(57)【要約】      （修正有）【課題】発電量が小さいときにおいてセルスタックの温度が低下し過ぎてしてしまうことのない個体酸化物型燃料電池装置を提供する。【解決手段】水蒸気改質反応により原燃料を改質して改質燃料を生成し発熱手段を有する改質器ＲＦと、改質燃料と酸化剤との供給を受けて発電するセルスタックＣＳと、を備える。燃料電池スタックＣＳの発電により生じた熱が改質器ＲＦに伝達されるように構成し、セルスタックＣＳの発電量あるいはセルスタックＣＳの温度に応じて改質器ＲＦの発熱手段の発熱量を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気改質反応により原燃料を改質して改質燃料を生成する改質器（ＲＦ）と、
前記改質燃料と酸化剤との供給を受けて発電する燃料電池スタック（ＣＳ）と、を備え、
前記燃料電池スタックの発電により生じた熱が前記改質器に伝達されるように構成されており、
前記改質器には、発熱手段（ＢＬ２）が設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの温度が変動することを抑制するよう、前記発熱手段における発熱量を制御する制御手段（ＣＵ）を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記発熱手段は、前記改質器において部分酸化改質反応を生じさせるものであることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記改質器に対する空気の供給量を調整することにより、前記発熱手段における発熱量を制御することを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記改質器に対する水蒸気の供給量を調整することにより、前記発熱手段における発熱量を制御することを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記発熱手段は電気ヒータ（ＨＴ）であることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記発熱手段における発熱量を制御することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックにおける発電量に基づいて、前記発熱手段における発熱量を制御することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックにおける発電量が小さくなると、前記発熱手段における発熱量を増加させることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置は、燃料及び酸化剤が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。
【０００３】
燃料としては水素が用いられるのであるが、現状では水素インフラが十分に整備されていない。このため、燃料電池装置には、既存インフラから得られる原燃料（都市ガス、ＬＰＧ等）を改質して水素を生成する改質器が備えられるのが一般的となっている。改質器の内部には改質触媒が配置されている。改質器では、供給された原燃料及び水蒸気が改質触媒に触れることで水蒸気改質反応が生じ、水素が生成される。当該水素を含有するガスが、燃料として改質器から燃料電池スタック（セルスタック）へと供給される。
【０００４】
水蒸気改質反応は吸熱反応であるから、反応を継続して生じさせるためには、改質器に対する熱の供給が必要である。そのための構成として、改質器の近傍に加熱用のバーナーを備えた燃料電池装置が知られている。また、燃料電池スタックの発電により生じる熱（以下、「発電熱」とも称する）が改質器に伝達されるように構成された燃料電池装置も知られている（例えば下記特許文献１）。
【０００５】
