(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの改質ガス流路内での結露発生による流路閉塞を防止して、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる燃料電池システムの提供。【解決手段】改質装置は、炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記改質ガスを製造する改質反応部と、燃焼用空気と、燃料および／または前記燃料電池スタックのアノードから排出される水素を含む排出ガスとを、所定の空燃比で燃焼させるバーナと、燃料電池システムの起動に際して、前記燃料電池スタックのアノードに供給する改質ガスを増大させるように調整する運転制御部と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２
2007115523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と、改質装置によって生成された改質ガスとを燃料電池スタックのカソードおよびアノードにそれぞれ導入して酸素と水素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムであって、
前記改質装置は、
炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記改質ガスを製造する改質反応部と、
燃焼用空気と、燃料および／または前記燃料電池スタックのアノードから排出される水素を含む排出ガスとを、所定の空燃比で燃焼させるバーナと、
燃料電池システムの起動に際して、前記燃料電池スタックのアノードに供給する改質ガスを増大させるように調整する運転制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
空気と、改質装置によって生成された改質ガスとを燃料電池スタックのカソードおよびアノードにそれぞれ導入して酸素と水素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムであって、
前記改質装置は、
炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記改質ガスを製造する改質反応部と、
燃焼用空気と、燃料および／または前記燃料電池スタックのアノードから排出される水素を含む排出ガスとを、所定の空燃比で燃焼させるバーナと、
燃料電池システムの起動に際して、前記燃料電池スタックのアノードに供給する改質ガス量を定格発電時の改質ガス量まで増大させるように調整する運転制御部とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記改質反応部は、温度検出手段を備え、前記運転制御部は、燃料電池システムの起動に際して、前記温度検出手段によって検出される前記改質反応部の温度が、所定の基準温度になるように前記バーナへの燃焼用空気の供給量を増減させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質反応部は、温度検出手段を備え、前記運転制御部は、燃料電池システムの起動に際して、前記温度検出手段によって検出される前記改質反応部の温度が、所定の基準温度以上の場合に、通常の空燃比よりも空気量が過剰になるように前記バーナへの燃焼用空気の供給量を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
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〜請求項４のいずれか１項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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に優しいエネルギ源として、水素と酸素の電気化学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、液状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燃料改質型の燃料電池システムが検討されている。この燃料改質型の燃料電池システムＦＣの構成を図１に示す。図１に主要構成を示す燃料改質型の燃料電池システムＦＣでは、まず、改質装置１において、液状炭化水素原料と水を、改質触媒の存在下に改質反応させて水素を多く含む改質ガスを生成させる。この改質ガスは、燃料電池スタック４における酸素と水素の電気化学反応に有害な一酸化炭素を含むため、改質装置１から導出された改質ガスは、シフト反応器２およびＣＯ選択酸化器３において、一酸化炭素を除去して精製される。そして、精製された改質ガスは、燃料電池スタック４のアノード４１に供給され、カソード４２に供給される酸素（空気）と電気化学反応して発電が行われ、外部負荷５に電力が供給される。このとき、アノード４１に供給された改質ガスが含有する水素は、全部が電気化学反応に消費されず、アノード４１からの排ガス（オフガス）中には、残りの水素が含まれている。このオフガスに含まれる水素は、燃料電池用改質装置１の熱源であるバーナ６に供給されて燃料とともに燃焼し、炭化水素と水とを加熱するために改質装置１に供給される燃焼ガスの生成に利用される。
