(57)【要約】【課題】  小規模かつ低圧の装置でありながら、発電負荷の変動に応じて適正な量の水素含有ガスを、迅速かつ安定して燃料電池スタックに供給できる燃料電池用改質装置、およびそれを用いる燃料電池システム、ならびに燃料電池システムの運転制御方法の提供。【解決手段】  反応部に炭化水素原料を供給する炭化水素原料供給流路および反応部に水を供給する水供給流路が、複数の経路開閉手段ＶＡと複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整することによって、反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節可能であることを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料と水との反応によって水素含有ガスを製造する反応部と、前記反応部に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路と、前記反応部に水を供給するための水供給流路とを備える燃料電池用改質装置であって、
前記炭化水素原料供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＡと、各流通経路ＲＡに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＡとを備え、
前記水供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＢと、各流通経路ＲＢに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢとを備え、
前記炭化水素原料供給流路および前記水供給流路は、前記複数の経路開閉手段ＶＡと前記複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、前記複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整することによって、前記反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節可能であることを特徴とする燃料電池用改質装置。
【請求項２】
前記炭化水素原料供給流路は、前記反応部への炭化水素原料の定格供給量の１／Ｘの流通量を有する流通経路ＲＡをＸ組み並列に配列して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項３】
前記炭化水素原料供給流路は、炭化水素原料の流通量が異なる複数の流通経路ＲＡを並列に配列し、各流通経路ＲＡに設けられた前記経路開閉手段ＶＡの開閉によって、前記反応部への炭化水素原料の供給量を段階的に調節可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項４】
前記水供給流路は、前記反応部への水の定格供給量の１／Ｙの流通量を有する流通経路ＲＢをＹ組み並列に配列して構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項５】
前記流通経路ＲＢは、水の流通量が異なる複数の流通経路ＲＢを並列に配列し、各流通経路ＲＢに設けられた前記経路開閉手段ＶＢの開閉によって、前記反応部への水の供給量を段階的に調節可能に構成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項６】
前記経路開閉手段ＶＡおよびＶＢは、開閉弁と、流路抵抗手段で構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項７】
前記炭化水素原料が、灯油であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項８】
炭化水素原料と、水とを反応させて水素含有ガスを製造する改質装置と、前記水素含有ガスと、空気とを導入して水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行う燃料電池システムであって、
前記改質装置が、炭化水素原料と水との反応によって水素含有ガスを製造する反応部と、前記反応部に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路と、前記反応部に水を供給するための水供給流路とを備え、
前記炭化水素原料供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＡと、各流通経路ＲＡに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＡとを備え、
前記水供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＢと、各流通経路ＲＢに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢとを備え、
前記燃料電池スタックにおける発電負荷の変動に応じて、前記炭化水素原料供給流路および前記水供給流路は、前記複数の経路開閉手段ＶＡと前記複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、前記複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整することによって、前記反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
炭化水素原料と、水とを反応させて水素含有ガスを製造する改質装置と、前記水素含有ガスと空気とを導入して水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行う燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの運転制御方法であって、
炭化水素原料と水との反応によって水素含有ガスを製造する反応部と、前記反応部に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路と、前記反応部に水を供給するための水供給流路とを備え、前記炭化水素原料供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＡと、各流通経路ＲＡに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＡとを備え、前記水供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＢと、各流通経路ＲＢに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢとを備える改質装置において、前記燃料電池スタックにおける発電負荷の変動に応じて、前記複数の経路開閉手段ＶＡと前記複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、前記複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整することによって、前記反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節することを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用改質装置、それを用いた燃料電池システム、および燃料電池システムの運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に優しいエネルギー源として、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行う燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムとして、炭化水素原料を改質して水素含有量が多い改質ガスを製造し、その改質ガスを水素源として燃料電池スタックに供給して発電を行うものがある。この種の燃料電池システムにおいて、炭化水素原料を水蒸気改質して改質ガスを製造する改質装置は、燃料電池スタックにおける発電量の変動に応じて、燃料電池に供給する改質ガスの生成量を調節する必要がある。
