(57)【要約】【課題】水素を使用することにより脱硫を行う脱硫装置の脱硫性能低下の抑制およびシステムの低コスト化を図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。【解決手段】燃料電池システムは、燃料が供給源Ｇｓから直接または改質されて供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有し、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、供給源と燃料極との間に配設され、燃料に含まれる酸素を酸素処理触媒によって燃料に含まれる炭化水素と反応させて除去するとともに、水素を発生する酸素処理装置１１ａ６と、酸素処理装置１１ａ６と燃料極との間に配設され、燃料に含まれる硫黄成分を、脱硫触媒によって酸素処理装置１１ａ６からの水素を使用することにより除去する脱硫装置１１ａ８と、酸素処理装置１１ａ６に酸素を供給する酸素供給装置１１ｅ１と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が供給源から直接または改質されて供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有し、前記燃料と前記酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
前記供給源と前記燃料極との間に配設され、前記燃料に含まれる酸素を酸素処理触媒によって前記燃料に含まれる炭化水素と反応させて除去するとともに、水素を発生する酸素処理装置と、
前記酸素処理装置と前記燃料極との間に配設され、前記燃料に含まれる硫黄成分を、脱硫触媒によって前記酸素処理装置からの前記水素を使用することにより除去する脱硫装置と、
前記酸素処理装置に酸素を供給する酸素供給装置と、を備えている燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料に含まれる前記酸素の濃度を検出する酸素濃度検出装置と、前記酸素供給装置の制御を少なくとも行う制御装置と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記酸素濃度検出装置によって検出された前記燃料に含まれる前記酸素の濃度に基づいて、前記酸素供給装置によって前記酸素処理装置に供給される前記酸素の流量を算出する酸素供給流量算出部を備えている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸素濃度検出装置は、前記酸素処理装置に配設され、前記酸素処理装置内の温度を検出する温度センサである請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記燃料に含まれる前記酸素の濃度と前記燃料の種類との第一相関関係を示した第一マップを記憶する記憶部と、
前記第一マップに基づいて、前記酸素濃度検出装置によって検出された前記酸素の濃度から前記燃料の種類を推定する推定部と、
前記推定部によって推定された前記燃料の種類に応じて前記燃料電池システムの運転条件を算出する運転条件算出部と、をさらに備えている請求項２または請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムは、改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、前記脱硫装置と前記燃料極との間に配設され、前記脱硫装置から供給される前記硫黄成分が除去された前記燃料を、前記蒸発部から供給される前記水蒸気を使用することにより改質する改質部と、をさらに備え、
前記記憶部は、前記改質部に供給される前記燃料の量に対する前記水蒸気の量の比率を示すスチームカーボン比と、前記燃料の種類との第二相関関係を示す第二マップをさらに記憶し、
前記運転条件算出部は、前記第二マップに基づいて、前記推定部によって推定された前記燃料の種類から前記スチームカーボン比を算出するスチームカーボン比算出部を備えている請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池システムは、前記燃料の流量を検出する流量検出装置をさらに備え、
前記記憶部は、前記燃料の種類毎に、前記流量検出装置によって検出される検出流量と前記燃料の実際の流量である実流量との複数の第三相関関係を示した第三マップをさらに記憶し、
前記運転条件算出部は、前記第三マップに示す複数の前記第三相関関係のうち、前記推定部によって推定された前記燃料の種類に対応する前記第三相関関係を決定する決定部をさらに備え、
前記制御装置は、前記決定部によって決定された前記第三相関関係に基づいて、前記流量検出装置によって検出された前記検出流量から前記実流量を算出する実流量算出部と、を備えている請求項４または請求項５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】
燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。燃料電池システムは、特許文献１の図１に示すように、原燃料に含まれる付臭剤（硫黄化合物）を、脱硫触媒によって水素を利用することにより除去する脱硫器１および原燃料を水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質反応器２を備えている。また、燃料電池システムは、改質反応器２によって生成された改質ガスの一部を、リサイクルライン５によってリサイクルして、脱硫器１に供給される原燃料に添加している。これにより、脱硫器１にて脱硫に必要な水素が確保されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、改質反応器２によって生成された改質ガスの一部をリサイクルするリサイクルライン５は、改質ガスをリサイクルしない場合に比べて燃料電池システムの構成を複雑にするため、燃料電池システムの高コスト化を招く。また、水素を使用して脱硫が行われる場合、脱硫触媒の活性温度が比較的高い。よって、原燃料に酸素を含む空気が混入されている場合、この酸素が脱硫器１に流入することにより、脱硫器１内にて、リサイクルされた改質ガスに含まれる水素の燃焼反応が生じるため、脱硫に利用される水素が減少する。これにより、脱硫に必要な水素が不足する場合、脱硫器１の脱硫性能が低下する。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した課題を解消するためになされたもので、水素を使用することにより脱硫を行う脱硫装置の脱硫性能低下の抑制およびシステムの低コスト化を図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】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料が供給源から直接または改質されて供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有し、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、供給源と燃料極との間に配設され、燃料に含まれる酸素を酸素処理触媒によって燃料に含まれる炭化水素と反応させて除去するとともに、水素を発生する酸素処理装置と、酸素処理装置と燃料極との間に配設され、燃料に含まれる硫黄成分を、脱硫触媒によって酸素処理装置からの水素を使用することにより除去する脱硫装置と、酸素処理装置に酸素を供給する酸素供給装置と、を備えている。