【０００３】
この燃料電池システムＦＣの起動時においては、燃料電池スタック４では電気化学反応は行われず、アノード４１に供給される改質ガス中の水素は消費されず、そのまま全量がオフガスとしてバーナ６に供給されて燃焼させることが行われ、その間に、改質装置１から供給される改質ガスの組成の安定化が図られる。また、燃料電池システムの起動時は、燃料電池スタックの温度が低いので発電可能量が少ないため、これに合わせてアノードへの改質ガスの供給量を少なくするとアノード流路内での改質ガスの流速が遅くなる。こうした状態で、燃料電池スタック４の内部の改質ガスの流路で結露が発生すると、その結露を改質ガスによって吹き飛ばすことが困難となる。この結露は、燃料電池スタック４の温度が改質ガスの露点より低く、運転状態が不安定なときなどに発生する。そのため、結露が発生すると、図５に示すように、発電量の減少→燃料電池スタックの温度低下→結露拡大のサイクルに陥り、甚だしいときは発電停止という悪循環に陥る。そこで、この悪循環のサイクルから抜け出すことが必要となる。
【０００４】
また、特許文献１には、原燃料（炭化水素原料）と水とから改質ガスを生成する改質部と、この改質部に熱を供給する燃焼部を有する改質器を備える燃料電池システムにおいて、改質部における改質ガスの生成の開始時に、改質器に供給する原燃料を徐々に増加させる原燃料流量調整手段を設け、改質ガスの生成の開始時であっても、改質器の燃焼部における良好な燃焼状態を持続させることができる燃料電池システムが提案されている。しかし、この燃料電池システムは、改質器の燃焼部、すなわち、バーナにおける良好な燃焼状態を持続させるために、改質器に供給する原燃料の供給量を徐々に増加させるものであり、このように原燃料の供給量を徐々に増加させるだけでは、上記したようにアノード流路内での改質ガスの流速が遅く、燃料電池スタックが暖まっていない状態においては、アノード流路に結露が生じ、その結果として発電量が低下し、そして燃料電池スタックの温度が低下してさらに結露が生じて流路閉塞してしまうおそれがあるものであった。
【特許文献１】特開２００５−１５８４６６号公報（請求項１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、前記した問題を解決し、燃料電池スタックの改質ガス流路内での結露発生による流路閉塞を防止して、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明の燃料電池システムは、空気と、改質装置によって生成された改質ガスとを燃料電池スタックのカソードおよびアノードにそれぞれ導入して酸素と水素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムであって、前記改質装置は、炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記改質ガスを製造する改質反応部と、燃焼用空気と、燃料および／または前記燃料電池スタックのアノードから排出される水素を含む排出ガスとを、所定の空燃比で燃焼させるバーナと、燃料電池システムの起動に際して、前記燃料電池スタックのアノードに供給する改質ガスを増大させるように調整する運転制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動に際して、運転制御部によって、燃料電池スタックの起動時（発電の開始時）における改質ガスの供給量を増加して、アノード流路での改質ガスの流速を速めることにより、まだ温度が上がっていないスタックでの結露による流路閉塞の発生を予防できる。すなわち、流速が速くなることで多少の結露が発生しても吹き飛ばすことができるので流路閉塞しにくくなる。その結果、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、空気と、改質装置によって生成された改質ガスとを燃料電池スタックのカソードおよびアノードにそれぞれ導入して酸素と水素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムであって、前記改質装置は、炭化水素原料と水蒸気との改質反応によって前記改質ガスを製造する改質反応部と、燃焼用空気と、燃料および／または前記燃料電池スタックのアノードから排出される水素を含む排出ガスとを、所定の空燃比で燃焼させるバーナと、燃料電池システムの起動に際して、前記燃料電池スタックのアノードに供給する改質ガス量を定格発電時の改質ガス量まで増大させるように調整する運転制御部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動に際して、運転制御部によって、燃料電池スタックの起動時（発電の開始時）における改質ガスの供給量を定格まで増加させて、アノード流路での改質ガスの流速を速めることにより、まだ温度が上がっていないスタックでの結露による流路閉塞の発生を予防できる。