(57)【要約】【課題】部分酸化型水蒸気改質により灯油を原燃料１１として改質を行う際に、タール等が発生しないようにしながら、灯油を蒸発させる。【解決手段】  排ガスバーナ３２でアノード極３０から排出されるアノード排ガス１６を燃焼させて生成される燃焼ガス３３により改質器２５の少なくとも一部を加熱し、その後に水蒸気過熱器３６に流通して水蒸気１３を過熱する。また、改質器２５からの改質ガス２０を燃料混合ガス予熱器２３に流通して燃料混合ガス１９を加熱する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される前記水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記排ガスバーナで生成される燃焼ガスが、前記改質器の少なくとも一部を加熱する加熱源をなし、その後に前記水蒸気過熱器に流通して前記水蒸気を過熱する加熱源をなし、かつ、前記改質器からの前記改質ガスが、前記燃料混合ガス予熱器に流通して前記燃料混合ガスを加熱する加熱源をなすことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項２】
原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される前記水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記排ガスバーナで生成される燃焼ガスが、前記改質器の少なくとも一部を加熱する加熱源をなし、その後に前記燃料混合ガス予熱器に流通して前記燃料混合ガスを加熱する加熱源をなし、次いで前記水蒸気過熱器に流通して前記水蒸気を過熱する加熱源をなすことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項３】
原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される前記水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記排ガスバーナで生成される燃焼ガスが、前記改質器の少なくとも一部を加熱する加熱源をなし、その後に前記燃料混合ガス予熱器に流通して前記燃料混合ガスを加熱する加熱源をなし、次いで前記水蒸気過熱器に流通して前記水蒸気を過熱する加熱源をなし、かつ、前記改質器からの前記改質ガスが、前記燃料混合ガス予熱器に流通して前記燃料混合ガスを加熱する加熱源をなすことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項４】
原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される前記水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料混合ガス予熱器に供給される前記水蒸気の流量を制御する水蒸気量調整器と、
前記燃料混合ガス予熱器の出口側における前記燃料混合ガスの温度を検出する燃料混合ガス温度検出器と、
前記燃料混合ガス温度検出器により検出された前記燃料混合ガスの温度が、予め設定された燃料混合ガス温度下限値より低くなるような場合には、前記水蒸気量調整器を制御して前記水蒸気量を所定量増やすことで当該燃料混合ガス温度下限値より低くならないようにする制御器とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記燃料混合ガス温度下限値が、２５０℃〜４５０℃の範囲に設定されていることを特徴とする請求項４記載の固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項６】
原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される前記水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料混合ガス予熱器に供給される前記原燃料の流量を制御する原燃料量調整器と、
前記改質器の出口側における改質触媒層の温度を検出する出口側触媒温度検出器と、
該出口側触媒温度検出器により検出された温度が、予め設定された出口側触媒温度下限値より低くなるような場合には、前記原燃料量調整器を制御して前記原燃料量を所定量増すことで当該出口側触媒温度下限値より低くならないようにする制御器とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記出口側触媒温度下限値が、６００℃〜１０００℃の範囲に設定されていることを特徴とする請求項６記載の固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項８】
原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される前記水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記改質器における入口側の改質触媒層の温度を検出する入口側触媒温度検出器と、
前記燃料混合ガス予熱器に供給される前記改質用気体の流量を制御する改質用気体量調整器と、
前記改質器における入口側の改質触媒層の温度が、予め設定された入口側触媒温度上限値を超えるような場合には、前記改質用気体調整器を制御して前記改質用気体量を所定量減らし当該入口側触媒温度上限値を超えないようにする制御器とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項９】
原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される前記水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料混合ガス予熱器に供給される前記原燃料の流量を制御する原燃料量調整器と、
前記改質器における入口側の改質触媒層の温度を検出する入口側触媒温度検出器と、
該入口側触媒温度検出器により検出された温度が、予め設定された入口側触媒温度上限値を超える場合には、前記燃料電池本体での発電電流を所定量減少させ、これにより前記原燃料量調整器により流量調整される前記原燃料量を減少させて当該入口側触媒温度上限値を超えないようにする制御器とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記入口側触媒温度上限値が約１０００℃であることを特徴とする請求項８又は９記載の固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項１１】
原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される前記水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料混合ガス予熱器に供給される前記改質用気体の流量を制御する改質用気体調整器と、
前記燃料混合ガス予熱器に供給される前記原燃料の流量を制御する原燃料量調整器と、
前記改質用気体調整器により流量調整された前記改質用気体量が、予め設定された改質用気体上限量に達した際には、それ以後は前記原燃料の供給量増大を停止させる制御器とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質用気体と水蒸気と原燃料との燃料混合ガスを改質して得られた水素リッチな改質ガスをアノード燃料として発電する固体高分子型燃料電池発電システムに係り、特に原燃料として灯油等の分子量の大きい液状の原燃料を用いた場合に好適な固体高分子型燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、水素と酸素とを反応させて発電を行うものであり、これまで種々の構成が提案されている。
【０００３】
かかる燃料電池発電システムの基本的な概略構成を図１４に示し説明する。当該燃料電池発電システムは、原燃料１１１、酸素を含む改質用気体１１２及び水蒸気１１３が供給されて、これらを混合させて燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器１２３、該燃料混合ガス予熱器１２３からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器１２５、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素変成器１２６、該一酸化炭素変成器１２６からの改質ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減させてアノード燃料１１４とする一酸化炭素選択酸化器１２７、アノード極１３０及びカソード極１２９を備え、これらの間にイオン伝導性の電解質膜１３１が設けられてなるセル（基本構成単位）が複数積層されて、アノード極１３０に供給されたアノード燃料１１４中の水素とカソード極１２９に供給されたカソードガス１１５中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池本体１２８、アノード極１３０から排出されたアノード排ガス１１６を燃焼させる排ガスバーナ１３２（１３２ａ，１３２ｂ）等を備えている。