【０００３】
そこで、従来、燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給する改質ガスの量を制御するために、改質装置への炭化水素原料と水蒸気改質用の水の供給量を、マスフローコントローラ等の流量検出器と制御器を組み合わせた装置を用いて制御することが行われている（特許文献１、特許文献２等参照）。例えば、図５に示す大規模な燃料電池システムで用いられる燃料プロセッサは、液状の炭化水素原料を加熱、蒸発させて水添脱硫／吸着脱硫する脱硫装置５１と、水を加熱して水蒸気とするボイラ５２と、炭化水素原料と水蒸気の反応によって改質ガスを製造する改質装置５３と、シフト反応装置５４とを備える。
【０００４】
この燃料プロセッサでは、炭化水素原料が、供給流路５１ａを通じて脱硫装置５１に供給されて加熱蒸発され、脱硫触媒の存在下に脱硫される。一方、ボイラ５２においては、供給流路５２ａを通じて供給された水が加熱されて水蒸気が生成される。この水蒸気は、供給流路５２ｂを通って、脱硫装置５１から供給流路５１ｂを通じて供給される炭化水素原料と混合されて改質装置５３に供給される。改質装置５３においては、炭化水素原料中の炭化水素と、水蒸気とが反応して水素が生成し、改質ガスが製造される。改質ガスは、供給流路５３ｂを通ってシフト反応装置５４に供給され、改質ガス中の一酸化炭素または未反応の炭化水素と水蒸気との反応によって水素が生成し、さらに水素含有量が増加した改質ガスが製造される。
【０００５】
こうして製造された改質ガスは、一酸化炭素選択酸化装置に導入されて、残余の一酸化炭素を酸化して一酸化炭素濃度が極力低減された後、燃料電池スタック（図示せず）のアノード電極に供給される。そして、アノード電極に供給される水素含有ガス中の水素と、カソード電極に供給される空気中の酸素との電気化学的反応によって発電が行われる。
【０００６】
この燃料プロセッサにおいて、燃料電池システムの発電負荷の変動に応じて、改質装置５３で製造される改質ガス量の増減が制御される。また、改質装置５３への炭化水素原料と水蒸気の供給量は、炭化水素と水蒸気の反応によって効率的に水素が生成されるように、所定のＳ／Ｃ比（Ｓ：水蒸気量、Ｃ：炭化水素原料が含む炭化水素量）に制御される。この改質装置５３に供給される炭化水素原料および水蒸気の供給量、および改質装置５３から供給される改質ガスの供給量は、燃料電池システムの各所に設けられた流量制御手段によって制御される。例えば、供給流路５１ａを通じて供給される液状の炭化水素原料は、液流量計Ｆ１によって流量が計測された後、流量制御バルブＶ１によって流量が制御されて脱硫装置５１に供給される。そして、脱硫された炭化水素原料は、脱硫装置５１から供給流路５１ｂを通って改質装置５３に供給される。このとき、脱硫された炭化水素原料は、供給流路５１ｂに設けられた流量計Ｆ２によって流量が計測され、計測された流量にしたがって流量制御バルブＶ２によって改質装置５３への炭化水素原料の供給量が制御される。
【０００７】
一方、ボイラ５２においては、所要量の水蒸気を得るために、供給流路５２ａを通じて供給される給水量が、流量計Ｆ３によって計測された流量にしたがって制御される流量制御バルブＶ３によって調節されるとともに、燃焼用燃料の供給量が制御されることによって、水蒸気の発生量が調節される。このボイラ５２で発生した水蒸気は、供給流路５２ｂを通って改質装置５３に供給され、改質装置５３への水蒸気の供給量は、流量計Ｆ４によって計測された流量にしたがって制御される流量制御バルブＶ４によって制御される。
【０００８】
そして、脱硫装置５１から供給される炭化水素原料と、ボイラ５２から供給される水蒸気とは、所定のＳ／Ｃ比となるように供給量が制御されて改質装置５３に供給される。このＳ／Ｃ比の制御は、流量制御バルブＶ２およびＶ４によって行なわれる。また、改質装置５３およびボイラ５２に供給流路５３ｃを通じて供給される燃焼用の燃料は、改質装置５３の出口５３ｄに設けられた改質温度計Ｔによって測定される改質ガスの温度、ならびに流量計Ｆ５によって計測される燃料の流量にしたがって制御される流量制御バルブＶ５によって調節される。
【０００９】
こうした大規模な燃料電池システムでは、発電負荷を増加させる場合は、例えば、流量制御バルブＶ４を調節して改質装置５３への水蒸気の供給量を徐々に増加させ、その供給量を流量計Ｆ４で計測する。そして、その水蒸気の供給量にしたがって流量比演算器で所定の水蒸気比になる炭化水素流量が自動的／連続的に演算され、流量制御バルブＶ１およびＶ２を制御して改質装置５３への炭化水素原料の供給量が増加される。このとき、炭化水素原料の供給量の増加に伴い、改質装置５３の出口５３ｄにおける改質ガスの温度が低下する。改質ガスの温度が低下すると、流量制御バルブＶ５によって供給流路５３ｃを通じて供給される燃料の供給量が自動的に増量されて、改質装置５３の内部温度が所定の温度に維持されるように制御される。また、発電負荷を下げる場合は、上記と逆の制御が行われる。
【００１０】
しかし、一般に、燃料電池システムの燃料プロセッサでは、そのプロセスの性質上、発電負荷が変動しても直ちに水素発生量、すなわち、燃料電池スタックへの改質ガスの供給量を増やすことはできない。特に、家庭用燃料電池システム等の比較的小型かつ小容量の燃料電池発電システムでは、頻繁に発電負荷が変動する、起動／停止が繰り返される、また、システムの系内圧が低く、系内容積が小さい等々の種々の要因が、外乱の原因となって、燃料プロセッサに供給される水蒸気と炭化水素原料のＳ／Ｃ比を変動させることになる。そのため、小規模の燃料電池システムを従来の大型装置（負荷変動が少なく、起動／停止頻度も少なく、高圧で稼働）と同じように制御したのでは、不都合が発生してしまう。すなわち、迅速な発電負荷の変動に伴って反応条件（流量比、温度等）が乱れてＳ／Ｃ比の変動を招き、得られる改質ガスの組成変動、改質装置内の触媒の活性低下、炭素質析出、運転継続不能などのトラブルを引き起こす可能性がある。
【００１１】
また、家庭用燃料電池システム等では、システム全体を小規模で安価なものにしなければならない。しかし、小規模のシステムにおいて、前記大規模な燃料電池システムと同様に、流量検出器と制御器を組み合わせたマスフローコントローラ等の高価で複雑な流量制御系を採用したのでは、コスト低減を図ることができない。しかも、マスフローコントローラ等の複雑な流量制御系は、経時的に流量制御特性が変化するため、定期的に保守管理が必要であり、数年毎に交換する必要がある。これに対して、家庭用定置型燃料電池システム等の小規模な燃料電池システムには、保守管理が容易であることが求められる。
【特許文献１】特開２００３−２４３００３号公報（段落番号００１７〜００２３、図１）
【特許文献２】特開２００３−２１２５０５号公報（段落番号００３４〜００４６、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明は、前記した問題を解決し、小規模かつ低圧の装置でありながら、発電負荷の変動に応じて適正な量の水素含有ガスを、迅速かつ安定して燃料電池スタックに供給できる燃料電池用改質装置、およびそれを用いる燃料電池システム、ならびに燃料電池システムの運転制御方法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】
【００１３】
請求項１に記載の燃料電池用改質装置は、炭化水素原料と水との反応によって水素含有ガスを製造する反応部と、前記反応部に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路と、前記反応部に水を供給するための水供給流路とを備える燃料電池用改質装置であって、前記炭化水素原料供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＡと、各流通経路ＲＡに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＡとを備え、前記水供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＢと、各流通経路ＲＢに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢとを備え、前記炭化水素原料供給流路および前記水供給流路は、前記複数の経路開閉手段ＶＡと前記複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、前記複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整することによって、前記反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節可能であることを特徴とする。
