(57)【要約】【課題】エゼクタを用いて燃料オフガスを循環させる燃料電池システムにおいて、システム効率の低下を抑制しつつ、運転状態に応じた適切な燃料オフガス循環量を実現する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池スタック７と、炭化水素を含む燃料を改質して燃料極に供給する改質器６と、燃料極より排出される燃料オフガスの一部を、エゼクタ５を介して燃料と混合させて改質器６へ循環させる循環部と、エゼクタ５に供給される燃料の少なくとも一部を低分子量のガスに分解する予備反応部４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】
燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池スタックと、
炭化水素を含む燃料を改質して前記燃料極に供給する改質器と、
前記燃料極より排出される燃料オフガスの一部を、エゼクタを介して前記燃料と混合させて前記改質器へ循環させる循環部と、
前記エゼクタに供給される前記燃料の少なくとも一部を低分子量のガスに分解する予備反応部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記予備反応部は、供給される燃料流量に対する反応させる燃料流量の比である予備反応率を変えることが可能な予備反応器と、
前記予備反応率を制御する制御部と、
を含んで構成される、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの運転負荷が低くなるほど前記予備反応率を高くする、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記予備反応器の運転温度を制御することにより前記予備反応率を制御する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記予備反応器の運転温度を前記予備反応器の内部で炭素析出が生じない温度範囲内で制御する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記予備反応器の内部で炭素析出が生じない温度範囲は、前記予備反応器の運転温度と、前記予備反応器に供給される前記燃料の流量及び圧力と、に基づいて設定する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４から６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの下流に設けた排ガス処理器から排出される排気ガスの熱を、前記予備反応器の上流に設けた蒸発器へ供給する排熱供給経路を備え、
前記制御部は、前記排熱供給経路を介して前記蒸発器に供給される熱量を制御することによって、前記予備反応器の温度を制御する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項２から７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記予備反応器は、電気ヒータを備える加熱器である、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項２から７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記予備反応器は、前記燃料と前記燃料極より排出される前記燃料オフガスとの間で熱交換を行なう熱交換器であり、
前記制御部は前記燃料オフガスの流量を制御することによって前記予備反応器の温度を制御する、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項２から７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記予備反応器は、前記燃料と前記燃料極より排出される燃料オフガスとの間で熱交換を行なう熱交換器であり、
前記制御部は前記燃料の流量を制御することによって前記予備反応器の温度を制御する、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項２から１０のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記予備反応器内の前記燃料の流路には、貴金属を構成要素として含む触媒が塗布されている、燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを、エゼクタを介して再循環させて炭化水素を含む燃料と混合させてから改質器へ供給して改質を行なう燃料電池システムの動作方法において、
