(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池モジュール及び制御装置を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、
前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、
水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記水蒸気改質器に供給する蒸発器と、
を備え、
前記水蒸気改質器は、並列した前記部分酸化改質器と前記蒸発器との下流に位置するとともに、
前記制御装置は、前記燃料電池スタックへの要求出力に応じて該燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの炭素量を決定する炭素量決定部と、
前記水蒸気改質器の温度及び前記蒸発器の温度を検知する温度検知部と、
前記水蒸気改質器の温度に基づいて、水蒸気／炭素比の範囲を決定するＳ／Ｃ決定部と、
前記炭素量と前記水蒸気／炭素比とに基づいて、前記蒸発器への水供給量の範囲を決定する水供給量決定部と、
前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度であるか否かを判断する蒸発器作動状態判断部と、
前記蒸発器作動状態判断部により前記蒸発器の温度が前記設定された温度以上であると判断されると、前記部分酸化改質器に前記原燃料のみを供給する一方、前記水蒸気改質器に前記原燃料と混合された前記水蒸気を供給する制御を行う改質器制御部と、
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記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器制御部は、前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度であると判断された際、前記水蒸気改質器を制御する水蒸気改質器制御部と、
前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度ではないと判断された際、前記部分酸化改質器を制御する部分酸化改質器制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度であると判断された際、前記部分酸化改質器の改質準備を行うか否かを判断する改質準備判断部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池モジュール及び制御装置を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、
前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、
水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記水蒸気改質器に供給する蒸発器と、
を備え、
前記水蒸気改質器は、並列した前記部分酸化改質器と前記蒸発器との下流に位置するとともに、
前記制御装置は、前記燃料電池スタックへの要求出力に応じて該燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの炭素量を決定する炭素量決定部と、
前記水蒸気改質器の温度及び前記蒸発器の温度を検知する温度検知部と、
前記水蒸気改質器の温度に基づいて、水蒸気／炭素比の範囲を決定するＳ／Ｃ決定部と、
前記炭素量と前記水蒸気／炭素比とに基づいて、前記蒸発器への水供給量の範囲を決定する水供給量決定部と、
前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度であるか否かを判断する蒸発器作動状態判断部と、
前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度であると判断された際、前記部分酸化改質器の改質準備を行うか否かを判断する改質準備判断部と、
前記蒸発器作動状態判断部により前記蒸発器の温度が前記設定された温度以上であると判断されると、前記部分酸化改質器に前記原燃料のみを供給する一方、前記水蒸気改質器に前記原燃料と混合された前記水蒸気を供給する制御を行う改質器制御部と、
を備え、
前記改質器制御部は、前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度であると判断された際、前記水蒸気改質器を制御する水蒸気改質器制御部と、
前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度ではないと判断された際、前記部分酸化改質器を制御する部分酸化改質器制御部と、
を備え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、燃料電池モジュール及び制御装置を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料に、例えば、部分酸化改質や水蒸気改質を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
この場合、部分酸化改質器は、発熱反応であるため、比較的低温時に反応が開始されて起動性及び追従性に優れる一方、改質効率が低いという問題がある。
【０００５】
これに対して、水蒸気改質器は、改質効率が高い一方、吸熱反応であるため、低温時の起動性及び追従性が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の運転方法が知られている。この運転方法は、炭化水素ガスを含む複数種の改質用気体を混合する混合工程と、前記混合工程にて混合された複数種の改質用気体を改質触媒により水素含有ガスへ改質する改質工程と、前記改質工程にて得られた水素含有ガスを用いて固体電解質形燃料電池セルが発電する発電工程とを有する燃料電池の運転方法に関するものである。
