(57)【要約】【課題】  暖機モードから発電モードに移行する際に、ロバスト性の低下、切り替え時の制御の継承性の低下、大型化・高コスト化を招くことなく、燃焼状態が変動して燃焼部が失火することを防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システムにおいては、暖機モードから発電モードに移行する際に、第１改質ガスバルブを開いた時点（時刻ｔ４）から第１の所定時間Ｔ１を経過する時点（時刻ｔ５）までの間において、第１流路内に停止処理時に残留していた残留ガスが、第２流路を通って改質部からの燃料ガスととともに燃焼部に供給される。また、第１改質ガスバルブを開いた時点（時刻ｔ４）から第２の所定時間Ｔ２を経過するまでの間では、水素利用率を発電モードより低く設定することにより改質用燃料の供給量を多くする。【選択図】  図７
2006318714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および酸化剤極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と、
改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質触媒によって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、および可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を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、を備えた改質器と、
前記改質部で生成した前記燃料ガスを前記燃料電池の燃料極を経由して前記燃焼部に供給する第１流路と、
前記改質部で生成した前記燃料ガスを前記燃料電池の燃料極を迂回して前記燃焼部に供給する第２流路と、
前記第１および第２流路をそれぞれ連通状態と遮断状態に切り換える連通遮断手段と、を備えてなり、
前記連通遮断手段は、前記改質器を暖機する暖機モードには前記第１および第２流路をそれぞれ遮断状態および連通状態とし、前記改質器の暖機が完了し前記燃料電池が発電する発電モードには、前記第１および第２流路をそれぞれ連通状態および遮断状態とする燃料電池システムにおいて、
前記連通遮断手段は、前記改質器の暖機が完了した時点以降に前記第１流路を連通状態とし、前記第１流路を連通状態とした時点から第１の所定時間経過した時点に前記第２流路を遮断状態とす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、
前記改質部に前記改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、
前記第１流路を連通状態とした時点から第２の所定時間経過するまでの間では、前記燃料電池に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池で消費された水素量の比を表す水素利用率を第１設定値に設定し、それ以降では前記水素利用率を前記第１設定値より大きい第２設定値に設定する水素利用率設定手段と、
前記燃料電池の発電出力と前記水素利用率設定手段により設定された水素利用率とに基づいて前記改質部に供給する改質用燃料の供給量を導出する改質用燃料供給量導出手段と、
該改質用燃料供給量導出手段により導出された供給量となるように前記改質用燃料供給手段を制御する改質用燃料供給制御手段と、
を備えた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、
前記燃焼部に前記燃焼用燃料を供給する燃焼用燃料供給手段と、
前記燃焼部の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
前記改質器の暖機が完了するまでは前記燃焼部の目標燃焼状態を第１目標燃焼状態に設定し、前記改質器の暖機が完了した時点以降は前記燃焼部の目標燃焼状態を前記第１目標燃焼状態より失火状態側である第２目標燃焼状態に設定する目標燃焼状態設定手段と、
前記燃焼用燃料供給手段をフィードバック制御して前記目標燃焼状態設定手段により設定された目標燃焼状態となるように前記燃焼部の燃焼状態を調整するとともに、前記燃焼用燃料供給手段の回転数が下限回転数より小さくならないように制御する燃焼用燃料供給制御手段と、を備えた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、前記燃焼用燃料供給手段はダイヤフラム式ポンプであり、
かつ、
前記第１流路を連通状態とした時点から前記第２の所定時間経過するまでの間では、前記燃焼用燃料供給手段の下限回転数を第１回転数に設定し、それ以降では前記下限回転数を前記第１回転数より小さい第２回転数に設定する下限回転数設定手段をさらに備え、
前記燃焼用燃料供給制御手段は、前記下限回転数設定手段により設定された下限回転数を使用することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項において、前記連通遮断手段は、前記第１流路に設けられて同第１流路を開閉する第１バルブと、前記第２流路に設けられて同第２流路を開閉する第２バルブと、から構成されてい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、改質器を暖機する暖機モードには改質部を燃料電池の燃料極を経由しないで燃焼部に直接連通し、改質器の暖機が完了し燃料電池が発電する発電モードには改質部を燃料電池の燃料極を経由して燃焼部に連通する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この燃料電池システムの一形式として、特許文献１「燃料電池システムの停止方法およびこの方法による燃料電池システム」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、燃料電池システムは、燃料極および酸化剤極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、改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質触媒によって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、および可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部２１を加熱する燃焼部２１ｄ、を備えた改質装置（改質器）２０と、改質部２１で生成した燃料ガスを燃料電池１０の燃料極を経由して燃焼部２１ｄに供給する第１流路（第１改質ガス供給管７１および第１オフガス供給管７２）と、改質部２１で生成した燃料ガスを燃料電池１０の燃料極を迂回して燃焼部２１ｄに供給する第２流路（第１改質ガス供給管７１、第２改質ガス供給管７７および第１オフガス供給管７２）と、第１および第２流路をそれぞれ連通状態と遮断状態に切り換える連通遮断手段（第１改質ガスバルブ７３および第２改質ガスバルブ７８）と、を備えてなり、連通遮断手段は、改質装置２０を暖機する暖機モードには第１および第２流路をそれぞれ遮断状態および連通状態とし、改質装置２０の暖機が完了し燃料電池が発電する発電モードには、第１および第２流路をそれぞれ連通状態および遮断状態とするものはよく知られている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては、改質装置２０に残存する改質用燃料、改質ガスを一掃（パージ）する処理が施され、その後運転が停止される。この一掃処理としては、不活性ガス（例えば窒素ガス）によってパージするもの、水蒸気によってパージした後、この水蒸気を空気によってパージするものなどが一般的に知られている。その後、再び燃料電池システムの運転を開始する際には、改質装置２０の暖機が行われ、その暖機が完了すると燃料電池１０の発電が開始される。この暖機モードから発電モードに移行する際に、それまで連通状態であった第２流路を遮断状態とするとともに遮断状態であった第１流路を連通状態とするため第１流路内に残留していた不活性ガス、空気などの残留ガスが燃焼部に一気に流入するので、燃焼状態が変動して燃焼部が失火するおそれがあった。