【００１４】
この燃料電池用改質装置では、改質装置に炭化水素原料を供給するための炭化水素供給流路が、並列に配列された複数の流通経路ＲＡと、各流通経路ＲＡに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＡとを備え、改質装置に水を供給するための水供給流路が、並列に配列された複数の流通経路ＲＢと、各流通経路ＲＢに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢとを備え、前記複数の経路開閉手段ＶＡと前記複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、前記複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整することによって、前記反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節可能とすることから、発電負荷の変動に応じて適正な量の水素含有ガスを、迅速かつ安定して燃料電池スタックに供給できる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用改質装置において、前記炭化水素原料供給流路は、前記反応部への炭化水素原料の定格供給量の１／Ｘの流通量を有する流通経路ＲＡをＸ組み並列に配列して構成されていることを特徴とする。
【００１６】
この燃料電池用改質装置では、炭化水素原料供給流路の各流通経路に設けられた経路開閉手段ＶＡの開閉を制御することによって、反応部への炭化水素原料の供給量を反応部への炭化水素原料の定格供給量の１／Ｘを単位として段階的に調節することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用改質装置において、炭化水素原料の流通量が異なる複数の流通経路ＲＡを並列に配列し、各流通経路ＲＡに設けられた前記経路開閉手段ＶＡの開閉によって、前記反応部への炭化水素原料の供給量を段階的に調節可能に構成されていることを特徴とする。
【００１８】
この燃料電池用改質装置では、各流通経路に設けられた経路開閉手段ＶＡの開閉を制御することによって、反応部への炭化水素原料の供給量を、各流通経路の流量を単位として反応部への炭化水素原料の供給量を段階的に調節することができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用改質装置において、前記水供給流路は、前記反応部への水の定格供給量の１／Ｙの流通量を有する流通経路ＲＢをＹ組み並列に配列して構成されていることを特徴とする。
【００２０】
この燃料電池用改質装置では、水供給流路の各流通経路に設けられた経路開閉手段ＶＢの開閉を制御することによって、反応部への水の供給量を反応部への水の定格供給量の１／Ｙを単位として段階的に調節することができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の燃料電池用改質装置において、前記流通経路ＲＢは、水の流通量が異なる複数の流通経路ＲＢを並列に配列し、各流通経路ＲＢに設けられた前記経路開閉手段ＶＢの開閉によって、前記反応部への水の供給量を段階的に調節可能に構成されていることを特徴とする。
【００２２】
この燃料電池用改質装置では、各流通経路に設けられた経路開閉手段ＶＡの開閉を制御することによって、各流通経路の水の流量を単位として反応部への水の供給量を段階的に調節することができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池用改質装置において、前記経路開閉手段ＶＡおよびＶＢは、開閉弁と、流路抵抗手段で構成されることを特徴とする。
【００２４】
この燃料電池用改質装置では、燃料電池の発電負荷の変動に伴って、系内の圧力が変化しても、炭化水素原料の供給量および／または水の供給量を安定して維持できる。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池用改質装置において、前記炭化水素原料が、灯油であることを特徴とする。
【００２６】
この燃料電池用改質装置では、炭化水素原料として、水素源としてのエネルギー密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富む灯油を用いるため、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用の炭化水素原料として好適である。
【００２７】
また、請求項８に記載の発明に係る燃料電池システムは、炭化水素原料と、水とを反応させて水素含有ガスを製造する改質装置と、前記水素含有ガスと、空気とを導入して水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行う燃料電池システムであって、前記改質装置が、炭化水素原料と水との反応によって水素含有ガスを製造する反応部と、前記反応部に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路と、前記反応部に水を供給するための水供給流路とを備え、前記炭化水素原料供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＡと、各流通経路ＲＡに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＡとを備え、前記水供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＢと、各流通経路ＲＢに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢとを備え、前記燃料電池スタックにおける発電負荷の変動に応じて、前記炭化水素原料供給流路および前記水供給流路は、前記複数の経路開閉手段ＶＡと前記複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、前記複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整することによって、前記反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節可能であることを特徴とする。
【００２８】
この燃料電池システムでは、改質装置に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路が、並列に配列された複数の流通経路ＲＡと、各流通経路ＲＡに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＡとを備え、改質装置に水を供給するための水供給流路が、並列に配列された複数の流通経路ＲＢと、各流通経路ＲＢに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢとを備え、前記複数の経路開閉手段ＶＡと前記複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、前記複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整して、前記反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節可能とすることによって、発電負荷の変動に応じて適正な量の水素含有ガスを、迅速かつ安定して燃料電池スタックに供給して、安定して発電を行なうことができる。