【発明の効果】
【０００７】
これによれば、酸素処理装置が、燃料に含まれる酸素を除去するため、脱硫装置内における水素の燃焼反応の発生が抑制され、脱硫に利用される水素の減少が抑制される。よって、脱硫装置の脱硫性能の低下を抑制することができる。
また、脱硫装置は、酸素処理装置によって燃料に含まれる酸素が除去される際に発生する水素を使用して、燃料に含まれる硫黄成分を除去することができる。また、燃料電池システムは、酸素処理装置に酸素を供給する酸素供給装置を備えている。これにより、燃料に酸素が混入されていない場合においても、酸素処理装置は、酸素供給装置からの酸素を除去することにより、水素を発生させることができる。よって、燃料電池システムは、従来技術のように、水素を含む改質ガスの一部をリサイクルするためのリサイクルラインを不要とすることができるため、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。したがって、水素を使用することにより脱硫を行う脱硫装置の脱硫性能低下の抑制およびシステムの低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す概要図である。
【図２】図１に示す酸素処理装置内の温度と、改質用原料に含まれる酸素の濃度との関係を示した図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムのブロック図である。
【図４】図３に示す記憶部に記憶されている第一マップであり、改質用原料の種類と改質用原料に含まれる酸素の濃度との第一相関関係を示したマップである。
【図５】図３に示す記憶部に記憶されている第二マップであり、改質用原料の種類とスチームカーボン比との第二相関関係を示したマップである。
【図６】図３に示す記憶部に記憶されている第三マップであり、改質用原料の種類毎に実流量と検出流量との第三相関関係を示したマップである。
【図７】図３に示す記憶部に記憶されている第四マップであり、改質用原料の種類毎に設定された燃料電池の発電電流と改質用原料の目標流量との第四相関関係を示したマップである。
【図８】図３に示す記憶部に記憶されている第五マップであり、改質用原料に含まれる酸素の流量と酸素供給装置によって酸素処理装置に供給される酸素の流量との第五相関関係を示したマップである。
【図９】図３に示す制御装置で実行されるプログラムのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。
【００１０】
燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、燃料、改質水および酸化剤ガスが供給されている。燃料電池３４は、燃料が供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有し、燃料と酸化剤ガスとにより発電するものである。本実施形態において、燃料は、改質されて燃料極に供給される改質用原料である。
【００１１】
燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。改質水ポンプ１１ｂ１は、燃料電池モジュール１１に改質水を供給する改質水供給装置であり、制御装置１５からの制御指令値にしたがって水タンク１４からの改質水の流量（単位時間あたりの流量）を調整するものである。この改質水ポンプ１１ｂ１は、改質水を吸入し燃料電池モジュール１１に圧送する圧送装置である。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。
【００１２】
改質用原料供給管１１ａに関して詳述する。改質用原料供給管１１ａには、上流から順番に遮断弁１１ａ１、圧力センサ１１ａ２、流量センサ１１ａ３、圧力調整装置１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５、酸素処理装置１１ａ６、酸素濃度検出装置１１ａ７および脱硫装置１１ａ８が設けられている。遮断弁１１ａ１、圧力センサ１１ａ２、流量センサ１１ａ３、圧力調整装置１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５、酸素処理装置１１ａ６、酸素濃度検出装置１１ａ７および脱硫装置１１ａ８は、筐体１０ａ内に収納されている。
【００１３】
遮断弁１１ａ１は、改質用原料供給管１１ａを制御装置１５の指令によって開閉自在に遮断する弁（２連弁）である。圧力センサ１１ａ２は、燃料電池モジュール１１に供給されている改質用原料の圧力（特に圧力センサ１１ａ２の設置場所の圧力）を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。流量センサ１１ａ３は、燃料電池モジュール１１に供給されている改質用原料の流量（単位時間あたりの流量）を検出するものであり、その検出結果である検出流量Ｑｋを制御装置１５に送信している。圧力調整装置１１ａ４は、導入した改質用原料を所定の圧力に調整して導出する。例えば、圧力調整装置１１ａ４は、導入した改質用原料を大気圧にて導出するゼロガバナで構成されている。
【００１４】
原料ポンプ１１ａ５は、燃料電池３４に改質用原料（燃料）を供給する改質用原料供給装置であり、制御装置１５からの制御指令値にしたがって供給源Ｇｓからの改質用原料の流量を調整するものである。この原料ポンプ１１ａ５は、改質用原料を吸入し改質部３３に圧送する圧送装置である。
【００１５】
