(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード、及びアノードを有する燃料電池と、
燃料を改質し、改質ガスを前記アノードに供給する改質手段と、
前記アノードより排出される排出燃料のうち、少なくとも一部の排出燃料を前記カソードの出口側に供給し、他の排出燃料を下流側に供給する第１分岐手段と、
前記第１分岐手段の下流側に設けられ、該第１分岐手段より下流側に送出された排出燃料のうち、一部の排出燃料を第１循環排出燃料として前記改質手段に循環させ、他の排出燃料を第２循環排出燃料として前記改質手段の出口流路に供給する第２分岐手段と、
前記カソードより排出されるガス、及び前記第１分岐手段で分岐された排出燃料が供給されて燃焼し、燃焼により発生した熱を前記改質手段に伝える燃焼手段と、
を有し、
前記第２循環排出燃料と、前記改質手段より送出される改質ガスを混合させて、前記アノードに供給し、更に、
前記第１分岐手段の開度、前記第２分岐手段の開度、及び、前記改質手段に供給する空気量を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の出力要求に応じて、前記改質手段に導入する燃料流量を決定し、更に、この燃料流量に基づいて、前記燃料電池の運転効率が高くなるように、前記第１分岐手段による分岐比率、及び前記第２分岐手段による分岐比率を設定し、これらの分岐比率となるように、前記第１分岐手段、及び前記第２分岐手段を制御し、且つ、前記改質手段に供給する空気量を制御すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２循環排出燃料と、前記改質手段より送出される改質ガスを混合する混合手段を更に備えた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】
前記第１分岐手段による分岐比率、及び前記第２分岐手段による分岐比率、及び前記改質手段に導入する空気量は、予め設定したマップを参照して決定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４】
前記第１分岐手段による分岐比率、及び前記第２分岐手段による分岐比率、及び前記改質手段に導入する空気量は、演算により決定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５】
前記カソードから前記燃焼手段に供給されるガスの一部を外部に排出する排出手段を更に備え、前記制御手段は、前記排出手段により排出するガス流量を調整することにより、前記燃焼手段の温度を制御することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質手段に導入する燃料の組成を検出する組成検出手段を更に有し、
前記制御手段は、前記組成検出手段にて検出された組成に基づいて、前記改質手段に導入する空気流量、第１循環排出燃料流量、及び前記燃焼手段に新規に導入する燃料流量を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項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、炭化水素燃料を改質した改質ガスと空気等の酸化ガスを反応させて発電する燃料電池システムに係り、特に、エネルギー効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、燃料極に導入する炭化水素燃料を炭素析出することなく改質するためには、炭化水素燃料の種類によっては、例えば７００℃以上の高温で改質する必要がある。このため、改質器に導入する酸素流量を増大させるか、或いは、改質器を加熱するためのバーナ用の燃料を増大させる必要があり、燃料電池システム全体の発電効率が低下するという問題が発生する。
【０００３】
また、従来における燃料電池システムとして、例えば特許文献１に開示されているように、燃料電池のアノード排気ガスに含まれる水蒸気及び未利用の燃料を改質器に循環させることにより、エネルギー効率を向上させるものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１１５５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来における燃料電池システムでは、炭化水素燃料の種類によっては炭化水素燃料を高温で改質する必要があるので、エネルギー効率が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、エネルギー効率が低下することなく炭化水素燃料を高温で改質することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、カソード、及びアノードを有する燃料