【０００４】
なお、改質用気体１１２及びカソードガス１１５として、通常空気が用いられ、また排ガスバーナ１３２は、アノード排ガス１１６を燃焼させて燃焼ガス１１７を生成する燃焼部１３２ａ、該燃焼ガス１１７により改質器１２５を加熱する加熱部１３２ｂにより構成されている。
【０００５】
燃料電池本体１２８の構成としては、電解質膜１３１に燐酸を使用する燐酸型燃料電池、アルカリ水溶液を使用するアルカリ型燃料電池、溶融炭酸塩を使用する溶融炭酸塩型燃料電池、固体セラミックス電解質を用いる固体電解質型燃料電池、固体高分子電解質を使用する固体高分子電解質型燃料電池等の種々の構成が提案されている。
【０００６】
これらの内で固体高分子電解質型燃料電池は、水の沸点以下の比較的低温で運転でき、かつ、高出力密度が期待でき、更には燐酸型に見られるような電解質の減損がないことから、近年特に注目を集めている。
【０００７】
また、改質器１２５には、水蒸気のみで改質する水蒸気改質、酸素又は空気で改質する部分酸化改質、酸素又は空気と水蒸気とで改質する部分酸化型水蒸気改質（ＡＴＲ）とがある。
【０００８】
そして、燃料混合ガス予熱器１２３で原燃料１１１、改質用気体１１２、水蒸気１１３が混合されて混合ガスが生成・加熱されて、所定温度の燃料混合ガスとして改質器１２５に供給される。改質器１２５では、この燃料混合ガスを水素リッチな改質ガスに改質して一酸化炭素変成器１２６に供給する。
【０００９】
一酸化炭素変成器１２６では改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素にすることで改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減している。
【００１０】
その後、一酸化炭素変成器１２６からの改質ガスは、一酸化炭素選択酸化器１２７に供給されて、ここで当該改質ガス中の一酸化炭素が酸素と反応して二酸化炭素になることにより一酸化炭素濃度がさらに低減したアノード燃料１１４となって燃料電池本体１２８のアノード極１３０に供給される。
【００１１】
アノード極１３０に供給されたアノード燃料１１４中の水素は、当該アノード極１３０で触媒作用の下で水素イオン（プロトン）と電子とに乖離し、プロトンは電解質膜１３１を伝導してカソード極１２９に至り、また電子は外部回路を介してカソード極１２９に流れる。そして、カソード極１２９でプロトン、電子、酸素による水生成反応が起きる。
【００１２】
ところで、このような燃料電池発電システムにおいて用いられる原燃料１１１としては、天然ガス、ＬＰＧ等のカーボン数３以下の飽和炭化水素を主成分とする燃料が一般的であるが、他にもメタノールも燃料として実績がある。
【００１３】
しかしこのような原燃料１１１は、貯蔵や供給インフラの面で制限があるため、比較的安価で貯蔵が容易な灯油の利用が経済性や顧客利便性の観点から求められている。
【００１４】
ところが、灯油等の分子量の大きい液状の原燃料（本明細書では、かかる原燃料として灯油を例に説明する）は、改質反応未了のまま改質器１２５から下流に流出すると、下流側に設けられている一酸化炭素変成器１２６や燃料電池本体１２８等を汚染する恐れがあるため、常温でガス状態まで改質反応を進める必要がある。
【００１５】
改質反応を完了させるためには、部分酸化改質が望ましいが、この部分酸化改質では水素生成量が少ないため、水素生成効率が高い水蒸気改質と組み合わせた部分酸化型水蒸気改質がより望ましいと考えられる。このような部分酸化型水蒸気改質を用いた燃料電池システムの例としては、特開２００１−９３５５０が挙げられる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−９３５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、原燃料１１１として灯油を利用する場合には、以下のような問題があった。
【００１７】
即ち、灯油を改質するためには当該灯油を蒸発させなければならない。灯油は混合物であるため完全に蒸発させるためには２６０℃以上の高温が必要であり、一方で灯油は３５０℃程度まで加熱するとタール分が生成する特質を持っている。
【００１８】
このため、灯油を原燃料１１１として用いる場合には、望ましくは２７０℃以上の温度にする必要があり、また水蒸気１１３や改質用気体１１２を混合させて沸点を降下させたとしても２５０℃以上で、４５０℃以下、望ましくは３５０℃以下の温度で加熱して蒸発させる必要がある。
【００１９】
しかし、先の特許文献１においては、水蒸気１１３と混合する前に原燃料１１１と改質用気体１１２とを混合して４００℃まで予熱する構成であるため、上述したように熱分解によりタール分が発生してしまう不都合がある。
【００２０】
また、当該特許文献１では、改質器１２５に供給される燃料混合ガス温度は５００℃としており、これを実現するために水蒸気１１３を６５０℃まで過熱しているが、このように高温の水蒸気１１３を用いる構成は商用機として現実的ではない問題があった。
【００２１】
また、灯油は芳香族系炭化水素や不飽和炭化水素、側鎖をもつ炭化水素等の水蒸気１１３だけでは改質しにくい成分を含むので、改質方式としては部分酸化型水蒸気改質が有力と考えられるが、原燃料１１１、改質用気体１１２及び水蒸気１１３の配合が不適切あったり、過渡的に当該配合の適正値が変動したりすると、改質触媒の温度が通常１０００℃とされている耐熱温度を超えてしまい、当該改質触媒の劣化や改質器１２５の寿命低下をもたらす恐れがあった。
【００２２】
例えば、燃料電池本体１２８で出力増大のため急にアノード燃料１１４の流量を増やした場合に、当該アノード燃料１１４の流量に見合う改質用気体１１２は通常追従性が良く即座に増大させることができるが、水蒸気１１３は急激に増加させることが難しいため一時的に改質用気体１１２が過多で水蒸気１１３が過少の状態となってしまい、この結果改質触媒の温度が上昇する不都合が生じる。
【００２３】
このような負荷変動に対しても常に適切な配合を保つことが必要となるが、特許文献１では運転に望ましい改質器１２５の温度条件として、改質触媒層の出口側温度を６００℃以上に保つことが記載されているものの、その配合を常に適正値に保つ構成については開示されていない。
【００２４】
さらに、上述したように灯油は改質し難い成分を含むので、改質器１２５内の改質触媒は６００℃、望ましくは７００℃以上に保つ必要があるが、通常部分酸化型水蒸気改質の改質器１２５では、当該改質器１２５の入口側では改質用気体による酸化反応が改質反応より優先的に進行し、出口側に向うにつれて吸熱反応である改質反応が進行するようになるため、改質器１２５の入口側の温度が高くなり、出口側に向うにつれて温度が低くなってしまい、改質器１２５の入口温度を改質触媒の耐熱温度以下に抑制すると、出口温度は望ましい反応温度に維持することができなくなって未改質成分が改質器１２５から流出する恐れがあった。
【００２５】
この未改質成分の沸点が燃料電池本体１２８の運転温度以下であると、当該未改質成分が燃料電池本体１２８内で凝縮してアノード燃料１１４の流路等を詰らせる等の不都合が発生して正常な運転を妨げてしまう問題がある。
【００２６】
かかる不都合を防止するために、特許文献１に開示されている条件で改質触媒の最高温度を灯油の場合について試算すると、１１００℃を超えてしまい、改質触媒の劣化が著しくなる恐れがあり、改質触媒保護の観点からも原燃料１１１として灯油を用いる場合には何らかの対応が必要となる。
【００２７】
そこで、本発明は、部分酸化型水蒸気改質により灯油を原燃料として改質を行う際に、タール等が発生しないようにすること、また灯油を蒸発させると共に改質器の温度が改質反応を維持できる温度範囲になるようにすること、また改質触媒の温度が耐熱温度以上にならないようにすること、また改質器の温度が全体的に温度が低くできるようすることを可能にした固体高分子型燃料電池発電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】
【００２８】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、排ガスバーナで生成される燃焼ガスが、改質器の少なくとも一部を加熱する加熱源をなし、その後に水蒸気過熱器に流通して水蒸気を過熱する加熱源をなし、かつ、改質器からの改質ガスが、燃料混合ガス予熱器に流通して燃料混合ガスを加熱する加熱源をなすようにしたことを特徴とする。
【００２９】
請求項２に係る発明は、原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、排ガスバーナで生成される燃焼ガスが、改質器の少なくとも一部を加熱する加熱源をなし、その後に燃料混合ガス予熱器に流通して燃料混合ガスを加熱する加熱源をなし、次いで水蒸気過熱器に流通して水蒸気を過熱する加熱源をなすことを特徴とする。
【００３０】
請求項３に係る発明は、原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、排ガスバーナで生成される燃焼ガスが、改質器の少なくとも一部を加熱する加熱源をなし、その後に燃料混合ガス予熱器に流通して燃料混合ガスを加熱する加熱源をなし、次いで水蒸気過熱器に流通して水蒸気を過熱する加熱源をなし、かつ、改質器からの改質ガスが、燃料混合ガス予熱器に流通して燃料混合ガスを加熱する加熱源をなすことを特徴とする。