酸素処理装置１１ａ６は、供給源Ｇｓと燃料極との間に配設され、改質用原料に含まれる酸素を酸素処理触媒によって改質用原料に含まれる炭化水素と反応させて除去するとともに、水素を発生するものである。具体的には、酸素処理装置１１ａ６は、原料ポンプ１１ａ５と脱硫装置１１ａ８との間に配設され、供給源Ｇｓから改質用原料が供給されている。酸素処理触媒は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属をセラミック担体に担持させたものや、銅（Ｃｕ）や亜鉛（Ｚｎ）等の非金属や遷移金属からなる多孔質材料である。酸素処理触媒によって改質用原料に含まれる炭化水素が燃焼することにより、改質用原料に含まれる酸素が除去される。具体的には、改質用原料が天然ガス（メタンガス）主成分とする都市ガスである場合、下記化１に示すように、メタンと酸素との燃焼反応（酸化反応）が生じている。また、この場合、メタンと酸素との不完全燃焼が生じることにより、下記化２に示すように、水素が発生する。
（化１）
ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
（化２）
ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ＋Ｈ２
【００１６】
また、酸素処理装置１１ａ６は、必要に応じて酸素処理触媒の温度を改質用原料に含まれる炭化水素の燃焼温度に加熱するための触媒ヒータ１１ａ６ａを備えることもできる。触媒ヒータ１１ａ６ａは、制御装置１５の指示によって交流電流により加熱する交流ヒータ（ＡＣヒータ：交流補機）である。
【００１７】
酸素濃度検出装置１１ａ７は、改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃを検出するものである。具体的には、酸素濃度検出装置１１ａ７は、酸素処理装置１１ａ６に配設され、酸素処理装置１１ａ６内の温度Ｔｈを検出する温度センサである。酸素処理装置１１ａ６内の温度Ｔｈは、上述した酸化反応により発生する温度によって変化する。酸化反応により発生する温度の変化は、改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃに応じて生じる。具体的には、図２に示すように、改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃが高いほど、酸化反応により発生する温度が高くなり、ひいては、酸素処理装置１１ａ６内の温度Ｔｈが上昇する。すなわち、酸素濃度検出装置１１ａ７は、酸素処理装置１１ａ６内の温度Ｔｈを検出することにより、改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃを検出する。なお、図２に示す関係は、改質用原料の流量が所定目標流量Ｑｔ１であるときの関係を示している。所定目標流量Ｑｔ１は、後述する改質用原料の種類の推定制御が行われる場合における改質用原料の目標流量Ｑｔである。図２に示す関係は、予め実験等により実測されて導出されている。
【００１８】
図１に戻って説明を続ける。
脱硫装置１１ａ８は、酸素処理装置１１ａ６と燃料極との間に配設され、改質用原料に含まれる硫黄成分（例えば、硫黄化合物）を、脱硫触媒によって酸素処理装置１１ａ６からの水素を使用することにより除去するものである。具体的には、脱硫装置１１ａ８は、酸素処理装置１１ａ６と燃料電池モジュール１１との間に配設され、酸素処理装置１１ａ６により酸素が除去された改質用原料が供給されている。脱硫装置１１ａ８内には、脱硫触媒として水添脱硫剤および超高次脱硫剤が収容されている。水添脱硫剤においては、硫黄化合物と酸素処理装置１１ａ６からの水素とが反応して硫化水素が発生する。例えば、水添脱硫剤は、ニッケル−モリブデン系、コバルト−モリブデン系と酸化亜鉛等を組み合わせたものである。超高次脱硫剤としては、例えば銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−ニッケル系脱硫剤などを用いることができる。超高次脱硫剤は、水添脱硫剤にて硫黄化合物から変換された硫化水素を取り込んで除去する。このような超高次脱硫剤は、２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態で優れた脱硫作用を発揮する。したがって、脱硫装置１１ａ８は、内部が２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態となる箇所に配置されている。例えば、脱硫装置１１ａ８は、ケーシング３１内、またはケーシング３１外面に配置されている。
【００１９】
また、燃料電池システムは、酸素供給管１１ｅと酸素供給装置１１ｅ１をさらに備えている。酸素供給管１１ｅの一端は、改質用原料供給管１１ａにおける原料ポンプ１１ａ５と酸素処理装置１１ａ６との間に接続されている。酸素供給管１１ｅの他端は、酸素供給装置１１ｅ１が接続されている。
酸素供給装置１１ｅ１は、酸素処理装置１１ａ６に酸素を供給するものである。具体的には、酸素供給装置１１ｅ１は、酸素供給管１１ｅを介して、改質用原料供給管１１ａに酸素を供給する。これにより、改質用原料に酸素が混合され、酸素処理装置１１ａ６に酸素が供給される。なお、本実施形態においては、酸素供給装置１１ｅ１は、酸素を含む空気を供給する。酸素供給装置１１ｅ１は、制御装置１５からの制御指令値にしたがって酸素（空気）の流量（単位時間あたりの流量）を調整する。酸素供給装置１１ｅ１は、酸素（空気）を吸入し酸素処理装置１１ａ６に圧送する圧送装置である。酸素供給装置１１ｅ１は、例えば、エアポンプである。
【００２０】
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。
【００２１】
熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
【００２２】
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
【００２３】
さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。
【００２４】
燃料電池モジュール１１（３０）は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。
【００２５】
蒸発部３２は、改質水から水蒸気を生成するものである。蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱する。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては、天然ガス（メタンガス）を主成分とする都市ガス、プロパンを主成分とする液化石油ガス（ＬＰガス）などの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料がある。本実施形態においては都市ガスにて説明する。
【００２６】
蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。
【００２７】
