(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に供給された燃料ガスおよび酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
改質用燃料を改質することにより水素を含む前記燃料ガスを生成する改質部と、
定常運転中には、前記燃料電池の前記燃料極からのアノードオフガスのみが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記改質部に改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、
前記燃焼部に燃焼用酸化剤ガスを供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃焼用酸化剤ガス供給手段によって前記燃焼用酸化剤ガスの供給量を制御して前記燃焼部の温度の制御を行う燃焼部温度制御手段と、
前記改質用燃料供給手段によって前記改質用燃料の供給量を制御して前記改質部の温度の制御を行う改質部温度制御手段と、を備え、
前記改質部温度制御手段は、前記改質部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、
前記改質部の温度の目標温度または目標温度範囲は、前記改質部に供給される前記改質用燃料の熱量に対する前記燃料電池で消費された水素の熱量の比率であるプロセス効率が最も大きくなるように、前記燃料電池の発電負荷毎のプロセス効率−改質部温度特性により設定され、
前記燃焼部温度制御手段は、前記燃焼部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、
前記燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は、実際の前記燃焼用酸化剤ガスの投入量と理想の前記燃焼用酸化剤ガスの投入量との比である空気比が、前記燃焼部からの燃焼排ガスが低エミッションである範囲内となるように、前記プロセス効率が最も大きくなるように設定された前記改質部の温度の目標温度または目標温度範囲と、前記燃料電池の発電負荷毎の転化率−改質部温度特性と、から設定された最適な転化率における、前記燃料電池の発電負荷毎の空気比−燃焼部温度特性により設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記改質部温度制御手段は、前記改質部の燃料ガス出口温度の制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記燃焼部温度制御手段は、前記燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度の制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３において、前記燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記温度センサは、前記燃焼部に投入される前記燃焼用酸化剤ガスの投入部が設けられている側から前記燃焼空間に貫通して前記燃焼部に固定される構造となっていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４において、前記温度センサは熱電対またはサーミスタであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１において、前記燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は前記改質部の温度に基づいて決定され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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムに使用できる水素生成装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、水素生成装置は、改質ガスを外部へ排出するための出口部２０と、出口部２０に設けられた温度検知手段７と、温度検知手段７の検出値に基づいて加熱手段２の加熱温度を制御する制御部８と、を備えている。
【特許文献１】特許第３４０８５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した特許文献１に記載の水素生成装置においては、改質部出口の温度で加熱手段２の燃焼を制御しているので、その燃焼制御の応答性が遅く、燃焼排ガスを低エミッションに抑制することができない場合があった。
【０００４】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、燃焼制御の応答性を向上し、燃焼排ガスを確実に低エミッションに抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に供給された燃料ガスおよび酸化剤極に供給された酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、定常運転中には、燃料電池の燃料極からのアノードオフガスのみが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部と、改質部に改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、燃焼部に燃焼用酸化剤ガスを供給する燃焼用酸化剤ガス供給手段と、を備えた燃料電池システムであって、燃焼用酸化剤ガス供給手段によって燃焼用酸化剤ガスの供給量を制御して燃焼部の温度の制御を行う燃焼部温度制御手段と、改質用燃料供給手段によって改質用燃料の供給量を制御して改質部の温度の制御を行う改質部温度制御手段と、を備え、改質部温度制御手段は、改質部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、改質部の温度の目標温度または目標温度範囲は、改質部に供給される改質用燃料の熱量に対する燃料電池で消費された水素の熱量の比率であるプロセス効率が最も大きくなるように、燃料電池の発電負荷毎のプロセス効率−改質部温度特性により設定され、燃焼部温度制御手段は、燃焼部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は、実際の燃焼用酸化剤ガスの投入量と理想の燃焼用酸化剤ガスの投入量との比である空気比が、燃焼部からの燃焼排ガスが低エミッションである範囲内となるように、プロセス効率が最も大きくなるように設定された改質部の温度の目標温度または目標温度範囲と、燃料電池の発電負荷毎の転化率−改質部温度特性と、から設定された最適な転化率における、燃料電池の発電負荷毎の空気比−燃焼部温度特性により設定されることである。
【０００６】
