(57)【要約】      （修正有）【課題】改質器で炭素が析出する可能性を低減するとともに、蒸発器の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制する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、燃料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器５と、改質器５に供給する水蒸気を生成するための水が蒸発する蒸発器４と、蒸発器４の水位を検知する水位検知器５０と、カソードとアノードとを備える。カソードに供給される酸化剤ガスと改質器５からアノードに供給される水素含有ガスとを用いて発電する燃料電池６と、アノードから排出されるアノードオフガスが燃焼することで燃焼排ガスを生成する燃焼器７と、燃焼排ガスの熱によって蒸発器４を加熱する加熱部８と、蒸発器４への加熱量を調整する加熱量調整器９と、蒸発器４への加熱量が変化することで蒸発器４の水位が予め設定された位置になるまで加熱量調整器９を制御する制御器１１とを備える。【選択図】図１
2016207500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料および水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給する水蒸気を生成するための水が蒸発する蒸発器と、
前記蒸発器の水位を検知する水位検知器と、
カソードとアノードとを備え、前記カソードに供給される酸化剤ガスと前記改質器から前記アノードに供給される水素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスが燃焼することで燃焼排ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼排ガスの熱によって前記蒸発器を加熱する加熱部と、
前記蒸発器への加熱量を調整する加熱量調整器と、
前記蒸発器への加熱量が変化することで前記蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで前記加熱量調整器を制御する制御器と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱量調整器として、前記蒸発器を加熱するヒータを備え、
前記制御器は、前記ヒータへの通電量を変化させることで前記蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで前記ヒータを制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加熱量調整器として、前記改質器に前記燃料を供給する燃料供給器と、前記蒸発器に前記水を供給する水供給器とを備え、
前記制御器は、前記燃料の流量と前記水の流量との比率を一定に保った状態で、前記燃料電池の燃料利用率を変化させることで前記蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで前記燃料供給器および前記水供給器を制御する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加熱量調整器として、前記燃料電池のカソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を備え、
前記制御器は、前記燃料電池の酸化剤ガス利用率を変化させることで前記蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで前記酸化剤ガス供給器を制御する請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記燃料電池システムへの発電出力変動指令を取得するとともに、前記発電出力変動指令に基づいて、前記蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで前記加熱量調整器を制御する請求項１から４のいずれか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】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、炭化水素燃料を、例えば、水蒸気改質または酸化的水蒸気改質することで燃料電池システムの燃料である水素含有ガスが生成されている。このような燃料電池システムは、燃焼器および蒸発器を備え、燃焼器の燃焼排ガスの熱により蒸発器を加熱することで、改質反応用の水蒸気が生成される。このため、燃料電池システムの発電出力が変化する際には、燃料電池から取り出す電流とともに、炭化水素燃料の流量および、蒸発器へ送る水の流量が増減する。
【０００３】
ここで、燃料電池システムの発電出力が上昇する場合、蒸発器へ供給される水の流量が増加する。すると、蒸発器の水面が上昇することで、水の蒸発振動が起こるという問題がすでに知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、水の蒸発振動が起こると、燃料電池システムのガス系統の流量制御に支障が生じる可能性、改質器の改質反応に必要な水量を賄えない可能性がある。
【０００４】
かかる問題に対して、特許文献１では、改質器に供給される原燃料の量と改質器に供給される水蒸気の量との比率を変化させることによって、蒸発器の水面の位置を一定にすることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１２２４１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来例は、改質器に供給される原燃料の量と改質器に供給される水蒸気の量との比率が変化する場合の問題については十分に検討されていない。
【０００７】
