(57)【要約】【課題】炭素析出を回避しつつ、燃料電池にてＳ／Ｃが過大となることを抑制可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】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燃料改質器４４と、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と共に、燃料を改質して燃料ガスを内部で生成可能な内部改質型の燃料電池１０と、燃料改質器４４へ燃料を導く燃料供給配管４と、燃料改質器４４へ水蒸気を供給する水供給配管５と、水供給配管５に設けられ、燃料改質器４４へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い所定基準値以上となるように、燃料改質器４４への水蒸気の供給量を調整する水ポンプ５２と、燃料改質器４４を介さずに燃料電池１０へ燃料を直接的に導くバイパス配管６と、を備える。【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燃料改質器（４４）と、
前記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と共に、前記燃料を改質して前記燃料ガスを内部で生成可能な内部改質型の燃料電池（１０）と、
前記燃料改質器へ前記燃料を導く第１燃料供給経路（４）と、
前記燃料改質器へ前記水蒸気を供給する水供給経路（５）と、
前記水供給経路に設けられ、前記燃料改質器へ供給される前記燃料中の炭素に対する前記水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い所定基準値以上となるように、前記燃料改質器への前記水蒸気の供給量を調整する水量調整手段（５２）と、
前記燃料改質器を介さずに前記燃料電池へ前記燃料を直接的に導く第２燃料供給経路（６）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２燃料供給経路を介して前記燃料電池へ流入する前記燃料の流入量を調整する燃料調整手段（６１、６３）と、
前記燃料改質器の温度を検出する改質温度検出手段（４４ａ）と、
前記改質温度検出手段の検出温度に応じて前記燃料調整手段を制御する制御手段（１００）と、備え、
前記制御手段は、前記改質温度検出手段の検出温度が高くなるに伴い前記第２燃料供給経路を介して前記燃料電池へ流入する前記燃料の流入量が増加するように、前記燃料調整手段を制御す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】
前記燃料改質器は、前記燃料電池から放出される熱を吸熱できるように、前記燃料電池の周囲に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
可燃ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼器（７１）を備え、
前記燃料改質器は、前記燃焼器から放出される熱を吸熱できるように、前記燃焼器に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つ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】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する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】
従来、固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）を備える燃料電池システムとして、水蒸気を用いて炭化水素系の燃料（例えば、メタン）を燃料ガスに改質する燃料改質器を備える構成（外部改質型のシステム）が知られている（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２０１１−２３８３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、水蒸気改質では、炭化水素系の燃料の炭素数が増えるに伴って改質反応の際に、改質用の触媒上に炭素が析出され易くなる傾向がある。燃料改質器における炭素析出は、触媒性能の劣化や燃料等の供給経路の閉塞を招く要因となることから好ましくない。
【０００５】
このため、一般的な燃料電池システムでは、燃料改質器へ供給する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比（Ｓ／Ｃ：スチーム／カーボン）を炭素析出が生じ難い基準値（例えば、３）以上とすることが望ましいとされている。
【０００６】
しかしながら、外部改質型のシステムにて、燃料改質器へ供給する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比（Ｓ／Ｃ）を３以上とすると、燃料電池へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が過大となってしまうといった問題がある。
【０００７】
この点について説明すると、燃料改質器では、以下の反応式で示すように、燃料（ＣＨ４）に対して２倍程度の水蒸気（Ｈ２Ｏ）が消費されるだけであり、燃料電池へ流入する燃料に比べて水蒸気の量が増加するためである。
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２
