(57)【要約】【課題】燃料電池システムの起動時における燃料電池セルの劣化を抑制する新たな制御技術を提供する。【解決手段】制御部は、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前（期間Ａ）、原燃料が脱離中（期間Ｂ）、検出部において原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間（期間Ｃ）、のそれぞれの期間において、オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比（空気比）が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ、期間Ｂにおける空気比が期間Ａおよび期間Ｃにおける空気比よりも高くなるように、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する起動モードを実行する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有改質ガスが供給されるアノードと、酸素含有ガスが供給されるカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックと、
原燃料および水蒸気を用いて前記セルスタックのアノードに供給する水素含有改質ガスを生成する水蒸気改質触媒を有する改質部と、
前記改質部から前記アノードへ前記水素含有改質ガスを供給する水素含有改質ガス供給経路と、
前記カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給経路と、
前記改質部に原燃料および改質水を供給する燃料供給経路と、
前記セルスタックの上方に設けられ、発電に利用されずに前記カソードを通過した酸素含有ガスと、発電に利用されずに前記アノードを通過した水素含有改質ガスまたは原燃料と、を燃焼するオフガス燃焼部と、
前記カソードへ供給する酸素含有ガスの供給量を調整できる調整部と、
前記改質部において前記水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する検出部と、
前記調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する制御部と、を備え、
前記改質部は、前記オフガス燃焼部の上方に配置されており、
前記制御部は、
前記水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前（期間Ａ）、前記原燃料が脱離中（期間Ｂ）、前記検出部において前記原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから前記改質部への前記改質水の供給を開始するまでの間（期間Ｃ）、のそれぞれの期間において、
前記オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比（空気比）が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ、前記期間Ｂにおける空気比が前記期間Ａおよび前記期間Ｃにおける空気比よりも高くなるように、前記調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する起動モードを実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定の閾値は、前記オフガス燃焼部で失火しない空気比であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報が検出された場合、前記カソードに供給する酸素含有ガスの流量Ｆ１を、それまでに前記カソードに供給されていた酸素含有ガスの流量Ｆ２よりも低い値になるように、前記調整部を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記改質部に水蒸気を供給しない状態で前記起動モードを実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料供給経路は、炭素数２以上の炭化水素、または、アルコール類、を含む原燃料を供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記検出部は、原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報として、前記改質部の温度と相関のある情報を検出し、
前記制御部は、前記検出部で検出した前記改質部の温度が所定の温度Ｔｒに到達した場合、前記調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記温度Ｔｒは、４０〜１００℃の範囲で設定されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記検出部は、原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報として、前記オフガス燃焼部の温度と相関のある情報を検出し、