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも改質器で炭素が析出する可能性を低減し得るとともに、蒸発器の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本開示の一態様の燃料電池システムは、燃料および水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給する水蒸気を生成するための水が蒸発する蒸発器と、前記蒸発器の水位を検知する水位検知器と、カソードとアノードとを備え、前記カソードに供給される酸化剤ガスと前記改質器から前記アノードに供給される水素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスが燃焼することで燃焼排ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼排ガスの熱によって前記蒸発器を加熱する加熱部と、前記蒸発器への加熱量を調整する加熱量調整器と、前記蒸発器への加熱量が変化することで前記蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで前記加熱量調整器を制御する制御器と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様の燃料電池システムによれば、従来よりも改質器で炭素が析出する可能性を低減し得るとともに、蒸発器の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、第１実施形態の実施例にかかる燃料電池システムの蒸発器の周辺部の一例を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１実施形態の実施例にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さの一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第１実施形態の実施例にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さの一例を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、第１実施形態の実施例にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さの一例を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態の実施例にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さとヒータ通電量の関係の一例を示す図である。
【図５】図５は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図６は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さと燃料利用率の関係の一例を示す図である。
【図７】図７は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図８】図８は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さと空気利用率の関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明者らは、改質器に供給される原燃料の量と改質器に供給される水蒸気の量との比率が変化する場合の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００１２】
特許文献１では、蒸発器内の水面位置が予め設定された範囲よりも上がった場合に、改質器のＳ／Ｃの設定値を小さくすることで、蒸発器の水面位置が下がるように水供給量を設定することが記載されている（特許文献１の段落００４２など）。これにより、蒸発器の水面位置を予め設定された範囲内に制御できるとされている。
【００１３】
しかし、改質器のＳ／Ｃの設定値を小さくすることは、改質器で炭素が析出する可能性が高くなる。
【００１４】
そこで、本開示の第１の態様の燃料電池システムは、燃料および水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に供給する水蒸気を生成するための水が蒸発する蒸発器と、蒸発器の水位を検知する水位検知器と、カソードとアノードとを備え、カソードに供給される酸化剤ガスと改質器からアノードに供給される水素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と、アノードから排出されるアノードオフガスが燃焼することで燃焼排ガスを生成する燃焼器と、燃焼排ガスの熱によって蒸発器を加熱する加熱部と、蒸発器への加熱量を調整する加熱量調整器と、蒸発器への加熱量が変化することで蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで加熱量調整器を制御する制御器と、を備える。
【００１５】
かかる構成によると、従来よりも改質器で炭素が析出する可能性を低減し得るとともに、蒸発器の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。例えば、燃料電池システムの発電出力を増加させる場合、加熱量調整器によって蒸発器への加熱量を増加させ得る。これにより、蒸発器の水面の上昇速度を緩やかにすることで、蒸発器の水面の上方近傍の壁面を、蒸発器の水溜りの水と壁面との間の熱伝導によって適時に適温に冷却できる。このため、蒸発器の水面が上昇しても、蒸発器の壁面の温度と本壁面に接触する水の温度との温度差を低減できるので、蒸発器で突沸が発生する可能性を低減できる。よって、蒸発器の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。
【００１６】
また、本開示の第２の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、加熱量調整器として、蒸発器を加熱するヒータを備え、制御器は、ヒータへの通電量を変化させることで蒸発器の水位が予め設定された位置になるまでヒータを制御する。