【０００４】
また、特許文献２「燃焼器を有する水素製造装置を用いた燃料電池発電システム」に示されているものが知られている。この燃料電池発電システムは、家庭用の分散電源などのように負荷変動の多い状況であっても、水素製造装置の燃焼器を安定に制御するものである。この燃料電池発電システムは、燃焼器５１の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置の検出信号を参照して、燃焼状態が失火に至るものであれば、少なくとも電力変換手段３１による制御電流量を所定範囲において減少させるようになっている。また、システムの起動、停止、負荷切り替えの各開始指令を基準に予め定めたタイマカウント時間の間に限り、電力変換手段３１による制御電流量、あるいは空気供給装置７１による供給空気量の少なくとも一方を制御するようになっている。この場合、他のフィードバック制御に優先して、所定のシーケンスで変えるように制御を切り替えるようになっている。
【特許文献１】特開２００４−１５２５４０号公報（第５−１０頁、第１−５図）
【特許文献２】特開２００４−１７８９６２号公報（第３−２０頁、第１−１０図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献２に記載の燃料電池発電システムにおいては、燃焼状態が最も急変する暖機モードから発電モードに移行した直後における燃焼部の失火への対処についての詳細な記載はない。また、その移行期間中にフィードバック制御を中止しシーケンス制御を行っているので、ロバスト性が低下するという問題があった。また、移行期間後は再びフィードバック制御を行うので、フィードバック制御とシーケンス制御の切り替え時の制御の継承性も問題となっていた。また、発電開始直後において発電負荷がない場合であって、燃料電池が最低発電出力（最低発電電流）で発電するようになっている場合には、この場合でも制御発電量を減少させるため負荷として二次電池４１を設けており、その分燃料電池システムが大型化・高コスト化するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、暖機モードから発電モードに移行する際に、ロバスト性の低下、切り替え時の制御の継承性の低下、大型化・高コスト化を招くことなく、燃焼状態が変動して燃焼部が失火することを防止する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】
【０００７】
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、燃料極および酸化剤極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と、改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質触媒によって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、および可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼部、を備えた改質器と、改質部で生成した燃料ガスを燃料電池の燃料極を経由して燃焼部に供給する第１流路と、改質部で生成した燃料ガスを燃料電池の燃料極を迂回して燃焼部に供給する第２流路と、第１および第２流路をそれぞれ連通状態と遮断状態に切り換える連通遮断手段と、を備えてなり、連通遮断手段は、改質器を暖機する暖機モードには第１および第２流路をそれぞれ遮断状態および連通状態とし、改質器の暖機が完了し燃料電池が発電する発電モードには、第１および第２流路をそれぞれ連通状態および遮断状態とする燃料電池システムにおいて、連通遮断手段は、改質器の暖機が完了した時点以降に第１流路を連通状態とし、第１流路を連通状態とした時点から第１の所定時間経過した時点に第２流路を遮断状態とすることである。
【０００８】
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、改質部に改質用燃料を供給する改質用燃料供給手段と、第１流路を連通状態とした時点から第２の所定時間経過するまでの間では、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池で消費された水素量の比を表す水素利用率を第１設定値に設定し、それ以降では水素利用率を第１設定値より大きい第２設定値に設定する水素利用率設定手段と、燃料電池の発電出力と水素利用率設定手段により設定された水素利用率とに基づいて改質部に供給する改質用燃料の供給量を導出する改質用燃料供給量導出手段と、この改質用燃料供給量導出手段により導出された供給量となるように改質用燃料供給手段を制御する改質用燃料供給制御手段と、を備えたことである。
【０００９】
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、燃焼部に燃焼用燃料を供給する燃焼用燃料供給手段と、燃焼部の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、改質器の暖機が完了するまでは燃焼部の目標燃焼状態を第１目標燃焼状態に設定し、改質器の暖機が完了した時点以降は燃焼部の目標燃焼状態を第１目標燃焼状態より失火状態側である第２目標燃焼状態に設定する目標燃焼状態設定手段と、燃焼用燃料供給手段をフィードバック制御して目標燃焼状態設定手段により設定された目標燃焼状態となるように燃焼部の燃焼状態を調整するとともに、燃焼用燃料供給手段の回転数が下限回転数より小さくならないように制御する燃焼用燃料供給制御手段と、を備えたことである。
【００１０】
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、燃焼用燃料供給手段はダイヤフラム式ポンプであり、かつ、第１流路を連通状態とした時点から第２の所定時間経過するまでの間では、燃焼用燃料供給手段の下限回転数を第１回転数に設定し、それ以降では下限回転数を第１回転数より小さい第２回転数に設定する下限回転数設定手段をさらに備え、燃焼用燃料供給制御手段は、下限回転数設定手段により設定された下限回転数を使用することである。
【００１１】