【００２９】
請求項９に記載の発明に係る燃料電池システムの運転制御方法は、炭化水素原料と、水とを反応させて水素含有ガスを製造する改質装置と、前記水素含有ガスと空気とを導入して水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行う燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの運転制御方法であって、
炭化水素原料と水との反応によって改質ガスを製造する反応部と、前記反応部に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路と、前記反応部に水を供給するための水供給流路とを備え、前記炭化水素原料供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＡと、各流通経路ＲＡに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＡとを備え、前記水供給流路は、並列に配列された複数の流通経路ＲＢと、各流通経路ＲＢに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢとを備える改質装置において、前記燃料電池スタックにおける発電負荷の変動に応じて、前記複数の経路開閉手段ＶＡと前記複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、前記複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整することによって、前記反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節することを特徴とする。
【００３０】
この燃料電池システムの運転制御方法では、改質装置に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路が、並列に配列された複数の流通経路ＲＡと、各流通経路ＲＡに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＡとを備え、改質装置に水を供給するための水供給流路が、並列に配列された複数の流通経路ＲＢと、各流通経路ＲＢに設けられて各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢとを備え、前記複数の経路開閉手段ＶＡと前記複数の経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、前記複数の流通経路ＲＡおよび前記複数の流通経路ＲＢのうちの開放または閉塞される流通経路ＲＡと流通経路ＲＢの組み合わせを調整して、前記反応部に供給される水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、前記反応部への炭化水素原料の供給量および水の供給量を段階的に調節可能とすることによって、発電負荷の変動に応じて適正な量の水素含有ガスを、迅速かつ安定して燃料電池スタックに供給して、燃料電池システムの運転を安定して制御することができる。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１ないし請求項７に記載の発明に係る燃料電池用改質装置は、運転負荷の変動に適応して、単純な流量制御系によって、水／炭素の供給比を所定の範囲に維持しながら、所要量の改質ガスを燃料電池スタックに安定的に供給することができる。しかも、その流量制御系に用いる機器は、安価なもので足りるため、燃料電池発電システムのコストダウンに有効である。
【００３２】
また、請求項８に記載の発明に係る燃料電池システムは、発電負荷の変動に適応して、単純な流量制御系によって、Ｓ／Ｃ比を所定の範囲に維持しながら炭化水素原料等を改質装置に供給して、所要量の改質ガスを燃料電池スタックに供給することができる。しかも、その流量制御系は、安価なもので足りるため、燃料電池発電システムのコストダウンを図ることができる。そのため、本発明の燃料電池システムは、小規模かつ低圧の発電システムとして好適である。
【００３３】
請求項９に記載の発明に係る燃料電池システムの運転制御方法によれば、単純な流量制御系によって、Ｓ／Ｃ比を所定の範囲に保って、簡単な制御で燃料電池の運転を制御することができ、改質触媒の長寿命化およびシステム全体の耐久性の向上を図ることができる。また、用いる流量制御機器は、単純かつ安価なもので足りるため、運転コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。
この燃料電池システム１は、脱硫装置２と、改質装置３と、シフト反応装置４と、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置５と、燃料電池スタック６とを備えるものである。
【００３５】
脱硫装置２は、改質装置３における改質反応触媒の機能を阻害する硫黄分を除去するため、改質装置３に供給する炭化水素原料を脱硫する装置である。この脱硫装置２は、特に制限されず、炭化水素素原料の性状、硫黄含有量、脱硫負荷、処理量等に応じて、適宜選択される。脱硫触媒としては、例えば、ニッケル−モリブデン系、クロム−モリブデン系の脱硫触媒が用いられる。
【００３６】
本発明において、脱硫装置２によって脱硫された後、改質装置３に供給される炭化水素原料は、改質装置３における改質反応によって水素を製造できるものであれば、特に制限されない。例えば、灯油、軽油、重油、アスファルテン、オイルサンド油、メタノール、ナフサ、石炭液化油、石炭系重質油、ガソリン等の液状炭化水素混合物、都市ガス、ＬＰＧ等の気体状炭化水素混合物などの各種の炭化水素混合物を用いることができる。液状の炭化水素原料は、脱硫装置２に供給する前に加熱して気体として脱硫装置に供給すればよい。これらの中でも、灯油は、水素源としてのエネルギー密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富むため、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用の炭化水素原料として好適である。また、用いる炭化水素原料が、硫黄分が少なく、改質装置３における改質反応に供給可能なものであれば、脱硫装置２を省略して、改質装置３に、直接、気体状の炭化水素原料と水とを供給することができる。
【００３７】
改質装置３は、改質触媒の存在下に、例えば６００〜７００℃の範囲の改質処理温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応によって、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガス（以下、「改質ガス」という）を生成するための装置である。この改質装置は、後記のとおり、炭化水素分と水蒸気との反応が行なわれる反応部と、その反応部に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路と、水蒸気を供給するための水供給流路とを備える装置である。
用いられる改質触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属系触媒等が挙げられ、これらの触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に担持され、改質装置内に、その多孔質粒状体が充填されて触媒層を形成している。
【００３８】
この改質装置３は、吸熱反応である炭化水素分と水蒸気の反応の生起のために熱を供給するバーナ７を備える。バーナ７には、燃料として、燃料電池スタック６のアノード電極から排出された未反応の水素を含むオフガスと、炭化水素原料とが供給されると共に、それらの燃料を燃焼させるための空気が供給される。そして、改質装置３における反応温度は、例えば、改質装置３の出口における改質ガスの温度を検出し、その温度に基づいて、炭化水素原料の供給量および空気の供給量を調整することによって制御される。
【００３９】