すなわち、流速が速くなることで多少の結露が発生しても吹き飛ばすことができるので流路閉塞しにくくなる。その結果、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質反応部は、温度検出手段を備え、前記運転制御部は、燃料電池システムの起動に際して、前記温度検出手段によって検出される前記改質反応部の温度が、所定の基準温度以上の場合に、通常の空燃比よりも空気量が過剰になるように前記バーナへの燃焼用空気の供給量を増加させることを特徴とする。
【００１１】
この燃料電池システムでは、改質反応部が備える温度検出手段によって検出される前記改質反応部の温度が、所定の基準温度以上の場合に、前記運転制御部が、前記改質反応部の定格運転時の空燃比よりも空気量が過剰になるように前記バーナへの燃焼用空気の供給量を増加させることによって、燃料電池スタックの改質ガス流路内に発生する結露の除去を、改質装置にダメージを与えることなく、改質装置の簡単なコントロールで行い、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる。
【００１２】
また、請求項４に係る発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記炭化水素原料が、灯油であることを特徴とする。
【００１３】
この燃料電池システムは、炭化水素原料として、水素源としてのエネルギ密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富む灯油を用いる場合に、特に好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの改質ガス流路内における結露発生による流路閉塞を防止して、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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ＦＣの主要構成を示すブロック図、図２は改質装置の主要構成を示す模式図である。
【００１６】
この燃料電池システムＦＣは、改質装置１と、シフト反応器２と、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器３と、燃料電池スタック４とを備えるものである。
【００１７】
改質装置１は、図２に示すように、バーナ６と、改質反応部７と、運転制御部１１とを備えるものである。
【００１８】
バーナ６は、１次空気供給路８１を介して１次空気供給ポンプ８に接続され、２次空気供給路９１を介して２次空気供給ポンプ９に接続され、燃料供給路１０１を介して燃料供給ポンプ１０に接続され、さらに、オフガス供給路４ａを介して燃料電池スタック４のアノードに接続されている。
【００１９】
このバーナ６は、１次空気供給ポンプ８によって１次空気供給路８１を通じて供給される１次空気、および２次空気供給ポンプ９によって２次空気供給路９１を通じて供給される２次空気と、燃料供給ポンプ１０によって燃料供給路１０１を通じて供給される燃料および／または燃料電池スタック４のアノードから排出されるオフガスとを混合して燃焼させ、発生した燃焼ガスを燃焼ガス流路６ａに流通させ、燃焼ガス流路６ａの外周側に配設した改質反応部７を加熱する役割を有するものである。
【００２０】
バーナ６に供給される燃料は、改質装置１の炭化水素原料気化部（図示せず）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および燃料供給路とすればよい。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。
【００２１】
改質反応部７は、改質装置１の内部に設けられた燃焼ガス流路６ａの周囲に配設され、この改質反応部７は、炭化水素原料気化器（図示せず）から供給される炭化水素原料と、水気化器（図示せず）から供給される水蒸気とを、バーナ６から供給される燃焼ガスによる加熱による改質反応温度下の改質反応によって改質ガスを製造する役割を有するものである。改質反応は、改質触媒の存在下に、例えば、５５０〜７００℃の範囲の改質反応温度の下で、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、水素を多く含む改質ガスを生成するものである。この改質反応部７で生成した改質ガスは、燃料電池システムを構成するシフト反応器２に改質ガス導出路１ａを介して導出される。