前記制御部は、前記検出部で検出した前記オフガス燃焼部の温度Ｔｂの単位時間当たりの変化量が所定の値以下になった場合、前記調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御部は、前記検出部で検出した前記オフガス燃焼部の温度Ｔｂの単位時間当たりの変化量がマイナスに転じた後に、前記温度Ｔｂが所定の温度Ｔｂ１以下になった場合、前記調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記検出部で検出した前記オフガス燃焼部の温度Ｔｂの単位時間当たりの変化量が温度Ｔｂ０でマイナスに転じた後に、前記温度Ｔｂが前記温度Ｔｂ０から所定の温度低い温度Ｔｂ１’以下になった場合、前記調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
アノードと、カソードと、前記アノードおよび前記カソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックを備える燃料電池システムの制御方法において、
燃料電池システムを起動してから、前記カソードへの酸素含有ガスの供給と前記アノードへの原燃料または水素含有改質ガスの供給とを開始する工程と、
前記セルスタックの上方に設けられたオフガス燃焼部で、前記原燃料または前記水素含有改質ガスと、前記酸素含有ガスとを燃焼させる工程と、
前記オフガス燃焼部の燃焼熱を用いて、水蒸気改質触媒を有する改質部を加熱する工程と、
前記改質部において前記水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する工程と、
前記情報を検出した後に、前記触媒を用いた前記原燃料の改質反応により水素含有改質ガスの生成を開始する工程と、を含み、
前記水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前（期間Ａ）、前記原燃料が脱離中（期間Ｂ）、前記原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから前記改質部への改質水の供給を開始するまでの間（期間Ｃ）、のそれぞれの期間において、
前記オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比（空気比）が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ前記期間Ｂにおける空気比が前記期間Ａおよび前記期間Ｃにおける空気比よりも高くなるように、酸素含有ガスの供給量を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【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】
従来、燃料と空気とを用いて発電する燃料電池システムが種々開発されている。このような燃料電池システムでは、燃料として必要な水素含有ガスを、原燃料ガスを改質して生成する改質部を備えることが多い。例えば、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原燃料ガスを、触媒を用いて改質し、水素を主成分とする改質ガスを得る改質部が考案されている。
【０００３】
また、改質部は、用いられる触媒と原燃料ガスとの組合せによっては、原燃料ガスである炭化水素が触媒に吸着する場合がある。このように吸着した炭化水素が燃料電池システムの始動時に改質部の温度上昇に伴い触媒から放出されると、供給される原燃料ガスと空気との空燃比が所望の値からずれることで、改質部を加熱する加熱手段での燃焼状態が要求される特性を満たさなくなるといった問題が生じ得る。
【０００４】
そこで、燃料電池システムの起動運転時に、改質触媒および一酸化炭素低減触媒の少なくとも一方に吸着していた原料ガスの成分のうちの脱離してくる脱離原料ガスの量に応じて、原料ガス供給装置から供給する原料ガスの量を調整する燃料電池システムが考案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１２１０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池システムの一例として、燃料電池セルに固体酸化物電解質を用いたものが知られている。このような燃料電池システムでは、発電に利用されなかったアノードガスおよびカソードガス（以下、オフガスとよぶ。）を燃料電池セル近傍の燃焼部で燃焼し、その燃焼熱を起動時での改質部の予熱や、改質部における改質反応に用いている。そのため、起動時において改質部の触媒に吸着した原燃料ガスが脱離し、燃焼部で燃焼される可燃ガスが想定よりも多くなると、特に燃料電池セルと燃焼部が近傍の場合、セルの劣化の一因となる。