電池と、燃料を改質し、改質ガスを前記アノードに供給する改質手段と、前記アノードより排出される排出燃料のうち、少なくとも一部の排出燃料を第１循環排出燃料として前記改質手段に循環させ、他の排出燃料を第２循環排出燃料として前記改質手段の出口流路に供給する分岐手段と、を有し、前記第２循環排出燃料と、前記改質手段より送出される改質ガスを混合させて、前記アノードに供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池のアノード出口側の流路に分岐手段を設け、分岐手段にてアノードより排出される排出燃料の一部を第１循環排出燃料として改質手段に循環させ、それ以外を第２循環排出燃料として改質手段の出口側流路に供給する。即ち、第２循環排出燃料の分だけ、改質手段に循環する排出燃料流量が削減される。従って、改質に必要な熱量を低減できるので、効率の良い運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで参照する、要求出力と新規燃料の供給量との関係を示すマップ図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで参照する、Ｓ／ＣとＯ2／Ｃ、及び発電効率との関係を示すマップ図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで参照する、「１−Ｒｙ」とＴabとの関係を示すマップ図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムで参照する、ＲｄとＯ2／Ｃ、及び発電効率との関係を示すマップ図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの、第２の構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの、第３の構成例を示すブロック図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの、第４の構成例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の変形例に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード１１ａ及びアノード１１ｂを備えた燃料電池１１と、燃料改質器１５ａと該燃料改質器１５ａを加熱する燃焼バーナ１５ｂ、及び熱交換器１５ｃを備えた改質装置１５と、を備えている。そして、燃料改質器１５ａより送出される改質ガスは、燃料電池１１のアノード１１ｂに供給される。また、カソード１１ａの排出ガスは燃焼バーナ１５ｂに供給される。
【００１２】
更に、燃料電池１１のカソード１１ａに空気を供給する第１空気ブロワ１２と、該第１空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する空気加熱熱交換器１３と、第１空気ブロワ１２と空気加熱熱交換器１３との間に設けられる空気分岐弁２３と、アノード１１ｂの出口側に設置され、アノード排出ガスを燃料改質器１５ａに循環させる循環ブロワ１６と、該循環ブロワ１６の出口側に設置される第１分岐弁２５、及び第２分岐弁２６を備えている。
【００１３】
第１分岐弁２５は、後述する制御部３１の制御により作動し、循環ブロワ１６より送出されるアノード排出ガスのうちの一部を燃焼バーナ１５ｂに供給すると共に、残りのアノード排気ガスを第２分岐弁２６側に送出する。このとき、第２分岐弁２６側に送出する比率を排出燃料循環率Ｒｙとする。従って、アノード排気ガス全体流量のうち、排出燃料循環率Ｒｙが第２分岐弁２６側に送出され、（１−Ｒｙ）が燃焼バーナ１５ｂ側に送出されることになる。
【００１４】
第２分岐弁２６は、やはり制御部３１の制御により作動し、第１分岐弁２５より送出されるアノード排気ガスのうちの一部（これを、「第２循環排出燃料［ｍ3／sec］」とする）を燃料電池１１のアノード１１ｂ（燃料改質器１５ａの出口）に供給し、残りのアノード排気ガス（これを、「第１循環排出燃料［ｍ3／sec］」とする）を燃料改質器１５ａに循環させる。このとき、第１循環排出燃料の比率を排出燃料循環分率Ｒｄとする。即ち、Ｒｄは次の（１）式で示される。
【００１５】
Ｒｄ＝（第１循環排出燃料）
／｛（第１循環排出燃料）＋（第２循環排出燃料）｝  …（１）
更に、この燃料電池システム１００は、改質装置１５の燃料改質器１５ａに空気を供給する第２空気ブロワ１７と、燃料改質器１５ａに燃料を供給する第１燃料ポンプ１８と、該第１燃料ポンプ１８より送出される液体燃料を蒸発させる燃料蒸発器１４と、燃焼バーナ１５ｂに空気を供給する第３空気ブロワ２０と、該燃焼バーナ１５ｂに燃料を供給する第２燃料ポンプ２７と、を備えている。従って、第２空気ブロワ１７より送出される空気、燃料蒸発器１４で気化された燃料ガス、及び第２分岐弁２６を介して送出されるアノード排気ガス（第１循環排出燃料）は、混合ガスとして燃料改質器１５ａに供給される。