また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、連通遮断手段は、第１流路に設けられて同第１流路を開閉する第１バルブと、第２流路に設けられて同第２流路を開閉する第２バルブと、から構成されていることである。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、暖機モードから発電モードに移行する際に、第１流路を連通状態とした時点から第１の所定時間経過する時点までの間において、第１流路内に残留していた残留ガスが、第２流路を通って改質部からの燃料ガスととともに燃焼部に供給されるので、従来のように残留ガスによって可燃性ガスが希薄されることにより燃焼状態が変動して燃焼部が失火することを防止することができる。
【００１３】
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、水素利用率設定手段が、第１流路を連通状態とした時点から第２の所定時間経過するまでの間では、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池で消費された水素量の比を表す水素利用率を第１設定値に設定し、それ以降では水素利用率を第１設定値より大きい第２設定値に設定し、改質用燃料供給量導出手段が、燃料電池の発電出力と水素利用率設定手段により設定された水素利用率とに基づいて改質部に供給する改質用燃料の供給量を導出し、改質用燃料供給制御手段が、改質用燃料供給量導出手段により導出された供給量となるように改質用燃料供給手段を制御する。これにより、第１流路を連通状態とした時点から第２の所定時間経過するまでの間では、水素利用率を発電モードより低く設定することにより改質用燃料の供給量が多くなるので、燃焼部に供給される可燃性ガスの供給量を多くすることにより、燃焼部が失火することを防止することができる。
【００１４】
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、目標燃焼状態設定手段が、改質器の暖機が完了するまでは燃焼部の目標燃焼状態を第１目標燃焼状態に設定し、改質器の暖機が完了した時点以降は燃焼部の目標燃焼状態を第１目標燃焼状態より失火状態側である第２目標燃焼状態に設定し、燃焼用燃料供給制御手段が、燃焼用燃料供給手段をフィードバック制御して目標燃焼状態設定手段により設定された目標燃焼状態となるように燃焼部の燃焼状態を調整するとともに、燃焼用燃料供給手段の回転数が下限回転数より小さくならないように制御する。これにより、暖機モードから発電モードに移行する際に、ロバスト性の低下、切り替え時の制御の継承性の低下を招くことなく、燃焼状態が変動して燃焼部が失火することを防止することができる。
【００１５】
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、燃焼用燃料供給手段としてダイヤフラム式ポンプを使用した場合、下限回転数設定手段が、第１流路を連通状態とした時点から第２の所定時間経過するまでの間では、燃焼用燃料供給手段の下限回転数を第１回転数に設定し、それ以降では下限回転数を第１回転数より小さい第２回転数に設定し、燃焼用燃料供給制御手段が、下限回転数設定手段により設定された下限回転数を使用する。これにより、ダイヤフラム式ポンプの駆動による脈動が発生するのを防止し、燃焼用燃料の供給量を精度よく制御することができる。
【００１６】
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１乃至請求項４の何れか一項に係る発明において、連通遮断手段は、第１流路に設けられて同第１流路を開閉する第１バルブと、第２流路に設けられて同第２流路を開閉する第２バルブと、から構成されているので、既設の構成に変更を加えたり、別の部材を追加したりことなく、すなわち大型化・高コスト化を招くことなく、燃焼部が失火することを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施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、図１に示すように、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを含む燃料ガスである改質ガスを生成する水蒸気改質方式の改質器２０を備えている。燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２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。
【００１８】
燃料電池１０にはインバータ（電力変換器）１３が接続されている。インバータ１３は、燃料電池１０の発電出力（発電電流）を交流電力（交流電流）に変換して送電線１４を介してユーザ先である電力使用場所１５に供給するものである。電力使用場所１５には、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である電力消費装置１５ａが設置されており、インバータ１３から供給される交流電力が必要に応じて電力消費装置１５ａに供給されている。なお、インバータ１３と電力使用場所１５とを接続する送電線１４には電力会社の系統電源１６も接続されており（系統連系）、燃料電池１０の発電出力より電力消費装置１５ａの合計消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源１６から受電して補うようになっている。インバータ１３は燃料電池１０から入力した直流電流値を測定する機能も有しており（燃料電池１０の出力電流を検出する出力電流検出手段である。）、測定信号を制御装置３０に出力するようになっている。電力計１５ｂは、ユーザ負荷電力（ユーザ消費電力）を検出するユーザ負荷電力検出手段であり、電力使用場所１５で使用される全ての電力消費装置１５ａの合計消費電力を検出して、制御装置３０に出力するようになっている。
【００１９】
改質器２０は、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、一酸化炭素選択酸化部（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。
【００２０】
改質部２１は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、それぞれ環状に形成された外側流路２１ａ１と環状の内側流路２１ａ２から構成される、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、燃料供給管４１から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５２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には、燃焼部２５から噴出す燃焼ガスが直接当たる内壁の内側に温度センサ２１ｃが配設されている。この温度センサ２１ｃは、燃焼部２５の燃焼温度を検出する燃焼部温度検出手段であり、また燃焼温度から燃焼状態も認識することができるので、燃焼部２５の燃焼状態を検出する燃焼部燃焼状態検出手段である。温度センサ２１ｃの検出結果は、制御装置３０に出力されるようになっている。