例えば、燃料改質器への水蒸気の供給量Ｂ１を燃料の供給量Ａ１の３倍程度とし（Ｂ１≒３×Ａ１）、燃料改質器への燃料の供給量Ａ１の半分が消費されるとすると、燃料改質器で消費されずに燃料電池へ流入する燃料の流入量Ａ２がＡ１の半分程度となる（Ａ２≒Ａ１／２）。
【０００８】
一方、燃料改質器への水蒸気の供給量Ｂ１が燃料の供給量Ａ１の２倍程度が消費されるとすると、燃料改質器で消費されずに燃料電池へ流入する水蒸気の流入量Ｂ２は、「Ｂ１−２×Ａ２」程度となる。つまり、燃料電池へ流入する水蒸気の流入量Ｂ２は、燃料電池へ流入する燃料の流入量Ａ２の４倍程度となってしまう（Ｂ２≒４×Ａ２、Ｓ／Ｃ≒４）。
【０００９】
燃料電池におけるＳ／Ｃが過大となることは、燃料電池内にて発電に寄与しない水蒸気により燃料電池のネルンスト電圧の減少を招き、システムの発電効率が低下する要因となることから好ましくない。
【００１０】
本発明は上記点に鑑みて、炭素析出を回避しつつ、燃料電池にてＳ／Ｃが過大となること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】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、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燃料改質器（４４）と、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と共に、燃料を改質して燃料ガスを内部で生成可能な内部改質型の燃料電池（１０）と、燃料改質器へ燃料を導く第１燃料供給経路（４）と、燃料改質器へ水蒸気を供給する水供給経路（５）と、水供給経路に設けられ、燃料改質器へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い所定基準値以上となるように、燃料改質器への水蒸気の供給量を調整する水量調整手段（５２）と、燃料改質器を介さずに燃料電池へ燃料を直接的に導く第２燃料供給経路（６）と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
このように、燃料改質器に対して炭素析出が生じ難い量の水蒸気を確保しつつ、第２燃料供給経路を介して燃料電池に燃料を流入させる構成とすれば、燃料電池への燃料の流入量を増加させることができる。これにより、燃料電池へ流入する燃料中の炭素に対する燃料電池へ流入する水蒸気のモル比（Ｓ／Ｃ）が過大となることを抑制できる。なお、燃料電池へ直接的に燃料を供給することで、燃料改質器で消費されずに燃料電池へ流入する水蒸気を利用して燃料電池の内部改質を促進させることも可能となる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、第２燃料供給経路を介して燃料電池へ流入する燃料の流入量を調整する燃料調整手段（６１、６３）と、燃料改質器の温度を検出する改質温度検出手段（４４ａ）と、改質温度検出手段の検出温度に応じて燃料調整手段を制御する制御手段（１００）と、備え、制御手段は、改質温度検出手段の検出温度が高くなるに伴い第２燃料供給経路を介して燃料電池へ流入する燃料の流入量が増加するように、第２燃料調整手段を制御することを特徴としている。
【００１４】
このように、改質温度の上昇に応じて、第２燃料供給経路を介して燃料電池へ流入する燃料の流入量を増加させる構成とすれば、燃料電池に流入する燃料中の炭素に対する燃料電池へ流入する水蒸気のモル比（Ｓ／Ｃ）が過大となることをより適切に抑制できる。
【００１５】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段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】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料改質器の配置形態を示す図である。
【図３】燃料改質器における改質温度と改質率との相関特性を示す特性図である。
【図４】Ｓ／ＣとＯＣＶとの相関特性を示す特性図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料改質器の配置形態を示す図である。
【図６】第３実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
第１実施形態について図面を用いて説明する。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（ＳＯＦＣ）１０を備えている。なお、説明の便宜上、図１では、燃料電池１０を単一の発電セル１０ａとして図示している。
【００１８】
本実施形態の燃料電池１０は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（本実施形態では空気）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１０ａを、セパレータ１４、１５を介して積層したスタック構造となっている。なお、発電セル１０ａのセル形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。
【００１９】
各発電セル１０ａは、固体酸化物電解質１１、空気極（カソード）１２、燃料極（アノード）１３で構成されている。本実施形態の発電セル１０ａは、炭化水素系の燃料であるメタン（ＣＨ４）を改質して生成される水素（Ｈ２）、および一酸化炭素（ＣＯ）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メタン以外を採用してもよい。
【００２０】
