(57)【要約】【課題】  水蒸気改質反応に供する水蒸気量を速やかに変動させて、水蒸気改質反応に供する水蒸気量を確保する。【解決手段】  燃料電池システム２０は、改質燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応を進行させる改質触媒を備える改質器３０を備えている。改質器３０には、ポンプ３４を介して改質燃料が供給される。また、改質器３０には、水蒸気および酸素を含有するカソードオフガスが供給される。さらに、改質器３０には、供給される改質燃料量が増加変動する際に、水素を含有するアノードオフガスが供給可能となっている。改質器３０で水蒸気改質反応が進行する際に、改質器３０にさらに水素が供給されると、水素が酸化されることにより水蒸気が生成される。【選択図】  図１
2005200246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記改質燃料供給部から供給される前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に水素を供給する水素供給部と、
前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備える燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記増加変動時に供給された前記改質燃料量に対する前記水蒸気量の割合が、所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給するように前記水素供給部を制御する制御部を備える
燃料改質装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、さらに、前記水素供給部が供給する水素量に応じた酸素量を前記触媒部に供給するように前記酸素供給部を制御する
燃料改質装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記水蒸気供給部は、水を気化させる蒸発器を備える燃料改質装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記触媒部は、さらに酸化触媒を備え、
前記水素供給部および前記酸素供給部は、それぞれ、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように、水素および酸素を前記触媒部に供給する
燃料改質装置。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記水素供給部は、水素を貯蔵する水素タンクを備え、該水素タンクに貯蔵した水素を前記触媒部に供給する
燃料改質装置。
【請求項７】
請求項１ないし５いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記水素供給部は、前記触媒部で生成された水素を前記触媒部に供給する
燃料改質装置。
【請求項８】
改質燃料から水素を生成し、生成した水素を燃料電池のアノードに供給する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
水蒸気および酸素を含有すると共に前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを、前記触媒部に供給するカソードオフガス供給部と、
前記触媒部に水素を供給する水素供給部と、
を備える
燃料改質装置。
【請求項９】
請求項８記載の燃料改質装置であって、
前記水素供給部は、前記改質燃料供給部が供給する前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に水素を供給する
燃料改質装置。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記触媒部に供給される前記改質燃料の量が、前記燃料電池に対する要求発電量に応じた量の水素を前記触媒部で生成するために要する改質燃料の量である必要改質燃料量となるように、前記改質燃料供給部を制御する改質燃料制御部と、
前記必要改質燃料量が増加変動する際に、前記必要改質燃料量に対する前記水蒸気供給部が供給する前記水蒸気量の割合が、所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給するように前記水素供給部を制御する水素制御部と
を備える燃料改質装置。
【請求項１１】
請求項８記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記燃料電池のカソードに、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料電池が発電すべき発電量と、前記燃料電池における発電効率とに基づいて、前記酸化ガス供給部が供給する前記酸化ガス量を制御する酸化ガス制御部と、
前記カソードオフガス供給部によって前記触媒部に前記水蒸気および前記酸素が供給されて、前記触媒部内で、前記水蒸気改質反応と共に、前記改質燃料を用いて水素の生成を伴う酸化反応である部分酸化反応が進行する際に、前記水素供給部を制御して前記触媒部に前記水素を供給させる水素制御部と
を備える燃料改質装置。
【請求項１２】
改質燃料から水素を生成し、生成した水素を燃料電池のアノードに供給する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記改質燃料供給部から供給される前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に、水素を含有すると共に前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを供給する水素供給部と、
前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備える燃料改質装置。
【請求項１３】
改質燃料から水素を生成し、生成した水素を燃料電池のアノードに供給する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒と共に、酸化触媒を備える触媒部と、
前記改質燃料の一部を、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に供給し、前記改質燃料の残りを、前記改質触媒に供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
水素を含有すると共に前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に供給する水素供給部と、
前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備える燃料改質装置。
【請求項１４】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、請求項１ないし１３いずれか記載の燃料改質装置と
を備え、
前記燃料改質装置が生成した水素を、前記燃料電池のアノードに供給して発電を行なう
燃料電池システム。
【請求項１５】
改質燃料から水素を生成する燃料改質方法であって、
（ａ）前記改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部に対して、前記改質燃料および前記水蒸気と共に水素を供給する工程と、
（ｂ）前記（ａ）工程で供給する前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に供給した前記水蒸気に加えて、前記触媒部において前記水素の酸化によって生じた水蒸気を用いて、前記水蒸気改質反応を進行させる工程と
を備える燃料改質方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の燃料改質方法であって、
前記（ａ）工程は、前記改質燃料量に対する前記水蒸気量の割合が所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給する
燃料改質方法。
【請求項１７】
請求項１５または１６記載の燃料改質方法であって、
前記（ｂ）工程は、
（ｂ−１）前記（ａ）工程で供給された前記水素量に応じた酸素量を前記触媒部に供給して前記水素を酸化させる工程を備える
燃料改質方法。
【請求項１８】
燃料電池のアノードに供給するための水素を改質燃料から生成する燃料改質方法であって、
（ａ）前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス中の酸素を用いて水素を酸化し、水蒸気を生成させる工程と、
（ｂ）改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を進行させる際に、前記カソードオフガス中の水蒸気と共に、前記（ａ）工程で生成した水蒸気を用いて水素を生成させる工程と、
を備える燃料改質方法。
【請求項１９】
