(57)【要約】【課題】  アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム（１００）は、燃料電池（４０）と、燃料電池（４０）のアノードオフガスを、少なくとも、第１の可燃成分を含有する第１のガスと第２の可燃成分を含有する第２のガスとに分離する分離手段（５０）とを備えることを特徴とする。したがって、アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが可能となる。その結果、アノードオフガスを用いた燃焼熱の制御またはアノードオフガスを用いた温度制御が可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードオフガスを、少なくとも、第１の可燃成分を含有する第１のガスと第２の可燃成分を含有する第２のガスとに分離する分離手段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】
前記第１の可燃成分の燃焼熱量は、前記第２の可燃成分の燃焼熱量と異なることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１の可燃成分は、炭化水素であり、
前記第２の可燃成分は、水素であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記炭化水素は、メタンであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
炭化水素燃料から水素を含む改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記燃料電池のアノードに供給する改質手段と、
前記第１の可燃成分および前記第２の可燃成分の少なくとも一方を燃焼させることにより前記改質手段を加熱する燃焼手段と、
前記第１のガスおよび前記第２のガスのいずれか一方または両方を選択して前記燃焼手段に供給する供給手段と、
前記改質手段の要求熱量に基づいて前記供給手段を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記供給手段は、前記第１のガスおよび前記第２のガスの流量を調整して、前記第１のガスおよび前記第２のガスを前記燃焼手段に供給することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記改質手段の温度を上昇させる場合には、前記炭化水素の比率が大きくなるように前記供給手段を制御することを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池に要求される負荷を検出する要求負荷検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記要求負荷検出手段の検出結果に基づいて前記要求熱量を設定することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記燃料電池を起動させる際に、前記燃焼手段に前記第２の可燃成分が供給されるように前記供給手段を制御することを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記第２の可燃成分が着火した後に前記燃焼手段に前記第１の可燃成分が供給されるように、前記供給手段を制御することを特徴とする請求項９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、改質器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
現在、多くの燃料電池においては、改質器によりガソリン、天然ガス、メタノール等の炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスが生成され、燃料電池のアノードに供給される。この改質器においては、水蒸気を用いた水蒸気改質反応等により改質が行われている。
【０００４】
この改質反応は吸熱反応であることから、改質反応を促進するためには改質器を加熱する必要がある。そのため、燃焼装置等によって改質器に熱が与えられる燃料電池システムが開発されている。例えば、改質器を加熱するための燃焼ガスとしてアノードオフガスを用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、高い改質効率が得られる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−０２６０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが行われていない。この場合、アノードオフガス中の可燃成分のそれぞれの着火性、燃焼熱等が異なることから、改質器内の温度が不均一となるおそれがある。