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池システムの起動時における燃料電池セルの劣化を抑制する新たな制御技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池システムは、水素含有改質ガスが供給されるアノードと、酸素含有ガスが供給されるカソードと、アノードとカソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックと、原燃料および水蒸気を用いてセルスタックのアノードに供給する水素含有改質ガスを生成する水蒸気改質触媒を有する改質部と、改質部からアノードへ水素含有改質ガスを供給する水素含有改質ガス供給経路と、カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給経路と、改質部に原燃料および改質水を供給する燃料供給経路と、セルスタックの上方に設けられ、発電に利用されずにカソードを通過した酸素含有ガスと、発電に利用されずにアノードを通過した水素含有改質ガスまたは原燃料と、を燃焼するオフガス燃焼部と、カソードへ供給する酸素含有ガスの供給量を調整できる調整部と、改質部において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する検出部と、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する制御部と、を備える。改質部は、オフガス燃焼部の上方に配置されており、制御部は、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前（期間Ａ）、原燃料が脱離中（期間Ｂ）、検出部において原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間（期間Ｃ）、のそれぞれの期間において、オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比（空気比）が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ、期間Ｂにおける空気比が期間Ａおよび期間Ｃにおける空気比よりも高くなるように、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する起動モードを実行する。
【０００９】
本発明の別の態様は、燃料電池システムの制御方法である。この方法は、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックを備える燃料電池システムの制御方法において、燃料電池システムを起動してから、カソードへの酸素含有ガスの供給とアノードへの原燃料または水素含有改質ガスの供給とを開始する工程と、セルスタックの上方に設けられたオフガス燃焼部で、原燃料または水素含有改質ガスと、酸素含有ガスとを燃焼させる工程と、オフガス燃焼部の燃焼熱を用いて、水蒸気改質触媒を有する改質部を加熱する工程と、改質部において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する工程と、情報を検出した後に、触媒を用いた原燃料の改質反応により水素含有改質ガスの生成を開始する工程と、を含む。水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前（期間Ａ）、原燃料が脱離中（期間Ｂ）、原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間（期間Ｃ）、のそれぞれの期間において、オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比（空気比）が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ期間Ｂにおける空気比が期間Ａおよび期間Ｃにおける空気比よりも高くなるように、酸素含有ガスの供給量を制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時における燃料電池セルの劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示した図である。
【図２】実施の形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図３】起動モードにおいて各部に供給される空気Ｇ１、原燃料ガスＧ２および改質水Ｗ１の変化を示す図である。
【図４】起動モードにおいて改質部から脱離する原燃料ガスの変化を示す図である。
【図５】起動モードにおいて改質部および燃焼部の所定領域の温度変化を示す図である。
【図６】実際に改質部に投入される原燃料ガスの流量の変化と、改質部に吸着し脱離する原燃料ガスを考慮した原燃料ガスの流量の変化とを示す図である。
【図７】起動モードにおける空気比（脱離ガスを考慮しない値および脱離ガスを考慮した値）の変化を示す図である。
【図８】本実施の形態に係る起動モード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】
【００１２】
本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムは、水素含有改質ガスが供給されるアノードと、酸素含有ガスが供給されるカソードと、アノードとカソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックと、原燃料および水蒸気を用いてセルスタックのアノードに供給する水素含有改質ガスを生成する水蒸気改質触媒を有する改質部と、改質部からアノードへ水素含有改質ガスを供給する水素含有改質ガス供給経路と、カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給経路と、改質部に原燃料および改質水を供給する燃料供給経路と、セルスタックの上方に設けられ、発電に利用されずにカソードを通過した酸素含有ガスと、発電に利用されずにアノードを通過した水素含有改質ガスまたは原燃料と、を燃焼するオフガス燃焼部と、カソードへ供給する酸素含有ガスの供給量を調整できる調整部と、改質部において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する検出部と、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する制御部と、を備える。
