(57)【要約】【課題】改質部のアノード流体を燃料電池のアノードに供給開始する供給開始時において、有害成分低減部の作動の安定性を高めるのに有利な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料原料から改質反応によりアノード流体を生成する改質部３４と、改質部３４で生成されたアノード流体の有害成分を低減させる有害成分低減部５Ａと、有害成分が低減されたアノード流体が供給されるアノードとカソード流体が供給されることにより発電する燃料電池１と、有害成分低減部５Ａの温度を計測する温度計測手段と、有害成分低減部５Ａの温度を調整可能な温度調整部４と、起動した改質部３４と燃料電池１のアノードとを連通させることにより、改質部３４で生成されたアノード流体を燃料電池１のアノードに供給開始する供給開始時において、有害成分低減部５Ａの目標温度を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令を温度調整部４に出力する制御部５００とを有する。【選択図】図１
2009231120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料原料から改質反応によりアノード流体を生成する改質部を有する改質装置と、
前記改質部で生成された前記アノード流体の有害成分を低減させる有害成分低減部と、
前記有害成分が低減された前記アノード流体とカソード流体とにより発電する燃料電池と、
前記有害成分低減部の温度を計測する温度計測手段と、
前記有害成分低減部の温度を調整可能な温度調整部と、
起動した前記改質部と前記燃料電池の前記アノードとを連通させることにより、前記改質部で生成された前記アノード流体を前記燃料電池の前記アノードに供給開始する供給開始時において、基準温度を設定し、前記有害成分低減部の目標温度を前記基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令を出力して前記温度調整部を温度調整することにより前記有害成分低減部を温度調整する制御部とを具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記制御部は、前記改質部を起動させるとき、前記第１指令における前記有害成分低減部の前記目標温度よりも前記有害成分低減部の温度を高温とさせるように、前記改質部を昇温させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記制御部は、前記第１指令を出力した後に、前記有害成分低減部の前記目標温度を前記一定温度幅の下限温度よりも低下させる第２指令を出力して前記温度調整部を温度調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記温度調整部は、液相および／または気相状の水が流れる第１通路と前記改質部から前記有害成分低減部に向けて前記アノード流体が流れる第２通路とを熱交換させる熱交換部とを有しており、
前記温度調整部は、前記熱交換部の前記第１通路を流れる水の冷却能力により前記有害成分低減部の温度を調整可能とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜３のうちの一項において、前記温度調整部の温度調整能力を調整できる２次温度調整部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５において、前記２次温度調整部は、液相状の水を加熱して蒸気化させる蒸発部と、前記蒸発部を加熱する燃焼部と、前記液相状の水を前記蒸発部に供給する給水源とを有しており、単位時間当たりの前記給水源の給水量、前記燃焼部の燃焼のうちの少なくとも一つを前記制御部が制御することにより、前記２次温度調整部が前記温度調整部を調整する能力を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４〜６のうちの一項において、前記熱交換部の前記第１通路を流れる前の水の状態、前記第１通路を流れている水の状態、および、前記第１通路を流れた後の水の状態の少なくとも一つを直接的または間接的に計測する水状態計測手段を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料原料から改質反応によりアノードガスを生成する改質部を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料原料から改質反応によりアノードガスを生成する改質装置が提供されている（特許文献１）。この改質装置は、燃料原料から改質反応によりアノードガスを生成する改質部と、改質部で生成されたアノードガスに含まれている有害成分としての一酸化炭素をシフト反応により低減させるＣＯシフト部と、ＣＯシフト部を経てアノードガスに含まれる一酸化炭素を酸素と結合させて二酸化炭素として低減させるＣＯ酸化除去部と、ＣＯシフト部を温度調整する熱交換部と、熱交換部に水蒸気化された水を供給する給水部とを備えている。熱交換部は、互いに熱交換可能な第１通路と第２通路とをもつ。ＣＯシフト部およびＣＯ酸化除去部により、有害成分低減部が構成される。第１通路を流れる相対的に低温の水と、改質部から第２通路を流れて有害成分低減部に向かう相対的に高温のアノードガスとを熱交換させる。これによりアノードガスを冷却して有害成分低減部に供給する。このようにすれば有害成分低減部に流入されるアノードガスの温度が適温域となるため、有害成分低減部における浄化性能が確保される。