【００２２】
この改質反応部７で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、これらの改質触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に担持され、改質反応部２の内部に、その多孔質粒状体が充填されて触媒層を形成している。
【００２３】
また、改質反応部７には、改質反応部７における改質反応温度を検出する温度検出手段７１が設けられている。この温度検出手段７１によって検出された、改質反応部７内の改質反応温度Ｔ１に関する信号は、信号路Ｓ１を介して運転制御部１１に入力される。この温度検出手段７１としては、例えば、熱電対、サーミスタ等の温度検知センサを用いることができる。
【００２４】
この改質反応部７に供給される炭化水素原料は、改質装置１の改質反応部７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、メタノール、ナフサ、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。これらの中でも、灯油は、水素源としてのエネルギ密度が非常に高く、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。これらの炭化水素原料は、硫黄分が多い場合には、改質反応部７に供給する前に、脱硫装置で脱硫することが望ましい。また、用いる炭化水素原料が、硫黄分が少なく、改質反応部７における改質反応に供給可能なものであれば、脱硫装置を省略して、改質反応部７に、直接、炭化水素原料を供給することができる。
【００２５】
さらに、改質装置１は、燃焼ガス流路６ａに連通する燃焼ガス排出路７２を有し、この燃焼ガス排出路７２には、熱交換器１３が配設されている。この熱交換器１３は、燃料電池スタック４の内部に設けられた冷却水流路（図示せず）に冷却水配管４ｂ，４ｃを介して接続されている。この熱交換器１３においては、燃焼ガス排出路７２を通じて排出される燃焼ガスによって、燃料電池スタック４から冷却水配管４ｂを通じて熱交換器１３に導入される冷却水を加熱して、冷却水循環ポンプ１２によって冷却水配管４ｃを通じて燃料電池スタック４内の冷却水流路に加熱された冷却水を流通させ、燃料電池スタック４を昇温することが可能である。なお、燃料電池スタック４が所定の温度まで昇温された後は、前記熱交換器１３と燃料電池スタック４の接続は図示しない切換手段により解除されるようにしてもよい。
【００２６】
また、シフト反応器２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℃の温度において、燃料電池用改質装置１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改質ガス（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ＦＣ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４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。
【００２７】
一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器３は、燃料電池スタック４の電極の被毒の問題を回避するため、シフト反応器２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改質ガスを燃料電池スタック４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器３において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。一酸化炭素選択酸化装置９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、例えば、１０５〜１５０℃の範囲の温度で行なわれる。
【００２８】
燃料電池スタック４は、前記一酸化炭素選択酸化器３から供給される改質ガスをアノードに導入し、加湿器（図示せず）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４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改質ガス中の水素と、カソードに供給される空気中の酸素との電気化学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。
【００２９】
燃料電池スタック４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。燃料電池スタック４における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４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。