燃料電池のアノードに供給するための水素を改質燃料から生成する燃料改質方法であって、
（ａ）前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス中の水素を酸化させて水蒸気を生成させる工程と、
（ｂ）改質燃料を酸化させて水蒸気を生成させる工程と、
（ｃ）改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を進行させる際に、該水蒸気改質反応に用いる水蒸気の一部として、前記（ａ）工程で生成させた水蒸気に加えて前記（ｂ）工程で生成させた水蒸気を用いる工程と、
を備える燃料改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化水素系化合物を含む改質燃料から水素を生成する燃料改質装置および燃料改質装置を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、炭化水素系化合物を含む改質燃料から水素を生成する燃料改質装置として種々のものが提案されている。例えば、特許文献１には、比較的気化し易い改質燃料である軽質原料と、比較的気化しにくい改質燃料である重質原料とを、改質触媒を備える改質器に供給する燃料改質装置が開示されている。ここでは、改質器に供給する水蒸気量を調節することによって、改質器に供給される改質燃料の量に対する水蒸気量の割合を所定の値にして、水蒸気改質反応が良好に進行するように制御している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６５７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の燃料改質装置では、燃料改質装置が生成すべき水素量が変動するときに、改質器に供給される改質燃料の量に対する水蒸気量の割合を所定の値に維持することが困難となる場合があった。すなわち、燃料改質装置が生成すべき水素量が変動するときには、改質器に供給する改質燃料量および水蒸気量も変動させる必要があるが、供給する水蒸気量を素早く変動させることが困難であるために、上記割合を所定の値に維持することが困難であった。改質燃料量の変動（特に増加変動）に対して水蒸気量の追従が不十分であるために、改質燃料量に対する水蒸気量の割合を所定の値に維持できないと、改質効率の低下や煤形成などの不都合が生じる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水蒸気改質反応に供する水蒸気量を速やかに変動させて、水蒸気改質反応に供する水蒸気量を確保する技術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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料改質装置は、改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記改質燃料供給部から供給される前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に水素を供給する水素供給部と、
前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の第１の燃料改質装置によれば、水素供給部によって触媒部に水素を供給可能であるため、酸素供給部が供給する酸素を用いて水素を酸化して、触媒部内で水蒸気を生成することができる。したがって、改質燃料の量が増加変動するときに、水蒸気改質反応に供する水蒸気として、水素の酸化で生じた水蒸気をさらに用いることができ、水蒸気改質反応に供する水蒸気量を速やかに変動させ確保することが可能となる。
【０００８】
なお、本発明の燃料改質装置が備える触媒部において、改質燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と共に、酸素供給部が供給する酸素を用いて、水素を生成しつつ改質燃料を酸化する部分酸化反応を進行させることとしても良い。
【０００９】
本発明の第１の燃料改質装置は、さらに、
前記増加変動時に供給された前記改質燃料量に対する前記水蒸気量の割合が、所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給するように前記水素供給部を制御する制御部を備えることとしても良い。
【００１０】
このような構成とすれば、水素供給部が供給した水素を酸化させて水蒸気を生成することにより、触媒部において、改質燃料量に対する水蒸気量の割合を所定値に近づけることができる。特に、不足する水蒸気量が水素の酸化によって生成されるように水素供給部を制御すれば、触媒部における改質燃料量に対する水蒸気量の割合を常に所定値に維持することができる。ここで、改質燃料量に対する水蒸気量の割合の基準値である上記所定値として、水蒸気改質反応の効率が充分に高くなると共に改質触媒上での煤形成が充分に抑えられる値を設定しておけば、触媒部における水蒸気改質反応の状態を良好に維持することができる。
【００１１】
このような本発明の第１の燃料改質装置において、
前記制御部は、さらに、前記水素供給部が供給する水素量に応じた酸素量を前記触媒部に供給するように前記酸素供給部を制御することとしても良い。
【００１２】
このような構成とすれば、触媒部において、水蒸気改質反応および酸化反応の状態を望ましい状態とし、改質効率が高い状態を維持することが可能となる。
【００１３】
本発明の第１の燃料改質装置において、
前記水蒸気供給部は、水を気化させる蒸発器を備えることとしても良い。
【００１４】
蒸発器を用いて水を気化させる場合には、水の気化熱が比較的大きいため、気化すべき水の量が増大するのに応じて、気化のための加熱量を充分に増大させて効率よく気化量を増やすことが難しい。したがって、蒸発器で生成する水蒸気量を急激に増加させることは一般に困難である。上記構成とすれば、触媒部に供給される改質燃料量が急増するときには、蒸発器で生成可能な水蒸気に加えて、水素供給部が供給する水素を酸化して得られる水蒸気も水蒸気改質反応で利用することができ、水蒸気量が不足するのを防止できる。
【００１５】
あるいは、本発明の第１の燃料改質装置において、
前記触媒部は、さらに酸化触媒を備え、
前記水素供給部および前記酸素供給部は、それぞれ、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように、水素および酸素を前記触媒部に供給することとしても良い。
【００１６】
このような構成とすれば、水素供給部から供給した水素は予め酸化触媒上で酸化されて水蒸気を生成し、生じた水蒸気が改質触媒に供給されるため、水蒸気改質反応の際に、改質燃料量に対する水蒸気量の割合を、より確実に制御することが可能となる。
【００１７】
本発明の第１の燃料改質装置において、
前記水素供給部は、水素を貯蔵する水素タンクを備え、該水素タンクに貯蔵した水素を前記触媒部に供給することとしても良い。
【００１８】
このような場合には、純度の高い水素ガスを用いて水蒸気生成の制御を行なうことができると共に、水蒸気を生成するために用いる水素量の制御がより容易になる。
【００１９】
本発明の第１の燃料改質装置において、
前記水素供給部は、前記触媒部で生成された水素を前記触媒部に供給することとしても良い。
【００２０】
このような場合には、触媒部で進行する水蒸気改質反応において、水蒸気供給部が供給する水蒸気量が不足するときに、触媒部が生成した水素の一部を酸化して得られる水蒸気を用いることができる。触媒部で生成された水素を供給する際には、改質反応によって生成されて触媒部から排出される改質ガスをそのまま用いることとしても良いし、さらに水素の純度を高めて、あるいは改質ガス中の不純物を除去してから触媒部に供給することとしても良い。あるいは、触媒部で生成された改質ガスを、所定の水素消費装置に供給し、水素消費装置で消費されなかった残余の水素を、触媒部に供給することとしても良い。
【００２１】
本発明の第２の燃料改質装置は、改質燃料から水素を生成し、生成した水素を燃料電池のアノードに供給する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
水蒸気および酸素を含有すると共に前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを、前記触媒部に供給するカソードオフガス供給部と、
前記触媒部に水素を供給する水素供給部と、
を備えることを要旨とする。
【００２２】
以上のように構成された本発明の第２の燃料改質装置によれば、水蒸気を供給するために、含有水蒸気量が発電量に依存するカソードオフガスを用いる場合に、触媒部で水素を酸化することでさらに水蒸気を生成できる。したがって、発電量の影響を受けることなく、水蒸気改質反応に供する水蒸気量を確保することが可能となる。また、触媒部で水素を酸化することによってカソードオフガス中の酸素を消費可能であるため、触媒部における改質反応の効率に制限されることなくカソードに供給する酸素量を増加させ、燃料電池における発電効率の向上を図ることが可能となる。