【００１７】
かかる構成によると、例えば、燃料電池システムの発電出力を増加させる場合、ヒータによって蒸発器への加熱量が増加することで、蒸発器の水面を緩やかに上昇させ得るので、蒸発器で突沸が発生する可能性を低減できる。よって、蒸発器の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。また、ヒータにより蒸発器への加熱量が制御されるので、改質器のＳ／Ｃの設定値を小さくする必要がない。よって、従来よりも改質器で炭素が析出する可能性を低減し得る。
【００１８】
また、本開示の第３の態様の燃料電池システムは、第１の態様または第２の態様の燃料電池システムにおいて、加熱量調整器として、改質器に前記燃料を供給する燃料供給器と、蒸発器に前記水を供給する水供給器とを備え、制御器は、燃料の流量と水の流量との比率を一定に保った状態で、燃料電池の燃料利用率を変化させることで蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで燃料供給器および水供給器を制御する。
【００１９】
かかる構成によると、例えば、燃料電池システムの発電出力を増加させる場合、燃料利用率が変化することで蒸発器の水面を緩やかに上昇させ得るので、蒸発器で突沸が発生する可能性を低減できる。よって、蒸発器の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。また、燃料の流量と水の流量との比率を一定に保った状態で、燃料電池の燃料利用率を変化させるので、従来よりも改質器で炭素が析出する可能性を低減し得る。
【００２０】
また、本開示の第４の態様の燃料電池システムは、第１の態様、第２の態様および第３の態様のいずれかの燃料電池システムにおいて、加熱量調整器として、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を備え、制御器は、燃料電池の酸化剤ガス利用率を変化させることで蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで酸化剤ガス供給器を制御する。
【００２１】
かかる構成によると、例えば、燃料電池システムの発電出力を増加させる場合、酸化剤ガス利用率が変化することで蒸発器の水面を緩やかに上昇させ得るので、蒸発器で突沸が発生する可能性を低減できる。よって、蒸発器の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。また、改質器のＳ／Ｃに影響を与えない燃料電池の酸化剤ガス利用率を変化させるので、従来よりも改質器で炭素が析出する可能性を低減し得る。
【００２２】
また、本開示の第５の態様の燃料電池システムは、第１の態様、第２の態様、第３の態様および第４の態様のいずれかの燃料電池システムにおいて、制御器は、燃料電池システムへの発電出力変動指令を取得するとともに、発電出力変動指令に基づいて、蒸発器の水位が予め設定された位置になるまで加熱量調整器を制御する。
【００２３】
かかる構成によると、燃料電池システムの発電出力変動指令に基づいて、加熱量調整器によって蒸発器への加熱量を適切に制御し得る。
【００２４】
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。以下の実施形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態の順序などは、一例であり、本開示の上記態様を限定するものではない。また、実施形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
【００２５】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【００２６】
第１実施形態の燃料電池システム１００は、蒸発器４と、水位検知器５０と、改質器５と、燃料電池６と、燃焼器７と、加熱部８と、加熱量調整器９と、制御器１１と、を備える。
【００２７】
改質器５は、燃料および水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、酸化的水蒸気改質反応などを例示できる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が酸化的水蒸気改質反応であれば、改質器５に空気を供給する空気供給器などが設けられる。
【００２８】
改質器５の内部に、改質触媒が設けられている。改質触媒によって、上記の改質反応が進行し、燃料および水蒸気から水素含有ガスを生成できる。改質触媒には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの貴金属系触媒およびＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いるとよい。本実施形態では、Ｒｕを含む改質触媒を用いている。
【００２９】
また、燃料として、メタンを主成分とする都市ガス及び天然ガス、並びに、ＬＰＧなどの少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスを用いることができる。また、燃料として、灯油、およびメタノール、エタノールなどのアルコールを用いることもできる。なお、都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭などに供給されるガスをいう。
【００３０】
蒸発器４は、改質器５に供給する水蒸気を生成するための水が蒸発する。具体的には、蒸発器４において、水供給器により供給経路から供給された水が蒸発し、水蒸気が改質器５へ供給される。蒸発器４の具体的な構成については実施例で説明する。
【００３１】
水位検知器５０は、蒸発器４の水位を検知する。水位検知器５０は、蒸発器４の水位を検知あるいは推定できれば、どのような構成であっても構わない。水位検知器５０の具体的な構成についても実施例で説明する。
【００３２】