ここで、発電セル１０ａの燃料極１３は、改質触媒として機能するニッケル（Ｎｉ）を含んで構成されている。つまり、本実施形態の燃料電池１０は、燃料極１３に含まれるニッケルを改質触媒として燃料を改質して燃料ガスを内部で生成可能な内部改質型の燃料電池で構成されている。
【００２１】
セパレータ１４、１５は、各発電セル１０ａを電気的に接続すると共に、燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスを各発電セル１０ａへ供給する機能を有する。なお、セパレータ１４、１５には、燃料ガスを各発電セル１０ａへ供給する燃料ガス通路（図示略）、および空気を各発電セル１０ａへ供給する空気通路（図示略）が形成されている。
【００２２】
各発電セル１０ａでは、以下の反応式［化１］、［化２］に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−・・・［化１］
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・［化２］
また、各発電セル１０ａでは、以下の反応式［化３］、［化４］に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ２−→２ＣＯ２＋４ｅ−・・・［化３］
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・［化４］
燃料電池１０の空気の入口側には、空気の供給経路である空気供給配管３が接続されている。この空気供給配管３には、上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ３１、燃料電池１０へと空気を圧送する空気用ブロワ３２、空気予熱器３３が設けられている。
【００２３】
本実施形態の空気予熱器３３は、空気用ブロワ３２から圧送された空気を、後述する燃焼器７１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。空気予熱器３３は、燃料電池１０の空気極１２に供給する空気と燃料極１３に供給する高温の燃料ガスとの温度差を縮小して、各発電セル１０ａにおける発電効率の向上を図るために設けられている。
【００２４】
一方、燃料電池１０の燃料ガスおよび燃料の入口側には、燃料ガスおよび燃料の供給経路である燃料供給配管４が接続されている。この燃料供給配管４には、上流側から順に、燃料に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、燃料電池１０側へ燃料を圧送する燃料ポンプ４２、燃料予熱器４３、燃料改質器４４が設けられている。
【００２５】
燃料予熱器４３は、燃料改質器４４における改質反応の促進するために、燃料ポンプ４２から圧送された燃料を後述する燃焼器７１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。
【００２６】
燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて加熱された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共に、以下の反応式［化５］に示す改質反応、および反応式［化６］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。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２・・・［化５］
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・［化６］
燃料改質器４４は、水供給配管５に接続されており、水供給配管５に設けられた気化器５３にて生成された水蒸気が供給される。
【００２７】
ここで、水供給配管５について説明すると、水供給配管５は、燃料改質器４４に水蒸気を供給する水供給経路を構成している。水供給配管５には、上流側から順に、純水器５１、水ポンプ５２、気化器５３が設けられており、気化器５３の出口側が燃料改質器４４に接続されている。水ポンプ５２は、気化器５３を介して水蒸気を燃料改質器４４へ供給するものであり、気化器５３は、純水器５１を介して水ポンプ５２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ある。
【００２８】
また、本実施形態の燃料改質器４４は、図２に示すように、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。なお、燃料改質器４４は、周囲から吸熱して内部を流通する燃料を加熱可能な放射熱型の熱交換器で構成されている。
【００２９】
燃料改質器４４における水蒸気改質は吸熱反応であり、図３に示すように、高温となる条件下にて改質率Ｆ（Ｔ）が向上する特性を有している。なお、改質率Ｆ（Ｔ）は、供給された燃料全体のうち、水蒸気改質に利用された燃料の割合である。
【００３０】
本実施形態の如く、燃料電池１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱可能な高温の環境下に、燃料改質器４４を配置することで、燃料改質器４４における改質率Ｆ（Ｔ）の向上を図ることができる。
【００３１】
図１に戻り、本実施形態の燃料供給配管４には、燃料改質器４４を介さずに燃料予熱器４３にて加熱された燃料を燃料電池１０へ導くバイパス配管６が接続されている。このバイパス配管６は、上流側が燃料供給配管４における燃料予熱器４３と燃料改質器４４との間に設けられた分岐部４Ａに接続され、下流側が燃料供給配管４における燃料改質器４４と燃料電池１０の燃料入口側との間に設けられた合流部４Ｂに接続されている。