【００２３】
このような本発明の第２の燃料改質装置において、
前記水素供給部は、前記改質燃料供給部が供給する前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に水素を供給することとしても良い。
【００２４】
このような構成とすれば、燃料電池における発電量が急増して触媒部に供給される改質燃料量が急増する際に、カソードオフガス中の水蒸気量が不足しても、水蒸気改質反応に供する水蒸気量を確保することができる。
【００２５】
このような本発明の第２の燃料改質装置において、さらに、
前記触媒部に供給される前記改質燃料の量が、前記燃料電池に対する要求発電量に応じた量の水素を前記触媒部で生成するために要する改質燃料の量である必要改質燃料量となるように、前記改質燃料供給部を制御する改質燃料制御部と、
前記必要改質燃料量が増加変動する際に、前記必要改質燃料量に対する前記水蒸気供給部が供給する前記水蒸気量の割合が、所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給するように前記水素供給部を制御する水素制御部と
を備えることとしても良い。
【００２６】
このような構成とすれば、水素供給部が供給した水素を酸化させて水蒸気を生成することにより、触媒部において、改質燃料量に対する水蒸気量の割合を所定値に近づけることができる。したがって、触媒部において改質反応の効率を安定して維持し、所望量の水素を安定して燃料電池に供給することができる。
【００２７】
また、本発明の第２の燃料改質装置において、さらに、
前記燃料電池のカソードに、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料電池が発電すべき発電量と、前記燃料電池における発電効率とに基づいて、前記酸化ガス供給部が供給する前記酸化ガス量を制御する酸化ガス制御部と、
前記カソードオフガス供給部によって前記触媒部に前記水蒸気および前記酸素が供給されて、前記触媒部内で、前記水蒸気改質反応と共に、前記改質燃料を用いて水素の生成を伴う酸化反応である部分酸化反応が進行する際に、前記水素供給部を制御して前記触媒部に前記水素を供給させる水素制御部と
を備えることとしても良い。
【００２８】
このような構成とすれば、燃料電池における発電効率を向上させるためにカソードに供給する酸化ガス量をより多くしても、触媒部では水素を酸化するためにカソードオフガス中の酸素が消費される。したがって、水蒸気改質反応と共に部分酸化反応を進行する際に触媒部内で酸素量が過剰となるのを抑えることができ、水素生成の効率が低下するのを防止することができる。
【００２９】
本発明の第３の燃料改質装置は、改質燃料から水素を生成し、生成した水素を燃料電池のアノードに供給する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記改質燃料供給部から供給される前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に、水素を含有すると共に前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを供給する水素供給部と、
前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備えることを要旨とする。
【００３０】
以上のように構成された本発明の第３の燃料改質装置によれば、改質反応の際に用いる水蒸気を補うためにアノードオフガス中の水素を用いるため、別途水素源を用意する必要がなく、水素を酸化して水蒸気を得るためにシステム全体のエネルギ効率が低下することがない。
【００３１】
本発明の第４の燃料改質装置は、改質燃料から水素を生成し、生成した水素を燃料電池のアノードに供給する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒と共に、酸化触媒を備える触媒部と、
前記改質燃料の一部を、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に供給し、前記改質燃料の残りを、前記改質触媒に供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
水素を含有すると共に前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に供給する水素供給部と、
前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備えることを要旨とする。
【００３２】
以上のように構成された本発明の第４の燃料改質装置によれば、改質触媒で水蒸気改質反応を進行する際には、水蒸気供給部が供給する水蒸気と、アノードオフガス中の水素を酸化触媒上で酸化させて得られる水蒸気に加えて、改質燃料の一部を酸化触媒上で酸化させて得られる水蒸気をも利用可能となる。したがって、水蒸気供給部が供給する水蒸気に、アノードオフガス中の水素を酸化して得られる水蒸気を加えても、水蒸気量を充分に確保できない場合であっても、改質燃料量に対する水蒸気量の割合を維持しつつ水蒸気改質反応を行なうことができる。
【００３３】
本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、請求項１ないし１３いずれか記載の燃料改質装置と
を備え、
前記燃料改質装置が生成した水素を、前記燃料電池のアノードに供給して発電を行なうことを要旨とする。
【００３４】
以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、燃料改質装置における水蒸気改質反応の状態を良好に維持することができるため、燃料電池に安定して水素を供給することができる。
【００３５】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料改質装置の運転方法や、燃料電池システムの運転方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例の燃料改質装置の全体構成：
Ｂ．改質反応のための制御：
Ｃ．第２実施例
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．変形例：
【００３７】
Ａ．第１実施例の燃料改質装置の全体構成：
図１は、第１実施例の燃料電池システム２０の構成の概略を表わすブロック図である。燃料電池システム２０は、改質器３０を備えており、改質器３０で生成した水素を用いて、燃料電池４０において発電を行なう。
【００３８】
改質器３０には、改質反応により水素を生成するために、改質燃料、酸素および水蒸気が供給される。改質器３０は混合器３２を併設しており、改質燃料、酸素および水蒸気は、改質器３０に供給されるのに先立って混合器３２で混合される。
【００３９】
改質燃料は、ポンプ３４によって流量を調節されつつ、混合器３２に供給される。改質反応に供する改質燃料としては、例えば、ガソリンや天然ガスなどの炭化水素や、メタノールなどのアルコール、あるいはアルデヒド等、種々の炭化水素系化合物を用いることができる。また、酸素および水蒸気は、酸素および水蒸気を含有するガスであって燃料電池４０のカソードから排出されるカソードオフガスを混合器３２に供給することによって、改質器３０に供給される。燃料電池システム２０では、燃料電池４０におけるカソードオフガスの出口部分と混合器３２とを接続するカソードオフガス供給路６０が設けられており、このカソードオフガス供給路６０を介して、混合器３２にカソードオフガスが供給される。
【００４０】
本実施例では、改質燃料は、ポンプ３４によって流量を調節されつつ混合器３２に供給されることとしたが、改質器３０に改質燃料を供給する改質燃料供給部を異なる構成としても良い。例えば改質燃料として気体燃料を用いる場合には、ポンプ３４に代えて流量調節弁を設けることとすればよい。なお、改質燃料として液体燃料を用いる場合には、液体燃料を気化するための加熱装置を混合器３２にさらに設け、混合器３２において、改質装置とカソードオフガスとの混合の動作に加えて、改質燃料の気化をも行なうこととすればよい。あるいは、所定の気化装置を用いて、混合器３２に供給するのに先立って液体燃料を気化させることとしても良い。
【００４１】
また、本実施例では、改質器３０に対して、さらに水素を供給可能となっている。具体的には、混合器３２に対して、水素を含有するガスであって燃料電池４０のアノードから排出されるアノードオフガスを供給可能となっている。燃料電池システム２０では、燃料電池４０から排出されるアノードオフガスの流路と混合器３２とを接続するアノードオフガス供給路６４が設けられており、このアノードオフガス供給路６４を介して、混合器３２にアノードオフガスが供給される。アノードオフガスおよび上記カソードオフガスを改質器３０に供給する構成については、後にさらに説明する。
【００４２】