燃料電池６は、カソードとアノードとを備え、カソードに供給される酸化剤ガスと改質器５からアノードに供給される水素含有ガスとを用いて発電する。燃料電池６は、いずれの種類の燃料電池であってもよい。燃料電池６として、固体高分子型燃料電池（PEFC）、固体酸化物形燃料電池、燐酸形燃料電池などを例示できる。なお、燃料電池６が、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質器５と燃料電池６とが１つの容器内に内蔵されるように構成してもよい。また、酸化剤ガスとして、例えば、空気、酸素ガスなどを例示できる。
【００３３】
燃料電池６は、複数のセルが積層したセルスタックを備えていてもよい。セルには、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を電解質などに用いた公知の構成を採用し得る。セルの材料としては、イットリビウムまたはスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質を用いることもできる。イットリア安定化ジルコニアを用いたセルでは、電解質の厚みにも依存するが、例えば、６００℃から１０００℃程度の温度範囲で発電反応が行われる。
【００３４】
セルスタックは、例えば、平板型セルおよびインターコネクタなどの部材を積層した平板型スタックであってもいいし、円筒型セルおよびインターコネクタなどの部材をバンドル（束にして固定）した円筒型スタックであってもいい。
【００３５】
燃料電池６の発電により得られた電力は、セルスタックに設けられた２つの端子を介して外部負荷へ供給される。この端子と外部負荷との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣインバータを設けてもよい。
【００３６】
本実施形態では、燃料電池６として、固体酸化物型燃料電池を用いている。この場合、燃料電池６において、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酸化剤ガス（空気）中の酸素で、下記の電気化学反応により、電力が生成される。
【００３７】
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２
なお、固体酸化物形燃料電池では、カソードからアノードへ酸素イオンが電解質を通って移動して、上記反応がアノードにて行われる。これらの反応で発生したＨ２Ｏ、ＣＯ２、および上記反応で消費されなかった水素含有ガスは、アノードオフガスとして燃料電池６のアノードから排出される。そして、アノードオフガスは燃焼器７へ供給される。
【００３８】
燃焼器７は、燃料電池６のアノードから排出されるアノードオフガスが燃焼することで燃焼排ガスを生成する。本実施形態では、この燃焼に用いられる酸化剤ガスとして、燃料電池６のカソードから排出されるカソードオフガスを用いている。燃焼器７から排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路を通じて、加熱部８へと供給される。
【００３９】
加熱部８は、燃焼排ガスの熱によって蒸発器４を加熱する。加熱部８は、燃焼排ガスの熱によって蒸発器４を加熱できれば、どのような構成であっても構わない。加熱部８の具体的な構成についても実施例で説明する。
【００４０】
なお、燃焼器７から排出される燃焼排ガスで、改質器５を加熱しても構わない。燃焼排ガスは、改質器５を加熱した後に、蒸発器４の加熱部８を通過してもいいし、加熱部８を通過した後、改質器５を加熱してもいい。
【００４１】
加熱量調整器９は、蒸発器４への加熱量を調整する。加熱量調整器９は、蒸発器４への加熱量を調整できれば、どのような構成であっても構わない。加熱量調整器９の具体例については、実施例、第２実施形態及び第３実施形態で説明する。
【００４２】
制御器１１は、蒸発器４への加熱量が変化することで蒸発器４の水位が予め設定された位置になるまで加熱量調整器９を制御する。なお、本明細書において、蒸発器４の水位における予め設定された位置とは、燃料電池システム１００の発電安定状態において、蒸発器４への水供給量と蒸発器４での水蒸発量とがほぼ一致する蒸発器４の水面高さであってもいいし、このような水面高さを基準とする所望の範囲であってもいい。
【００４３】
制御器１１は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器１１は、例えば、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備えてもよい。演算処理部として、例えば、一つまたは複数の演算回路（図示せず）などを例示できる。演算回路としては、例えば、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、ＣＰＵなどを例示できる。記憶部として、例えば、一つまたは複数の記憶回路（図示せず）などを例示できる。記憶回路としては、例えば、半導体メモリーなどを例示できる。制御器１１は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもいいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもいい。
【００４４】
以上により、従来よりも改質器５で炭素が析出する可能性を低減し得るとともに、蒸発器４の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。
【００４５】
具体的には、例えば、制御器１１からの指令により、燃料電池システム１００の発電出力を増加する場合、蒸発器４へ供給される水の流量が増える。このとき、蒸発器４の水面が急激に上昇する場合がある。この場合、加熱部８が加熱する蒸発器４の壁面のうち、水溜りに接していない上方部分の温度が、燃焼排ガスの温度に近い高温の可能性があるので、かかる高温状態の壁面に水が急に接触するとき、この壁面温度と本壁面に接触する水の温度との温度差が大きい。すると、蒸発器４の水の膜沸騰、ひいては、突沸が起こり、水の蒸発振動が発生する。
【００４６】