【０００３】
また、特許文献２では、ＣＯシフト部（変性触媒部）を流れるアノードガスと、改質反応に使用される原料水とをＣＯシフト部において熱交換させる燃料処理装置が開示されている。このものによれば、ＣＯシフト部の温度を計測する温度センサを設け、ＣＯシフト部の温度に基づいて、原料水の供給量を制御している。
【特許文献１】特開２００４−１１５３２１号公報
【特許文献２】特開２００４−６０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電を開始させるには、まず、改質部を起動させる。その後、改質部で形成されたアノードガスを燃料電池のアノードに供給開始させると共に、カソードガスを燃料電池のカソードに供給開始させる。このように燃料電池を発電運転を開始するとき、起動した改質部と燃料電池のアノードとを連通させる。これにより改質部で生成されたアノードガスを燃料電池のアノードに供給開始する供給開始操作を実行する。
【０００５】
このような供給開始直後において、ＣＯシフト部の温度が高温側および低温側に繰り返してハンチング的に変動したり、ＣＯシフト部の温度がこれの活性温度領域よりも低下したりするおそれがある。改質部の起動運転（燃料電池は非発電）から燃料電池の発電運転に突然に切り替わるためである。この場合、上記した供給開始直後に、ＣＯシフト部の作動の安定化が損なわれるおそれがある。この場合、ＣＯシフト部におけるシフト反応に影響を与える。結果として、アノードガスに含まれる有害成分（例えば一酸化炭素）の除去性に影響を与えるおそれがあり、好ましくない。アノードガスに含まれている有害成分は、燃料電池の発電性能に影響を与えることがある。
【０００６】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、起動した改質部と燃料電池のアノードとを連通させることにより、改質部で生成されたアノード流体を燃料電池のアノードに供給開始する供給開始時において、ＣＯシフト部やＣＯ酸化除去部等といった有害成分を浄化させる有害成分低減部の浄化性能を高めるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料原料から改質反応によりアノード流体を生成する改質部を有する改質装置と、改質部で生成されたアノード流体の有害成分を低減させる有害成分低減部と、有害成分が低減されたアノード流体とカソード流体とにより発電する燃料電池と、有害成分低減部の温度を計測する温度計測手段と、有害成分低減部の温度を調整可能な温度調整部と、起動した改質部と燃料電池のアノードとを連通させることにより、改質部で生成されたアノード流体を燃料電池のアノードに供給開始する供給開始時において、基準温度を設定し、基準温有害成分低減部の目標温度を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令を出力して温度調整部を温度調整することにより有害成分低減部を温度調整する制御部とを具備することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、改質部を起動させ、その後、起動した改質部と燃料電池のアノードとを連通させることにより、改質部で生成されたアノード流体を燃料電池のアノードに供給開始する。このような供給開始時において、制御部は、基準温度を設定し、有害成分低減部の目標温度を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令を温度調整部に出力する。これにより供給開始時において、有害成分低減部が温度調整部により温度調整され、有害成分低減部の温度が安定化される。この結果、改質部で生成されたアノード流体を燃料電池のアノードに供給開始する供給開始時において、アノード流体に含まれる有害成分を浄化させる有害成分低減部の浄化性能の安定性を高めることができる。
【０００９】
本発明によれば、改質部は、燃料原料から改質反応によりアノード流体（一般的には水素含有ガスまたは水素ガス）を生成するものである。有害成分低減部は、改質部で生成されたアノード流体の有害成分を低減させるものである。有害成分としては、アノードガスに含有されている一酸化炭素が挙げられる。有害成分低減部は、一酸化炭素をＨ２Ｏによるシフト反応により低減させる方式でも良いし、一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素とすることにより低減させる方式でも良いし、一酸化炭素と水素とを反応させてメタンを形成するメタネーション反応により一酸化炭素を低減させる方式でも良い。
【００１０】