改質器３０は、改質触媒を備える触媒部として構成されており、混合器３２で生成された改質燃料、酸素および水蒸気を含む混合気体が改質器３０に供給されると、改質反応が進行して水素リッチな改質ガスが生成される。すなわち、改質器３０では、カソードオフガス中の水蒸気を利用して水蒸気改質反応が進行すると共に、カソードオフガス中の酸素を利用して、水素の生成を伴う酸化反応である部分酸化反応が進行して、これらの反応によって改質燃料から水素が生成される。改質器３０では、部分酸化反応で生じる熱を利用して水蒸気改質反応を進行させることとしても良いし、改質器３０にさらに外部加熱装置を設けて、水蒸気改質反応で要する熱を外部からの加熱により補うこととしても良い。改質反応を促進する改質触媒としては、例えば、銅−亜鉛系の卑金属触媒や白金などの貴金属系触媒などが知られており、用いる改質燃料に応じて適宜選択すればよい。改質触媒は、例えば、金属やセラミックス製のハニカム担体上に、触媒金属を担持させることによって構成することができる。あるいは、ペレット状の担体上に触媒金属を担持させることとしても良いし、改質触媒をペレット状に成形することとしても良い。なお、既述したように、改質器３０には水素を含有するアノードオフガスも供給可能となっている。改質器３０に酸素が供給される状態でさらに水素が供給されると、上記改質触媒上で水素は速やかに酸化されて水蒸気を生じる。本実施例では、改質反応に供される水蒸気量を調節するために水素の酸化反応を利用しているが、水素酸化に関わる詳しい動作については後に詳述する。また、このようにアノードオフガスを改質器３０に供給することで、アノードオフガス中の水蒸気も改質反応で利用することができる。すなわち、アノードオフガスは、燃料電池のカソードで生じてバックディフュージョンした（電解質層内をカソード側からアノード側に移動した）生成水が水蒸気として含まれるが、このような水蒸気もまた改質反応で利用される。
【００４３】
改質器３０で生成された水素リッチな改質ガスは、燃料電池４０のアノードに導かれて、燃料ガスとして電気化学反応に供される。また、燃料電池システム２０はブロワ４４を備えており、ブロワ４４は、燃料電池４０のカソードに対して、酸化ガスとして空気を供給する。ここで、燃料電池４０には、燃料電池４０の熱が伝えられる熱交換器４２が設けられており、ブロワ４４から供給された空気は、熱交換器４２を経由することで燃料電池４０を冷却した後にカソードに供給される。なお、燃料電池４０と熱交換させるために用いる冷媒としては、上記ブロワ４４から供給される空気に代えて、あるいはブロワ４４から供給される空気に加えて、水や油等の液体冷媒を用いることとしても良い。
【００４４】
本実施例の燃料電池４０は、プロトン伝導性を有する電解質層を有しており、例えばリン酸型燃料電池、あるいは固体高分子型燃料電池によって構成される。図１では、燃料電池４０がアノードとカソードとを備える様子を模式的に表わしているが、実際の燃料電池４０は、単セルを積層したスタック構造を有している。このような燃料電池のカソードでは、電気化学反応によって水が生じるため、カソードで電気化学反応に供された後に排出される空気（カソードオフガス）は、電気化学反応で消費されずに残った残余の酸素と共に、所定量の水蒸気を含んでいる。このカソードオフガスは、既述したカソードオフガス供給路６０に導かれ、混合器３２を介して改質器３０に供給される。
【００４５】
アノードに供給された燃料ガスは、発電に利用された後、アノードオフガスとして配管６２によって外部に導かれる。この配管６２から分岐して、さらに、混合器３２に接続する既述したアノードオフガス供給路６４が設けられている。配管６２がアノードオフガス供給路６４に分岐する分岐部には切り替え弁３８が設けられており、切り替え弁３８を制御することによって、混合器３２を介して改質器３０に供給するアノードオフガス量と、外部に排気するアノードオフガス量とを調節することができる。
【００４６】
配管６２において切り替え弁３８よりも下流には、浄化器４６が設けられている。アノードオフガスは、発電で使用されなかった残留水素や、ＣＯ、ＣＨ4 等の可燃成分などを含有するため、浄化器４６では、アノードオフガスを外部に排気するのに先立って水素濃度や可燃成分濃度を低減して、アノードオフガスの浄化を行なう。浄化器４６は、酸化触媒を備えており、浄化器４６を通過することでアノードオフガス中の残留水素や可燃成分などが燃焼除去される。燃焼に使用される空気は、配管６３を介してブロワ４５から供給される。配管６３は、熱交換器４２を経由するように配設されており、切り替え弁３８よりも下流で配管６２と合流する。これによってアノードオフガスと空気とが混合されて、浄化器４６において燃料反応が行なわれる。
【００４７】
燃料電池システム２０は、さらに、燃料電池システム２０の各部の運転状態を制御するための制御部５０を備えている。制御部５０には、燃料電池４０や改質器３０など、燃料電池システム２０の各部の運転状態に関わる情報が入力されると共に、制御部５０からは、ポンプ３４，ブロワ４４，４５、切り替え弁３８等の各部に対して駆動信号が出力される。
【００４８】
なお、図１では記載を省略したが、改質器３０と燃料電池４０との間にさらに一酸化炭素低減装置を配設し、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させた後に改質ガスを燃料電池４０に供給することとしても良い。一酸化炭素低減装置としては、例えば、一酸化炭素と水蒸気とから、二酸化炭素と水素とを生じるシフト反応を進行させるシフト触媒を備えるシフト部とすることができる。あるいは、過剰に存在する水素に優先して一酸化炭素を酸化する一酸化炭素選択酸化反応を進行させる選択酸化触媒を備える一酸化炭素選択酸化部とすることができる。
【００４９】
燃料電池システム２０は、例えば、電気自動車などの移動体に搭載し、移動体の駆動用電源として用いることができる。あるいは、燃料電池システム２０を、定置型の発電装置として用いることとしても良い。
【００５０】
Ｂ．改質反応のための制御：
以下、改質器３０で進行する改質反応のために燃料電池システム２０で行なわれる制御の概要について説明する。図２は、制御部５０で実行される改質器制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム２０が起動され、改質器３０で生成された燃料ガスを用いて燃料電池４０で発電が行なわれる間、制御部５０によって所定の間隔で繰り返し実行される。
【００５１】
本ルーチンが実行されると、制御部５０は、まず、燃料電池４０が発電すべき目標発電量と、現在の発電量と、改質器３０に供給した改質燃料量とを取得する（ステップＳ１００）。目標発電量は、例えば燃料電池システム２０が車両の駆動用電源として用いられる場合には、車両のアクセル開度および車速に基づいて設定される。燃料電池４０の現在の発電量は、燃料電池４０が接続される回路に電流計を設けることにより、この電流計の検出値から求めることができる。改質器３０に供給した改質燃料量は、制御部５０からポンプ３４に出力された駆動信号に基づき求めることとしても良いし、改質燃料の流路に流量計を設け、改質燃料量を実際に検出することとしても良い。
【００５２】
次に制御部５０は、ステップＳ１００で取得した現在の発電量および改質燃料量に基づいて、カソードオフガス中の水蒸気量と、アノードオフガス中の水素量とを算出する（ステップＳ１１０）。本実施例では、カソードオフガス中の水蒸気量は、電気化学反応で生じた水の量として取り扱っており、発電量から理論的に算出することができる。以下に、燃料電池で進行する電気化学反応を表わす式を示す。式（１）はアノードで進行する反応を表わし、式（２）はカソードで進行する反応を表わし、電池全体では式（３）に示す反応が進行する。
【００５３】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                             …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ            …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                     …（３）
【００５４】
制御部５０は、ステップＳ１００で取得した現在の発電量と、上記式（１）〜式（３）とに基づいて、電気化学反応で生じた水の量を算出する。アノードオフガス中の水素量は、改質器３０で生成された水素量から、電気化学反応で消費された水素量を減じることによって求められる。改質器３０で生成された水素量は、ステップＳ１００で取得した改質燃料量と、改質器３０における転化率（改質器３０に供給された改質燃料の内、改質反応により実際に水素を生成する改質燃料の割合）とに基づいて算出することができる。改質器３０における転化率は、予め実験的に求めておけばよい。電気化学反応で消費された水素量は、ステップＳ１００で取得した現在の発電量と、上記式（１）〜式（３）とに基づいて算出することができる。
【００５５】
