(57)【要約】【課題】  水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】  燃料電池システム（１００）は、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器（５０）と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セル（７０）と、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室（６０）と、改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度センサ（８１）と、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部（１０）と、を備え、制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて、供給量比を制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、
酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、
前記改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度センサと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて、前記供給量比を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度センサは、前記燃焼室内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比を制御目標値とすることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記燃料電池セルの起動時に、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、所定の時間周期で、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、
酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、
前記燃焼室内の温度を検出する温度センサと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて、前記供給量比を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度検出ステップと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて前記供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
前記温度検出ステップは、前記燃焼室内の温度を検出するステップであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
前記制御ステップは、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比を制御目標値とするステップであることを特徴とする請求項７または８記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
前記制御ステップは、前記燃料電池セルの起動時に、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めるステップであることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
前記制御ステップは、所定の時間周期で、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めるステップであることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃焼室内の温度を検出する温度検出ステップと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて前記供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備える燃料電池システムは、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得るシステムである。この燃料電池システムは、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池で消費される水素は、例えば、改質器において生成される。改質器においては、炭化水素等の原燃料と改質水との水蒸気改質反応によって水素が生成される。水蒸気改質反応は化学反応のプロセスであるため、改質器に供給される原燃料および改質水の供給量が不安定になると生成水素量が不安定化する。そこで、特許文献１の技術では、水流量検出部によって検出された水供給量に基づいて、改質器用供給水量を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４７６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、水流量を検出する流量計が必要となる。そのため、流量計に精度不良、故障等が生じると、誤った水量が検出されてしまうことになる。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法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】
本発明に係る燃料電池システムは、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度センサと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて、供給量比を制御することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
