能な限り吸熱反応をさせて、できるだけ熱をシステム外へ放散させずに運転することが理想である。
【００５３】
しかし、吸熱改質反応を実現するには、排気燃料ガスに含まれる水蒸気を多量に循環させる必要があり、燃料改質手段３への加熱源として排気燃料ガスの燃焼により生じた熱を用いる場合、吸熱改質反応に必要な熱が不足することがある。そのため、燃料改質手段３に空気を添加して、改質反応に必要な熱を供給する必要がある。また、燃料改質手段３の加熱には、別途電気ヒータなどを用いることも可能であるが、この場合、発電した電力を加熱に使用することでシステム効率が低下するため、可能な限り運転中に発生する余剰熱や未使用の燃料と空気による加熱が望ましい。
【００５４】
上記実施形態の燃料電池システム及びその制御方法では、炭素析出を防止するための１次空気の量と、改質反応をさせるための２次空気の量を制御することで、より高効率な運転を実現することができる。また、とくに、図７に示す如く燃料気化手段３と燃料改質手段３とを一体化したことは、部分燃焼室２Ａの部分燃焼で発生した熱が、後段の気化室２Ｂ及び燃料改質手段３に直接的に伝わるので、高効率運転を実現するうえで重要な構造である。
【００５５】
さらに、上記実施形態の燃料電池システム及びその制御方法では、所望の温度域内で燃料改質手段３をも動作させることができるうえに、２次空気の導入量に起因する改質温度の異常上昇並びに改質触媒のシンタリングを防ぐことができる。
【００５６】
図８は、図１〜図６に示す燃料電池システムに適用可能な燃料気化手段及び燃料改質手段の他の実施形態（第４実施形態）を説明する図である。
【００５７】
図示の燃料処理用のケーシングＣは、先の実施形態と同様に、上流側（図中左側）に、燃料電池ＦＣの燃料ガス排出部からの経路Ｐ１を接続すると共に、下流側に、燃料電池ＦＣの燃料ガス供給部に至る経路Ｐ２が接続してある。
【００５８】
そして、ケーシングＣは、上流側から下流側に至る間に、１次空気導入手段Ａ１を設けた部分燃焼室２Ａと、燃料噴霧器１を設けた気化室２Ｂと、２次空気供給手段Ａ２及び燃料改質手段３を設けた改質室７を備えている。そして、部分燃焼室２Ａと気化室２Ｂとの間に、火炎通過防止手段１５を備えている。火炎通過防止手段１５は、とくに限定されることはないが、例えば、金網やクリンプリボン等を用いることができる。
【００５９】
上記構成を備えたケーシングＣは、燃料電池システムにおいて先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、火炎通過防止手段１５により、部分燃焼室２Ａにおける部分燃焼による火炎が気化室２Ｂへ通過するのを防止して、噴霧した液体燃料に着火するのを防ぐことができる。
【００６０】
図９は、図１〜図６に示す燃料電池システムに適用可能な燃料気化手段及び燃料改質手段の他の実施形態（第５実施形態）を説明する図である。
【００６１】
図９（ａ）に示す燃料処理用のケーシングＣは、先の実施形態と同様に、上流側（図中左側）に、燃料電池ＦＣの燃料ガス排出部からの経路Ｐ１を接続すると共に、下流側に、燃料電池ＦＣの燃料ガス供給部に至る経路Ｐ２が接続してある。
【００６２】
そして、ケーシングＣは、上流側から下流側に至る間に、１次空気導入手段Ａ１を設けた部分燃焼室２Ａと、燃料噴霧器１を設けた気化室２Ｂと、２次空気供給手段Ａ２及び燃料改質手段３を設けた改質室７を備えている。そして、図９（ｂ）にも示すように、燃料噴霧器１が、液体燃料の噴霧孔１Ａに隣接して３次空気の導入孔１Ｂを備えている。図示例の燃料噴霧器１は、液体燃料の噴霧孔１Ａを中心にして、３次空気の導入孔１Ｂを同心状に備えており、図外のコンプレッサから圧送された３次空気を噴射する。
【００６３】
上記構成を備えたケーシングＣは、燃料電池システムにおいて先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、３次空気の導入圧力により、液体燃料の噴霧後の液滴径の微粒化を促進させ、これにより排気燃料ガスに触れる表面積を増加させ、液体燃料の気化時間を短縮することができる。また、３次空気の導入圧力を利用すると、液体燃料の導入圧を小さくすることが可能となり、液体燃料噴霧用ポンプの小型化を図ることができる。なお、上記構成においては、改質反応に用いる２次空気の量の一部を３次空気が兼ねるようにしても良い。