したがって、改質効率が低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は、アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが可能な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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のアノードオフガスを、少なくとも、第１の可燃成分を含有する第１のガスと第２の可燃成分を含有する第２のガスとに分離する分離手段とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、分離手段によりアノードオフガスが少なくとも第１の可燃成分を含有する第１のガスと第２の可燃成分を含有する第２のガスとに分離される。この場合、アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが可能となる。したがって、アノードオフガスを用いた燃焼熱の制御またはアノードオフガスを用いた温度制御が可能となる。
【０００９】
第１の可燃成分の燃焼熱量は、第２の可燃成分の燃焼熱量と異なっていてもよい。この場合、燃焼熱量の異なる可燃成分の使い分けが可能となる。したがって、第１の可燃成分および第２の可燃成分を用いて燃焼熱を制御することができる。第１の可燃成分は、炭化水素であり、第２の可燃成分は、水素であってもよい。また、炭化水素は、メタンであってもよい。
【００１０】
炭化水素燃料から水素を含む改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池のアノードに供給する改質手段と、第１の可燃成分および第２の可燃成分の少なくとも一方を燃焼させることにより改質手段を加熱する燃焼手段と、第１のガスおよび第２のガスのいずれか一方または両方を選択して燃焼手段に供給する供給手段と、改質手段の要求熱量に基づいて供給手段を制御する制御手段とをさらに備えていてもよい。この場合、改質手段により改質ガスが燃料電池のアノードに供給され、燃焼手段において第１の可燃成分および第２の可燃成分の少なくとも一方が燃焼することにより改質手段が加熱され、改質手段の要求熱量に基づいて供給手段により第１のガスおよび第２のガスのいずれか一方または両方が選択的に燃焼手段に供給される。それにより、第１の可燃成分と第２の可燃成分の組合せにより燃焼手段における燃焼熱が制御される。したがって、第１の可燃成分と第２の可燃成分の組合せにより改質部の温度が制御される。また、第１の可燃成分および第２の可燃成分の着火性が異なることから、改質部の温度分布を制御することができる。したがって、改質手段の温度が効率よく適切に制御される。また、炭化水素がメタンである場合、メタンの比率が大きくなることによって、燃焼部における燃焼熱が大きくなる。それにより、改質手段の温度を効率よく上昇させることができる。
【００１１】
供給手段は、第１のガスおよび第２のガスの流量を調整して、第１のガスおよび第２のガスを燃焼手段に供給してもよい。この場合、燃焼手段に供給される第１の可燃成分の流量と第２の可燃成分の流量とが調整される。その結果、改質手段の温度がより適切に制御される。
【００１２】
制御手段は、改質手段の温度を上昇させる場合には、炭化水素の比率が大きくなるように供給手段を制御してもよい。また、燃料電池に要求される負荷を検出する要求負荷検出手段をさらに備え、制御手段は、要求負荷検出手段の検出結果に基づいて目標温度を設定してもよい。
【００１３】
制御手段は、燃料電池を起動させる際に、燃焼手段に第２の可燃成分が供給されるように供給手段を制御してもよい。この場合、第２の可燃成分の着火性が高いことから、効率よく改質手段を加熱することができる。また、制御手段は、第２の可燃成分が着火した後に燃焼手段に第１の可燃成分が供給されるように、供給手段を制御してもよい。この場合、効率よく改質手段の温度を上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アノードオフガス中の可燃成分の使い分けが可能となる。したがって、アノードオフガスを用いた燃焼熱の制御またはアノードオフガスを用いた温度制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、燃料供給部２０、改質器３０、燃料電池４０、水素分離器５０、流量調整弁６０，６１、エアポンプ７０，８０および要求負荷検出部９０を備える。
【００１７】