改質部３３は、脱硫装置１１ａ８と燃料極との間に配設され、脱硫装置１１ａ８から供給される前記硫黄成分が除去された改質用原料を、蒸発部３２から供給される水蒸気を使用することにより改質するものである。具体的には、改質部３３は、脱硫装置１１ａ８からの改質用原料と、蒸発部３２からの水蒸気とから改質ガスを生成して燃料極（燃料電池３４）に供給する。改質部３３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出する。改質部３３内には、改質触媒（例えば、ＲｕやＮｉ系、ＰｔやＲｈ系の触媒）が充填されており、混合ガスが改質触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
【００２８】
燃料電池３４は、改質ガスと酸化剤ガスにより発電するものである。燃料電池３４は、燃料極、酸化剤極（空気極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。また、燃料には、水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合は、改質部３３を省略することができ、燃料極には、燃料が供給源から直接供給される。このように、燃料極には、付臭剤が添加された燃料が供給源から直接または改質されて供給される。すなわち、燃料電池３４は、燃料が直接または改質されて供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有し、燃料と酸化剤ガスとにより発電する。
【００２９】
セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。
【００３０】
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
【００３１】
燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からの発電に使用されなかった改質ガスであるアノードオフガスと、燃料電池３４からの発電に使用されなかった酸化剤ガスであるカソードオフガスとが燃焼されて蒸発部３２および改質部３３を加熱する。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて燃焼ガス（火炎３７）が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。燃焼部３６には、一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２は、燃焼部３６を着火するものである。着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２は、アノードオフガスを着火している。着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２は、制御装置１５の指示によって交流電流により加熱する交流ヒータ（ＡＣヒータ：交流補機）である。
【００３２】
制御装置１５は、図３に示すように、上述した圧力センサ１１ａ２、流量センサ１１ａ３、酸素濃度検出装置１１ａ７、遮断弁１１ａ１、各ポンプ１１ａ５，１１ｂ１，２２ａ、カソードエアブロワ１１ｃ１、酸素供給装置１１ｅ１、触媒ヒータ１１ａ６ａおよび着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が接続されている。また、制御装置１５は、記憶部１５ａ、推定部１５ｂ、運転条件算出部１５ｃ、実流量算出部１５ｄ、目標流量算出部１５ｅ、フィードバック制御部１５ｆ、改質水流量算出部１５ｇおよび酸素供給流量算出部１５ｈを備えている。
【００３３】
記憶部１５ａは、制御プログラムを実行する際に用いられるデータ等を記憶するものである。記憶部１５ａには、第一マップＭ１、第二マップＭ２、第三マップＭ３、第四マップＭ４および第五マップＭ５が記憶されている。
【００３４】
第一マップＭ１は、図４に示すように、改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃと改質用原料の種類との第一相関関係を示したものである。一般的に、改質用原料の一つである都市ガス（メタンガスを主成分とする）においては、地域によって、酸素が混入している場合がある。さらに、酸素を含む空気を混合して都市ガスの熱量と同等の熱量とするように調整された液化石油ガスを、都市ガスと併用している地域もある。本実施形態においては、都市ガスＧ１、酸素が混合された都市ガス（以下、空気混合都市ガスとする。）Ｇ２、または、空気が混合された液化石油ガス（以下、空気混合ＬＰガスとする。）Ｇ３が、燃料電池システムに供給されている場合について説明を続ける。なお、本実施形態において、都市ガスＧ１に含まれている酸素の濃度Ｃは、例えば１％以下である。また、空気混合都市ガスＧ２に含まれている酸素の濃度Ｃは、例えば４％である。さらに、空気混合ＬＰガスＧ３に含まれている酸素の濃度Ｃは、例えば、およそ７％である。これに対して、本実施形態においては、第一マップＭ１によって示されている第一相関関係は、燃料電池システムが設置される地域にて燃料電池システムに供給される改質用原料の種類と、改質用原料の種類毎の酸素の濃度Ｃとの関係である。具体的には、第一相関関係は、例えば、改質用原料が都市ガスＧ１である場合は酸素の濃度Ｃが２％以下であり、改質用原料が空気混合都市ガスＧ２である場合は酸素の濃度Ｃが３〜５％であり、改質用原料が空気混合ＬＰガスＧ３である場合は酸素の濃度Ｃが６〜８％である。
【００３５】
第二マップＭ２は、図５に示すように、改質部３３に供給される改質用原料の量（単位時間あたりの流量）に対する水蒸気の量（単位時間あたりの流量）の比率を示すスチームカーボン比（以下、Ｓ／Ｃ比とする。）と、改質用原料の種類との第二相関関係を示すものである。Ｓ／Ｃ比は、改質部３３に供給される改質用原料の流量に対する蒸発部３２に供給される改質水の流量の比率である（Ｓ／Ｃ比＝（改質水の流量）／（改質用原料の流量））。Ｓ／Ｃ比は、改質部３３における水蒸気改質において、改質用原料の流量に対する水蒸気の流量が不足することにより、改質用原料に含まれる炭素が析出するコーキングを抑制するように設定されている。具体的には、都市ガスＧ１および空気混合都市ガスＧ２のＳ／Ｃ比は、例えば、２．５〜３．０の間にて設定されている。空気混合ＬＰガスＧ３は、例えば、３．０〜３．５の間にて設定されている。第二マップＭ２によって示されている第二相関関係は、例えば、都市ガスＧ１および空気混合都市ガスＧ２のＳ／Ｃ比が２．８であり、空気混合ＬＰガスＧ３が３．３である。
【００３６】