次に制御部５０は、ステップＳ１００で取得した目標発電量に基づいて、改質器３０に供給すべき改質燃料量を算出する（ステップＳ１２０）。改質器３０に供給すべき改質燃料量を算出するには、まず、目標発電量と既述した式（１）〜式（３）とに基づいて、目標発電量を得るために必要な水素量を算出すればよい。その後、この必要な水素量と、既述した改質器３０における転化率とに基づいて、改質器３０に供給すべき改質燃料量を算出することができる。
【００５６】
供給すべき改質燃料量を算出した後に、制御部５０は、算出した改質燃料量とＳ／Ｃ比とに基づいて、改質器３０に供給すべき水蒸気量を算出する（ステップＳ１３０）。ここで、「Ｓ／Ｃ比」とは、「改質器３０に供給される改質燃料中に含まれる炭素原子のモル数」に対する「改質器３０に供給される水蒸気を構成する水分子のモル数」の比の値である。本実施例では、改質器３０における改質効率を充分に確保し、改質器３０内での煤形成を充分に抑制可能となるように、Ｓ／Ｃ比を所定の値に定めている。このようなＳ／Ｃ比の値は、例えば、１．５〜２に設定することができる。ステップＳ１３０では、このように予め定めたＳ／Ｃ比と、ステップＳ１２０で算出した改質燃料量とに基づいて、改質器３０に供給すべき水蒸気量を算出する。
【００５７】
供給すべき水蒸気量を算出すると、次に制御部５０は、この供給すべき水蒸気量に対して、ステップＳ１１０で算出したカソードオフガス中の水蒸気量が充分であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。カソードオフガス中の水蒸気量が充分である、すなわち、カソードオフガス中の水蒸気量が、上記供給すべき水蒸気量以上であるときには、制御部５０は、ブロワ４４の駆動量とポンプ３４の駆動量とを設定する（ステップＳ１５０）。ブロワ４４の駆動量、すなわちカソードに供給する空気量を設定するには、まず、ステップＳ１００で取得した目標発電量と、既述した式（１）〜式（３）とに基づいて、目標発電量を発電するために必要な酸素量を理論的に求める。その後、この理論的に求められた酸素量に対して供給空気量が所定の過剰率（空気過剰率）となるように、カソードに供給する空気量を設定する。空気過剰率は、燃料電池４０における発電効率が充分に高くなる値として予め設定された値である。ポンプ３４の駆動量は、ステップＳ１２０で算出した供給すべき改質燃料量を実際に改質器３０に供給するための制御値である。
【００５８】
その後制御部５０は、ステップＳ１５０の結果に基づいてブロワ４４およびポンプ３４に駆動信号を出力すると共に、アノードオフガスはすべて排気されるように切り替え弁３８を切り替えて（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。ここでは、ステップＳ１４０においてカソードオフガス中の水蒸気量が充分であると判断されており、改質器３０においてアノードオフガス中の水素を酸化してさらに水蒸気を生成する必要はないため、アノードオフガスはすべて外部に排気している。これによって改質器３０では、カソードオフガス中の水蒸気および酸素を用いて、充分に高いＳ／Ｃ比の下で水蒸気改質反応が進行すると共に部分酸化反応も進行し、目標発電量を得るのに必要な量の水素が生成される。
【００５９】
ステップＳ１４０において、カソードオフガス中の水蒸気量が不十分である、すなわち、カソードオフガス中の水蒸気をすべて用いても、改質器３０において所望のＳ／Ｃ比を達成することができない場合には、不足する水蒸気を酸化反応により生成するために要するアノードオフガス量を算出する（ステップＳ１７０）。不足する水蒸気の量は、ステップＳ１３０で算出した供給すべき水蒸気量と、ステップＳ１１０で算出したカソードオフガス中の水蒸気量との差として求められる。この不足する水蒸気を、水素の酸化反応により生成するために必要な水素量は、理論的に算出することができる。したがって、ステップＳ１７０では、上記理論的に算出した必要な量の水素を得るために、ステップＳ１１０で算出した量の水素を含有しているアノードオフガスがどれほど必要かを求める。
【００６０】
また、これとは別に制御部５０は、燃料電池４０のカソードに供給する空気量、すなわち、カソードに空気を供給するブロワ４４の駆動量と、ポンプ３４の駆動量と、切り替え弁３８の駆動量とを設定する（ステップＳ１８０）。カソードに供給する空気量は、既述したステップＳ１５０と同様に、理論的に求められた必要な酸素量と、予め定めておいた空気過剰率とに基づいて設定され、理論的に必要な量よりも過剰な量の酸素がカソードに供給される。ここで、ステップＳ１８０は、カソードオフガス中の水蒸気量では不足する場合に行なわれる工程である。したがって、改質器３０に供給されるカソードオフガスは、部分酸化反応で要する酸素に加えて、水素の酸化に要する酸素をも含む必要がある。上記のようにカソードには発電のために理論的に必要な量よりも過剰な酸素が供給されるため、通常は、部分酸化反応と水素の酸化反応の両方を充分に賄うことのできる量の酸素がカソードオフガスに含まれることになる。しかしながら改質器３０内で水素の酸化を行なって酸素を消費することで、部分酸化反応のための酸素が不足する場合には、カソードに供給する空気量をさらに増やす制御を行なえばよい。すなわち、ステップＳ１８０において、水素の酸化で消費する酸素量を考慮して供給酸化ガス量をさらに補正してブロワ４４の駆動量を設定し、カソードオフガス中の酸素量を確保すればよい。なお、ステップＳ１８０で設定されるポンプ３４の駆動量は、ステップＳ１２０で算出した供給すべき改質燃料量を実際に改質器３０に供給するためのポンプ３４の駆動量である。また、ステップＳ１８０で設定される切り替え弁３８の駆動量は、ステップＳ１７０で算出した量のアノードオフガスを、アノードオフガス供給路６４を介して混合器３２に供給するための切り替え弁３８の駆動量である。
【００６１】
その後、制御部５０は、ステップＳ１８０の結果に基づいてブロワ４４およびポンプ３４に駆動信号を出力すると共に、ステップＳ１７０で算出した量のアノードオフガスが改質器３０に供給されるように切り替え弁３８を切り替えて（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了する。これによって改質器３０では、カソードオフガス中の水蒸気と共にアノードオフガス中の水素を酸化して生じた水蒸気を用いて、所望のＳ／Ｃ比の下で水蒸気改質反応が進行すると共に部分酸化反応も進行し、目標発電量を得るのに必要な量の水素が生成される。なお、既述したように、アノードオフガス中には、燃料電池のバックディフュージョンによりアノード側に移動した生成水の一部が水蒸気として含まれており、この水蒸気も改質反応で利用可能である。そのため、ステップＳ１７０において、不足する水蒸気量を生成するために要するアノードオフガス量を算出する際には、アノードオフガス中の水蒸気量をさらに考慮することとしても良い。
【００６２】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム２０によれば、アノードオフガス中の水素を改質器３０内で酸化して生じた水蒸気を利用して水蒸気改質反応を行なうことができるため、改質器３０に供給可能な水蒸気量が不十分となる場合にも、改質反応で利用可能な水蒸気量を速やかに増大させ、所望のＳ／Ｃ比を実現して改質反応を行なうことができる。したがって、燃料電池４０に接続する負荷が急激に増大するとき等、改質器３０で供給すべき水素量が急激に増大する場合にも、水蒸気改質反応を行なう際に所望のＳ／Ｃ比を維持し、水蒸気改質反応の状態を良好に保つことができる。特に、カソードオフガス中の水蒸気を用いて改質反応を行なう場合には、水蒸気量は発電量に依存するため、発電量が少ない状態から急激に増大するときには、カソードオフガス中の水蒸気量が不足する可能性が高い。本実施例のように改質器３０内で水素を酸化させて水蒸気を生成することで、発電量の影響を受けることなくＳ／Ｃ比を維持することができる。なお、改質器３０で生成すべき水素量が急激に減少した場合に、アノードオフガスを改質器３０に供給しているときには、供給量を減少あるいは供給を停止させれば、改質反応に供される水蒸気量を速やかに減少させることができる。
【００６３】
また、本実施例の燃料電池システム２０によれば、アノードオフガス中の水素を酸化するためにカソードオフガス中の酸素を消費することにより、酸化反応を進行する際のＯ／Ｃ比の適正化が可能となる。「Ｏ／Ｃ比」とは、「改質器３０に供給される改質燃料中に含まれる炭素原子のモル数」に対する「改質器３０に供給される酸素原子のモル数」の比の値である。燃料電池では発電効率を確保するために空気過剰率を大きく設定することが望ましいが、本実施例では、空気過剰率を大きく設定することにより、カソードオフガス中に残留する酸素量が部分酸化反応のための最適値よりも多くなる場合にも、改質器内で水蒸気を生成するために水素が消費される。したがって、改質器３０におけるＯ／Ｃ比をより小さくして最適値に近づけることができ、改質器３０内で水蒸気改質反応と共に部分酸化反応を行なう際に、煤の生成を抑えつつ改質反応の効率を高く維持することができる。
【００６４】