改質器３０は、改質部３１、燃焼部３２、温度センサ３３，３４および空気過剰率λセンサ３５を備える。温度センサ３３は、改質部３１内の上流端に設けられている。温度センサ３４は、改質部３１内の下流端に設けられている。空気過剰率λセンサ３５は、燃焼部３２から外部に通じる排気系に設けられている。ここで、空気過剰率λとは、燃焼部３２における完全燃焼に必要な酸素量に対する、燃焼部３２に供給される酸素量の比を示す。燃料電池４０は、カソード４１、アノード４２、熱交換部４３、電圧計４４および電流計４５を備える。水素分離器５０は、水素分離膜５１によってアノードオフガス室５２および水素室５３に仕切られた構造を有する。
【００１８】
本実施例においては、燃料電池４０として水素分離膜電池を用いた。ここで、水素分離膜電池とは、水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層である。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及びプロトン導電性を有する電解質を積層した構造をとっている。水素分離膜電池のアノードに供給された水素は触媒を介してプロトンに変換され、プロトン導電性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。
【００１９】
制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、温度センサ３３，３４、空気過剰率λセンサ３５、電圧計４４、電流計４５および要求負荷検出部９０から与えられる検出結果に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。詳細は後述する。
【００２０】
燃料供給部２０は、炭化水素燃料を貯蔵する貯蔵手段とインジェクタ等の燃料供給手段とを備え、制御部１０の指示に従って必要量の炭化水素燃料を改質部３１に供給する。本実施例においては、炭化水素燃料としてＣＮＧ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）を用いた。なお、炭化水素燃料としてＣＮＧ以外の炭化水素燃料を用いることもできる。
【００２１】
改質部３１においては、炭化水素燃料と後述するカソードオフガスとから水素を含有する改質ガスが生成される。まず、炭化水素燃料中のメタンとカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、カソードオフガス中の酸素とメタンとが部分酸化反応を起こし、水素及び一酸化炭素が生成される。
【００２２】
改質部３１において生成された改質ガスは、アノード４２に供給される。アノード４２においては、改質ガス中の水素が水素イオンに変換される。アノード４２において水素イオンに変換されなかった水素、ならびに、改質部３１において反応しなかったメタン、一酸化炭素、窒素および水蒸気は、アノードオフガスとして水素分離器５０のアノードオフガス室５２に供給される。
【００２３】
アノードオフガス室５２に供給されたアノードオフガス中の水素は、水素分離膜５１を透過し、水素室５３を介して流量調整弁６１に供給される。流量調整弁６１は、制御部１０の指示に従って、必要量の水素を燃焼部３２に供給する。水素を除くアノードオフガスは、水素分離膜５１を透過せずに流量調整弁６０に供給される。流量調整弁６０は、制御部１０の指示に従って、必要量のアノードオフガスを燃焼部３２に供給する。
【００２４】
エアポンプ７０は、制御部１０の指示に従って、必要量のエアを熱交換部４３に供給する。熱交換部４３に供給されたエアは、燃料電池４０を冷却して水素分離器５０の水素室５３に供給される。水素室５３に供給されたエアは、水素分離膜５１を透過した水素をパージし、パージされた水素とともに流量調整弁６１を介して燃焼部３２に供給される。したがって、水素室５３内の水素分圧は低い値に維持される。その結果、アノードオフガス室５２に供給されるアノードオフガス中の水素は、水素分離膜５１によって効率よく分離される。
【００２５】
燃焼部３２においては、流量調整弁６０から供給されるメタンと流量調整弁６１から供給されるエアおよび水素とによって燃焼反応が起こる。燃焼部３２における燃焼反応によって発生する排気ガスは、燃料電池システム１００の外部に排出される。また、燃焼部３２における燃焼反応による燃焼熱は、改質部３１における水蒸気改質反応に利用される。
【００２６】
温度センサ３３は、改質部３１内の上流端の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。温度センサ３４は、改質部３１内の下流端の温度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。空気過剰率λセンサ３５は、燃焼部３２から排出される排気ガスから燃焼部３２における空気過剰率λを検出し、その検出結果を制御部１０に与える。
【００２７】