【００２２】
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。具体的には、冷却部２２には燃料供給源Ｓf（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、改質用燃料ポンプ４３、脱硫器４４および第２燃料バルブ４５が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置３０の指令によって燃料供給管４１を開閉するものである。改質用燃料ポンプ４３は燃料供給源Ｓｆから供給される改質用燃料を吸い込み改質部２１に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。脱硫器４４は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去されて改質部２１に供給される。
【００２３】
また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５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５２が接続され、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て冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。蒸発部２６には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は水タンクＳｗから供給される改質水を吸い込み蒸発部２６に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ５４は制御装置３０の指令によって給水管５１を開閉するものである。
【００２４】
蒸発部２６は、改質水を加熱して沸騰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り、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の第２外周流路２７ｃの外周壁を覆って当接して設けられている。この蒸発部２６は、側壁面下部および側壁面上部に給水管５１および水蒸気供給管５２がそれぞれ接続されており、給水管５１から導入された水が蒸発部２６内を流通し加熱されて水蒸気となって水蒸気供給管５２に導出するようになっている。これにより、導入時低温であった水（例えば２０℃）は、第２外周流路２７ｃを流通する燃焼ガスと熱交換して昇温されて沸騰状態（１００℃以上）となりその温度で導出されるようになっている。また、蒸発部２６には内部温度を検出する温度センサ２６ａが設けられており、その検出信号は制御装置３０に出力されるようになっている。
【００２５】
ＣＯシフト部２３は、冷却部２２を通って改質部２１から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、筒状の筐体２３ａと、筐体２３ａ内に同軸に配置された内筒２３ｂを備えている。内筒２３ｂは、外周端を筐体２３ａ内周面に接続された環状の支持部材２３ｃの内周端に上端が接続されている。筐体２３ａの上面には改質ガス導入口２３ａ１が設けられ、筐体２３ａの側面には一端がＣＯ選択酸化部２４に接続されている接続管８９の他端が接続されている。ＣＯシフト部２３の内筒２３ｂ内および内筒２３ｂと筐体２３ａとの間には触媒２３ｄ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。また、ＣＯシフト部２３内にはＣＯシフト部２３内の温度例えばＣＯシフト部２３の改質ガス導入口付近の温度を検出する温度センサ２３ｅが設けられており、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。
【００２６】
このように構成されたＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導出された改質ガスは、改質ガス導入口２３ａ１を通りおよび内筒２３ｂ内の触媒２３ｄを通って、折り返して内筒２３ｂと筐体２３ａとの間の触媒２３ｄ内を通ってＣＯ選択酸化部２４に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒２３ｄ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り、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。このＣＯ選択酸化部２４は、側壁面下部および側壁面上部に接続管８９および改質ガス供給管７１がそれぞれ接続され、内部に触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されており、接続管８９を通って導入された改質ガスがＣＯ選択酸化部２４内を流通し改質ガス供給管７１から導出するようになっている。また、ＣＯ選択酸化部２４内には触媒２４ａの温度を検出する温度センサ２４ｂが設けられており、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。
【００２８】
また、ＣＯ選択酸化部２４に供給される改質ガスには、酸化用空気が混合されるようになっている。すなわち、接続管８９には、空気供給源Ｓａに接続された酸化用空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａ（例えば大気）から酸化用空気が供給されている。酸化用空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものである。空気ポンプ６３は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２４に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ６４は制御装置３０の指令によって酸化用空気供給管６１を開閉するものである。これにより、酸化用空気がＣＯシフト部２３からの改質ガスに混合されてＣＯ選択酸化部２４に供給される。
【００２９】
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】
燃焼部２５は、可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部２１を加熱するもの、すなわち改質部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る。この燃焼部２５は、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。燃焼ガスは、改質部２１の内周壁に沿う内周流路２７ａと、内周流路２７ａから折り返されて改質部２１の外周壁に沿う第１外周流路２７ｂと、第１外周流路２７ｂから折り返されて断熱部２８に沿う第２外周流路２７ｃから構成される燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして排気される。なお、燃焼ガス流路２７は断熱部２８によって覆われており、内周流路２７ａおよび第１外周流路２７ｂを流れる燃焼ガスの熱は断熱部２８によって外部への放熱が抑制されるので改質部２１の加熱に有効利用され、第２外周流路２７ｃを流れる燃焼ガスの熱は断熱部２８によって第１外周流路２７ｂへの放熱が抑制されるので蒸発部２６の加熱に有効利用される。