そこで、本実施形態では、例えば、燃料電池システム１００の発電出力を増加させる場合、加熱量調整器９によって蒸発器４への加熱量を増加させ得る。これにより、蒸発器４の水面の上昇速度を緩やかにすることで、蒸発器４の水面の上方近傍の壁面を、蒸発器４の水溜りの水と壁面との間の熱伝導によって適時に適温に冷却できる。このため、蒸発器４の水面が上昇しても、蒸発器４の壁面の温度と本壁面に接触する水の温度との温度差を低減できるので、蒸発器４で突沸が発生する可能性を低減できる。よって、蒸発器４の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。
【００４７】
（実施例）
［装置構成］
図２は、第１実施形態の実施例にかかる燃料電池システムの蒸発器の周辺部の一例を示す図である。なお、図２において、「上」から「下」に重力が作用するものとする。
【００４８】
本実施例の燃料電池システム１００は、加熱量調整器９として、蒸発器４を加熱するヒータ９Ａを備える。つまり、蒸発器４は、改質器５に供給する水蒸気を生成するための水を溜める容器を備え、加熱量調整器９の一例であるヒータ９Ａが、蒸発器４に設けられている。例えば、図２に示すように、ヒータ９Ａは、蒸発器４の下端部近傍の水溜まり内に設けられている。
【００４９】
加熱部８は、上記の容器の側壁部に設けられ、燃焼排ガスが容器の上端部から下端部へと通過する流路部材８Ａを備える。つまり、加熱部８として、高温の燃焼排ガスが加熱流体であり、水が受熱流体である熱交換器が例示されている。なお、加熱部８は、本例に限定されるものではなく、例えば、蒸発器４の容器の水溜りを通過するチューブを備え、本チューブに燃焼排ガスが流れる構成であっても構わない。
【００５０】
また、本実施例の燃料電池システム１００は、水位検知器５０として、蒸発器４に設けられた複数の温度検知器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを備える。温度検知器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄは、蒸発器４の容器内の温度を直接的または間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。つまり、かかる温度と相関する適宜の箇所（例えば、蒸発器４の容器壁面など）に温度検知器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを設け、本温度を間接的に検知してもいいし、容器に温度検知器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを挿入し、本温度を直接的に検知してもいい。本実施例では、温度検知器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄは、容器壁面に設けられている。そして、図２に示すように、複数（本実施例では、４個）の温度検知器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄは、蒸発器４の容器の上端部と下端部との間において、上下方向にほぼ均等に配されている。
【００５１】
なお、温度検知器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄとして、例えば、熱電対などを例示できる。
【００５２】
これにより、制御器１１は、温度検知器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの検知温度に基づいて蒸発器４の水位を判定できる。例えば、制御器１１は、温度検知器５０Ａの検知温度が１００℃以上の場合、蒸発器４の水面高さが、この温度検知器５０Ａよりも下方であると判定できる。温度検知器５０Ａの検知温度が１００℃未満の場合、蒸発器４の水面高さが、本温度検知器５０Ａよりも上方であると判定できる。他の温度検知器５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄについても同様である。よって、制御器１１は、例えば、上下方向で隣り合う一対の温度検知器５０Ａ、５０Ｂのうちの下方側の温度検知器５０Ａの検知温度が１００℃未満、かつ、上方側の温度検知器５０Ｂの検知温度が１００℃以上の場合、図２に示すように、蒸発器４の水面高さが、上記一対の温度検知器５０Ａ、５０Ｂの間に存在すると判定できる。
【００５３】
［動作］
以下、図面を用いて、本実施例の燃料電池システム１００の動作について説明する。
【００５４】
本実施例では、燃料として日本の都市ガス「１３Ａ」（都市ガス「１３Ａ」の組成比は、例えば、CH4:88.9%、C2H6:6.8%、C3H8:3.1%、C4H10:1.2%）を用い、酸化剤ガスとして空気を用いる場合について説明する。また、燃料電池システム１００に、図示しない電力負荷側の需要により、燃料電池システム１００の発電出力が低出力（例えば、５００Ｗ）から、高出力（例えば、１０００Ｗ）に上昇する場合について説明する。
【００５５】
図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、第１実施形態の実施例にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さの一例を示す図である。
【００５６】
図４は、第１実施形態の実施例にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さとヒータ通電量の関係の一例を示す図である。
【００５７】
なお、以下の動作は、制御器１１において制御プログラムが実行されることで、温度検知器５０Ａの検知温度に基づいて行われる。
【００５８】
図３Ａに示すように、燃料電池システム１００の発電出力が、５００Ｗの発電安定状態では、蒸発器４の水面高さは、上下方向で隣り合う一対の温度検知器５０Ａ、５０Ｂの間で安定している。ここで、制御器１１が、燃料電池システム１００の発電出力を１０００Ｗに上昇させる発電出力の変動指令を取得すると、改質器５に供給される都市ガスの流量および水の流量、燃料電池６に供給される空気の流量、および燃料電池６から取り出される電流値が、上記の発電出力が１０００Ｗである場合の設定値に変更される。これらの数値はそれぞれ、燃料電池システム１００の発電出力に対応して予め設定されている。