発電熱が改質器に伝達される構成の燃料電池装置においては、燃料電池スタックは改質器に熱を奪われて冷却されることとなる。燃料電池装置の発電量が大きい定格運転時においては、燃料電池スタックにおいて生じる発電熱と、改質器に伝達される熱とのバランスが保たれることにより、燃料電池スタックの温度は発電に適した温度に維持される。例えば、固体酸化物形の燃料電池装置の場合、燃料電池スタックは約７００度の高温に維持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２８７９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発電量が定格よりも小さいとき（例えば、起動時や低負荷時）においては、燃料電池スタックにおいて発電により生じる発電熱も小さくなる。一方、水蒸気改質反応が生じている改質器によって燃料電池スタックから奪われる熱量は、発電量が変化しても大きくは変化しない。その結果、発電量が小さいときには改質器に奪われる熱量の方が大きくなってしまうため、燃料電池スタックの温度が更に低下してしまうこととなる。燃料電池スタックの温度が低下し過ぎてしまうと、発電が行われなくなってしまうこともあるために好ましくない。
【０００８】
尚、上記のように燃料電池スタックの温度が低下してしまうことを防止するためには、例えば、燃料電池スタックに供給される酸化剤（空気）を予めバーナーにより加熱して、その温度を定格運転時よりも上昇させてから燃料電池スタックに供給することも考えられる。しかしながら、そのような構成においては、バーナーに対する燃料（又は原燃料）の供給が更に必要になるため、燃料電池装置全体の効率が低下してしまう可能性がある。それに加えて、バーナーの温度が上昇し過ぎてしまい、バーナーやその周囲に配置された部材が劣化してしまう可能性もある。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの発電により生じた熱が改質器に伝達される構成の燃料電池装置であって、発電量が小さいときにおいて燃料電池スタックの温度が低下し過ぎてしてしまうことのない燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、水蒸気改質反応により原燃料を改質して改質燃料を生成する改質器（ＲＦ）と、改質燃料と酸化剤との供給を受けて発電する燃料電池スタック（ＣＳ）と、を備え、燃料電池スタックの発電により生じた熱が改質器に伝達されるように構成されており、改質器には、発熱手段（ＢＬ２）が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池装置によれば、燃料電池スタックから改質器に伝達される熱（発電熱）が低下した場合において、発熱手段で生じた熱によって改質器の温度を上昇させることが可能となる。つまり、燃料電池スタックにおいて生じる発電熱と、燃料電池スタックから改質器に伝達される熱とのバランスを発熱手段で調整することにより、燃料電池スタックの温度が低下し過ぎてしまうことを防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池スタックの発電により生じた熱が改質器に伝達される構成の燃料電池装置であって、発電量が小さいときにおいて燃料電池スタックの温度が低下し過ぎてしてしまうことのない燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示される燃料電池装置に備えられた各種センサを説明する図である。
【図３】図１に示される燃料電池装置の制御装置によって行われる処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１に示されるように、燃料電池装置ＦＳは、ケーシングＣＡと、セルスタックＣＳ（燃料電池スタック）と、改質器ＲＦと、流量調整弁ＶＶと、水供給ポンプＷＰと、第１ブロアＢＬ１と、第２ブロアＢＬ２と、制御装置ＣＵと、を備えている。
【００１６】
ケーシングＣＡは、ステンレス鋼によって形成された耐熱性の容器である。ケーシングＣＡの内部には、水平面に沿って配置された板状のベースプレートＢＰが固定されている。ケーシングＣＡの内部空間は、ベースプレートＢＰよりも上方側の空間であるモジュール室ＳＰ１と、ベースプレートＢＰよりも下方側の空間である補機室ＳＰ２とに分かれている。ケーシングＣＡの内部（特にモジュール室ＳＰ１）から外部に熱が漏出しないよう、ケーシングＣＡの周囲は不図示の断熱材によって覆われている。
【００１７】