エアポンプ８０は、制御部１０の指示に従って、必要量の酸素をカソード４１に供給する。カソード４１においては、アノード４２において変換された水素イオンとカソード４１に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した水は、燃料電池４０において発生する熱によって水蒸気となる。カソード４１において発生した水蒸気および水素イオンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして改質部３１に供給され、それぞれ水蒸気改質反応および部分酸化反応に用いられる。
【００２８】
電圧計４４は、燃料電池４０における発電により発生した電圧を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。また、電流計４５は、燃料電池４０における発電反応により発生した電流を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。要求負荷検出部９０は、燃料電池４０に要求される負荷（以下、要求負荷Ｐｒｅｑと呼ぶ）を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。要求負荷Ｐｒｅｑは、アクセルの開度、補機の出力等から求められる。
【００２９】
本実施例に係る燃料電池システム１００においては、燃焼部３２に供給されるメタン量および水素量を調整することができる。それにより、改質部３１の温度および温度分布を適切に調整することができる。以下、燃焼部３２に供給する水素およびメタンのモル比の制御方法について説明する。
【００３０】
まず、制御部１０は、現時点において燃焼部３２に供給される水素およびメタンのモル比を推定する。以下、水素のモル数に対するメタンのモル数の比をモル比Ｒと呼ぶ。燃焼部３２におけるモル比Ｒは、改質部３１に設けられている触媒の温度と燃焼部３２における空気過剰率λとから推定される。空気過剰率λは、空気過剰率λセンサ３５によって検出される。改質部３１の触媒の温度は、温度センサ３３の検出温度（以下、温度Ｔ１）と温度センサ３４の検出温度（以下、温度Ｔ２）との平均値（以下、温度平均値Ｙ）により求められる。
【００３１】
温度平均値Ｙは、改質部３１における改質反応に必要な熱量（以下、吸熱量Ｑ１）と、燃焼部３２における燃焼熱量（以下、燃焼熱量Ｑ２）と、改質器３０の放熱量（以下、放熱量Ｑ３）とにより決定される。したがって、温度平均値Ｙ、吸熱量Ｑ１および放熱量Ｑ３が求まれば、燃焼熱量Ｑ２が求まる。
【００３２】
吸熱量Ｑ１は、改質部３１に供給される炭化水素燃料の量と、改質部３１におけるＳ／Ｃ比（改質部３１に供給される水蒸気と改質部３１に供給される炭化水素燃料中の炭素とのモル比）と、改質部３１におけるＯ／Ｃ比（改質部３１に供給される酸素と改質部３１に供給される炭化水素燃料中の炭素とのモル比）とから求められる。
【００３３】
改質部３１に供給される炭化水素燃料の量は、燃料供給部２０のインジェクタの制御デューティ比によって求めることができる。Ｓ／Ｃ比は、燃料電池４０の発電電流から求められる。したがって、Ｓ／Ｃ比は、電流計４５の検出結果から求めることができる。Ｏ／Ｃ比は、燃料電池４０の発電電流とエアポンプ８０からカソード４１に供給される酸素量とから求められる。エアポンプ８０からカソード４１に供給される酸素量は、エアポンプ８０の回転数から求めることができ、流量計によって求めることもできる。
【００３４】
燃焼熱量Ｑ２は、燃焼部３２に供給される燃料量と空気過剰率λとから求めることができる。以下、燃焼熱量Ｑ２について説明する。図２は、モル比Ｒと、空気過剰率λと、燃焼熱量Ｑ２との関係を示す図である。図２の横軸は空気過剰率λを示し、図２の縦軸は規格化燃焼熱量を示す。ここで、規格化燃焼熱量とは、水素とメタンとのモル比が１対１であって、空気過剰率λが３である場合の燃焼熱量Ｑ２に対する比を表す。
【００３５】
水素の燃焼熱は２４１．８ｋＪ／ｍｏｌであり、メタンの燃焼熱は８０２．４ｋＪ／ｍｏｌであって水素の燃焼熱に比較して大きい。したがって、図２に示すように、メタンのモル比が大きいほど燃焼熱量Ｑ２は大きくなる。また、燃焼熱量Ｑ２は、空気過剰率λが１の場合に最大となり、空気過剰率λが１より大きくなると低下する。燃焼に用いられる可燃原料が少なくなるからである。以上のことから、燃焼熱量Ｑ２が求まれば、図２に基づいて、燃焼部３２に供給される燃料の量が求まる。さらに、燃焼部３２に供給される燃料の量が求まれば、モル比Ｒが求まる。放熱量Ｑ３は、改質器３０の構造、大きさ等に依存する。以上のことから、温度平均値Ｙおよび空気過剰率λが検出されれば、モル比Ｒを推定することができる。
【００３６】
次に、制御部１０は、燃料電池４０が要求負荷Ｐｒｅｑを出力する際に燃焼部３２が改質部３１に与える必要のある所要加熱熱量Ｑｔｒｇを算出する。ここで、要求負荷Ｐｒｅｑが増加すると燃料電池４０における発電に必要な水素量も増加する。燃料電池４０に供給する水素量を多くするためには、改質部３１における改質反応を促進する必要がある。改質反応は吸熱反応であることから、改質反応を促進するためには改質部３１の温度を増加させる必要がある。したがって、所要加熱熱量Ｑｔｒｇは、要求負荷Ｐｒｅｑの関数となる。以下、要求負荷Ｐｒｅｑと所要加熱熱量Ｑｔｒｇとの関係について説明する。