第三マップＭ３は、図６に示すように、改質用原料の種類毎に、流量センサ１１ａ３によって検出される検出流量Ｑｋと改質用原料の実際の流量である実流量Ｑｒとの第三相関関係を複数示したものである。第三マップＭ３に示されている改質用原料の種類毎の第三相関関係は、予め実験等により実測されて導出されている。同じ検出流量Ｑｋにて改質用原料の種類毎の実流量Ｑｒを比較した場合、比重が大きい改質用原料ほど実流量Ｑｒが小さい。本実施形態においては、図６に示すように、都市ガスＧ１および空気混合都市ガスＧ２の比重より、空気混合ＬＰガスＧ３の比重の方が大きいため、同じ検出流量Ｑｋにて比較した場合、都市ガスＧ１および空気混合都市ガスＧ２の実流量Ｑｒより空気混合ＬＰガスＧ３の実流量Ｑｒの方が小さい。また、都市ガスＧ１の比重より、空気混合都市ガスＧ２の比重の方が大きいため、同じ検出流量Ｑｋにて比較した場合、都市ガスＧ１の実流量Ｑｒより空気混合都市ガスＧ２の実流量Ｑｒの方が小さい。なお、第三マップＭ３における実流量Ｑｒは、実験のために備えられた比較的精度の高い流量センサにより計測されている。
【００３７】
第四マップＭ４は、図７に示すように、改質用原料の種類毎に、燃料電池３４の発電電流Ｉと改質用原料の目標流量Ｑｔとの第四相関関係を複数示したものである。改質用原料の種類にかかわらず発電電流Ｉに応じて燃料電池３４に供給すべき改質ガス供給量（単位時間あたりの流量）が定められる。具体的には、発電電流Ｉが大きくなるにしたがって、燃料電池３４に必要な改質ガス供給量が大きくなる。ここで、改質用原料の種類（改質用原料の組成）の違いにより、単位量あたりの改質用原料から生成される改質ガスの量が異なる。よって、発電電流Ｉに応じた必要な改質ガス供給量を供給するために、燃料電池３４に供給する改質用原料の目標流量Ｑｔは、改質用原料の種類によって異なる。第四マップＭ４に示されている改質用原料の種類毎の第四相関関係は、予め実験等により実測されて導出されている。本実施形態においては、同じ発電電流Ｉにて比較した場合、空気混合ＬＰガスＧ３は、都市ガスＧ１および空気混合都市ガスＧ２よりも、目標流量Ｑｔが小さい。
【００３８】
第五マップＭ５は、供給源Ｇｓから改質用原料供給管１１ａを介して酸素処理装置１１ａ６に供給される酸素の流量と、酸素供給管１１ｅを介して酸素処理装置１１ａ６に供給される酸素の流量との関係を示したものである。具体的には、第五マップＭ５は、図８に示すように、供給源Ｇｓからの改質用原料に含まれる酸素の流量（単位時間あたりの流量；以下、酸素含有流量とする。）Ｑｏ１と、酸素供給装置１１ｅ１によって酸素処理装置１１ａ６に供給される酸素の流量（単位時間あたりの流量；以下、酸素供給流量とする。）Ｑｏ２との第五相関関係を示したものである。第五相関関係は、脱硫装置１１ａ８にて脱硫に使用される水素の流量（単位時間あたりの流量）を確保できるように、予め実験等に実測されて導出されている。脱硫装置１１ａ８にて脱硫に使用される水素は、酸素処理装置１１ａ６にて、改質用原料に含まれる炭化水素の燃料反応における不完全燃焼（上記化２）により発生した水素である。この酸素処理装置１１ａ６にて発生する水素の流量は、酸素処理装置１１ａ６に供給されて燃焼反応する酸素の流量によって決定する。この酸素処理装置１１ａ６に供給されて燃焼反応する酸素の流量は、酸素含有流量Ｑｏ１と酸素供給流量Ｑｏ２とを合わせた流量に比例する。ここで、酸素含有流量Ｑｏ１は、改質用原料の実流量Ｑｒと改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃとを乗じることにより算出される（酸素含有流量Ｑｏ１＝実流量Ｑｒ×酸素の濃度Ｃ）。この酸素含有流量Ｑｏ１に対して、脱硫装置１１ａ８における脱硫にて使用される水素の流量を確保するため必要な酸素供給流量Ｑｏ２が、予め実験等に実測されて導出されている。
【００３９】
推定部１５ｂは、燃料電池システムに供給されている改質用原料の種類の推定を行うものである。具体的には、推定部１５ｂは、第一マップＭ１に基づいて、酸素濃度検出装置１１ａ７によって検出された酸素の濃度Ｃから改質用原料の種類を推定する。
【００４０】
運転条件算出部１５ｃは、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類に応じて燃料電池システムの運転条件を算出するものである。運転条件算出部１５ｃは、スチームカーボン比算出部１５ｃ１、第一決定部１５ｃ２（特許請求の範囲の決定部に相当）および第二決定部１５ｃ３を備えている。
【００４１】
スチームカーボン比算出部１５ｃ１は、燃料電池システムの運転条件として、Ｓ／Ｃ比を算出する。具体的には、スチームカーボン比算出部１５ｃ１は、第二マップＭ２に基づいて、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類からＳ／Ｃ比を算出する。
【００４２】
第一決定部１５ｃ２は、燃料電池システムの運転条件として、第三相関関係を決定するものである。具体的には、第一決定部１５ｃ２は、第三マップＭ３に示す複数の第三相関関係のうち、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類に対応する第三相関関係を決定する。
【００４３】
第二決定部１５ｃ３は、燃料電池システムの運転条件として、第四相関関係を決定するものである。具体的には、第二決定部１５ｃ３は、第四マップＭ４に示す複数の第四相関関係のうち、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類に対応する第四相関関係を決定する。
【００４４】
実流量算出部１５ｄは、第一決定部１５ｃ２によって決定された第三相関関係に基づいて、流量センサ１１ａ３によって検出された検出流量Ｑｋから実流量Ｑｒを算出するものである。
目標流量算出部１５ｅは、第二決定部１５ｃ３によって決定された第四相関関係に基づいて、燃料電池３４の発電電流Ｉに対応する改質用原料の目標流量Ｑｔを算出するものである。
【００４５】
フィードバック制御部１５ｆは、実流量算出部１５ｄによって算出された実流量Ｑｒが目標流量算出部１５ｅによって算出された改質用原料の目標流量Ｑｔとなるように、原料ポンプ１１ａ５を制御するものである。フィードバック制御部１５ｆは、実流量算出部１５ｄによって算出された実流量Ｑｒと、目標流量算出部１５ｅによって算出された改質用原料の目標流量Ｑｔとの偏差（＝目標流量Ｑｔ−実流量Ｑｒ）に基づいて、原料ポンプ１１ａ５に対するフィードバック量（原料ポンプ１１ａ５の操作量（回転数））を制御指令値として算出して、制御指令値を原料ポンプ１１ａ５に出力する。原料ポンプ１１ａ５がＰＷＭ制御されているため、フィードバック量はＰＷＭ制御のデューティ比で算出される。
【００４６】