【００５９】
このような設定値の変更に伴い、蒸発器４へ供給される水の流量は増加する。すると、図３Ｂに示すように、蒸発器４の水面高さが上昇する。そして、燃料電池システム１００の発電出力が１０００Ｗの発電安定状態では、蒸発器４の水面高さは、上下方向で隣り合う一対の温度検知器５０Ｃ、５０Ｄの間で安定するので、図３Ｃに示すように、蒸発器４の水面高さが、上記の安定位置へ到達する。
【００６０】
ここで、加熱部８には、上記のとおり、高温の燃焼排ガスが流通している。以下、燃焼排ガスによって加熱される蒸発器４の容器壁面の温度分布について詳しく説明する。
【００６１】
まず、蒸発器４の水面に等しい位置、またはそれより低い位置における容器壁面では、蒸発器４の水溜りの水の温度の影響を強く受けるため、１００℃以下の温度となる。
【００６２】
また、蒸発器４の水面の上方近傍の容器壁面では、蒸発器４の水溜りの水と容器壁面との間の熱伝導によって水溜りの水の温度の影響を受けるため、燃焼排ガス温度が高温（例えば、４００℃程度）であっても、１００℃〜２００℃程度の温度となる。
【００６３】
一方、蒸発器４の水面から離間した上方（例えば、図３Ａの蒸発器４の水面高さの場合の温度検知器５０Ｄの配置位置）の容器壁面では、燃焼排ガス温度とほぼ同等の４００℃程度の温度となる。
【００６４】
このような容器壁面の温度分布により、蒸発器４の水面の上方近傍の壁面温度と水温との温度差がさほど大きくない。このため、例えば、蒸発器４の水面が徐々に上昇する場合、蒸発器４の水溜りの水と容器壁面との間の熱伝導によって蒸発器４の水面の上方近傍の容器壁面を適時に適温に冷却し得る。よって、この場合、蒸発器４の水面が上昇しても、水の膜沸騰は起こりにくく、突沸が発生する可能性は低い。
【００６５】
しかし、蒸発器４の水面が、例えば、急激に上昇する場合、容器壁面の冷却が、蒸発器４の水面の上昇に追従できずに、蒸発器４の水面から離間した上方の容器壁面の温度が高温のまま、蒸発器４の水が、例えば、燃焼排ガス温度とほぼ同等の４００℃程度に加熱された容器壁面に接触する場合がある。よって、この場合、容器の壁面温度と水温との温度差が大きいので、水の膜沸騰が起こりやすく、突沸が発生する可能性は高い。
【００６６】
そこで、本実施例では、制御器１１は、ヒータ９Ａへの通電量を変化させることで蒸発器４の水位が予め設定された位置になるまでヒータ９Ａを制御する。例えば、制御器１１が、上記の発電出力を上昇させる変動指令を取得すると同時に、蒸発器４に設けられたヒータ９Ａの通電量が増加するようにヒータ９Ａを制御する。つまり、ヒータ９Ａの通電量の制御によって、蒸発器４への加熱量を増加させ、蒸発器４での水の蒸発量を設定値に保ちつつ、蒸発器４の水面が徐々に上昇するように制御され、蒸発器４の水面が温度検知器５０Ｄの配置位置よりも上方へと移動しないように制御されている。
【００６７】
具体的には、燃料電池システム１００の発電出力を上昇させる変動指令が出された後、図４に示すように、ヒータ９Ａへの通電が開始される。そして、蒸発器４の水面高さが、温度検知器５０Ｃに対応する位置に近づく程、蒸発器４の水面の上昇が緩慢となる傾向にあるので、温度検知器５０Ｃに対応する水面高さに近づくにつれて、ヒータ９Ａへの通電量を減少させる。例えば、図４に示すように、温度検知器５０Ｃに対応する水面高さにおいて、ヒータ９Ａへの通電量がゼロ（ＯＦＦ）となっている。
【００６８】
なお、燃料電池システム１００の発電出力の上昇時における、蒸発器４の水面高さとヒータ９Ａへの通電量との相関については、予め実験で検証された蒸発器４で突沸が起こらない条件に基づいて決定されるとよい。また、ヒータ９Ａへの通電量の制御は、ＯＮ／ＯＦＦ制御であってもいいし、ヒータ９Ａへの通電量を増減させる制御であってもいい。また、以上の動作における具体的な数値などは例示であって、本例に限定されない。例えば、本実施例では、温度検知器５０Ｃに対応する水面高さにおいて、ヒータ９Ａへの通電量をゼロ（ＯＦＦ）に設定しているが、ヒータ９Ａに予め設定された所望の通電量を与えても構わない。
【００６９】
以上により、例えば、燃料電池システム１００の発電出力を増加させる場合、ヒータ９Ａによって蒸発器４への加熱量が増加することで蒸発器４の水面を緩やかに上昇させ得るので、蒸発器４で突沸が発生する可能性を低減できる。よって、蒸発器４の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。また、ヒータ９Ａにより蒸発器４への加熱量が制御されるので、改質器５のＳ／Ｃの設定値を小さくする必要がない。よって、従来よりも改質器５で炭素が析出する可能性を低減し得る。そして、本実施例では、蒸発器４の温度をヒータ９Ａで直接的に制御するので、蒸発器４の水位の制御性（レスポンス性）も良好である。
【００７０】
（第２実施形態）
[装置構成]
図５は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【００７１】
第２実施形態の燃料電池システム１００は、燃料供給器１と、水供給器２と、蒸発器４と、水位検知器５０と、改質器５と、燃料電池６と、燃焼器７と、加熱部８と、制御器１１と、を備える。
【００７２】
第２実施形態の燃料電池システム１００は、図１の加熱量調整器９として、燃料供給器１と水供給器２とを備える点において、第１実施形態と異なっている。第２実施形態の燃料電池システム１００は、上記の点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様に構成してもよい。第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００７３】
燃料供給器１は、改質器５に燃料を供給する。燃料供給器１は、改質器５に燃料を供給できれば、どのような構成であっても構わない。燃料供給器１は、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、ポンプ、ブロアなどが用いられるが、これに限定されるものではない。燃料は、図示しない燃料供給源より供給される。燃料供給源は、所定の供給圧を備える。燃料供給源として、例えば、燃料ボンベ、燃料インフラなどを例示できる。
