(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルを積層して構成されるセルスタックであって、水素ガス流路を介して供給される水素含有ガスと、空気予熱流路を介して供給される酸素含有ガスとを用いて発電するセルスタックと、
前記セルスタックで消費されなかった前記水素含有ガス及び前記酸素含有ガスを燃焼する燃焼部と、
前記燃焼部に排ガス流路を介して連通され、当該排ガス流路を通って供給される気体との熱交換により、供給される水を用いて水蒸気を生成する改質水気化器と、
前記改質水気化器に改質水蒸気管を介して連通され、当該改質水蒸気管を通って供給される前記水蒸気と、燃料ガス流路を介して供給される燃料ガスとを混合した混合ガスを生成するガス混合器あって、前記燃焼部の上部に配置されるガス混合器と、
前記ガス混合器に連通され、前記混合ガスを改質して前記水素含有ガスを生成し、当該水素含有ガスを前記セルスタックに前記水素ガス流路を介して供給する改質器であって、前記ガス混合器と接して前記燃焼部の上部に配置される改質器と、
前記排ガス流路を通って供給される気体を加熱する加熱部と、
前記空気予熱流路を介して前記セルスタックに前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、
前記改質水気化器に前記水を供給する水供給装置と、
前記燃焼が起こる前に前記酸素含有ガスを前記酸素含有ガス供給装置に供給させると共に、前記加熱部を加熱させ、前記改質水気化器が気化できる状態になってから前記水供給装置に前記水を供給させる制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記加熱部を加熱させてから所定時間の経過に応じて前記水供給装置に前記水を供給させる制御を行う請求項1に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記気体が所定の温度になると、前記水供給装置に前記水を供給させる制御を行う請求項1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、燃料電池システム、及び燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代発電システムとして、水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池モジュールが知られている。この燃料電池モジュールには、その容器内に燃料電池セルが収納されている。また、燃料電池セルの温度が上げられると、電流密度あたりのセル電圧も上昇する。これにより、燃料電池セルの発電効率も高くなる。一方、燃料電池セルの温度が高くなりすぎると、耐久性が低下する。このため、燃料電池セルは、適切な温度範囲に維持されることが必要である。
【０００３】
また、燃料電池セルに供給する水素含有ガスは、改質器で生成されている。この改質器では、燃料電池セルで消費されなったガスの燃焼で生じる排ガスの熱が利用されている。すなわち、改質器では、排ガスの熱を用いて水蒸気改質法により、原燃料であるメタン（ＣＨ４）等の炭化水素と、水蒸気とが反応させられている。この反応で、水素や一酸化炭素（ＣＯ）が生成されている。一方で、排ガスの燃焼熱量が低下すると、改質器の温度が低下する。これにより、改質器で改質されないメタン等の量が増加する。この改質されなかったメタンは、燃料電池セル内で吸熱を伴う改質反応を起こし、発電効率を低下させてしまう。
【０００４】
さらにまた、水蒸気改質法では、メタン等の炭素量に比べて、水蒸気量がモル比で２倍よりも少なくなると、炭素が析出される。この炭素析出は、カーボンコーキングと呼ばれる。カーボンコーキングが発生すると、水素や一酸化炭素の燃料電池セルへの供給量が減少するので、発電効率を低下させるとともに、燃料電池セルを劣化させる恐れがある。このため、モル比で燃料炭素量の２倍以上の水蒸気量を安定的に供給する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２５１３０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、発電効率を向上可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルを積層して構成されるセルスタックであって、水素ガス流路を介して供給される水素含有ガスと、空気予熱流路を介して供給される酸素含有ガスとを用いて発電するセルスタックと、前記セルスタックで消費されなかった前記水素含有ガス及び前記酸素含有ガスを燃焼する燃焼部と、前記燃焼部に排ガス流路を介して連通され、当該排ガス流路を通って供給される気体との熱交換により、供給される水を用いて水蒸気を生成する改質水気化器と、前記改質水気化器に改質水蒸気管を介して連通され、当該改質水蒸気管を通って供給される前記水蒸気と、燃料ガス流路を介して供給される燃料ガスとを混合した混合ガスを生成するガス混合器あって、前記燃焼部の上部に配置されるガス混合器と、前記ガス混合器と連通され、前記混合ガスを改質して前記水素含有ガスを生成し、当該水素含有ガスを前記セルスタックに前記水素ガス流路を介して供給する改質器であって、前記ガス混合器と接して前記燃焼部の上部に配置される改質器と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の効果は、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図３】第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図４】第５実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図５】第６実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図６】第７実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図７】第８実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図８】第９実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図９】第１０実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１１】
（第１実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池システムは、改質器とガス混合器とをセルスタックと同程度の大きさの形状に結合させることで、セルスタックで消費されなかった酸素含有ガス及び水素含有ガスをより効率的燃焼させようとしたものである。
【００１２】