【００６４】
図１２は、本発明に係わる燃料電池システムの制御方法の他の実施形態（第６実施形態）を説明するフローチャートである。
【００６５】
この実施形態の制御方法では、燃料電池ＦＣの要求出力とその時間変化に対して、燃料電池ＦＣの運転状況とその時間変化を検出し、液体燃料の噴霧量を算出し、気化燃料の温度を所望の温度にするうえで１次空気を導入するか否かを判断する制御を行う。
【００６６】
より具体的には、燃料電池ＦＣの要求出力が低出力から高出力に変化した場合は、出力変化後に必要な液体燃料の噴霧量を出力変化直前に比べて増加させる。その一方で、出力変化直後の１次空気の導入量は、出力変化直前だけでなく、出力変化後の定常運転での１次空気の導入量よりも多くの導入量にする制御を行う。
【００６７】
また、燃料電池ＦＣの要求出力が高出力から低出力に変化した場合は、出力変化後に必要な液体燃料の噴霧量を出力変化直前に比べて減少させる。その一方で、出力変化直後の１次空気の導入量は、出力変化直前だけでなく、出力変化後の定常運転での１次空気の導入量よりも少ない導入量にする制御及び導入しない制御のいずれか一方の制御を行う
【００６８】
すなわち、当該制御方法は、図１２に示すように、ステップＳ２１において、燃料電池ＦＣの要求出力を取得して、その時間変化を算出する。次に、ステップＳ２２において、燃料電池ＦＣの運転状況（排気燃料ガス中の水蒸気量と未燃燃料量）及び燃料気化手段の運転状況（排気燃料ガスの温度）を検知して、夫々の運転状況の時間変化を算出する。
【００６９】
その後、ステップＳ２３において、排気燃料ガスの循環量と噴霧する液体燃料の量を決定し、ステップＳ２４において、気化燃料の温度を所望の温度にするうえで１次空気を導入するか否か（部分燃焼させるか否か）を判断する。
【００７０】
ステップＳ２４において１次空気を導入する必要が有ると判断した場合には、ステップＳ２５において、液体燃料の量とその液体燃料を炭素析出させずに気化させるのに充分な温度以上で且つ燃料気化手段の耐熱温度以下となる部分燃焼ガスを生成するのに必要な１次空気量を算出して、その１次空気を導入する。その後、ステップＳ２６において、先に算出した量の液体燃料を噴霧する。
【００７１】
また、ステップＳ２４において１次空気を導入する必要が無いと判断した場合には、そのままステップＳ２７において、先に算出した量の液体燃料を噴霧する。
【００７２】
ところで、液体燃料を気化するうえで、排気燃料ガスが多量に循環している場合には、１次空気を導入しないで液体燃料を気化させても、排気燃料ガスの熱容量によって充分な温度が確保されて炭素析出が発生しないことがある。このような状況では、１次空気を導入せずに気化させた方が、１次空気を導入して気化させた場合に比べて、部分燃焼による熱の放散を抑えることができるので、上記の制御を行うことにより、燃料電池システムの高効率化を実現することができる。
【００７３】
ここで、図１５は、燃料電池の要求出力及び排気燃料ガスの変化と、１次空気及び液体燃料の導入量を示すグラフである。定常運転の場合には、図１５（ａ）に示すように、燃料電池の要求出力及び排気燃料ガスや、１次空気及び液体燃料の導入量に変化は無い。
【００７４】
これに対して、燃料電池の要求出力が低出力から高出力に変化した場合は、図１５（ｂ）に示すように、出力変化後に必要な液体燃料の量を直前に比べて増加させる一方で、排気燃料ガス量が出力変化に対して時間差をもって増大するので、排気燃料ガス量が増加する前までは、増加後に比べてより多くの燃焼熱を発生させることで、液体燃料を気化させる必要がある。そこで、当該制御方法では、出力変化直後の１次空気の導入量については、出力変化直前だけでなく、出力変化後の定常運転での１次空気の導入量に比べてもより多くの量の１次空気を導入する制御を行う。
【００７５】
このように、当該制御方法では、低出力から高出力への変化に対して、１次空気の導入量によって液体燃料の気化に必要な熱を能動的に供給することができるようになり、負荷変動の追従性が良好になる。
【００７６】