なお、本実施例では、カソードオフガスをすべて改質器３０に供給しているため、目標発電量が減少するときには、Ｓ／Ｃ比の値が、予め定めた所定値よりも高くなる。Ｓ／Ｃ比をより高く設定しても、通常は改質効率の低下の程度が小さいので差し支えないが、カソードオフガス中の水蒸気量が充分のときにはカソードオフガスを一部を外部に排気して、Ｓ／Ｃ比を所望の値に維持する制御を行なうこととしても良い。このようにＳ／Ｃ比が上昇しすぎるのを抑えるならば、燃料電池４０内の燃料ガスの流路において水蒸気量が過剰となって凝縮水が生じるのを抑えることができる。
【００６５】
また、本実施例では、カソードオフガス中の水蒸気を利用して水蒸気改質反応を行なっており、さらに改質器３０内では酸化反応により水蒸気が生成されるため、水を気化させるために特別にエネルギを消費する必要がなく、水蒸気を得るためにシステム全体のエネルギ効率が低下することがない。さらに、本実施例では、不要なときには外部に排出されるアノードオフガス中の水素を用いて水蒸気の生成を行なうため、不足する水蒸気を得るためにシステム効率が低下することがない。
【００６６】
Ｃ．第２実施例：
改質器３０が備える改質触媒は酸化反応を促進する活性を有するため、第１実施例では、改質触媒を利用してアノードオフガス中の水素を酸化したが、改質器において、水素を酸化するための酸化触媒をさらに設けることとしても良い。このような構成を第２実施例として以下に説明する。
【００６７】
図３は、第２実施例の改質器１３０の構成の概略を表わす説明図である。第２実施例の改質器１３０は、第１実施例の燃料電池システム２０における混合器３２および改質器３０に代えて用いられる。また、各部の制御は第１実施例で説明した図２の処理に従って行なわれる。以下の説明では、第１実施例と共通する部分には同じ参照番号を付すこととし、第１実施例とは異なる構成を中心に説明する。
【００６８】
第２実施例の改質器１３０は、第１実施例の改質器３０が備える改質触媒と同様の改質触媒１３８と共に、改質触媒１３８の上流側にさらに酸化触媒１３７を備えている。酸化触媒としては、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒を用いることができる。酸化触媒１３７および改質触媒１３８は、第１実施例の改質触媒と同様に、ハニカム状やペレット状の担体上に触媒金属を担持させることによって構成することができる。
【００６９】
改質器１３０は、第１実施例の改質器３０と同様に、カソードオフガス供給路６０を介してカソードオフガスが供給されると共に、アノードオフガス供給路６４を介してアノードオフガスが供給される。これらカソードオフガスおよびアノードオフガスは、まず酸化触媒１３７を通過し、この酸化触媒１３７において、アノードオフガス中の水素が酸化されて水蒸気が生成される。
【００７０】
改質器１３０には、酸化触媒１３７と改質触媒１３８との間に、所定の大きさの空間である混合部１３９が形成されている。混合部１３９に対しては、第１実施例の混合器３２と同様に改質燃料が供給される。混合部１３９に供給された改質燃料は、酸化触媒１３７で生成された水蒸気と、酸化触媒１３７を通過したカソードオフガス中の水蒸気および残余の酸素（水素の酸化に用いられなかった酸素）と混合されて、改質触媒１３８に流入する。改質触媒１３８では、改質燃料が改質されて水素が生じる。すなわち、酸化触媒１３７で生成された水蒸気と、カソードオフガス中の水蒸気とを用いて水蒸気改質反応が行なわれ、カソードオフガス中の残余の酸素を用いて部分酸化反応が行なわれる。なお、改質器１３０にアノードオフガスが供給されて水蒸気改質反応が行なわれる際には、アノードオフガス中に含まれる水蒸気（燃料電池でのバックディフュージョンによりアノード側に移動した生成水）も利用可能となる。したがって、改質器１３０に供給するアノードオフガス量は、第１実施例と同様にアノードオフガス中の水蒸気量を考慮して設定しても良い。
【００７１】
以上のように構成された第２実施例の改質器１３０によれば、第１実施例と同様の効果に加えて、さらに、改質反応におけるＳ／Ｃ比をより確実に制御できるという効果を奏する。すなわち、不足する水蒸気を補うために改質器１３０に供給されるアノードオフガス中の水素は、改質触媒１３８に供給されるのに先立って酸化触媒１３７で酸化されて水蒸気を生じるため、所望量の水蒸気を確実に改質反応に供することができる。また、改質燃料は酸化触媒１３７の下流の混合部１３９に供給されるため、改質燃料が酸化触媒１３７で完全酸化されてしまうことがなく、改質器１３０に供給した改質燃料を確実に改質反応に供することができる。なお、水素は改質燃料に比べてはるかに酸化され易いため、改質燃料を酸化触媒１３７の上流から供給することとしても、酸化触媒１３７で酸化される改質燃料量を許容できる範囲に抑えることは可能である。
【００７２】
Ｄ．第３実施例：
以下に、第３実施例として、アノードオフガス中の水素を酸化させて水蒸気を生成する構成に加えて、改質燃料を酸化させて水蒸気を生成する構成を有する燃料電池システムについて説明する。
【００７３】
図４は、第３実施例の燃料電池システム２２０の構成の概略を表わすブロック図である。燃料電池システム２２０において、第１実施例の燃料電池システム２０と共通する部分には同じ参照番号を付しており、ここでは、燃料電池システム２０とは異なる点を中心に説明する。燃料電池システム２２０は、混合器３２および改質器３０に代えて、第２実施例と同様の改質器１３０を備えている。第２実施例と同様に、カソードオフガス供給路６０から供給されるカソードオフガスおよびアノードオフガス供給路６４から供給されるアノードオフガスは、改質器１３０が備える酸化触媒１３７の上流側から供給される。ポンプ３４によって供給される改質燃料の流路は、切り替え弁２３５において２つの流路に分岐している。一方の流路である第１改質燃料路２６５は、混合部１３９において改質器１３０に接続しており、他方の流路である第２改質燃料路２６６は、酸化触媒１３７の上流側で改質器１３０に接続している。切り替え弁２３５を切り替えることにより、酸化触媒１３７の上流側に供給する改質燃料量と、酸化触媒の下流側に供給する改質燃料量とを調節することができる。
【００７４】
図５は、第３実施例の燃料電池システム２２０が備える制御部５０で実行される改質器制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム２２０が起動され、改質器１３０で生成された燃料ガスを用いて燃料電池４０で発電が行なわれる間、制御部５０によって所定の間隔で繰り返し実行される。
【００７５】
本ルーチンが起動されると、制御部５０は、図２の改質器制御処理ルーチンにおけるステップＳ１００〜Ｓ１３０と同様の処理を実行し、ステップＳ１４０と同様に、カソードオフガス中の水蒸気量が充分であるか否かを判断する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００でカソードオフガス中の水蒸気量が充分であると判断されたときには、制御部５０は、ステップＳ１５０と同様に、燃料電池４０に酸化ガスを供給するブロワ４４と、改質器１３０に改質燃料を供給するポンプ３４の駆動量を設定する。さらに、制御部５０は、ポンプ３４を介して供給される改質燃料すべてを、第１改質燃料路２６５を介して混合部１３９に流入させるように、切り替え弁２３５の駆動量を設定する（ステップＳ２１０）。その後、制御部５０は、ステップＳ２１０の結果に基づいて、ブロワ４４、ポンプ３４、切り替え弁３８を駆動して（ステップＳ２２０）、本ルーチンを終了する。これにより、改質器１３０の改質触媒１３８では良好に改質反応が進行して所望量の水素が生成される。このとき、第２改質燃料路２６６を介した改質燃料の供給は行なわれない。
【００７６】
また、ステップＳ２００においてカソードオフガス中の水蒸気量では不十分と判断されるときには、制御部５０は、不足する水蒸気を生成するために要する水素量を算出する（ステップＳ２３０）。その後制御部５０は、ステップＳ１１０で算出したアノードオフガス中の水素量に基づいて、アノードオフガス中の水素量が、上記不足する水蒸気を生成するために要する水素量を賄うことができるか否かを判断する（ステップＳ２４０）。
【００７７】
ステップＳ２４０で、アノードオフガス中の水素量が充分であると判断されると、制御部５０は、図２のステップＳ１８０と同様にブロワ４４，ポンプ３４、切り替え弁３８の駆動量を設定すると共に、改質燃料がすべて混合部１３９に流入するように切り替え弁２３５の駆動量を設定する（ステップＳ２５０）。その後、制御部５０は、ステップＳ２５０の結果に基づいて、ブロワ４４、ポンプ３４、切り替え弁２３５，３８を駆動して（ステップＳ２６０）、本ルーチンを終了する。これによって、不足する水蒸気はアノードオフガス中の水素を酸化して得ると共に、改質燃料は改質反応にのみ用いる制御が行なわれる。なお、改質器１３０で改質反応が進行する際には、既述したように、バックディフュージョンによりアノードオフガス中に含まれる水蒸気も利用可能である。従って、本ルーチンを実行する際には、このアノードオフガス中の水蒸気量をさらに考慮しても良い。
【００７８】