セルスタックＣＳは、複数の燃料電池セル（不図示）の集合体であって、モジュール室ＳＰ１に配置されている。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方側の面に空気極（カソード）が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。セルスタックＣＳでは、全ての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。それぞれの燃料極に燃料ガスが供給され、それぞれの空気極に空気が供給されることにより、セルスタックＣＳでは発電が行われる。
【００１８】
セルスタックＣＳにおいては、供給された燃料ガスの全てが発電に供されるのではなく、一部の燃料ガスは発電に供されることなくセルスタックＣＳから排出される。同様に、セルスタックＣＳに供給された空気の全てが発電に供されるのではなく、一部の空気は発電に供されることなくセルスタックＣＳから排出される。セルスタックＣＳには、発電に供されなかった燃料ガス及び空気を排出するための配管（不図示）が接続されている。当該配管の一端はセルスタックＣＳに接続されており、他端は後述のバーナー（不図示）に接続されている。セルスタックＣＳから排出された燃料ガス（矢印Ａ１２）は、配管を通じてバーナーに供給される。その後、燃料ガスはバーナーにおいて燃焼して燃焼排ガスとなり、燃料電池装置ＦＳから外部に排出される。
【００１９】
改質器ＲＦは、水蒸気改質反応によって都市ガス（原燃料）から燃料ガス（改質燃料：水素含有ガス）を生成し、これをセルスタックＣＳに供給するためのものである。改質器ＲＦは、内部に改質触媒を収納した金属製の容器であって、セルスタックＣＳと共にモジュール室ＳＰ１に配置されている。改質触媒は、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。
【００２０】
モジュール室ＳＰ１において、改質器ＲＦとセルスタックＣＳとは、互いに近接した状態で配置されている。このため、セルスタックＣＳが高温になると、セルスタックＣＳからの輻射熱ＲＴが改質器ＲＦに到達することとなる。換言すれば、改質器ＲＦに熱を奪われることによってセルスタックＣＳが冷却されることとなる。
【００２１】
改質器ＲＦとセルスタックＣＳとは不図示の配管で繋がれている。当該配管を通じて、改質器ＲＦからセルスタックＣＳへの燃料ガスの供給が行われる（矢印Ａ１１）。
【００２２】
流量調整弁ＶＶは、外部の都市ガス供給源ＧＳから改質器ＲＦに供給される都市ガスの流量を調整するための弁である。都市ガス供給源ＧＳとは、例えばガスメータである。流量調整弁ＶＶは、都市ガス供給源ＧＳと改質器ＲＦとを繋ぐ配管（不図示）の途中に設けられており、補機室ＳＰ２に配置されている。流量調整弁ＶＶの開度、すなわち改質器ＲＦに供給される都市ガスの流量は、制御装置ＣＵによって制御される。
【００２３】
水供給ポンプＷＰは、外部の水供給源ＷＳからの水を蒸発器（不図示）に供給するためのポンプである。水供給ポンプＷＰとは、例えば純水を蓄えたタンクである。水供給ポンプＷＰは補機室ＳＰ２に配置されている。蒸発器は補機室ＳＰ２に配置された金属製の容器であり、バーナー（不図示）によって加熱されて高温となっている。尚、このような構成に替えて、蒸発器がモジュール室ＳＰ１に配置されており、当該蒸発器がセルスタックＣＳからの輻射熱などにより加熱されるような構成であってもよい。
【００２４】
水供給ポンプＷＰから送り出された水は、不図示の配管を通って蒸発器に供給され、蒸発器の内部で加熱されて水蒸気となる。その後、当該水蒸気は不図示の配管を通って改質器ＲＦに供給される。改質器ＲＦのうち、蒸発器から水蒸気を供給するための配管が接続されている位置は、流量調整弁ＶＶから都市ガスを供給するための配管が接続されている位置の近傍である。このような態様に替えて、水蒸気と都市ガスとの混合気体が１本の配管を通じて改質器ＲＦに供給されるような態様であってもよい。水供給ポンプＷＰから送り出される水の流量、すなわち改質器ＲＦに供給される水蒸気の流量は、制御装置ＣＵによって制御される。
【００２５】