また、燃料電池の要求出力が高出力から低出力に変化した場合は、図１５（ｃ）に示すように、出力変化後に必要な液体燃料の量を直前に比べて減少させる一方で、排気燃料ガス量が出力変化に対して時間差をもって減少するので、排気燃料ガス量が減少する前では、減少後に比べて排気燃料ガスに多くの熱量があり、燃料を気化させるのに燃焼熱を必要としないか若しくは燃焼熱を抑えることが可能である。そこで、当該制御方法では、出力変化直後の１次空気の導入量については、出力変化直前だけでなく、出力変化後の定常運転での１次空気の導入量に比べてもより少ない量の１次空気を導入するか若しくは導入しない制御を行う。
【００７７】
このように、当該制御方法では、高出力から低出力への変化に対して、排気燃料ガス量の余剰熱を液体燃料の気化熱として有効に利用することで、出力変動時の燃料電池システムの効率が向上する。
【００７８】
図１３は、本発明に係わる燃料電池システムの制御方法の他の実施形態（第７実施形態）を説明するフローチャートである。この実施形態の制御方法は、図１２に示す実施形態の構成に加えて、燃料改質手段の運転状況をも検知し、気化燃料の温度を所望の温度にする１次空気の導入量と気化燃料の改質反応に必要な酸素量とから、２次空気の導入量を決定する制御を行う。
【００７９】
すなわち、当該制御方法は、ステップＳ３１において、燃料電池ＦＣの要求出力を取得して、その時間変化を算出する。次に、ステップＳ３２において、燃料電池ＦＣ、燃料気化手段及び燃料改質手段の運転状況を検知して、夫々の運転状況の時間変化を算出する。
【００８０】
その後、ステップＳ３３において、燃料改質手段の動作条件、排気燃料ガスの循環量及び噴霧する液体燃料の量を決定し、ステップＳ３４において、気化燃料の温度を所望の温度にするうえで１次空気を導入するか否か（部分燃焼させるか否か）を判断する。
【００８１】
ステップＳ３４において１次空気を導入する必要が有ると判断した場合には、ステップＳ３５において、液体燃料を気化した後の気化燃料の温度が所望の温度になる１次空気の量と燃料改質手段の改質反応に必要な酸素量から２次空気の量を算出する。
【００８２】
そして、ステップＳ３６において、燃料気化手段の部分燃焼室に算出した量の１次空気を導入し、ステップＳ３７において、燃料気化手段の気化室に算出した量の液体燃料を噴霧し、ステップＳ３８において、改質室に算出した量の２次空気を導入する。
【００８３】
また、ステップＳ３４において１次空気を導入する必要が無いと判断した場合には、ステップＳ３９において、改質反応に必要な２次空気の量を算出し、ステップＳ４０において、算出した量の液体燃料を噴霧する。
【００８４】
このように、当該制御方法では、燃料改質手段の改質反応に必要な酸素量から空気量を見積もり、この空気量から１次空気の導入量を引くことで２次空気の導入量を決めて、燃料改質手段を制御することとなり、先の実施形態と同様に高効率な運転を実現する。
【００８５】
本発明の燃料電池システムは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において構成の細部を適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００８６】
Ａ１    １次空気導入手段
Ａ２    ２次空気導入手段
Ｃ      燃料処理用のケーシング
ＦＣ    燃料電池
１      燃料噴霧器
１Ａ    液体燃料の噴霧孔
１Ｂ    ３次空気の導入孔
２      燃料気化手段
２Ａ    部分燃焼室
２Ｂ    気化室
３      燃料改質手段
４      改質加熱手段
５      アフラーバーナ（改質加熱手段）
７      改質室
１０    制御手段
１１    電池出力検知手段
１２    電池状況検知手段
１３    気化状況検知手段
１４    改質状況検知手段
１５    火炎通過防止手段
【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】
2010198915.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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