【００３１】
この燃焼部２５には、改質用燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４８は、ダイヤフラム式のポンプであり、燃料供給源Ｓｆから供給される燃焼用燃料を吸い込み燃焼部２５に吐出する燃焼用燃料供給手段であり、制御装置３０の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。また、燃焼部２５には燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管７２の他端が接続されており、燃料電池１０の起動運転時に改質器２０からの改質ガスが改質ガス供給管７１、バイパス管７３およびオフガス供給管７２を通って供給され、燃料電池１０の定常運転時に燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）がオフガス供給管７２を通って供給されるようになっている。例えば、上述した燃焼用燃料、改質ガス、アノードオフガスが可燃性燃料である。
【００３２】
さらに燃焼部２５には空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓａから供給される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用空気供給量を調整するものである。燃焼部２５が制御装置３０の指令によって着火されると、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は燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。
【００３３】
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が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。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が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスを燃焼部２５に供給するようになっている。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（第１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（第２バルブ）７６が設けられている。第１および第２改質ガスバルブ７４，７６およびオフガスバルブ７５はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置３０により制御されている。起動運転時（改質器暖機モード）には、改質器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、定常運転時（ＦＣ結合モードおよび発電モード）には、改質器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。このように、第１および第２改質ガスバルブ７４，７６から連通遮断手段が構成されており、連通遮断手段は、第１流路Ｌ１と第２流路Ｌ２をそれぞれ連通状態と遮断状態に切り換えるものである。
【００３４】
第１流路Ｌ１は、改質部２１で生成した燃料ガスを燃料電池１０の燃料極１１を経由して燃焼部２５に供給する流路であり、第２流路Ｌ２は、改質部２１で生成した燃料ガスを燃料電池１０の燃料極１１を迂回して燃焼部２５に供給する流路である。第１流路Ｌ１は、ＣＯ選択酸化部２４と燃焼部２５を燃料電池１０を経由して接続する流路であり、改質ガス供給管７１、燃料電池１０の燃料極１１に燃料ガスを供給するための流路（図示せず）、およびオフガス供給管７２から構成されている。第２流路Ｌ２は、ＣＯ選択酸化部２４と燃焼部２５を燃料電池１０を経由しないで接続する流路であり、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から構成されている。なお、第２流路Ｌ２は、バイパス路７３を設ける以外に、第１流路Ｌ１と関係なく改質器２０の燃料ガス出口と燃焼部２５の入口を連通する場合もある。
【００３５】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気ポンプ６６の上流にて燃焼用空気供給管６５から分岐したカソード用空気供給管６７の先端が接続されており、空気極１２内に空気が供給されるようになっている。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は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込み燃料電池１０の空気極１２に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９は制御装置３０の指令によってカソード用空気供給管６７を開閉するものである。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、他端が外部に開放されている排気管８２の一端が接続されている。
【００３６】
また、改質ガス供給管７１、オフガス供給管７２および排気管８２の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器７７、アノードオフガス用凝縮器７８およびカソードオフガス用凝縮器７９が設けられている。改質ガス用凝縮器７７は改質ガス供給管７１中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器７８はオフガス供給管７２中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器７９は排気管８２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器７７〜７９には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管が貫設されており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。
【００３７】
これら凝縮器７７，７８，７９は配管８４を介して純水器９５に連通しており、各凝縮器７７，７８，７９にて凝縮された凝縮水は、純水器９５に導出され回収されるようになっている。純水器９５は、各凝縮器７７，７８，７９から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクＳｗに導出するものである。なお、純水器９５には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する給水管９１が接続されており、純水器９５内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
【００３８】