【００３２】
本実施形態のバイパス配管６は、燃料供給配管４から分岐して設けられており、燃料供給配管４に設けられた燃料ポンプ４２から圧送された燃料の一部がバイパス配管６を介して燃料電池１０に流入する構成となっている。これによれば、燃料を供給する燃料ポンプ４２を単一の燃料供給手段で構成することができ、燃料電池システム１の簡素化を図ることが可能となる。
【００３３】
また、本実施形態のバイパス配管６には、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ直接的に流入する燃料の流入量を調整する燃料調整弁６１が設けられている。この燃料調整弁６１は、後述の制御装置１００からの制御信号に応じて、バイパス配管６の通路開度を増減する電磁弁で構成されている。
【００３４】
なお、本実施形態では、燃料供給配管４が燃料を燃料改質器４４へ導く第１燃料供給経路を構成し、バイパス配管６が燃料を燃料電池１へ直接的に導く第２燃料供給経路を構成している。また、燃料調整弁６１が、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量を調整する燃料調整手段を構成している。
【００３５】
燃料改質器４４の燃料ガスの出口側には、燃料改質器４４における改質温度Ｔを検出する改質温度センサ４４ａが設けられている。本実施形態では、改質温度センサ４４ａが、改質温度検出手段を構成している。なお、改質温度センサ４４ａの配置は、燃料改質器４４における燃料ガスの出口側に限定されない。例えば、改質温度センサ４４ａを燃料改質器４４の表面に配置し、燃料改質器４４の表面温度を改質温度Ｔとして検出するようにしてもよい。
【００３６】
燃料電池１０の空気の出口側には、燃料電池１０からの排出空気（酸化剤ガスのオフガス）が流れる空気排出経路７ａが接続され、燃料電池１０の燃料ガスの出口側には、排出燃料（燃料ガスのオフガス）が流れる燃料排出経路７ｂが接続されている。各排出経路７ａ、７ｂは、燃焼器７１に接続されている。
【００３７】
燃焼器７１は、排出燃料と排出空気と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１０に供給する空気や燃料ガスの予熱等の熱源として利用される高温（例えば、９００℃〜１０００℃）の燃焼ガスを生成するものである。
【００３８】
この燃焼器７１には、高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス経路７が接続されている。この燃焼ガス経路７は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器４４、空気予熱器３３、気化器５３、燃料予熱器４３といった機器に接続されている。また、図示しないが、燃焼ガス経路７における燃料予熱器４３の下流側には、給湯水を加熱する熱交換器を設けられており、燃焼ガスが有する熱にて、給湯水等を加熱するようになっている。なお、燃焼ガスを各機器３３、４３、４４、５３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。
【００３９】
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について説明する。制御装置１００は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭといった記憶手段等からなる周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路にて構成されている。制御装置１００は、記憶手段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制御手段を構成している。
【００４０】
また、制御装置１００の入力側には、改質温度センサ４４ａ等の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。
【００４１】
一方、制御装置１００の出力側には、制御機器として空気用ブロワ３２、燃料ポンプ４２、水ポンプ５２、燃料調整弁６１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。
【００４２】
ここで、燃料改質器４４へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比（Ｓ／Ｃ）が小さいと、燃料や一酸化炭素等の熱分解反応により、燃料改質器４４の内部で炭素析出が生ずる虞がある。具体的には、水蒸気が不足し、燃料改質器４４内部で改質反応やシフト反応が進み難い状況において、炭素析出が生じ易くなってしまう。
【００４３】
このため、本実施形態の制御装置１００は、燃料改質器４４へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い所定基準値以上となるように、水ポンプ５２の作動を制御している。本実施形態では、水ポンプ５２、および制御装置１００における水ポンプ５２を制御する構成が、燃料改質器４４への水蒸気の供給量を調整する水量調整手段を構成している。
【００４４】
なお、「炭素析出が生じ難い所定基準値」とは、燃料ガスを生成する改質反応やシフト反応を成立させる際に必要な燃料改質器４４へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比の必要最小値に対し、余裕代を加えた値（例えば３）に設定される。水蒸気は、燃料改質器４４内において、炭素のガス化反応（Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２）を進める働きを有することから、前述の必要最小値に対して余裕代を加えることで、燃料改質器４４における炭素析出を適切に回避することが可能となる。