前記燃料を、その少なくとも一部を低分子量のガスに分解する予備反応行程を経てから前記エゼクタに供給することを特徴とする燃料電池システムの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックから未反応のまま排出された燃料オフガスの一部を、エゼクタを介して再循環させる燃料循環システムが知られている。このような燃料循環システムにおいて、燃料オフガスの循環量はエゼクタのノズルに供給される燃料ガスの量によって定まる。したがって、固定ノズルの場合には、高負荷運転時にエゼクタの1次圧力が増大したり、低負荷運転時に循環量が不足したりするおそれがある。
【０００３】
特許文献１には、エゼクタを介して燃料オフガスの一部を再循環させるとともに、ガス再循環ファンを用いて燃料オフガスの他の一部を燃料ガスと混合し、エゼクタ駆動ガスとして用いる構成が開示されている。これによれば、低負荷運転時の循環量不足を解消することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９９９９７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、上記文献の構成でガス再循環ファンを用いて燃料ガスと混合させる燃料オフガスは、燃料電池スタックから排出された後に燃料冷却器、再生熱交換器、ＣＯ変成器及び凝縮器を通過することにより、エゼクタに供給される燃料ガスに比べて圧力が低くなっている。このため、燃料オフガスを混合させるためにはガス再循環ファンにより燃料オフガスの圧力を高める必要がある。すなわち、上記文献の構成では、ガス再循環ファンを駆動するために相当の動力が必要となり、燃料電池システムのシステム効率が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで本発明では、システム効率の低下を抑制しつつ、運転状態に応じた適切な燃料オフガス循環量を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様による燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池スタックと、炭化水素を含む燃料を改質して燃料極に供給する改質器と、燃料極より排出される燃料オフガスの一部を、エゼクタを介して燃料と混合させて改質器へ循環させる循環部と、を備える。そして、燃料電池システムは、エゼクタに供給される燃料の少なくとも一部を低分子量のガスに分解する予備反応部を備える。
【発明の効果】
【０００８】
上記態様によれば、システム効率の低下を抑制しつつ、運転状態に応じた適切な燃料オフガス循環量を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。
【図２】図２は、予備反応率とノズル出口の比運動量との関係を示す図である。
【図３】図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。
【図４】図４は、エゼクタの駆動ガス質量流量と駆動ガス１次圧力との関係を示す図である。
【図５】図５は、予備反応率と温度との関係を示す図である。
【図６】図６は、炭素析出温度範囲を示す図である。
【図７】図７は、第３実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。
【図８】図８は、第４実施形態に係る燃料電池システムの主要構成図である。
【図９】図９は、第４実施形態の第１変形例に係る燃料電池システムの主要構成図である。
【図１０】図１０は、第４実施形態の第２変形例に係る燃料電池システムの主要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
第１実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る炭化水素系液体燃料を用いた燃料電池システム１００の主要構成を示すブロック図である。