【００１３】
改質部は、オフガス燃焼部の上方に配置されており、制御部は、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前（期間Ａ）、原燃料が脱離中（期間Ｂ）、検出部において原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間（期間Ｃ）、のそれぞれの期間において、オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比（空気比）が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ、期間Ｂにおける空気比が期間Ａおよび期間Ｃにおける空気比よりも高くなるように、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する起動モードを実行する。
【００１４】
これにより、制御部は、期間Ａ、期間Ｂ、期間Ｃのそれぞれの期間において、空気比が所定の閾値を下回らない範囲で酸素含有ガスの供給量を制御する。これにより、触媒に吸着した原燃料の脱離の前後で、原燃料の供給量が変動しても、適当な量の酸素含有ガスを供給できる。また、制御部は、期間Ｂにおける空気比が期間Ａおよび期間Ｃにおける空気比よりも高くなるようにすることで、触媒に吸着した原燃料が脱離している段階での酸素含有ガス（例えば空気）の供給量を多くできるため、例えば、期間Ｂでのオフガス燃焼部の温度上昇が抑制され、ひいてはセルスタックの先端近傍の過剰な温度上昇も抑制される。そのため、燃料電池システムの起動時における燃料電池セルの劣化を抑制できる。
【００１５】
所定の閾値は、オフガス燃焼部で失火しない空気比であってもよい。これにより、期間Ａ〜Ｃのそれぞれにおいて、失火を抑制できる。
【００１６】
制御部は、原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報が検出された場合、カソードに供給する酸素含有ガスの流量Ｆ１を、それまでにカソードに供給されていた酸素含有ガスの流量Ｆ２よりも低い値になるように、調整部を制御してもよい。これにより、触媒からの原燃料の脱離が収束した後において過剰な酸素が供給されることを抑制できる。
【００１７】
制御部は、改質部に水蒸気を供給しない状態で起動モードを実行してもよい。これにより、制御部は、改質部での水蒸気改質が生じない状態で、調整部での酸素含有ガスの供給量を制御する起動モードを実行できる。
【００１８】
燃料供給経路は、炭素数２以上の炭化水素、または、アルコール類、を含む原燃料を供給してもよい。原燃料は、例えば、プロパンやブタンを主成分とするＬＰＧ（液化石油ガス）や灯油（ケロシン）が挙げられる。炭素数が２以上の物質を含む原燃料では、水蒸気改質触媒への吸着が起こりやすい。そのため、ＬＰＧ等を原燃料とする燃料電池システムでは、前述の起動モードによる効果がより大きい。
【００１９】
検出部は、原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報として、改質部の温度と相関のある情報を検出し、制御部は、検出部で検出した改質部の温度が所定の温度Ｔｒに到達した場合、調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させてもよい。これにより、簡易な構成で起動モードにおける酸素含有ガスの供給量を変化させるタイミングを判断できる。
【００２０】
検出部は、原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報として、オフガス燃焼部の温度と相関のある情報を検出し、制御部は、検出部で検出したオフガス燃焼部の温度Ｔｂの単位時間当たりの変化量が所定の値以下になった場合、調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させてもよい。これにより、簡易な構成で起動モードにおける酸素含有ガスの供給量を変化させるタイミングを判断できる。
【００２１】
制御部は、検出部で検出したオフガス燃焼部の温度Ｔｂの単位時間当たりの変化量がマイナスに転じた後に、温度Ｔｂが所定の温度Ｔｂ１以下になった場合、調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させてもよい。これにより、簡易な構成で起動モードにおける酸素含有ガスの供給量を変化させるタイミングを判断できる。
【００２２】