第１ブロアＢＬ１は、空気供給源ＡＳからの空気をセルスタックＣＳに供給するための送風機である。空気供給源ＡＳとは、本実施形態では大気である。第１ブロアＢＬ１は補機室ＳＰ２に配置されている。第１ブロアＢＬ１とセルスタックＣＳとは不図示の配管で繋がっている。第１ブロアＢＬ１からセルスタックＣＳに供給された空気は、各燃料電池セルの空気極に到達した後、酸化剤として発電に供される。このため、第１ブロアＢＬ１からセルスタックＣＳに供給される空気のことを、以下では「発電用空気」とも称する。第１ブロアＢＬ１の回転数、すなわちセルスタックＣＳに供給される発電用空気の流量は、制御装置ＣＵによって制御される。
【００２６】
第２ブロアＢＬ２は、空気供給源ＡＳからの空気を改質器ＲＦに供給するための送風機である。第２ブロアＢＬ２は補機室ＳＰ２に配置されている。第２ブロアＢＬ２と改質器ＲＦとは不図示の配管で繋がっている。改質器ＲＦのうち、第２ブロアＢＬ２から空気を供給するための配管が接続されている位置は、流量調整弁ＶＶから都市ガスを供給するための配管が接続されている位置の近傍である。後に説明するように、第２ブロアＢＬ２から改質器ＲＦに空気が供給されると、改質器ＲＦでは部分酸化改質反応が生じる。このため、第２ブロアＢＬ２から改質器ＲＦに供給される空気のことを、以下では「改質用空気」とも称する。
【００２７】
制御装置ＣＵは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えたコンピュータシステムであり、燃料電池装置ＦＳの全体の動作を制御するものである。制御装置ＣＵは、第１ブロアＢＬ１の回転数（送風量）を制御することにより、セルスタックＣＳに供給される発電用空気の流量を調整する。同様に、第２ブロアＢＬ２の回転数（送風量）を制御することにより、改質器ＲＦに供給される改質用空気の流量を調整する。また、流量調整弁ＶＶの開度を制御することにより、改質器ＲＦに供給される都市ガスの流量（セルスタックＣＳに供給される燃料ガスの流量ともいえる）を調整する。更に、水供給ポンプＷＰの動作を制御することにより、改質器ＲＦに供給される水蒸気の流量を調整する。
【００２８】
図２に示されるように、燃料電池装置ＦＳには各種のセンサが備えられている。具体的には、燃料電池装置ＦＳには、電流センサＩＳと、電圧センサＶＳと、発電用空気流量センサＡＦＳ１と、改質用空気流量センサＡＦＳ２と、都市ガス流量センサＧＦＳと、水流量センサＷＦＳと、セルスタック温度センサＴＣＳと、都市ガス温度センサＴＧと、改質用空気温度センサＴＡと、改質器入口温度センサＴＲＩと、改質器出口温度センサＴＲＯと、が備えられている。それぞれのセンサにより検知された物理量は、電気信号として制御装置ＣＵに入力される。
【００２９】
電流センサＩＳは、セルスタックＣＳから取り出されて外部に出力される電力の電流値を検知するセンサである。電圧センサＶＳは、セルスタックＣＳから取り出されて外部に出力される電力の電圧値を検知するセンサである。制御装置ＣＵは、電流センサＩＳで検知された電流値、及び電圧センサＶＳで検知された電圧値に基づいて、燃料電池装置ＦＳから外部の負荷に向けて出力されている電力の大きさを常に算出し、監視している。
【００３０】
発電用空気流量センサＡＦＳ１は、セルスタックＣＳに供給される発電用空気の流量を検知するための流量センサである。発電用空気流量センサＡＦＳ１は、第１ブロアＢＬ１とセルスタックＣＳとを繋ぐ配管の途中に配置されており、当該配管を流れる空気の流量を検知する。制御装置ＣＵは、発電用空気流量センサＡＦＳ１で検知された発電用空気の流量に基づいて第１ブロアＢＬ１の動作を制御することにより、セルスタックＣＳに供給される発電用空気の流量が適切となるように（制御目標値と一致するように）調整する。
【００３１】
改質用空気流量センサＡＦＳ２は、改質器ＲＦに供給される改質用空気の流量を検知するための流量センサである。改質用空気流量センサＡＦＳ２は、第２ブロアＢＬ２とセルスタックＣＳとを繋ぐ配管の途中に配置されており、当該配管を流れる空気の流量を検知する。制御装置ＣＵは、改質用空気流量センサＡＦＳ２で検知された改質用空気の流量に基づいて第２ブロアＢＬ２の動作を制御することにより、改質器ＲＦに供給される改質用空気の流量が適切となるように調整する。
【００３２】