【００１６】
また、第１分岐弁２５から分岐したアノード排気ガス、及び第２燃料ポンプ２７より供給される燃料、及び第３空気ブロワ２０より送出される空気が混合されて燃焼バーナ１５ｂに供給される。更に、燃焼バーナ１５ｂより排出される排気ガスは、空気加熱熱交換器１３で熱交換され、その後、燃料蒸発器１４に供給されて、燃料蒸発用の熱源として用いられる。
【００１７】
また、カソード１１ａの入口側には、燃料電池１１を始動させる際に該燃料電池１１を所定の温度まで上昇させるための、起動燃焼バーナ２４が設けられている。該起動燃焼バーナ２４の入口側には、第３燃料ポンプ２１、及び燃料蒸発器２２が設けられ、且つ空気分岐弁２３の出口に接続されている。そして、起動燃焼バーナ２４は、第３燃料ポンプ２１より供給され、且つ燃料蒸発器２２で気化された燃料を、空気分岐弁２３より供給される空気と混合して燃焼させ、この燃焼ガスをカソード１１ａに供給する。これにより、カソード１１ａを加熱することができる。
【００１８】
燃料電池１１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell）であり、アノード１１ｂに供給される改質ガスと、カソード１１ａに供給される空気を反応させて電力を発生させ、モータ等の電力需要設備に供給する。また、アノード１１ｂには、燃料改質器１５ａより送出される改質ガスと、第２循環排出燃料（第２分岐弁２６から分岐した循環排出燃料）とが供給される。
【００１９】
改質装置１５は、例えば熱交換器型改質器であり、燃焼バーナ１５ｂより供給される熱により加熱される。即ち、燃料改質器１５ａでの改質反応は、基本的に吸熱反応となるように運転するので、アノード排出ガスを燃焼させ、この燃焼により発生した熱を燃料改質器１５ａに伝熱させる機構を有している。そして、燃料改質器１５ａの動作温度に対して燃焼バーナ１５ｂにて生成されるガス温度は高くなるように運転する。また、第１燃料ポンプ１８より供給される燃料と第２空気ブロワ１７より送出される空気とアノード排気ガスとの混合ガスとを、触媒反応を用いて改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）を燃料電池１１のアノード１１ｂに供給する。
【００２０】
更に、この燃料電池システム１００は、制御部（制御手段）３１と、各種のデータを記憶する記憶部３２と、アノード排気ガスの流路に設けられてアノード排気ガス中に含まれる水蒸気量を検出する水蒸気流量センサＮ１と、燃焼バーナ１５ｂの燃焼温度を検出する燃焼バーナ温度センサＴ１と、燃料改質器１５ａの改質温度Ｔrfを検出する改質温度センサＴ２と、第２燃料ポンプ２７より送出される燃料の温度を検出する燃料温度センサＴ３と、第２空気ブロワ１７より送出される空気の温度を検出する空気温度センサＴ４と、を備えている。そして、各センサＮ１，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の検出信号は、制御部３１に出力される。
【００２１】
制御部３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び各種の操作子等からなるマイコンにより構成することが可能であり、第１空気ブロワ１２、第２空気ブロワ１７、第３空気ブロワ２０、第１燃料ポンプ１８、第３燃料ポンプ２１の各機器に接続され（接続用の配線は図示を省略している）、これらの各機器に制御信号を出力して、燃料電池システム１００を総括的に制御する。特に、本実施形態において該制御部３１は、水蒸気流量センサＮ１、燃焼バーナ温度センサＴ１、改質温度センサＴ２により検出される各検出信号に基づき、後述する処理手順により、第１分岐弁２５、及び第２分岐弁２６の開度を調整し、更に、第２空気ブロワ１７より送出する空気量を制御する。
【００２２】
記憶部３２は、制御部３１の演算処理に使用する各マップを記憶する。例えば、図３〜図６に示すマップを記憶する。図３は、燃料電池１１の要求出力と新規燃料の流量との関係を示すマップ（第１マップ）であり、図４は、Ｓ／Ｃ及びＯ2／Ｃと燃料電池１１の効率との関係を示すマップ（第２マップ）である。ここで、「Ｓ／Ｃ」は水蒸気（スチーム）と炭素（カーボン）との比率であり、具体的には、（第１循環排出燃料中の水蒸気流量［mol/sec］）／（燃料改質器に導入する炭素流量［mol/sec］）で示される。また、「Ｏ2／Ｃ」は酸素と炭素との比率であり、（燃料改質器に導入する酸素流量［mol/sec］）／（燃料改質器に導入する炭素流量［mol/sec］）で示される。
【００２３】