制御部は、検出部で検出したオフガス燃焼部の温度Ｔｂの単位時間当たりの変化量が温度Ｔｂ０でマイナスに転じた後に、温度Ｔｂが温度Ｔｂ０から所定の温度低い温度Ｔｂ１’以下になった場合、調整部での酸素含有ガスの供給量を変化させてもよい。これにより、簡易な構成で起動モードにおける酸素含有ガスの供給量を変化させるタイミングを判断できる。
【００２３】
本発明の別の態様は、燃料電池システムの制御方法である。この方法は、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードとの間に設けられた電解質と、を有するセルを複数積層したセルスタックを備える燃料電池システムの制御方法において、燃料電池システムを起動してから、カソードへの酸素含有ガスの供給とアノードへの原燃料または水素含有改質ガスの供給とを開始する工程と、セルスタックの上方に設けられたオフガス燃焼部で、原燃料または水素含有改質ガスと、酸素含有ガスとを燃焼させる工程と、オフガス燃焼部の燃焼熱を用いて、水蒸気改質触媒を有する改質部を加熱する工程と、改質部において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する工程と、情報を検出した後に、触媒を用いた原燃料の改質反応により水素含有改質ガスの生成を開始する工程と、を含む。
【００２４】
そして、燃料電池システムは、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料が脱離する前（期間Ａ）、原燃料が脱離中（期間Ｂ）、原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間（期間Ｃ）、のそれぞれの期間において、オフガス燃焼部に供給される原燃料を完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比（空気比）が所定の閾値を下回らない範囲で、かつ期間Ｂにおける空気比が期間Ａおよび期間Ｃにおける空気比よりも高くなるように、酸素含有ガスの供給量を制御する。
【００２５】
これにより、期間Ａ、期間Ｂ、期間Ｃのそれぞれの期間において、空気比が所定の閾値を下回らない範囲で酸素含有ガスの供給量を制御する。これにより、触媒に吸着した原燃料の脱離の前後で、原燃料の供給量が変動しても、適当な量の酸素含有ガスを供給できる。また、期間Ｂにおける空気比が期間Ａおよび期間Ｃにおける空気比よりも高くなるようにすることで、触媒に吸着した原燃料が脱離している段階での酸素含有ガス（例えば空気）の供給量を多くできるため、例えば、期間Ｂでのオフガス燃焼部の温度上昇が抑制され、ひいてはセルスタックの先端近傍の過剰な温度上昇も抑制される。そのため、燃料電池システムの起動時における燃料電池セルの劣化を抑制できる。
【００２６】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００２７】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。なお、本実施の形態では、固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）を例に説明する。また、一般的な固体酸化物形燃料電池システムと変わらない構造や動作についても説明を適宜省略する。
【００２８】
［燃料電池システム］
図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示した図である。図２は、実施の形態に係る燃料電池システムのブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池モジュール１０と、燃料電池モジュール１０に酸素含有ガスである空気Ｇ１を供給する酸素含有ガス供給経路１２と、改質水Ｗ１を供給する改質水供給経路１３と、ＬＰＧ等の原燃料ガスＧ２を供給する燃料供給経路１４と、燃料電池モジュール１０内での燃焼で生じた排ガスＧ３を外部へ向けて排出する排ガス経路１５と、改質部４０からアノードへ水素含有改質ガスを供給する水素含有改質ガス供給経路１６と、各経路に設けられている制御弁やポンプを制御する制御部１８と、を備える。
【００２９】
酸素含有ガス供給経路１２は、カソードへ供給する酸素含有ガス（酸化剤）の供給量を調整する酸素含有ガス供給部２０が設けられている。制御部１８は、酸素含有ガス供給部２０の駆動を制御することで、燃料電池モジュール１０への空気Ｇ１の供給量を調整する。酸素含有ガス供給部２０は、酸素含有ガスの供給量の精度を向上するために流量計や制御弁を備えてもよい。改質水供給経路１３は、調整弁、ポンプ、流量計等で構成される水供給部５２（図２参照）により改質水Ｗ１の流量を制御できるように構成されている。なお、酸素含有ガスは、空気以外にも酸素原子を含むガスの中から適宜選択してもよい。
【００３０】
燃料供給経路１４は、供給弁２２、流量計２４、圧力計２８およびフィードポンプ３０等で構成された水素含有燃料供給部５４（図２参照）が設けられている。制御部１８は、流量計２４や圧力計２８から取得した情報に基づいて、供給弁２２やフィードポンプ３０の動作を制御することで、燃料電池モジュール１０への原燃料ガスＧ２の供給量を適正に調整する。燃料供給経路１４の途中には改質水供給経路１３が接続されており、燃料供給経路１４は、改質部４０に原燃料ガスＧ２および改質水Ｗ１を供給するものである。なお、改質水供給経路１３と燃料供給経路１４とは、合流することなく各々改質部４０に接続されていてもよい（図２参照）。また、改質部４０の上流側に水気化部５６が設けられていてもよい。