都市ガス流量センサＧＦＳは、改質器ＲＦに供給される都市ガスの流量を検知するための流量センサである。都市ガス流量センサＧＦＳは、流量調整弁ＶＶと改質器ＲＦとを繋ぐ配管の途中に配置されており、当該配管を流れる都市ガスの流量を検知する。制御装置ＣＵは、都市ガス流量センサＧＦＳで検知された都市ガスの流量に基づいて流量調整弁ＶＶの開度を制御することにより、改質器ＲＦに供給される都市ガスの流量が適切となるように調整する。
【００３３】
水流量センサＷＦＳは、蒸発器に供給される水の流量を検知するための流量センサである。水流量センサＷＦＳは、改質器ＲＦに対する水蒸気の供給量を検知するセンサともいうことができる。水流量センサＷＦＳは、水供給ポンプＷＰと蒸発器とを繋ぐ配管の途中に配置されており、当該配管を流れる水の流量を検知する。制御装置ＣＵは、水流量センサＷＦＳで検知された水の流量に基づいて水供給ポンプＷＰの動作を制御することにより、蒸発器に供給される水の流量（改質器ＲＦに対する水蒸気の供給量）が適切となるように調整する。
【００３４】
セルスタック温度センサＴＣＳは、セルスタックＣＳの温度を検知するための温度センサである。セルスタック温度センサＴＣＳは、セルスタックＣＳから燃料ガスを排出するための配管のうち、最も上流側となる位置の近傍に取り付けられている。つまり、セルスタック温度センサＴＣＳが直接検知するのは、セルスタックＣＳから排出された直後の燃料ガスの温度である。当該温度は、セルスタックＣＳの温度に略等しい。後に説明するように、制御装置ＣＵは、セルスタック温度センサＴＣＳで検知されたセルスタックＣＳの温度に基づいて、第２ブロアＢＬ２の回転数を調整する。
【００３５】
都市ガス温度センサＴＧは、改質器ＲＦに供給される都市ガスの温度を検知するための温度センサである。都市ガス流量センサＧＦＳは、流量調整弁ＶＶと改質器ＲＦとを繋ぐ配管のうち、最も下流側となる位置の近傍に取り付けられている。つまり、都市ガス温度センサＴＧが検知するのは、改質器ＲＦに供給される直前における都市ガスの温度である。後に説明するように、制御装置ＣＵは、都市ガス温度センサＴＧで検知された都市ガスの温度に基づいて、改質器ＲＦに供給される改質用空気の流量を調整する。
【００３６】
改質用空気温度センサＴＡは、改質器ＲＦに供給される改質用空気の温度を検知するための温度センサである。改質用空気温度センサＴＡは、第２ブロアＢＬ２とセルスタックＣＳとを繋ぐ配管のうち、最も下流側となる位置の近傍に取り付けられている。つまり、改質用空気温度センサＴＡが検知するのは、改質器ＲＦに供給される直前における改質用空気の温度である。後に説明するように、制御装置ＣＵは、改質用空気温度センサＴＡで検知された改質用空気の温度に基づいて、改質器ＲＦに供給される改質用空気の流量を調整する。
【００３７】
改質器入口温度センサＴＲＩは、改質器ＲＦのうち上流側部分の温度を検知するための温度センサである。改質器入口温度センサＴＲＩは、改質器ＲＦのうち上流側部分、すなわち、流量調整弁ＶＶから都市ガスを供給するための配管が接続されている部分（都市ガスの入口）の近傍に取り付けられている。後に説明するように、制御装置ＣＵは、改質器入口温度センサＴＲＩで検知された改質器ＲＦの温度に基づいて、改質器ＲＦに供給される改質用空気の流量を調整する。
【００３８】
改質器出口温度センサＴＲＯは、改質器ＲＦのうち下流側部分の温度を検知するための温度センサである。改質器出口温度センサＴＲＯは、改質器ＲＦのうち下流側部分、すなわち、セルスタックＣＳに燃料ガスを供給するための配管が接続されている部分（燃料ガスの出口）の近傍に取り付けられている。後に説明するように、制御装置ＣＵは、改質器出口温度センサＴＲＯで検知された改質器ＲＦの温度に基づいて、改質器ＲＦに供給される改質用空気の流量を調整する。
【００３９】
燃料電池装置ＦＳの動作について説明する。セルスタックＣＳでは、改質器ＲＦからの燃料ガスの供給、及び第１ブロアＢＬ１からの発電用空気の供給を受けて発電が行われる。発電に伴い、セルスタックＣＳでは発電熱が生じる。このため、燃料電池装置ＦＳの動作中においては、発電熱によってセルスタックＣＳは高温となっており、セルスタックＣＳからの輻射熱ＲＴが周囲に放散されている。
【００４０】