シフト反応装置４は、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト触媒の存在下に、例えば１５０〜３００°Ｃの温度において、改質装置３で生成した改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加された水素含有ガス（以下、「シフトガス」という）を生成する装置である。これによって、燃料電池システム１に供給される炭化水素原料および水蒸気が含む水素が、燃料電池スタック６のアノードに供給される発電用水素資源として有効利用される。
【００４０】
一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置５は、燃料電池スタック６の電極の被毒の問題を回避するため、シフト反応装置４から供給されるシフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度をさらに低減させた水素含有ガスを燃料電池スタック６に供給するための装置である。通常、この一酸化炭素選択酸化装置５において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が０．０５ｐｐｍ以下に低減される。一酸化炭素選択酸化装置５における反応は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系触媒の存在下に、８０〜１２０°Ｃの範囲の温度で行なわれる。
【００４１】
燃料電池スタック６は、前記一酸化炭素選択酸化装置５から供給される水素含有ガスをアノードに導入し、加湿器８によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行うものである。この燃料電池スタック６は、触媒を含むアノードとカソードの間に固体高分子電解質膜等の電解質膜を挟装し、アノードに供給される水素含有ガス中の水素と、カソードに供給される空気中の酸素との反応によって水を生成する反応によって発電を行なうものである。
【００４２】
この燃料電池スタック６は、用いる炭化水素原料等に応じて、その形式、構造等が選択される。この水素と酸素の電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池スタック６に冷却水を通じて、発生した熱を回収して、給湯等に有効利用することができる。
また、燃料電池スタック６における水素と酸素の電気化学的反応は、発電効率の観点から、通常、反応効率８０％程度で行なわれるため、燃料電池スタック６のアノードから排出されるオフガスには、未反応の水素が含まれている。そのため、オフガスを、前記のバーナ７に供給することによって、含有する水素を燃料として有効利用して、燃料電池システム全体の熱効率の向上を図ることができる。
【００４３】
この燃料電池システム１において、発電負荷の変動に応じて、燃料電池スタック６への改質ガスの供給量を適切に制御するため、改質装置３に供給される炭化水素原料および水蒸気の供給量が制御される。
改質装置３は、図２に示すように、炭化水素原料と水との反応によって水素含有ガスを製造する反応部３１と、前記反応部３１に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路３２と、前記反応部に水を供給するための水供給流路３３と、反応部３１に熱を供給するためのバーナ７と、バーナ７に燃焼用の燃料を供給する燃料供給流路３４とを備える。
【００４４】
炭化水素原料供給流路３２は、並列に配列された４つの流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４に分岐され、各流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４は、その流通経路の開閉を行う経路開閉手段ＶＡ１、ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４を備える。分岐された流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４は、流通経路３２ａに合流して流量計Ｆ３２によって炭化水素原料の供給量が計測される。
【００４５】
この炭化水素原料供給流路３２において、４つの経路開閉手段ＶＡの開閉を調整して、４つの流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４のうちの開放または閉塞される流通経路の個数を調整することによって、流通経路３２ａを通って改質装置３の反応部３１に供給される炭化水素原料の供給量を段階的に制御することができる。
【００４６】
また、流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４は、炭化水素原料の流通量が同一となるものでも、異なるものでもよい。例えば、流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４が、それぞれ炭化水素原料供給流路３２の流通量の１／４の流通量を有するように構成してもよい。これによって、経路開閉手段ＶＡ１、ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４の開閉を制御すれば、流通経路３２ａを通じて改質装置３の反応部３１への炭化水素原料の供給量を、炭化水素原料供給流路３２の流通量Ｗ1の１／４を単位として段階的に調節することができる。すなわち、開放する経路開閉手段ＶＡ１、ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４の個数を選択することによって、Ｗ1／４、Ｗ1／２、３Ｗ1／４、Ｗ1の４段階に、反応部３１への炭化水素原料の供給量を制御できる。
【００４７】
また、４つの流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４が、それぞれ炭化水素原料の流通量が異なるように構成してもよい。これによって、経路開閉手段ＶＡ１、ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４の開閉を制御すれば、流通経路３２ａを通じて改質装置３の反応部３１への炭化水素原料の供給量を、各流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４の流通量に応じて段階的に調節することができる。すなわち、各流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４の流通量をＷ11，Ｗ12，Ｗ13，Ｗ14とすれば、開放する経路開閉手段ＶＡ１、ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４の組み合わせを選択することによって、開放された流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４に対応した量で、反応部３１への炭化水素原料の供給量を段階的に調節できる。
【００４８】
また、経路開閉手段ＶＡ１、ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４は、ＯＮ／ＯＦＦによって流路を開閉する動作のみを行なう電磁弁、電動弁、空圧弁、油圧弁等の単純な開閉動作を行なうものでよく、特に制限されない。
【００４９】
また、流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４には、それぞれ経路開閉手段ＶＡ１、ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４を設けるとともに、図２に示すとおり、流路抵抗手段ＴＡ１，ＴＡ２，ＴＡ３，ＴＡ４が設けられている。流路抵抗手段ＴＡ１，ＴＡ２，ＴＡ３，ＴＡ４は、例えば、オリフィス、キャピラリチューブ等で構成することができる。
この流路抵抗手段ＴＡ１，ＴＡ２，ＴＡ３，ＴＡ４を流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４に設けることによって、経路開閉手段ＶＡ１、ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４を開放しても、開放された流通経路における流通量を、炭化水素原料の供給圧力と反応部３１の内部圧力との差圧に応じた所定の流量に制限することができる。