ステップＳ２４０で、アノードオフガス中の水素量が不十分であると判断されると、制御部５０は、ステップＳ１８０と同様にブロワ４４の駆動量を設定する。また、アノードオフガスがすべて改質器１３０に供給されるように切り替え弁３８の駆動量を設定する。さらに制御部５０は、不足する量の水蒸気が改質燃料の酸化によって得られるように、ポンプ３４および切り替え弁２３５の駆動量を設定する（ステップＳ２７０）。すなわち、制御部５０は、改質反応で要する改質燃料と、所望量の水蒸気を生成するために要する改質燃料の合計量が供給されるようにポンプ３４の駆動量を設定する。さらに制御部５０は、改質反応で要する改質燃料は第１改質燃料路２６５から供給され、水蒸気生成のために要する改質燃料は第２改質燃料路２６６を介して酸化触媒１３７の上流側に供給されるように、切り替え弁２３５の駆動量を設定する。なお、改質燃料を酸化して水蒸気を生成するために要する酸素が不足する場合には、ブロワ４４の駆動量を補正してカソードに供給する空気量を増大させ、カソードオフガス中の酸素量を確保すればよい。その後、制御部５０は、ステップＳ２７０の結果に基づいて、ブロワ４４、ポンプ３４、切り替え弁２３５，３８を駆動して（ステップＳ２８０）、本ルーチンを終了する。これによって、不足する水蒸気は、アノードオフガス中の水素の酸化と、改質燃料の酸化との両方によって生成される。
【００７９】
第３実施例の燃料電池システム２２０によれば、カソードオフガス中の水蒸気に加えて、アノードオフガス中の水蒸気と、アノードオフガス中の水素を酸化させて得られる水蒸気とを用いても、改質器において所望のＳ／Ｃ比を達成できない場合であっても、改質燃料を酸化させて得られる水蒸気を用いることによって、所望のＳ／Ｃ比を達成することが可能となる。すなわち、燃料電池における発電量が急増して、アノードオフガス中の水蒸気量と共にアノードオフガス中の水素量が不足する場合にも、改質燃料を酸化させて得られる水蒸気を用いることによって、改質器において確実に必要量の水蒸気を確保することができる。
【００８０】
Ｅ．第４実施例：
第１ないし第３実施例では、水蒸気改質反応で用いる水蒸気としてカソードオフガス中の水蒸気を利用しているが、水蒸気改質反応で用いる水蒸気を得るために、別途蒸発器を設けることとしても良い。このような構成を第４実施例として以下に説明する。
【００８１】
図６は、第４実施例の燃料電池システム３２０の構成の概略を表わすブロック図である。燃料電池システム３２０において、第１および第２実施例と共通する部分には同じ参照番号を付している。第４実施例の燃料電池システム３２０は、第２実施例と同様の改質器１３０と共に、蒸発器３３３を備えている。蒸発器３３３にはポンプ３４９を介して水が供給され、蒸発器３３３において水の気化が行なわれる。蒸発器３３３は、水を気化するための熱源として、バーナやヒータ、あるいは酸化触媒を備えた燃焼器を備えている（図示せず）。蒸発器３３３で気化された水蒸気と、ポンプ３４を介して供給される改質燃料とは、改質器１３０の混合部１３９内に導かれ、改質触媒１３８で進行する改質反応に供される。なお、図６では改質燃料は蒸発器３３３に供給されることとしたが、改質燃料が気体燃料の場合には、蒸発器３３３の下流で改質燃料を水蒸気に混合することとしても良い。
【００８２】
また、燃料電池システム３２０は、外部から空気を取り込むブロワ３４７を備えている。ブロワ３４７に取り込まれた空気の流路は、改質器１３０の酸化触媒１３７の上流側に連通している。さらに、改質器１３０には、第１実施例と同様にアノードオフガス供給路６４が接続され、アノードオフガスは酸化触媒１３７の上流側に供給可能となっている。そのため、ブロワ３４７から改質器１３０に供給された空気中の酸素は、酸化触媒１３７にアノードオフガスが供給される場合には、酸化触媒１３７において水素の酸化に用いられ、改質触媒１３８では改質燃料の部分酸化反応に用いられる。なお、燃料電池システム３２０では、カソードオフガスはカソードオフガス排出路６１に導かれて外部に排気される。
【００８３】
図７は、燃料電池システム３２０の制御部５０において実行される改質器制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム３２０が起動され、改質器１３０で生成された燃料ガスを用いて燃料電池４０で発電が行なわれる間、制御部５０によって所定の間隔で繰り返し実行される。
【００８４】
本ルーチンが起動されると、制御部５０は、まず、図２のステップＳ１００と同様にして、燃料電池４０が発電すべき目標発電量と、現在の発電量と、改質器１３０に供給した改質燃料量とを取得する（ステップＳ３００）。次に制御部５０は、図２のステップＳ１１０と同様にして、ステップＳ３００で取得した現在の発電量および改質燃料量に基づいて、アノードオフガス中の水素量を算出する（ステップＳ３１０）。その後さらに制御部５０は、図２のステップＳ１２０と同様にして、ステップＳ３００で取得した目標発電量に基づいて、改質器１３０に供給すべき改質燃料量を算出する（ステップＳ３２０）。
【００８５】
供給すべき改質燃料量を算出した後に、制御部５０は、算出した改質燃料量と、Ｓ／Ｃ比およびＯ／Ｃ比とに基づいて、改質器１３０に供給すべき水蒸気量および酸素量を算出する（ステップＳ３３０）。供給水蒸気量の算出は、図２のステップＳ１３０と同様に行なう。本実施例では、Ｏ／Ｃ比の目標値も予め設定されており、ステップＳ３３０では、予め定めたＯ／Ｃ比と、ステップＳ３２０で算出した改質燃料量とに基づいて、改質器１３０に供給すべき酸素量の算出も行なう。Ｏ／Ｃ比が大きいほど改質器内の煤形成は抑制されるが、Ｏ／Ｃ比が大きいほど改質効率（改質燃料の利用率）が低下するため、煤形成を抑えつつ改質効率を確保するために、Ｏ／Ｃ比を所定の範囲に維持する必要がある。このようなＯ／Ｃ比の値は、例えば０．１〜０．３に設定することができる。
【００８６】
ステップＳ３３０で供給すべき水蒸気量を算出すると、次に制御部５０は、蒸発器３３３が、上記供給すべき水蒸気量を供給可能であるか否かを判断する（ステップＳ３４０）。蒸発器３３３では、現在の発電量に応じた量の水が供給されて水の気化が行なわれているが、蒸発器３３３に供給する水の量を急激に増加させると、水の量の増加に加熱が追いつかず、蒸発器３３３の温度が低下して、所望量の水蒸気を得ることができなくなる。蒸発器３３３が生成することができる水蒸気の量は、蒸発器３３３における加熱の能力や熱容量等、蒸発器３３３の性質に依存するものであり、蒸発器３３３における現在の処理量、すなわち現在の発電量に応じて定まる。本実施例では、蒸発器３３３について、発電量と生成可能な水蒸気量との関係を予め調べて制御部５０に記憶している。ステップＳ３４０では、この発電量と生成可能な水蒸気量との関係を参照して、現在の発電量がステップＳ３００で取得した値であるときに、上記供給すべき水蒸気量を供給可能であるか否かの判断を行なう。なお、ステップＳ３４０で参照する蒸発器３３３が生成可能な水蒸気量は、実際に蒸発器３３３が生成した水蒸気量を測定して、測定値をフィードバックして補正することとしても良い。
【００８７】
供給すべき水蒸気量を供給可能である、すなわち、蒸発器３３３で水を気化させて供給すべき量の水蒸気を得られると判断したときには、制御部５０は、ポンプ３４，３４９の駆動量およびブロワ３４７の駆動量を設定する（ステップＳ３５０）。ポンプ３４の駆動量は、ステップＳ３２０で算出した供給すべき改質燃料量を実際に改質器１３０に供給するための駆動量である。ポンプ３４９の駆動量は、ステップＳ３３０で算出した供給すべき水蒸気量を得るために必要な量の水を、蒸発器３３３に供給するための駆動量である。ブロワ３４７の駆動量は、ステップＳ３３０で算出した供給すべき量の酸素を混合部１３９に供給するための駆動量である。
【００８８】
その後制御部５０は、ステップＳ３５０の結果に基づいてポンプ３４，３４９、ブロワ３４７に駆動信号を出力すると共に、アノードオフガスはすべて排気されるように切り替え弁３８を切り替えて（ステップＳ３６０）、本ルーチンを終了する。これによって改質器１３０では、蒸発器３３３で生成される水蒸気と、ブロワ３４７によって供給される酸素とを用いて、所望のＳ／Ｃ比およびＯ／Ｃ比の下で水蒸気改質反応および部分酸化反応が進行し、目標発電量を得るのに必要な量の水素が生成される。
【００８９】
ステップＳ３４０において、供給すべき水蒸気量を蒸発器３３３が生成できないと判断された場合には、制御部５０は、蒸発器３３３から得られる水蒸気では不足する水蒸気を酸化反応により生成するために要するアノードオフガス量を算出する（ステップＳ３７０）。不足する水蒸気の量は、ステップＳ３３０で算出した供給すべき水蒸気量と、ステップＳ３４０で参照した現在の発電量の下で蒸発器３３３が生成可能な水蒸気量との差として求められる。この不足する水蒸気を、水素の酸化反応により生成するために必要な水素量は、理論的に算出することができる。したがって、ステップＳ３７０では、上記理論的に算出した必要な量の水素を得るために、ステップＳ３１０で算出した量の水素を含有しているアノードオフガスがどれほど必要かを求める。
【００９０】