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、改質部温度制御手段は、改質部の燃料ガス出口温度の制御を行うことである。
【０００８】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、燃焼部温度制御手段は、燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度の制御を行うことである。
【０００９】
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度を検出する温度センサをさらに備え、温度センサは、燃焼部に投入される燃焼用酸化剤ガスの投入部が設けられている側から燃焼空間に貫通して燃焼部に固定される構造となっていることである。
【００１０】
また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、温度センサは熱電対またはサーミスタであることである。
【００１１】
また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は改質部の温度に基づいて決定されることである。
【発明の効果】
【００１５】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃焼部温度制御手段が、燃焼用酸化剤ガス供給手段によって燃焼用酸化剤ガスの供給量を制御して燃焼部の温度の制御を行い、改質部温度制御手段が、改質用燃料供給手段によって改質用燃料の供給量を制御して改質部の温度の制御を行う。これにより、燃焼部以外の部分の温度に基づいて燃焼部での燃焼を制御するのでなく、燃焼部の温度に基づいて燃焼部での燃焼を制御することができるので、その燃焼制御の応答性を向上し、燃焼部からの燃焼排ガスを確実に低エミッションに抑制することができる。さらに、改質用燃料の供給量を調整して改質部温度を所望の温度に制御可能となるので、改質部温度と強い相関性がある改質用燃料の転化率を所望の値に制御可能となる。
さらに、燃焼部温度制御手段は、燃焼部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、改質部温度制御手段は、改質部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行うので、燃焼部温度および改質部温度を適切かつ安定的に制御することができる。
さらに、燃焼部および改質部の温度の目標温度または目標温度範囲は燃料電池の発電負荷に応じて決定されるので、燃料電池の負荷に応じて最適な燃焼状態、最適な転化率で運転が可能となる。
【００１６】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、改質部温度制御手段は、改質部の燃料ガス出口温度の制御を行うので、改質部温度として最適な温度を制御することにより、改質部での反応を最適に制御することができる。さらに、改質部の燃料ガス出口温度は、改質部の改質反応をよりよく反映している。
【００１８】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、燃焼部温度制御手段は、燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度の制御を行うので、火炎そのものの温度を検出しないで比較的低温の場所に温度センサを設置することができるので、温度センサの耐久性を向上することができる。
【００１９】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項３に係る発明において、燃焼部の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度を検出する温度センサをさらに備え、温度センサは、燃焼部に投入される燃焼用酸化剤ガスの投入部が設けられている側から燃焼空間に貫通して燃焼部に固定される構造となっているので、燃焼部に投入される燃焼用酸化剤ガスによって温度センサが冷却され、温度センサの耐久性をより向上させることができる。
【００２０】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項４に係る発明において、温度センサは熱電対またはサーミスタであるので、一般的に安価な温度センサにより燃焼部の温度を検出することができる。
【００２１】
ところで、追い焚きレスシステムは、燃焼部でアノードオフガスを燃焼する定常運転中に、アノードオフガスに燃焼用燃料を混合することがない燃料電池システムすなわち定常運転中には燃焼部でアノードオフガスのみを燃焼する燃料電池システムである。この追い焚きレスシステムにおいては、燃焼部に供給され燃焼されるのはアノードオフガスのみであるため、アノードオフガスの組成すなわち転化率に応じて燃焼部温度が変化する。転化率は改質部温度に応じて変化する。転化率を改質部温度で代用し、その改質部温度に応じて燃焼部温度を決定可能である。すなわち、上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項１に係る発明において、燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は改質部の温度に基づいて決定されるので、転化率毎に最適な燃焼状態で運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこ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とこの燃料電池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を備えている。
【００２６】
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。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
【００２７】
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および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部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、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、改質部２１には、改質部２１の温度（改質部温度：Ｔ１）を検出（測定）する温度センサ２１ｃが設けられている。温度センサ２１ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。改質部温度は、改質部２１内の触媒２１ｂの温度でもよく、触媒２１ｂの温度とよい相関のある触媒２１ｂの充填部を流通する流体の温度でもよい。触媒２１ｂの充填部の温度は、触媒２１ｂの充填部のうち流れ方向の下半分の領域の温度が好ましい。触媒２１ｂの充填部を流通する流体の温度は、触媒２１ｂの充填部中を流れる流体の温度でもよいし、触媒２１ｂの充填部から流出し触媒２１ｂの充填部の温度とほとんど等しい流体の温度（改質部２１の出口を流れる流体の温度）でもよい。本実施の形態では、温度センサ２１ｃは改質部２１の出口に設けられており、改質部２１の出口温度を検出している。具体的には、温度センサ２１ｃは触媒２１ｂの充填部の出口（改質部２１の出口）からガス流れ方向に約８ｍｍ離れた位置に設けられている。温度センサ２１ｃの温度は、改質部２１の出口の流体温度と同等である。