【０００７】
そして、混合工程、改質工程又は発電工程が、予め設定された熱バランス条件で行われているか否かを監視し、前記予め設定された熱バランス条件で行われているときは、前記混合工程にて水蒸気を炭化水素ガスと混合した後、前記改質工程にて水蒸気改質を行わせ、且つ、前記予め設定された熱バランス条件で行われていないときは、前記混合工程にて酸素含有ガスを前記炭化水素ガスと混合した後、前記改質工程にて部分酸化改質を行わせることを特徴としている。
【０００８】
この運転方法では、熱バランスが最適状態から変化した場合には、水蒸気改質から部分酸化改質に切り替えることにより水蒸気なしで改質を行うことができ、炭素析出を防止できる、としている。さらに、部分酸化改質は発熱反応であるため、低下した温度を再び上昇させることができ、熱バランスの最適状態への回復にも寄与し、燃料電池の運転中に種々の要因により熱バランスが最適状態を充足せず、改質工程のための熱量が不足したとき、部分酸化改質に切り替えることで熱量不足を補い、調整することができる、としている。また、改質方法を切り替えることにより熱バランスの大きな変動を防止することができ、燃料電池発電の出力不安定を解消できる、としている。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料電池セルに供給する燃料ガスの水蒸気改質を行う改質器と、前記改質器に水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段を制御する制御手段とを備えている。
【００１０】
水供給手段は、改質器に供給する水を貯水する貯水タンクと、前記貯水タンクに貯水された水を前記改質器に圧送するポンプと、前記ポンプによる前記改質器への水の供給量を検出する流量検出手段と、前記改質器内の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段とを有している。そして、制御手段は、少なくとも起動時において、ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始した後に、圧力検出手段の検出結果に基づいて改質器への水供給の有無を判定する水供給判定処理を実行している。
【００１１】
特許文献２では、貯水タンクから改質器へと水を圧送するポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて圧送を開始した後に、圧力検出手段の検出結果に基づいて改質器への水供給の有無を判定する水供給判定処理を行っている。この水供給判定処理により、流量検出手段の検出値に関係なく圧力検出手段の検出値によって改質器への水供給の有無を判定できるので、供給される水量の多少に拘らず改質器への水供給の有無を判断することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−１７９７５６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３８５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記の特許文献１では、発電量の検出値を熱バランス条件のパラメータとして用いており、発電量が設定値未満になった際、水蒸気改質から部分酸化改質に切り替えて燃料電池内部の温度上昇を図っている。このため、水蒸気改質による運転範囲が狭くなり、高効率の出力を良好に得ることができないという問題がある。しかも、炭素析出は、水蒸気／炭素（Ｓ／Ｃ）比と改質器の温度とに基づいて決定されるが、特許文献１では、この関係が考慮されておらず、炭素析出を良好に抑制することが困難になる。
【００１４】
また、上記の特許文献２では、起動時に改質器への水供給の有無を判断するものであり、部分酸化改質と水蒸気改質との選択的運転の制御については開示されていない。従って、高効率の出力を良好に得ることができないという問題がある。
【００１５】
しかも、供給される水が不足した際には、運転不能な状態となってしまうという問題がある。さらに、炭素析出は、水蒸気／炭素（Ｓ／Ｃ）比と改質器の温度とに基づいて決定されるが、この関係が考慮されておらず、炭素析出を良好に抑制することが困難になる。
【００１６】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、起動性及び追従性と効率とを良好に維持するとともに、耐久性の向上を図ることが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】
【００１７】
本発明は、燃料電池モジュール及び制御装置を備える燃料電池システムに関するものである。この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記水蒸気改質器に供給する蒸発器とを備えている。
【００１８】
そして、水蒸気改質器は、並列した部分酸化改質器と蒸発器との下流に位置するとともに、制御装置は、燃料電池スタックへの要求出力に応じて前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスの炭素量を決定する炭素量決定部と、水蒸気改質器の温度及び蒸発器の温度を検知する温度検知部と、前記水蒸気改質器の温度に基づいて、水蒸気／炭素比の範囲を決定するＳ／Ｃ決定部と、前記炭素量と前記水蒸気／炭素比とに基づいて、前記蒸発器への水供給量の範囲を決定する水供給量決定部と、前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度であるか否かを判断する蒸発器作動状態判断部と、前記蒸発器作動状態判断部により前記蒸発器の温度が前記設定された温度以上であると判断されると、前記部分酸化改質器に前記原燃料のみを供給する一方、前記水蒸気改質器に前記原燃料と混合された前記水蒸気を供給する制御を行う改質器制御部とを備えている。