【００３１】
請求項４に係る発明は、原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、燃料混合ガス予熱器に供給される水蒸気の流量を制御する水蒸気量調整器と、燃料混合ガス予熱器の出口側における燃料混合ガスの温度を検出する燃料混合ガス温度検出器と、燃料混合ガス温度検出器により検出された燃料混合ガスの温度が、予め設定された燃料混合ガス温度下限値より低くなるような場合には、水蒸気量調整器を制御して水蒸気量を所定量増やすことで当該燃料混合ガス温度下限値より低くならないようにする制御器とを有することを特徴とする。
【００３２】
請求項５に係る発明は、燃料混合ガス温度下限値が、２５０℃〜４５０℃の範囲に設定されていることを特徴とする。
【００３３】
請求項６に係る発明は、原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、燃料混合ガス予熱器に供給される原燃料の流量を制御する原燃料量調整器と、改質器の出口側における改質触媒層の温度を検出する出口側触媒温度検出器と、該出口側触媒温度検出器により検出された温度が、予め設定された出口側触媒温度下限値より低くなるような場合には、原燃料量調整器を制御して原燃料量を所定量増すことで当該出口側触媒温度下限値より低くならないようにする制御器とを有することを特徴とする。
【００３４】
請求項７に係る発明は、出口側触媒温度下限値が、６００℃〜１０００℃の範囲に設定されていることを特徴とする。
【００３５】
請求項８に係る発明は、原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、改質器における入口側の改質触媒層の温度を検出する入口側触媒温度検出器と、燃料混合ガス予熱器に供給される改質用気体の流量を制御する改質用気体量調整器と、改質器における入口側の改質触媒層の温度が、予め設定された入口側触媒温度上限値を超えるような場合には、改質用気体調整器を制御して改質用気体量を所定量減らし当該入口側触媒温度上限値を超えないようにする制御器とを有することを特徴とする。
【００３６】
請求項９に係る発明は、原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、燃料混合ガス予熱器に供給される原燃料の流量を制御する原燃料量調整器と、改質器における入口側の改質触媒層の温度を検出する入口側触媒温度検出器と、該入口側触媒温度検出器により検出された温度が、予め設定された入口側触媒温度上限値を超える場合には、燃料電池本体での発電電流を所定量減少させ、これにより原燃料量調整器により流量調整される原燃料量を減少させて当該入口側触媒温度上限値を超えないようにする制御器とを有することを特徴とする。
【００３７】
請求項１０に係る発明は、入口側触媒温度上限値が約１０００℃であることを特徴とする。
【００３８】
請求項１１に係る発明は、原燃料、酸素を含む改質用気体及び水蒸気が供給されて、これらを混合・加熱して燃料混合ガスを生成する燃料混合ガス予熱器と、該燃料混合ガス予熱器からの燃料混合ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスがアノード燃料として供給されると共に酸素を含む気体がカソードガスとして供給されて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体のアノード極から排出されるアノード排ガスの全量又は一部を燃焼させて燃焼ガスを生成する排ガスバーナと、該燃料混合ガス予熱器に供給される水蒸気を過熱する水蒸気過熱器とを有する固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、燃料混合ガス予熱器に供給される改質用気体の流量を制御する改質用気体調整器と、燃料混合ガス予熱器に供給される原燃料の流量を制御する原燃料量調整器と、改質用気体調整器により流量調整された改質用気体量が、予め設定された改質用気体上限量に達した際には、それ以後は原燃料の供給量増大を停止させる制御器とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
請求項１〜請求項３の発明によれば、改質触媒出口温度を一定温度以上に保持することにより、改質器より下流に未改質灯油又は９０℃以下で液体となる灯油分解生成物の流出を防止できるようになると共に、改質器を加熱した後の燃焼ガスの熱量で蒸気過熱器における水蒸気を過熱するため、回収することにより効率を高めることができる。
【００４０】
さらに、灯油を蒸発させ昇温させるための熱量を水蒸気の顕熱のみで供給するためには、従来におけるように４００℃を越える高温にまで過熱しなければならないが、燃料混合ガス予熱器における燃料混合ガスを改質器からの改質ガスで加熱することで水蒸気過熱器からの水蒸気の温度を下げることが可能になり、より安価で安全な配管構造を採用することできるようになる。
【００４１】
請求項４の発明によれば、改質器に流入する燃料混合ガスの温度を部分酸化型水蒸気改質が開始する温度に保つため、燃料混合ガスの温度が低下した場合には水蒸気量を増して、その顕熱を多くすることで固体高分子型燃料電池発電システムに対する影響を抑制しながら燃料混合ガスの温度を上記温度に保つことができるようになる。
【００４２】
また、この燃料混合ガスの温度を上記温度に保つことができないような場合には、原燃料の供給を停止することで、固体高分子型燃料電池発電システムを安全に停止することができるようになる。
【００４３】
請求項６の発明によれば、改質器の出口側における改質触媒の温度を一定温度以上に保持することが可能になり、改質器から下流に未改質灯油や９０℃以下で液体となる灯油分解生成物の流出を防ぐことが可能になる。
【００４４】
また、このように未改質灯油の流出を防ぐことで、停止時に発電装置内の配管や反応器に液体の炭化水素が凝縮付着し汚損することを防ぐことができると共に、特に固体高分子型燃料電池にあっては、燃料電池運転中における燃料電池の汚損を防ぐため特に顕著な効果を得ることが可能になる。
【００４５】
請求項８の発明によれば、改質器に導入する改質用気体量を減らすことで、改質触媒入口温度を一定温度以下に保持することができ、改質器及び改質触媒が高温により劣化することを防ぐことが可能になる。
【００４６】
請求項９の発明によれば、改質器に導入される原燃料量、改質用気体量、水蒸気量が少なくなるため、入口側触媒温度を入口側触媒温度上限値より低い温度にすることができるようになり、改質器及び改質触媒が高温により劣化することを防ぐことが可能になる。
【００４７】
請求項１１の発明によれば、燃料電池電流を所定量減らすことにより、改質用気体量を改質用気体上限量より少なくすることが可能になり、改質器の入口側触媒温度を入口側触媒温度上限値より低い温度に保持することが可能になる。
【００４８】
また、運転中に改質触媒層入口温度を計測しなくても、改質器の入口側触媒温度を入口側触媒温度上限値より低い温度に保持することが可能になるので、当該計測に用いる１０００℃以上の計測が可能なインコネルシースのＰｔ−Ｒｈ系熱電対等の計測器が不要になる利点があると共に、かかる計測器を用いないため、保守メンテナンスが容易になると共に、部品コストやランニングコスト等を抑制できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。図１は、第１の発明を説明するための固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図で、当該固体高分子型燃料電池発電システムは、概略的に大別して燃料供給・排気処理系、燃料改質系、発電・制御系等により構成されている。
【００５０】
燃料供給・排気処理系は、原燃料１１の供給流量を調整する原燃料量調整器２１、酸素を含む気体（例えば、空気）としての改質用気体１２を供給する際の流量を調整する改質用気体量調整器２２、供給された水１８を蒸発させる水蒸気発生器３４、該水蒸気発生器３４からの水蒸気１３の流量を調整する水蒸気量調整器３５、該水蒸気量調整器３５からの水蒸気１３を所定温度に過熱する水蒸気過熱器３６、原燃料量調整器２１からの原燃料１１、改質用気体量調整器２２からの改質用気体１２、水蒸気過熱器３６からの水蒸気１３が供給されて、これらの混合気体を生成すると共に、その温度を所定温度に加熱して燃料混合ガス１９を生成する燃料混合ガス予熱器２３、燃料電池本体２８から排出される未反応の水素を含むアノード排ガス１６を燃焼用空気１７で燃焼させて燃焼ガス３３を生成する排ガスバーナ３２から構成されている。
【００５１】
なお、図１や後述する図においては、排ガスバーナ３２は燃焼部３２ａと加熱部３２ｂとに分離して設けられている場合を示しており、燃焼部３２ａはアノード排ガス１６を燃焼用空気１７により燃焼させて燃焼ガス３３を生成し、加熱部３２ｂはこの燃焼ガス３３で改質器２５の少なくとも一部を加熱する作用をなすもので、これらが分離して設けられる必要性はなく、一体に構成されたものであってもよいことを付言する。
【００５２】