また、図５は、「１−Ｒｙ」と燃焼バーナガス温度Ｔabとの関係を示すマップ（第３マップ）であり、燃焼バーナ１５ｂに新規に導入する燃料、即ち、第２燃料ポンプ２７より供給される燃料Ｂｆが増えると燃焼バーナガス温度Ｔabが増大し、新規に導入する空気、即ち、第３空気ブロワ２０より供給される空気Ｂａが増えると燃焼バーナガス温度Ｔabが減少するように変化する。
【００２４】
図６は、排出燃料循環分率Ｒｄ及びＯ2／Ｃと燃料電池１１の効率との関係を示すマップ（第４マップ）である。なお、Ｒｄは前述した（１）式で示される。
【００２５】
次に、上述のように構成された本実施形態に係る燃料電池システム１００の作用について説明する。本実施形態では、後述する手法により、Ｓ／Ｃ、Ｏ2／Ｃ、Ｒｄを設定することにより、改質装置１５が炭素析出することなく、改質要求熱流が不足することなく、且つ、燃料電池１１を高い効率で運転させるようにする。以下、図２に示すフローチャートを参照して、Ｓ／Ｃ、Ｏ2／Ｃ、Ｒｄを設定する手順について説明する。
【００２６】
ステップＳ１１において、要求出力が与えられると、ステップＳ１２において、制御部３１は、図３に示す第１マップに基づき、要求出力に対応する新規燃料の流量を決定する。即ち、第１燃料ポンプ１８より燃料改質器１５ａに供給する燃料流量を決定する。
【００２７】
ステップＳ１３において、制御部３１は、水蒸気流量センサＮ１により、排出燃料循環中の水蒸気流量を検出する。
【００２８】
ステップＳ１４において、制御部３１は、燃焼バーナ温度センサＴ１で検出される燃焼バーナガス温度Ｔab、及び改質温度センサＴ２で検出される改質温度Ｔrfを取得し、更に、燃料温度センサＴ３で検出される新規燃料の温度（第２燃料ポンプ２７より出力される燃料の温度）、及び空気温度センサＴ４で検出される空気温度（第２空気ブロワ１７より出力される空気の温度）を取得する。
【００２９】
ステップＳ１５において、制御部３１は、下記の手順で、Ｒｙ、Ｏ2／Ｃ、Ｒｄを決定する。まず、燃焼バーナ１５ｂに供給する新規燃料、即ち、第２燃料ポンプ２７より供給する燃料流量Ｂｆ、または、新規空気、即ち、第３空気ブロワ２０より供給する空気流量Ｂａを調整することにより、燃焼バーナガス温度Ｔabが所望する温度となるように制御する。この制御は、図５に示す第３マップを参照して制御することができる。
【００３０】
次に、上記の処理で決定した燃焼バーナガス温度Ｔabと、ステップＳ１４の処理で検出した改質温度Ｔrfを一定としたときの、Ｓ／ＣとＯ2／Ｃとの関係を示すマップ、即ち、図４に示した第２マップを参照して、炭素析出せず、改質要求熱流が不足せず、且つ効率が高くなるＳ／Ｃを設定する。図４に示す第２マップは、予め燃焼バーナガス温度Ｔabと改質温度Ｔrfとの組み合わせに対して複数設定されており、前述したように、図１に示す記憶部３２に記憶されている。そして、制御部３１は、ＴabとＴrfとの組み合わせが決定した場合には、これに対応する第２マップを記憶部３２より読み出して、上記のＳ／Ｃを設定する処理を実行する。
【００３１】
その後、Ｓ／Ｃを一定とした場合の排出燃料循環分率ＲｄとＯ2／Ｃとの関係を示すマップ、即ち、図６に示した第４マップを参照して、炭素析出せず、改質要求熱流が不足せず、且つ効率が高くなるＲｄ、及びＯ2／Ｃを設定する。図６に示すマップは、予め燃焼バーナガス温度Ｔabと改質温度Ｔrfとの組み合わせ、及びＳ／Ｃの数値に対して複数設定されており、前述した記憶部３２に記憶されている。制御部３１は、燃焼バーナガス温度Ｔabと改質温度Ｔrfとの組み合わせに加えて、Ｓ／Ｃが決定した場合には、これに対応する第４マップを記憶部３２より読み出して、上記のＲｄ及びＯ2／Ｃを設定する処理を実行する。
【００３２】
そして、ステップＳ１６において、制御部３１は、燃料電池１１の運転を実行する。
【００３３】
こうして、炭素析出せず、改質要求熱流が不足せず、且つ効率が高くなるＯ2／Ｃ、Ｓ／Ｃ、及び排出燃料循環分率Ｒｄを設定することができる。また、排出燃料循環中の水蒸気量（アノード排気ガスに含まれる水蒸気量）は、ステップＳ１２の処理で取得されているので、燃料改質器１５ａに供給される燃料流量に基づいて、排出燃料循環率Ｒｙを調整することにより、所望するＳ／Ｃを得ることができる。即ち、排出燃料循環率Ｒｙが決定する。
【００３４】
そして、制御部３１は、この排出燃料循環率Ｒｙとなるように、第１分岐弁２５の開度を調整し、上記の排出燃料循環分率Ｒｄとなるように、第２分岐弁２６の開度を調整し、更に、上記のＯ2／Ｃとなるように、第２空気ブロワ１７による空気の供給量を設定することにより、燃料電池１１を高い効率で運転することが可能となる。具体的には、図６に示す第４マップで示される最も高い効率である５５％の効率で燃料電池１１を運転することが可能となる。
【００３５】