【００１９】
また、この燃料電池システムでは、改質器制御部は、蒸発器の温度が水供給量の範囲に基づいて設定された温度であると判断された際、水蒸気改質器を制御する水蒸気改質器制御部と、前記蒸発器の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度ではないと判断された際、部分酸化改質器を制御する部分酸化改質器制御部とを備えることが好ましい。
【００２０】
このため、蒸発器の温度が、水供給量の範囲に基づいて設定された温度である際には、高効率な水蒸気改質器を使用することができる。従って、燃料電池モジュールの高効率化が容易に図られる。
【００２１】
一方、蒸発器の温度が、水供給量の範囲に基づいて設定された温度でない際には、起動性及び応答性に優れる部分酸化改質器を使用することが可能になる。これにより、燃料電池モジュールの起動性及び応答性が良好に向上する。
【００２２】
さらに、この燃料電池システムでは、制御装置は、蒸発器の温度が水供給量の範囲に基づいて設定された温度であると判断された際、部分酸化改質器の改質準備を行うか否かを判断する改質準備判断部を備えることが好ましい。このため、水蒸気改質器の作動範囲を超えるおそれがある場合にも、部分酸化改質器により補うことができる。従って、負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇を抑制することができ、燃料電池モジュールの耐久性が良好に向上する。
【００２３】
さらにまた、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましい。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、燃料ガス、水蒸気改質器、蒸発器、水蒸気／炭素比及び水供給量の状況に応じて、高効率な前記水蒸気改質器と起動性及び応答性に優れる部分酸化改質器とを良好に使い分けることができる。このため、燃料電池モジュールは、高効率の機能と起動性及び応答性の機能とを両立させることが可能になる。
【００２５】
しかも、燃料電池スタックの負荷変動等により、水蒸気改質器の作動範囲を超えるおそれがある場合にも、部分酸化改質器により補うことができる。従って、低出力及び負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇及び炭素析出を抑制することができ、燃料電池モジュールの耐久性が良好に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成するＦＣ周辺機器の要部斜視説明図である。
【図３】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池システムの起動から発電までの動作を説明するフローチャートである。
【図５】前記燃料電池システムの負荷変動運転の動作を説明するフローチャートである。
【図６】水蒸気改質器の温度とＳ／Ｃとの関係説明図である。
【図７】蒸発器の温度と前記蒸発器への水供給量との関係説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００２８】
燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２０とを備える。
【００２９】
燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２２が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２４を備える。燃料電池２２は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質２６の両面に、カソード電極２８及びアノード電極３０が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３２を備える。
【００３０】
電解質・電極接合体３２の両側には、カソード側セパレータ３４とアノード側セパレータ３６とが配設される。カソード側セパレータ３４には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が形成されるとともに、アノード側セパレータ３６には、アノード電極３０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０が形成される。なお、燃料電池２２としては、従来より使用されている種々のＳＯＦＣを用いることができる。
【００３１】
燃料電池スタック２４には、各酸化剤ガス流路３８の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、前記酸化剤ガス流路３８の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、各燃料ガス流路４０の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４４ａ、及び前記燃料ガス流路４０の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４４ｂとが設けられる。
【００３２】