（構成）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示す概略図である。燃料電池システム１は、炭化水素系の燃料を改質して生成された水素含有ガス及び酸素含有ガスを用いて発電を行う。より具体的には、燃料電池システム１は、燃料ガス供給装置１００と、酸素含有ガス供給装置２００と、改質水供給装置３００と、制御部４００と、燃料電池モジュール５００とを、備えて構成されている。
【００１３】
燃料ガス供給装置１００は、燃料ガス流路Ｌ２を介して燃料電池モジュール５００に燃料ガスを供給する。燃料ガスとして、例えば天然ガスが原料の都市ガスやCNG、液化石油ガスLPGなどの炭化水素が主成分として用いられる。CNGの組成として、例えば、メタン８８％、C2H6エタン７％、C3H8プロパン4%、C4H10ブタン1%である。
【００１４】
酸素含有ガス供給装置２００は、空気予熱流路Ｌ４を介して燃料電池モジュール５００に酸素含有ガスを供給する。酸素含有ガスとして、例えば空気が用いられる。
【００１５】
改質水供給装置３００は、改質水管Ｌ６を介して燃料電池モジュール５００に改質水を供給する。改質水は水蒸気にされ、燃料ガスと共に改質ガスを生成するために用いられる。また、改質ガスは水素を主な成分とする水素含有ガスである。
【００１６】
制御部４００は、燃料ガス供給装置１００、酸素含有ガス供給装置２００、及び改質水供給装置３００を制御する。制御部４００は、例えばＣＰＵで構成されている。
【００１７】
燃料電池モジュール５００は、水素含有ガス及び酸素含有ガスを用いて発電する。燃料電池モジュール５００は、その容器内にセルスタック５０２と、燃焼室５０４と、燃焼触媒５０５と、ガス混合器５０８と、改質器５１０とを、備えて構成されている。
【００１８】
セルスタック５０２は、ガス流路Ｌ８、Ｌ１０を有する複数の燃料電池セル、例えば固体酸化物燃料電池セルを積層して構成されている。これらの燃料電池セルのそれぞれは電気的に接続されている。また、燃料電池セルは、燃料極と、酸化剤極とを、有する。そして、燃料電池セルは、化学式１で示す反応により発電する。水素含有ガスは、燃料極側のガス流路Ｌ８を流れ、燃料極反応をおこす。酸素含有ガスは、酸化剤極側のガス流路Ｌ１０を流れ、酸化剤極反応をおこす。
【化１】
0006649126.tif 000002
【００１９】
セルスタック５０２で消費されなかった水素含有ガスは、燃料極側のガス流路Ｌ８から燃焼室５０４に排出される。一方、セルスタック５０２で消費されなかった酸素含有ガスは、酸化剤極側のガス流路Ｌ１０から燃焼室５０４に排出される。
【００２０】
燃焼室５０４は、セルスタック５０２で消費されなかった水素含有ガス及び酸素含有ガスを燃焼し、排ガスを排出する。この燃焼室５０４は、セルスタック５０２と、ガス混合器５０８及び改質器５１０との間の空間を意味する。この場合、燃焼室５０４は、燃焼室５０４を構成する構成部材を有してもよい。或いは、燃焼室５０４は、燃焼室５０４を構成する構成部材を有さなくてもよい。なお、燃焼室1熱電対５０５ａと燃焼室２熱電対５０５ｂは図示するように、改質器５１０の上流付近と出口付近に設置している。
【００２１】
排ガス流路Ｌ１２は、燃焼室５０４と改質水気化器５０６とを連通している。この排ガス流路Ｌ１２は、主として板で構成され、燃焼室５０４で燃焼した後の排ガスを改質水気化器５０６に供給する。
【００２２】
燃焼触媒５０５は、排ガス流路Ｌ１２の末端部に設けられている。この燃焼触媒５０５は、排ガス中の未燃ガスを燃焼する。また、全ての排ガスが燃焼触媒５０５を通るように、燃焼触媒５０５と排ガス流路Ｌ１２との隙間はペーパー状断熱材やブランケット状断熱材などでシールされている。
【００２３】
燃焼触媒５０５を通過した排ガスは、排ガス流路Ｌ１３を介して改質水気化器５０６に供給される。排ガス流路Ｌ１３は、排ガス流路Ｌ１２と連通しており、チューブ状の形状をしている。この排ガス流路Ｌ１３は、燃焼触媒５０５の下部に開口を有し、燃焼触媒５０５を設置している板部分を貫通している。この貫通部分は、排ガス流路Ｌ１３の排ガスと空気予熱流路Ｌ４の酸素含有ガスとが、混ざらないように溶接シールされている。このように、排ガス流路Ｌ１２、Ｌ１３は、セルスタック５０２の側方をとおり、燃焼触媒５０５を設置している板部分を貫通して、改質水気化器５０６に連通している。
【００２４】
空気予熱流路Ｌ４は、酸素含有ガス供給装置２００と、セルスタック５０２内における酸化剤極側のガス流路Ｌ１０とに連通している。この空気予熱流路Ｌ４は、主として板で構成され、酸素含有ガス供給装置２００から供給された空気をセルスタック５０２まで送り出す。
【００２５】
空気予熱流路Ｌ４と排ガス流路Ｌ１２とは、排ガスと酸素含有ガスが混ざらないように溶接されている。さらにまた、空気予熱流路Ｌ４と排ガス流路Ｌ１２とは、空気の流れの実線部分は熱交換をしているが、空気の流れの点線部分は熱交換を行っていない。すなわち、この空気予熱流路Ｌ４で示す点線は、排ガス流路Ｌ１２と熱交換を行わない酸素含有ガスの流れを示している。一方で、燃料電池モジュール５００内は、通常の運転中に例えば１００℃以上の高温になる。このため、点線で示す空気予熱流路Ｌ４内を通過する際にも酸素含有ガスは、予熱される。このように、空気予熱流路Ｌ４は、燃料電池モジュール５００側方の下部からこの側方の上部までのび、セルスタック５０２の上部を通り、その側面から下部までのび、セルスタック５０２の下面で、酸化剤極側のガス流路Ｌ１０に連通している。
【００２６】
改質水気化器５０６は、上述のように排ガス流路Ｌ１２、Ｌ１３を介して燃焼室５０４と連通しており、排ガスの熱が供給されている。この改質水気化器５０６は、改質水供給装置３００から供給される水と熱交換をし、プール沸騰により水蒸気を生成する。例えば、改質水気化器５０６は、流路がプレス成型されたフィンプレート型熱交換器である。また、改質水気化器５０６は、水平よりも５°傾けて設置されている。よって、改質水管Ｌ６を介して供給される改質水は、重力に従い改質水気化器５０６の鉛直下方向に集まる。一方で、生成された水蒸気は、改質水気化器５０６の出口部に集まる。すなわち、生成された水蒸気は、改質水蒸気管Ｌ１４が改質水気化器５０６に連通される位置に集まる。これにより、水蒸気の搬出効率を上げて突沸現象を抑制している。
【００２７】
また、改質水気化器５０６に供給される改質水の量により、発生させる水蒸気量が調整されている。例えば、燃料の炭素量のモル数（Ｃ）と水蒸気量のモル数（Ｓ）とのモル比であるＳ／Ｃが２．５となるように、改質水気化器５０６に改質水を供給している。
【００２８】