燃料電池は、有害成分が低減されたアノード流体とカソード流体とにより発電するものである。温度計測手段は、有害成分低減部の実際の温度を計測する。温度調整部は、有害成分低減部の温度を調整可能であり、有害成分低減部を昇温させたり降温させたりできれば、構造を問わない。温度調整部は、気相状の水と液相状の水とが混合した気液混合流体の冷却能力で有害成分低減部を温度調整する方式、あるいは、電気ヒータで有害成分低減部を温度調整する方式、あるいは、燃焼火炎を用いて有害成分低減部を温度調整する方式としても良い。温度調整部において気液混合流体が用いられる場合には、気相状の水と液相状の水との混合比率により、温度調整部の温度調整能力は変化する。液相状の水が蒸気化するとき、蒸発潜熱を奪う。従って、気液混合流体において液相状の水の比率が高いときには、温度調整部の冷却能力が向上する方向に調整される。気液混合流体において気相状の水の比率が高いときには、温度調整部の冷却能力は低下方向に調整される。
【００１１】
制御部は、起動した改質部と燃料電池のアノードとを連通させることにより、改質部で生成されたアノード流体を燃料電池のアノードに供給開始する供給開始させる。このようなアノード流体の供給開始時において、制御部は、有害成分低減部の温度の安定性を図るべく、有害成分低減部の目標温度を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令を出力する。この場合、制御部は、有害成分低減部の目標温度を基準温度に対して一定温度幅以内とするように、所定時間設定することが好ましい。所定時間は、改質部の起動状態、燃料電池システムの種類、用途などに応じて適宜選択され、１０秒〜５時間の範囲内、３０秒〜３時間の範囲内、６０秒〜１０分間の範囲内、５分間〜４０分間の範囲内が例示される。但しこれに限定されるものではない。基準温度は、改質部および有害成分除去部の運転状況に応じて任意に設定できる。基準温度は、供給開始時における有害成分除去部の計測された温度よりも低い温度とすることが好ましい。基準温度は、改質部の起動状態、燃料電池システムの種類、用途などに応じて適宜選択され、供給開始時における有害成分除去部の温度よりも、例えば０．５℃〜５０℃の低い温度、１℃〜３０℃低い温度、２℃〜２０℃低い温度とすることができる。また、基準温度を、燃料電池の定常運転時における最低負荷時の目標温度以上に設定しても良い。一般的には、定常運転とは日常的な運転を意味し、起動運転以外の定常的な運転（例えば、燃料電池で負荷を作動させている発電運転）をいう。
【００１２】
本発明によれば次の態様が採用できる。好ましくは、制御部は、改質部を起動させるとき、第１指令における有害成分低減部の目標温度よりも有害成分低減部の温度を高温とさせるように、改質部を速い昇温速度で昇温させる。この場合、改質部の温度を短時間に改質温度領域に到達させることができる。但し、上記した供給開始直後（燃料電池の発電開始直後）において、および／または、改質装置の起動終了時において、有害成分低減部の温度が高温側および低温側にハンチング的に繰り返して変動したり、これの活性温度領域よりも低下したりするおそれが発生し易く、有害成分低減部の実際の温度の安定性が損なわれ易い。従って、このような供給開始時において、制御部は、有害成分低減部の目標温度を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令を出力して温度調整部を温度調整する。これにより供給開始時において有害成分低減部の実際の温度の安定性が向上する。
【００１３】
更に、好ましくは、制御部は、第１指令を出力した後に、有害成分低減部の目標温度を一定温度幅の下限よりも低下させる第２指令を出力し、温度調整部を温度調整する。従って、改質部を起動させるとき、改質部の昇温速度が速いため、第１指令における有害成分低減部の目標温度よりも有害成分低減部の実際の温度が高温となってしまう場合においても、有害成分低減部の温度を安定化させることができる。
【００１４】
好ましくは、温度調整部は、液相状および／または気相状の水が流れる第１通路と改質部から有害成分低減部に向けてアノード流体が流れる第２通路とを熱交換させる熱交換部を有する。この場合、温度調整部は、熱交換部の第１通路を流れる水の冷却能力により有害成分低減部の温度を調整可能とすることができる。給水源は、熱交換部に液相状および／または気相状の水を供給するものであれば良く、ポンプ、コンプレッサなどが採用される。
【００１５】
好ましくは、温度調整部は、水が流れる第１通路と改質部から有害成分低減部に向けてアノード流体が流れる第２通路とを熱交換させる熱交換部とを有しており、温度調整部は、熱交換部の第１通路を流れる水の冷却能力により有害成分低減部の温度を調整可能とする。
【００１６】
好ましくは、温度調整部の温度調整能力を調整できる２次温度調整部が設けられている。この場合、温度調整部の温度調整能力は、２次温度調整部により調整される。
【００１７】
２次温度調整部は、液相状の水を加熱して蒸気化させる蒸発部と、蒸発部を加熱する燃焼部と、液相状の水を蒸発部に供給する給水源とを有しており、単位時間当たりの給水源の給水量、燃焼部の燃焼のうちの少なくとも一つを制御することにより、２次温度調整部が温度調整部を調整する能力が調整される。この場合、温度調整部は、熱交換部の第１通路を流れる水の冷却能力により有害成分低減部の温度を調整可能とすることができる。給水源は、前述したように、熱交換部に液相状および／または気相状の水を供給するものであれば良く、ポンプ、コンプレッサなどが採用される。
【００１８】