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、第２分岐弁２６を設けることにより、循環するアノード排気ガスの一部（第２循環排出燃料）を燃料改質器１５ａの出口側に供給するようにしている。そして、燃料電池１１の要求出力が決定すると、この要求出力に応じて新規燃料流量（第１燃料ポンプ１８より送出される燃料流量）が決定され、更に、図３〜図６に示したマップに基づいて、炭素析出せず、改質要求熱量が不足することがなく、且つ、最も効率が高くなる運転条件を設定することができる。具体的には、Ｓ／Ｃ、Ｒｄ、及びＯ2／Ｃの数値を決定することができる。従って、効率の高い状態でシステム全体を運転することができ、少ない燃料でより多くの発電出力を得ることができる。
【００３６】
また、第２分岐弁２６を備えることにより、第１循環排出燃料と第２循環排出燃料の分流比を変化させることができるので、車両に搭載する燃料電池のように、要求出力が変化する場合においても、この変化に対応して最適な効率に設定することが可能となる。
【００３７】
なお、図３〜図６に示した各マップは一例を示したものであり、本実施形態はこれらのマップに限定されるものではない。
【００３８】
［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、前述した第１実施形態と装置構成は同一であり、運転条件を算出する手法が相違する。即ち、第１実施形態では図３〜図６に示した各マップを参照して運転条件を設定したが、第２実施形態では、以下に示すように、演算式により運転条件を設定する。以下、図７，図８に示すフローチャートを参照して、第２実施形態に係る燃料電池システムの作用について詳細に説明する。
【００３９】
図７は、第２実施形態に係る燃料電池システムの、概略的な動作を示すフローチャートであり、図８は、図７に示すステップＳ３５の詳細な動作を示すフローチャートである。
【００４０】
初めに、図７のステップＳ３１において、要求出力が与えられると、ステップＳ３２において、制御部３１は、図２に示す第１マップに基づき、要求出力に対応する新規燃料の流量を決定する。即ち、第１燃料ポンプ１８より燃料改質器１５ａに供給する燃料流量を決定する。
【００４１】
ステップＳ３３において、制御部３１は、水蒸気流量センサＮ１により、燃料循環中の水蒸気流量を検出する。
【００４２】
ステップＳ３４において、制御部３１は、燃焼バーナ温度センサＴ１で検出される燃焼バーナガス温度Ｔab、及び改質温度センサＴ２で検出される改質温度Ｔrfを取得し、更に、燃料温度センサＴ３で検出される新規燃料の温度（第２燃料ポンプ２７より出力される燃料の温度）、及び空気温度センサＴ４で検出される空気温度（第２空気ブロワ１７より出力される空気の温度）を取得する。
【００４３】
ステップＳ３５において、制御部３１は、図８に示す処理により、排出燃料循環流量、第１循環排出燃料、燃料改質器１５ａに供給する新規空気量、燃焼バーナ１５ｂのカソードからの排気空気量、燃焼バーナ１５ｂに供給する新規燃料量、及び空気量を決定する。その後、ステップＳ３６において、制御部３１は、燃料電池１１の運転を実行する。
【００４４】
次に、図８に示すフローチャートを参照して、各運転条件を決定する手順について説明する。
【００４５】
初めに、ステップＳ５１において、改質温度Ｔrf＝ｘに設定する。次いで、ステップＳ５２において、排出燃料循環率Ｒｙ＝ｙに設定する。ステップＳ５３において、排出燃料循環分率Ｒｄ＝ｚに設定する。ステップＳ５４において、炭素流量に対する酸素流量の比率であるＯ2／Ｃ＝ｆに設定する。
【００４６】
その後、ステップＳ５５において、燃料改質に必要な要求熱量に対して、燃焼バーナ１５ｂからの熱流の供給は可能であるか否かを判断する。この処理では、検出した改質温度Ｔrfの条件において、排出燃料循環率Ｒｙ、排出燃料循環分率Ｒｄ、Ｏ2／Ｃを所定の数値に仮決めし、改質に必要な要求熱流に対して、燃焼バーナからの熱流の供給は可能であるか否かを判断する。
【００４７】
そして、熱流の供給が可能でない場合には（ステップＳ５５でＮＯ）、ステップＳ６５において、燃焼バーナ１５ｂに導入される燃料による燃焼熱は、十分な熱量であるか否かを判断する。即ち、第２燃料ポンプ２７より供給される燃料、及び第１分岐弁２５より分岐して燃焼バーナ１５ｂに供給される排出燃料による燃焼熱が十分な熱量であるか否かを判断する。
【００４８】
その結果、十分であると判断された場合には（ステップＳ６５でＹＥＳ）、ステップＳ６６において、燃焼バーナ１５ｂに供給する新規空気流量Ｂａ、及びカソード１１ａから燃焼バーナ１５ｂに導入される空気流量Ｅａを減少させて、燃焼バーナ１５ｂのガス温度を高温化することにより、改質要求熱流を満足できるか否かを判定する。
【００４９】
そして、満足できる場合には（ステップＳ６５でＹＥＳ）、ステップＳ６８において、改質要求熱流を満足できるようにＢａ、Ｅａを決定する。
【００５０】