【００３１】
冷却部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。
【００３２】
具体的には、冷却部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）を除去するものである。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、燃焼部２５に直接供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。
【００３３】
改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部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２２を通って改質部２１に供給されている。
【００３４】
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。
【００３５】
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選択酸化部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。
【００３６】
また、蒸発部２６には、蒸発部２６内の水蒸気の温度を検出する温度センサ２６ａが設けられている。温度センサ２６ａの検出結果は制御装置３０に送信されている。なお、水蒸気の温度が検出できれば、例えば冷却部２２の入口付近や、蒸発部２６と冷却部２２との間の水蒸気供給管５１に温度センサ２６ａを設けるようにしてもよい。この水蒸気の温度は、改質部２１に供給される改質水の温度である。
【００３７】
ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部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。
【００３８】
また、ＣＯシフト部２３内には、ＣＯシフト部２３内の温度を測定する温度センサ２３ｃが設けられている。温度センサ２３ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。
【００３９】
ＣＯ選択酸化部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選択酸化部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選択酸化部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。
【００４０】
また、ＣＯ選択酸化部２４内には、ＣＯ選択酸化部２４内の温度を測定する温度センサ２４ｂが設けられている。温度センサ２４ｂの検出結果は制御装置３０に送信されている。
【００４１】
このＣＯ選択酸化部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選択酸化部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。
【００４２】
したがって、ＣＯ選択酸化部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。
【００４３】
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選択酸化部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を介して燃焼部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。
【００４４】
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。
【００４５】
燃焼部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。この燃焼部２５は、図２に示すように、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２５ｂと、オフガスノズル２５ｃと、温度センサ２５ｅと、を備えている。燃焼部２５は、制御装置３０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。
【００４６】
基部２５ａには、燃焼用空気供給管６４が連結され、燃焼用空気が基部２５ａ内の空間２５ａ１に導入される。燃焼筒２５ｂは、上端（一端）が基部２５ａと接続され連通し下方（他端）が開放されている。燃焼筒２５ｂの長手方向の中間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。
【００４７】
オフガスノズル２５ｃは、基部２５ａを貫通し、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に第１噴射口２５ｃ１が設けられている。第１噴射口２５ｃ１は断面略円形であり、複数設けられている。
【００４８】
温度センサ２５ｅは、燃焼部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３０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、燃焼部２５に投入される燃焼用酸化剤ガスの投入部である第２噴射口２５ｂ２が設けられている側（仕切り板２５ｂ１側）から燃焼空間２５ｄに貫通して燃焼部２５に固定される構造となっている。
【００４９】
すなわち、温度センサ２５ｅは、シース熱電対であり、基部２５ａ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、燃焼空間２５ｄの内部で火炎２５ｆの火炎面２５ｆ１の外部であればよい。ここで火炎面とは、燃料ガス（例えばアノードオフガス）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。また、燃焼空間２５ｄは、燃料ガスを燃焼させるために設けた部分であり、燃焼筒２５ｂ内で仕切り板２５ｂ１のオフガスノズル２５ｃの先端が突出した側の空間のことである。
【００５０】