改質水蒸気管Ｌ１４は、改質水気化器５０６とガス混合器５０８とを連通している。この改質水蒸気管Ｌ１４は、改質水気化器５０６から供給された水蒸気をガス混合器５０８に供給する。すなわち、改質水蒸気管Ｌ１４は、改質器５１０の下流側であるガス混合器５０８の側方から排ガス流路Ｌ１２の中を更に下流に向かい、排ガス流路Ｌ１２を構成する板を貫通して改質水気化器５０６と連通している。また、ここでの改質水蒸気管Ｌ１４は、排ガス流路Ｌ１２を構成する板と溶接シールされている。これにより、改質水蒸気管Ｌ１４は、排ガス流路Ｌ１２を構成する板及び排ガスから熱伝導により熱を受ける。この熱伝導により、改質水蒸気管Ｌ１４内の水蒸気を加熱することが可能である。なお、空気予熱流路Ｌ４を構成する板と改質水蒸気管Ｌ１４とは接していない。
【００２９】
改質水気化器５０６内の圧力が低下すると、突沸が生じ、燃料としての水蒸気量の割合が低下する。これにより、カーボンコーキングが発生してしまう。このため、改質水蒸気管Ｌ１４内の水蒸気圧損を高めるために、改質水蒸気管Ｌ１４の等価直径は、ガス混合器５０８、及び改質水気化器５０６それぞれの等価直径よりも小さくされている。例えば、改質水蒸気管Ｌ１４の等価直径は約１．７ｍｍでパイプ状である。
【００３０】
ガス混合器５０８は、改質水気化器５０６から供給された水蒸気と燃料ガス供給装置１００から供給された燃料ガスとを混合する。すなわち、このガス混合器５０８は、供給された水蒸気と供給された燃料ガスとを混合した混合ガスを生成する。また、ガス混合器５０８には、例えば直径φ３ｍｍのアルミナボールが充填されている。このアルミナボールは、燃料ガスと水蒸気との混合を促進するために用いられている。ガス混合器５０８及び改質器５１０の内部を空とした状態では、ガス混合器５０８と改質器５１０との等価直径は同一である。この等価直径は、例えば約２３ｍｍである。また、ガス混合器５０８と改質器５１０とにそれぞれアルミナボールや改質触媒を充填しても、蒸気管の等価直径よりも十分に大きくなるように構成されている。
【００３１】
ここで、等価直径は、流動の点から、直径いくらの円管と等価であるかを示す代表長さである。この等価直径は、Ｄｅ＝４Ａｆ／Ｗｐなる式で演算される。ここで、Ａｆは、流路断面積であり、Ｗｐは、濡れ縁長さ、すなわち断面における壁面の長さである。なお、ガス混合器５０８には、改質水蒸気管Ｌ１４から主に水蒸気が供給されている。一方で、改質水気化器５０６が低温状態であると、液体の水を改質水蒸気管Ｌ１４に供給する可能性もある。
【００３２】
改質器５１０は、ガス混合器５０８と連通しており、ガス混合器５０８から混合ガス、すなわち水蒸気と燃料ガスとが供給される。この改質器５１０は、水蒸気と燃料ガスであるメタンとを用いて、水素含有ガスである改質ガスを生成する。例えば、改質器５１０は、水蒸気改質法により、改質ガスを生成する。
【００３３】
水素ガス流路Ｌ１６は、改質器５１０と、セルスタック５０２における酸化剤極側のガス流路Ｌ１０とに連通している。この水素ガス流路Ｌ１６は、改質器５１０の側方からセルスタック５０２の下部までのび、ガス流路Ｌ８と連通している。これから分かるように、改質器５１０で生成された改質ガスは、水素ガス流路Ｌ１６を介してセルスタック５０２における燃料極側のガス流路Ｌ８に供給される。
【００３４】
また、改質器５１０は、その内部に改質触媒として、例えばアルミナなどの多孔質担体にルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）等の貴金属やニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）等の卑金属を担持させた触媒を有している。
【００３５】
さらにまた、改質器５１０の構成部材は、高温耐久性に優れたステンレス製が用いられている。例えば、構成部材としてアルミナフォーマのＮＣＡ−１やＮＳＳＣ２１Ｍが用いられている。このアルミナフォーマのＮＣＡ−１やＮＳＳＣ２１Ｍは、セルと熱膨張係数が近いフェライト系ステンレスであり、Ｃｒの揮発量が少ない。
【００３６】
改質器５１０とガス混合器５０８とが結合されて、両方を合わせた底面部の大きさが、セルスタック５０２の上面部の大きさと同程度になるように構成されている。すなわち、ガス混合器５０８と改質器５１０を結合した状態の水平断面は、セルスタック５０２の水平断面と同程度となるように構成されている。また、改質器５１０とガス混合器５０８とを連結した形状の底面は、改質器５１０とガス混合器５０８との間に隙間のない平面状に構成されている。
【００３７】
一般にセルスタック５０２内は５００℃以上、改質器５１０の改質は３００℃以上、改質水気化器５０６内における改質水の蒸発は１００℃以上で反応する。これから分かるように、改質水気化器５０６内は１００℃以上で反応する。一方、燃焼電池セル内及び改質器５１０内は、改質水気化器５０６より高温で反応する。改質水入口圧力計５１１は、改質水気化器５０６の入口部の圧力を測定する。
【００３８】
なお、燃料電池モジュール５００の容器内において、セルスタック５０２と、燃焼室５０４と、ガス混合器５０８と、改質器５１０と、各流路とを除く空間は、断熱材が充填されている。また、本実施形態における燃焼室５０４が、セルスタック５０２で消費されなかった水素含有ガス及び酸素含有ガスを燃焼する燃焼部に対応する。なお、図示しないが、改質水気化器５０６を含む燃料電池モジュール５００の外周は断熱材で覆われて熱逃げしないように保温されている。なお、本実施例において、改質水入口圧力計５１１は不要である。あくまで表１に記載する圧力変動幅を計測するために設置した。
【００３９】
（作用）
燃料電池システム１における通常時の運転動作について説明する。まず、改質水供給装置３００は、改質水気化器５０６に改質水を供給する。続いて、改質水気化器５０６は、排ガス流路Ｌ１２を介して供給される排ガスとの熱交換により、供給された改質水を用いて水蒸気を生成する。この水蒸気は、改質水蒸気管Ｌ１４を通り、ガス混合器５０８に供給される。この場合、改質水蒸気管Ｌ１４は、排ガス流路Ｌ１２内の排ガス及び排ガス流路Ｌ１２を構成する板と熱交換を行う。これにより、改質水蒸気管Ｌ１４の水蒸気は加熱されつつガス混合器５０８に供給される。
【００４０】
一方で、燃料ガス供給装置１００は、燃料ガスとして、ガス混合器５０８へメタンガスが主成分のＣＮＧを供給する。続いて、ガス混合器５０８は、改質水気化器５０６から供給された水蒸気と燃料ガス供給装置１００から供給された燃料ガスを混合する。そして、ガス混合器５０８は混合した水蒸気と燃料ガスを改質器５１０に供給する。この際に、ガス混合器５０８及び改質器５１０は、排ガスの燃焼で加熱されている。続いて、改質器５１０は、水蒸気と燃料ガスを用いて、水蒸気改質法により、水素含有ガスである改質ガスを生成する。
【００４１】
次に、水素含有ガスは、水素ガス流路Ｌ１６を介してセルスタック５０２における燃料極側のガス流路Ｌ８に供給される。一方で、酸素含有ガス供給装置２００から供給された酸素含有ガスは、空気予熱流路Ｌ４と排ガス流路L12で熱交換して予熱されつつ、セルスタック５０２における燃料極側のガス流路Ｌ８に供給される。
【００４２】