【００１３】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック７に燃料ガスを供給する燃料供給系２０と、燃料電池スタック７に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系３０と、燃料電池スタック７から排出される燃料オフガス及び酸化剤オフガスを排気するシステム排気系と、を含んで構成される。また、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御する制御部１を備える。制御部１は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システム１００を制御するための処理を実行する。
【００１４】
燃料供給系２０は、燃料ポンプ２と、蒸発器３と、予備反応部としての予備反応器４と、エゼクタ５と、改質器６とを含んで構成され、これらを直列に接続する経路２１が燃料電池スタック７に接続されている。
【００１５】
酸化剤ガス供給系３０は、送風機９と熱交換器１０とを含んで構成され、これらを直列に接続する経路３１が燃料電池スタック７に接続されている。
【００１６】
システム排気系は、排ガス処理器８を含んで構成される。
【００１７】
また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック７から排出された燃料オフガスの一部を、エゼクタ５を介して燃料と混合させて改質器６へ循環させる循環部を備える。循環部は、具体的には燃料電池スタック７より下流の経路２３から分岐してエゼクタ５に連通する経路２２と、エゼクタ５と、改質器６と、エゼクタ５と改質器６とを接続する経路２１とを含んで構成される。
【００１８】
燃料電池スタック７は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌl）であり、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、アノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）により挟み込んで得られるセルを積層したものである。アノード電極には、炭化水素系の液体燃料を気化し改質器６により水素を含む改質ガスが供給され、カソード電極には酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスとしては主に空気が用いられる。
【００１９】
燃料電池スタック７では、燃料ガス中に含まれる水素と酸化剤中の酸素とを反応させて発電を行なうとともに、反応後に生成される水（水蒸気）と発電反応に利用されなかったガスからなる燃料オフガスと酸化剤オフガスを排出する。
【００２０】
燃料ポンプ２は、燃料タンク（図示せず）から液体燃料を吸引して所定の圧力で燃料供給系に液体燃料を供給するものである。なお、燃料ポンプ２自体が流量を制御できるポンプであってもよいし、燃料ポンプ２の下流にインジェクタ（図示せず）のような流量調整弁を設けてもよい。
【００２１】
蒸発器３は、燃料ポンプ２よりも下流の経路２１に設けられる。蒸発器３は、排ガス処理器８から排出される排気ガスの熱を利用して、燃料ポンプ２により供給された液体燃料を気化させる。具体的には、排ガス処理器８から排出された排気ガスが、酸化剤ガス供給系３０の熱交換器１０にて酸化剤ガスと熱交換をした後、蒸発器３に供給される構成となっている。
【００２２】
予備反応器４は、蒸発器３とエゼクタ５との間の経路２１に設けられる。予備反応器４は、燃料ガスの少なくとも一部を、内部に設けた触媒により低分子量のガスに分解する。例えば、液体燃料がエタノールの場合には、その一部を一酸化炭素やメタンと水素等に分解する。触媒は、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ等の貴金属、またはこれらの貴金属を含む合金である。予備反応器４を設けることによる作用効果については後述する。
【００２３】
エゼクタ５は、予備反応器４と改質器６との間の経路２１に設けられる。エゼクタ５は、予備反応器４を通過した燃料ガスを駆動ガスとして、燃料電池スタック７から排出された燃料オフガスの一部を燃料供給系２０に再循環させるものである。本実施形態では、ノズル径が固定されたいわゆる固定ノズル式のエゼクタ５を用いる。
【００２４】
改質器６は、エゼクタ５と燃料電池スタック７との間の経路２１に設けられる。改質器６は、内部に設けられた触媒を用いて燃料を改質する。改質用燃料は、改質器６での触媒反応により、水素や炭化水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスに改質される。このように改質された燃料ガスは、高温状態のまま燃料電池スタック７の燃料流路に供給される。
【００２５】
送風機９は、フィルタ（図示せず）を通じて外気（空気）を取り入れ、取り入れた空気をカソードガスとして燃料電池スタック７に供給する空気供給装置である。