【００３０】
また、燃料電池スタック４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、水素利用率２０〜８０％程度で行なわれるため、燃料電池スタック４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、オフガス排出路４ａを通じて前記のバーナ６に供給することによって、オフガスが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。
【００３１】
さらに、運転制御部１１は、信号路Ｓ１によって温度検出手段７１と接続され、制御信号線Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を介して、それぞれ１次空気供給ポンプ８、２次空気供給ポンプ９、および燃料供給ポンプ１０に接続されている。これによって、運転制御部７には、信号路Ｓ１を通じて、改質反応部７における改質反応温度Ｔ１の検出値が入力される。
【００３２】
そして、運転制御部１１は、改質反応温度Ｔ１の検出値に基づいて、制御信号線Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を通じて、それぞれ１次空気供給ポンプ８、２次空気供給ポンプ９、および燃料供給ポンプ１０に制御信号を出力して、これらのポンプを制御して、１次空気の供給の開始・遮断および供給量の調整、２次空気の供給の開始・遮断および供給量の調整、ならびに燃料の供給の開始・遮断および供給量を調整する。この運転制御部１１において、燃料電池システムの起動に際して、改質ガスの供給量を増加して、アノード流路での改質ガスの流速を速めることにより、まだ温度が上がっていない燃料電池スタック４における結露による流路閉塞の発生を予防する。すなわち、流速が速くなることで多少の結露が発生しても吹き飛ばすことができるので流路閉塞しにくくなる。その結果、燃料電池スタックによる発電を円滑に開始させることができる。この改質ガスの供給量の増加は、改質反応部へ供給する炭化水素原料と水蒸気の供給量を増やすことによって行われる。そして、炭化水素原料と水蒸気の供給量を増やしたことに伴い、改質反応による吸熱量も増えるため、改質反応部への熱供給も増やす必要があるが、燃料電池システムＦＣの起動時には燃料電池スタック４の温度も低いままで発電量も少ないので、燃料電池スタック４での水素利用率が低く、アノードからのオフガス中の水素量が多くなり、結果的に改質反応部への燃料供給量が増えることとなる。ここで、熱量としては過剰気味となって改質反応部が過熱状態になるので、温度検出手段７１によって検出される改質反応部７の温度が、所定の基準温度以上の場合に、改質反応部の温度が基準温度になるように燃焼用空気（２次空気）の供給量を増加させる制御が行われる。燃焼用空気の供給量の増加は、制御信号線Ｓ３を通じて２次空気供給ポンプ９に２次空気の供給量を増加させる信号を送信することによって行うことができる。これによって、改質ガスの供給量が増大して燃料電池スタックのアノード流路における改質ガスの流速が増大する。そして、燃料電池スタック４の改質ガス流路内での結露発生による流路閉塞が防止され、燃料電池スタック４おける発電を円滑に開始させることができるとともに、改質ガスの供給量の増大に伴うアノードオフガス中の水素量の増加による改質装置１の過熱に対しては、改質装置１における２次空気の供給量の簡単なコントロールによって、改質装置の過熱を防ぐことが可能となる。ここで、通常の空燃比とは、その時々のバーナ６における燃焼に対する空燃比であって、バーナ６への燃料供給量に対する理論空気量に対して過剰に空気供給することが通常行われ、本実施形態においては空燃比を１．６に設定しており、通常は１．１〜１．８程度の範囲に設定され、燃焼ガス中のＣＯやＮＯｘ、ＳＯｘが低くて燃焼が安定する値が実験的に選択される。また、バーナへの燃料供給量は、燃料供給ポンプ１０からの供給量と、アノードオフガス中の水素量（改質器への原燃料供給量と水供給量と燃料電池スタックでの水素利用率等から算出される）の合計量である。
【００３３】
また、運転制御部１１は、制御信号線Ｓ２およびＳ４を通じて、１次空気供給ポンプ８および燃料供給ポンプ１０を制御して、それぞれ１次空気の供給量および燃料の供給量を制御することができる。特に、燃料電池システムＦＣにおいては、運転制御部１１は、改質反応部２における改質反応温度Ｔ１と、炭化水素原料気化部（図示せず）における気化温度とに基づいて、２次空気供給ポンプ９を制御してバーナ６への２次空気の供給量を、さらに燃料供給ポンプ１０を制御してバーナ６への燃料の供給量とを調整する。これによって、燃料電池システムＦＣの運転中の改質装置２における炭化水素と水の供給量を制御して安定したＳ／Ｃ比で改質反応を行い、良好な品質の改質ガスを、安定して燃料電池スタック４に供給できる。