仕切り板２５ｂ１のオフガスノズル２５ｃの周りには複数の第２噴射口２５ｂ２（実施の形態では２０個）が設けられている。オフガスノズル２５ｃはオフガス供給管７２に連結されており、アノードオフガスはオフガス供給管７２からオフガスノズル２５ｃに供給され、第１噴射口２５ｃ１から燃焼空間２５ｄに投入される。燃焼用空気は、燃焼用空気供給管６４から基部２５ａ内の空間２５ａ１に供給され、第２噴射口２５ｂ２から燃焼空間２５ｄに投入される。燃焼空間２５ｄに投入されたアノードオフガスは燃焼用空気によって燃焼し火炎２５ｆを形成する。
【００５１】
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。また、オフガスノズル２５ｃは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。一方、燃焼用燃料は空気と予混合されて燃焼用空気供給管６４から供給される。
【００５２】
また、温度センサ２５ｅを第２噴射口２５ｂ２の一つを介して燃焼空間２５ｄ内に挿入してもよい。その第２噴射口２５ｂ２から燃焼空間２５ｄに噴出される空気により温度センサ２５ｅの先端部分が冷却されるため、温度センサ２５ｅの耐久性をより向上できる。
【００５３】
このような構成の燃焼部２５によれば、第１噴射口２５ａ１から投入されたアノードオフガスまたは改質ガスを、第２噴射口２５ａ２から投入された燃焼用空気で燃焼させる拡散燃焼を行うことができる。さらに、燃焼用燃料を燃焼用空気と予め混合して第２噴射口２５ａ２から投入させて燃焼させる予混合燃焼を行うことができる。
【００５４】
なお、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燃焼部２５に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃焼部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３０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。
【００５５】
さらに、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、一端が改質ガス供給管７１の燃料電池１０と第１改質ガスバルブ７４との間に接続された燃焼用燃料供給管４４の他端が接続されている。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。また、一端がオフガス供給管７２の燃料電池１０とオフガスバルブ７５との間に接続されるとともに他端が燃焼用空気供給管６４の燃焼用空気バルブ６６と燃焼部２５との間に接続される燃焼用燃料供給管４７が設けられている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料バルブ４８が設けられている。燃焼用燃料バルブ４８は燃焼用燃料供給管４７を開閉するものである。
【００５６】
システム起動開始した時点から改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、改質用燃料バルブ４３、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が閉じられ、燃焼用燃料バルブ４５および燃焼用燃料バルブ４８が開かれ、燃料ポンプ４２が駆動される。これにより、燃焼部２５には燃焼用燃料が改質部２１を通らないで燃焼用燃料供給管４４、燃料電池１０および燃焼用燃料供給管４７を通って直接供給される。
【００５７】
また、改質部２１への改質用燃料の供給開始以降から定常運転（発電）開始までの間は、改質用燃料バルブ４３および第２改質ガスバルブ７６が開かれ、燃焼用燃料バルブ４５および燃焼用燃料バルブ４８が閉じられ、燃料ポンプ４２が駆動される。第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５は閉じられたままである。これにより、ＣＯ選択酸化部２４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、燃焼部２５にはＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を通らないで直接供給される。
【００５８】
そして、定常運転（発電）中においては、改質用燃料バルブ４３、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、燃焼用燃料バルブ４８および第２改質ガスバルブ７６が閉じられ、燃料ポンプ４２が駆動される。これにより、燃焼部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）のみが供給される。このとき、燃焼部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。
【００５９】
このように燃焼部２５においては、燃焼部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。）は、燃焼部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２２を水蒸気生成するために加熱する。
【００６０】
また、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２５ｅ，２６ａ、各ポンプ４２，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４５，４８，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、燃焼部２５（点火用電極）が接続されている（図３参照）。制御装置３０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システムの運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００６１】
また、制御装置３０には、記憶装置３１が接続されている（図３参照）。記憶装置３１は、図４に示すように、燃料電池１０の発電負荷（要求発電量）Ｗｘと改質部温度目標値Ｔ１ａとの相関関係（Ｔ１ａ＝ｆ１（Ｗｘ））を示すマップまたは演算式、および燃料電池１０の発電負荷Ｗｘと燃焼部温度目標値Ｔ２ａとの相関関係（Ｔ２ａ＝ｆ２（Ｗｘ））を示すマップまたは演算式を記憶するものである。燃料電池１０の発電負荷は燃料電池１０に接続されている電力負荷（家庭用電化製品）の消費電力（消費電力の総和）に基づいて決定される燃料電池１０の発電量である。図４では、横軸は発電負荷（Ｗ）であり縦軸は温度（℃）である。
【００６２】
燃料電池１０の発電負荷Ｗｘと改質部温度目標値Ｔ１ａとの相関関係（Ｔ１ａ＝ｆ１（Ｗｘ））を示すマップまたは演算式の算出方法について図５を参照して説明する。図５においては、改質部温度（改質部出口温度）とプロセス効率（プロセス効率−改質部温度特性）との相関関係、および改質部温度（改質部出口温度）と転化率との相関関係（転化率−改質部温度特性）を示している。