第２ブロアＢＬ２が停止している状態においては、改質器ＲＦには都市ガスと水蒸気のみが供給されている。このとき、改質器ＲＦの内部では水蒸気改質反応のみが生じる。水蒸気改質反応は吸熱反応であるから、反応を継続させるためには外部からの熱の供給が必要である。
【００４１】
既に述べたように、本実施形態では、改質器ＲＦとセルスタックＣＳとが互いに近接した状態で配置されており、セルスタックＣＳからの輻射熱ＲＴの一部が改質器ＲＦに到達するような構成となっている。改質器ＲＦでは、この輻射熱ＲＴが水蒸気改質反応に用いられることにより、水蒸気改質反応が継続して生じることとなる。
【００４２】
また、セルスタックＣＳは、発電熱の一部を改質器ＲＦに奪われることによって冷却される。セルスタックＣＳで発電される電力が比較的大きく、定格電力又はそれに近い電力である場合には、セルスタックＣＳにおいて生じる発電熱と、改質器ＲＦに伝達される熱とのバランスが保たれており、セルスタックＣＳの温度は発電に適した温度（７００）に維持される。
【００４３】
尚、燃料電池装置ＦＳの動作中においてセルスタックＣＳの温度に影響を及ぼすのは、発電熱と輻射伝熱だけではない。これらの他、第１ブロアＢＬ１から供給される発電用空気や、改質器ＲＦからセルスタックＣＳに供給される燃料ガスも、セルスタックＣＳの温度に影響を及ぼしている。制御装置ＣＵは、第１ブロアＢＬ１の回転数等を制御することにより、セルスタックＣＳの温度が７００度の近傍に維持されるような制御を行っている。当該制御については後に詳しく説明する。
【００４４】
燃料電池装置ＦＳは、出力される電力の増減に応じて発電する電力を調整するような運転、すなわち、所謂負荷追従運転を行うように構成されている。このため、外部負荷の需要電力が低下した時には、セルスタックＣＳで発電される電力が小さくなり、セルスタックＣＳで生じる発電熱も小さくなる。
【００４５】
これに対し、改質器ＲＦにおいて水蒸気改質反応のみが生じているときにおいては、発電される電力が変化しても改質器ＲＦの温度は大きくは変化しない。つまり、改質器ＲＦによってセルスタックＣＳから奪われる熱量は、発電量が変化しても大きくは変化しない。このため、発電量が小さいときには、セルスタックＣＳで生じる発電熱の熱量よりも、改質器ＲＦに奪われる熱量の方が大きくなってしまうため、セルスタックＣＳの温度が低下してしまうこととなる。
【００４６】
そこで、本実施形態に係る燃料電池装置ＦＳでは、セルスタックＣＳにおける発電熱が小さくなってしまうような場合において、第２ブロアＢＬ２を動作させることにより改質器ＲＦに対して改質用空気を供給するよう構成されている。改質器ＲＦに改質用空気が供給されると、改質器ＲＦの内部では、水蒸気改質反応に加えて部分酸化改質反応も生じるようになる。部分酸化改質反応は、吸熱反応である水蒸気改質反応とは異なり、発熱反応である。このため、第２ブロアＢＬ２を動作させて部分酸化改質反応を生じさせることにより、改質器ＲＦの温度を上昇させることができる。第２ブロアＢＬ２、及び第２ブロアＢＬ２と改質器ＲＦとを繋いでいる配管は、改質器ＲＦの内部で発熱（部分酸化改質反応）を生じさせる「発熱手段」ということができる。
【００４７】
尚、第２ブロアＢＬ２を動作させる際には、水供給ポンプＷＰを停止させてもよい。つまり、改質器ＲＦの内部において、部分酸化改質反応のみを生じさせて、水蒸気改質反応を生じさせないような運転を行ってもよい。この場合、改質器ＲＦにおける発熱量が大きくなるため、例えば、温度が低下したセルスタックＣＳを改質器ＲＦによって加熱することができる。
【００４８】
制御装置ＣＵが行う制御の詳細について、図３を参照しながら説明する。燃料電池装置ＦＳの運転中において、制御装置ＣＵは、図３のフローチャートに示される制御を繰り返し実行する。
【００４９】
制御装置ＣＵは、電流センサＩＳで検知された電流値、及び電圧センサＶＳで検知された電圧値に基づいて、燃料電池装置ＦＳから外部の負荷に向けた出力電力、すなわちセルスタックＣＳの発電量を常に算出しサンプリングしている。ステップＳ０１では、サンプリングされた発電量の変化（前回サンプリングされた発電量との差の絶対値）が、所定の閾値を超えたか否かが判定される。発電量の変化が閾値を超えている場合にはステップＳ０２に移行する。
【００５０】