【００３７】
図３は、燃料電池４０の要求負荷Ｐｒｅｑと所要加熱熱量Ｑｔｒｇとの関係を示す図である。図３の横軸は要求負荷Ｐｒｅｑを示し、図３の縦軸は所要加熱熱量Ｑｔｒｇを示す。図３に示すように、所要加熱熱量Ｑｔｒｇは、要求負荷Ｐｒｅｑに比例し、要求負荷Ｐｒｅｑが増加するとともに増加する。以上のことから、制御部１０は、図３を用いて所要加熱熱量Ｑｔｒｇを要求負荷Ｐｒｅｑから求める。
【００３８】
次いで、制御部１０は、燃焼部３２から改質部３１に与えられる加熱熱量Ｑ（＝燃焼熱量Ｑ２−吸熱量Ｑ１−放熱量Ｑ３）を求める。図４は、燃料電池４０の発電反応によって発生する発電電力Ｗと加熱熱量Ｑとの関係を示す図である。図４の横軸は発電電力Ｗを示し、図４の縦軸は加熱熱量Ｑを示す。図４に示すように、加熱熱量Ｑは、発電電力Ｗに比例し、発電電力Ｗが増加するとともに増加する。以上のことから、制御部１０は、図４を用いて発電電力Ｗから加熱熱量Ｑを求める。なお、改質器３０の放熱量Ｑ３が大きくなるほど、加熱熱量Ｑは増大する方向に補正される。また、制御部１０は、電圧計４４および電流計４５の検出結果に基づいて発電電力Ｗを算出する。
【００３９】
ここで、水素およびメタンの着火性について説明する。水素は、メタンに比較して着火性が高く、燃焼部３２に供給されるとすぐに着火する。したがって、水素が燃焼部３２に供給されると燃焼部３２内の上流端の温度が増加する。それにより、改質部３１内の上流端の温度が増加する。一方、メタンは水素に比較して着火性が低い。それにより、メタンが着火するまでの時間は長くなる。したがって、メタンが燃焼部３２に供給されると燃焼部３２内の下流端の温度が増加する。その結果、改質部３１内の下流端の温度が増加する。以上のことから、メタンおよび水素の量が適切に調整されていなければ、改質部３１に温度分布が発生する。本実施例においては、制御部１０は、モル比Ｒに基づいてこの温度分布の発生を防止する。その詳細を以下に説明する。
【００４０】
制御部１０は、まず、所要加熱熱量Ｑｔｒｇと加熱熱量Ｑとのずれが大きいか否かを判定する。所要加熱熱量Ｑｔｒｇと加熱熱量Ｑとのずれがしきい値Ｑｒｅｆ以上であれば、制御部１０は、改質部３１に温度分布が発生していると判断してモル比Ｒを補正する。図５は、制御部１０がモル比Ｒを補正する際に用いるマップである。図５の横軸は温度Ｔ２と温度Ｔ１との差を示し、図５の縦軸は補正モル比Ｒｔｒｇを示す。
【００４１】
図５に示すように、制御部１０は、温度Ｔ２と温度Ｔ１との差が大きくなるにつれて補正モル比Ｒｔｒｇを小さく設定する。補正モル比Ｒｔｒｇが求まれば、制御部１０は、補正モル比Ｒｔｒｇを現在のモル比Ｒに反映させる。一例として、制御部１０は、現在のモル比Ｒおよび補正モル比Ｒｔｒｇの平均値を新たなモル比Ｒに設定する。次に、制御部１０は、新たなモル比Ｒに基づいて、流量調整弁６０，６１を制御する。なお、しきい値Ｑｒｅｆは、適宜選択される。また、補正モル比Ｒｔｒｇは、水素およびメタンの着火性による温度変化応答性が考慮されて決定される。このように、モル比Ｒが補正されることによって、燃焼部３２における温度分布の発生が防止される。その結果、改質部３１における温度分布の発生が防止される。
【００４２】
以上のことから、本実施例に係る燃料電池システム１００においては、モル比Ｒを調整することにより改質部３１の温度が効率よく制御される。また、モル比を調整することにより、改質部３１の温度分布の発生を防止することができる。したがって、改質部３１における改質反応が効率よく行われる。
【００４３】
続いて、制御部１０がモル比Ｒを制御する際のフローチャートについて説明する。図６は、上記フローチャートの一例を示す図である。制御部１０は、所定の周期（例えば、５００ｍｓごと）に図６のフローチャートを実行する。図６に示すように、制御部１０は、図２を用いて、空気過剰率λと温度平均値Ｙとからモル比Ｒを推定する（ステップＳ１）。
【００４４】
次に、制御部１０は、図３を用いて要求負荷Ｐｒｅｑから所要加熱熱量Ｑｔｒｇを求める（ステップＳ２）。次いで、制御部１０は、図４を用いて加熱熱量Ｑを発電電力Ｗから求める（ステップＳ３）。次に、制御部１０は、所要加熱熱量Ｑｔｒｇと加熱熱量Ｑとの差の絶対値がしきい値Ｑｒｅｆ未満であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００４５】
ステップＳ４において所要加熱熱量Ｑｔｒｇと加熱熱量Ｑとの差の絶対値がしきい値Ｑｒｅｆ未満であると判定されなかった場合、制御部１０は、図５のマップを用いて温度Ｔ２と温度Ｔ１との差から補正モル比Ｒｔｒｇを算出する（ステップＳ５）。次に、制御部１０は、ステップＳ１において推定したモル比ＲとステップＳ５において算出した補正モル比Ｒｔｒｇとの平均値を新たなモル比Ｒに設定し直す（ステップＳ６）。