燃料極側のガス流路Ｌ８から排出された改質排ガスと、酸化剤極側のガス流路Ｌ１０から排出された空気排ガスは、燃焼室５０４で混合され燃焼する。続いて、燃焼で生じた排ガスは、排ガス流路Ｌ１２を介して改質水気化器５０６に供給される。このような処理動作が、燃料電池システム１における通常の動作時に行われている。
【００４３】
次に、排ガスの燃焼効率について説明する。燃焼室５０４の上部に開空間が生じると、セルスタック５０２で消費されなかった水素含有ガス及び酸素含有ガスが開空間に集中する気流が生じる。このような気流は、消費されなかった水素含有ガス及び酸素含有ガスの燃焼効率を低下させてしまう。
【００４４】
これに対して、本実施形態に係る燃料電池システム１では、改質器５１０とガス混合器５０８とが連結されて、両方を合わせた底面部の大きさが、セルスタック５０２の上面部を覆う大きさと同程度になるように構成されている。すなわち、セルスタック５０２の水平断面の面積及び形状と、改質器５１０及びガス混合器５０８を結合した状態における水平断面の面積及び形状とが同程度に構成されている。なお、これら面積及び形状は、水素含有ガス及び酸素含有ガスの混合を促進させる程度の大きさ及び形状であればよく、同程度でなくともよい。
【００４５】
これにより、セルスタック５０２の排ガス出口部と、改質器５１０及びガス混合器５０８の底面部との間に形成される隙間において、空気排ガス及び改質排ガスの流れをより邪魔することで混合を促進し、燃焼をより促進させることができる。例えば、ガス混合器５０８よりも等価直径が細い改質水蒸気管Ｌ１４が燃焼室５０４の上部に配置される従来の構成例と比較し、空気排ガスと改質排ガスの混合を促進し燃焼効率がより良くなる。すなわち、改質水蒸気管Ｌ１４は、排ガス流路Ｌ１２内を、改質器５１０の下流であるガス混合器５０８の側方から排ガス流路Ｌ１２内に沿って設置されている。これにより、燃焼効率をより上げている。
【００４６】
また、改質器５１０とガス混合器５０８とを結合した状態の下面は、改質器５１０とガス混合器５０８との間に隙間のない平面状に構成れている。これにより、混合促進を阻害する気流の発生を抑制している。
【００４７】
さらにまた、改質器５１０の温度が、例えば３００℃以上に上昇しないと、プロパンやエタンなど、炭素原子が２（Ｃ２）以上である成分が改質されずに、Ｃ２以上の成分が燃料電池セルに供給される。このように、改質の効率が低下すると、炭素原子が２（Ｃ２）以上である成分が、燃料電池セルに供給される。これにより、燃料電池セルにカーボンコーキングが生じ、発電効率が低下するとともに、燃料電池セルが劣化してしまう。
【００４８】
これに対して、本実施形態に係る燃料電池システム１では、水蒸気を生成する改質水気化器５０６を燃焼室５０４の上部に置かない。これにより、気体の改質に、集中的により高温な排ガスを利用することが可能である。よって、改質器５１０及びガス混合器５０８に、集中的により高温な排ガスが供給され、改質器５１０及びガス混合器５０８の温度がより上昇する。なお、水蒸気を生成する改質水気化器５０６を燃焼室５０４の上部に置くと、水の気化熱に排ガスの熱が奪われ、燃料電池セルの温度上昇を抑制してしまう恐れがある。セル温度が低いと、同一電流密度におけるセル電圧が低くなり、発電効率が低下してしまう。
【００４９】
また、ガス混合器５０８は、改質水蒸気管Ｌ１４よりも等価直径が太く構成されている。このため、排ガスによる高温化との相乗効果により、燃料ガスと水蒸気の混合をより効率的に行うことができる。
【００５０】
これらから分かるように、改質器５１０内の改質効率もあがり、炭素原子が２（Ｃ２）以上である成分の排出が低減する。このため、燃料電池セルでの改質反応の割合がより低下し、燃料電池セルの温度がより上昇する。これにより、発電効率もより高い状態で維持される。
【００５１】
次に、改質水気化器５０６内における突沸の抑制について説明する。改質水蒸気管Ｌ１４の熱量が奪われると、改質水蒸気管Ｌ１４内の圧力が低下し、改質水気化器５０６内でプール沸騰による突沸が発生してしまう。
【００５２】
これに対して、本実施形態に係る燃料電池システム１では、改質水蒸気管Ｌ１４は、排ガス流路Ｌ１２内を通り、燃焼触媒５０５を貫通する位置まで引き回されて配置されている。これにより、改質水蒸気管Ｌ１４の水蒸気は、改質水蒸気管Ｌ１４を進むに従い、排ガスとの熱交換により加熱される。この場合、改質水蒸気管Ｌ１４内における水蒸気の流動抵抗である圧損が保たれ、改質水気化器５０６内の圧力の低下が回避される。このため、改質水気化器５０６内で突沸が生じることが抑制される。さらに、排ガスで加熱された水蒸気が供給される改質器５１０の温度、及び改質器５１０に隣接する燃焼室５０４の温度が上昇し、発電効率をより上げることができる。
【００５３】
また、突沸を抑制するために、改質水蒸気管Ｌ１４の等価直径がガス混合器５０８や改質水気化器５０６よりも細く構成されている。これにより、水蒸気の流動抵抗である圧損をより大きくすることができ、改質水気化器５０６内の突沸をより抑制できる。このため、蒸気発生量の変動を抑制でき、水蒸気をガス混合器５０８および改質器５１０に安定的に供給することができる。この場合、改質水蒸気管Ｌ１４よりもガス混合器５０８の等価直径が大きいので、ガス混合器５０８がバッファ要素として作用している。これらから分かるように、改質器５１０において、水蒸気がより安定的に供給され、改質器５１０及びセルスタック５０２におけるカーボンコーキングの発生が抑制され、発電効率がより高くなる。
【００５４】
（効果）
表１は、各実施形態による実験結果例を示している。
【表１】
0006649126.tif 000003
【００５５】
この表１の中で、燃焼室１、２は燃焼室５０４の２か所の温度を示している。また、圧力変動幅は、ガス混合器５０８における改質水入口圧力の変動幅を示し、ＤＣ発電効率は、同一条件（燃料ガス流量、空気流量、改質水流量、セル電流密度、静定時間）における燃料電池システム１の発電効率を示している。さらにまた、改質出口温度は、改質器５１０の出口温度を示し、セル最高温度は、セルスタック５０２内の最高温度を示している。
【００５６】
この表１に示すように、改質水入口圧力の変動幅は８％である。また、改質水をＳ／Ｃ２．５で供給しているため、Ｓ／Ｃ２．０以上の改質水が改質器５１０に常時供給されている。これにより、カーボンコーキングは抑制されている。
【００５７】
本実施形態によれば、改質器５１０とガス混合器５０８とを、セルスタック５０２と同程度の大きさの形状に連結することとした。これにより、消費されなかった酸素含有ガス及び水素含有ガスの燃焼を促進し、燃料電池システム１の発電効率を向上させることができる。また、改質水蒸気管Ｌ１４の等価直径をガス混合器５０８及び改質水気化器５０６よりも細く構成すると共に、排ガス流路Ｌ１２内における改質水蒸気管Ｌ１４の配置距離をより長くすることとした。これにより、改質水蒸気管Ｌ１４内における水蒸気の流動抵抗である圧損が保たれ、改質水気化器５０６内の圧力の低下が回避される。よって、水蒸気が改質器５１０に安定的に供給され、改質器５１０及びセルスタック５０２におけるカーボンコーキングの発生を抑制できる。