燃料改質系は、燃料混合ガス予熱器２３からの燃料混合ガス１９を触媒作用の下で改質して水素リッチな改質ガス２０を生成する改質器２５、該改質器２５からの改質ガス２０に含まれる一酸化炭素を当該改質ガス２０に含まれる水（又は水蒸気１３）と反応させて一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素変成器２６、該一酸化炭素変成器２６からの改質ガス２０を酸素と反応させて、当該改質ガス２０に含まれる一酸化炭素量をさらに低減させてアノード燃料１４とする一酸化炭素選択酸化器２７により構成されている。
【００５３】
なお、燃料混合ガス予熱器２３は、改質器２５からの改質ガス２０が流動して、燃料混合ガス１９と熱交換する熱交換部２４を備え、水蒸気過熱器３６は加熱部３２ｂからの燃焼ガス３３が水蒸気１３と熱交換する熱交換部３７を備えている。
【００５４】
発電・制御系は、固体高分子型のイオン伝導性電解質層３１とその両面に配置されるアノード極３０及びカソード極２９を基本構成単位とし、これが複数積層される等により構成されて、アノード極３０に供給されたアノード燃料１４に含まれる水素とカソード極２９に供給されたカソードガス１５に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池本体２８、指示された発電量に応じて燃料混合ガス予熱器２３に供給する原燃料１１、改質用気体１２及び水蒸気１３の各流量を演算して、対応する原燃料量調整器２１、改質用気体量調整器２２及び水蒸気量調整器３５を制御する制御器３８を備えている。
【００５５】
そして、水蒸気発生器３４は供給された水１８を蒸発させて水蒸気１３を発生し、この水蒸気１３が弁等から形成された水蒸気量調整器３５で流量調整され、水蒸気過熱器３６で加熱部３２ｂからの燃焼ガス３３により所定温度に加熱されて、燃料混合ガス予熱器２３に流入する。
【００５６】
燃料混合ガス予熱器２３には、原燃料１１、改質用気体１２及び水蒸気１３が流入して、これらの燃料混合ガス１９が生成されると共に所定温度に加熱される。
【００５７】
燃料混合ガス１９の生成は、常温の原燃料１１を常温の改質用気体１２でミスト化し、これを水蒸気１３に吹込むことにより生成される。このとき、水蒸気１３の顕熱で燃料混合ガス１９は温度上昇するが、この水蒸気１３の顕熱のみでは十分に灯油を蒸発させることができないので、後述するように改質器２５からの改質ガス２０を燃料混合ガス予熱器２３に導き、当該改質ガス２０の熱で燃料混合ガス１９を所定温度に加熱するようにしている。
【００５８】
次に、所定温度に加熱された燃料混合ガス１９は、改質器２５で水素リッチな改質ガス２０に改質される。改質方法としては、先に説明したように水蒸気改質、部分酸化改質、部分酸化型水蒸気改質が知られている。
【００５９】
原燃料１１が、メタンの場合の部分酸化型水蒸気改質反応は、
ＣＨ▼４▼＋Ｈ▼２▼Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ▼２▼        …（式１）
ＣＨ▼４▼＋３／２Ｏ▼２▼→ＣＯ＋２Ｈ▼２▼Ｏ  …（式２）
ＣＯ＋Ｈ▼２▼Ｏ→ＣＯ▼２▼＋Ｈ▼２▼          …（式３）
となる。
【００６０】
ここで、式１に示す反応（以下、反応１と言う）は吸熱反応、式２に示す反応（以下、反応２と言う）は標準状態で発熱反応、式３に示す反応（以下、反応３と言う）はＣＯシフト反応と呼ばれる発熱反応である。
【００６１】
水蒸気改質のみの改質器２５では、反応１及び反応３のみが起り、トータルの改質反応は吸熱反応となるため、水蒸気改質のみで改質するには熱供給が必要となる。
【００６２】
一方、部分酸化型水蒸気改質では反応２も起き、その際の発熱量は酸素の供給量に依存する。そして、酸素量とメタン量との比率が、Ｏ▼２▼／ＣＨ▼４▼＝０．３４以上の場合には、部分酸化型水蒸気改質では熱的に自立するようになる（外部から熱を与えなくても反応が進行する）。
【００６３】
また、部分酸化型水蒸気改質は水蒸気改質に比べて、ＣＨ▼４▼当りのＨ▼２▼生成量が減少するものの、改質触媒層の温度が比較的低温でも水素発生が可能なため起動が早く、さらに従来のように改質器２５の加熱に使用していた熱源が不要になるため、当該熱を他の用途に転用できる等の利点がある。
【００６４】
改質触媒層の温度が比較的低温でも改質反応が起きることは、改質器２５に用いられている改質触媒の熱的負荷を低減させることができることを意味し、当該改質触媒の寿命を延すことが可能になる利点もある。
【００６５】
また、本発明では、原燃料１１として灯油を用いるが、灯油は改質反応未了のまま改質器２５下流に流出すると、下流の反応器や燃料電池本体２８を汚染する恐れがあるので、常温でガスの状態まで改質反応を進める必要がある。
【００６６】
このような改質反応を完了させるためには部分酸化改質が望ましいが、当該部分酸化改質では水素生成量が少ないため水素生成効率が高い水蒸気改質と組み合わせた部分酸化型水蒸気改質がより望ましい。
【００６７】
以上の理由から本発明では、部分酸化型水蒸気改質反応による改質を行う改質器２５を用いる。
【００６８】
一般に、改質器２５は改質触媒層を有して燃料混合ガス１９と水蒸気１３とを触媒反応の下で改質し、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水を主成分とする水素リッチな改質ガス２０を生成するが、このときの改質反応を起すためには、燃料混合ガス１９は所定の温度になっていることが必要である。
【００６９】
灯油は、混合物で約１６０℃から蒸発を始める成分を含むが、全ての成分を蒸発させるためには常圧で約２６０℃程度まで加熱する必要がある。一方、灯油には３５０℃程度まで加熱すると分解してタール状物質を生成する成分が含まれている。
【００７０】
そこで、本発明では、燃料混合ガス予熱器２３において原燃料１１を改質用気体１２でミスト化して原燃料１１の総表面積を大きくして原燃料１１の分圧を低げた混合ガスを生成して、低温で確実に蒸発させることができるようにしている。
【００７１】
そして、この混合ガスを水蒸気１３に吹込むことにより、この水蒸気１３の顕熱で混合ガスを加熱して燃料混合ガス１９として改質器２５に供給する。
【００７２】
このとき、改質器２５の入口側で部分酸化型水蒸気改質反応が開始すれば温度が上昇して当該部分酸化型水蒸気改質反応は継続するが、入口側で燃料混合ガス１９の温度が低い場合には部分酸化型水蒸気改質反応が起きない恐れがある。
【００７３】
このため、本発明では、加熱部３２ｂで改質器２５を加熱した燃焼ガス３３を水蒸気過熱器３６に供給して、当該水蒸気過熱器３６における水蒸気１３の加熱源として用いることで、水蒸気１３による混合ガスの温度が高められるようにすると共に、改質器２５で改質された改質ガス２０を、燃料混合ガス予熱器２３に導き、ここで燃料混合ガス１９と熱交換させることにより、当該燃料混合ガス１９を加熱して、熱の有効利用を図りながら、燃料混合ガス１９の温度を所望温度にするようにしている。
【００７４】
これにより、改質器２５に入る燃料混合ガス１９の温度は、２５０℃以上（好ましくは、２７０℃以上）で３５０℃以下の温度にすることができるようになる。
【００７５】
灯油を蒸発させ昇温させるための熱量を水蒸気１３の顕熱のみで供給するためには、例えば特開２００１−９３５５０号公報において指摘されているように４００℃を越える高温にまで加熱しなければならないが、本発明よれば燃焼ガス３３で水蒸気１３を加熱し、また改質ガス２０で燃料混合ガス１９を加熱するため安価、かつ、安全な配管構造で、改質器２５に入る燃料混合ガス１９の温度を所望温度にすることが可能になる。
【００７６】
このように加熱された燃料混合ガス１９は、改質器２５に供給されるが、この改質器２５では発熱反応である酸化反応と該酸化反応より反応速度が遅い吸熱反応が起き、改質器２５の入口側では酸化反応による発熱が改質反応による吸熱より優先して起きる。このため当該入口側の触媒層温度が上昇し、酸化反応終了後は改質反応が進行するため、改質触媒層温度は吸熱により低下する傾向が生れる。
【００７７】
上述したように、灯油の分解反応を確実に行うためには改質触媒層の温度は常にある温度以上である必要があり、本発明では、改質器２５の少なくとも一部を加熱部３２ｂで加熱して、常に改質触媒の温度が分解反応の温度になるようにしている。
【００７８】
従って、改質器２５における出口側の改質触媒の温度を一定温度以上に保持することができるようになり、改質器２５から下流側（燃料電池本体２８側）に未改質の灯油又は９０℃以下で液体となる灯油分解生物の流出が防止できるようになり信頼性が向上する。
【００７９】
このようにして改質器２５で改質された改質ガス２０は、一酸化炭素変成器２６に送られ、ここで、一酸化炭素濃度の低減が行われる。
【００８０】
改質器２５からの改質ガス２０は、水素リッチな改質ガス２０であるが、その中には一酸化炭素が含まれ、この一酸化炭素が燃料電池本体２８のアノード極３０で電気化学反応を起こす触媒を被毒して触媒能力を低下させてしまう。このため可能な限り一酸化炭素濃度を少なくする必要がある。
【００８１】
なお、改質器２５においても式３に示す反応３が起きるが、改質器２５の出口での一酸化炭素濃度は数パーセントオーダーであり、アノード極３０の触媒被毒を避ける上では充分ではなく、この目的のために一酸化炭素変成器２６や一酸化炭素選択酸化器２７が用いられている。