改質水流量算出部１５ｇは、実流量算出部１５ｄによって算出された実流量Ｑｒおよびスチームカーボン比算出部１５ｃ１によって算出されたＳ／Ｃ比から、蒸発部３２に供給される改質水の流量を算出するものである。具体的には、改質水の流量は、実流量ＱｒとＳ／Ｃ比とを乗じることにより算出される（改質水の流量＝（実流量Ｑｒ）×（Ｓ／Ｃ比））。
【００４７】
酸素供給流量算出部１５ｈは、酸素濃度検出装置１１ａ７によって検出された酸素の濃度Ｃに基づいて、酸素供給流量Ｑｏ２を算出するものである。具体的には、はじめに、上述したように、改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃと改質用原料の実流量Ｑｒとを乗じることにより酸素含有流量Ｑｏ１を算出する。そして、この酸素含有流量Ｑｏ１から、第五マップＭ５に基づいて、酸素供給流量Ｑｏ２を算出する。
【００４８】
次に、上述した燃料電池システムおいて、燃料電池システムに供給される改質用原料の種類の推定制御について、図９に示すフローチャートに沿って説明する。制御装置１５は、スタートスイッチ（図示なし）が押されて運転が開始される場合、または計画運転にしたがって運転が開始される場合には、図９に示すプログラムを起動する。
【００４９】
制御装置１５は、改質用原料の目標流量Ｑｔを所定目標流量Ｑｔ１に設定して改質用原料の供給を開始する（ステップＳ１０２）。改質用原料が酸素処理装置１１ａ６に供給されることにより、酸素処理触媒によって上述した酸化反応が生じると、酸素処理装置１１ａ６内の温度Ｔｈが上昇する。そして、制御装置１５は、改質用原料が供給された時点から所定時間Ｔが経過したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。所定時間Ｔは、改質用原料の供給が開始された時点から、酸素処理装置１１ａ６内の温度Ｔｈが安定するまでの時間である。所定時間Ｔは、予め実験等により実測されて導出されている。制御装置１５は、所定時間Ｔが経過していない場合、ステップＳ１０４の判定を繰り返し実行する。制御装置１５は、所定時間Ｔが経過した場合、プログラムをステップＳ１０６に進める。
【００５０】
制御装置１５は、酸素濃度検出装置１１ａ７によって検出された改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃを取得する（ステップＳ１０６）。そして、制御装置１５は、燃料電池システムに供給されている改質用原料の種類の推定を行う（ステップＳ１０８；推定部１５ｂ）。具体的には、制御装置１５は、第一マップＭ１に基づいて、酸素濃度検出装置１１ａ７によって検出された改質用原料の濃度Ｃから改質用原料の種類を推定する。
【００５１】
制御装置１５は、推定部１５ｂにて推定された改質用原料の種類に対応する燃料電池システムの運転条件を算出する。はじめに、制御装置１５は、第二マップＭ２に基づいて、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類からＳ／Ｃ比を算出する（ステップＳ１１０；スチームカーボン比算出部１５ｃ１）。
【００５２】
また、制御装置１５は、第三マップＭ３に示す複数の第三相関関係のうち、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類に対応する第三相関関係を決定する（ステップＳ１１２；第一決定部１５ｃ２）。例えば、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類が都市ガスＧ１である場合、制御装置１５は、都市ガスＧ１に対応する第三相関関係を決定する。
【００５３】
さらに、制御装置１５は、第四マップＭ４に示す複数の第四相関関係のうち、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類に対応する第四相関関係を決定する（ステップＳ１１４；第二決定部１５ｃ３）。例えば、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類が都市ガスＧ１である場合、制御装置１５は、都市ガスＧ１に対応する第四相関関係を決定する。
【００５４】
次に、燃料電池システムの起動運転において、上述したフローチャートが実行される場合について説明する。また、燃料電池システムに都市ガスＧ１が供給されている場合について説明する。制御装置１５は、スタートスイッチ（図示なし）が押されて運転が開始される場合または計画運転にしたがって運転が開始される場合、燃料電池システムの起動運転を開始する。
【００５５】
制御装置１５は、起動運転を開始したとき、触媒ヒータ１１ａ６ａに通電する。触媒ヒータ１１ａ６ａが通電されることにより、酸素処理触媒の温度が上昇する。
制御装置１５は、所定目標流量Ｑｔ１にて改質用原料の供給を開始し、所定時間Ｔ経過後、酸素濃度検出装置１１ａ７によって改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃ（およそ１％）を取得する（ステップＳ１０２〜Ｓ１０６）。制御装置１５は、酸素濃度検出装置１１ａ７によって検出された酸素の濃度Ｃから改質用原料の種類が都市ガスＧ１であると推定する（ステップＳ１０８）。また、制御装置１５は、都市ガスＧ１に対応するＳ／Ｃ比、第三相関関係および第四相関関係を算出または決定する（ステップＳ１１０〜Ｓ１１４）。制御装置１５は、実流量算出部１５ｄによって、都市ガスＧ１に対応する第三相関関係に基づいて、検出流量Ｑｋから実流量Ｑｒを算出する。制御装置１５は、フィードバック制御部１５ｆによって、実流量Ｑｒが所定目標流量Ｑｔ１となるように原料ポンプ１１ａ５を制御する。
【００５６】
また、制御装置１５は、改質用原料の供給を開始（ステップＳ１０２）した後、着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２を着火して、燃焼部３６にて燃料電池３４から導出されるガスを燃焼する。さらに、制御装置１５は、改質水ポンプ１１ｂ１を制御して、改質水を蒸発部３２に供給する。このとき、制御装置１５は、改質水流量算出部１５ｇによって、改質水の流量を、実流量算出部１５ｄによって算出された実流量Ｑｒと都市ガスＧ１に対応するＳ／Ｃ比とを乗じることによって算出する（改質水の流量＝（実流量Ｑｒ）×（Ｓ／Ｃ比））。これにより、改質水は、都市ガスＧ１に対応した流量にて蒸発部３２に供給される。なお、改質水ポンプ１１ｂ１がＰＷＭ制御されているため、改質水ポンプ１１ｂ１への制御指令値は、ＰＷＭ制御のデューティ比で算出される。
【００５７】