【００６３】
改質部温度（改質部出口温度）とプロセス効率との相関関係は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成する。プロセス効率は、改質部２１に供給される改質用燃料の熱量に対する燃料電池１０で消費された水素の熱量の比率で表される。具体的には、所定の発電負荷に相当する規定供給量で改質用燃料を改質部２１に投入し、燃焼部２５での燃焼量（オフガス／模擬オフガス）を可変することで、改質部出口温度を変化させながらプロセス効率を測定する。その結果に基づいて、プロセス効率−改質部温度特性を導出する。このプロセス効率−改質部温度特性を改質部２１に投入する改質用燃料の供給量を変化させて改質用燃料供給量毎（発電負荷毎）に導出する。
【００６４】
例えば、図５の実線で示されているプロセス効率−改質部温度特性ｇ１−１が燃料電池１０の最小発電出力と最大発電出力との中間の発電出力Ｗmidに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図５の破線で示されているプロセス効率−改質部温度特性ｇ１−２が燃料電池１０の最小発電出力Ｗminに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図５の一点破線で示されているプロセス効率−改質部温度特性ｇ１−３が燃料電池１０の最大発電出力Ｗmaxに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。
【００６５】
これから明らかなように、各プロセス効率−改質部温度特性ｇ１−１〜ｇ１−３は凸状であり最大値を有しているため、プロセス効率が最も大きい改質部温度を改質部温度目標値と設定することができる。例えば中間の発電出力の場合には、ｆ１（Ｗmid）を改質部温度目標値Ｔ１ａと設定する。さらに、改質用燃料の供給量が多くなると、すなわち発電負荷が大きくなると、プロセス効率−改質部温度特性は右斜め上方に移動して（例えば特性ｇ１−１から特性ｇ１−３に向けて移動して）、改質部温度目標値Ｔ１ａが大きくなる。逆に、改質用燃料の供給量が少なくなると、すなわち発電負荷が小さくなると、プロセス効率−改質部温度特性は左斜め下方に移動して（例えば特性ｇ１−１から特性ｇ１−２に向けて移動して）、改質部温度目標値Ｔ１ａが小さくなる。このように、各プロセス効率−改質部温度特性毎に（すなわち発電負荷毎に、または改質用燃料供給量毎に）改質部温度目標値を算出できるので、燃料電池１０の発電負荷Ｗｘと改質部温度目標値Ｔ１ａとの相関関係（Ｔ１ａ＝ｆ１（Ｗｘ））を示すマップまたは演算式の算出することができる。
【００６６】
なお、図５においては、発電負荷がＷminのとき改質部温度目標値Ｔ１ａがｆ１（Ｗmin）であり、発電負荷がＷmidのとき改質部温度目標値Ｔ１ａがｆ１（Ｗmid）であり、発電負荷がＷmaxのとき改質部温度目標値Ｔ１ａがｆ１（Ｗmax）である。
【００６７】
次に、燃料電池１０の発電負荷Ｗｘと改質部温度目標値Ｔ２ａとの相関関係（Ｔ２ａ＝ｆ２（Ｗｘ））を示すマップまたは演算式の算出方法について図６を参照して説明する。図６においては、転化率毎の、空気比λと燃焼部温度Ｔ２との相関関係（空気比−燃焼部温度特性）を示している。
【００６８】
転化率毎の、空気比λと燃焼部温度Ｔ２との相関関係は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成する。空気比λは、（実際の燃焼用空気の投入量／理想の燃焼用空気の投入量）で表される。空気比λを変化させるには、実際の燃焼用空気の投入量（供給量）を変更すればよい。具体的には、所定の転化率において、所定の発電負荷に相当する規定供給量で改質用燃料を改質部２１に投入し、空気比λを変化させながら燃焼部温度Ｔ２を測定する。その結果に基づいて、空気比−燃焼部温度特性を導出する。この空気比−燃焼部温度特性を改質部２１に投入する改質用燃料の供給量を変化させて改質用燃料供給量毎（発電負荷毎）に導出する。
【００６９】
例えば、各転化率（Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄ）の空気比−燃焼部温度特性（ｈ１（Ｘａ），ｈ１（Ｘｂ），ｈ１（Ｘｃ），ｈ１（Ｘｄ））が、図６の実線で示されているように、燃料電池１０の最小発電出力と最大発電出力との中間の発電出力Ｗmidに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図６の破線で示されている各転化率（Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄ）の空気比−燃焼部温度特性（ｈ２（Ｘａ），ｈ２（Ｘｂ），ｈ２（Ｘｃ），ｈ２（Ｘｄ））が燃料電池１０の最小発電出力Ｗminに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図６の一点破線で示されている各転化率（Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄ）の空気比−燃焼部温度特性（ｈ３（Ｘａ），ｈ３（Ｘｂ），ｈ３（Ｘｃ），ｈ３（Ｘｄ））が燃料電池１０の最大発電出力Ｗmaxに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。なお、各転化率の関係は、Ｘａ＜Ｘｂ＜Ｘｃ＜Ｘｄである。
【００７０】
これから明らかなように、同じ空気比λであっても転化率が大きいほど燃焼部温度Ｔ２が高くなっている。これは、アノードオフガス中の組成（メタン濃度）が変化することで火炎の位置、形状が異なるからである。そのために安定した燃焼を行うためには、最適転化率で燃焼させ、かつ、最適転化率において低エミッション範囲で燃焼させる必要がある。すなわち、最適転化率に対する低エミッション範囲の中間値の空気比λに対応する燃焼部温度Ｔ２を燃焼部温度目標値と設定すればよい。
【００７１】
さらに、改質用燃料の供給量が多くなると、すなわち発電負荷が大きくなると、空気比−燃焼部温度特性は下方に移動して、燃焼部温度目標値Ｔ２ａが小さくなる。逆に、改質用燃料の供給量が少なくなると、すなわち発電負荷が小さくなると、空気比−燃焼部温度特性は上方に移動して、燃焼部温度目標値Ｔ２ａが小さくなる。すなわち、同じ空気比λで比較した場合、発電負荷が小さい場合は、噴射口に近いところで小さい火炎が形成されるため燃焼部温度Ｔ２が高くなる。逆に、発電負荷が大きい場合は、流速が速いため、火炎は噴射口から遠いところで形成されるため燃焼部温度Ｔ２が低くなる。このように、各転化率の空気比−燃焼部温度特性毎に（すなわち発電負荷毎に、または改質用燃料供給量毎に）燃焼部温度目標値を算出できるので、燃料電池１０の発電負荷Ｗｘと燃焼部温度目標値Ｔ２ａとの相関関係（Ｔ２ａ＝ｆ２（Ｗｘ））を示すマップまたは演算式の算出することができる。