【００４５】
具体的には、制御装置１００は、燃料改質器４４へ供給される水蒸気の供給量が燃料改質器４４へ供給される燃料の供給量の３倍程度となるように、水ポンプ５２の回転数を制御している。なお、燃料改質器４４へ供給される燃料の供給量は、燃料ポンプ４２の回転数および燃料調整弁６１への制御信号から把握することができる。
【００４６】
ここで、図４に示すように、燃料電池１０では、その内部に流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が低くなるに伴って開回路電圧ＯＣＶが上昇する特性があり、高出力を得るためには燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比を抑える必要がある。
【００４７】
ところが、燃料改質器４４へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い値となるように水ポンプ５２の作動を制御すると、燃料電池１０へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が過大となってしまう。
【００４８】
また、本発明者らの調査研究によれば、燃料電池１０へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比は、燃料改質器４４が高温となって改質率Ｆ（Ｔ）が高くなる条件で顕著に大きくなってしまうことが分った。
【００４９】
以下、この点ついて図２を用いて説明する。なお、図２に示す「Ａ１」が燃料改質器４４への燃料の供給量、「Ｂ１」が水蒸気の供給量、「Ａ２」が燃料改質器４４を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量、「Ｂ２」が水蒸気の流入量を示している。
【００５０】
また、燃料改質器４４における燃料の改質率を「Ｆ（Ｔ）」とし、燃料改質器４４にて消費される燃料に対する水蒸気改質に要する水蒸気との比を「β」とする。なお、燃料改質器４４では、以下の反応式［化７］で示すように、燃料（ＣＨ４）に対して２倍程度の水蒸気（Ｈ２Ｏ）が消費されることから「β」は「２」程度の値となる。
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２・・・［化７］
燃料改質器４４へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比αは、以下の関係式［数１］で示す関係が成立する。
α＝Ｂ１／Ａ１・・・［数１］
また、燃料改質器４４における燃料の消費量は「Ａ１×Ｆ（Ｔ）」となることから、燃料改質器４４にて消費されず、燃料改質器４４を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量「Ａ２」は、以下の関係式［数２］にて規定できる。
Ａ２＝Ａ１−Ａ１×Ｆ（Ｔ）・・・［数２］
一方、燃料改質器４４における水蒸気の消費量は「（Ａ１−Ａ２）×β」となることから、燃料改質器４４にて消費されず、燃料改質器４４を介して燃料電池１０へ流入する水蒸気の流入量「Ｂ２」は、以下の関係式［数３］にて規定できる。
Ｂ２＝Ｂ１−（Ａ１−Ａ２）×β・・・［数３］
上述の［数１］〜［数３］を纏めると、燃料改質器４４を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量に対する水蒸気の流入量の比は、以下の関係式［数４］で示す関係が成立する。
Ｂ２／Ａ２＝β＋（α−β）／（１−Ｆ（Ｔ））・・・［数４］
この関係式［数４］によれば、燃料改質器４４の改質率Ｆ（Ｔ）が高いと、燃料改質器４４を介して燃料電池１０へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が過大となってしまう。
【００５１】
これに対して、本実施形態では、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ直接的に燃料を導く構成としているので、燃料電池１０へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が過大となってしまうことを抑制することができる。
【００５２】
具体的には、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量を「Ａ３」とすると、燃料電池１へ流入する燃料の流入量に対する水蒸気の流入量の比は、「Ｂ２／（Ａ２＋Ａ３）」となる。つまり、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ燃料を流入させることで、燃料電池１０へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比を小さくすることができる。
【００５３】
ここで、燃料改質器４４の改質率Ｆ（Ｔ）は、前述のように、燃料改質器４４の改質温度Ｔの上昇に伴って高くなるといった特性がある。そして、関係式［数４］によれば、燃料改質器４４を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量「Ａ２」に対する水蒸気の流入量「Ｂ２」の比は、燃料改質器４４の改質率Ｆ（Ｔ）の上昇に伴って顕著に大きくなってしまう。
【００５４】
そこで、本実施形態の制御装置１００では、燃料改質器４４の改質温度Ｔの上昇に伴って、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量「Ａ３」が増加するように、燃料調整弁６１を制御している。具体的には、制御装置１００は、改質温度センサ４４ａの検出温度が高くなるに伴いバイパス配管６の通路開度が拡大するように燃料調整弁６１を制御する。