【００２６】
熱交換器１０は、送風機９よりも下流の経路３１に設けられる。熱交換器１０は、排ガス処理器８から排出された排気ガスと空気とを熱交換させることにより、空気を加熱する装置である。
【００２７】
排ガス処理器８は、燃料電池スタック７から排出された燃料オフガスと酸化剤オフガスとを混合し、その混合したガスを触媒燃焼させて、二酸化炭素や水を主成分とする排気ガスを生成する。排気ガスは、経路４０を介して熱交換器１０に供給され、熱交換器１０で熱交換した後に蒸発器３に供給される。
【００２８】
ここで、予備反応器４を設けることによる作用効果について説明する。
【００２９】
固定ノズル式のエゼクタ５を用いる場合、燃料オフガスの循環量はエゼクタ５の駆動ガス量により定まる。つまり、燃料電池スタック７の運転負荷が高いほど燃料オフガスの循環量は多く、運転負荷が低いほど燃料オフガスの循環量は少なくなる。一方、燃料オフガスを循環させる燃料循環システムでは、燃料電池スタック７の運転負荷に応じた最適な循環量がある。したがって、固定ノズル式のエゼクタ５を用いる場合には、低負荷運転時に燃料オフガスの循環量が不足する、あるいは高負荷運転時に燃料オフガス循環量が過剰になるおそれがある。
【００３０】
上記の燃料オフガスの循環量不足を解消する策として、発電負荷が要求する以上に燃料を供給することが考えられる。しかし、燃料を無駄に供給することで、システム効率が低下してしまう。
【００３１】
ところで、エゼクタ５のノズル径及び駆動ガスの質量流量を固定した場合、駆動ガスの平均分子量が低いほど、エゼクタ５の出口における流体の運動量が増加するという特性がある。
【００３２】
図２は、エタノールをメタンと水素とに分解する予備反応の反応率と、エゼクタ５の出口における燃料ガスの運動量との関係を示す図である。横軸の反応率は、駆動ガス質量流量に対する予備反応に供された量の割合であり、0.00は予備反応が全く行なわれていないことを示し、1.00は全量が分解されたことを示す。縦軸は、予備反応率が0.00の場合の運動量を1.00として正規化したものである。
【００３３】
図示する通り、予備反応率が高いほど、つまり駆動ガスの平均分子量が低いほど、エゼクタ５のノズル出口における燃料ガスの運動量が増大する。エゼクタ５のノズル出口における燃料ガスの運動量が増大すれば、燃料オフガスの循環量も増加する。つまり、燃料の少なくとも一部を予備反応により分解すれば、全く分解しない場合に比べて燃料オフガスの循環量を増加させることができる。なお、予備反応率は予備反応器４に塗布する触媒の量で調整する。具体的には、触媒の量が多くなるほど予備反応率が高くなる。
【００３４】
そこで本実施形態では、燃料ガスの少なくとも一部を低分子量のガスに分解する予備反応器４を備え、予備反応器４での予備反応行程を経てから燃料ガスをエゼクタ５に供給する。これにより、燃料オフガスを循環させるためのポンプ等を用いることなく、低負荷運転時、つまり駆動ガスの質量流量が少ない場合における燃料オフガスの循環量不足を解消できる。
【００３５】
本実施形態では、予備反応器４内の燃料の流路に、貴金属を構成要素として含む触媒が塗布されている。触媒を塗布することにより、炭化水素系燃料の分解速度が高まり、また、触媒の種類や塗布量によって任意の予備反応率を設定できる。したがって、予備反応器４の運転温度をより低くすることができる。さらに、触媒を塗布することで炭素析出温度が高温側にシフトするので、予備反応器４での炭素析出を回避し易くなる。
【００３６】
（第２実施形態）
第２実施形態について図３〜図６を参照して説明する。
【００３７】
図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１０１の主要構成を示すブロック図である。図１の燃料電池システム１００との相違点は、予備反応器４が電気ヒータ１１を備えることと、燃料電池スタック７から排出された燃料オフガスが、熱交換器型の改質器６で熱交換をした後にエゼクタ５へ供給されることである。
【００３８】
電気ヒータ１１は、制御部１により制御されて、予備反応器４を加熱する。すなわち、本実施形態では、電気ヒータ１１を備える予備反応器４と、電気ヒータ１１を制御する制御部１とが予備反応部を構成する。
【００３９】
図４は、エゼクタ５のノズル径を固定した場合における、予備反応率毎の駆動ガスの質量流量と駆動ガスの１次圧力との関係を示している。駆動ガスの１次圧力とは、駆動ガスを供給するために必要な、エゼクタ５に流入する直前の圧力である。
【００４０】