【００３４】
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ＦＣにおいて、炭化水素原料が、改質装置１に供給され、改質触媒の存在下に、例えば５５０〜７００℃の範囲の改質反応温度の下で、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改質ガスが生成される。改質装置１で生成した改質ガスは、シフト反応器２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。シフト反応器２で生成するシフトガスは、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器３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改質ガスが生成される。そして、この改質ガスを、燃料電池スタック４のアノードに導入するとともに、加湿器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。
【００３５】
こうした燃料電池システムＦＣの起動時においては、図３に示すように、改質装置１の改質反応部７における改質反応が開始された後、改質反応部７からの改質ガスが燃料電池スタック４のアノードに供給されて発電が開始される際に、まず燃料電池スタック４のアノードに供給される改質ガスを定格発電時の改質ガス量まで増大する（ＳＴＡＲＴ）。これによって、燃料電池スタック４のアノード流路内を通過する改質ガスの流速が増大し、燃料電池スタック４の流路内に発生した結露が、流速が増加した改質ガスによって吹き飛ばされて除去され、結露による流路閉塞が確実に防止される。すなわち、図４に示すとおり、改質ガス量増大→（改質ガスの）流速増大によって、結露解消→発電電流（発電量）の増加→燃料電池スタックの温度上昇→結露の解消→発電電流（発電量）増大のサイクルが繰り返され、このサイクルによって燃料電池スタック４の温度を定格まで引き上げ定常運転に移行できる。そして、流路閉塞がなければ、燃料電池スタック４の発電量を素早く増大でき、その分、電気化学反応に伴う発熱による燃料電池スタック４の加熱が可能となるため、さらに迅速な立ち上げが可能となる。
【００３６】
そして、改質ガスが定格発電時の改質ガス量まで増大したことに伴い、バーナ６に供給されるアノードオフガス中の水素量が増え、改質反応部７が過熱気味になるおそれがあるが、このとき、まず、温度検出手段７１によって改質反応部７の温度（改質反応温度）が検出され、その温度の検出値が信号路Ｓ１を通じて運転制御部１１に入力される（温度読込：ステップ１）。温度の検出値が入力された運転制御部１１においては、その検出された温度が高温側の基準値（Ｈ）より高温であるか否か（基準値（Ｈ）＜温度か？）を判定する（ステップ２）。改質反応部７の温度が基準値（Ｈ）より高温である場合（ＹＥＳ）は、運転制御部１１は、制御信号線Ｓ３を通じて２次空気供給ポンプ９に２次空気の供給量を増加させる制御信号を出力する（ステップ３）。して、この運転制御部１１から出力される制御信号によって、２次空気供給ポンプ９から２次空気供給路９１を通じてバーナ６に供給される２次空気の供給量が増加する。そのため、バーナ６から燃焼ガス流路６ａを通って流通する燃焼ガスの温度が低下し、改質反応部７の温度が低下する。
【００３７】
ここで、燃料電池スタック４内の流路における改質ガスの流速の増大による結露の除去に伴う改質反応部７の温度変化について説明する。
まず、初めに改質反応部７の温度制御の概略を示す。改質反応部７は、燃料電池システムの起動に伴って、炭化水素原料と水との改質反応を開始した後は、次式を満たすよう熱バランスを取りながら運転される。
改質反応による吸熱量＝［（１−水素利用率）×水素発熱量］＋燃料発熱量−系外への放熱量                                                  （１）
ここで、水素利用率とは、燃料電池スタック４に供給される水素の内、発電に消費された水素の割合であり、その時点での水素発生量と燃料電池の発電量に依存する。そして、燃料電池スタック４の温度が改質ガス露点より低く、運転状態が不安定なときに発生する結露水によって燃料電池スタック４のアノード流路が閉塞された場合、アノード流路のガス流速を増大させるために水素利用率を下げる必要があり、そのため、発電が抑制されて水素が余り、バーナ６に送られるオフガス中の水素量が増大する。
一方、燃料発熱量とは、燃料供給ポンプ１０からバーナ６に供給される燃料の燃焼による発熱量を言い、式（１）において左辺＞右辺のとき、補助として加えられる。
また、系外への放熱量とは、燃料電池システムＦＣの外部に放出される熱量であり、式（１）において左辺＜右辺のとき、これを増大させる。