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、上述した各温度センサ２１ｃ，２３ｅ，２４ｂ，２６ａ、インバータ１３、電圧計１５ｂ、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５が接続されている（図２参照）。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、各温度センサ２１ｃ，２３ｅ，２４ｂ，２６ａからの各温度、インバータ１３からの出力電流（燃料電池１０の出力電流）、および電力計１５ｂからの消費電力を入力して、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５を制御することにより、システムの起動運転および定常運転を実行している。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。
【００３９】
また、制御装置３０は、図３に示すように、水素利用率毎の、燃料電池１０の出力電力（出力電流）と改質用燃料供給量との相関関係を示しているマップまたは演算式を記憶している。なお本実施形態においては、水素利用率７５％と８５％のものを示している。また、水素利用率は、燃料電池１０に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池１０で消費された水素量の比を表すものである。水素利用率が高くなるにつれて同じ出力電力でも供給される改質用燃料の量は減少することになる。
【００４０】
上述した燃料電池システムの作動について図４〜図７を参照して説明する。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暖機運転（起動運転）を開始する（ステップ１０２）。具体的には、制御装置３０は、プログラムを図５に示す暖機運転ルーチンに進め、この暖機運転ルーチンにて改質器２０の暖機運転を実施する。
【００４１】
制御装置３０は、このルーチンを開始するごとにステップ２０２以降の処理を実行する。制御装置３０は、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を開いてＣＯ選択酸化部２４を燃焼部２５に直接接続し（ステップ２０２）、第１燃料バルブ４２を開き第２燃料バルブ４５を閉じ燃料供給源Ｓｆを燃焼部２５のみに接続する（ステップ２０４）。
【００４２】
制御装置３０は、燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気を燃焼部２５に供給し（ステップ２０６）、燃焼部２５を着火する（ステップ２０８）。これにより燃焼部２５において燃焼が開始される。
【００４３】
制御装置３０は、燃焼部２５の目標燃焼状態である目標温度を第１目標燃焼状態である第１目標温度（例えば８００℃）に設定する（ステップ２１０）。この第１目標温度は定常運転に設定される第２目標温度（例えば７００℃）より高い温度である。これは次の理由による。すなわち、暖機運転ではできるだけ早期に改質器２０を暖機したいため、改質触媒２１ｂの耐熱温度を考慮してできるだけ高温で加熱する必要がある。また、第２目標温度は改質触媒２１ｂの活性温度を考慮して最適な温度に設定されている。そして、制御装置３０は、温度センサ２１ｃにより燃焼部２５の燃焼温度を検出し（ステップ２１２）、燃焼用燃料ポンプ４８をフィードバック制御して検出した燃焼部２５の燃焼温度を先に設定した第１目標温度となるように調整する（ステップ２１４）。これにより、燃焼用燃料が燃焼されその燃焼ガスが燃焼ガス流路２７を流通して、その燃焼ガスにより改質部２１内の改質触媒２１ａおよび蒸発部２６が加熱される。
【００４４】
制御装置３０は、温度センサ２６ａにより蒸発部２６の温度を検出し、この検出した温度が第１の所定温度Ｔｈ１以上となれば（時刻ｔ１）、水バルブ５４を開き、水ポンプ５３を駆動させ水タンクＳｗの水を所定流量だけ蒸発部２６を介して改質部２１に供給する（ステップ２１６，２１８）。
【００４５】
制御装置３０は、蒸発部２６の温度が所定温度Ｔｈ１以上となった時点（時刻ｔ１）からタイマのカウントを開始する。タイマが所定時間Ｔｍ１（例えば１分）以上となれば（ステップ２２０）、時刻ｔ２にて第２燃料バルブ４５を開いて燃料供給源Ｓｆを改質部２１に接続し、改質用燃料ポンプ４３を駆動させ燃料供給源Ｓfの改質用燃料を所定流量だけ改質部２１に供給する（ステップ２２２）。さらに、空気バルブ６４を開いて空気供給源ＳａをＣＯ選択酸化部２４に接続し、空気ポンプ６３を駆動させ空気供給源Ｓａの空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する（ステップ２２４）。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を経由しないで燃焼部２５に直接供給され燃焼される。そして、制御装置３０は、ステップ２２４の処理を実行した後、プログラムをステップ２２６に進めてこのルーチンを終了し、図４に示すステップ１０４以降に進める。
【００４６】
このように改質ガスの生成中において、制御装置３０は、ステップ１０４において、温度センサ２４ｂによりＣＯ選択酸化部２４の触媒２４ａの温度を検出し、この検出した温度が第２の所定温度Ｔｈ２未満であれば、改質器２０の暖機は完了していないと判定しステップ１０４の処理を繰り返し実行し、ＣＯ選択酸化部２４の触媒２４ａの温度が昇温し検出した温度が第２の所定温度Ｔｈ２以上となれば（時刻ｔ３）、改質器２０の暖機が完了したと判定しプログラムをステップ１０６に進める。
【００４７】
制御装置３０は、ステップ１０６において、改質器２０の暖機が完了した時点以降に、先にステップ２１０で第１目標温度に設定した燃焼部目標温度を第２目標温度に変更する。これにより、制御装置３０は、温度センサ２１ｃにより燃焼部２５の燃焼温度を検出し、燃焼用燃料ポンプ４８をフィードバック制御して検出した燃焼部２５の燃焼温度を設定した第２目標温度となるように調整する。したがって、改質部２１の温度が改質触媒２１ｂの活性温度に降温される。
【００４８】
また、制御装置３０は、改質器２０の暖機が完了した時点（時刻ｔ４）以降に、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開く（ステップ１０８）。これにより、時刻ｔ４にて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に接続し、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間（所定時間Ｔ１）にはＣＯ選択酸化部２４は第１流路Ｌ１（燃料電池１０を経由する流路）と第２流路Ｌ２（燃料電池１０を経由しない流路）の両方を通じて燃焼部２５に接続する。これにより、改質部２１で生成した燃料ガスは、第１および第２流路Ｌ１，Ｌ２の両流路を通って燃焼部２５に供給される。
【００４９】
制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開いた時点から第１の所定時間Ｔ１が経過するまで、ＦＣ結合制御（燃料電池（ＦＣ）を改質器に接続する過渡制御）を実行する（ステップ１１２）。具体的には、制御装置３０は、プログラムを図６に示すＦＣ結合ルーチンに進め、このルーチンを開始するごとにステップ３０２以降の処理を実行する。