図示する通り、駆動ガスの質量流量が多くなるほど駆動ガスの１次圧力は高くなる。また、駆動ガスの質量流量が同一の場合には、予備反応率が高いほど駆動ガスの１次圧力は高くなる。
【００４１】
このため、燃料電池スタック７の高負荷運転時、つまり駆動ガスの質量流量が多くなる運転条件において、予備反応率を高くすると、駆動ガスの１次圧力を高めるために燃料ポンプ２で消費される電力が増大したり、燃料ポンプ２の容量不足によって必要な駆動ガスを供給できなくなるおそれがある。
【００４２】
一方、予備反応を行なわないと、上述した通り低負荷運転時に燃料オフガスの循環量が不足するおそれがある。
【００４３】
そこで、本実施形態では、予備反応器４における予備反応率を燃料電池スタック７の運転負荷状態に応じて制御することとする。予備反応率の制御方法について以下に説明する。
【００４４】
図５は、バイオエタノールを熱分解反応させる場合の、温度と反応率との関係を示している。図示する通り、触媒の塗布量に関わらず、温度が高くなるほど反応率は高くなる。また、温度が同一の場合には、触媒の塗布量が多いほど反応率が高くなる。
【００４５】
この特性を利用し、本実施形態では、燃料電池スタック７の運転負荷が低くなるほど予備反応率を高くすることとする。すなわち、制御部１が、燃料電池スタック７の低負荷運転時には、高負荷運転時に比べて予備反応器４の温度が高くなるように電気ヒータ１１を制御する。これにより、高負荷運転時における駆動ガスの１次圧力の増大を抑制しつつ、低負荷運転時における燃料オフガスの循環量不足を回避できる。
【００４６】
ところで、炭化水素系燃料が熱分解される場合には、温度によっては炭素が析出することが知られている。析出した炭素が触媒に付着すると予備反応率の低下を招き、炭素が触媒から剥離すれば、エゼクタ５のノズルが詰まる等の不具合が生じるおそれがある。
【００４７】
そこで、制御部１は、予備反応器４の温度が炭素析出の生じない温度範囲内となるように電気ヒータ１１を制御する。
【００４８】
図６は、触媒が無い状態でバイオエタノールを熱分解した場合に確認されたガス成分を示している。図示する通り、熱分解によってメタン、エチレン及びエタンが生成される。この場合、８５０〜１０００[Ｋ]の温度範囲で炭素析出が認められる。そして、炭素析出が生じる温度範囲は、触媒を添加することで高温側へシフトすることが知られている。
【００４９】
そこで、使用する炭化水素系燃料の炭素が析出する温度範囲に基づいて、システム運転中の予備反応器４の温度範囲を決定する。そして、制御部１は、予備反応器４の温度、予備反応器に供給する燃料の流量及び圧力に基づいて、予備反応器４内で炭素析出が生じないように電気ヒータ１１を制御する。以上のように本実施形態では、第１実施系形態と同様の効果の他に、以下の効果が得られる。
【００５０】
本実施形態では、予備反応部は、供給される燃料流量に対する反応させる燃料流量の比である予備反応率を変えることが可能な予備反応器４と、予備反応率を制御する制御部１と、を含んで構成される。これにより、燃料オフガスを循環させるためのポンプ等を用いることなく、燃料電池スタック７の運転負荷に応じて予備反応率を変化させることが可能である。
【００５１】
本実施形態では、制御部１は、燃料電池スタック７の運転負荷が低くなるほど予備反応率を高くする。これにより、燃料オフガスを循環させるためのポンプ等を用いることなく、高負荷運転時における駆動ガスの１次圧力の増大を抑制しつつ、低負荷運転時における燃料オフガスの循環量不足を回避できる。
【００５２】
本実施形態では、制御部１は、予備反応器４の運転温度を制御することにより予備反応率を制御する。これにより、燃料電池スタック７の運転条件によらず、予備反応率を独立して制御することができる。
【００５３】
本実施形態では、制御部１は、予備反応器４の運転温度を予備反応器４の内部で炭素析出が生じない温度範囲内で制御する。これにより、炭素析出による予備反応率の低下やエゼクタ５のノズル詰まり等を防止できる。
【００５４】
本実施形態では、予備反応器４の内部で炭素析出が生じない温度範囲を、予備反応器４の運転温度と、予備反応器４に供給される燃料の流量及び圧力と、に基づいて設定する。これにより、システムの運転状態に応じた適切な制御を行なうことが可能となり、炭素析出を防止しつつ所望の予備反応率を得ることができる。
【００５５】
本実施形態では、予備反応器４は電気ヒータを備える加熱器である。これにより、予備反応器４の温度を精度良くかつ容易に制御することができる。
【００５６】
（第３実施形態）
第３実施形態について、図７を参照して説明する。