【０００８】
温度センサは、燃焼室内に配置されていてもよい。この場合、改質器の熱容量が燃焼室内のガスの熱容量に比較して大きい場合に、温度変化を検出しやすくなる。
【０００９】
制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比を制御目標値としてもよい。この場合、各機器のばらつき、経年変化等が生じても、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
【００１０】
制御部は、燃料電池セルの起動時に、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比を求めてもよい。この場合、燃料電池セルの起動ごとに、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。
【００１１】
制御部は、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比を求めてもよい。この場合、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。
【００１２】
本発明に係る他の燃料電池システムは、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、燃焼室内の温度を検出する温度センサと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて、供給量比を制御することを特徴とするものである。本発明に係る他の燃料電池システムにおいては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度検出ステップと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの運転方法においては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
【００１４】
温度検出ステップは、燃焼室内の温度を検出するステップであってもよい。この場合、改質器の熱容量が燃焼室内のガスの熱容量に比較して大きい場合に、温度変化を検出しやすくなる。
【００１５】
制御ステップは、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比を制御目標値とするステップであってもよい。この場合、各機器のばらつき、経年変化等が生じても、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
【００１６】
制御ステップは、燃料電池セルの起動時に、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比を求めるステップであってもよい。この場合、燃料電池セルの起動ごとに、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。
【００１７】
制御ステップは、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比を求めるステップであってもよい。この場合、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムの他の運転方法は、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、燃焼室内の温度を検出する温度検出ステップと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの他の運転方法においては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】例１に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。
【図３】燃料電池スタック装置を示す斜視図である。
【図４】改質水の供給を開始して改質水供給量をＳ／Ｃ比＝２．５で一定に保つ場合の、燃焼室の温度変化を示す図である。
【図５】Ｓ／Ｃ比を徐々に増加させた場合の燃焼室の温度および燃焼室の温度の微分値を示す図である。
【図６】最適Ｓ／Ｃ比を検出する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。
【図７】例２に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２２】
（例１）
図１は、例１に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、原燃料供給部２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃焼室６０、燃料電池セル７０、温度センサ８１、グロープラグ８２、および熱交換器９０を備える。
【００２３】
制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。原燃料供給部２０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部３０は、改質器５０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質器５０に供給するための改質水ポンプ３２等を含む。
【００２４】
酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池セル７０のカソード７１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器５０は、改質水を気化させるための気化部５１、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部５２を含む。燃料電池セル７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された構造を有する。温度センサ８１は、温度を検出するセンサであり、燃焼室６０の内部に配置されている。グロープラグ８２は、可燃成分に着火するための着火用グロープラグであり、燃焼室６０の内部に配置されている。