【００４６】
次いで、制御部１０は、ステップＳ６において設定したモル比Ｒに基づいて流量調整弁６０，６１を制御する（ステップＳ７）。その後、制御部１０は、動作を終了させる。なお、ステップＳ４において所要加熱熱量Ｑｔｒｇと加熱熱量Ｑとの差の絶対値がしきい値Ｑｒｅｆ未満であると判定された場合、制御部１０は、ステップＳ７の動作を行う。
【００４７】
以上のように、図６のフローチャートに従って燃料電池システム１００が制御されることにより、モル比Ｒが適切に設定される。それにより、改質部３１における改質反応が効率よく行われる。
【００４８】
なお、本実施例においては、燃料電池４０として水素分離膜電池を用いたが、その他の燃料電池を用いることができる。また、水素分離器５０と流量調整弁６０，６１との間にバッファタンクが設けられていてもよい。さらに、本実施例においては温度センサ３３，３４の両方により改質部３１の触媒の温度が求められているが、いずれか一方によって求めることもできる。また、本実施例においては、水素の流量およびメタンの流量の両方を制御しているが、いずれか一方の流量を変化させることによりモル比Ｒを制御することもできる。さらに、水素分離機５０によって分離された水素を燃料電池４０のアノード４２に供給する燃料ガスとして用いてもよい。
【００４９】
本実施例においては、改質部３１が改質手段に相当し、水素分離器５０が分離手段に相当し、燃焼部３２が燃焼手段に相当し、流量調整弁６０，６１が供給手段に相当し、制御部１０が制御手段に相当し、要求負荷検出部９０が要求負荷検出手段に相当し、所要加熱熱量Ｑｔｒｇが要求熱量に相当する。
【実施例２】
【００５０】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図７は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、改質部３１に着火装置３６が設けられている点、水素吸蔵放出装置５４、メタン吸蔵放出装置５５および起動スイッチ９１が新たに設けられている点、ならびに流量調整弁６０，６１の代わりに切替弁６２，６３が設けられている点である。
【００５１】
起動スイッチ９１は、燃料電池４０を起動させるためのスイッチであり、使用者によって操作される。着火装置３６は、燃料電池４０の起動時に、制御部１０の指示に従って改質部３１に供給される水素ガスを着火する。この場合、水素の着火性が高いことから、燃料電池４０を効率よく加熱することができる。
【００５２】
水素吸蔵放出装置５４は、水素吸蔵合金等を備える。水素室５３の水素は、水素吸蔵放出装置５４に供給される。水素吸蔵放出装置５４は、制御部１０の指示に従って、供給された水素を吸蔵し、または必要量の水素を放出する。水素吸蔵放出装置５４によって放出された水素は、切替弁６２に供給される。
【００５３】
メタン吸蔵放出装置５５は、ハイドロカーボン吸着剤等を備える。アノードオフガス室５２のアノードオフガスは、メタン吸蔵放出装置５５に供給される。メタン吸蔵放出装置５５は、制御部１０の指示に従って、供給されたアノードオフガス中のメタンを吸蔵し、または必要量のメタンを放出する。メタン吸蔵放出装置５５によって放出されたメタンは、切替弁６３に供給される。
【００５４】
切替弁６２，６３は、三方コック等からなる。切替弁６２は、制御部１０の指示に従って、水素吸蔵放出装置５４から供給された水素の改質部３１および燃焼部３２への供給を切り替える。切替弁６３は、制御部１０の指示に従って、メタン吸蔵放出装置５５から供給されたメタンの改質部３１および燃焼部３２への供給を切り替える。
【００５５】
本実施例に係る燃料電池システム１００ａにおいては、改質部３１に供給されるメタン量および水素量を調整することにより、燃料電池４０を効率よく起動させることができる。それにより、改質部３１の温度および温度分布を適切に調整することができる。燃料電池４０の起動時における燃焼部３２に供給する水素量およびメタン量の制御方法について説明する。
【００５６】
まず、制御部１０は、起動スイッチ９１がオンされると、改質部３１に水素が供給されるように、水素吸蔵放出装置５４および切替弁６２を制御する。次に、制御部１０は、改質部３１において水素が着火するように、着火装置３６を制御する。それにより、改質部３１の温度が増加する。また、水素の燃焼によって生成された高温の燃焼ガスがアノード４２に供給される。その結果、燃料電池４０が効率よく加熱される。
【００５７】
水素が着火された後、制御部１０は、改質部３１に供給される水素量が増加するように水素吸蔵放出装置５４を制御する。改質部３１の温度がメタンの着火温度以上になると、制御部１０は、改質部３１にメタンが供給されるようにメタン吸蔵放出装置５５および切替弁６３を制御する。その後、制御部１０は、改質部３１の温度が適温まで増加するように改質部３１に供給される水素量およびメタン量を制御する。この場合、制御部１０は、図８のマップに従う。