【００８２】
一酸化炭素変成器２６は、反応３を促進するＣｕ−ＺｎＯ系の触媒等が充填されて形成され、要求される一酸化炭素濃度に応じて、多くの場合には、複数の一酸化炭素変成器２６が直列に設置して設けられている。
【００８３】
この反応３では、水素が生成するので水素の生成効率の上で有利であるが、可逆反応であるため、一酸化炭素変成器２６の出口における一酸化炭素濃度は平衡濃度に制約されてしまい、通常は数千ｐｐｍレベルまでの濃度にしか低減できない。
【００８４】
しかし、一酸化炭素濃度が数千ｐｐｍレベルでは、アノード極３０の触媒被毒を避ける上で充分でなく、当該アノード極３０の触媒被毒を避けるためには数〜数十ｐｐｍレベルにまで低減させる必要があり、このために一酸化炭素変成器２６からの燃料ガスを一酸化炭素選択酸化器２７に流入させて、濃度低下を図っている。
【００８５】
この一酸化炭素選択酸化器２７では、一酸化炭素変成器２６からの一酸化炭素濃度が数千ｐｐｍレベルの燃料ガスが、酸素を含む空気等の気体と混合され当該一酸化炭素の大部分と水素の一部とが酸化されて、結果として一酸化炭素濃度が低減される。
【００８６】
このときの酸化反応は不可逆反応であるため、一酸化炭素変成器２６におけるように平衡濃度の制約を受けない。従って、一酸化炭素濃度は数ｐｐｍレベルにまで低減することができるようになる。
【００８７】
ところで、一酸化炭素選択酸化器２７で一酸化炭素濃度を数ｐｐｍレベルにまで低減できるのであれば、一酸化炭素変成器２６を用いないで、改質器２５からの改質ガス２０を直接一酸化炭素選択酸化器２７に供給する構成も考えられる。
【００８８】
しかし、一酸化炭素選択酸化器２７での反応では、一酸化炭素は水素生成に利用されないため、水素量を多くしたい要求に対し不利であり、かつ、この反応は発熱反応であるため該反応処理量が増大するほど触媒層の温度が上昇しやすいが、高温ほど一酸化炭素より水素が酸化され易くなるため、処理量と共に一酸化炭素濃度のが増大する傾向にある。
【００８９】
このため、一酸化炭素変成器２６で一酸化炭素濃度が低減された改質ガス２０を一酸化炭素選択酸化器２７に導入する構成としている。
【００９０】
このようにして一酸化炭素濃度が数ｐｐｍレベルの水素リッチな改質ガス２０がアノード燃料１４として燃料電池本体２８のアノード極３０に供給される。また、燃料電池本体２８のカソード極２９には、酸素を含む気体としてカソードガス１５が供給される。
【００９１】
アノード極３０では触媒作用の下で式４の反応が起き、
２Ｈ▼２▼→４Ｈ▲＋▲＋４ｅ▲−▲…（式４）
発生した水素イオン（プロトン）は固体高分子電解質膜を伝導してカソード極２９に到達する。また、電子は外部回路を介してカソード極２９に流れる。
【００９２】
カソード極２９では固体高分子膜を介して伝導してきた水素イオン、外部回路を介して流れてきた電子、及びカソードガス１５中に含まれる酸素により式５の反応が触媒作用の下で水生成反応が起きる。
Ｏ▼２▼＋４Ｈ▲＋▲＋４ｅ▲−▲→２Ｈ▼２▼Ｏ…（式５）
【００９３】
外部回路を介した電子の流れ（電流）の存在により、直流電力を取出すことが可能になり、通常インバーターを介して交流に変換され、需要端に供給される。
【００９４】
アノード極３０では上述したように、プロトンと電子との乖離反応が起きるが、当該アノード極３０に流入してきたアノード燃料１４に含まれる水素全てがかかる乖離反応を起して発電に寄与することはなく、約６０〜９０％の水素が利用される。
【００９５】
従って、アノード極３０から排出されるアノード排ガス１６には発電に寄与しなかった残りの水素が含まれ、これをそのまま外部に排出すると安全上問題があるため、当該アノード排ガス１６を排ガスバーナ３２で燃焼させている。
【００９６】
以上説明したように、改質触媒出口温度を一定温度以上に保持することにより、改質器２５より下流に未改質灯油又は９０℃以下で液体となる灯油分解生物の流出を防止できるようになる。
【００９７】
また、改質器２５を加熱した後の燃焼ガス３３の熱量で蒸気過熱器３７における水蒸気１３を過熱するため、回収することにより効率を高めることが可能である。
【００９８】
さらに、灯油を蒸発させ昇温させるための熱量を水蒸気１３の顕熱のみで供給するためには、特開２００１−９３５５０号公報に見られるように４００℃を越える高温にまで過熱しなければならないが、燃料混合ガス予熱器２３における燃料混合ガス１９を改質器２５からの改質ガス２０で加熱することで水蒸気１３過熱器１７からの水蒸気１３の温度を下げることが可能になり、より安価で安全な配管構造を採用することが可能となる。
【００９９】
次に、第２の発明を説明する。図２は、固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図で、図１に示す構成に対して、改質器２５からの改質ガス２０は直接一酸化炭素変成器２６に供給され、また加熱部３２ｂからの燃焼ガス３３が燃料混合ガス予熱器２３に供給され、その後に水蒸気過熱器３６に供給されるようになっている点が相違している。
【０１００】
即ち、図１に示す構成では、排ガスバーナ３２からの熱を有効利用するために加熱部３２ｂで燃焼ガス３３により改質器２５を加熱して、当該改質器２５の改質触媒温度を所定温度になるようにした。
【０１０１】
また、加熱部３２ｂからの燃焼ガス３３を水蒸気過熱器３６の熱源として利用することで水蒸気１３の温度を高めるようにしていた。
【０１０２】
そして、燃料混合ガス予熱器２３で原燃料１１、改質用気体１２及び水蒸気１３からなる燃料混合ガス１９を生成し、この燃料混合ガス１９を水蒸気１３の顕熱により上昇させ、その温度では原燃料１１として灯油を用いた場合にこの灯油が十分に分解しないような場合があるので、改質器２５からの改質ガス２０でこの燃料混合ガス１９を加熱するようにしていた。
【０１０３】
しかし、改質器２５で反応が継続する状況下では、加熱部３２ｂから排出される燃焼ガス３３の温度は、当該改質器２５での反応温度以下になることはなく、また改質器２５の入口側では酸化反応による発熱が改質反応による吸熱より優先して起る特徴があるため、加熱部３２ｂからの燃焼ガス３３の温度は改質反応温度より高くなる。
【０１０４】
そこで、本発明では、加熱部３２ｂからの燃焼ガス３３を燃料混合ガス予熱器２３の熱源として利用できるようにしている。これにより、熱利用効率を高めることができるようになる。
【０１０５】
次に、第３の発明を説明する。これまで説明した第１の発明では燃料混合ガス予熱器２３の熱源として、改質器２５からの改質ガス２０の熱を利用した。また第２の発明では、加熱部３２ｂからの燃焼ガス３３の熱を熱源として利用した。
【０１０６】
これに対し、本第３の発明では、図３に示すように、燃料混合ガス予熱器２３を第１燃料混合ガス予熱器２３ａとこれの下流に配置された第２燃料混合ガス予熱器２３ｂとに分割した構成とし、第２燃料混合ガス予熱器２３ｂの熱交換部２４ｂに改質器２５からの改質ガス２０を流動させ、第１燃料混合ガス予熱器２３ａの熱交換部２４ａに加熱部３２ｂからの燃焼ガス３３を流動させるようにしたものである。
【０１０７】
このような構成とすることで、改質ガス２０の熱及び燃焼ガス３３の熱の有効利用を図りながら、原燃料１１の分解が効率的に行えると共に改質器２５の触媒温度を改質反応が起きる温度に保つことができるようになる。
【０１０８】
なお、上述したように、図３では、燃料混合ガス予熱器２３を分割し、それぞれに改質ガス２０や燃焼ガス３３を流動させるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図４に示すように分割されていない燃料混合ガス予熱器２３に２つの熱交換部２４ｃ，２４ｄを設けて、熱交換部２４ｃに改質ガス２０を流動させ、熱交換部２４ｄに燃焼ガス３３を流動させるようにしてもよい。
【０１０９】
次に、第４の発明を説明する。図５は、固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図で、図１に示す構成に対して、改質器２５に流入する燃料混合ガス１９の温度を検出する燃料混合ガス温度検出器４１が設けられている点が相違している。
【０１１０】
そして、このような固体高分子型燃料電池発電システムは、図６に示すような構成の制御器３８を備えて、水蒸気量調整器３５における水蒸気量の制御を行うようになっている。
【０１１１】
なお、これまでの説明では、改質器２５を加熱する熱源として排ガスバーナ３２を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、別途設置された灯油バーナや電気ヒーターであっても良く、また改質器２５を加熱していない構成であっても本発明は適用可能であることを付言する。
【０１１２】
また、以下の説明では、水蒸気量を調整する水蒸気流量調整器として弁を例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば貫流式蒸発器を用いてこれに供給される水１８の流量を弁の開度や送液ポンプの回転数で制御する方法も可能である。
【０１１３】