燃料電池モジュール１２は、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器（ＰＯＸ）４５と、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器（ＳＲ）４６と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気改質器４６に供給する蒸発器４８と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器５０と、前記燃料電池スタック２４から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器５２とを備える。
【００３３】
燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とにより構成される。このＦＣ周辺機器５６は、部分酸化改質器４５、水蒸気改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０及び排ガス燃焼器５２を備えるとともに、後述するように、前記水蒸気改質器４６、前記熱交換器５０及び前記排ガス燃焼器５２間には、排ガス用の配管を設けていない。
【００３４】
ＦＣ周辺機器５６では、熱交換器５０内には、排ガス燃焼器５２が一体に設けられるとともに、水蒸気改質器４６は、前記熱交換器５０の一端に隣接して設けられる。
【００３５】
図２及び図３に示すように、熱交換器５０は、立位姿勢に配置されており、後述するように、酸化剤ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。水蒸気改質器４６は、立位姿勢に配置されており、改質ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。熱交換器５０の一方の側部（一端）には、水蒸気改質器４６が直接装着される。水蒸気改質器４６及び熱交換器５０（排ガス燃焼器５２を含む）は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。
【００３６】
熱交換器５０及び水蒸気改質器４６の下方には、蒸発器４８、部分酸化改質器４５及び都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器５８が配設される。
【００３７】
水蒸気改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主としてメタン（ＣＨ４）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
【００３８】
燃料電池２２は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極３０では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯが電解質２６の前記アノード電極３０側に供給される。
【００３９】
部分酸化改質器４５は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
【００４０】
図１に示すように、脱硫器５８の入口には、原燃料供給装置１４を構成する原燃料通路６０ａが接続されるとともに、前記脱硫器５８の出口には、原燃料供給路６０ｂが接続される。この原燃料供給路６０ｂは、部分酸化改質器４５の混合ガス入口６１ａに連通する一方、前記部分酸化改質器４５の燃料ガス出口６１ｂに連通する燃料ガス管路６０ｃは、水蒸気改質器４６の混合ガス供給室（混合ガス入口）６２ａに接続される。
【００４１】
図２及び図３に示すように、混合ガス供給室６２ａは、複数の改質管路６４の下端側に連通するとともに、前記改質管路６４の上端側に燃料ガス排出室（燃料ガス出口）６２ｂが連通する。燃料ガス排出室６２ｂには、燃料ガス通路６６の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路６６の他端が燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１参照）。各改質管路６４には、改質用にペレット状の触媒（図示せず）が充填、又は、粒子状の触媒（図示せず）が担持されている。
【００４２】
各改質管路６４間には、加熱空間６８が形成される。この加熱空間６８には、排ガス配管７０ａの一端が開口される一方、図１に示すように、前記排ガス配管７０ａの他端は、蒸発器４８の加熱路７２の入口に接続される。蒸発器４８の加熱路７２の出口には、排気配管７０ｂが接続される。
【００４３】
蒸発器４８の水入口７３ａには、水供給装置１８を構成する水通路７４ａが接続され、この水通路７４ａを流通する水は、加熱路７２に沿って流通する排ガスにより加熱され、水蒸気が発生する。蒸発器４８の水蒸気出口７３ｂには、水蒸気管路７４ｂの一端が接続されるとともに、前記水蒸気管路７４ｂの他端は、燃料ガス管路６０ｃに対して部分酸化改質器４５の下流の位置に合流する。なお、合流部位には、例えば、エゼクタ（図示せず）が配設され、燃料ガス管路６０ｃを原燃料（又は改質ガス）が流通することにより、水蒸気管路７４ｂから前記燃料ガス管路６０ｃに水蒸気が吸引される。
【００４４】
図３に示すように、熱交換器５０は、下部側に酸化剤ガス供給室７６ａが設けられるとともに、上部側に酸化剤ガス排出室７６ｂが設けられる。酸化剤ガス供給室７６ａと酸化剤ガス排出室７６ｂとには、複数の酸化剤ガス管路７８の両端が連通する。
【００４５】
酸化剤ガス供給室７６ａには、第１酸化剤ガス供給路８０ａの一端が配設される。酸化剤ガス排出室７６ｂには、酸化剤ガス通路８２の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路８２の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続される（図１参照）。