【００５８】
図８は、水素の着火後に改質部３１に供給する必要のある水素量およびメタン量を示すマップである。図８の横軸は温度平均値Ｙを示し、図８の縦軸は改質部３１に供給する必要のある水素量およびメタン量を示す。図８に示すように、水素着火後、温度平均値Ｙがメタンの着火温度まで増加するまでは、改質部３１に供給される水素量も増加する。それにより、効率よく改質部３１の温度を増加させることができるとともに、アノード４２に供給される燃焼ガスによって燃料電池４０が加熱される。
【００５９】
また、改質部３１の温度がメタンの着火温度以上になると、改質部３１に供給される水素量が減少するとともに改質部３１に供給されるメタン量が増加する。ここで、メタンの着火性は水素の着火性に比較して低いが、メタンの燃焼熱は水素の燃焼熱よりも大きい。したがって、改質部３１の温度をさらに増加させることができるとともに、アノード４２に供給される燃焼ガスの温度が増大する。その結果、燃料電池４０がさらに効率よく加熱される。
【００６０】
改質部３１および燃料電池４０の温度がそれぞれの起動温度以上になると（例えば、４００℃程度）、制御部１０は、改質部３１に炭化水素燃料および酸素が供給されるように燃料供給部２０およびエアポンプ８０を制御する。それにより、改質部３１において部分酸化反応が起こって改質ガスがアノード４２に供給される。その結果、燃料電池４０において発電が行われる。この場合、カソードオフガスに含有される水蒸気量が増加するとともに、アノードオフガスに含有される水素量が増加する。
【００６１】
その後、制御部１０は、燃焼部３２に供給される水素量が増加するように水素吸蔵放出装置５４および切替弁６２を制御する。それにより、改質部３１の温度がさらに増加する。また、制御部１０は、改質部３１におけるＯ／Ｃ比が徐々に減少するようにエアポンプ８０を制御する。この場合、制御部１０は、図９のマップに従う。
【００６２】
図９は、部分酸化反応開始後のＯ／Ｃ比を示すマップである。図９の横軸は温度平均値Ｙを示し、図９の縦軸は改質部３１におけるＯ／Ｃ比を示す。図９に示すように、部分酸化反応開始後、温度平均値Ｙの増加とともにＯ／Ｃは減少する。それにより、水蒸気改質反応に移行しやすくなる。
【００６３】
改質部３１の温度が通常時改質温度以上になると（例えば、６００℃程度）、制御部１０は、改質部３１において水蒸気改質反応が起こるように、燃料供給部２０、エアポンプ８０および切替弁６２，６３を制御する。以上の手順により、燃料電池４０の起動は完了する。
【００６４】
以上のことから、本実施例に係る燃料電池システム１００ａは、改質部３１の温度を効率よく制御することができる。その結果、燃料電池４０を効率よく起動させることができる。
【００６５】
続いて、燃料電池４０の起動時に制御部１０が燃料電池システム１００ａを制御する際のフローチャートについて説明する。図１０は、上記フローチャートの一例を示す図である。制御部１０は、所定の周期（例えば、５００ｍｓごと）に図１０のフローチャートを実行する。図１０に示すように、制御部１０は、使用者により起動スイッチがオンされたか否かを判定する（ステップＳ１１）。
【００６６】
ステップＳ１１において起動スイッチ９１がオンされたと判定されなかった場合には、制御部１０は、動作を終了させる。ステップＳ１１において起動スイッチ９１がオンされたと判定された場合には、制御部１０は、温度平均値Ｙが水素着火温度Ｔｒｅｆ１未満であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において温度平均値Ｙが水素着火温度Ｔｒｅｆ１未満であると判定された場合、制御部１０は、改質部３１に水素が供給されるように水素吸蔵放出装置５４および切替弁６２を制御する（ステップＳ１３）。
【００６７】
次に、制御部１０は、改質部３１に供給された水素が着火するように着火装置３６を制御する（ステップＳ１４）。次いで、制御部１０は、水素が着火したか否かを判定する（ステップＳ１５）。この場合、制御部１０は、温度Ｔ１が増加したか否かにより判定することができる。
【００６８】
ステップＳ１５において水素が着火したと判定されなかった場合、制御部１０は、ステップＳ１４の動作を繰り返す。ステップＳ１５において水素が着火したと判定された場合、制御部１０は、改質部３１に供給される水素量が増加するように図８のマップを用いて水素吸蔵放出装置５４を制御する（ステップＳ１６）。なお、ステップＳ１２において温度平均値Ｙが水素着火温度Ｔｒｅｆ１未満であると判定されなかった場合、制御部１０は、ステップＳ１６の動作を行う。それにより、改質部３１に供給された水素が着火する。
【００６９】