【００５８】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る燃料電池システムは、改質水蒸気管を空気予熱流路の中も通過させることにより、改質水蒸気管内の水蒸気をより加熱しようとしたものである。
【００５９】
（構成）
図２は、第２実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。改質水蒸気管Ｌ１４は、空気予熱流路Ｌ４内も通過することで、第１の実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。第１実施形態に係る燃料電池システム１と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６０】
改質水蒸気管Ｌ１４は、空気予熱流路Ｌ４１１を構成する板を貫通している。この改質水蒸気管Ｌ１４は、空気予熱流路Ｌ４を構成する板と溶接シールされている。
【００６１】
（作用）
この空気予熱流路Ｌ４は、排ガスとの熱交換した酸素含有ガスによってより高熱にされている。このため、改質水蒸気管Ｌ１４内の水蒸気は、空気予熱流路Ｌ４における高温の板の熱伝導および高温の酸素含有ガスの熱伝達により加熱される。
【００６２】
（効果）
表１に示すように、改質器５１０に隣接する燃焼室５０４の温度を第１実施形態の燃料電池システム１よりも上昇させることができる。これにより、燃焼室５０４８に隣接するセルスタック５０２の温度も第１実施形態のセルスタック５０２よりも上昇させることができる。これから分かるように、燃焼室５０４温度がより高くなり、燃料を減らしても燃焼を維持できるため、発電効率をより上昇させることができる。
【００６３】
本実施形態によれば、改質水蒸気管Ｌ１４を空気予熱流路Ｌ４の中も通過させることとした。これにより、空気予熱流路Ｌ４の板及び空気予熱流路Ｌ４内の酸素含有ガスとの熱交換により改質水蒸気管Ｌ１４内の水蒸気をより加熱できる。このため、ガス混合器５０８に供給する水蒸気をより加熱でき、発電効率を上昇させることができる。
【００６４】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る燃料電池システムは、改質水気化器としてシェル＆チューブ型の熱交換器を用いることで、改質水気化器の温度適応性を向上させよとしたものである。
【００６５】
（構成）
図２に示した改質水気化器５０６に、フィンプレート型熱交換器の替わりに、シェル＆チューブ型の熱交換器を用いることで、第２実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。図２に示した第２実施形態に係る燃料電池システム１の構成と同等であるので説明を省略する。
【００６６】
シェル＆チューブ型の熱交換器は、シェルに多数のチューブを納めた形状をしている。このシェル＆チューブ型の熱交換器は、低温から高温、低圧から高圧までの幅広い環境に適応可能である。
【００６７】
（作用）
シェル＆チューブ型の熱交換器は、改質水気化器５０６が低温であっても熱交換効率の低下を抑制できる。このため、燃料電池システム１の起動時などでも熱交換効率の低下を抑制できる。
【００６８】
（効果）
シェル＆チューブ型の熱交換器は、通常運転時の熱交換量は、フィンプレート型よりも劣るものの、低温時の熱交換率を高くできる。表１に示すように、改質水をＳ／Ｃ２．５である。このため、Ｓ／Ｃ２．０以上の改質水が改質器５１０に常時供給されているので、カーボンコーキングは発生しない。
【００６９】
本実施形態によれば、改質水気化器５０６としてシェル＆チューブ型の熱交換器を用いることとした。これにより、改質水気化器５０６の温度適応性を向上させることができる。
【００７０】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る燃料電池システムは、排ガス流路が燃料電池モジュール外の空間に出ている距離よりも、改質水蒸気管が燃料電池モジュール外の空間に出ている距離を短くすることで、燃料電池システム全体としての熱利用効率をより上げようとしたものである。
【００７１】
（構成）
図３は、第４実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。排ガス流路Ｌ１３が燃料電池モジュール５００外の空間に出ている距離よりも、改質水蒸気管Ｌ１４が燃料電池モジュール５００外の空間に出ている距離が短いことで、第２実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。第２実施形態に係る燃料電池システム１と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７２】
改質水気化器５０６の改質水出口から排ガス流路Ｌ１２を構成する板を貫通する箇所までの改質水蒸気管Ｌ１４の長さが、燃焼触媒５０５から改質水気化器５０６の排ガス入口までの排ガス流路Ｌ１３の長さよりも短く構成されている。換言すると、改質水蒸気管Ｌ１４の改質水出口から排ガス流路Ｌ１２を構成する板を貫通する箇所までの長さが、燃焼触媒５０５から改質水気化器５０６の排ガス入口までの排ガス流路Ｌ１３の長さよりも短くなる位置に、改質水気化器５０６が配置されている。このため、改質水気化器５０６の接続は、例えばフランジ接続から溶接に変更されている。
【００７３】
（作用）
改質水蒸気管Ｌ１４には１００℃で凝縮する水蒸気が流れているため潜熱の放熱である。一方で、排ガス流路Ｌ１２は顕熱の放熱である。顕熱の放熱のほうが潜熱の放熱よりも熱逃げが小さい。このため、改質水蒸気管Ｌ１４が常温にさらされる距離がより短くされるので、燃料電池システム１全体としての熱逃げを小さくできる。
【００７４】
（効果）
表１に示すように、第２実施形態よりも平均的に高温になり、燃焼室５０４に隣接するセルスタック５０２の温度も上昇する。これにより、発電効率が第２実施形態よりも上昇する。
【００７５】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、排ガス流路Ｌ１２が燃料電池モジュール５００外の空間に出ている距離よりも、改質水蒸気管Ｌ１４が燃料電池モジュール５００外の空間に出ている距離を短くすることとした。これにより、燃料電池システム１全体としての熱利用効率を上げることができる。
【００７６】
（第５実施形態）
第５実施形態に係る燃料電池システムは、排ガス流路内に排ガスヒータを設けることで、燃料電池システムの起動時においても、改質水気化器で水を気化させようとしたものである。
【００７７】
（構成）