制御器３８は、燃料電池本体２８での発電電流（燃料電池電流）、原燃料量、改質用気体量、水蒸気量（水蒸気弁開度）及び燃料混合ガス温度検出器４１からの温度信号を取込んでディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部４３、制御プログラムや各種の情報を格納するＥＥＰＲＯＭからなる記憶部４４、該記憶部４４からの制御プログラムや各種情報に基づき、Ａ／Ｄ変換部４３からの入力信号により出力指令を生成するＣＰＵ４５、出力指令をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部４６等を備えている。
【０１１４】
そして、この制御器３８により、改質器２５に流入する燃料混合ガス１９の温度を、当該改質器２５に導入される原燃料量に関わらず所定温度（例えば、２５０℃）以上に制御して改質器２５における温度を部分酸化型水蒸気改質が開始する温度に保つようにする。
【０１１５】
なお、部分酸化型水蒸気改質が開始する温度に保つ方法として、改質用気体１２や原燃料１１を加熱する方法が考えられるが、原燃料１１として灯油を用いた場合には、灯油の引火点が５０℃前後と低いので、水蒸気１３の熱量を増やす方が安全性が高い。
【０１１６】
また、燃料混合ガス１９の温度を上げずに、改質器２５の温度を上げることにより部分酸化型水蒸気改質が開始する温度に保つ方法も考えられ、このような場合として改質用気体１２を増やす方法があるが、この場合は改質器２５での酸化反応の割合が高まり、触媒層温度が上昇するので、改質器２５の反応器、触媒ともに耐熱温度限界を超える恐れがあり、また改質用気体１２の量を増やすと原燃料１１当りの水素発生量が減少するので、アノード燃料１４中の水素量が不足する恐れがある。
【０１１７】
また、排ガスバーナ３２を焚き増しして改質器２５を加熱する方法も考えられるが、改質器２５全体として温度が上昇するため、特に改質器２５の入口側の改質触媒が耐熱温度限界を超える恐れがある。
【０１１８】
一方、水蒸気１３の増量で調整を行った場合には、改質ガス２０の熱容量が増加するため、最高温度は低下し最低温度は上昇する傾向があり好ましい。
【０１１９】
また、一酸化炭素変成器２６でのシフト反応における一酸化炭素平衡濃度を低下させるので、アノード極３０での一酸化炭素濃度をより容易に低減できるようになる。
【０１２０】
これらの点を勘案し、改質器２５に流入する燃料混合ガス１９の温度を部分酸化型水蒸気改質が開始する温度に保つためには水蒸気１３量を調整することが最も効果的と考える。
【０１２１】
以下、このような場合の水蒸気量調整手順を図７にフローチャートに従い説明する。先ず、制御器３８内で燃料電池電流（ＩＤＣ）が設定されると、予め定められた燃料電池電流−燃料量の関係式に従い、投入される原燃料量（Ｎ）が演算され、この原燃料量（Ｎ）に基づき基いて予め定められた原燃料量−水蒸気量の関係式に従って投入される水蒸気量（Ｓ）が演算される（ステップＳＡ１〜ステップＳＡ３）。
【０１２２】
次に、この水蒸気量（Ｓ）に対応する弁開度（Ｘ１）が予め設定された水蒸気量−弁開度の関係式により演算されて、この弁開度（Ｘ１）を水蒸気量調整器３５に設定する弁開度（Ｘ）とする（ステップＳＡ４，ステップＳＡ５）。
【０１２３】
そして、改質器２５に流入する燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）を予め定められた設定温度（Ａ）と比較し、燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）が設定温度（Ａ）より高ければ（Ｔ１＞Ａ）、弁開度を演算した弁開度に設定する（ステップＳＡ６，ステップＳＡ７）。
【０１２４】
一方、負荷変動等の要因により燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）が設定温度（Ａ）より低くなった場合は（Ｔ１≦Ａ）、ステップＳＡ８に進み、弁開度を所定量（ΔＸ）だけ大きくする（ステップＳＡ８）。即ち、現在の原燃料１１に相当する水蒸気１３量より所定量（ΔＸ）だけ水蒸気量を増やす。
【０１２５】
これにより、常温の原燃料１１や改質用気体１２に対する過熱された水蒸気量が増えることになり、燃料混合ガス１９の温度が上昇して燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）を上げることができるようになる。
【０１２６】
その後、燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）が設定温度（Ａ）より高いか否かを判断し（ステップＳＡ９）、燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）が設定温度（Ａ）より高くなった場合には、燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）が当該設定温度（Ａ）に対し予め設定された調整幅（ΔＡ）を加えた値（Ａ＋ΔＡ）より高いか否を判断する（ステップＳＡ１０）。
【０１２７】
そして、燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）が値（Ａ＋ΔＡ）より低い場合、即ちＡ＜Ｔ１＜Ａ＋ΔＡの場合には、水蒸気量調整器３５における弁開度調整が終了し（ステップＳＡ７）、燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）が値（Ａ＋ΔＡ）より高い場合、即ちＴ１＞Ａ＋ΔＡの場合には、水蒸気１３が多すぎると判定して、弁開度を下げて（ステップＳＡ１２）、ステップＳＡ９に戻り調整を続ける。
【０１２８】
一方、ステップＳＡ９で弁開度を調整しても燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）が設定温度（Ａ）より低い場合には、予め設定された設定温度（Ａ）より低い設定温度（Ａ’）との比較を行う（ステップＳＡ１３）。この設定温度Ａ’は改質器２５で部分酸化型水蒸気改質反応が起こりうる限界の温度に設定する。
【０１２９】
燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）がこの設定温度（Ａ’）より高い場合には、ステップＳＡ８に戻るが、燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）がこの設定温度（Ａ’）より低い場合には、警報（α１）を出力して（ステップＳＡ１４）、水蒸気量の調整を続ける。
【０１３０】
燃料混合ガス１９の温度（Ｔ１）が設定温度（Ａ’）より低下しても、改質器２５の残熱により触媒層温度は直ぐに低下せず、暫くの間は部分酸化型水蒸気改質反応は継続するが、この状態が続けばいずれ部分酸化型水蒸気改質反応が不良となる。
【０１３１】
そこで、警報（α１）が出ている時間をタイマーで積算し、積算値が予め設定された時間（α２）を越えると、原燃料１１の供給を遮断して固体高分子型燃料電池発電システムを停止する（ステップＳＡ１５〜ステップＳＡ１７）。
【０１３２】
以上説明したように、改質器２５に流入する燃料混合ガス１９の温度を部分酸化型水蒸気改質が開始する温度に保つため、燃料混合ガス１９の温度が低下した場合には水蒸気１３量を増して、その顕熱を多くすることで固体高分子型燃料電池発電システムに対する影響を抑制しながら（大きな影響を与えることなく）燃料混合ガス１９の温度を上記温度に保つことができるようになる。
【０１３３】
また、この燃料混合ガス１９の温度を上記温度に保つことができないような場合には、原燃料１１の供給を停止することで、固体高分子型燃料電池発電システムを安全に停止することができるようになる。
【０１３４】
次に、第５の発明を説明する。図８は、固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図で、図１に示す構成に対して、改質器２５の出口側の温度を検出する出口側触媒温度検出器４７が設けられている点が相違している。
【０１３５】
原燃料１１がメタン等の常温で気体の物質である場合には、改質器２５から未改質の原燃料１１が流出しても大きな問題にはならないが、常温で液体である灯油を固体高分子型燃料電池発電システムの原燃料１１として使用する場合には、改質器２５からの未改質灯油が流出することは許容できない。
【０１３６】
これは、固体高分子型燃料電池発電システムを停止し冷却する際に、このような未改質灯油等の残燃料が配管に付着して液化し、長期的に配管や反応器を汚損していく恐れがあるためである。
【０１３７】
また、燃料電池本体２８が９０℃以下の低温で運転されている固体高分子型燃料電池の場合は、燃料電池本体２８で残燃料が液化し、アノード極３０とカソード極２９の間にある高分子電解質膜に浸透してこれを劣化させることにより固体高分子型燃料電池発電システムの性能を低下させる深刻な問題が発生するためである。
【０１３８】
このため本発明では、改質器２５の出口側温度が６００℃以下、望ましくは７００℃以下となった場合には、燃料電池本体２８での燃料電池電流に比べて投入する原燃料量を増やすように制御するようにしている。
【０１３９】
電流燃料電流は燃料電池本体２８での水素消費量に対応するので、当該電流燃料電流が一定であれば、燃料電池本体２８での水素消費量を変えずに原燃料量を増やすと、結果としてアノード極３０からのアノード排ガス１６中に含まれる未反応の水素量が増え、このアノード排ガス１６を燃焼させて得られる燃焼ガス３３の熱量が増大して改質器２５の出口側温度を上昇させることができる。