好ましくは、熱交換部の第１通路を流れる前の水の状態、第１通路を流れている水の状態、および、第１通路を流れた後の水の状態の少なくとも一つを直接的または間接的に計測する水状態計測手段が設けられている。水の状態とは、水における気相状の水と液相状の水との混合比率を意味する。水における液相状の水の比率が多いときには、液相状の水が気相状の水になるときの蒸発潜熱を積極的に利用できるため、水の冷却能力が高い。水における気相状の水の比率が多いときには、液相状の水が気相状の水になるときの蒸発潜熱の量が減少するため、水の冷却能力が低い。
【００１９】
水状態計測手段は、温度センサ、圧力センサが挙げられる。水において気相状の水の比率が高いときには、温度、圧力が増加する。水において気相状の水の比率が低いときには、温度、圧力が低下する。従って温度および／または圧力により水の状態（気液混合比率）が計測される。
【００２０】
好ましくは、水状態計測手段で計測された水の状態（気液混合比率）に基づく冷却能力が所定値になったとき、制御部は、第１指令から第２指令に切り替える。この場合、第２指令に基づいて、有害成分低減部の温度を低下させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明に係る燃料電池システムによれば、改質装置を起動させ、起動した改質装置と燃料電池のアノードとを連通させることにより、改質装置で生成されたアノード流体を燃料電池のアノードに供給開始する供給開始操作を実施する。このような供給開始時（燃料電池の発電開始時）において、一酸化炭素等の有害成分を浄化させる有害成分低減部の温度の安定性が向上する。この結果、供給開始直後において、および／または、改質装置の起動終了時において、有害成分低減部の温度が高温側および低温側に繰り返してハンチング的に変動したり、有害成分低減部の温度がこれの活性温度領域よりも低下したりすることが抑制される。したがって、アノード流体の供給開始時（燃料電池の発電開始時）から、有害成分低減部の浄化性能が良好に維持される。このためアノード流体に含まれる有害成分の濃度が低減される。よって燃料電池の耐久性の向上、燃料電池の長寿命化に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１〜図３を参照して具体的に説明する。図１は、本実施形態は定置用の燃料電池システムの概念を示す。燃料電池システムは、改質用燃料（燃料原料）と水（水蒸気）との改質反応によりアノードガス（水素含有ガス）を生成する改質部３４と、改質部３４で生成されたアノードガスの有害成分を低減させる有害成分低減部５Ａ（一酸化炭素浄化部）と、互いに熱交換可能な第１通路４ａと第２通路４ｃとをもつ熱交換部４とを備えている。改質部３４は、改質反応を促進させる改質触媒を有する。
【００２３】
燃焼部３０で加熱される蒸発部３６が設けられている。蒸発部３６は、気液混合流体発生部として機能するものであり、燃焼部３０で加熱されており、液相の水および気相の水を含む気液混合流体を発生させる。さらに、液相状の水である原料水を蒸発部３６に供給するポンプ２７ｍ（給水源）が設けられている。蒸発部３６で生成された気液混合流体（水）は、水蒸気通路３００（水通路）を介して熱交換部４に向かう。
【００２４】
燃焼部３０は、蒸発部３６および改質部３４に隣設されており、蒸発部３６を加熱すると共に改質部３４を加熱する。蒸発部３６に供給された原料水（液相状の水）は、蒸発部３６において水蒸気化される。水蒸気化した水は、蒸発部３６と熱交換部４とを繋ぐ水蒸気通路３００（水搬送通路）を介して、熱交換部４の第１通路４ａに流れる。水蒸気通路３００には、燃料通路６２を流れるガス状の燃料原料（例えば炭化水素系のガス）と合流する合流域Ｍ１が設けられている。従って、水蒸気通路３００において合流域Ｍ１よりも上流では、一般的には、液相の水と気相の水とが混合した気液混合流体が流れる。水蒸気通路３００において合流域Ｍ１よりも下流では、液相の水と気相の水と改質用の燃料原料（ガス）とが混合した気液混合流体が熱交換部４の第１通路４ａを流れる。改質部３４で生成されたアノードガスは、熱交換部４の第２通路４ｃを流れてＣＯシフト部５に向かう。合流域Ｍ１には、第２温度計測手段として機能する温度センサ６５が設けられている。従って合流域Ｍ１の温度Ｔ１は、温度センサ６５で計測される。温度センサ６５の計測信号は制御部５００に入力される。
【００２５】
熱交換部４は、ＣＯシフト部５の温度を調整できる温度調整部として機能するものであり、第１通路４ａを流れる相対的に低温（例えば７０〜１２０℃）の気液混合流体と、第２通路４ｃを流れて改質部３４から有害成分低減部５ＡのＣＯシフト部５に向かう相対的に高温のアノードガス（例えば３００〜９００℃）とを熱交換させる。これにより改質部３４で生成された直後の高温のアノードガスを、熱交換部４における熱交換により冷却でき、有害成分低減部５ＡのＣＯシフト部５に供給する。
【００２６】
有害成分低減部５Ａは、改質部３４で生成されたアノードガスの有害成分（一般的には、一酸化炭素）を低減させるものである。有害成分が低減されたアノードガスはアノードガスとして燃料電池１（スタック）に供給され、カソードガスと共に発電反応に使用される。燃料電池１は固定高分子膜型であり、複数のシート型の膜電極接合体を積層した構造、あるいは、複数の筒形の膜電極接合体を組み込んだ構造をもつ。有害成分低減部５Ａは、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させるＣＯシフト部５と、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変化させるＣＯ酸化除去部３７とを備えている。ＣＯシフト部５におけるシフト反応は（Ａ）のようである。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２（発熱反応）…（Ａ）