また、制御装置１５は、酸素供給装置１１ｅ１を制御して、酸素を酸素処理装置１１ａ６に供給する。このとき、改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃと実流量算出部１５ｄによって算出された実流量Ｑｒとを乗じることにより酸素含有流量Ｑｏ１を算出する。そして、この酸素含有流量Ｑｏ１から、第五マップＭ５に基づいて、酸素供給流量Ｑｏ２を算出する。さらに、本実施形態において、酸素供給装置１１ｅ１が空気を供給しているため、制御装置１５は、酸素供給装置１１ｅ１への制御装置１５からの制御指令値を、空気の流量（酸素供給流量Ｑｏ２のおよそ５倍）にて算出する。なお、酸素供給装置１１ｅ１がＰＷＭ制御されているため、酸素供給装置１１ｅ１への制御指令値は、ＰＷＭ制御のデューティ比で算出される。
制御装置１５は、燃料電池３４の温度が所定作動温度（およそ６００℃）となった場合、起動運転を停止し、発電運転を開始する。
【００５８】
制御装置１５は、燃料電池システムの発電運転中において、燃料電池３４の発電電力を外部電力負荷１６ｃの消費電力となるように制御する（負荷追従制御）。具体的には、外部電力負荷１６ｃの消費電力によって、燃料電池３４の発電電力ひいては発電電流Ｉが決定される。制御装置１５の目標流量算出部１５ｅは、第四マップＭ４に基づいて、決定された燃料電池３４の発電電流Ｉから都市ガスＧ１の目標流量Ｑｔを算出する。そして、制御装置１５は、フィードバック制御部１５ｆによって、実流量Ｑｒが目標流量算出部１５ｅによって算出された都市ガスＧ１の目標流量Ｑｔとなるように、原料ポンプ１１ａ５を制御する。また、制御装置１５は、実流量Ｑｒおよび都市ガスＧ１に対応するＳ／Ｃ比から改質水流量算出部１５ｇによって算出された改質水の流量にて、改質水ポンプ１１ｂ１を制御する。さらに、制御装置１５は、酸素処理装置１１ａ６に供給される酸素の流量が酸素供給流量算出部１５ｈによって算出された酸素供給流量Ｑｏ２となるように、酸素供給装置１１ｅ１を制御する。
【００５９】
一方、改質用原料が空気混合都市ガスＧ２である場合、推定部１５ｂによって、改質用原料が空気混合都市ガスＧ２であると推定される（ステップＳ１０８）。そして、制御装置１５は、空気混合都市ガスＧ２に応じた燃料電池システムの運転条件を算出し（ステップＳ１１０〜Ｓ１１４）、上述した改質用原料が都市ガスＧ１である場合と同様に、燃料電池システムの運転を制御する。
【００６０】
また、改質用原料が空気混合ＬＰガスＧ３である場合、推定部１５ｂによって、改質用原料が空気混合ＬＰガスＧ３であると推定される（ステップＳ１０８）。そして、制御装置１５は、空気混合ＬＰガスＧ３に応じた燃料電池システムの運転条件を算出し（ステップＳ１１０〜Ｓ１１４）、上述した改質用原料が都市ガスＧ１である場合と同様に、燃料電池システムの運転を制御する。
【００６１】
本実施形態によれば、燃料が供給源Ｇｓから直接または改質されて供給される燃料極と、酸化剤ガスが供給される酸化剤極とを有し、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、供給源Ｇｓと燃料極との間に配設され、燃料に含まれる酸素を酸素処理触媒によって燃料に含まれる炭化水素と反応させて除去するとともに、水素を発生する酸素処理装置１１ａ６と、酸素処理装置１１ａ６と燃料極との間に配設され、燃料に含まれる硫黄成分を、脱硫触媒によって酸素処理装置１１ａ６からの水素を使用することにより除去する脱硫装置１１ａ８と、酸素処理装置１１ａ６に酸素を供給する酸素供給装置１１ｅ１と、を備えている。
これによれば、酸素処理装置１１ａ６が、燃料に含まれる酸素を除去するため、脱硫装置１１ａ８内における水素の燃焼反応の発生が抑制され、脱硫に利用される水素の減少が抑制される。よって、脱硫装置１１ａ８の脱硫性能の低下を抑制することができる。
また、脱硫装置１１ａ８は、酸素処理装置１１ａ６によって燃料に含まれる酸素が除去される際に発生する水素を使用して、燃料に含まれる硫黄成分を除去することができる。また、燃料電池システムは、酸素処理装置１１ａ６に酸素を供給する酸素供給装置１１ｅ１を備えている。これにより、燃料に酸素が混入されていない場合においても、酸素処理装置１１ａ６は、酸素供給装置１１ｅ１からの酸素を除去することにより、水素を発生させることができる。よって、燃料電池システムは、従来技術のように、水素を含む改質ガスの一部をリサイクルするためのリサイクルラインを不要とすることができるため、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。したがって、水素を使用することにより脱硫を行う脱硫装置１１ａ８の脱硫性能低下の抑制およびシステムの低コスト化を図ることができる。
【００６２】
また、燃料に含まれる酸素の濃度を検出する酸素濃度検出装置１１ａ７と、酸素供給装置１１ｅ１の制御を少なくとも行う制御装置１５と、をさらに備え、制御装置１５は、酸素濃度検出装置１１ａ７によって検出された燃料に含まれる酸素の濃度Ｃから、酸素供給装置１１ｅ１によって酸素処理装置１１ａ６に供給される酸素の流量（酸素供給流量Ｑｏ２）を算出する酸素供給流量算出部１５ｈを備えている。
これによれば、制御装置１５は、酸素供給流量算出部１５ｈによって、燃料に含まれる酸素の濃度Ｃから、酸素供給装置１１ｅ１によって酸素処理装置１１ａ６に供給される酸素の流量（酸素供給流量Ｑｏ２）を算出することができる。よって、改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃが比較的低いことにより、酸素処理装置１１ａ６にて発生する水素の量が脱硫に必要な水素の量より少ない場合においても、酸素供給装置１１ｅ１は、不足している水素の量を補うように、適切な流量にて酸素を供給することができる。一方、改質用原料に含まれる酸素の濃度Ｃが比較的高いことにより、酸素処理装置１１ａ６にて発生する水素の量が脱硫に必要な水素の量を確保している場合、酸素供給装置１１ｅ１は、酸素供給流量Ｑｏ２を抑制することができる。これにより、酸素が除去されるときに発生する熱による酸素処理装置１１ａ６の温度上昇が抑制されるため、酸素処理装置１１ａ６の過熱を抑制することができる。
【００６３】
また、酸素濃度検出装置１１ａ７は、酸素処理装置１１ａ６に配設され、酸素処理装置１１ａ６内の温度Ｔｈを検出する温度センサである。
これによれば、酸素濃度検出装置１１ａ７は、温度センサから構成されているため、酸素濃度検出装置１１ａ７を比較的低コストかつ簡便に構成することができる。
【００６４】
また、制御装置１５は、燃料に含まれる酸素の濃度Ｃと燃料の種類との第一相関関係を示した第一マップＭ１を記憶する記憶部１５ａと、第一マップＭ１に基づいて、酸素濃度検出装置１１ａ７によって検出された酸素の濃度Ｃから燃料の種類を推定する推定部１５ｂ（ステップＳ１０８）と、推定部１５ｂによって推定された燃料の種類に応じて燃料電池システムの運転条件を設定する運転条件算出部１５ｃと、をさらに備えている。