【００５５】
ところで、燃料電池１０の内部では、反応式［化１］で示すように、水素および酸素の電気化学反応により水が生成されることから、燃料改質器４４に比べて炭素析出が生じ難い。
【００５６】
しかし、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量が過剰となり、燃料電池１０へ流入する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が小さくなり過ぎると、燃料電池１０内部での炭素析出が懸念される。
【００５７】
このため、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量については、例えば、以下の関係式［数５］を満たす範囲で調整することが望ましい。
Ｂ２／（Ａ２＋Ａ３）＞２・・・［数５］
次に、上記構成に係る燃料電池システム１の全体的な作動について説明する。図示しない外部コントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、制御装置１００が各制御機器へ作動開始を指示する制御信号を出力する。
【００５８】
これにより、空気供給配管３では、空気用ブロワ３２にて圧送された空気が空気予熱器３３にて所望の温度となるまで加熱された後、当該加熱された空気が燃料電池１０に供給される。
【００５９】
一方、燃料供給配管４では、燃料ポンプ４２から供給された燃料が燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器４４内部にて気化器５３で生成された水蒸気と混合されると共に、水蒸気改質により燃料ガスに改質されて燃料電池１０に供給される。
【００６０】
この際、燃料電池１０には、燃料ガスに加えて、バイパス配管６を介して燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された燃料の一部が供給される。なお、バイパス配管６を介して供給された燃料は、燃料電池１０内部で水蒸気改質により燃料ガスに改質される。
【００６１】
燃料電池１０は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料ガスとして前述の反応式［化１］〜［化４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
【００６２】
燃料電池１０から排出された各オフガスは、各排出経路７ａ、７ｂを介して燃焼器７１に供給される。燃焼器７１に供給された各オフガスは、燃焼器７１で燃焼される。その後、燃焼器７１にて生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路７を介して燃料改質器４４、空気予熱器３３、気化器５３、燃料予熱器４３に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。
【００６３】
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１では、燃料改質器４４へ供給される燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比が炭素析出の生じ難い所定基準値以上となるように、燃料改質器４４への水蒸気の供給量を調整している。このため、燃料改質器４４に対して炭素析出が生じ難い量の水蒸気を確保して、燃料改質器４４内部における炭素析出を抑制することができる。
【００６４】
加えて、本実施形態では、バイパス配管６を介して燃料電池１０に対して直接的に燃料を流入させる構成としている。これにより、燃料電池１０へ流入する燃料の流入量が増加するので、燃料電池１０へ流入する燃料中の炭素に対する燃料電池１０へ流入する水蒸気のモル比（Ｓ／Ｃ）が過大となることを抑制できる。なお、燃料電池１０へ直接的に燃料を供給することで、燃料改質器４４で消費されずに燃料電池１０へ流入する水蒸気を利用して燃料電池１０の内部改質を促進させることも可能となる。
【００６５】
ここで、システム全体における燃料の供給量を一定とした場合、バイパス配管６を介して燃料の一部が燃料改質器４４を迂回することで、燃料改質器４４への燃料の供給量が減少するので、燃料改質器４４への水蒸気の供給量を減らすことができる。この結果、水蒸気の生成に要する熱量の減少させることができるので、気化器５３の小型化等を図ることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、燃料改質器４４における改質率Ｆ（Ｔ）が高くなるに伴い、燃料電池１０に流入する燃料中の炭素に対する燃料電池１０へ流入する水蒸気のモル比が過大となってしまうことに着眼し、制御装置１００にて以下の制御を行っている。すなわち、改質温度センサ４４ａの検出温度が高くなるに伴いバイパス配管６を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量が増加するように、制御装置１００が燃料調整弁６１を制御している。
【００６７】
このように、改質温度Ｔの上昇に応じてバイパス配管６を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量を増加させる構成とすれば、燃料電池１０に流入する燃料中の炭素に対する燃料電池へ流入する水蒸気のモル比が過大となることをより適切に抑制できる。
【００６８】