ＣＯ酸化除去部３７における酸化反応は（Ｂ）のようである。
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２（発熱反応）…（Ｂ）
上記したＣＯシフト部５は一般的には、シフト反応を促進させるシフト触媒を有する。ＣＯ酸化除去部３７は、一般的には、酸化反応を促進させる酸化触媒を有する。ＣＯ酸化除去部３７の出口と燃料電池１のアノードの入口との間には、バルブ２５ｅが設けられている。
【００２７】
有害成分低減部５Ａの主要要素を占めるＣＯシフト部５には、温度計測手段として機能する温度センサ５５が設けられている。従ってＣＯシフト部５の温度Ｔ２は、温度センサ５５で計測される。温度センサ５５の計測信号は制御部５００に入力される。ここで、ＣＯシフト部５の活性温度域は、改質部３４で生成された直後のアノードガスの温度（例えば３００超〜９００℃）よりも低い。例えば、ＣＯシフト部５の活性温度域は一般的には２００〜３５０℃の範囲内であり、ＣＯ酸化除去部３７の活性温度域は一般的には８０〜２５０℃の範囲内である。但し、活性温度域はこれに限定されるものではない。
【００２８】
改質部３４で生成された高温のアノードガス（水素含有ガス）をＣＯシフト部５に供給するにあたり、アノードガスを適温域に冷却し、そのアノードガスをＣＯシフト部５に供給することが好ましい。アノードガスが適温域とされていないと、有害成分低減部５Ａにおける一酸化酸素の浄化能力が充分に発揮されないおそれがある。
【００２９】
そこで本実施形態によれば、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水（液相および／または気相，アノードガスよりも低温）と、熱交換部４の第２通路４ｃを流れる相対的に高温のアノードガスとを積極的に熱交換させる。これにより熱交換部４の第２通路４ｃを介してＣＯシフト部５に向けて流れるアノードガスは、ＣＯシフト部５に流入する前の段階で冷却される。ひいてはＣＯシフト部５が温度調整される。
【００３０】
ここで、仮に熱交換部４の第１通路４ａに流れる水において気相の比率が過剰に高いと、液相が過少であるため、液相状の水の水蒸気化による蒸発潜熱（気化熱）が小さく、ひいては水の冷却能力が低下し、熱交換部４の第１通路４ａを流れる気液混合流体による冷却能力（熱交換能力）が低下するおそれがある。この場合、熱交換部４が過剰に昇温し、ＣＯシフト部５に供給されるアノードガスが過剰に昇温化し、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が過剰に高くなるおそれがある。その反面、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水の液相の比率が過剰に高いと、液相状の水による蒸発潜熱（気化熱）が過剰に増加し、第１通路４ａを流れる気液混合流体（水）の冷却能力が過剰となり、結果として、ＣＯシフト部５に流れるアノードガスの温度が低温化し、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２がこれの活性温度域に対して相対的に低めとなるおそれがある。この場合、ＣＯシフト部５の浄化性能が損なわれるおそれがある。
【００３１】
そこで本実施形態によれば、燃料電池１が定常運転（例えば定格運転）するときにおいて、制御部５００は、制御則１として、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２を温度センサ５５により計測し、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が活性温度域となるように、燃焼部３０に供給される燃焼用燃料および燃焼用空気の単位時間当たりの流量、更にはポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数（単位時間あたりの水搬送量）のうちの少なくとも一つを制御している。これにより燃料電池１が定常運転（例えば定格運転）されるときにおいて、燃焼部３０の燃焼を制御し、蒸発部３６で発生する気液混合流体における液相／気相の比率を適度に設定し、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２がＣＯシフト部５に保持されているシフト触媒の活性温度域となるようにしている。このように熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の気液混合状態（液相／気相の比率）を適度に設定し、その気液混合流体を熱交換部４の第１通路４ａに供給することにしている。これにより熱交換部４の第１通路４ａによる冷却能力（熱交換能）が良好に維持され、ひいては熱交換部４の熱交換量が良好に維持され、これにより有害成分低減部５ＡのＣＯシフト部５における浄化性能が充分に発揮できる。
【００３２】