燃料電池システムには、地域によって異なる種類の燃料が供給される場合がある。例えば、天然ガス（メタンガス）を主成分とする都市ガスＧ１、または、酸素が混合された都市ガス（空気混合都市ガスＧ２）、空気を混合して都市ガスの熱量と同等の熱量とするように調整された液化石油ガス（空気混合ＬＰガスＧ３）が、燃料電池システムに供給される場合がある。液化石油ガスは、プロパンを主成分としているため、メタンを主成分とする都市ガスに比べ、単位量あたりの炭素数ひいては熱量が増加する。よって、燃料電池システムが都市ガスの熱量に合わせて運転を行っている場合、酸素が混合された液化石油ガスが供給されたとき、燃料電池３４の発電量の変動等が生じる。これに対して、本実施形態の制御装置１５は、推定部１５ｂによって、酸素濃度検出装置１１ａ７によって検出された酸素の濃度Ｃから燃料の種類を推定することができる。さらに、制御装置１５は、運転条件算出部１５ｃによって、推定された燃料の種類に応じて燃料電池システムの運転条件を設定することができる。よって、燃料の種類が異なる場合においても、制御装置１５が燃料電池システムを適切に運転することができる。
【００６５】
また、燃料電池システムは、改質水から水蒸気を生成する蒸発部３２と、脱硫装置１１ａ８と燃料極との間に配設され、脱硫装置１１ａ８から供給される硫黄成分が除去された改質用原料（燃料）を、蒸発部３２から供給される水蒸気を使用することにより改質する改質部３３と、をさらに備え、記憶部１５ａは、改質部３３に供給される改質用原料の量に対する水蒸気の量の比率を示すＳ／Ｃ比と、改質用原料の種類との第二相関関係を示す第二マップＭ２をさらに記憶し、運転条件算出部１５ｃは、第二マップＭ２に基づいて、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類からＳ／Ｃ比を算出するスチームカーボン比算出部１５ｃ１（ステップＳ１１０）を備えている。
これによれば、制御装置１５は、スチームカーボン比算出部１５ｃ１によって、改質用原料の種類に応じてＳ／Ｃ比を算出するため、改質部３３に供給される改質用原料の流量に対して、水蒸気の流量を改質用原料の種類に応じた適切な流量に調整することができる。よって、コーキングの発生を抑制することができる。
【００６６】
また、燃料電池システムは、改質用原料の流量を検出する流量センサ１１ａ３をさらに備え、記憶部１５ａは、改質用原料の種類毎に、流量センサ１１ａ３によって検出される検出流量Ｑｋと改質用原料の実際の流量である実流量Ｑｒとの複数の第三相関関係を示した第三マップＭ３をさらに記憶し、運転条件算出部１５ｃは、第三マップＭ３に示す複数の第三相関関係のうち、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類に対応する第三相関関係を決定する第一決定部１５ｃ２（ステップＳ１１２）をさらに備え、制御装置１５は、第一決定部１５ｃ２によって決定された第三相関関係に基づいて、流量センサ１１ａ３によって検出された検出流量Ｑｋから実流量Ｑｒを算出する実流量算出部１５ｄと、を備えている。
これによれば、制御装置１５は、実流量算出部１５ｄによって検出流量Ｑｋから改質用原料の種類に応じた実流量Ｑｒを算出するため、改質用原料の種類に応じて改質用原料の流量を適切に制御することができる。よって、制御装置１５は、燃料電池３４に供給される改質ガスの流量を適切に制御することができるため、燃料電池３４の発電量を適切に制御することができる。
【００６７】
なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した実施形態において、制御装置１５の運転条件算出部１５ｃは、燃料電池システムの運転条件として、Ｓ／Ｃ比等を算出しているが、これらに加えて、改質用原料の種類に対応する燃料電池モジュール３０の各部（燃料電池３４、改質部３３など）の温度や、蒸発部３２に供給される改質水の温度を算出するようにしても良い。この場合、改質用原料の種類と、燃料電池モジュール３０の各部の温度や蒸発部３２に供給される改質水の温度とのそれぞれの相関関係を示す複数のマップを記憶部１５ａに記憶させると良い。制御装置１５は、運転条件算出部１５ｃによって、これら複数のマップに基づいて、推定部１５ｂによって推定された改質用原料の種類から、燃料電池モジュール３０の各部の温度や蒸発部３２に供給される改質水の温度をそれぞれ算出する。これによれば、制御装置１５は、改質用原料の種類が異なる場合においても、燃料電池システムをより適切に運転することができる。
【００６８】
また、上述した実施形態において、制御装置１５は、燃料電池システムの起動運転中に図９に示すフローチャートを実行しているが、これに代えて、燃料電池システムの発電運転中に定期的（例えば２４時間毎）に図９に示すフローチャートを実行しても良い。
【００６９】
また、上述した実施形態において、燃料電池システムは、酸素処理装置１１ａ６の触媒ヒータ１１ａ６ａを省略するようにしても良い。この場合、酸素処理装置１１ａ６内の温度Ｔｈが、改質用原料に含まれる炭化水素と酸素との酸化反応が生じる温度（プロパンの場合、およそ２００℃）まで到達する部位（例えば、ケーシング３１内）に、酸素処理装置１１ａ６を配設するようにすると良い。
【００７０】
また、燃料電池システムは、酸素処理装置１１ａ６に水を供給する水供給装置をさらに備えるようにしても良い。これによれば、酸素処理装置１１ａ６において改質用原料に含まれる酸素が除去されるとき、燃料に含まれる炭素の析出（コーキング）が発生する場合がある。これに対して、本変形例によれば、酸素処理装置１１ａ６内において析出した炭素と、水供給装置により供給された水とが反応することにより、一酸化炭素または二酸化炭素が生成される。よって、酸素処理装置１１ａ６内においてコーキングの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１１（３０）…燃料電池モジュール、１１ａ…改質用原料供給管、１１ａ６…酸素処理装置、１１ａ７…酸素濃度検出装置、１１ａ８…脱硫装置、１１ｅ…酸素供給管、１１ｅ１…酸素供給装置、１５…制御装置、１５ａ…記憶部、１５ｂ…推定部、１５ｃ…運転条件算出部、１５ｄ…実流量算出部、１５ｅ…目標流量算出部、１５ｆ…フィードバック制御部、１５ｇ…改質水流量算出部、１５ｈ…酸素供給流量算出部、３４…燃料電池、Ｃ…酸素の濃度、Ｍ１…第一マップ、Ｍ２…第二マップ、Ｍ３…第三マップ、Ｍ４…第四マップ、Ｍ５…第五マップ、Ｑｏ１…酸素含有流量、Ｑｏ２…酸素供給流量、Ｔｈ…酸素処理装置内の温度。
【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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