また、本実施形態では、燃料電池１０から放出される熱を吸熱できるように、燃料改質器４４を燃料電池１０の周囲に配置している。これによれば、燃料電池１０からの放射熱を有効活用して燃料改質器４４における改質率Ｆ（Ｔ）の向上を図ることができる。
【００６９】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００７０】
本実施形態では、図５に示すように、燃焼器７１から放出される熱を直接的に吸熱できるように、燃料改質器４４を燃焼器７１に隣接して配置している。より具体的には、燃料改質器４４における燃料電池１０と対向する対向面の反対側の側面に燃焼器７１が当接するように燃料改質器４４を配置している。
【００７１】
これによれば、燃料電池１０から放出された熱に加えて、燃焼器７１から放出される熱により、燃料改質器４４の温度をより効果的に上昇させることができる。これにより、燃料電池１０からの放射熱および燃焼器７１の熱を有効活用して燃料改質器４４における改質率Ｆ（Ｔ）を一層向上させることが可能となる。
【００７２】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００７３】
本実施形態では、図６に示すように、バイパス配管６を燃料供給配管４から分岐させず、バイパス配管６にサブ脱硫器６２およびサブポンプ６３を設ける構成としている。つまり、本実施形態では、バイパス配管６に設けられたサブポンプ６３から圧送された燃料がバイパス配管６を介して燃料電池１０に流入する構成となっている。
【００７４】
本実施形態では、サブポンプ６３の回転数を変更することで、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量を調整するようなっている。このため、本実施形態では、サブポンプ６３が燃料調整手段を構成している。
【００７５】
その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、第１実施形態で説明した効果に加えて、以下の効果を奏する。すなわち、本実施形態では、専用のサブポンプ６３を追加しているので、燃料改質器４４への燃料の供給量を変更することなく、バイパス配管６を介して燃料電池１０へ流入する燃料の流入量を容易に調整することが可能となる。
【００７６】
また、本実施形態では、燃料予熱器４３と気化器５３とを一体的に構成して、燃料電池システム１の簡素化を図るようにしてもよい。
【００７７】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
【００７８】
（１）上述の第１実施形態の如く、燃料電池１０からの放射熱を吸熱できるように、燃料改質器４４を燃料電池１０の周囲に配設することが望ましいが、これに限定されない。燃料改質器４４を昇温させる他の熱源が存在する場合等には、燃料改質器４４を燃料電池１０の周囲以外に配置してもよい。
【００７９】
（２）上述の第１実施形態では、燃料供給配管４における燃料予熱器４３と燃料改質器４４との間にバイパス配管６の上流側を接続する例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料供給配管４における燃料ポンプ４２と燃料予熱器４３との間にバイパス配管６の上流側を接続してもよい。この場合、燃料予熱器４３と気化器５３とを一体的に構成して、燃料電池システム１の簡素化を図るようにしてもよい。
【００８０】
（３）上述の第１実施形態では、バイパス配管６に設けた燃料調整弁６１により燃料調整手段を構成する例について説明したが、これに限定されない。例えば、通路開度を調整可能な電気式の三方弁を分岐部４Ａおよび合流部４Ｂのいずれかに配置し、当該三方弁を燃料調整手段として機能させてもよい。
【００８１】
（４）上述の各実施形態の如く、燃料改質器４４の改質温度Ｔに応じて燃料電池１へ流入する燃料の流入量を調整することが望ましいが、燃料改質器４４の改質温度Ｔによらず、燃料電池１へ流入する燃料の流入量を調整してもよい。例えば、バイパス配管６に固定絞りを配置したり、バイパス配管６の通路断面積を燃料供給配管４の通路断面積を小さくしたりすることで、燃料改質器４４への燃料の供給量と燃料電池１へ流入する燃料の流入量とのバランスを調整するようにしてもよい。
【００８２】
（５）上述の各実施形態では、燃料電池１０として高温で作動する固体酸化物型の燃料電池を用いる例について説明したが、これに限らず、例えば、燃料電池１０として高温で作動する溶融炭酸塩型の燃料電池を用いてもよい。
【００８３】
（６）上述の各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。
【００８４】
（７）上述の各実施形態において、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。
【００８５】
（８）上述の各実施形態において、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。
【００８６】
（９）上述の各実施形態において、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。
【符号の説明】
【００８７】
１０      燃料電池
４        燃料供給配管（第１燃料供給経路）
５        水供給配管（水供給経路）
５２      水ポンプ（水量調整手段）
７        バイパス配管（第２燃料供給経路）
【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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