【００５０】
制御装置３０は、水素利用率を第１設定値Ｃ１−ｋ１に設定し（ステップ３０２）、インバータ１３により発電出力（発電電流）を検出する（ステップ３０４）。なお、Ｃ１は第２設定値（８５％）であり、ｋ１は定数（１０％）である。そして、制御装置３０は、図３に示すマップから第１設定値Ｃ１−ｋ１のものを選択し、その選択したマップから、先に検出した発電出力（発電電流）に応じた改質用燃料の供給量を導出し（ステップ３０６）、改質用燃料ポンプ４３を制御して導出した供給量に調整する（ステップ３０８）。これにより、改質用燃料の供給量を必要量より増加して燃焼部２５に供給する可燃性ガス（改質部２１で改質されなかった改質用燃料、燃料電池１０で使用されなかった水素を含む）の供給量を増加する。
【００５１】
さらに、制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開いた時点（時刻ｔ４）から第１の所定時間Ｔ１が経過した時点（時刻ｔ５）までの間、燃焼用燃料ポンプ４８の最低回転数を第２回転数Ｃ２（５００回転）からそれより高い第１回転数Ｃ２＋ｋ２（７５０回転）に設定する（ステップ３１０）。そして、制御装置３０は、ステップ３１０の処理を実行した後、プログラムをステップ３１２に進めてこのルーチンを終了し、図４に示すステップ１１０に戻す。なお、第１回転数は、ダイヤフラム式ポンプである燃焼用燃料ポンプ４８の駆動で発生する脈動を制御するのに十分な大きさに抑制できるように設定されたものである。第２回転数は、燃焼用燃料ポンプ４８の摺動抵抗を考慮して設定されたものである。
【００５２】
そして、制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４を開いた時点から第１の所定時間Ｔ１が経過すると（時刻ｔ５）、第２改質ガスバルブ７６を閉じる（ステップ１１４）。これにより、時刻ｔ５以降には、第２流路Ｌ２が遮断状態となり第１流路Ｌ１のみが連通状態となり、したがってＣＯ選択酸化部２４からの燃料ガスがすべて燃料電池１０に供給され燃料電池１０は発電を開始する。
【００５３】
制御装置３０は、時刻ｔ５から、第１改質ガスバルブ７４を開いた時点（時刻ｔ４）から第２の所定時間Ｔ２が経過するまで、上述したＦＣ結合制御を実行し改質用燃料の供給量を必要量より増加して燃焼部２５に供給する可燃性ガス（改質部２１で改質されなかった改質用燃料、燃料電池１０で使用されなかった水素を含む）の供給量を増加する（ステップ１１８）。具体的には、制御装置３０は、プログラムを図６に示すＦＣ結合ルーチンを上記と同様に進め、このルーチンが終了すると、図４に示すステップ１１６に戻す。なお、上記第１および第２の所定時間Ｔ１，Ｔ２は、システムによって異なるため、実験的に決められる。
【００５４】
そして、制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４を開いた時点から第２の所定時間Ｔ２が経過すると（時刻ｔ６）、それ以降通常の発電を開始する。具体的には、制御装置３０は、水素利用率を第２設定値Ｃ１に設定し（ステップ１２０）、インバータ１３により発電出力（発電電流）を検出する（ステップ１２２）。そして、制御装置３０は、図３に示すマップから第１設定値Ｃ１（７５％）のものを選択し、その選択したマップから、先に検出した発電出力（発電電流）に応じた改質用燃料の供給量を導出し（ステップ１２４）、改質用燃料ポンプ４３を制御して導出した供給量に調整する（ステップ１２６）。
【００５５】
制御装置３０は、運転停止指示があるまで、ステップ１２８，１３０の処理を繰り返して実行する。すなわち、制御装置３０は、改質器２０で生成される水素量が所定量となるようにすなわち燃料電池システムの出力電流が電力使用場所１５で消費される電流・電力に基づいて決定される所望の出力電流となるように改質用燃料、燃焼用燃料、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（ステップ１２８）。
【００５６】
制御装置３０は、水素量が所定量となるように改質用燃料供給量を演算し（ステップ１２２〜１２６と同処理）その供給量となるように改質用燃料ポンプ４３を駆動させている。その改質用燃料供給量およびＳ／Ｃ（スチームカーボン比）に基づいて改質水供給量を演算しその供給量となるように水ポンプ５３を駆動させている。アノードオフガスの燃焼熱だけでは燃焼部２５にて必要な熱エネルギーが不足する場合に、燃焼部２５に供給する燃焼用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用燃料ポンプ４８を駆動させている。このとき、燃焼用燃料ポンプ４８の最低回転数は第２回転数Ｃ２に設定されている。また、改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気ポンプ６６を駆動させている。さらに、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空気ポンプ６３を駆動させている。そして改質器２０から供給された改質ガスと反応するに適切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、制御装置３０は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があると、燃料電池システムを停止する（ステップ１３０，１３２）。
【００５７】
制御装置３０は、ステップ１３２において、システムの停止処理を行う。このとき、水素濃度を低くするかゼロにするため燃料電池１０の燃料極側にパージ処理を行う。このパージ処理として、不活性ガス、空気、燃焼排ガスなどのパージガスにより燃料ガスを追い出す方法、空気を送って酸化反応により水素濃度を低下させる方法、水蒸気を循環しながら燃料電池１０に電圧を印加し燃料極１１の水素を酸化剤極１２に輸送して水素濃度を低下させる方法などがある。いずれの方法でも燃料極１１では水素濃度が低い残留ガスが残留した状態でシステムが停止することになる。
【００５８】
上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、暖機モードから発電モードに移行する際に、第１流路Ｌ１を連通状態とした時点（時刻ｔ４）から第１の所定時間Ｔ１を経過する時点（時刻ｔ５）までの間において、第１流路Ｌ１内に停止処理時に残留していた残留ガスが、第２流路Ｌ２を通ってＣＯ選択酸化部２４（改質部２１）から供給される燃料ガスととともに燃焼部２５に供給されるので、従来のように残留ガスによって可燃性ガスが希薄されることにより燃焼状態が変動して燃焼部２５が失火することを防止することができる。
【００５９】