【００７２】
なお、図６においては、最適転化率Ｘｃにおける燃焼部温度目標値Ｔ２ａを例に挙げている。発電負荷がＷminのとき燃焼部温度目標値Ｔ２ａがｆ２（Ｗmin）であり、発電負荷がＷmidのとき燃焼部温度目標値Ｔ２ａがｆ２（Ｗmid）であり、発電負荷がＷmaxのとき燃焼部温度目標値Ｔ２ａがｆ２（Ｗmax）である。
【００７３】
ところで、図５に示すように、改質部温度（改質部出口温度）と転化率とは高い相関関係がある。この相関関係は、実機を使用して測定したデータに基づいて作成する。転化率は、改質部２１へ供給された改質用燃料のうち水素に改質されたものの、その供給された改質用燃料の比率である。具体的には、所定の発電負荷に相当する規定供給量で改質用燃料を改質部２１に投入し、燃焼部２５での燃焼量（オフガス／模擬オフガス）を可変することで、改質部出口温度を変化させながら改質部２１から流出する（導出される）改質ガスの転化率を導出する。その結果に基づいて、転化率−改質部温度特性を導出する。転化率−改質部温度特性は改質部温度が高くなるにつれて転化率が大きくなるものである。この転化率−改質部温度特性を改質部２１に投入する改質用燃料の供給量を変化させて改質用燃料供給量毎（発電負荷毎）に導出する。
【００７４】
例えば、図５の実線で示されている転化率−改質部温度特性ｇ２−１が燃料電池１０の最小発電出力Ｗminと最大発電出力Ｗmaxとの中間の発電出力Ｗmidに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図５の破線で示されている転化率−改質部温度特性ｇ２−２が燃料電池１０の最小発電出力Ｗminに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。図５の一点破線で示されている転化率−改質部温度特性ｇ２−３が燃料電池１０の最大発電出力Ｗmaxに相当する改質用燃料の規定供給量の場合を示している。
【００７５】
これから明らかなように、改質用燃料の供給量が多くなると、すなわち発電負荷が大きくなると、転化率−改質部温度特性は下方に移動する（例えば特性ｇ２−１から特性ｇ２−３に向けて移動する）。一方、改質用燃料の供給量が少なくなると、すなわち発電負荷が小さくなると、転化率−改質部温度特性は上方に移動する（例えば特性ｇ２−１から特性ｇ２−２に向けて移動する）。
【００７６】
さらに、上述したように、プロセス効率が最も大きい改質部温度を改質部温度目標値と設定するのが好ましく、発電負荷がＷmidのとき改質部温度目標値Ｔ１ａはｆ１（Ｗmid）である。改質部温度がｆ１（Ｗmid）であるとき、転化率−改質部温度特性から最適な転化率はＸｃとなる。すなわち、改質部温度が改質部温度目標値Ｔ１ａ（＝ｆ１（Ｗmid））となるように改質用燃料の供給量を調整することで、改質部２１の転化率を最適転化率Ｘｃに調整することできる。具体的には、改質部温度が改質部温度目標値Ｔ１ａより高いときは、改質用燃料供給量を減少させることでアノードオフガス熱量を減少させ、改質部温度を低下させる。逆に、改質部温度が改質部温度目標値Ｔ１ａより低いときは、改質用燃料供給量を増大させることでアノードオフガス熱量を増大させ、改質部温度を上昇させる。
【００７７】
プロセス効率が最も大きい改質部温度を目標値と設定するのが好ましい。プロセス効率に加えて、燃料電池システム（燃料電池、改質器等）が安定して運転可能な条件を踏まえて目標値を決定する。詳しくは、転化率が低すぎると改質出ガス温度（改質部出口温度）に対する転化率（水素生成量）の変化率が大きくなるため、経時的に燃料電池１０の水素不足、燃焼部２５の吹き消えなどが起きる可能性が高くなるので、転化率下限値を設定しこれより低くならない範囲で目標値を設定する。
【００７８】
さらに、同じ空気比λであっても転化率が大きいほど燃焼部温度Ｔ２が高くなっている。これは、アノードオフガス中の組成（メタン濃度）が変化することで火炎の位置、形状が異なるからである。そのために安定した燃焼を行うためには、最適転化率Ｘｃで燃焼させ、かつ、その最適転化率Ｘｃにおいて低エミッション範囲で燃焼させる必要がある。すなわち、最適転化率に対する低エミッション範囲の中間値の空気比λに対応する燃焼部温度Ｔ２を燃焼部温度目標値Ｔ２ａとなるように燃焼用空気の供給量を調整する必要がある。具体的には、規定の可燃性ガスにおいて燃焼用空気を増大（高λ）すると火炎は噴射口から遠ざかる方向に、燃焼用空気を減少（低λ）すると火炎は噴射口から近づく方向に移動する。つまり、低λだと燃焼部温度Ｔ２が高温に、高λだと燃焼部温度Ｔ２は低温になるため、燃焼排ガス中ＣＯ、ＮＯｘ濃度が規定濃度以下となるような低エミッション範囲の燃焼部温度Ｔ２になるように燃焼用空気の供給量を調整する。
【００７９】
このように、改質部温度で改質部２１の転化率を最適に制御し、燃焼部温度で燃焼部２５の燃焼を最適に制御することで、高効率運転、かつ、低エミッションが得られる燃焼制御が可能となる。
【００８０】
また、アノードオフガスの組成すなわち転化率に応じて燃焼部温度が変化する。転化率は改質部温度に応じて変化する。転化率を改質部温度で代用し、その改質部温度に応じて燃焼部温度を決定可能である。すなわち、燃焼部の温度の目標温度または目標温度範囲は改質部の温度に基づいて決定されるので、転化率毎に最適な燃焼状態で運転が可能となる。このとき、図７に示すように、改質部温度に対して燃焼部温度目標値を示すマップを使用してもよい。このマップは、上記図５および図６に示すマップを用いれば容易に導出することができる。このマップは記憶装置３１に記憶されている。
【００８１】
上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置３０は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。すなわち燃料電池システムは暖機モードに入る。制御装置３０は、燃焼用空気バルブ６６を開いて燃焼用空気ポンプ６５を駆動して、燃焼用空気を燃焼部２５に供給する。また、制御装置３０は、燃焼部２５の点火用電極に通電する。さらに、制御装置３０は、改質用燃料バルブ４３、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ、燃焼用燃料バルブ４５，４８を開いて、燃料ポンプ４２を駆動して、燃焼用燃料を燃料電池１０を介して直接燃焼部２５に供給する。これにより、燃焼用燃料が燃焼部２５で燃焼され、その燃焼ガスにより改質部２１および蒸発部２６が加熱される。
【００８２】
制御装置３０は、起動すると蒸発部２６に所定量の水を供給し（システムが負圧になっていた場合、負圧が解消されてから水を供給する。）、一旦、水を供給を停止する。その後、制御装置３０は、温度センサ２６ａが所定値（例えば、１００℃）以上になったら水蒸気が発生したと判断する。そして、制御装置３０は、水蒸気の発生を確認してから蒸発部２６に所定流量の水を供給開始する。
【００８３】