図４は、第５実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。排ガスヒータ５１２を更に備えることで、第４実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。第４実施形態に係る燃料電池システム１と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７８】
排ガスヒータ５１２は、排ガス流路Ｌ１２のガス混合器５０８の排ガス流れの下流に設置され、排ガスを加熱する。また、排ガスヒータ５１２は、改質水気化器５０６に近い排ガス流路Ｌ１２の最下流付近に設置されることがより好ましい。この場合、放熱ロスを防ぎ、改質水気化器５０６に流れ込む排ガスをより効率的に加熱可能である。なお、排ガスヒータ５１２の設置場所は、最下流付近に限定するものでなく、排ガス流路Ｌ１２内のいずれかの位置に設置してもよい。
【００７９】
（作用）
燃料電池システム１の起動時の動作を説明する。制御部４００は、排ガスヒータの駆動を開始すると共に、酸素含有ガス供給装置２００から酸素含有ガスの供給を開始する。続いて、制御部４００は、一定の時間、排ガスヒータ５１２で熱せられた排ガスを改質水気化器５０６に供給させる。この場合、セルスタック５０２には水素含有ガスは供給されていないので、排ガスは主として酸素含有ガスである。
【００８０】
次に、制御部４００は、改質水供給装置３００に、改質水気化器５０６５への水の供給を開始される。そして、起動時の動作を終了する。
【００８１】
このように、制御部４００は、改質水気化器５０６が水を気化できる状態になってから、改質水気化器５０６への水の供給を開始する。これにより、改質水気化器５０６に供給された水は気化されて、すなわち水蒸気としてガス混合器５０８に供給される。このため、改質水蒸気管Ｌ１４における圧損はより大きくなり、改質水気化器５０６内の突沸による脈動を抑制することができる。このことから分かるように、燃料電池モジュール５００が比較的低温な起動時においても、気化した水、すなわち水蒸気を改質器５１０に脈動なく安定的に供給することができる。
【００８２】
（効果）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、排ガス流路Ｌ１２内に排ガスヒータ５１２を設けることで、燃料電池システム１の起動時においても、改質水気化器５０６内を水の気化が可能な状態にさせることとした。これにより、燃料電池モジュール５００が比較的低温な起動時においても、気化した水、すなわち水蒸気を改質器５１０に脈動なく安定的に供給することができる。このため、改質器５１０や燃料電池スタックにおいてカーボンコーキングが生じることが抑制でき、改質器５１０や燃料電池セルが劣化する事を防ぐことができる。
【００８３】
（第６実施形態）
第６実施形態に係る燃料電池システムは、排ガス流路内に排ガス温度計を設けることで、水の気化が可能な状態になったタイミングで、改質水気化器に改質水を供給させようとしたものである。
【００８４】
（構成）
図５は、第６実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。排ガス流路Ｌ１２内に排ガス温度計５１４を設けたことで、第５実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。第５実施形態に係る燃料電池システム１と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお排ガス温度計５１４は排ガス流路内ではなく、排ガス流路の壁面に設置しても良い。
【００８５】
排ガス温度計５１４は、排ガス流路Ｌ１２内の排ガスヒータ５１２よりも下流に設けられている。排ガス温度計５１４は、排ガスの温度を測定する。なお、排ガス温度計５１４を利用しているので、改質水入口圧力計５１１は不要である。
【００８６】
（作用）
燃料電池システム１の起動時の動作を説明する。制御部４００は、排ガスヒータ５１２の駆動を開始すると共に、酸素含有ガス供給装置２００から酸素含有ガスの供給を開始させる。続いて、制御部４００は、一定の時間、排ガスヒータ５１２で熱せられた排ガスを改質水気化器５０６に供給せる。続いて、排ガス温度計５１４の測定値が１００℃以上になったか判定する。１００℃未満の場合、改質水気化器５０６への水の供給を停止した状態で、排ガスヒータ５１２の駆動と、酸素含有ガスの供給を継続する。
【００８７】
一方で、排ガス温度計５１４の測定値が１００℃以上になった場合、制御部４００は、改質水供給装置３００に、改質水気化器５０６５への水の供給を開始させる。そして、起動時の動作を終了する。
【００８８】
このように、排ガスが１００℃以上になってから、改質水気化器５０６への水の供給を開始する。これにより、改質水気化器５０６に供給された水は気化され、水蒸気でガス混合器５０８に供給される。このため、改質水蒸気管Ｌ１４における圧損はより大きくなり、改質水気化器５０６内の突沸による脈動を抑制することができる。これにより、燃料電池モジュール５００が比較的低温な起動時においても、気化した水を改質器５１０に脈動なく安定的に供給することができる。なお、本実施例では排ガス温度の条件を１００℃以上としたが、水が改質水気化器５０６において水が気化する条件であれば、何度でもよい。
【００８９】
（効果）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、排ガス流路Ｌ１２内に排ガス温度計５１４を設けることで、排ガス温度が所定値になったタイミングに、改質水気化器５０６に改質水を供給させることとした。これにより、改質水供給のタイミングをより正確に制御することができる。このため、季節や地域によって環境温度が変わっても、水の気化が可能な状態になった改質水気化器５０６へ水を供給できる。これにより、改質器５１０や燃料電池スタックにおいてカーボンコーキングが生じることが抑制でき、改質器５１０や燃料電池セルが劣化する事を防ぐことができる。
【００９０】
（第７実施形態）
第７実施形態に係る燃料電池システムは、空気予熱流路に空気予熱ヒータを設け、排ガス流路内に排ガス温度計を設けることで、水の気化が可能な状態になったタイミングで、改質水気化器に改質水を供給させようとしたものである。
【００９１】
（構成）
図６は、第７実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。排ガス流路Ｌ１２内に排ガス温度計５１４を設け、空気予熱流路Ｌ４に空気予熱ヒータ５１６を設けることで、第４実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。第４実施形態に係る燃料電池システム１と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９２】
排ガス温度計５１４は、排ガスヒータ５１２よりも排ガス下流の排ガス流路Ｌ１２内に設けられている。排ガス温度計５１４は、排ガスの温度を測定する。
【００９３】