【００４６】
熱交換器５０の内部には、複数の酸化剤ガス管路７８が収容された空間からなるとともに、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４が形成される。燃焼室８４は、燃料ガス（具体的には、燃料排ガス）と酸化剤ガス（具体的には、酸化剤排ガス）との燃焼反応により、酸化剤ガスを昇温させる熱源として機能する。
【００４７】
燃焼室８４には、酸化剤ガス排出室７６ｂ側から酸化剤排ガス通路８６の一端と燃料排ガス通路８８の一端とが配置される。図１に示すように、酸化剤排ガス通路８６の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに接続されるとともに、燃料排ガス通路８８の他端は、前記燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔４４ｂに接続される。
【００４８】
図３に示すように、水蒸気改質器４６と熱交換器５０との間には、壁板（壁部）９０が配設される。水蒸気改質器４６のフランジ部９２と熱交換器５０のフランジ部９４との間に、壁板９０が挟持されるとともに、これらが複数のボルト９６及びナット９７により一体的に固定される。壁板９０には、熱交換器５０の燃焼室８４に発生した燃焼ガスを、水蒸気改質器４６の加熱空間６８に供給するための開口部９８が形成される。
【００４９】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路１００から熱交換器５０と部分酸化改質器４５とに、すなわち、第１酸化剤ガス供給路８０ａと第２酸化剤ガス供給路８０ｂとに、分配する酸化剤ガス調整弁（酸化剤ガス分配機構）１０２を備える。第２酸化剤ガス供給路８０ｂは、原燃料供給路６０ｂに対し、脱硫器５８と部分酸化改質器４５との間に位置して連通する。
【００５０】
制御装置２０は、燃料電池スタック２４への要求出力に応じて前記燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスの炭素量を決定する炭素量決定部１１０と、水蒸気改質器４６の温度及び蒸発器４８の温度を検知する温度検知部１１２と、前記水蒸気改質器４６の温度に基づいて、水蒸気／炭素（Ｓ／Ｃ）比の範囲を決定するＳ／Ｃ決定部１１４と、前記炭素量と前記水蒸気／炭素比とに基づいて、前記蒸発器４８への水供給量の範囲を決定する水供給量決定部１１６と、前記蒸発器４８の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度であるか否かを判断する蒸発器作動状態判断部１１８と、前記蒸発器作動状態判断部１１８の判断結果に基づいて、前記水蒸気改質器４６及び部分酸化改質器４５を制御する改質器制御部１２０と、部分酸化改質器４５の改質準備を行うか否かを判断する改質準備判断部１２２とを備える。
【００５１】
改質器制御部１２０は、蒸発器４８の温度が水供給量の範囲に基づいて設定された温度であると判断された際、水蒸気改質器４６を制御する水蒸気改質器制御部１２４と、前記蒸発器４８の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度ではないと判断された際、部分酸化改質器４５を制御する部分酸化改質器制御部１２６とを備える。
【００５２】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、図４以降のフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００５３】
先ず、燃料電池システム１０の起動時には、酸化剤ガス調整弁１０２の開度が設定される（ステップＳ１）。具体的には、部分酸化改質に必要な空気（酸化剤ガス）及び原燃料、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等が投入されるように（ステップＳ２）、原燃料供給装置１４が駆動されるとともに、酸化剤ガス調整弁１０２の開度が調整される。部分酸化改質の制御は、空燃比（Ｏ２／Ｃ）（投入空気中の酸素モル数／投入原燃料中のカーボンモル数）により行われ、部分酸化改質器４５には、空気と原燃料とが最適空燃比量で導入される。
【００５４】
原燃料供給装置１４では、原燃料通路６０ａに供給された原燃料が、脱硫器５８で脱硫された後、原燃料供給路６０ｂを流通して部分酸化改質器４５の混合ガス入口６１ａに供給される。一方、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス通路１００に供給された空気は、酸化剤ガス調整弁１０２を介して第１酸化剤ガス供給路８０ａと第２酸化剤ガス供給路８０ｂとにそれぞれ所定の量ずつ分配される。第２酸化剤ガス供給路８０ｂに分配された空気は、原燃料供給路６０ｂで原燃料に混合されて部分酸化改質器４５の混合ガス入口６１ａに供給される。
【００５５】
このため、部分酸化改質器４５による部分酸化改質が開始される（ステップＳ３）。例えば、Ｏ２／Ｃ＝０．５に設定されると、２ＣＨ４＋Ｏ２→４Ｈ２＋２ＣＯとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器４５から高温（約６００℃）の還元ガスが発生する。
【００５６】
高温の還元ガスは、図２及び図３に示すように、燃料ガス管路６０ｃを通って水蒸気改質器４６の混合ガス供給室６２ａに供給された後、複数の改質管路６４内を下端側から上端側に移動する。そして、高温の還元ガスは、一旦燃料ガス排出室６２ｂに供給された後、燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１参照）。