【００３１】
なお、本実施の形態では、原燃料ガスＧ２としてＬＰＧが用いられている。ＬＰＧは、ブタンやプロパンを主成分としている。通常、ＬＰＧは、ガス漏れ対策として付臭剤を含んでいる。付臭剤は、硫黄成分を含んでいるため、付臭剤を含むガスをそのまま燃料電池の改質部へ供給すると、改質触媒が被毒し、性能が低下することになる。そこで、燃料供給経路１４には、改質部４０に供給される水素含有燃料の脱硫を行う脱硫部５０が更に接続されている。なお、水素含有ガスは、水素ガス、炭化水素ガス、水素原子を含むガス等の中から適宜選択してもよい。
【００３２】
［燃料電池モジュール］
燃料電池モジュール１０は、ＬＰＧ等の水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質部４０と、改質ガスを用いて発電を行うセルスタック４２と、セルスタック４２のカソードで用いられるカソードガスとしての空気Ｇ１を供給するカソードガス経路４４と、セルスタック４２の上方に設けられ、セルスタックのカソードを通過した酸素含有ガス（カソードオフガス）及びセルスタックのアノードを通過した水素含有改質ガスや原燃料ガス等（アノードオフガス）を燃焼して改質部４０を加熱する燃焼部４６と、改質部４０、セルスタック４２及び燃焼部４６を収納する筐体４８と、筐体４８の内部においてオフガスの燃焼排ガスを外部へ排出する排ガス経路４９と、を備える。改質部４０は、原燃料および水蒸気を用いてセルスタック４２のアノードに供給する水素含有改質ガスを生成する水蒸気改質触媒を有する。本実施の形態に係る燃焼部４６は、発電に利用されずにカソードを通過したカソードオフガスと、同じく発電に利用されずにアノードを通過したアノードオフガスと、を燃焼するオフガス燃焼部である。また、改質部４０は、燃焼部４６の上方に配置されている。
【００３３】
本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、改質部４０の所定の領域の温度を検出する温度検出部３２と、燃焼部４６の所定の領域の温度を検出する温度検出部３４と、を更に備える。温度検出部３２は、接触方式、非接触方式を問わず、改質部の温度と相関のある情報を直接または間接に検出できるものであればよい。また、温度検出部３４は、接触方式、非接触方式を問わず、燃焼部の温度と相関のある情報を直接または間接に検出できるものであればよい。具体的には、例えば、熱電対や放射温度計を用いることができる。このように、温度検出部３２や温度検出部３４は、改質部４０において水蒸気改質触媒に吸着した原燃料の脱離が収束した状態か否かと相関のある情報を検出する検出部として機能する。
【００３４】
セルスタック４２は、図２に示すように、水素含有ガスが供給されるアノード１０２と、酸素含有ガスが供給されるカソード１０４と、アノード１０２とカソード１０４との間に設けられた電解質１０６と、を有するセルが複数直列および／または並列に接続されている。セルスタック４２で発電された電気は、パワーコンディショナー５８を介して外部へ出力される。
【００３５】
［起動モード］
次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の起動モードにおける各部の動作について、タイミングチャートやフローチャートを用いて説明する。図３は、起動モードにおいて各部に供給される空気Ｇ１、原燃料ガスＧ２および改質水Ｗ１の変化を示す図である。図４は、起動モードにおいて改質部から脱離する原燃料ガスの変化を示す図である。図５は、起動モードにおいて改質部および燃焼部の所定領域の温度変化を示す図である。図６は、実際に改質部に投入される原燃料ガスの流量の変化と、改質部に吸着し脱離する原燃料ガスを考慮した原燃料ガスの流量の変化とを示す図である。図７は、起動モードにおける空気比（脱離ガスを考慮しない値および脱離ガスを考慮した値）の変化を示す図である。
【００３６】
燃料電池システム１００は、装置が起動されると起動モードが制御部１８で実行される。具体的には、制御部１８は、図３のラインＬ１に示すように、時間ｔ１においてセル１１０のカソードに空気Ｇ１の供給を開始するように酸素含有ガス供給部２０を制御する。次に、制御部１８は、図３のラインＬ２に示すように、時間ｔ２において改質部４０に原燃料ガスＧ２の供給を開始するように供給弁２２やフィードポンプ３０等を制御する。また、制御部１８は、図３のラインＬ３に示すように、改質部４０における水蒸気改質反応が適切に可能となる時間ｔ５において、改質水Ｗ１の供給が開始されるように各部を制御する。
【００３７】
ここで、改質部４０に原燃料ガスＧ２が供給され始めると、改質部４０の水蒸気改質触媒に原燃料ガスが吸着する。そのため、改質部４０への原燃料ガスＧ２の供給が開始されてしばらくは、改質部４０から出てくる原燃料ガスＧ２はゼロ若しくは供給された原燃料ガスの量よりも非常に少なくなる。改質部４０の触媒への原燃料ガスＧ２の吸着が飽和に近づくと、燃焼部４６へと原燃料ガスＧ２が供給される。その後、時間ｔ３の少し前に燃焼部４６でのオフガスの燃焼が開始し、燃焼部４６の所定領域の温度が上昇し始める（図５のラインＬ４参照）。燃焼部４６の温度上昇に伴い、改質部４０の温度も上昇するため、改質部４０の触媒に一度吸着した原燃料ガスＧ２が脱離し始め、徐々にその量が増大する（図４の時間ｔ３の前後）。