空気予熱ヒータ５１６は、空気予熱流路Ｌ４内に設けられている。この空気予熱ヒータ５１６は、酸素含有ガスを予熱する。
【００９４】
（作用）
燃料電池システム１の起動時の動作を説明する。制御部４００は、空気予熱ヒータ５１６の駆動を開始すると共に、酸素含有ガス供給装置２００から酸素含有ガスの供給を開始させる。次に、排ガス温度計５１４の測定値が１００℃以上になったか判定する。１００℃未満の場合、改質水気化器５０６への水の供給を停止した状態で、空気予熱ヒータ５１６の駆動と、酸素含有ガスの供給を継続する。
【００９５】
一方で、排ガス温度計５１４の測定値が１００℃以上になった場合、制御部４００は、改質水供給装置３００に、改質水気化器５０６への水の供給を開始させる。そして、起動時の動作を終了する。
【００９６】
このように、空気予熱流路Ｌ４を空気予熱ヒータ５１６で加熱する。この場合、燃料電池モジュール５００の内部全体が１００℃以上にならないと、排ガス温度も１００℃以上にならない。このため、排ガスが１００℃以上になってから、改質水気化器５０６への水の供給を開始する。これにより、改質水気化器に供給された水は気化され、水蒸気としてガス混合器５０８に供給される。
【００９７】
また、水蒸気でガス混合器５０８に供給されるので、改質水蒸気管Ｌ１４における圧損はより大きくなり、改質水気化器５０６内の突沸による脈動を抑制することができる。そのため、燃料電池モジュール５００が比較的低温な起動時においても、水蒸気を改質器５１０に脈動を抑制しつつ、安定的に供給することができる。なお、本実施例では排ガス温度の条件を１００℃以上としたが、水が改質水気化器５０６５において水が気化する条件であれば、何度でもよい。
【００９８】
（効果）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、空気予熱流路Ｌ４に空気予熱ヒータ５１６を設け、排ガス流路Ｌ１２内に排ガス温度計５１４を設けることで、排ガス温度が所定値になったタイミングに、改質水気化器５０６に改質水を供給させることとした。これにより、改質水供給のタイミングをより正確に制御することができる。このため、季節や地域によって環境温度が変わっても、水の気化が可能な状態になった改質水気化器５０６へ水を供給できる。これにより、改質器５１０や燃料電池スタックにおいてカーボンコーキングが生じることが抑制でき、改質器５１０や燃料電池セルが劣化する事を防ぐことができる。また、熱せられた酸素含有ガスを燃料電池モジュール５００全体に供給するので、発電できる５００℃以上に昇温するまでの起動時間を早めることが可能である。
【００９９】
（第８実施形態）
第８実施形態に係る燃料電池システムは、空気予熱流路に空気予熱ヒータを設け、改質水気化器の出口に改質水出口温度計を設けることで、水の気化が可能な状態になったタイミングで、改質水気化器に改質水を供給させようとしたものである。
【０１００】
（構成）
図７は、第８実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。空気予熱流路Ｌ４に空気予熱ヒータ５１６を設け、改質水気化器５０６の出口に改質水出口温度計５１８を設けることで、第４実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。第７実施形態に係る燃料電池システム１と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０１】
空気予熱ヒータ５１６は、空気予熱流路Ｌ４内に設けられている。この空気予熱ヒータ５１６は、酸素含有ガスを予熱する。改質水出口温度計５１８は、改質水気化器５０６の出口温度を測定する。なお、改質水出口温度計５１８は改質水蒸気管Ｌ１４内ではなく、改質水蒸気管Ｌ１４の壁面に設置しても良い。
【０１０２】
（作用）
燃料電池システム１の起動時の動作を説明する。制御部４００は、空気予熱ヒータ５１６の駆動を開始すると共に、酸素含有ガス供給装置２００から酸素含有ガスの供給を開始させる。次に、改質水出口温度計５１８の測定値が１００℃以上になったか判定する。１００℃未満の場合、改質水気化器５０６への水の供給を停止した状態で、排ガスの改質水気化器５０６への供給を継続させる。
【０１０３】
一方で、改質水出口温度計５１８の測定値が１００℃以上になった場合、制御部４００は、改質水供給装置３００に、改質水気化器５０６５への水の供給を開始させる。そして、起動時の動作を終了する。
【０１０４】
このように、空気予熱流路Ｌ４を空気予熱ヒータ５１６で加熱させる。この場合、改質水出口温度計５１８が１００℃以上になってから、改質水気化器５０６への水の供給を開始する。これにより、改質水気化に供給された水は気化されて、すなわち水蒸気でガス混合器５０８に供給される。
【０１０５】
また、水蒸気でガス混合器５０８に供給されるので、改質水蒸気管Ｌ１４における圧損はより大きくなり、改質水気化器５０６内の突沸による脈動を抑制することができる。そのため、燃料電池モジュール５００が比較的低温な起動時において、気化した水を改質器５１０に脈動なく安定的に供給することができる。なお、本実施例では改質水出口温度の条件を１００℃以上としたが、水が改質水気化器５０６において水が気化する条件であれば、何度でもよい。
【０１０６】
（効果）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、空気予熱流路Ｌ４に空気予熱ヒータ５１６を設け、改質水気化器５０６の出口に改質水出口温度計５１８を設けることした。これにより、改質水気化器５０６内が所定の温度になったタイミングに、改質水気化器５０６に改質水を供給させることができる。このため、季節や地域によって環境温度が変わっても、水の気化が可能な状態になった改質水気化器５０６へ水を供給できる。これにより、改質器５１０や燃料電池スタックにおいてカーボンコーキングが生じることが抑制でき、改質器５１０や燃料電池セルが劣化する事を防ぐことができる。また、燃料電池セルを、発電できる５００℃以上に昇温するまでの起動時間を早めることが可能である。
【０１０７】
（第９実施形態）
第９実施形態に係る燃料電池システムは、改質水蒸気管内及び改質水気化器内の少なくともいずれか一方の圧力が所定値以上になるように、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を調整させることで、改質水気化器５０６内の温度を所定温度に維持させようとしたものである。
【０１０８】
（構成）
図８は、第９実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。空気予熱流路Ｌ４に空気予熱ヒータ５１６を設ける。また、改質水気化器５０６の入口に改質水入口圧力計５１１、改質水気化器５０６内に圧力計５２０、及び改質水蒸気管Ｌ１４の側壁に圧力計５２２を設けることで、第４実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。第４実施形態に係る燃料電池システム１と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０９】