【００５０】
水供給流路３３は、炭化水素原料供給流路３２と同様に、並列に配列された４つの流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４と、各流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４に設けられ、各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４とを備える。経路開閉手段ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４の下流側には、それぞれ流路抵抗手段ＴＢ１，ＴＢ２，ＴＢ３，ＴＢ４が設けられている。そして、分岐された流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４は、流通経路３３ａに合流して流量計Ｆ３３によって水の供給量が計測される。本発明において、水供給流路３３には、水蒸気あるいは液体の水が供給される。液体の水が供給される場合は、流通経路３３ａの途中または改質装置３の反応部３１内で加熱して水蒸気とする。
【００５１】
この水供給流路３３においても、４つの経路開閉手段ＶＢの開閉を調整して、４つの流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４のうちの開放または閉塞される流通経路の個数を調整することによって、流通経路３３ａを通って改質装置３の反応部３１に供給される水の供給量が段階的に制御される。
【００５２】
流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４は、水の流通量が同一となるものでも、異なるものでもよい。例えば、流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４が、それぞれ水供給流路３３の流通量の１／４の流通量を有するように構成してもよい。これによって、経路開閉手段ＶＢ１、ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４の開閉を制御すれば、流通経路３３ａを通じて改質装置３の反応部３１への水の供給量を、水供給流路３３の流通量Ｗ2の１／４を単位として段階的に調節することができる。すなわち、開放する経路開閉手段ＶＢ１、ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４の個数を選択することによって、Ｗ2／４、Ｗ2／２、３Ｗ2／４、Ｗ2の４段階に、反応部３１への水の供給量を制御できる。
【００５３】
また、４つの流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４のそれぞれが、水の流通量が異なるように構成してもよい。これによって、経路開閉手段ＶＢ１、ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４の開閉を制御すれば、流通経路３２ａを通じて改質装置３の反応部３１に供給される水の供給量を、各流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４の流通量に応じて段階的に調節することができる。すなわち、例えば、各流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４の流通量をＷ21，Ｗ22，Ｗ23，Ｗ24とすれば、開放する経路開閉手段ＶＢ１、ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４の組み合わせを選択することによって、開放された流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４に対応した量で、反応部３１への水の供給量を段階的に調節できる。
【００５４】
そして、流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４には、それぞれ経路開閉手段ＶＢ１、ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４の下流側に、流路抵抗手段ＴＢ１，ＴＢ２，ＴＢ３，ＴＢ４がそれぞれ設けられている。流路抵抗手段ＴＢ１，ＴＢ２，ＴＢ３，ＴＢ４は、例えば、オリフィス、キャピラリチューブ等で構成することができる。この流路抵抗手段ＴＢ１，ＴＢ２，ＴＢ３，ＴＢ４を設けることによって、経路開閉手段ＶＢ１、ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４を開放しても、開放された流通経路における流通量を、水の供給圧力と反応部３１の内部圧力との差圧に応じた所定の流量に制限することができる。
【００５５】
また、バーナ７に燃料を供給する燃料供給流路３４は、前記炭化水素原料供給流路３２、水供給流路３３と同様に、並列に配列された４つの流通経路ＲＣ１，ＲＣ２，ＲＣ３，ＲＣ４に分流され、流通経路ＲＣ１，ＲＣ２，ＲＣ３，ＲＣ４には、各流通経路の開閉を行う複数の経路開閉手段ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣ３，ＶＣ４とを備え、経路開閉手段ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣ３，ＶＣ４の下流側には、それぞれ流路抵抗手段ＴＣ１，ＴＣ２，ＴＣ３，ＴＣ４が設けられている。そして、分岐された流通経路ＲＣ１，ＲＣ２，ＲＣ３，ＲＣ４は、流通経路３４ａに合流して流量計Ｆ３４によって水の供給量が計測される。この燃料供給流路３４における流通経路ＲＣ１，ＲＣ２，ＲＣ３，ＲＣ４の流通量の制御、経路開閉手段ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣ３，ＶＣ４の開閉による燃料供給量の制御、流路抵抗手段ＴＣ１，ＴＣ２，ＴＣ３，ＴＣ４による流量の制限等については、前記炭化水素原料供給流路３２または水供給流路３３と同様である。
【００５６】
本発明において、燃料は、改質装置３の反応部３１に供給される炭化水素原料と同じものを併用してもよいし、別個に供給されるようにしてもよい。燃料として、炭化水素原料を併用する場合は、炭化水素原料の貯槽から２つの供給流路（図示せず）を、各供給流路を炭化水素原料供給流路３２および燃料供給流路３４とすればよい。炭化水素原料を燃料としても用いることによって、燃料用の貯槽および供給配管を別個に設ける必要がなくなるため、装置構成を簡略化することができる。
【００５７】
次に、図３に示す供給流路３５は、前記の炭化水素原料供給流路３２、水供給流路３３および燃料供給流路３４の具体例である。この供給流路３５は、上流側供給流路３５ａと、上流側供給流路３５ａから分岐された４つの流通経路ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４と、流通経路ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４が合流する下流側流通経路３５ｂとを備える。流通経路ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４には、それぞれ電磁バルブＶ３１、Ｖ３２，Ｖ３３，Ｖ３４が設けられ、電磁バルブＶ３１、Ｖ３２，Ｖ３３，Ｖ３４の下流には、それぞれオリフィスＯＲ１，ＯＲ２，ＯＲ３，ＯＲ４が設けられている。
【００５８】
以下、この供給流路３５によって、流体（炭化水素原料、水、燃料）を供給する場合を説明する。