【００２５】
続いて、図２〜図４を参照して、改質器５０、燃焼室６０、および燃料電池セル７０の具体的な構成例について説明する。図２は、燃料電池セル７０の断面を含む部分斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル７０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。導電性支持体１１の外周面における一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５がこの順に積層されている。酸素極１５に対向する他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。燃料極１３が図１のアノード７２として機能し、酸素極１５が図１のカソード７１として機能する。
【００２６】
燃料ガス通路１２に水素を含む改質ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池セル７０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００２７】
酸素極１５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ１７は、燃料電池セル７０同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
【００２８】
例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。
【００２９】
図３（ａ）は、燃料電池スタック装置２００を示す斜視図である。図３（ｂ）は、燃料電池スタック装置２００の酸化剤ガス導入部材２１０を抜粋して示す斜視図である。図３（ａ）に示すように、燃料電池スタック装置２００においては、マニホールド２２０の上に、２組の燃料電池スタック２３０（燃料電池セル７０）が、互いの積層方向が略並行になるように並列配置されている。燃料電池スタック２３０は、固体酸化物形の燃料電池セル７０が複数枚積層された構造を有する。
【００３０】
図３（ａ）のマニホールド２２０には、各燃料電池セル７０の燃料ガス通路１２に連通する孔が形成されている。それにより、マニホールド２２０を流動する燃料ガスが燃料ガス通路１２に流入する。改質器５０は、燃料電池スタック２３０のマニホールド２２０と反対側に配置されている。例えば、改質器５０は、一方の燃料電池スタック２３０の積層方向に延び、一端側で折り返し、他方の燃料電池スタック２３０の積層方向に延びる構造を有する。
【００３１】
また、図３（ｂ）に示すように、燃料電池スタック２３０同士の間には、酸化剤ガス導入部材２１０が配置されている。酸化剤ガス導入部材２１０には、酸化剤ガスが流動するための空間が形成されている。酸化剤ガス導入部材２１０のマニホールド２２０側端部には、孔２１１が形成されている。それにより、各燃料電池セル７０の外側を酸化剤ガスが流動する。燃料電池セル７０の燃料ガス通路１２を燃料ガスが流動しかつ燃料電池セル７０の外側を酸化剤ガスが流動することによって、燃料電池セル７０において発電が行われる。
【００３２】
燃料電池セル７０において発電に供された後の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル７０のマニホールド２２０と反対側の端部において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃焼室６０は、燃料電池セル７０（燃料電池スタック２３０）の上端と改質器５０との間において燃料オフガスが燃焼する空間のことをいう。
【００３３】
改質器５０の上流側が気化部５１として機能し、改質器５０の下流側が改質部５２として機能する。図３（ｃ）に示すように、改質器５０に炭化水素等の原燃料および改質水が供給されると、気化部５１においては、改質水が蒸発して水蒸気が発生し、発生した水蒸気と炭化水素等の原燃料とが混合される。改質部５２においては、触媒を介して水蒸気と炭化水素等の原燃料とが水蒸気改質反応を起こして燃料ガスが生成される。
【００３４】
続いて、図１〜図３を参照しつつ、燃料電池システム１００の起動時の動作の概要を説明する。まず、酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０の指示に従って、燃焼室６０における燃焼に必要な酸化剤ガスを、燃料電池セル７０のカソード７１を経由して燃焼室６０に供給する。次に、グロープラグ８２は、制御部１０の指示に従って、着火ヒータを加熱する。
【００３５】
着火ヒータの加熱後、原燃料供給部２０は、制御部１０の指示に従って、燃焼室６０における燃焼に必要な原燃料ガスを、燃料電池セル７０のアノード７２を経由して燃焼室６０に供給する。それにより、着火ヒータ近傍において、原燃料ガスが酸化剤ガスの酸素を利用して燃焼する。その結果、着火ヒータを基点として燃焼室６０の全体に火炎が広がる。制御部１０は、温度センサ８１の検出結果に基づいて、改質部５２の改質触媒温度を推定する。改質触媒の推定温度が水蒸気改質反応可能温度に到達した後、改質水ポンプ３２は、制御部１０の指示に従って改質水の供給を開始する。それにより、改質器５０の改質部５２は、燃焼室６０で発生する熱を利用した改質反応によって燃料ガスと改質水とから、水素を含む燃料ガスを生成する。燃料ガスは、燃料電池セル７０のアノード７２に供給される。それにより、燃料電池セル７０において発電が開始される。
【００３６】
続いて、燃料電池システム１００の通常発電時の動作の概要を説明する。原燃料供給部２０は、制御部１０の指示に従って必要量の原燃料ガスを改質器５０に供給する。改質水ポンプ３２は、制御部１０の指示に従って必要量の改質水を改質器５０に供給する。改質器５０において生成された燃料ガスは、燃料電池セル７０のアノード７２に供給される。
【００３７】
酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０の指示に従って必要量の酸化剤ガスを燃料電池セル７０のカソード７１に供給する。それにより、燃料電池セル７０において発電が継続される。カソード７１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード７２から排出された燃料オフガスは、燃焼室６０に流入する。燃焼室６０においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池セル７０に与えられる。このように、燃料電池システム１００においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室６０において燃焼させることができる。
【００３８】
熱交換器９０は、燃焼室６０から排出された排気ガスと熱交換器９０内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク３１に貯蔵される。温度センサ８１は、燃焼室６０の内部の温度を検知し、その結果を制御部１０に与える。制御部１０は、温度センサ８１の結果に応じて、原燃料供給部２０、改質水供給部３０、および酸化剤ガス供給部４０の少なくともいずれか１つを制御する。
【００３９】
ここで、改質部５２への改質水の供給量について述べる。改質部５２への改質水の供給量が過小になると、水蒸気に対して原燃料中のカーボン量が過剰になる。この場合、改質部５２においてカーボンが析出しやすくなる。それにより、改質部５２の改質機能が劣化する。一方で、改質部５２への改質水の供給量が過剰になると、原燃料中のカーボン量に対して水蒸気量が過剰になる。この場合、改質部５２の温度が低下する。それにより、改質効率が低下する。以上のことから、改質部５２への改質水の供給量には適正な範囲が存在し、その範囲に改質水の供給量を制御することによって改質部５２における改質効率低下を抑制することができる。適正な改質水量は、改質器５０内の温度から得ることができる。この改質器５０内の温度は、例えば、燃焼室６０の温度から間接的に取得することができる。
【００４０】
しかしながら、燃焼室６０の温度は、複数の要因で決定される。例えば、燃焼室６０の温度は、改質水の気化部５１における気化潜熱熱量、改質部５２における水蒸気改質による吸熱反応熱量、燃焼室６０における燃料オフガスの燃焼熱量、燃焼室６０における燃焼効率、燃料電池セル７０への供給熱量、燃料電池システム１００の外部への放熱熱量等の要因が重畳して決定される。したがって、改質器５０への改質水の供給量が過小または過剰であることは、燃焼室６０内の温度変化からは検出しにくい。
【００４１】
図４は、改質水の供給を開始して改質水供給量をＳ／Ｃ比＝２．５で一定に保つ場合の、燃焼室６０の温度変化を示す図である。図４において、横軸は燃焼室６０における燃焼開始後の時間経過を示し、縦軸は燃焼室６０の内部の温度を示す。なお、Ｓ／Ｃ比の「Ｓ」は改質水ポンプ３２によって供給される改質水のモル数を示し、「Ｃ」は原燃料供給部２０によって供給される原燃料中の炭素のモル数を示す。
【００４２】
図４に示すように、燃焼開始によって燃焼室６０の温度が上昇していく。しかしながら、改質水の供給が開始されると、燃焼室６０の温度は、一時的に低下してその後上昇する。この温度変化の要因は上記のように多岐にわたることから、図４の温度変化からは、改質水供給量の過小または過剰は検出しにくい。
【００４３】
そこで、本例においては、改質水ポンプ３２による改質水供給開始後、Ｓ／Ｃ比を徐々に増加させることによって、上記の温度変化の要因を分離する。具体的には、Ｓ／Ｃ比を徐増させることによって、改質水の気化潜熱熱量および水蒸気改質反応の吸熱熱量の急増を抑制することができる。なお、Ｓ／Ｃ比は、改質水ポンプ３２への制御値と原燃料供給部２０への制御値とから算出することができる。
【００４４】
図５は、Ｓ／Ｃ比を徐々に増加させた場合の燃焼室６０の温度および燃焼室６０の温度の微分値を示す図である。図５において、横軸は時間を示し、左側の縦軸は燃焼室６０の温度を示し、右側の縦軸はＳ／Ｃ比および燃焼室６０の温度の微分値を示す。図５では、Ｓ／Ｃ比の増加速度を一例として０．２５［Ｓ／Ｃ］／６０秒に設定してある。
【００４５】
図５に示すように、Ｓ／Ｃ比が過小で水蒸気改質反応が改質水不足の状態で進行すると、改質水の気化潜熱熱量および水蒸気改質反応の吸熱熱量は少ない。一方で、燃料オフガスの燃焼熱量は増加するので、燃焼室６０の温度は上昇する。
【００４６】
Ｓ／Ｃ比が増加すると、改質水の気化潜熱熱量および水蒸気改質反応の吸熱熱量が増加し、水蒸気改質反応の吸熱熱量および改質水の気化潜熱熱量と燃料オフガスの燃焼熱量とが拮抗する。それにより、燃焼室６０の温度上昇が停止する。この状態では、改質部５２への改質水の供給量は過小でも過剰でもなくなる。それにより、改質部５２におけるカーボン析出を抑制することができる。また、熱量損失の少ない制御が実現される。
【００４７】
さらにＳ／Ｃ比が増加すると、水蒸気改質反応の吸熱熱量および改質水の気化潜熱熱量が燃料オフガスの燃焼熱量に比較して多くなる。それにより、燃焼室６０の温度は低下する。その後、Ｓ／Ｃ比を適当量で収束させると、燃焼室６０の温度は、燃焼室６０における燃焼熱量と放熱量との拮抗点まで再度上昇していく。
【００４８】
本例においては、Ｓ／Ｃ比を徐増させた場合に燃焼室６０の温度の上昇が正から負になる場合のＳ／Ｃ比を最適Ｓ／Ｃ比とし、最適Ｓ／Ｃ比を制御目標値として改質水供給量および原燃料ガス供給量を制御することによって、改質部５２におけるカーボン析出を抑制できるとともに、熱量損失の少ない制御を実現することができる。このように、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
【００４９】
なお、最適Ｓ／Ｃ比として求めた値が最適値から変動することがある。例えば、燃料電池システム１００内に原燃料ガス分配変化、酸化剤ガス分配変化、改質水分配変化、改質触媒性能劣化、各種機器のばらつき、経年変化等が生じた場合に、最適Ｓ／Ｃ比として求めた値が最適値から変動することがある。しかしながら、Ｓ／Ｃ比を徐増させた場合に燃焼室６０の温度の上昇が正から負になる場合のＳ／Ｃ比を最適Ｓ／Ｃ比として再度取得することによって、最適値を更新することができる。
【００５０】
例えば、燃料電池システム１００の起動時に最適Ｓ／Ｃ比を検出することによって、燃料電池システム１００の起動ごとにＳ／Ｃ比を最適化することができる。また、起動後においても、所定の時間周期でＳ／Ｃ比を低い値から徐増させて最適Ｓ／Ｃ比を検出することによって、燃料電池システム１００の各種機器の経年変化に関わらずＳ／Ｃ比を最適化することができる。