上記した本実施形態によれば、温度調整部である熱交換部４２の温度を調整する２次温度調整部は、液相状の水を加熱して蒸気化させる蒸発部３６と、蒸発部３６を加熱する燃焼部３０と、液相状の水を蒸発部３６に供給するポンプ２７ｍ（給水源）とで形成されている。単位時間当たりのポンプ２７ｍの給水量、燃焼部３０の燃焼のうちの少なくとも一つを制御することにより、熱交換部４（温度調整部）の温度を調整することができる。燃焼部３０の燃焼は、燃焼部３０に供給される燃焼用燃料および／または燃焼用空気の単位時間当たりの流量を制御することにより行われる。
【００３３】
さて、燃料電池１の発電運転を開始するときにおける制御について説明する。燃料電池１の発電運転を開始するとき、停止している改質装置２を予め起動させ、改質部３４の温度を次第に昇温させる。この場合、燃焼部３０に燃焼用燃料および燃焼用空気を供給し、燃焼部３０で燃焼させる。従って、燃焼部３０で加熱される改質部３４が改質可能となるように高温領域に加熱される。すなわち、燃焼部３０の温度を燃料電池１の定常運転時における定格運転時の目標温度よりも高い起動時目標温度で制御する起動時制御を実施する。
【００３４】
このように改質装置２を起動させるとき、制御部５００は、後述する第１指令（１）におけるＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１よりも、ＣＯシフト部５の実際の温度Ｔ２を高温とするように燃焼部３０を制御する。この場合、燃焼部３０に供給する単位時間あたりの燃焼用燃料および／または燃焼用空気を、燃料電池１の定格運転（最高負荷運転）の場合よりも増加させる。このため、改質部３４を短時間のうちに改質温度領域に到達させることができ、改質部３４の起動時間をできるだけ短縮させることができる。なお、改質装置２の起動時における燃焼部３の目標温度ＴＢは、定常運転における燃焼部３の目標温度よりも高温であり、７００〜９００℃、７５０〜８５０℃が例示される。
【００３５】
上記したように改質装置２の起動が終了したら、バルブ２５ｅを開放することにより、起動した改質装置２と燃料電池１のアノードとを連通させる。これにより改質部３４で生成されたアノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始する。同様にカソードガスを燃料電池１のカソードに供給開始する。燃料電池１のアノードにアノードガスを供給し、カソードにカソードガスを供給すると電位が発生し燃料電池１で発電運転が開始されるここで改質装置２の起動終了は、改質装置２より導出されるアノードガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）が所定値（例えば、１０ｐｐｍ以下）となったことにより判断しているが、これに限定されない。ＣＯ濃度が所定値以下になったことは、ＣＯシフト部５の温度で判断している。このときＣＯシフト部５の入口温度Ｔ２で判断しても。ＣＯシフト部５の他の場所の温度（例えば、流れ方向の中央部分の温度）で判断しても、複数の場所の温度で判断してもよい。あるいは、ＣＯ濃度が所定値以下になったことは、改質装置２から導出されるアノードガスのＣＯ濃度をＣＯ濃度センサで計測して判断してもよい。また改質装置２の起動終了したら、すぐに改質装置２と燃料電池１のアノードとを連通させているが、所定時間たってから連通させるようにしてもよい。
【００３６】
改質装置２の起動が終了したら、改質装置２の温度制御を燃料電池１の定常運転に移行させる必要がある。このような移行時において、ＣＯシフト部５の目標温度を直ちに定常運転時の目標温度に切り替えると、ＣＯシフト部５の温度が高温側および低温側に繰り返してハンチング的に変動したり、ＣＯシフト部５の活性温度領域よりも低下したりするおそれがある。改質装置２の起動運転（燃料電池１は非発電状態）から、燃料電池１の発電運転に合わせた改質装置２の定常運転に切り替わるためである。この場合、ＣＯシフト部５の温度の安定性が損なわれ易い。
【００３７】
特に、改質装置２の起動時制御において、改質装置２を起動させるときこれの昇温速度を大きくしたときには、第１指令（１）におけるＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１よりもＣＯシフト部５の実際の温度Ｔ２が高温となり易い。このようなときには、前記した改質装置２の起動終了時においてＣＯシフト部５の温度がハンチング的に変動したり、ＣＯシフト部５のシフト触媒の活性温度領域よりも低下したりするおそれがある。
【００３８】
そこで本実施形態によれば、上記した改質装置２の起動終了時において、および／または、アノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始する供給開始時において、制御部５００は、基準温度を設定するとともに、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１を、基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令（１）を出力する。基準温度は、供給開始した時刻におけるＣＯシフト部５の計測温度に基づいて求めることが好ましい。具体的には、基準温度は、上記した供給開始時におけるＣＯシフト部５の実際の計測温度よりもα℃低い温度とすることができる。なお、α℃としては燃料電池システムに応じて設定され、０．５〜６０℃の範囲内、０．５〜５０℃の範囲内、１〜３０℃、１０〜３０℃、１５〜２５℃の範囲内が例示される。あるいは、α℃としては基準温度とT図７との温度差に対して、３０〜７０％の範囲、４０〜６０％範囲が好ましい。例えば実施例では５０％、そのときに基準温度とT図７との温度差は約４０℃である。ここで、燃料電池１の最低負荷時におけるＣＯシフト部５の最低目標温度をＴminとする。