【００５７】
燃料電池スタック２４では、高温の還元ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路８８に排出される。このように、部分酸化改質器４５から発生した高温の還元ガスにより、水蒸気改質器４６及び燃料電池スタック２４が加温される。
【００５８】
一方、燃料排ガス通路８８は、図３に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に燃料ガスが導入される。燃焼室８４では、還元ガス（燃料ガス）と酸化剤ガスとが、図示しないイグナイターやグロー等の着火装置により着火されて燃焼ガスが発生する（ステップＳ４）。
【００５９】
燃焼室８４に発生した燃焼ガスは、熱交換器５０を加温するとともに、第１酸化剤ガス供給路８０ａから供給される空気を加温する。さらに、燃焼ガスは、壁板９０に形成された開口部９８を介して水蒸気改質器４６の加熱空間６８に移動する。これにより、水蒸気改質器４６が加温される。加熱空間６８には、排ガス配管７０ａが配設されており、この排ガス配管７０ａは、蒸発器４８の加熱路７２に連通している。このため、燃焼ガスは、蒸発器４８を昇温させた後、排気配管７０ｂから排出される。
【００６０】
次いで、ステップＳ５に進んで、水蒸気改質器４６が設定温度Ｔ１以上であり、且つ蒸発器４８が設定温度Ｔ２以上であるか否かが判断される。設定温度Ｔ１は、例えば、５５０℃であり、設定温度Ｔ２は、例えば、１５０℃である。水蒸気改質器４６が設定温度Ｔ１以上であり、且つ蒸発器４８が設定温度Ｔ２以上であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。
【００６１】
このステップＳ６では、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応に移行させるために、酸化剤ガス調整弁１０２の開度が調整されるとともに、水供給装置１８が駆動される。酸化剤ガス調整弁１０２の開度調整により、第２酸化剤ガス供給路８０ｂへの空気の供給が停止される一方、第１酸化剤ガス供給路８０ａから熱交換器５０に供給される空気量が増量される。従って、部分酸化改質器４５には、原燃料のみが供給されるため、部分酸化反応が惹起されず、前記原燃料は、燃料ガス管路６０ｃに供給される。
【００６２】
その際、水供給装置１８では、蒸発器４８に水が供給される。蒸発器４８で蒸発された水は、水蒸気管路７４ｂから燃料ガス管路６０ｃに供給され、原燃料と混合されて混合ガス供給室６２ａに供給される。
【００６３】
図２及び図３に示すように、混合ガス供給室６２ａに供給された原燃料と水蒸気との混合ガスは、複数の改質管路６４内を下端側から上端側に移動する。その間に、混合ガスは、加熱空間６８に導入された燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状の触媒を介して水蒸気改質され、Ｃ２＋の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス及び、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯとなる水蒸気改質反応が発生する（ステップＳ７）。
【００６４】
この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦燃料ガス排出室６２ｂに供給された後、燃料ガス通路６６を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１参照）。
【００６５】
燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路８８に排出される。燃料排ガス通路８８は、図３に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に燃料ガスが導入される。
【００６６】
一方、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス調整弁１０２を介して第１酸化剤ガス供給路８０ａに空気が供給され、この空気は、熱交換器５０の酸化剤ガス供給室７６ａに導入される。
【００６７】
図３に示すように、酸化剤ガス供給室７６ａに導入された空気は、複数の酸化剤ガス管路７８内を下端側から上端側に移動する間に、燃焼室８４に導入された燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。加熱された空気は、一旦酸化剤ガス排出室７６ｂに供給された後、酸化剤ガス通路８２を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される（図１参照）。
【００６８】
燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３８を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス通路８６に排出される。酸化剤排ガス通路８６は、図３に示すように、排ガス燃焼器５２を構成する燃焼室８４に開口しており、前記燃焼室８４に空気が導入される。
【００６９】
上記のように、燃料電池スタック２４は、加熱された空気及び加熱された燃料ガスが流通することにより、昇温される。そして、ステップＳ８に進んで、燃料電池スタック２４が発電可能な状態であるか否かが判断される。具体的には、燃料電池２２のＯＣＶ（開回路電圧）が測定され、前記ＯＣＶが所定の値に至った際、燃料電池スタック２４の発電が可能であると判断する（ステップＳ８中、ＹＥＳ）。これにより、燃料電池スタック２４は、発電が開始される（ステップＳ９）。
【００７０】