【００７４】
水供給器２は、蒸発器４に水を供給する。水供給器２は、蒸発器４に水を供給できれば、どのような構成であっても構わない。水供給器２として、例えば、ギアポンプおよびプランジャポンプなどの容量式ポンプを例示できる。
【００７５】
[動作]
以下、図面を用いて、第２実施形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。
【００７６】
第２実施形態では、第１実施形態の実施例の燃料電池システム１００と同様に、燃料として都市ガス「１３Ａ」を用い、酸化剤ガスとして空気を用い、燃料電池システム１００に、図示しない電力負荷側の需要により、燃料電池システム１００の発電出力が低出力（例えば、５００Ｗ）から、高出力（例えば、１０００Ｗ）に上昇する場合について説明する。
【００７７】
また、図３Ａ−図３Ｂの内容、および燃焼排ガスによって加熱される蒸発器４の容器壁面の温度分布については、第１実施形態の実施例の燃料電池システム１００と同様であるので説明を省略する。
【００７８】
図６は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さと燃料利用率の関係の一例を示す図である。なお、以下の動作は、制御器１１において制御プログラムが実行されることで、温度検知器５０Ａの検知温度に基づいて行われる。
【００７９】
ここで、本実施形態では、制御器１１は、燃料の流量と水の流量との比率を一定に保った状態で、燃料電池６の燃料利用率Ｕｆを変化させることで蒸発器４の水位が予め設定された位置になるまで燃料供給器１および水供給器２を制御する。
【００８０】
例えば、燃料電池システム１００の発電出力が低出力（例えば、５００Ｗ）から、高出力（例えば、１０００Ｗ）に上昇する場合において、燃料電池６から取り出す電流を予め設定された電流上昇に維持した状態で、燃料流量を予め設定された流量上昇よりも増量させる。つまり、燃料利用率Ｕｆを１０００Ｗでの設定値よりも低減させる。これにより、燃焼器７の燃焼熱量が増えるので、蒸発器４を加熱する燃焼排ガス温度を適時に上昇させ得る。つまり、燃料利用率Ｕｆの低減によって、蒸発器４への加熱量を増加させ、蒸発器４での水の蒸発量を設定値に保ちつつ、蒸発器４の水面が徐々に上昇するように制御され、蒸発器４の水面が温度検知器５０Ｄの配置位置よりも上方へと移動しないように制御されている。
【００８１】
具体的には、燃料電池システム１００の発電出力を上昇させる変動指令が出された後、図６に示すように、燃料流量を予め１０００Ｗにおいて設定した流量よりも増やす。そして、蒸発器４の水面高さが、温度検知器５０Ｃに対応する位置に近づく程、蒸発器４の水面の上昇が緩慢となる傾向にあるので、温度検知器５０Ｃに対応する水面高さに近づくにつれて、燃料流量を予め１０００Ｗにおいて設定した値に近づける。つまり、燃料流量を減少させる。例えば、図６に示すように、温度検知器５０Ｃに対応する水面高さにおいて、燃料流量は予め１０００Ｗにおいて設定した値となっている。
【００８２】
なお、燃料電池システム１００の発電出力の上昇時における、蒸発器４の水面高さと燃料流量（燃料利用率Ｕｆ）との相関については、予め実験で検証された蒸発器４で突沸が起こらない条件に基づいて決定されるとよい。また、以上の動作における具体的な数値などは例示であって、本例に限定されない。
【００８３】
以上により、例えば、燃料電池システム１００の発電出力を増加させる場合、燃料利用率Ｕｆが変化することで蒸発器４の水面を緩やかに上昇させ得るので、蒸発器４で突沸が発生する可能性を低減できる。よって、蒸発器４の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。また、燃料の流量と水の流量との比率を一定に保った状態で、燃料電池６の燃料利用率Ｕｆを変化させるので、従来よりも改質器５で炭素が析出する可能性を低減し得る。そして、本実施形態では、燃焼器７の燃料流量を直接的に制御するので、燃焼排ガス温度の制御性（レスポンス性）、ひいては、蒸発器４の水位の制御性（レスポンス性）も良好である。
【００８４】
（第３実施形態）
[装置構成]
図７は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【００８５】
第３実施形態の燃料電池システム１００は、酸化剤ガス供給器３と、蒸発器４と、水位検知器５０と、改質器５と、燃料電池６と、燃焼器７と、加熱部８と、制御器１１と、を備える。
【００８６】
第３実施形態の燃料電池システム１００は、図１の加熱量調整器９として、酸化剤ガス供給器３を備える点において、第１実施形態と異なっている。第３実施形態の燃料電池システム１００は、上記の点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様に構成してもよい。第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００８７】
酸化剤ガス供給器３は、燃料電池６のカソードに酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給器３は、燃料電池６のカソードに酸化剤ガスを供給できれば、どのような構成であっても構わない。酸化剤ガス供給器３は、例えば、ポンプ、ブロアなどが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００８８】
[動作]
以下、図面を用いて、第３実施形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。
【００８９】
第３実施形態では、第１実施形態の実施例の燃料電池システム１００と同様に、燃料として都市ガス「１３Ａ」を用い、酸化剤ガスとして空気を用い、燃料電池システム１００に、図示しない電力負荷側の需要により、燃料電池システム１００の発電出力が低出力（例えば、５００Ｗ）から、高出力（例えば、１０００Ｗ）に上昇する場合について説明する。
【００９０】