【００３９】
これにより上記した供給開始時において、熱交換部４の冷却能力および熱交換量が調整され、ひいてはＣＯシフト部５の温度Ｔ２が調整される。具体的には、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水の気液混合比率が調整される。これによりＣＯシフト部５の温度Ｔ２がＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１となるように維持され、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が安定化される。故に、上記した供給開始時（供給開始直後を含む）において、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２がハンチング的に上下変動したり、ＣＯシフト部５のシフト触媒の活性温度領域よりも低下したりする問題が抑制される。この結果、改質部３４で生成されたアノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始する供給開始時（燃料電池１の発電開始時）において、ＣＯシフト部５の浄化性能の安定性を高めることができる。ひいては、供給開始時において、ＣＯシフト部５におけるシフト反応（ＣＯ低減反応）が良好に維持され、アノードガスに含まれている一酸化炭素が効果的に低減される。
【００４０】
さらに本実施形態によれば、制御部５００は、上記した第１指令（１）を出力した後に、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtargetを、所定速度でゆっくりと低下させる第２指令（２）を出力する。所定速度としては、平均低下速度が、あらかじめ測定したＴ２の時定数の５０〜１５０％、６０〜１００％の時間をかけて定常運転中の温度に低下させる速度であることが例示される。ここで所定速度とは、定常運転への移行期間全体にわたって一定の速度で低下させてもよいが、第２指令を実行中の瞬間低下速度が平均低下速度の±２０％以内、±１０％以内で変化してもかまわない。
【００４１】
上記した第１指令（１）および第２指令（２）はポンプ２７ｍに出力される。この場合、第１指令（１）および第２指令（２）に基づいてポンプ２７ｍの回転数が制御され、ひいては、蒸発部３６に供給される単位時間（例えば１秒間）あたりの給水量が調整される。このため、水蒸気通路３００を流れる水の気液混合比率が制御され、ひいては熱交換部４の第１通路４ａを流れる水の冷却能力（気液混合比率）が制御される。これにより熱交換部４の冷却能力および熱交換量が調整され、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が調整される。
【００４２】
なお、場合によっては、ポンプ２７ｍの制御と共に、あるいは、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの給水量を一定または一定幅内に設定しつつ、燃焼部３０に供給する単位時間（例えば１秒間）あたりの燃焼用燃料および燃焼用空気の流量を制御して、燃焼部３０の燃焼を制御することにしても良い。
【００４３】
図２は、上記した供給開始時（燃料電池１で発電を開始するとき）におけるＣＯシフト部５の温度と時間との関係を示すグラフを示す。図２の横軸は時間を示し、縦軸は温度を示す。改質部３４を起動させるとき、燃焼部３０の温度を前記燃料電池１の定常運転時における定格運転時の目標温度よりも高い起動時目標温度で制御する起動時制御が実施される。このため改質装置２の起動時間を短縮させる方向に改質部３４の昇温速度が速くなる。したがって、供給開始する時刻ｔｓよりも早い時間帯ｔｋにおいては、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２は、第１指令（１）の目標温度Ｔtarget１よりもかなり高温となる。ここで、時刻ｔｓにおいてバルブ２５ｅを開放させ、改質部３４で生成されたアノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始すると共に、カソードガスを燃料電池１のカソードに供給開始し、燃料電池１の発電運転を開始する。
【００４４】