【００３８】
時間ｔ３からしばらくの間、原燃料ガスの量（図６のラインＬ５）は、改質部４０に供給された原燃料ガスの量（図６のラインＬ６）に、それまで改質部４０の触媒に吸着していた原燃料ガスが脱離した量（図６のラインＬ７）を加えたものになる。そのため、改質部４０に供給される原燃料ガスの量をそれまでと同じにしたままであると、燃焼部４６で燃焼に用いられる原燃料ガスが過大となる。その結果、燃焼部４６の下部にあるセル１１０先端の温度が所望の範囲を超えて高温になるおそれがあり、セルの劣化を招く一因となる。
【００３９】
そこで、本実施の形態では、起動モードにおいて原燃料ガスＧ２や空気Ｇ１の供給量を適切に制御することで、燃料電池セルの劣化の抑制を実現している。
【００４０】
具体的には、制御部１８は、図３に示すように、時間ｔ３において原燃料ガスＧ２の供給量を減少させるとともに空気Ｇ１の供給量を増加させている。その後、時間ｔ４において再度空気Ｇ１の供給量を減少させている。また、原燃料ガスＧ２および空気Ｇ１の供給量は、図７に示すように、空気比が所定の閾値を下回らない範囲で、制御されている。所定の閾値は、燃焼部４６で失火しない空気比の値（例えば、１．３以上の任意の値）とするとよい。これにより燃料電池システム１００の、少なくとも起動開始から時間ｔ５までのそれぞれの期間において失火を抑制できる。なお、図７に示すラインＬ８は、燃焼部に供給される空気Ｇ１の量と、改質部４０に供給される原燃料ガスＧ２の量とから算出される理論空気比であり、ラインＬ９は、改質部４０から脱離した原燃料ガスを加味した実際の空気比である。以下では、ラインＬ９で示す空気比を例に説明する。
【００４１】
このように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の制御部１８は、改質部４０の水蒸気改質触媒に吸着した原燃料ガスが脱離する前（期間Ａ：図３、図４、図７参照）、原燃料が脱離中（期間Ｂ：同上）、検出部において原燃料の脱離が収束した状態と相関のある情報を検出してから改質部への改質水の供給を開始するまでの間（期間Ｃ：同上）、のそれぞれの期間において、燃焼部４６に供給される原燃料ガスを完全燃焼させるために理論的に必要な酸素量に対する実際に供給される酸素量の比（空気比）が所定の閾値を下回らない範囲で、酸素含有ガス供給部２０での空気Ｇ１の供給量を制御する。これにより、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料ガスの脱離の前後で、燃焼部４６への原燃料ガスの供給量が変動しても、適当な量の空気を供給できる。
【００４２】
また、制御部１８は、期間Ｂにおける空気比が期間Ａおよび期間Ｃにおける空気比よりも高くなるように、酸素含有ガス供給部２０での酸素含有ガスの供給量を制御している。期間Ｂは、燃焼部４６による燃焼が行われているタイミングであり、原燃料ガスの脱離している期間Ｂにおいても原燃料ガスの供給量が変わらないとすると、セル１１０先端の温度が過剰に高温になるおそれがある。そこで、本実施の形態では、期間Ｂにおける空気Ｇ１の供給量を増加させ空気比を高くしている。これにより、燃焼に用いられない空気が増加するため、その空気によりセル１１０先端を冷却できる。なお、本実施の形態では、時間ｔ３において、原燃料ガスＧ２の供給量が低減されている。
【００４３】
このように、制御部１８は、期間Ｂにおける空気比が期間Ａおよび期間Ｃにおける空気比よりも高くなるように各部を制御することで、水蒸気改質触媒に吸着した原燃料ガスが脱離している段階での空気の供給量を多くできる。そのため、期間Ｂでの燃焼部４６の温度上昇が抑制され、ひいてはセルスタック４２の先端近傍の過剰な温度上昇も抑制される。そのため、燃料電池システム１００の起動時におけるセル１１０の劣化を抑制できる。
【００４４】
その後、制御部１８は、原燃料ガスの脱離が収束した状態と相関のある情報が検出された場合、図３に示す時間ｔ４において、カソードに供給する空気の流量Ｆ１を、それまでにカソードに供給されていた空気の流量Ｆ２よりも低い値になるように、酸素含有ガス供給部２０を制御する。これにより、水蒸気改質触媒からの原燃料ガスの脱離が収束した後において過剰な酸素が供給されることを抑制できる。
【００４５】
ここで、原燃料ガスの脱離が収束した状態と相関のある情報とは、例えば、改質部４０の所定領域の温度が所定の温度Ｔｒに到達した場合が挙げられる。燃焼部４６での燃焼の開始に伴い改質部４０の出口温度が徐々に上昇する。その際、改質部４０での原燃料ガスの脱離も進行している。つまり、改質部４０の出口温度を温度検出部３２で測定することで、原燃料ガスの脱離の進行がどの程度か推測することができる。そこで、予め改質部４０の温度と原燃料ガスの脱離の進行の度合いとの関係を求めておくことで、原燃料ガスの脱離が収束した状態か否かを推定することができる。なお、原燃料ガスの脱離の進行とは、単位時間当たりの脱離量の増減ではなく、触媒に吸着していた全原燃料ガスに対して、触媒から脱離した原燃料ガスの脱離量の累積がどの程度に達しているかを示す指標と捉えることができる。
【００４６】