【０１４０】
このような制御を図９に示すフローチャートに従い説明する。先ず、燃料電池電流（ＩＤＣ）が指定され（ステップＳＢ１）、制御器３８はこの燃料電池電流（ＩＤＣ）に基づき予め設定された燃料電池電流−原燃料量の関係式から対応する原燃料量（Ｙ１）を演算し、これを設定する（Ｙ＝Ｙ１）（ステップＳＢ２，ステップＳＢ３）。
【０１４１】
そして、出口側触媒温度検出器４７が検出した改質器２５における出口側触媒温度（Ｔ２）が予め設定された出口側触媒温度下限値（Ｂ）より高いか否かを判断する（ステップＳＢ４）。
【０１４２】
この結果、出口側触媒温度（Ｔ２）が出口側触媒温度下限値（Ｂ）より高い場合には、その状態が維持され（ステップＳＢ５）、低い場合には原燃料量を所定量（ΔＹ）だけ増量した値（Ｙ＋ΔＹ）に設定される（ステップＳＢ６）。
【０１４３】
その後、出口側触媒温度（Ｔ２）が出口側触媒温度下限値（Ｂ）より高いか否かの判断が再度行われ（ステップＳＢ７）、出口側触媒温度（Ｔ２）が出口側触媒温度下限値（Ｂ）より高くなった場合には、出口側触媒温度（Ｔ２）が当該出口側触媒温度下限値（Ｂ）に予め設定された調整幅（ΔＢ）を加えた値（Ｂ＋ΔＢ）より高いか否を判断する（ステップＳＢ８）。
【０１４４】
そして、出口側触媒温度（Ｔ２）が値（Ｂ＋ΔＢ）より低い場合、即ちＢ＜Ｔ２＜Ｂ＋ΔＢの場合には、原燃料量調整器２１における原燃料量の調整が終了し（ステップＳＢ５）、出口側触媒温度（Ｔ２）が値（Ｂ＋ΔＢ）より高い場合、即ちＴ２＞Ｂ＋ΔＢの場合には、原燃料量が多すぎると判定して、原燃料量を所定量（ΔＹ）だけ減量した値（Ｙ−ΔＹ）に設定してステップＳＢ７に戻り調整を続ける。
【０１４５】
一方、ステップＳＢ７で原燃料量を調整しても出口側触媒温度（Ｔ２）が出口側触媒温度下限値（Ｂ）より低い場合には、予め設定された出口側触媒温度下限値（Ｂ）より低い値（Ｂ’）との比較を行う（ステップＳＢ１０）。
【０１４６】
出口側触媒温度（Ｔ２）がこの値（Ｂ’）より高い場合には、ステップＳＢ７に戻るが、低い場合には警報（β１）を出力して（ステップＳＢ１１）、原燃料量の調整を続ける。
【０１４７】
そして、警報（β１）が出力されている時間をタイマーで積算し、積算値が予め設定された時間（β２）を越えると、原燃料１１の供給を遮断して固体高分子型燃料電池発電システムを停止する（ステップＳＢ１２〜ステップＳＢ１４）。
【０１４８】
このように制御することで、改質器２５の出口側における改質触媒の温度を一定温度以上に保持することが可能になり、改質器２５から下流に未改質灯油や９０℃以下で液体となる灯油分解生成物の流出を防ぐことが可能になる。
【０１４９】
そして、このように未改質灯油の流出を防ぐことで、停止時に発電装置内の配管や反応器に液体の炭化水素が凝縮付着し汚損することを防ぐことができると共に、特に固体高分子型燃料電池にあっては、燃料電池運転中における燃料電池の汚損を防ぐため特に顕著な効果を得ることが可能になる。
【０１５０】
次に、第６の発明を説明する。図１０は、固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図で、図１に示す構成に対して、改質器２５の入口側の温度を検出する入口側触媒温度検出器４８が設けられている点が相違している。
【０１５１】
改質器２５における部分酸化型水蒸気改質では、原燃料１１の酸化反応と水蒸気改質反応とが起きるが、酸化反応の反応速度が速いので触媒層入口部で酸化反応が優先的に起きて改質器２５の入口側の改質触媒層の温度が最も高くなる。
【０１５２】
ところが、ＳＵＳ３１６等のステンレス材料でも最高使用温度は９５０℃程度であり、改質触媒も種々存在するものの９００℃を越えるとシンタリング等が起き、改質触媒の劣化が著しくなって反応活性が低下し、かつ、反応器自体にも熱変形などの不適合が発生する恐れがある。
【０１５３】
そこで本発明では、改質触媒層入口温度（Ｔ３）が１０００℃以上望ましくは９００℃以上となった場合には、改質器２５に導入する改質用気体１２の流量を減らし、改質器２５での酸化反応量と発熱を減らして改質触媒入口温度を１０００℃以下望ましくは９００℃以下に低下させるものである。
【０１５４】
このような手順を図１１を参照して説明する。先ず、燃料電池電流（ＩＤＣ）が指定され（ステップＳＣ１）、制御器３８はこの燃料電池電流（ＩＤＣ）に基づき予め設定された燃料電池電流−原燃料量の関係式から対応する原燃料量（Ｎ）を演算し、これを設定する（ステップＳＣ２）。
【０１５５】
そして、この原燃料量（Ｎ）に対応する改質用気体量（Ｚ１）を予め設定された原燃料量−改質用気体量の関係式から演算し（ステップＳＣ３）、これを設定する（ステップＳＣ４）。
【０１５６】
そして、入口側触媒温度検出器４８が検出した改質器２５における入口側触媒温度（Ｔ３）が予め設定された入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低いか否かを判断する（ステップＳＣ５）。
【０１５７】
この結果、入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低い場合には、その状態が維持され（ステップＳＣ６）、高い場合には改質用気体量を所定量（ΔＺ）だけ減量した値（Ｚ−ΔＺ）に設定する（ステップＳＣ７）。
【０１５８】
その後、入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低いか否かの判断が再度行われ（ステップＳＣ８）、入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低くなった場合には、入口側触媒温度（Ｔ３）が予め設定された調整幅（ΔＣ）を減らした値（Ｃ−ΔＣ）より高いか否を判断する（ステップＳＣ９）。
【０１５９】
そして、入口側触媒温度（Ｔ３）が値（Ｃ−ΔＣ）より高い場合、即ちＣ−ΔＣ＜Ｔ３＜Ｃの場合には、改質用気体１２の流量調整が終了し（ステップＳＣ６）、入口側触媒温度（Ｔ３）が値（Ｃ−ΔＣ）より低い場合、即ちＴ３＜Ｃ−ΔＣの場合には、改質用気体量が少なすぎると判定して、改質用気体量を所定量（ΔＺ）だけ増加した値（Ｚ＋ΔＺ）に設定してステップＳＣ８に戻り調整を続ける（ステップＳＣ１０）。
【０１６０】
一方、ステップＳＣ８で改質用気体量を調整しても入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低い場合には、予め設定された入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低い値（Ｃ’）との比較を行う（ステップＳＣ１１）。
【０１６１】
入口側触媒温度（Ｔ３）がこの値（Ｃ’）より低い場合には、ステップＳＣ８に戻るが、高い場合には、警報（γ１）を出力して（ステップＳＣ１２）、改質用気体量の調整を続ける。
【０１６２】
そして、警報（γ１）が出ている時間をタイマーで積算し、積算値が予め設定された時間（γ２）を越えると、原燃料１１の供給を遮断して固体高分子型燃料電池発電システムを停止する（ステップＳＣ１３〜ステップＳＣ１５）。
【０１６３】
このように改質器２５に導入する改質用気体量を減らすことで、改質触媒入口温度を一定温度以下に保持することができ、改質器２５及び改質触媒が高温により劣化することを防ぐことが可能になる。
【０１６４】
次に、第７の発明を説明する。なお、固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成は図１０に示す固体高分子型燃料電池発電システムと同じである。
【０１６５】
本発明にかかる固体高分子型燃料電池発電システムは、改質器２５の入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）以上となった場合に、燃料電池本体２８に流れる燃料電池電流を減らし、これに連動して原燃料量と改質用気体量とを減らすことにより、改質器２５での酸化反応量と発熱を減らすことで、改質器２５の入口側触媒温度を入口側触媒温度上限値（Ｃ）に保持するようにしたものである。なお、この入口側触媒温度上限値（Ｃ）としては、１０００℃以上望ましくは９００℃以上とする。
【０１６６】
かかる手順を図１２を参照して説明する。先ず、燃料電池電流（ＩＤＣ１）が指定され（ステップＳＤ１）、制御器３８は燃料電池電流（ＩＤＣ１）に基づき予め設定された燃料電池電流−原燃料量の関係式から対応する原燃料量（Ｙ１）を演算する（ステップＳＤ２）。
【０１６７】
そして、この原燃料量（Ｙ１）に対応する水蒸気量（Ｓ）を予め設定された原燃料量−水蒸気量の関係式から演算し（ステップＳＤ３）、この水蒸気量（Ｓ）に対応する水蒸気量調整器３５における弁開度（Ｘ１）を演算する（ステップＳＤ４）。
【０１６８】
一方、原燃料量に対応する改質用気体量（Ｚ１）を予め設定された原燃料量−改質用気体量の関係式から演算する（ステップＳＤ５）。
【０１６９】
このようにして、指定された燃料電池電流（ＩＤＣ１）に対応して演算された原燃料量（Ｙ１）、水蒸気量（弁開度）（Ｘ１）、改質用気体量（Ｚ１）を設定し（ＩＤＣ＝ＩＤＣ１，Ｘ＝Ｘ１，Ｙ＝Ｙ１，Ｚ＝Ｚ１）（ステップＳＤ６）、その後に入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低いか否かを判断する（ステップＳＤ７）。