【００５７】
図７は、本実施形態に係る燃料電池システム１０２の主要構成を示すブロック図である。図１の燃料電池システム１００との相違点は、酸化剤ガス供給系３０の熱交換器１０を迂回するバイパス経路３２と、バイパス経路３２に介装されたバイパス弁１２と、を備える点である。
【００５８】
バイパス弁１２は、制御部１によって開閉制御される。具体的には、制御部１は燃料電池スタック７が高負荷運転時にはバイパス弁１２を閉弁し、低負荷運転時にはバイパス弁１２を開弁する。
【００５９】
バイパス弁１２が開弁すると、送風機９から供給された空気の多くは、流路抵抗の大きい熱交換器１０を通らずにバイパス経路３２を通って燃料電池スタック７に供給される。つまり、バイパス弁１２を開くと、排ガス処理器８から排出されて蒸発器３に供給される排気ガスの温度は、バイパス弁１２を閉じた状態よりも高くなる。これにより、蒸発器３から予備反応器４に供給されるガスの温度が上昇し、予備反応率が高まる。なお、本実施形態では、排ガス処理器８、熱交換器１０、蒸発器３、予備反応器４、及びバイパス弁１２と、これらを接続する経路２１、４０が予備反応部を構成する。
【００６０】
以上のように本実施形態では、第１実施系形態と同様の効果の他に、以下の効果が得られる。
【００６１】
本実施形態では、燃料電池スタック７の下流に設けた排ガス処理器８から排出される排気ガスの熱を、予備反応器４の上流に設けた蒸発器３へ供給する排熱供給経路としての経路４０を備える。制御部１は、経路４０を介して蒸発器３に供給される熱量を制御することによって、予備反応器４の温度を制御する。これにより、燃料オフガスを循環させるためのポンプ等を用いることなく、高負荷運転時における駆動ガスの１次圧力の増大を抑制しつつ、低負荷運転時における燃料オフガスの循環量不足を回避できる。
【００６２】
また、予備反応器４の昇温に排気ガスの熱、つまりシステムの余剰熱を利用するので、予備反応率を高めるためエネルギ消費量が増加することを回避できる。
【００６３】
（第４実施形態）
第４実施形態について、図８を参照して説明する。
【００６４】
図８は本実施形態に係る燃料電池システム１０３の主要構成を示すブロック図である。図１の燃料電池システム１００との相違点は、予備反応器４及び改質器６が熱交換器型であること、燃料オフガスが経路２２〜２４を介して予備反応器４及び改質器６で熱交換した後にエゼクタ５に供給されること、予備反応器４とエゼクタ５との間の経路２５に調整弁１３が介装されていることである。調整弁１３は制御部１により開閉制御される。
【００６５】
上記構成において、調整弁１３が開弁していると、燃料電池スタック７から排出された燃料オフガスは、経路２２から経路２３と経路２４とに分流し、それぞれ予備反応器４と改質器６に供給される。予備反応器４で熱交換した燃料オフガスは、経路２５を通ってエゼクタ５へ供給される。改質器６で熱交換した燃料オフガスは、経路２６を通ってエゼクタ５へ供給される。調整弁１３が閉弁すると、予備反応器４への燃料オフガスの供給が止まる。熱交換器型の予備反応器４は、燃料オフガスの供給量に応じて予備反応率が変化する。つまり、調整弁１３の開度を調整することで、予備反応率を制御することができる。
【００６６】
そこで、制御部１は、燃料電池スタック７が低負荷運転時には、予備反応器４を通過する燃料オフガスの流量が高負荷運転時に比べて増加するように調整弁１３の開度を制御する。
【００６７】
以上のように本実施形態では、第１実施系形態と同様の効果の他に、以下の効果が得られる。
【００６８】
本実施形態では、予備反応器４は燃料オフガスとの間で熱交換を行なう熱交換器であり、制御部１は燃料オフガスの流量を制御することによって予備反応器４の温度を制御する。予備反応器４に供給する燃料オフガスの流量を制御することで直接的に予備反応器４の温度を制御するので、温度制御が容易である。
【００６９】
具体的には、低負荷運転時には予備反応器４を通過する燃料オフガスの流量が高負荷運転時に比べて増加するように調整弁１３の開度を制御する。これにより、高負荷運転時における駆動ガスの１次圧力の増大を抑制しつつ、低負荷運転時における燃料オフガスの循環量不足を回避できる。
【００７０】
また、予備反応器４の昇温に排気ガスの熱、つまりシステムの余剰熱を利用するので、予備反応率を高めるためエネルギ消費量が増加することを回避できる。
【００７１】
さらに、予備反応器４における予備反応は吸熱分解反応であるため、予備反応させることによって燃料ガスの温度が低下してしまうが、本実施形態の構成によれば、燃料オフガスの熱により上記温度低下を抑制できる。