一方、燃焼熱が十分でない場合（ステップＳ６５でＮＯ）、及びＥａ、Ｂａを減少させることにより改質要求熱流を満足させられない場合には（ステップＳ６６でＮＯ）、ステップＳ６７において、改質要求熱量を満足するＢｆ、Ｂａ、Ｅａを決定する。つまり、改質要求熱量を満足させられない場合には、第２燃料ポンプ２７より新規の燃料を燃焼バーナ１５ｂに供給することにより、改質要求熱量を満足するように発熱量を増大させる。
【００５１】
ステップＳ６７，Ｓ６８の処理が終了した場合、及びステップＳ５５の処理でＹＥＳと判定された場合には、ステップＳ５６に処理を進める。
【００５２】
ステップＳ５６において、燃料改質器１５ａで燃料を改質する上で炭素析出する可能性が無いか否かを判断する。この処理では、改質温度、排出燃料循環率、排出燃料循環分率、Ｏ2／Ｃに基づいて、周知の演算式を用いて燃料改質器１５ａにて炭素析出するか否かを判断する。そして、炭素析出する可能性が無いと判断された場合には（ステップＳ５６でＹＥＳ）、ステップＳ５７において、燃料電池システム全体の発電効率を算出する。発電効率は、周知の演算式を用いて算出することができる。
【００５３】
ステップＳ５８において、算出された発電効率は、最大値であるか否かを判定する。そして、最大値である場合には（ステップＳ５８でＹＥＳ）、ステップＳ５９において、各データをメモリ（図示省略）に記憶する。具体的には、改質温度ＴrfをＭＴrfとして記憶し、排出燃料循環率ＲｙをＭＲｙとして記憶し、排出燃料循環分率ＲｄをＭＲｄとして記憶し、Ｏ2／ＣをＭＯ2／Ｃとして記憶し、新規燃料流量ＢｆをＭＢｆとして記憶し、新規空気流量ＢａをＭＢａとして記憶し、空気流量ＥａをＭＥａとして記憶する。なお、上記の「Ｍ」はメモリされている数値を示している。
【００５４】
ステップＳ６０において、Ｏ2／Ｃが１以下であるか否かを判断し、１以下である場合には（ステップＳ６０でＹＥＳ）、ステップＳ６９において、ｆ＝ｆ＋Δｆとし、ステップＳ５４に処理を戻す。即ち、Ｏ2／Ｃの数値ｆを微小な数値Δｆだけ増加させて、ステップＳ５４からの処理を繰り返す。
【００５５】
ステップＳ６１において、排出燃料循環分率Ｒｄが１以下であるか否かを判断し、１以下である場合には（ステップＳ６１でＹＥＳ）、ステップＳ７０において、ｚ＝ｚ＋Δｚとし、ステップＳ５３に処理を戻す。即ち、Ｒｄの数値ｚを微小な数値Δｚだけ増加させて、ステップＳ５３からの処理を繰り返す。
【００５６】
ステップＳ６２において、排出燃料循環率Ｒｙが１以下であるか否かを判断し、１以下である場合には（ステップＳ６２でＹＥＳ）、ステップＳ７１において、ｙ＝ｙ＋Δｙとし、ステップＳ５２に処理を戻す。即ち、Ｒｙの数値ｙを微小な数値Δｙだけ増加させて、ステップＳ５２からの処理を繰り返す。
【００５７】
ステップＳ６３において、改質温度Ｔrfが最大値Ｔrfmax以下であるか否かを判断し、最大値Ｔrfmax以下である場合には（ステップＳ６３でＹＥＳ）、ステップＳ７２において、ｘ＝ｘ＋Δｘとし、ステップＳ５１に処理を戻す。即ち、Ｔrfの数値ｘを微小な数値Δｘだけ増加させて、ステップＳ５１からの処理を繰り返す。
【００５８】
そして、ステップＳ６０〜６３の処理でＮＯと判定された場合には、ステップＳ６４において、運転条件を、ＭＴrf、ＭＲｙ、ＭＲｄ、ＭＯ2／Ｃ、ＭＢｆ、ＭＢａ、ＭＥａに決定する。即ち、メモリに記憶されるデータは、最終的には最も発電効率の高い場合の条件となる数値が記憶されることになるので、この条件を運転条件として設定することにより、最も発電効率の高い条件で燃料電池システム１００を運転することが可能となる。
【００５９】
また、要求負荷の低負荷から高負荷への変動等により、直前の改質温度より高い温度で燃料を改質した方が効率が高くなる場合には、改質に必要な熱に加えて、改質器自体の温度上昇をさせる必要があるので、この温度上昇分についても改質要求熱流として考慮に入れることとする。
【００６０】
詳細には、改質温度をより高い温度まで変化させる場合には、一定同温度で改質させる場合に比べて、改質に必要な要求熱流は改質器の熱容量と直前の改質温度と目標改質温度の差分の積を要求熱流に加える。このことにより、車載用燃料電池システムの負荷追従性を高めることができる。
【００６１】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム１００では、前述した第１実施形態と同様に、第２分岐弁２６を設けることにより、循環するアノード排気ガスの一部（第２循環排出燃料）を燃料改質器１５ａの出口側に供給するようにしている。そして、燃料電池１１の要求出力が決定すると、この要求出力に応じて新規燃料流量（第１燃料ポンプ１８より送出される燃料流量）が決定され、更に、演算により、炭素析出せず、改質要求熱量が不足することがなく、且つ、最も効率が高くなる運転条件を設定することができる。
【００６２】
即ち、改質温度Ｔrf、排出燃料循環率Ｒｙ、排出燃料循環分率Ｒｄ、及びＯ2／Ｃを適宜変更しながら、発電効率が最も高くなる条件を演算により求め、この条件となるように、燃料電池システム１００を運転するので、炭素析出することなく、且つ高い効率で燃料電池システム１００を運転することができる。