また、これとは別に制御部５０は、ブロワ３４７の駆動量と共に、ポンプ３４，３４９の駆動量および切り替え弁３８の駆動量を設定する（ステップＳ３８０）。ブロワ３４７の駆動量とは、ステップＳ３３０で算出した供給酸素量と共に、ステップＳ３７０で算出したアノードオフガス中の水素を酸化するために要する酸素量との合計量を、改質器１３０に供給するためのブロワ３４７の駆動量である。ポンプ３４の駆動量とは、ステップＳ３２０で算出した供給すべき改質燃料量を実際に改質器３０に供給するためのポンプ３４の駆動量である。また、ポンプ３４９の駆動量とは、現在の発電量の下で、蒸発器３３３が最大量の水蒸気を生成するのに要する量の水を蒸発器３３３に供給するための駆動量である。また、切り替え弁３８の駆動量とは、ステップＳ３７０で算出した量のアノードオフガスを、アノードオフガス供給路６４を介して改質器１３０に供給するための切り替え弁３８の駆動量である。
【００９１】
その後、制御部５０は、ステップＳ３８０の結果に基づいて、ブロワ３４７、ポンプ３４，３４９および切り替え弁３８を駆動して（ステップＳ３９０）、本ルーチンを終了する。これによって改質器１３０では、蒸発器３３３から供給される水蒸気と共にアノードオフガス中の水素を酸化して生じた水蒸気を用いて、所望のＳ／Ｃ比の下で水蒸気改質反応が進行すると共に、所望のＯ／Ｃ比の下で部分酸化反応も進行し、目標発電量を得るのに必要な量の水素が生成される。
【００９２】
以上のように構成された第４実施例の燃料電池システム３２０によれば、アノードオフガス中の水素を改質器１３０内で酸化して生じた水蒸気を利用して水蒸気改質反応を行なうことができるため、蒸発器３３３から改質器１３０に供給可能な水蒸気量が不十分となる場合にも、改質反応で利用可能な水蒸気量を速やかに増大させ、所望のＳ／Ｃ比を実現して改質反応を行なうことができる。
【００９３】
また、第４実施例の燃料電池システム３２０では、改質器１３０内で進行する部分酸化反応で要する酸素はブロワ３４７によって供給しており、カソードオフガスを用いる場合のように発電量に影響されないため、改質器でのＯ／Ｃ比を、より容易に最適化することができる。また、ブロワ４４を用いて燃料電池４０に酸化ガスを供給する際の空気過剰率も、改質反応の効率を考慮することなく改質反応とは独立して、燃料電池４０の効率を優先して最適値に設定することができる。なお、第４実施例の燃料電池システム３２０は、改質器１３０に水蒸気を供給するためにカソードオフガスを用いないため、カソード側で水を生じない燃料電池（例えば、酸化物イオン伝導性を有する電解質層を備える固体電解質型燃料電池など）にも良好に適用することができる。さらに、改質器１３０にカソードオフガスを供給しないことにより、燃料電池から排出される不純物による改質触媒の被毒などを抑制できる。また、第４実施例の燃料電池システム３２０においても、第３実施例と同様に、改質器内で水蒸気を生成するために、さらに改質燃料を酸化させることとしても良い。
【００９４】
Ｆ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形が可能である。
【００９５】
Ｆ１．変形例１：
既述した第１ないし第４実施例では、改質器内で水蒸気を生成するための水素源としてアノードオフガスを用いたが、異なる水素源を用いることとしても良い。例えば、燃料電池システムにおいて別途水素タンクを設け、この水素タンクから必要量の水素を改質器に供給することとしても良い。この場合には、アノードオフガスを用いる場合のように、発電量によって供給可能な水素量が制約を受けることがない。
【００９６】
あるいは、アノードオフガスに代えて、改質器で生成された水素を含むガスであってアノードオフガスよりも上流のガス、例えば改質器から排出された改質ガスを用いることとしても良い。このように燃料電池に供給される前の改質ガスを用いる場合には、改質器で生成すべき水素量を設定する際に、水蒸気生成のために用いる水素量および循環される水蒸気量をさらに考慮して補正を行なえばよい。
【００９７】
Ｆ２．変形例２：
第１ないし第４実施例では、不足する水蒸気のすべてを、改質器で水素を酸化することにより生成しているが、不足する水蒸気の一部を水素の酸化により生成することとしても良い。不足する水蒸気の一部だけを酸化反応で生成する場合にも、改質反応時のＳ／Ｃ比を最適値により近づけることによる効果を得ることができる。あるいは、所望のＳ／Ｃ比を実現するために不足する水蒸気の一部を水素の酸化により生成する場合に、改質器における水素生成量の目標値をより低く設定し直して、Ｓ／Ｃを所望の値に維持することとしても良い。
【００９８】
Ｆ３．変形例３：
また、改質器では部分酸化反応を行なわず、改質器には外部加熱装置を設けて、水蒸気改質反応のみにより水素を生成することとしても良い。この場合には、通常は改質器には酸素は供給せず、改質器で水蒸気生成のために水素の酸化を行なう場合のみ、改質器に酸素を供給すればよい。このような構成としても、本発明を適用し、必要に応じて改質器内で水素の酸化反応を進行させることで、改質反応時の水蒸気不足を防止し、Ｓ／Ｃ比を所望の値に維持することが可能となる。なお、このような場合には、改質器内で水蒸気が充分量確保されている間は、酸素源である空気やカソードオフガスを改質器に供給しないため、これらの酸素源中の反応に寄与しない成分（窒素など）が、燃料電池に供給される燃料ガス中に混合されることがない。従って、燃料電池において、燃料ガス中の水素分圧を高く維持することができ、発電効率を向上させることができる。
【００９９】
Ｆ４．変形例４：
第１ないし第３実施例では、カソードオフガスを改質器に供給して、カソードオフガス中の水蒸気および酸素を改質反応で利用しており、改質器内で水蒸気が不足する場合のみ、改質器に対して水素を供給している。このようにカソードオフガスを改質器に供給する燃料電池システムでは、通常運転時（カソードオフガス中の水蒸気量が不足しないとき）にも改質器に水素を供給する運転制御を行なうことで、改質効率および発電効率を向上させることが可能となる。
【０１００】
燃料電池での発電効率を向上させるには、燃料電池に酸化ガスを供給する際の空気過剰率をより高くすることが望ましい。しかしながら、カソードオフガスを改質器に供給するシステムでは、空気過剰率を高くすると改質器に供給される酸素量が増加するため、改質器においてＯ／Ｃ比が高くなりすぎて、改質効率が低下する可能性がある。したがって、改質器にカソードオフガスを供給する場合には、改質効率が充分に確保できる範囲内で、発電効率がより高くなるように、燃料電池に供給する酸化ガス量を設定する必要がある。このようにして燃料電池に供給する酸化ガス量を設定すると、通常は、改質器におけるＯ／Ｃ比は最適値よりも高い値となる。ここで、通常運転時にもアノードオフガス等を用いて水素を改質器に供給することとすれば、水素を酸化するために改質器内で水素が消費されるため、結果としてＯ／Ｃ比が低下して、Ｏ／Ｃ比を最適値により近づけることが可能となる。また、このように改質器内で酸素を消費することとすれば、改質効率に制約されることなく燃料電池に供給する酸化ガス量を設定することが可能となり、発電効率がより高くなるように空気過剰率をより高く設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】燃料電池システム２０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】改質器制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図３】改質器１３０の構成の概略を表わす説明図である。
【図４】燃料電池システム２２０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図５】改質器制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図６】燃料電池システム３２０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図７】改質器制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０２】
２０，２２０，３２０…燃料電池システム
３０，１３０…改質器
３２…混合器
３４，３４９…ポンプ
３８…切り替え弁
４０…燃料電池
４２…熱交換器
４４，４５…ブロワ
４６…浄化器
５０…制御部
６１…カソードオフガス排出路
６２，６３…配管
６０…カソードオフガス供給路
６４…アノードオフガス供給路
１３７…酸化触媒
１３８…改質触媒
１３９…混合部
２３５…切り替え弁
２６５…第１改質燃料路
２６６…第２改質燃料路
３３３…蒸発器
３４７…ブロワ
３４９…ポンプ
【図１】
2005200246.tif 000003
【図２】
2005200246.tif 000004
【図３】
2005200246.tif 000005
【図４】
2005200246.tif 000006
【図５】
2005200246.tif 000007
【図６】
2005200246.tif 000008
【図７】
2005200246.tif 000009