この供給流路３５において、電磁バルブＶ３１，Ｖ３２，Ｖ３３，Ｖ３４の開閉を調整して、４つの流通経路ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４のうちの開放または閉塞される流通経路の個数を調整することによって、下流側流通経路３５ｂを通って、改質装置３に導出される流体の供給量が段階的に調整される。４つの流通経路ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４は、前記炭化水素原料供給流路３２（水供給流路３３、燃料供給流路３４）における流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４と同様に、各流通経路の流通量が同一となるものでもよいし、異なるものでもよい。各流通経路の流通量が同一である場合には、電磁バルブＶ３１，Ｖ３２，Ｖ３３，Ｖ３４の開閉を制御すれば、下流側供給流路３５ｂを通って下流に供給される流体の量を、上流側供給流路３５ａの流通量Ｗの１／４を単位として段階的に調節することができる。また、４つの流通経路の流通量が異なる場合には、電磁バルブＶ３１，Ｖ３２，Ｖ３３，Ｖ３４の開閉を制御すれば、下流側供給流路３５ｂを通じて導出される流体の量を、各流通経路ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４の流通量に応じて段階的に調節することができる。
【００５９】
この供給流路３５において、オリフィスＯＲ１，ＯＲ２，ＯＲ３，ＯＲ４は、連結された装置の状態の変化によって生じる外乱に抗して、流通経路ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４のうちの開放された流通経路を通って下流側供給流路３５ｂに導出される流体の量を所定の範囲に保つことができる。例えば、燃料電池スタック６における発電負荷の変動に伴って、改質装置３の反応部３１の内部圧力が変動しても、オリフィスＯＲ１，ＯＲ２，ＯＲ３，ＯＲ４によって、その反応部３１の内部圧力の変動に抗して、各流通経路ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４を通じて導出される流体の量を保つことができる。すなわち、上流側供給流路３５ａの流体の供給圧力Ｐ１を、例えば、炭化水素原料を加圧されたタンクまたは昇圧ポンプで昇圧して、下流側供給流路３５ｂおよび反応部３１の圧力Ｐ２に対して大きくしておけば（Ｐ１＞Ｐ２）、反応部３１の内部圧力が変動しても、所定の流通量を保つことができる。したがって、前記炭化水素原料供給流路３２、水供給流路３３を、この供給流路３５で構成すれば、発電負荷の変動等によって改質装置３の反応部３１の内部圧力が変動しても、炭化水素原料の供給量、水の供給量、Ｓ／Ｃ比を所定の状態に保つことができる。また、燃料供給流路３４においても、同様である。
【００６０】
また、図４は、図２に示す炭化水素原料供給流路、水供給流路または燃料供給流路を実現するための供給装置を示す。
この供給装置４１は、流路分配部４１ａと、その流路分配部４１ａに連設された流路本体部４１ｂとを備える。流路分配部４１ａは、経路開閉体４２と、その経路開閉体４２が長軸方向（図４中、紙面上下方向）に遊動可能な流体分配部４３と、経路開閉体４２の遊動端４２ａが遊挿可能な遊挿部４４と、流体分配部４３に流体を導入するための導入口４５とを備える。また、流路本体部４１ｂは、並列に配列された４つの分岐流路４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄと、分岐流路４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄの後流側に設けられた合流部４７と、合流部４７から流体が導出される導出口４８とを備える。
【００６１】
この供給装置４１において、図４に示す状態では、経路開閉体４２によって、流体分配部４３の各分岐流路４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄは閉塞されている。この状態から、経路開閉体４２を駆動して、遊動端４２ａを遊挿部４４に遊挿する、すなわち、図４中のの紙面上方に移動するにつれて、分岐流路４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄが順に開放される。この分岐流路４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄの開放に伴って、導入口４５から流体分配部４３に導入された流体が、開放された分岐流路を通じて合流部４７に流通し、導出口４８から導出される。したがって、経路開閉体４２の駆動位置によって、分岐流路４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄのうちの開放される分岐流路の個数を選択できる。これによって、例えば、分岐流路４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄにおける流体の流通量がそれぞれＷ4である場合には、Ｗ4、Ｗ4×２、Ｗ4×３、Ｗ4×４と、導出口４８からの流体の導出量を４段階で段階的に増減できる。
【００６２】
次に、図１に示す本発明の実施形態に係る燃料電池システムおよびその運転制御方法について説明する。
図１に示す燃料電池システム１において、炭化水素原料は、脱硫装置２によって脱硫された後、改質装置３に供給される。改質装置３においては、改質触媒の存在下に、例えば６００〜７００°Ｃの範囲の改質処理温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応（炭化水素＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ）によって、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガス（以下、「改質ガス」という）が生成される。改質装置３で生成した改質ガスは、シフト反応装置４に供給され、一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加されたシフトガスを生成する。シフト反応装置４で生成するシフトガスは、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置５に供給され、シフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度を更に低減させた水素含有ガスが生成される。そして、この水素含有ガスを、燃料電池スタック６のアノードに導入するとともに、加湿器８によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電が行なわれる。
【００６３】
この燃料電池システム１における発電に際して、発電負荷の変動に応じて、燃料電池スタック６への改質ガスの供給量を適切に制御するため、改質装置３に供給される炭化水素原料および水蒸気の供給量が制御される。
【００６４】
このとき、改質装置３は、図２に示すとおり、炭化水素原料供給流路３２、水供給流路３３および燃料供給流路３４が、それぞれ並列に配列された４つの流通経路に分岐され、各流通経路に経路開閉手段および流路抵抗手段を備える構成を有する。
【００６５】
この改質装置３においては、炭化水素原料供給流路３２、水供給流路３３および燃料供給流路３４が備える各流通経路の開閉を調整することによって、各供給流路から改質装置３の反応部３１に供給される炭化水素原料および水の量、ならびにバーナ７に供給される燃料の量を段階的に調整することができる。例えば、図２に示すとおり、炭化水素原料供給流路３２、水供給流路３３および燃料供給流路３４が、それぞれ４つの流通経路に分岐され、各流通経路に経路開閉手段と流路抵抗手段とが設けられている構成について説明する。
【００６６】
まず、炭化水素供給流路３２の流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４が、それぞれ炭化水素原料供給流路３２の全流通量の１／４の流通量を有するように構成されている場合、経路開閉手段ＶＡ１、ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４の開閉を制御すれば、流通経路３２ａを通じて改質装置３の反応部３１への炭化水素原料の供給量は、炭化水素原料供給流路３２の流通量Ｗ1の１／４を単位として段階的に調節される。すなわち、開放する経路開閉手段ＶＡ１，ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４の個数を選択することによって、Ｗ1／４、Ｗ1／２、３Ｗ1／４、Ｗ1の４段階に、反応部３１への炭化水素原料の供給量を制御できる。