改質水入口圧力計５１１は、改質水気化器５０６入口の圧力を測定する。空気予熱ヒータ５１６は、空気予熱流路Ｌ４内に設けられている。この空気予熱ヒータ５１６は、酸素含有ガスを予熱する。圧力計５２０は、改質水気化器５０６内の圧力を測定する。圧力計５２２は、改質水蒸気管Ｌ１４内の圧力を測定する。なお、圧力計５２０、圧力計５２２、改質水入口圧力計５１１のいずれか一つあれば、本実施例には十分である。
【０１１０】
（作用）
燃料電池システム１の通常運転時の動作について説明する。制御部４００は、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を維持させる。
【０１１１】
次に、圧力計５２０、圧力計５２２、改質水入口圧力計５１１のいずれか一つ圧力が下限値以下になったか判定する。下限値より大きい場合、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を維持する。
【０１１２】
一方で、下限値未満になった場合、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を増加させる。そして、圧力が下限圧力以上になるまで、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を増加させる。
【０１１３】
このように、圧力計５２０、圧力計５２２、改質水入口圧力計５１１のいずれか一つの圧力が下限値以下になった場合、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を増加させる。これにより、改質水気化器５０６に供給される排ガスの熱量も増加し改質水気化の温度が所定温度まで上昇する。このため、改質水蒸気管Ｌ１４内及び改質器５１０気化器内のそれぞれの蒸気圧もあがり、改質水蒸気管Ｌ１４内の脈動を抑制することができる。
【０１１４】
（効果）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、圧力計５２０、圧力計５２２、改質水入口圧力計５１１のいずれか一つの圧力計を設けることで、改質水蒸気管Ｌ１４内及び改質器５１０気化器内のそれぞれの圧力値が所定値を超えるように、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を調整させようとしたものである。これにより、改質水気化器５０６内の温度を所定温度以上に維持させることができる。このため、改質水蒸気管Ｌ１４内及び改質器５１０気化器内の蒸気圧もあがり、改質水蒸気管Ｌ１４における圧損はより大きくなり、改質水蒸気管Ｌ１４内の脈動を抑制することができる。
【０１１５】
（第１０実施形態）
第１０実施形態に係る燃料電池システムは、改質水蒸気管内の温度が所定値以上になるように、酸素含有ガス供給装置からの酸素含有ガスの供給量を調整させることで、改質水気化器内の温度を所定温度に維持させようとしたものである。
【０１１６】
（構成）
図９は、第１０実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。改質水蒸気管Ｌ１４の側壁に熱電対５２４を設けることで、第９実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。第９実施形態に係る燃料電池システム１と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１１７】
熱電対５２４は、改質水蒸気管Ｌ１４内の温度を測定する。なお、本実施形態では、熱電対５２４が改質水蒸気管１４内の温度を測定する温度計に対応する。なお、熱電対５２４は、改質水蒸気管L1４内ではなく、改質水蒸気管L14の壁面に設置しても良い。熱電対５２４の代わりに、改質水出口温度計５１８を利用しても良い。
【０１１８】
（作用）
燃料電池システム１の通常運転時の動作について説明する。制御部４００は、ステップＳ１５０２と同等の処理を行った後に、改質水蒸気管Ｌ１４内の温度が下限値以下になったか判定する。下限値より大きい場合、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を維持する。
【０１１９】
一方で、下限値未満になった場合、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を増加させる。そして、圧力が下限圧力以上になるまで、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を増加させる。
【０１２０】
このように、改質水蒸気管Ｌ１４内の温度が下限値以下になった場合、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を増加させる。これにより、改質水気化器５０６に供給される排ガスの熱量も増加し、改質水蒸気管Ｌ１４内の温度が所定温度まで上昇する。このため、改質水蒸気管Ｌ１４内及び改質器５１０気化器内のそれぞれの蒸気圧もあがり、改質水蒸気管Ｌ１４内の脈動を抑制することができる。
【０１２１】
（効果）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、改質水蒸気管Ｌ１４内に熱電対５２４を設けることで、改質水蒸気管Ｌ１４内の温度が所定値を超えるように、酸素含有ガス供給装置２００からの酸素含有ガスの供給量を調整させようとしたものである。これにより、改質水蒸気管Ｌ１４内の温度を所定温度以上に維持させることができる。このため、改質水蒸気管Ｌ１４内及び改質器５１０気化器内の蒸気圧もあがり、改質水蒸気管Ｌ１４における圧損はより大きくなり、改質水蒸気管Ｌ１４内の脈動を抑制することができる。
【０１２２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２３】
１：燃料電池システム、１００：燃料ガス供給装置、２００：酸素含有ガス供給装置、３００：改質水供給装置、４００：制御部、５００：燃料電池モジュール、５０２：セルスタック、５０４：燃焼室、５０５：燃焼触媒、５０６：改質水気化器、５０８：ガス混合器、５１０：改質器、５１１：改質水入口圧力計、５１２：排ガスヒータ、５１４：排ガス温度計、５１６：空気予熱ヒータ、５１８：改質水出口温度計、５２０、５２２：圧力計、５２４：熱電対
【図１】
0006649126.tif 000004
【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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