なお、原燃料ガスの脱離が収束した状態とは、例えば、原燃料ガスの脱離が完全に生じなくなった場合や、原燃料ガスの吸着と脱離がつり合った結果、脱離量が見かけ上ゼロになった場合も含まれる。また、原燃料ガスの脱離量がピークアウトして、ピークのＸ％以下になった状態も含まれる。ここで、Ｘ％は、６０％以下、好ましくは５０％以下、より好ましくは３０％以下の範囲で適宜選択されていてもよい。
【００４７】
本実施の形態に係る制御部１８は、温度検出部３２により改質部４０の温度Ｔｒが７０度に到達したことが検出されると（図５のラインＬ１０）、原燃料ガスの脱離が収束した状態と推定されるため、一度増加させた空気Ｇ１の供給量を時間ｔ４において再度低減させるように酸素含有ガス供給部２０を制御する。このように、制御部１８は、温度検出部３２といった簡易な構成で起動モードにおける空気の供給量を変化させるタイミングを判断できる。なお、温度Ｔｒは、４０〜１００℃の範囲で設定されていてもよい。また、温度Ｔｒは、５０〜９０℃の範囲で設定されていてもよい。また、温度Ｔｒは、６０〜８０℃の範囲で設定されていてもよい。
【００４８】
空気Ｇ１の供給量が減少すると、図４に示す時間ｔ５において、十分加熱された改質部４０に改質水Ｗ１が改質水供給経路１３や燃料供給経路１４を経由して供給される。このように、制御部１８は、改質部４０に水蒸気（改質水Ｗ１）を供給しない状態で起動モードを実行する。
【００４９】
なお、燃料電池システム１００は、原燃料ガスの脱離が収束した状態か否かと相関のある情報として、燃焼部４６の所定領域の温度Ｔｂを検出する温度検出部３４を備えている。制御部１８は、温度検出部３４で検出した燃焼部４６の温度Ｔｂの単位時間当たりの変化量が所定の値以下になった場合、つまり、燃焼部４６の温度が安定した場合、一度増加させた空気Ｇ１の供給量を再度低減させるように酸素含有ガス供給部２０を制御する。このように、制御部１８は、温度検出部３４といった簡易な構成で起動モードにおける空気の供給量を変化させるタイミングを判断できる。温度Ｔｂは、例えば、４００℃から９００℃の範囲の値である。
【００５０】
また、変形例として、制御部１８は、温度検出部３４で検出した燃焼部４６の温度Ｔｂの単位時間当たりの変化量がマイナスに転じた後に、温度Ｔｂが所定の温度Ｔｂ１以下になった場合、一度増加させた空気Ｇ１の供給量を再度低減させるように酸素含有ガス供給部２０を制御させてもよい。これにより、燃焼部４６の温度がピークアウトした後の適切な温度において空気の供給量を変化させることができる。つまり、燃焼部４６の温度が上昇し続けているタイミングで空気の供給量を変化させてしまうといった誤動作を抑制できる。
【００５１】
また、他の変形例として、制御部１８は、温度検出部３４で検出した燃焼部４６の温度Ｔｂの単位時間当たりの変化量が温度Ｔｂ０でマイナスに転じた後に、温度Ｔｂが温度Ｔｂ０から所定の温度低い温度Ｔｂ１’以下になった場合、一度増加させた空気Ｇ１の供給量を再度低減させるように酸素含有ガス供給部２０を制御してもよい。これにより、起動モードにおける燃焼部４６の最高温度がシステムの個体差によってばらついても、個体に応じた適切なタイミングで空気Ｇ１の供給量を変化させることができる。
【００５２】
図８は、本実施の形態に係る起動モードを示すフローチャートである。起動モードが開始されると（Ｓ１０）、カソードへの空気Ｇ１の供給とアノードへの原燃料ガスＧ２の供給が開始される（Ｓ１２、Ｓ１４）。その後、セルスタックの上方に設けられた燃焼部４６で、原燃料ガスＧ２と空気Ｇ１とを燃焼させ、その燃焼熱を用いて改質部４０が加熱される（Ｓ１６）。その直後、カソードへの空気Ｇ１の供給量を増加させるとともに、改質部４０への原燃料ガスＧ２の供給量を低減させることで、空気比を増加させる制御が行われる（Ｓ１８）。
【００５３】
その後、温度検出部３２で改質部４０の温度Ｔｒが検出され（Ｓ２０）、温度Ｔｒが７０℃以上か否かが判定される（Ｓ２２）。温度Ｔｒが７０℃未満の場合（Ｓ２２のＮｏ）、ステップＳ２０に戻る。一方、温度Ｔｒが７０℃以上の場合（Ｓ２２のＹｅｓ）、カソードへの空気Ｇ１の供給量を低減させることで、空気比を減少させる制御が行われ（Ｓ２４）、起動モードが終了する。その後、所定のタイミングで改質部４０へ改質水Ｗ１が供給され、水蒸気改質により生成された水素を利用してセルスタック４２での発電が行われる。
【００５４】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００５５】
Ｆ１  流量、  Ｇ１  空気、  Ｗ１  改質水、  Ｆ２  流量、  Ｇ２  原燃料ガス、  Ｇ３  排ガス、  １０  燃料電池モジュール、  １２  酸素含有ガス供給経路、  １３  改質水供給経路、  １４  燃料供給経路、  １５  排ガス経路、  １６  水素含有改質ガス供給経路、  １８  制御部、  ２０  酸素含有ガス供給部、  ３２，３４  温度検出部、  ４０  改質部、  ４２  セルスタック、  ４４  カソードガス経路、  ４６  燃焼部、  １００  燃料電池システム、  １０２  アノード、  １０４  カソード、  １０６  電解質、  １１０  セル。
【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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