また、水素利用率設定手段（ステップ１２０）が、第１流路Ｌ１を連通状態とした時点（時刻ｔ４）から第２の所定時間Ｔ２を経過するまで（時刻ｔ６）の間では、燃料電池１０に供給される燃料ガス中の水素量に対する同燃料電池１０で消費された水素量の比を表す水素利用率を第１設定値に設定し、それ以降では水素利用率を第１設定値より大きい第２設定値に設定し、改質用燃料供給量導出手段（ステップ１２２，１２４）が、燃料電池１０の発電出力と水素利用率設定手段（ステップ１２０）により設定された水素利用率とに基づいて改質部２１に供給する改質用燃料の供給量を導出し、改質用燃料供給制御手段（ステップ１２６）が、改質用燃料供給量導出手段（ステップ１２２，１２４）により導出された供給量となるように改質用燃料ポンプ４５を制御する。これにより、第１流路Ｌ１を連通状態とした時点から第２の所定時間Ｔ２を経過するまでの間では、水素利用率を発電モードより低く設定することにより改質用燃料の供給量が多くなるので、燃焼部２５に供給される可燃性ガスの供給量を多くすることにより、燃焼部２５が失火することを防止することができる。
【００６０】
また、目標燃焼状態設定手段が、改質器２０の暖機が完了するまでは燃焼部２５の目標燃焼状態である目標温度を第１目標燃焼状態である第１目標温度に設定し（ステップ２１０）、改質器２０の暖機が完了した時点以降は燃焼部２５の目標温度を第１目標温度より失火状態側である第２目標燃焼状態である第２目標温度に設定し（ステップ１０６）、燃焼用燃料供給制御手段（ステップ２１４）が、燃焼用燃料ポンプ４８をフィードバック制御して目標燃焼状態設定手段により設定された目標燃焼状態となるように燃焼部２５の燃焼状態を調整するとともに、燃焼用燃料ポンプ４８の回転数が下限回転数（最低回転数）より小さくならないように制御する。これにより、暖機モードから発電モードに移行する際に、ロバスト性の低下、切り替え時の制御の継承性の低下を招くことなく、燃焼状態が変動して燃焼部２５が失火することを防止することができる。
【００６１】
また、燃焼用燃料ポンプ４８としてダイヤフラム式ポンプを使用した場合、下限回転数設定手段が、第１流路Ｌ１を連通状態とした時点から第２の所定時間Ｔ２を経過するまでの間では、燃焼用燃料ポンプ４８の下限回転数（最低回転数）を第１回転数に設定し（ステップ３１０）、それ以降では下限回転数を第１回転数より小さい第２回転数に設定し（ステップ１２８）、燃焼用燃料供給制御手段（ステップ２１４）が、下限回転数設定手段により設定された下限回転数を使用する。これにより、ダイヤフラム式ポンプの駆動による脈動が発生するのを防止し、燃焼用燃料の供給量を精度よく制御することができる。
【００６２】
また、連通遮断手段は、第１流路Ｌ１に設けられて同第１流路Ｌ１を開閉する第１バルブである第１改質ガスバルブ７４と、第２流路Ｌ２に設けられて同第２流路Ｌ２を開閉する第２バルブである第２改質ガスバルブ７６と、から構成されているので、既設の構成に変更を加えたり、別の部材を追加したりことなく、すなわち大型化・高コスト化を招くことなく、燃焼部が失火することを防止することができる。
【００６３】
なお、上述した実施形態においては、連通遮断手段は、第１流路Ｌ１に設けられて同第１流路Ｌ１を開閉する第１バルブである第１改質ガスバルブ７４と、第２流路Ｌ２に設けられて同第２流路Ｌ２を開閉する第２バルブである第２改質ガスバルブ７６と、から構成するようにしたが、三方弁から構成するようにしてもよい。この場合、三方弁は改質ガス供給管７１とバイパス管７３の分岐点に設ければよい。この三方弁は、改質器暖機モードにはＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０を経由しないで直接燃焼部２５に接続し、改質器２０の暖機が完了し第１の所定時間Ｔ１の間にはＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０を経由しないで直接燃焼部２５に接続するとともに燃料電池１０を経由して燃焼部２５に接続し、第１の所定時間Ｔ１を経過後には、ＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０を経由して燃焼部２５に接続するように切り替えるものである。
【００６４】
また、上述した実施形態においては、燃焼状態を燃焼温度で表したが、これに代えてイオン電流で表すようにしてもよい。この場合、燃焼部２５にイオン電流を検出するイオン電流検出装置を設けるようにすればよい。
【００６５】
また、上述した実施形態において、改質用燃料供給手段である改質用燃料ポンプ４３、燃焼用燃料供給手段である燃焼用燃料ポンプ４８などの各ポンプに代えてブロワ（送風機）を採用するようにしてもよい。
【００６６】
また、上述した実施形態において、燃焼用燃料ポンプ４８をダイヤフラム式のポンプで構成したが、このタイプ以外のポンプで構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。
【図２】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３】水素利用率毎の出力電力と改質用燃料供給量との相関関係を示すマップである。
【図４】図２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る。
【図５】図２に示した制御装置にて実行される暖機運転ルーチンのフローチャートである。
【図６】図２に示した制御装置にて実行されるＦＣ結合制御ルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明による燃料電池システムの一実施形態の動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、１３…インバータ、１５…電力使用場所、１５ａ…電力消費装置、１５ｂ…電力計、２０…改質装置、２１…改質部、２１ａ…折り返し流路、２１ｂ…触媒、２２…冷却部、２３…ＣＯシフト部、２３ｄ…触媒、２３ｅ…温度センサ、２４…ＣＯ選択酸化部、２４ａ…触媒、２４ｂ…温度センサ、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２６ａ…温度センサ、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、３０…制御装置、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４４…脱硫器、４５…第２燃料バルブ、４７…燃焼用燃料供給管、４８…燃焼用燃料ポンプ、５１…給水管、５２…水蒸気供給管、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…フィルタ、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６５…燃焼用空気供給管、６６…燃焼用空気ポンプ、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、７７，７８，７９…凝縮器、８１，８２…排気管、８４…配管、８９…接続管、９１…給水管、９５…純水器、Ｓａ…空気供給源、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…改質水供給源。
【図１】
2006318714.tif 000003
【図２】
2006318714.tif 000004
【図３】
2006318714.tif 000005
【図４】
2006318714.tif 000006
【図５】
2006318714.tif 000007
【図６】
2006318714.tif 000008
【図７】
2006318714.tif 000009