【００６７】
一方、水供給流路３３の流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４が、それぞれ水供給流路３３の全流通量の１／４の流通量を有するように構成されている場合、経路開閉手段ＶＢ１、ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４の開閉を制御すれば、流通経路３３ａを通じて改質装置３の反応部３１へ供給される水の量は、水供給流路３３の流通量Ｗ2の１／４を単位として段階的に調節される。すなわち、開放する経路開閉手段ＶＢ１、ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４の個数を選択することによって、Ｗ2／４、Ｗ2／２、３Ｗ2／４、Ｗ2の４段階に、反応部３１への炭化水素原料の供給量を制御できる。
【００６８】
そして、各流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４の水の流通量（Ｗ2/４）と、流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４の流通量（Ｗ1/４）が、所定のＳ／Ｃ比となるようにしておけば、炭化水素供給流路３２の流通経路ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４と水供給流路３３の流通経路ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４とを、一対の関係で開放して、改質装置３に供給される炭化水素原料と水の供給量におけるＳ／Ｃ比を一定に保つことができる。そして、例えば、炭化水素供給流路３２の経路開閉手段ＶＡ１のみを開くとともに、水供給流路３３の経路開閉手段ＶＢ１のみを開くと、２５％の発電負荷に対応する分の炭化水素原料および水を改質装置３に供給できることになる。そして、炭化水素供給流路３２と水供給流路３３の間で、開く流通経路を２対、３対、４対とすれば、５０％、７５％、１００％と段階的に発電負荷を変えることができる。
【００６９】
また、燃料供給流路３４も同様に、前記炭化水素原料３２の流通経路と水供給流路のうちの開放する流通経路の個数に対応して、４つの流通経路ＲＣ１，ＲＣ２，ＲＣ３，ＲＣ４のうち開放する流通経路を選択すれば、バーナ７に供給する燃料の量を、発電負荷の変動に伴う反応温度変化を少なく抑えながら、迅速に調整できる。
【００７０】
以上のように、燃料電池システム１においては、炭化水素原料、水、燃料の供給量を一定に保つばかりでなく、それぞれの流量比を一定に保つことができる。しかも、改質装置３における水蒸気改質反応に重要なＳ／Ｃ比を維持するとともに、バーナ７から所要の反応熱を供給できるように、燃料の供給量を適正に制御することができる。
【００７１】
この燃料電池システム１の運転において、発電負荷を上げる時には、先に水の供給を開始し、次に炭化水素原料を供給する順序にすることにより、Ｓ／Ｃ比を下げることなく発電負荷を変動させることができる。さらに、水供給流路３３を開とした後、流量計Ｆ３３による水（水蒸気）の供給量の増加、反応部３１の出口における改質ガスの温度低下等を検出した後、炭化水素原料供給流路３２を開く方法を採用することが望ましい。発電負荷を下げる時には、上記の逆を実施すればよい。
【００７２】
また、燃料の供給量は、発電負荷を上げる時に、先に燃料の供給量を増やすと、炭化水素原料の供給量の増加による温度低下により、先に反応部３１の内部温度が上昇して、改質装置３の耐熱温度を超える等の不都合を起こす可能性があるため、水（水蒸気）、炭化水素原料の供給量を増加させた後に、バーナ７への燃料の供給量を増加させて安全を期することが望ましい。逆に、発電負荷を下げる時には、水（水蒸気）および炭化水素原料の供給量を先に減じてしまうと、改質装置の蓄熱により反応温度が上昇するおそれがあるので、燃料の供給量を先に減ずることが好ましい。
【００７３】
さらに、発電負荷を変動させるために、炭化水素原料の供給量の変化に対する改質反応の温度変化特性を予め把握して、燃料の供給量をどのタイミングで増加（減少）させれば良いのか判れば、燃料の供給量を先行して変化させることも可能である。
【００７４】
また、燃料電池システムにおける発電は、常圧近傍で行なわれるため、発電負荷の変動に伴う系内の圧力変動は、通常、水柱５００ｍｍ（４．９ｋＰａ）以下の範囲である。そして、流量制御系の、すなわち、前記流路抵抗手段の前後の圧力差を、１ｋｇ／ｃｍ2（水柱≒１００００ｍｍ：９８ｋＰａ）程度になるようにしておけば、流量変化に与える影響は、３％程度に抑えられる。流路抵抗手段によって、流通経路に流通抵抗を負荷して流量制御することにより、燃料電池の発電負荷の変動に伴う系内圧力の変化等の外乱があっても、改質装置３に供給される炭化水素原料、水および燃料の量、ならびにＳ／Ｃ比を、適正な範囲に保つことができる。
【００７５】
なお、前記の実施形態は、炭化水素原料供給流路、水供給流路および燃料供給流路を、それぞれ４つの流通経路に分岐させた構成を備えるが、本発明において、炭化水素原料供給流路、水供給流路および燃料供給流路の分岐数は、特に制限されず、制御条件、改質装置に供給される炭化水素原料、燃料等の性状等に応じて、適宜選択される。また、炭化水素原料供給流路、水供給流路および燃料供給流路は、それぞれ異なる分岐数の流通経路を有する構成としてもよく、改質装置３の反応部３１に供給される炭化水素原料および水（水蒸気）の所要量、ならびにバーナ７に供給される燃料の所要量等に応じて、適宜決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【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を示すブロック図である。
【図２】燃料電池用改質装置の構成を説明するブロック図である。
【図３】燃料電池用改質装置の供給流路の構成例を示す図である。
【図４】供給流路の具体例を示す模式断面図である。
【図５】従来の燃料電池システムの改質装置に供給される原料等の流量制御系の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１      燃料電池システム
２      脱硫装置
３      改質装置
４      シフト反応装置
５      一酸化炭素選択酸化装置
６      燃料電池スタック
３１    反応部
３２    炭化水素原料供給流路
３３    水供給流路
３４    燃料供給流路
３２    炭化水素原料供給流路
３２ａ  流通経路
３３    水供給流路
３３ａ  流通経路
３４    燃料供給流路
３４ａ  流通経路
ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３，ＲＡ４    流通経路
ＲＢ１，ＲＢ２，ＲＢ３，ＲＢ４    流通経路
ＲＣ１，ＲＣ２，ＲＣ３，ＲＣ４    流通経路
ＴＡ１，ＴＡ２，ＴＡ３，ＴＡ４    流路抵抗手段
ＴＢ１，ＴＢ２，ＴＢ３，ＴＢ４    流路抵抗手段
ＴＣ１，ＴＣ２，ＴＣ３，ＴＣ４    流路抵抗手段
ＶＡ１，ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４    経路開閉手段
ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４    経路開閉手段
ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣ３，ＶＣ４    経路開閉手段
【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】
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