ステップＳ０２では、セルスタックＣＳに対する燃料ガスの供給量が現在の発電量に適した供給量となるように、燃料ガスの供給量の目標値が決定される。同時に、セルスタックＣＳに対する発電用空気の供給量が現在の発電量に適した供給量となるように、発電用空気の供給量の目標値が決定される。尚、発電用空気の供給量の目標値は、セルスタックＣＳの温度に基づいて決定されてもよい。ステップＳ０２の処理が完了すると、ステップＳ０３に移行する。
【００５１】
ステップＳ０３では、セルスタックＣＳに対する燃料ガスの供給量が目標値通りとなるように、制御装置ＣＵは流量調整弁ＶＶの開度を調整し、改質器ＲＦに対する都市ガスの供給量を調整する。ところで、燃料ガスの供給量の目標値と、これに対応する都市ガスの供給量との関係は、改質器ＲＦで行われている水蒸気改質反応と部分酸化改質反応との比率によって異なる。このため、制御装置ＣＵは、かかる比率にも基づいて流量調整弁ＶＶの開度を調整する。ステップＳ０３の処理が完了すると、ステップＳ０４に移行する。
【００５２】
ステップＳ０４では、セルスタックＣＳに対する発電用空気の供給量が目標値通りとなるように、制御装置ＣＵは第１ブロアＢＬ１の回転数を調整する。ステップＳ０４の処理が完了すると、ステップＳ０５に移行する。
【００５３】
ステップＳ０５では、セルスタックＣＳの発電に伴って生じている発電熱が算出される。発電熱は、発電効率が１００％の場合における発電量から、実際の発電量を差し引くことによって算出される。「発電効率が１００％の場合における発電量」とは、発電効率が１００％の場合におけるセルスタックＣＳの電圧（１．２３Ｖ×燃料電池セルの枚数）に、電流センサＩＳで検知された電流値を掛けて得られる発電量である。ステップＳ０５の処理が完了すると、ステップＳ０６に移行する。
【００５４】
ステップＳ０６では、改質器ＲＦに供給される各種気体（都市ガス、水蒸気、及び改質用空気）によって改質器ＲＦから奪われる熱量（冷却量）が算出される。換言すれば、改質器ＲＦを通過する際に各種気体に加えられる熱量の合計値が算出される。かかる冷却量は、改質器入口温度センサＴＲＩによって検知された改質器ＲＦの入口部分の温度と、改質器出口温度センサＴＲＯによって検知された改質器ＲＦの出口部分の温度と、改質器ＲＦに供給される各種気体それぞれの流量及び比熱とに基づいて、制御装置ＣＵによって算出される。ステップＳ０６の処理が完了すると、ステップＳ０７に移行する。
【００５５】
ステップＳ０７では、セルスタックＣＳの温度を発電に適した温度とするために必要な、改質器ＲＦの吸熱量が算出される。「改質器ＲＦの吸熱量」とは、改質器ＲＦの内部で生じる吸熱反応（水蒸気改質反応）による吸熱量から、発熱反応（部分酸化改質反応）による発熱量を差し引いた熱量のことである。必要な吸熱量は、ステップＳ０５で算出された発電熱から、ステップＳ０６で算出された「各種気体によって改質器ＲＦから奪われる熱量（冷却量）」を差し引くことによって得ることができる。ステップＳ０７の処理が完了すると、ステップＳ０８に移行する。
【００５６】
ステップＳ０８では、実際の「改質器ＲＦの吸熱量」を、ステップＳ０７で算出された「必要な吸熱量」に一致させるために必要となる、改質用空気の供給量が算出される。かかる算出は、改質器ＲＦの形状や温度に基づいて得られる改質率の理論値等に基づいて行われる。また、このような態様に替えて、セルスタック温度センサＴＣＳによって検知される改質器ＲＦの温度と、当該温度において最適な改質用空気の供給量との関係を、予め実験などにより求めておき、両者の関係をテーブルとして記憶しておくような態様であってもよい。ステップＳ０８の処理が完了すると、ステップＳ０９に移行する。
【００５７】
ステップＳ０９では、改質器ＲＦに対する改質用空気の供給量が、ステップＳ０８で算出された供給量と一致するように、制御装置ＣＵにより第２ブロアＢＬ２の回転数が調整される。これにより、改質器ＲＦの内部における発熱量が調整され、改質器ＲＦの温度が変化する。その結果、輻射熱ＲＴとしてセルスタックＣＳから奪われる熱量が最適な値となり、セルスタックＣＳの温度は発電に適した温度に維持される。
【００５８】