その後、制御装置３０は、改質用燃料バルブ４３を開き、燃焼用燃料バルブ４５，４８、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じて、燃料ポンプ４２を駆動して、改質用燃料を改質部２１に供給する。また、制御装置３０は酸化用空気バルブ６３を開いて酸化用空気ポンプ６２を駆動させ酸化用空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃料電池１０を通らないで、バイパス管７３を通って直接燃焼部２５に供給され燃焼される。
【００８４】
燃焼用燃料や燃料電池１０をバイパスした改質ガスの燃焼時の起動モードに関しても、改質出ガス温度制御（改質部出口温度制御）はないものの、各モードの空気比λ−燃焼部温度Ｔ２温度マップ（図６）を用いて燃焼制御を行う。
【００８５】
このような改質ガスの生成中において、制御装置３０は、温度センサ２４ｂ（および／または温度センサ２３ｃ）によりＣＯ選択酸化部２４の触媒２４ａの温度（および／またはＣＯシフト部２３の触媒２３ｂの温度）を検出し、この検出した温度が所定温度以上となれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の低濃度以下となったとして、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ＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口を燃焼部２５に接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。すなわち燃料電池システムは発電モードに入る。
【００８６】
制御装置３０は、発電モードにおいては、所望の出力電力（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。すなわち、制御装置３０は、発電開始時や発電負荷変更時に、改質用燃料の供給量を演算し、その供給量となるように燃料ポンプ４２を駆動する。
【００８７】
具体的には、制御装置３０は、定常運転を開始すると、図８（ａ）に示すプログラムを所定の短時間Ｔａ毎に実行する。制御装置３０は、ステップ１０２において、燃料電池１０に対する要求発電量（発電負荷）を取得し、ステップ１０４において、発電負荷が変更したか否かを判定する。発電開始時にあっては、発電が開始されたか否かを判定する。
【００８８】
制御装置３０は、発電開始時、発電負荷変更時である場合、ステップ１０４で「ＹＥＳ」と判定し、先に取得した燃料電池１０に対する要求発電量（発電負荷）に基づいて改質用燃料供給量（要求燃料供給量）を決定し（ステップ１０６）、決定された供給量で燃料ポンプ４２を駆動する（ステップ１０８）。さらに、制御装置３０は、ステップ１０２で先に取得した発電負荷と、燃料電池１０の発電負荷Ｗｘと燃焼部温度目標値Ｔ２ａとの相関関係（Ｔ２ａ＝ｆ２（Ｗｘ））を示すマップまたは演算式（図４参照）とから燃焼部温度目標値Ｔ２ａを導出する（ステップ１１０）。例えば、発電負荷がＷａであるとき、燃焼部温度目標値Ｔ２ａはｆ２（Ｗａ）である。
【００８９】
制御装置３０は、ステップ１０２で先に取得した発電負荷と、燃料電池１０の発電負荷Ｗｘと改質部温度目標値Ｔ１ａとの相関関係（Ｔ１ａ＝ｆ１（Ｗｘ））を示すマップまたは演算式（図４参照）とから改質部温度目標値Ｔ１ａを導出する（ステップ１１２）。例えば、発電負荷がＷａであるとき、改質部温度目標値Ｔ１ａはｆ１（Ｗａ）である。
【００９０】
一方、制御装置３０は、発電開始時、発電負荷変更時でない場合、発電開始より後で発電負荷が変更されない間は、ステップ１０６〜１１２の処理を実行しない。
【００９１】
このように発電開始時、発電負荷変更時に改質用燃料供給量を決定しその供給量で燃料ポンプ４２を駆動させた後、制御装置３０は、燃焼用空気供給量を所定の短周期で制御し、これと並行して、改質用燃料供給量を所定の長周期で制御している。これは以下の理由による。燃焼部温度Ｔ２は応答性が速く短周期の制御が必要である。一方、改質部出口温度Ｔ１は、応答性が遅い、規定値（幅）からズレル要因としては改質用燃料流量（供給量）が指示値に対して実流量がずれた場合などが主と考えられるためだからである。
【００９２】
具体的には、制御装置３０は、図８（ｂ）に示すプログラムを所定の短時間Ｔｂ毎に（所定の短周期で）実行する。短時間Ｔｂは上記短時間Ｔａと同時間である。制御装置３０は、ステップ２０２において、温度センサ２５ｅによって燃焼部温度Ｔ２を取得し、その取得した燃焼部温度Ｔ２が、先にステップ１１０で導出された燃焼部温度目標値Ｔ２ａとなるように燃焼用空気供給手段である燃焼用空気ポンプ６５によって燃焼用空気供給量を制御する（燃焼部温度制御手段）。
【００９３】
さらに、制御装置３０は、図８（ｃ）に示すプログラムを所定の長時間毎に（所定の長周期で）実行する。この長時間Ｔｃは上記短時間Ｔｂより長い時間である。制御装置３０は、ステップ３０２において、温度センサ２１ｃによって改質部温度Ｔ１を取得し、その取得した改質部温度Ｔ１が改質部温度目標値Ｔ１ａとなるように改質用燃料供給手段である燃料ポンプ４２によって改質用燃料供給量を制御する（改質部温度制御手段）。
【００９４】
さらに、制御装置３０は、改質用燃料の供給量およびＳ／Ｃ（スチームカーボン比）に基づいて改質水の供給量を演算しその供給量となるように改質水ポンプ５３を駆動させている。また、制御装置３０は、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように酸化用空気ポンプ６２を駆動させている。そして、制御装置３０は、改質器２０から供給された改質ガスと反応するに十分なカソード用空気の供給量を演算しその供給量となるようにカソード用空気ポンプ６８を駆動させている。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止運転を実施して停止する。
【００９５】
上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、燃焼部温度制御手段（ステップ２０２）が、燃焼用酸化剤ガス供給手段（燃焼用空気ポンプ６５）によって燃焼用酸化剤ガス（燃焼用空気）の供給量を制御して燃焼部２５の温度の制御を行い、改質部温度制御手段（ステップ３０２）が、改質用燃料供給手段（燃料ポンプ４２）によって改質用燃料の供給量を制御して改質部２１の温度の制御を行う。これにより、燃焼部２５以外の部分の温度に基づいて燃焼部２５での燃焼を制御するのでなく、燃焼部の温度（燃焼空間温度）に基づいて燃焼部２５での燃焼を制御することができるので、その燃焼制御の応答性を向上し、燃焼部２５からの燃焼排ガスを確実に低エミッションに抑制することができる。さらに、改質用燃料の供給量を調整して改質部温度を所望の温度に制御可能となるので、改質部温度と強い相関性がある改質用燃料の転化率を所望の値に制御可能となる。
【００９６】