燃料電池スタック２４の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路３８を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４０を流通する。従って、各燃料電池２２のカソード電極２８に空気が供給されるとともに、アノード電極３０に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。
【００７１】
反応に使用された空気（未反応の空気を含む）は、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス通路８６に排出される。また、反応に使用された燃料ガス（未反応の燃料ガスを含む）は、燃料排ガスとして燃料排ガス通路８８に排出される。酸化剤排ガス及び燃料排ガスは、排ガス燃焼器５２に送られて燃焼される。排ガス燃焼器５２内では、燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室８４で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される。
【００７２】
次いで、燃料電池システム１０による負荷変動運転の動作について、図５のフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００７３】
先ず、燃料電池スタック２４への要求出力に基づいて、炭素量決定部１１０により燃料ガスの炭素量Ｃが決定された後（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２に進む。このステップＳ１０２では、温度検知部１１２が、図示しない温度センサにより、水蒸気改質器４６の温度ＴＲ及び蒸発器４８の温度ＴＥを検知する。
【００７４】
ステップＳ１０３では、Ｓ／Ｃ決定部１１４が、水蒸気改質器４６の温度ＴＲに基づいて、水蒸気／炭素（Ｓ／Ｃ）比の範囲を決定する。図６に示すように、水蒸気／炭素比は、理論値（１．０）以上で且つ水蒸気供給限界領域以下のＳ／Ｃ領域に設定される。水蒸気改質器４６の温度ＴＲは、触媒反応限界領域と触媒耐熱限界領域との間の温度領域に設定される。さらに、上記のＳ／Ｃ領域及び温度領域から炭素析出領域を除外した領域内に設定される。
【００７５】
次に、ステップＳ１０４に進んで、水供給量決定部１１６は、炭素量Ｃと水蒸気／炭素比とに基づいて、蒸発器４８への水供給量ＱＷの範囲を決定する。そして、ステップＳ１０５に進み、蒸発器作動状態判断部１１８は、蒸発器４８の温度ＴＥが、決定された水供給量ＱＷの範囲に基づいて設定された温度ＴＥ範囲であるか否かを判断する。図７に示すように、水供給量ＱＷと蒸発器４８の温度ＴＥとの関係は、蒸発器ラインとして予め設定されており、前記蒸発器ライン上でのこれらの交点が蒸発器作動領域内にあるか否かが判断される。
【００７６】
ステップＳ１０５では、蒸発器作動状態判断部１１８は、蒸発器４８の温度ＴＥが、決定された水供給量ＱＷの範囲に基づいて設定された温度ＴＥ範囲であると判断すると（ステップＳ１０５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、改質準備判断部１２２は、部分酸化改質器４５の改質準備を行うか否かを判断する。
【００７７】
一方、蒸発器４８の温度ＴＥが、決定された水供給量ＱＷの範囲に基づいて設定された温度ＴＥ範囲でないと判断すると（ステップＳ１０５中、ＮＯ）、ステップＳ１０７に進む。このステップＳ１０７では、改質器制御部１２０を構成する部分酸化改質器制御部１２６により部分酸化改質器４５が制御され、部分酸化改質反応による処理が遂行される。
【００７８】
ステップＳ１０６では、部分酸化改質器４５の改質準備を行うと判断された際（ステップＳ１０６中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０８に進む。このステップＳ１０８では、改質器制御部１２０を構成する水蒸気改質器制御部１２４により水蒸気改質器４６が制御され、水蒸気改質反応による処理が遂行される。さらに、ステップＳ１０９に進んで、部分酸化改質器制御部１２６により部分酸化改質器４５が制御され、部分酸化改質反応による処理が遂行される。
【００７９】
また、部分酸化改質器４５の改質準備を行わないと判断された際（ステップＳ１０６中、ＮＯ）、ステップＳ１１０に進む。このステップＳ１１０では、水蒸気改質器制御部１２４により水蒸気改質器４６が制御される。
【００８０】
この場合、本実施形態では、図１に示すように、燃料電池モジュール１２は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池２２を複数積層した燃料電池スタック２４と、炭化水素を主体とする原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器４５と、前記原燃料と水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器４６と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記水蒸気改質器４６に供給する蒸発器４８とを備えている。
【００８１】
そして、制御装置２０は、燃料電池スタック２４への要求出力に応じて前記燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスの炭素量を決定する炭素量決定部１１０と、水蒸気改質器４６の温度及び蒸発器４８の温度を検知する温度検知部１１２と、前記水蒸気改質器４６の温度に基づいて、水蒸気／炭素比の範囲を決定するＳ／Ｃ決定部１１４と、前記炭素量と前記水蒸気／炭素比とに基づいて、前記蒸発器４８への水供給量の範囲を決定する水供給量決定部１１６と、前記蒸発器４８の温度が前記水供給量の範囲に基づいて設定された温度であるか否かを判断する蒸発器作動状態判断部１１８と、前記蒸発器作動状態判断部１１８の判断結果に基づいて、前記水蒸気改質器４６及び前記部分酸化改質器４５を制御する改質器制御部１２０とを備えている。