【００６３】
また、第２分岐弁２６を備えることにより、第１循環排出燃料と第２循環排出燃料の分流比を変化させることができるので、車両に搭載する燃料電池のように、要求出力が変化する場合においても、この変化に対応して最適な効率に設定することが可能となる。
【００６４】
また、導入する燃料が高級炭素含有燃料（Ｃの比率が大きい燃料）の場合であっても、７００℃程度の温度で炭素析出せずに改質できる場合には、第１循環排出燃料流量を適切に制御することで、燃焼バーナ１５ｂに追加の燃料を導入することなく、高効率な運転を行うことができるが、炭素析出を抑制し且つ改質に必要な要求熱流を満足させるようにすると、制御範囲が狭いので制御が難しい。更には、より高級な炭素含有燃料の場合には、炭素析出を抑制するためにより高温で改質させる必要がある。
【００６５】
このため、本実施形態では、燃料電池１１から排出される空気流量Ｂａ、或いは燃焼バーナ１５ｂに導入する新規空流流量Ｂｆの流量を低減させて、循環せずに排出される燃料（第１分岐弁２５で分岐した排出燃料）と共に、燃焼バーナ１５ｂにて、より高温の燃焼ガスを生成させる。従って、改質に必要な熱流が十分に満足される場合には、排出燃料の循環量（即ち、排出燃料循環率Ｒｙ）を増加させて、アノード１１ａより排出される排出燃料を燃料改質器１５ａに循環させることにより、燃料改質器１５ａにて炭素析出させずに制御可能な範囲を広くすることが可能となり、制御が容易となる。
【００６６】
また、カソード１１ａより排出される空気流量、及び燃焼バーナ１５ｂに導入する新規空気流量の流量制御によっても、改質に必要な熱流を得られない場合には、第２燃料ポンプ２７より新規燃料を供給することにより、燃焼バーナ１５ｂにて改質温度よりも高い燃焼ガスをより多量に生成して、改質に必要な熱流を確保する。
【００６７】
その結果、導入する燃料がたとえ高級炭素含有燃料の場合であっても、炭素析出させることなく高効率な運転をさせることが可能となる。
【００６８】
［変形例の説明］
次に、上述した第１，第２実施形態の変形例について説明する。図９は、第１変形例に係る燃料電池システム１０１の構成を示すブロック図であり、図１に示した燃料電池システム１００に対して第２分岐弁２６を備えていない点で相違する。この変形例では、第１分岐弁２５の出口側の配管の長さ、及び径を所望のサイズに設定することにより、第１分岐弁２５より送出されるアノード排気ガスを、所望の排出燃料循環分率Ｒｄに設定する。即ち、排出燃料循環分率Ｒｄを変更する必要がない場合には、配管の長さ、径を初期的に設定することにより、第１循環排出燃料の流量、及び第２循環排出燃料の流量を決めることができるので、第２分岐弁２６を割愛することができる。
【００６９】
即ち、第１分岐弁２５の下流側に設けられる配管が、第２分岐手段としての機能を備えることができ、所望の比率でアノード排気ガスを分流させることができる。
【００７０】
図１０は、第２変形例に係る燃料電池システム１０２の構成を示すブロック図であり、図１に示した燃料電池システム１００に対して、カソード１１ａの出口配管経路に、排出弁（排出手段）４１が設けられている点で相違し、且つ、該排出弁４１より排出される排気ガスを熱源として燃料蒸発器１４に供給する点で相違している。そして、この燃料電池システム１０２では、カソード１１ａより排出される空気のうち一部を排出して燃焼バーナ１５ｂに供給するので、燃焼バーナ１５ｂで生成される燃焼ガスの温度調整を容易に行うことが可能となる。
【００７１】
図１１は、第３変形例に係る燃料電池システム１０３の構成を示すブロック図であり、図１に示した燃料電池システム１００に対して、アノード１１ｂの入口側に混合器４２が設けられている点で相違している。即ち、燃料改質器１５ａで改質された改質ガスと、第２分岐弁２６で分岐された第２循環排出燃料とを混合する機能を有する混合器４２を備えている。そして、混合器４２を用いることにより、改質ガスと第２循環排出燃料とを均一に混合させてアノード１１ｂに供給することができ、短時間で安定した発電とすることが可能となる。
【００７２】
混合器４２としては、混合を誘導させるガス拡散板や多孔体などが容器内に詰められていても良いし、エゼクタとして、新規燃料、及び空気を加圧して昇圧された改質ガスを用いて、第２循環排出燃料を引き込みながら混合することで、アノード１１ｂへ燃料を導入するための圧力を発生させても良い。
【００７３】
また、混合器４２として、改質器を用いることも可能である。改質器を用いる場合には、高温となった改質ガス（燃料改質器１５ａの送出ガス）と水蒸気を含む第２循環ガスとを混合、且つ断熱改質させて、水蒸気と燃料改質器１５ａにて未改質であった炭化水素と吸熱反応で、水素と一酸化炭素に分解させることができ、燃料電池１１中での炭素析出をさせ難くすることができる。