【０１７０】
この結果、入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低い場合には、その状態が維持され（ステップＳＤ８）、高い場合には燃料電池電流（ＩＤＣ）を所定量（ΔＩＤＣ）減らして、これを新たな燃料電池電流（ＩＤＣ）としてステップＳＤ２に戻り、これまで説明した処理を繰返す。
【０１７１】
これにより、改質器２５に導入される原燃料量（Ｙ）、改質用気体量（Ｚ）、水蒸気量（Ｘ）が少なくなるため、入口側触媒温度（Ｔ３）を入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低い温度にすることができるようになり、改質器２５及び改質触媒が高温により劣化することを防ぐことが可能になる。
【０１７２】
次に、第８の発明を説明する。なお、固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成は図１０に示す固体高分子型燃料電池発電システムと同じである。
【０１７３】
これまで説明したように、改質器２５から下流に未改質灯油や９０℃以下で液体となる灯油分解生成物の流出を防ぐ必要から、当該改質器２５の出口側の温度も制御対象になる。
【０１７４】
しかし、かかる灯油分解生成物の流出を防ぐ観点のみからの制御では、改質器２５の入口側の温度が上述した入口側触媒温度上限値（Ｃ）より高くなってしまうことが発生する恐れがある。
【０１７５】
そこで、本発明にかかる固体高分子型燃料電池発電システムでは、改質器２５の入口側触媒温度（Ｔ３）が上述した入口側触媒温度上限値（Ｃ）となる改質用気体量を予め試作機等によりデータ取得し、この改質用気体量より適宜少ない改質用気体量を改質用気体上限量（Ｄ）として、実際の改質用気体量がこの改質用気体上限量に達すると、それ以上原燃料量を増大させないようにしたものである。
【０１７６】
この改質用気体上限量（Ｄ）を入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）となる改質用気体量より適宜少ない量としたのは、安全を見越したためであり、その安全係数は適宜設計する。
【０１７７】
かかる手順を図１３を参照して説明する。先ず、燃料電池電流（ＩＤＣ）が指定され（ステップＳＥ１）、制御器３８はこの燃料電池電流（ＩＤＣ）に基づき予め設定された燃料電池電流−原燃料量の関係式から対応する原燃料量（Ｙ）を演算する（ステップＳＥ２）。
【０１７８】
そして、この原燃料量（Ｙ）に対応する水蒸気量（Ｓ）を予め設定された原燃料量−水蒸気量の関係式から演算し（ステップＳＥ３）、この水蒸気量（Ｓ）に対応する水蒸気量調整器３５における弁開度（Ｘ）を演算する（ステップＳＥ４）。
【０１７９】
一方、原燃料量（Ｙ）に対応する改質用気体量（Ｚ）を予め設定された原燃料量−改質用気体量の関係式から演算する（ステップＳＥ５）。
【０１８０】
このようにして、指定された燃料電池電流に対応して演算された原燃料量（Ｙ）、水蒸気量（弁開度）（Ｘ）、改質用気体量（Ｚ）を設定し（ステップＳＥ６）、その後に改質用気体量（Ｚ）が改質用気体上限量（Ｄ）より少ないか否かを判断する（ステップＳＥ７）。
【０１８１】
この結果、改質用気体量（Ｚ）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低い場合には、改質器２５の入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低いと判断して、その状態が維持され（ステップＳＥ８）、高い場合には改質器２５の入口側触媒温度（Ｔ３）が入口側触媒温度上限値（Ｃ）より高くなる可能性があるとして燃料電池電流（ＩＤＣ）を所定量（ΔＩＤＣ）減らして（ステップＳＥ９）、これを新たな燃料電池電流（ＩＤＣ）としてステップＳＥ２に戻り、これまで説明した処理を繰返す。
【０１８２】
燃料電池電流（ＩＤＣ）を所定量（ΔＩＤＣ）減らすことにより、ステップＳＥ５で当該新たな燃料電池電流（ＩＤＣ）に対応して演算された新たな改質用気体量（Ｚ）が少なくなるため改質用気体上限量（Ｄ）より少なくすることが可能になり、改質器２５の入口側触媒温度（Ｔ３）を入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低い温度に保持することが可能になる。
【０１８３】
特に、本発明では、運転中に改質器２５の入口側触媒温度を計測しなくても、この温度を入口側触媒温度上限値（Ｃ）より低い温度に保持することが可能になるので、当該計測に用いる１０００℃以上の計測が可能なインコネルシースのＰｔ−Ｒｈ系熱電対等の計測器が不要になる利点がある。
【０１８４】
しかも、高温により計測器が破損する事態も想定されるものの高温に耐えてガスの漏出がないようにするために取外交換ができない態様で取付ける必要があり、当該計測器が破損した場合の復旧が困難で実際には改質器２５の交換を余儀なくされてしまうが、本発明ではかかる計測器を用いないため、保守メンテナンスが容易になると共に、部品コストやランニングコスト等を抑制できる利点がある。
【０１８５】
なお、燃料電池電流に見合うだけの原燃料量や改質用気体等が供給されない場合には、アノード極での水素量に不足が生じる恐れがあり、係る場合には直流電流の増加も停止することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１８６】
【図１】第１の発明を実施するための最良の形態の説明に適用される固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図である。
【図２】第２の発明を実施するための最良の形態の説明に適用される固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図である。
【図３】第３の発明を実施するための最良の形態の説明に適用される固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図である。
【図４】図３の固体高分子型燃料電池発電システムの変形態様を示す図である。
【図５】第４の発明を実施するための最良の形態の説明に適用される固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図である。
【図６】制御器の概略構成を示す図である。
【図７】図５に示す固体高分子型燃料電池発電システムにおける制御器による制御手順を示す図である。
【図８】第５の発明を実施するための最良の形態の説明に適用される固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図である。
【図９】図８に示す固体高分子型燃料電池発電システムにおける制御器３８による制御手順を示す図である。
【図１０】第６の発明を実施するための最良の形態の説明に適用される固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示す図である。
【図１１】図１０に示す固体高分子型燃料電池発電システムにおける制御器３８による制御手順を示す図である。
【図１２】第７の発明を実施するための最良の形態の説明に適用される固体高分子型燃料電池発電システムにおける制御器３８による制御手順を示す図である。
【図１３】第８の発明を実施するための最良の形態の説明に適用される固体高分子型燃料電池発電システムにおける制御器３８による制御手順を示す図である。
【図１４】従来の技術の説明に適用される固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示すである。
【符号の説明】
【０１８７】
１１  原燃料
１２  改質用気体
１３  水蒸気
１４  アノード燃料
１５  カソードガス
１６  アノード排ガス
１９  燃料混合ガス
２０  改質ガス
２１  原燃料量調整器
２２  改質用気体量調整器
２３  燃料混合ガス予熱器
２５  改質器
２６  一酸化炭素変成器
２８  燃料電池本体
２９  カソード極
３０  アノード極
３１  イオン伝導性電解質層
３２  排ガスバーナ
３３  燃焼ガス
３４  水蒸気発生器
３５  水蒸気量調整器
３６  水蒸気過熱器
３８  制御器
４１  燃料混合ガス温度検出器
４７  出口側触媒温度検出器
４８  入口側触媒温度検出器
【図１】
2005100798.tif 000003
【図２】
2005100798.tif 000004
【図３】
2005100798.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005100798.tif 000009
【図８】
2005100798.tif 000010
【図９】
2005100798.tif 000011
【図１０】
2005100798.tif 000012
【図１１】
2005100798.tif 000013
【図１２】
2005100798.tif 000014
【図１３】
2005100798.tif 000015
【図１４】
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