【００８２】
このため、燃料ガス、水蒸気改質器４６、蒸発器４８、水蒸気／炭素比及び水供給量ＱＷの状況に応じて、高効率な前記水蒸気改質器４６と起動性及び応答性に優れる部分酸化改質器４５とを良好に使い分けることができる。従って、燃料電池モジュール１２は、高効率の機能と起動性及び応答性の機能とを両立させることが可能になる。
【００８３】
しかも、燃料電池スタック２４の負荷変動等により、水蒸気改質器４６の作動範囲を超えるおそれがある場合にも、部分酸化改質器４５により補うことができる。これにより、負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇を抑制することができ、燃料電池モジュール１２の耐久性が良好に向上する。
【００８４】
また、改質器制御部１２０は、蒸発器４８の温度ＴＥが水供給量ＱＷの範囲に基づいて設定された温度であると判断された際、水蒸気改質器４６を制御する水蒸気改質器制御部１２４と、前記蒸発器４８の温度ＴＥが前記水供給量ＱＷの範囲に基づいて設定された温度ではないと判断された際、部分酸化改質器４５を制御する部分酸化改質器制御部１２６とを備えている。
【００８５】
このため、蒸発器４８の温度ＴＥが、水供給量ＱＷの範囲に基づいて設定された温度である際には、高効率な水蒸気改質器４６を使用することができる。従って、燃料電池モジュール１２の高効率化が容易に図られる。
【００８６】
一方、蒸発器４８の温度ＴＥが、水供給量ＱＷの範囲に基づいて設定された温度でない際には、起動性及び応答性に優れる部分酸化改質器４５を使用することが可能になる。これにより、燃料電池モジュール１２の起動性及び応答性が良好に向上する。
【００８７】
さらに、制御装置２０は、蒸発器４８の温度ＴＥが水供給量ＱＷの範囲に基づいて設定された温度であると判断された際、部分酸化改質器４５の改質準備を行うか否かを判断する改質準備判断部１２２を備えている。このため、水蒸気改質器４６の作動範囲を超えるおそれがある場合にも、部分酸化改質器４５により補うことができる。従って、負荷変動に追従することが可能になるとともに、改質不足に起因する燃料枯渇を抑制することができ、燃料電池モジュール１２の耐久性が良好に向上する。
【００８８】
さらにまた、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュールである。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型の燃料電池２２に最適である。
【符号の説明】
【００８９】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池モジュール
１４…原燃料供給装置                １６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置                    ２０…制御装置
２２…燃料電池                      ２４…燃料電池スタック
２６…電解質                        ２８…カソード電極
３０…アノード電極                  ３８…酸化剤ガス流路
４０…燃料ガス流路                  ４５…部分酸化改質器
４６…水蒸気改質器                  ４８…蒸発器
５０…熱交換器                      ５２…排ガス燃焼器
５６…ＦＣ周辺機器                  ５８…脱硫器
６０ａ…原燃料通路                  ６０ｂ…原燃料供給路
６０ｃ…燃料ガス管路                ６１ａ…混合ガス入口
６１ｂ…燃料ガス出口                ６２ａ…混合ガス供給室
６２ｂ…燃料ガス排出室              ６４…改質管路
６６…燃料ガス通路                  ６８…加熱空間
７０ａ…排ガス配管                  ７０ｂ…排気配管
７２…加熱路                        ７３ａ…水入口
７３ｂ…水蒸気出口                  ７４ａ…水通路
７４ｂ…水蒸気通路                  ７６ａ…酸化剤ガス供給室
７６ｂ…酸化剤ガス排出室            ７８…酸化剤ガス管路
８０ａ、８０ｂ…酸化剤ガス供給路    ８２、１００…酸化剤ガス通路
８４…燃焼室                        ８６…酸化剤排ガス通路
８８…燃料排ガス通路                ９０…壁板
９８…開口部                        １０２…酸化剤ガス調整弁
１１０…炭素量決定部                １１２…温度検知部
１１４…Ｓ／Ｃ決定部                １１６…水供給量決定部
１１８…蒸発器作動状態判断部        １２０…改質器制御部
１２２…改質準備判断部              １２４…水蒸気改質器制御部
１２６…部分酸化改質器制御部
【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】
0005763405.tif 000006
【図６】
0005763405.tif 000007
【図７】
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