【００５１】
なお、燃焼室６０の温度微分値を用いることによって、最適Ｓ／Ｃ比を検出しやすくなる。具体的には、燃焼室６０の温度微分値がプラスからマイナスに転じる場合のＳ／Ｃ比を最適Ｓ／Ｃ比として検出することができる。また、Ｓ／Ｃ比を徐増させる過程において一時的にカーボンが析出することも考えられるが、最適Ｓ／Ｃ比を得た後で、改質触媒が失活しない状態で改質水を供給することによって析出カーボンを酸化させることができる。
【００５２】
図６は、燃料電池セル７０の起動時に最適Ｓ／Ｃ比を検出する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図６に示すように、まず、制御部１０は、燃焼室６０における燃焼に必要な酸化剤ガスが燃料電池セル７０のカソード７１を経由して燃焼室６０に供給されるように、酸化剤ガス供給部４０を制御する（ステップＳ１）。次に、制御部１０は、グロープラグ８２の着火ヒータが加熱されるように、グロープラグ８２を制御する（ステップＳ２）。
【００５３】
着火ヒータの加熱後、制御部１０は、燃焼室６０における燃焼に必要な原燃料ガスが燃料電池セル７０のアノード７２を経由して燃焼室６０に供給されるように、原燃料供給部２０を制御する（ステップＳ３）。それにより、着火ヒータ近傍において、原燃料ガスが酸化剤ガスの酸素を利用して燃焼する。その結果、着火ヒータを基点として燃焼室６０の全体に火炎が広がる。
【００５４】
制御部１０は、温度センサ８１の検出結果を取得して、その検出結果に基づいて改質部５２の改質触媒温度を推定する（ステップＳ４）。改質触媒の推定温度が水蒸気改質反応可能温度に到達した後、改質水ポンプ３２は、制御部１０の指示に従って改質水の供給を開始する（ステップＳ５）。それにより、改質器５０の改質部５２は、燃焼室６０で発生する熱を利用した改質反応によって燃料ガスと改質水とから、水素を含む燃料ガスを生成する。燃料ガスは、燃料電池セル７０のアノード７２に供給される。それにより、燃料電池セル７０において発電が開始される。
【００５５】
次に、制御部１０は、Ｓ／Ｃ比を徐々に増加させる（ステップＳ６）。次いで、制御部１０は、温度センサ８１の検出結果を取得して、その微分値Ｄがプラスからマイナスに転じたか否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７において微分値がプラスからマイナスに転じたと判定されなかった場合、制御部１０は、ステップＳ６を再度実行する。
【００５６】
ステップＳ７において微分値Ｄがプラスからマイナスに転じたと判定された場合、制御部１０は、現時点のＳ／Ｃ比を最適Ｓ／Ｃ比に設定する（ステップＳ８）。次に、制御部１０は、Ｓ／Ｃ比が最適Ｓ／Ｃになるように改質水ポンプ３２および原燃料供給部２０を制御する（ステップＳ９）。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５７】
図６のフローチャートによれば、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに、原燃料および改質水の供給量を最適化することができる。
【００５８】
なお、本実施例においては、Ｓ／Ｃ比を徐増させた場合に燃焼室６０の温度の上昇が正から負になる場合のＳ／Ｃ比を最適Ｓ／Ｃ比としているが、それに限られない。例えば、Ｓ／Ｃ比を徐増させた場合に燃焼室６０の温度の上昇が正から負になる場合のＳ／Ｃ比に基づいて、最適Ｓ／Ｃ比を導き出してもよい。具体的には、Ｓ／Ｃ比を徐増させた場合に燃焼室６０の温度の上昇が正から負になる場合のＳ／Ｃ比に所定のオフセットを持たせた値を最適Ｓ／Ｃ比としてもよい。
【００５９】
（例２）
図７は、例２に係る燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図７に示すように、燃料電池システム１００ａにおいては、温度センサ８１は、燃焼室６０内ではなく改質器５０内に配置されている。この構成によれば、温度センサ８１は、改質器５０内の温度を直接検出することができる。
【００６０】
本実施例においても、Ｓ／Ｃ比を徐増させた場合に温度センサ８１が検出する温度の上昇が正から負になる場合のＳ／Ｃ比に基づいて最適Ｓ／Ｃ比を取得とし、最適Ｓ／Ｃ比を制御目標値として改質水供給量および原燃料ガス供給量を制御することによって、改質部５２におけるカーボン析出を抑制できるとともに、熱量損失の少ない制御を実現することができる。このように、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
【００６１】
なお、改質器５０の気化部５１において改質水が気化するため、改質部５２よりも気化部５１において改質水の気化潜熱が影響しやすい。したがって、温度センサ８１は、気化部５１内に配置されていることが好ましい。
【００６２】
また、燃焼室６０内のガスの熱容量に比較して、改質器５０の熱容量は大きい。そのため、Ｓ／Ｃ比変化に起因する温度変化は、改質器５０に比較して燃焼室６０において大きくなる。したがって、改質器５０内の温度を直接検出するよりも、燃焼室６０の温度を通じて改質器５０内の温度を間接的に検出する方が、温度変化を検出しやすい。以上のことから、燃焼室６０内に温度センサ８１を配置することがより好ましい。
【００６３】
なお、上記各例は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１０  制御部
２０  原燃料供給部
３０  改質水供給部
３１  改質水タンク
３２  改質水ポンプ
４０  酸化剤ガス供給部
５０  改質器
５１  気化部
５２  改質部
６０  燃焼室
７０  燃料電池
７１  カソード
７２  アノード
７３  電解質
８１  温度センサ
８２  グロープラグ
９０  熱交換器
１００  燃料電池システム
【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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