また、燃焼用空気供給量の制御と改質用燃料供給量の制御とは並行に行われている。これにより、燃焼用空気供給量、改質用燃料供給量のいずれを変化させても、燃焼部温度を発散させるのを抑制し適切に制御することができる。
【００９７】
また、改質部温度制御手段は、改質部２１の燃料ガス出口温度の制御を行うので、改質部温度として最適な温度を制御することにより、改質部２１での反応を最適に制御することができる。すなわち、改質部２１の燃料ガス出口温度は、改質部２１の改質反応をよりよく反映しており、改質部２１の燃料ガス出口温度を最適な温度に制御して、改質部２１での反応を最適に制御することができる。
【００９８】
また、燃焼部温度制御手段は、燃焼部２５の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行い、改質部温度制御手段は、改質部の温度が目標温度または目標温度範囲となるように制御を行うので、燃焼部温度および改質部温度を適切かつ安定的に制御することができる。
【００９９】
また、燃焼部温度制御手段は、燃焼部２５の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度の制御を行うので、火炎そのものの温度を検出しないで比較的低温の場所に温度センサ２５ｅを設置することができるので、温度センサ２５ｅの耐久性を向上することができる。
【０１００】
また、燃焼部２５の燃焼空間内で生じる火炎の輻射温度を検出する温度センサ２５ｅ（例えば熱電対、サーミスタ）をさらに備え、温度センサ２５ｅは、燃焼部２５に投入される燃焼用酸化剤ガスの投入部が設けられている側から燃焼空間に貫通して燃焼部２５に固定される構造となっているので、燃焼部２５に投入される燃焼用酸化剤ガスによって温度センサ２５ｅが冷却され、温度センサ２５ｅの耐久性をより向上させることができる。温度センサ２５ｅの位置によってはアノードオフガスによっても冷却される。
【０１０１】
また、温度センサ２５ｅは熱電対であるので、一般的に安価な温度センサにより燃焼部の温度を検出することができる。
【０１０２】
ところで、追い焚きレスシステムは、燃焼部２５でアノードオフガスを燃焼する定常運転中に、アノードオフガスに燃焼用燃料を混合することがない燃料電池システムすなわち定常運転中には燃焼部２５でアノードオフガスのみを燃焼する燃料電池システムである。この追い焚きレスシステムにおいては、燃焼部２５に供給され燃焼されるのはアノードオフガスのみであるため、アノードオフガスの組成すなわち転化率に応じて燃焼部温度が変化する。転化率は改質部温度に応じて変化する。転化率を改質部温度で代用し、その改質部温度に応じて燃焼部温度を決定可能である。すなわち、燃焼部２５の温度の目標温度または目標温度範囲は改質部２１の温度に基づいて決定されるので、転化率毎に最適な燃焼状態で運転が可能となる。
【０１０３】
また、燃焼部２５および改質部２１の温度の目標温度または目標温度範囲は燃料電池１０の発電負荷に応じて決定されるので、燃料電池１０の負荷に応じて最適な燃焼状態、最適な転化率で運転が可能となる。
【０１０４】
また、燃焼部２５および改質部２１の各温度の目標温度または目標温度範囲は、燃料電池１０の発電負荷と燃焼部２５の温度および改質部２１の温度との関係を示す各マップまたは各関数を使用して決定されるので、燃焼部温度および改質部温度を容易に制御することができる。
【０１０５】
また、燃料極１１および酸化剤極１２にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池１０と、改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部２１と、可燃性ガスが供給されその可燃性ガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部２１を加熱する燃焼部２５と、を備えた燃料電池システムであって、燃焼部２５の燃焼空間内に配設され、該燃焼空間で生じる火炎の輻射温度を検出する温度センサ２５ｅをさらに備えた。これにより、改質部２１の影響をできるだけ受けないようにして燃焼部２５の温度を確実かつ早期に検出することができる。したがって、燃焼部２５以外の部分の温度に基づいて燃焼部２５での燃焼を制御するのでなく、燃焼部２５の温度に基づいて燃焼部２５での燃焼を制御することができるので、その燃焼制御の応答性を向上し、燃焼部２５からの燃焼排ガスを確実に低エミッションに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃焼部を示す断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図４】図３に示した記憶装置に記憶されている、燃料電池の発電負荷と改質部温度目標値との相関関係を示すマップ、および燃料電池の発電負荷と燃焼部温度目標値との相関関係を示すマップである。
【図５】転化率−改質部温度特性、およびプロセス効率−改質部温度特性を示す図である。
【図６】転化率毎の、空気比−燃焼部温度特性を示す図である。
【図７】改質部温度と燃焼部温度との関係を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、図３に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートであり、（ａ）は、発電開始時、発電負荷変更時に、改質用燃料供給量、燃焼部温度目標値および改質部温度目標値を導出するものであり、（ｂ）は、燃焼部温度を制御するものであり、（ｃ）は、改質部温度を制御するものである。
【符号の説明】
【０１０７】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ｃ…温度センサ（改質部温度検出手段）、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…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…燃焼部、２５ａ…基部、２５ｂ…燃焼筒、２５ｃ…オフガスノズル、２５ｅ…温度センサ（燃焼部温度検出手段）２６…蒸発部、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、３０…制御装置（改質部温度制御手段、燃焼部温度制御手段）、４１…燃料供給管、４２…燃料ポンプ（改質用燃料供給手段）、４３…改質用燃料バルブ、４４，４７…燃焼用燃料供給管、４５，４８…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（燃焼用酸化剤ガス供給手段）、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。
【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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