次に、制御部１０は、温度平均値Ｙがメタン着火温度Ｔｒｅｆ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において温度平均値Ｙがメタン着火温度Ｔｒｅｆ２未満であると判定された場合、制御部１０は、ステップＳ１６の動作を繰り返す。ステップＳ１７において温度平均値Ｙがメタン着火温度Ｔｒｅｆ２未満であると判定されなかった場合、制御部１０は、図８のマップを用いて、改質部３１に水素およびメタンが供給されるように水素吸蔵放出装置５４、メタン吸蔵放出装置５５および切替弁６２，６３を制御する（ステップＳ１８）。
【００７０】
次に、制御部１０は、温度平均値Ｙが改質機能開始温度Ｔｒｅｆ３未満であるか否かを判定する（ステップＳ１９）。本実施例においては、改質機能開始温度Ｔｒｅｆ３は４００℃に設定してある。ステップＳ１９において温度平均値Ｙが改質機能開始温度Ｔｒｅｆ３未満であると判定された場合、制御部１０は、ステップＳ１８の動作を繰り返す。ステップＳ１９において温度平均値Ｙが改質機能開始温度Ｔｒｅｆ３未満であると判定されなかった場合、制御部１０は、図９のマップを用いて所望のＯ／Ｃ比になるようにエアポンプ８０を制御する（ステップＳ２０）。
【００７１】
次に、制御部１０は、温度平均値Ｙが通常時改質温度Ｔｒｅｆ４未満であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。本実施例においては、通常時改質温度Ｔｒｅｆ４は６００℃に設定してある。ステップＳ２１において温度平均値Ｙが通常時改質温度Ｔｒｅｆ４未満であると判定された場合、制御部１０は、ステップＳ２０の動作を繰り返す。ステップＳ２１において温度平均値Ｙが通常時改質温度Ｔｒｅｆ４未満であると判定なかった場合、制御部１０は、動作を終了させる。以上の手順により、燃料電池４０の起動が完了する。
【００７２】
以上のように、図１０のフローチャートによる制御を行うことにより、改質部３１の温度を効率よく制御することができる。その結果、燃料電池４０を効率よく起動させることができる。なお、本実施例においては、改質部３１が改質手段および燃焼手段に相当する。
【実施例３】
【００７３】
続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池システム１００ｂについて説明する。図１１は、燃料電池システム１００ｂの全体構成を示す模式図である。燃料電池システム１００ｂが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、メタン吸蔵放出装置５５にＣＯ吸蔵放出装置５６が新たに設けられている点である。ＣＯ吸蔵放出装置５６は、パラジウム等のＣＯ吸着素材を備える構造を有し、制御部１０の指示に従ってアノードオフガス中のＣＯの吸蔵または放出を行う。
【００７４】
本実施例に係る燃料電池システム１００ｂにおいては、メタン吸蔵放出装置５５に吸蔵されたメタンおよびＣＯ吸蔵放出装置５６に吸蔵されたＣＯは、切替弁６３によって燃焼部３２に供給され、アノードオフガス中の窒素および水蒸気は外部に排出される。それにより、燃焼部３２からの排気流量が低減される。したがって、燃焼部３２による改質部３１の加熱効率が向上する。その結果、燃料電池システム１００ｂのシステム効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】モル比と空気過剰率と燃焼熱量との関係を示す図である。
【図３】燃料電池の要求負荷と所要加熱熱量との関係を示す図である。
【図４】燃料電池の発電反応によって発生する電力と加熱熱量との関係を示す図である。
【図５】制御部がモル比を補正する際に用いるマップである。
【図６】制御部がモル比を制御する際のフローチャートの一例について説明するための図である。
【図７】本発明の第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図８】水素の着火後に改質部に供給する必要のある水素量およびメタン量を示すマップである。
【図９】部分酸化反応開始後のＯ／Ｃ比を示すマップである。
【図１０】燃料電池の起動時に制御部が燃料電池システムを制御する際のフローチャートの一例について説明するための図である。
【図１１】本発明の第３実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０  制御部
２０  燃料供給部
３０  改質器
３１  改質部
３２  燃焼部
３３，３４  温度センサ
３５  空気過剰率λセンサ
３６  着火装置
４０  燃料電池
５０  水素分離器
５４  水素吸蔵放出装置
５５  メタン吸蔵放出装置
６０，６１  流量調整弁
６２，６３  切替弁
９０  要求負荷検出部
９１  起動スイッチ
１００，１００ａ，１００ｂ  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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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