また、図３Ａ−図３Ｂの内容、および燃焼排ガスによって加熱される蒸発器４の容器壁面の温度分布については、第１実施形態の実施例の燃料電池システム１００と同様であるので説明を省略する。
【００９１】
図８は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの蒸発器の水面高さと空気利用率の関係の一例を示す図である。なお、以下の動作は、制御器１１において制御プログラムが実行されることで、温度検知器５０Ａの検知温度に基づいて行われる。
【００９２】
ここで、本実施形態では、制御器１１は、燃料電池６の酸化剤ガス利用率（ここでは、空気利用率Ｕａ）を変化させることで蒸発器４の水位が予め設定された位置になるまで酸化剤ガス供給器３を制御する。
【００９３】
例えば、燃料電池システム１００の発電出力が低出力（例えば、５００Ｗ）から、高出力（例えば、１０００Ｗ）に上昇する場合において、燃料電池６から取り出す電流を予め設定された電流上昇に維持した状態で、空気流量を予め設定された流量上昇よりも減量させる。つまり、空気利用率Ｕａを１０００Ｗでの設定値よりも上昇させる。これにより、燃焼器７からの燃焼排ガスを希釈する空気が減るので、蒸発器４を加熱する燃焼排ガス温度を適時に上昇させ得る。つまり、空気利用率Ｕａを上げることによって、蒸発器４への加熱量を増加させ、蒸発器４での水の蒸発量を設定値に保ちつつ、蒸発器４の水面が徐々に上昇するように制御され、蒸発器４の水面が温度検知器５０Ｄの配置位置よりも上方へと移動しないように制御されている。
【００９４】
具体的には、燃料電池システム１００の発電出力を上昇させる変動指令が出された後、図８に示すように、空気流量を予め１０００Ｗにおいて設定した流量よりも減らす。そして、蒸発器４の水面高さが、温度検知器５０Ｃに対応する位置に近づく程、蒸発器４の水面の上昇が緩慢となる傾向にあるので、温度検知器５０Ｃに対応する水面高さに近づくにつれて、空気流量を予め１０００Ｗにおいて設定した値に近づける。つまり、空気流量を増加させる。例えば、図８に示すように、温度検知器５０Ｃに対応する水面高さにおいて、空気流量は予め１０００Ｗにおいて設定した値となっている。
【００９５】
なお、燃料電池システム１００の発電出力の上昇時における、蒸発器４の水面高さと空気流量（空気利用率Ｕａ）との相関については、予め実験で検証された蒸発器４で突沸が起こらない条件に基づいて決定されるとよい。また、以上の動作における具体的な数値などは例示であって、本例に限定されない。
【００９６】
以上により、例えば、燃料電池システム１００の発電出力を増加させる場合、空気利用率Ｕａが変化することで蒸発器４の水面を緩やかに上昇させ得るので、蒸発器４で突沸が発生する可能性を低減できる。よって、蒸発器４の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。また、改質器５のＳ／Ｃに影響を与えない燃料電池６の空気利用率Ｕａを変化させるので、従来よりも改質器５で炭素が析出する可能性を低減し得る。そして、本実施形態では、燃料電池システム１００の発電効率への影響が小さい空気流量を制御するので、かかる発電効率低下も抑制し得る。
【００９７】
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【００９８】
例えば、蒸発器４への加熱量の制御方法として、第１実施形態の実施例のヒータ９Ａへの通電量を制御する方法、第２実施形態の燃料利用率Ｕｆを制御する方法、および第３実施形態の空気利用率Ｕａを制御する方法について説明したが、これらの方法を適宜、組み合せて蒸発器４の加熱量を制御しても構わない。
【００９９】
また、燃焼器７の燃焼に用いられる空気などの酸化剤ガスは、カソードオフガスに限定されない。例えば、燃料電池システム１００の外部から取り込んだ空気（フレッシュ空気）を、燃焼器７においてアノードオフガスとともに燃焼させても構わない。なお、この場合、燃焼器７から排出される燃焼排ガスとカソードオフガスと混合させて、燃焼ガス流路に流通させても構わない。
【０１００】
また、制御器１１が、燃料電池システム１００の発電出力を上昇させる変動指令を取得すると同時に、蒸発器４への加熱量を制御しているが、これに限らない。例えば、燃料電池システム１００の発電出力変動が、外部の負荷変動に追従する運転ではなく、予め把握され得る運転の場合、かかる発電出力の上昇に先立つ所定時間前に、蒸発器４への加熱量を制御しても構わない。これにより、蒸発器４の水位の制御性（レスポンス性）が更に向上する。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本開示の一態様は、従来よりも改質器で炭素が析出する可能性を低減し得るとともに、蒸発器の水面変化による水の蒸発振動の発生を抑制し得る。よって、本開示の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【０１０２】
１        ：燃料供給器
２        ：水供給器
３        ：酸化剤ガス供給器
４        ：蒸発器
５        ：改質器
６        ：燃料電池
７        ：燃焼器
８        ：加熱部
８Ａ      ：流路部材
９        ：加熱量調整器
９Ａ      ：ヒータ
１１      ：制御器
５０      ：水位検知器
５０Ａ    ：温度検知器
５０Ｂ    ：温度検知器
５０Ｃ    ：温度検知器
５０Ｄ    ：温度検知器
１００    ：燃料電池システム
【図１】
2016207500.tif 000003
【図２】
2016207500.tif 000004
【図３Ａ】
2016207500.tif 000005
【図３Ｂ】
2016207500.tif 000006
【図３Ｃ】
2016207500.tif 000007
【図４】
2016207500.tif 000008
【図５】
2016207500.tif 000009
【図６】
2016207500.tif 000010
【図７】
2016207500.tif 000011
【図８】
2016207500.tif 000012