【００７２】
ここで、本実施形態の変形例について図９、図１０を参照して説明する。以下のような変形例も本発明の範囲内であり、以下の変形例と上記実施形態の各構成とを組み合わせることも可能である。
【００７３】
（第１変形例）
図９は、第１変形例に係る燃料電池システム１０４の主要構成を示すブロック図である。図８の燃料電池システム１０３との相違点は、改質器６が断熱改質型であるため燃料オフガスの経路２４、２６がないこと、調整弁１３がないこと、経路２２から分流して予備反応器４をバイパスするバイパス経路２７と、バイパス経路２７にバイパス弁１４が介装されていること、である。なお、断熱改質型の改質器とは、例えばハニカム状の流路断面を有し、流路の壁面に触媒が塗布されたものである。
【００７４】
上記構成において、バイパス弁１４を閉弁すると循環する燃料オフガスの全量が予備反応器４で熱交換を行なってからエゼクタ５に供給される。バイパス弁１４の開度を大きくするほど、バイパス経路２７を通過する燃料オフガスの量が増加して、予備反応器４を通過する燃料オフガスの量が減少する。つまり、バイパス弁１４の開度を調整することで、予備反応率を制御することができる。
【００７５】
そこで、制御部１は、燃料電池スタック７が低負荷運転時には、予備反応器４を通過する燃料オフガスの流量が高負荷運転時に比べて増加するようにバイパス弁１４の開度を制御する。これにより、高負荷運転時における駆動ガスの１次圧力の増大を抑制しつつ、低負荷運転時における燃料オフガスの循環量不足を回避できる。
【００７６】
また、変形例１の構成によれば、高負荷運転時には予備反応器４を通過する燃料オフガスが減少し、バイパス経路２７を通過する燃料オフガスが増加する。これにより、高負荷運転時の燃料オフガス循環系の圧力損失を抑制できる。
【００７７】
（第２変形例）
図１０は、第２変形例に係る燃料電池システム１０５の主要構成を示すブロック図である。図９の燃料電池システム１０４との相違点は、バイパス経路２７及びバイパス弁１４がないこと、燃料の経路２１から分岐して予備反応器４をバイパスするバイパス経路２８とバイパス経路２８に介装されたバイパス弁１５とを備えること、である。
【００７８】
上記構成において、バイパス弁１５を閉弁すると燃料の全量が予備反応器４を通過し、バイパス弁１５の開度を大きくするほど予備反応器４を通過する燃料の量が減少する。つまり、バイパス弁１５の開度を調整することで、予備反応に供される燃料の量が変化し、結果的に予備反応率が変化することとなる。
【００７９】
そこで、制御部１は、燃料電池スタック７が低負荷運転時には、予備反応器４を通過する燃料の流量が高負荷運転時に比べて増加するようにバイパス弁１５の開度を制御する。
【００８０】
換言すると、変形例２では、燃料の流量を制御することにより予備反応器４の温度を制御する。これにより、高負荷運転時における駆動ガスの１次圧力の増大を抑制しつつ、低負荷運転時における燃料オフガスの循環量不足を回避できる。
【００８１】
また、変形例２の構成では、高負荷運転時にはバイパス弁１５を開くことによって予備反応器４を通過する燃料の量が減少する。つまり、予備反応器４内での吸熱反応に供される燃料の量が減少する。したがって、蒸発器３の出口からエゼクタ５の入口までにおける温度低下量は、燃料の全量が予備反応器４を通過する場合に比べて小さくなる。エゼクタ５は駆動ガス温度が高いほど燃料オフガスを循環させる能力が高くなるので、変形例２の構成によれば、高負荷運転時の燃料オフガス循環量を確保し易くなる。
【００８２】
また、バイパス経路２８は熱交換器型の予備反応器４に比べて圧力損失が小さいので、変形例２の構成によれば高負荷運転時における燃料ポンプの負荷を軽減できる。
【００８３】
さらに、変形例２の構成ではバイパス弁１５を通過するのは燃料であり、燃料は燃料オフガスに比べて低温である。したがって、バイパス弁１５に要求される耐熱性能は比較的低くなる。
【００８４】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８５】
１    制御部
２    燃料ポンプ
３    蒸発器
４    予備反応器
５    エゼクタ
６    改質器
７    燃料電池スタック
８    排ガス処理器
９    送風機
１０  熱交換器
１１  電気ヒータ
【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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