ステップＳ０１において発電量の変化が閾値を超えていない場合には、ステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０では、セルスタック温度センサＴＣＳによって測定されたセルスタックＣＳの温度が、所定の閾値ＴＨ１よりも高いか否かが判定される。セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ１よりも高い場合には、ステップＳ１１に移行する。
【００５９】
ステップＳ１１では、制御装置ＣＵは第２ブロアＢＬ２の回転数を減少させることにより、改質器ＲＦに供給される改質用空気の量を減少させる。改質用空気の供給量が減少する結果、改質器ＲＦで生じている発熱反応（部分酸化改質反応）が抑制され、改質器ＲＦの温度は低下して閾値ＴＨ１を下回るようになる。
【００６０】
ステップＳ１０において、セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ１以下である場合には、ステップＳ２０に移行する。ステップＳ２０では、セルスタック温度センサＴＣＳによって測定されたセルスタックＣＳの温度が、所定の閾値ＴＨ２よりも低いか否かが判定される。閾値ＴＨ２は、閾値ＴＨ１よりも低い値として設定されている。セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ２よりも低い場合には、ステップＳ２１に移行する。
【００６１】
ステップＳ２１では、制御装置ＣＵは第２ブロアＢＬ２の回転数を増加させることにより、改質器ＲＦに供給される改質用空気の量を増加させる。改質用空気の供給量が増加する結果、改質器ＲＦで生じている発熱反応（部分酸化改質反応）が促進され、改質器ＲＦの温度は上昇して閾値ＴＨ２を下回るようになる。
【００６２】
ステップＳ２０において、セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ２以上である場合には、セルスタックＣＳの温度は適温（閾値ＴＨ２以上、閾値ＴＨ１未満）ということである。制御装置ＣＵは、第２ブロアＢＬ２の回転数を変化させることなく処理を終了する。
【００６３】
以上に説明したように、本実施形態に係る燃料電池装置ＦＳでは、制御装置ＣＵが行う制御によって、改質器ＲＦで生じる発熱反応（部分酸化改質反応）が調整され、これによりセルスタックＣＳの温度の変動が抑制されている。具体的には、改質器ＲＦに対する改質用空気の供給量を調整することにより、改質器ＲＦで生じる発熱反応が調整されている。
【００６４】
尚、このような態様に替えて、改質器ＲＦに電気ヒータＨＴが取り付けられており、電気ヒータＨＴによって改質器ＲＦが加熱されるような態様としてもよい。図１では、このような構成における電気ヒータＨＴの取り付け位置が点線で示されている。電気ヒータＨＴは、セルスタックＣＳで発電された電力の一部を消費することによって発熱し、改質器ＲＦの略全体を外側から加熱するものである。
【００６５】
このような態様においては、制御装置ＣＵは、改質器ＲＦに対する改質用空気の供給量を調整すること（図３のステップＳ０９、Ｓ１１、Ｓ２１）に替えて、電気ヒータＨＴへの通電量を調整することで、セルスタックＣＳの温度を発電に適した温度に調整することができる。
【００６６】
また、例えば第２ブロアＢＬ２の回転数を増加（減少）させることに替えて、改質器ＲＦに対する水蒸気の供給量を減少（増加）させることにより、改質器ＲＦの吸熱量を調整してもよい。
【００６７】
本実施形態では、制御装置ＣＵは、セルスタックＣＳの発電量に基づいて改質用空気の供給量を調整すること（ステップＳ０９）に加えて、セルスタックＣＳの温度にも基づいて改質用空気の供給量を調整している（ステップＳ１１、Ｓ２１）。これにより、発電量に基づく改質用空気の供給量の調整に誤差が生じた場合であっても、セルスタックＣＳの温度を最適な温度範囲内に維持することができる。
【００６８】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００６９】
ＦＳ：燃料電池装置
ＣＳ：セルスタック
ＲＦ：改質器
ＢＬ１：第１ブロア
ＢＬ２：第２ブロア
ＣＵ：制御装置
ＨＴ：電気ヒータ
【図１】
2016025005.tif 000003
【図２】
2016025005.tif 000004
【図３】
2016025005.tif 000005