【００７４】
更に、この混合器４２を他の冷却媒体との熱交換をさせることにより、燃料電池１１に導入する燃料の持つ顕熱を低減させることができ、燃料改質器１５ａと、燃料電池１１との間の熱連動を分断させることで、発電時に発熱する燃料電池１１を温度調節することも可能となる。
【００７５】
次に、第４変形例について説明する。第４変形例は、前述した図１と同様の装置構成を備えており、更に、第１燃料ポンプ１８より供給される燃料の組成を検知する燃料組成検知手段（図示省略）を備えている。図１２は、第４変形例に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートであり、以下、第４変形例に係る燃料電池システムの処理動作について説明する。
【００７６】
初めに、図１２のステップＳ９０において、要求出力が与えられると、ステップＳ９１において、制御部３１は、燃料組成検知手段で検知される燃料中の組成（ＣＨ比）を取得し、更に、この組成に基づいて燃焼熱を求める。詳細には、ステップＳ９１１において、外部より給油のタイミングを検知し、ステップＳ９１２において燃料中のＣＨ比を検知し、ステップＳ９１３において、燃焼熱（エンタルピー）を予想する。
【００７７】
ステップＳ９２において、制御部３１は、燃料の燃焼熱に基づいて、新規燃料の流量を決定する。即ち、第１実施形態で説明した図２のステップＳ１２の処理と同様の処理を、燃料の燃焼熱を考慮した上で実行する。
【００７８】
ステップＳ９３において、制御部３１は、燃料中のＣＨ比と燃料電池１１の発電状況に基づき、循環ガス（アノード排出ガス）中の水蒸気流量を検知する。即ち、図２のステップＳ１３の処理と同様の処理を、燃料のＣＨ比、及び燃料電池１１の発電状況を考慮した上で実行する。
【００７９】
ステップＳ９４において、制御部３１は、図２のステップＳ１４と同様の処理を実行して、燃焼バーナ温度センサＴ１で検出される燃焼バーナガス温度Ｔab、改質温度Ｔrf、新規燃料の温度、空気温度を取得する。
【００８０】
ステップＳ９５において、制御部３１は、燃料中のＣＨ比から燃料改質器１５ａが炭素析出せず、最も高効率な運転条件を探索して、排出燃料循環流量、第１排出燃料循環流量、燃料改質器１５ａに供給する新規空気量、燃焼バーナ１５ｂに供給する新規燃料量を決定する。そして、ステップＳ９６において、制御部３１は、燃料電池１１の運転を実行する。
【００８１】
このように、第４変形例に係る燃料電池システムでは、逐次新規燃料の組成を検知して高効率な運転条件に設定するので、燃料の組成が変化する場合であっても（例えば、ガソリンの組成は地域毎に異なる場合がある）、高効率での運転が可能となる。
【００８２】
なお、燃料組成検知手段は、外部から給油するタイミングを検知して、導入する燃料のＣＨ比を燃料組成分析により検知する。燃料組成分析の手法としては、燃料と空気を燃焼させたときの燃焼前後のガス温度や、酸素濃度検知に基づいて測定する方法等を用いることができる。
【００８３】
以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、燃料電池システムを高効率で運転することに利用することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１１  燃料電池
１１ａ  カソード
１１ｂ  アノード
１２  第１空気ブロワ
１３  空気加熱熱交換器
１４  燃料蒸発器
１５  改質装置
１５ａ  燃料改質器
１５ｂ  燃焼バーナ
１５ｃ  熱交換器
１６  循環ブロワ
１７  第２空気ブロワ
１８  第１燃料ポンプ
２０  第３空気ブロワ
２１  第３燃料ポンプ
２２  燃料蒸発器
２３  空気分岐弁
２４  起動燃焼バーナ
２５  第１分岐弁（第１分岐手段）
２６  第２分岐弁（第２分岐手段）
２７  第２燃料ポンプ
３１  制御部
３２  記憶部
４１  排出弁（排出手段）
４２  混合器
１００，１０１，１０２，１０３  燃料電池システム
Ｎ１  水蒸気流量センサ
Ｔ１  燃焼バーナ温度センサ
Ｔ２  改質温度センサＴ２
Ｔ３  燃料温度センサ
Ｔ４  空気温度センサ
Ｒｄ  排出燃料循環分率
Ｒｙ  排出燃料循環率
Ｔab  燃焼バーナガス温度
Ｔrf  改質温度
【図１】
0005834527.tif 000002
【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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【図１１】
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【図１２】
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