【００３８】
このような熱バランスの下に運転が制御される改質反応部７において、通常の燃焼状態では、バーナ６の燃焼ガス中のＣＯが基準値以下で、かつ送風機（１次空気供給ポンプ、２次空気供給ポンプ）の消費電力が極小となるよう燃焼用空気（１次空気、２次空気）の供給量を制御する。しかし、前記の理由でバーナ６へ送られるオフガス中の水素量が増大したとき、燃料ポンプ１０からバーナ６へ供給される燃料をカットしたとしても改質反応部７は過熱状態となる場合がある。そこで、改質反応部７に設けた温度検知手段７１によって改質反応部７の温度が基準値（高温）以上のとき、燃焼用２次空気量を最適な空燃比に関係なく増大させて、改質反応部７の温度を下げる。このようにして、改質反応部７の温度が高温であると、改質反応部７が過熱によりダメージを受けるので、燃焼用空気（２次空気）を過剰に送り込むことによって、改質反応部７が冷却され、過熱によるダメージを防止することができる。
【００３９】
一方、改質反応部７の温度が基準値（Ｈ）より低温である場合（ＮＯ）は、運転制御部１１において、改質反応部７の温度が低温側の基準値（Ｌ）よりも高温である（基準値（Ｌ）＜温度≦基準値（Ｈ））か否かが判定される（ステップ４）。
【００４０】
改質反応部７の温度が低温側の基準値（Ｌ）よりも高温である場合（ＹＥＳ）、改質反応部７の温度が適正な温度範囲にあるので、運転制御部１１は２次空気量を維持する（ステップ４１）。
【００４１】
一方、改質反応部７の温度が低温側の基準値（Ｌ）よりも低温である場合（ＮＯ）、運転制御部１１は、直前の運転制御操作において２次空気量を増加する操作を行ったか否かを判断する（ステップ５）。すなわち、運転制御部１１は図３のスッテプ１からステップ２以降の操作を経てステップ１に戻る操作を繰り返し行い、その操作履歴を記憶することができるものである。
直前の運転制御操作において２次空気量を増加する操作を行っている場合（ＹＥＳ）、運転制御部１１は制御信号線Ｓ３を通じて２次空気供給ポンプ９に２次空気量を減少させる制御信号を出力する（ステップ５１）。直前の運転制御操作において２次空気量を増加する操作を行っていない場合（ＮＯ）、運転制御部１１は制御信号線Ｓ４を通じて燃料供給ポンプ１０に燃焼灯油の供給量を増加させる制御信号を出力する（ステップ５２）。
ステップ５１またはステップ５２により、改質反応部７の温度は適正な温度範囲に向けて上昇し、結露の発生による流路閉塞を防止するために必要な量の改質ガスを生成させることが可能になる。
【００４２】
前記の運転制御部１１におけるステップ２およびステップ４における高温側の基準値（Ｈ）および低温側の基準値（Ｌ）は、改質反応部７の改質触媒が有効に機能する温度範囲にしたがって、予め決定しておくことができる。通常、その温度範囲は、例えば５５０〜７００℃である。
【００４３】
この燃料電池システムＦＣの運転制御によって、起動時に燃料電池スタック４の温度が低い起動時の場合においても、結露の発生による流路閉塞を防止して、図４に示すサイクルにより、安定的に定格運転に移行することができる。また、起動時だけでなく、例えば、定格発電量に満たない発電量の場合等に際して、結露が発生しても、改質反応部７に悪影響を与えることなく迅速に結露を吹き飛ばして流路閉塞を防止することができる。
【００４４】
なお、本発明においては、燃焼用空気を増減するに際して２次空気のみを増減するようにしたが、これに限らず、１次空気を増減したり、１次空気および２次空気を合わせて増減するようにしてもよい。また、バーナ６は１次空気と２次空気の２系統の燃焼用空気で燃焼する構成としているが、これに限らず、３次空気、４次空気、・・の供給系統等を設けて複数系統の燃焼用空気を供給する構成としたり、逆に１系統のみの燃焼用空気で燃焼する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】改質装置の構成を説明する模式図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの運転制御方法を説明する図である。
【図４】本発明の燃料電池システムの起動時における結露の除去過程を説明する図である。
【図５】燃料電池システムにおける結露発生による障害を説明する図である。
【符号の説明】
【００４６】
１      改質装置
２      シフト反応器
３      一酸化炭素選択酸化器
４      燃料電池スタック
６      バーナ
７      改質反応部
８      １次空気供給ポンプ
９      ２次空気供給ポンプ
１０      燃料供給ポンプ
１１      運転制御部
７１      温度検出手段
ＦＣ      燃料電池システム
【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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