ここで図２に示すように、制御部５００は、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令（１）を出力する。具体的には、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１を、基準温度Ｔｓに対してプラスマイナス１０℃以内（プラスマイナス１℃以内が好ましい）に設定する第１指令（１）をポンプ２７ｍに出力する。この結果、図２に示すように、過熱状態であるＣＯシフト部５の計測された温度Ｔ２が安定化される。従って、改質部３４で生成されたアノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始する供給開始時において、すなわち燃料電池１の発電運転時において、ＣＯシフト部５の作動の安定性を高めることができる。従って、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が高温側および低温側に繰り返してハンチング的に上下変動したり、ＣＯシフト部５のシフト触媒の活性温度領域よりも低下したりすることが抑制される。この結果、改質部３４で生成されたアノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始する供給開始時において、ＣＯシフト部５の作動温度の安定性を高めることができる。ひいては、ＣＯシフト部５におけるシフト反応（ＣＯ低減反応）が良好に維持される。よって、アノードガスに含まれている一酸化炭素が効果的に低減される。
【００４５】
さらに本実施形態によれば、図２に示すように、制御部５００は、上記した第１指令（１）を出力した後、第２指令（２）をポンプ２７ｍ（水搬送源）に出力する。第２指令（２）におけるＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget２は、第１指令（１）におけるＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１よりも低い。具体的には０．１秒間あたりΔＴｙ（例えば０．０５〜５℃の範囲内、０．１〜５℃の範囲内）ずつ低下させる降温指令である。かかる降温指令に基づいてポンプ２７ｍの回転数は制御される。
【００４６】
このような本実施形態によれば、改質部３４の起動後において過熱気味であったＣＯシフト部５の温度Ｔ２を、できるだけ早期に安定化させることができる。
【００４７】
以上説明したように本実施形態によれば、アノードガスを燃料電池１に供給開始させる供給開始時には、第１指令（１）が出力される。このため、改質部３４の起動後において過熱気味であったＣＯシフト部５の温度Ｔ２を、できるだけ早く安定させることができる。さらに、第１指令（１）が出力された後に第２指令（２）が出力されるため、改質部３４の起動後において過熱気味であったＣＯシフト部５の温度Ｔ２を、さらに一層早く安定させることができる。
【００４８】
ここで、第１指令（１）が出力されている条件としては、下記の（ａ）および（ｂ）の双方が満足されていることが必要である。
（ａ）供給開始の時刻ｔｓから所定時間以内であること
（ｂ）計測されたＣＯシフト部５の計測された温度Ｔ２がＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１よりも高温であること。
ここで、（ａ）（ｂ）のいずれか一方が満足されないときには、第１指令（１）から第２指令（２）に切り替わる。
【００４９】
（フローチャート）
図３は、上記した供給開始時（燃料電池１の発電開始時）において制御部５００が実行するフローチャートの一例を示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。図３に示すように、まず、燃料電池１で発電開始しているか否かを判定する（ステップＳ２）。燃料電池１で発電を開始していないときには（ステップＳ２のＮｏ）、メインルーチンにリターンする。燃料電池１で発電を開始しているのであれば（ステップＳ２のＹｅｓ）、ＣＯシフト部５の実際の温度Ｔ２を計測する（ステップＳ４）。ＣＯシフト部５の計測された温度Ｔ２よりもΔＴｗ低い温度を演算し、演算温度Ｔcalを求める（ステップＳ６）。演算温度Ｔcalは基準温度に相当する。
【００５０】
ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が過剰に低い場合もあるので、燃料電池１の最低負荷時におけるＣＯシフト部５の最低目標温度Ｔminと、演算温度Ｔcalとを比較する（ステップＳ８）。そして、演算温度Ｔcalが最低目標温度Ｔminよりも高温であれば（ステップＳ８のＹｅｓ）、演算温度Ｔcal（基準温度に相当する）をＣＯシフト部の目標温度Ｔtarget１として設定する（ステップＳ１０）。従って、演算温度ＴcalはＣＯシフト部の目標温度Ｔtarget１となる。
【００５１】
ステップＳ８の判定の結果、演算温度Ｔcalが最低目標温度Ｔ図７よりも高温でなければ（ステップＳ８のＮｏ）、ＣＯシフト部５の計測された温度Ｔ２が過剰に低いため、燃料電池１の最低負荷時におけるＣＯシフト部５の最低目標温度Ｔ図７を、基準温度とし、ＣＯシフト部の目標温度Ｔtarget１として設定し（ステップＳ１２）、ステップＳ１４に進む。
【００５２】
燃料電池１の発電運転の開始（前記した供給開始の時刻ｔｓ）から所定時間Δｔｘ（例えば１８００秒間）経過したか否か判定する（ステップＳ１４）。発電運転の開始から所定時間（例えば１８００秒間）経過していれば（ステップＳ１４のＹｅｓ）、現在の負荷を燃料電池１が作動させているときにおけるＣＯシフト部５の温度の設定値を、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget２として設定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６において、ステップＳ１２が成立する場合には、Ｔ２＝Ｔ図７とされている。
【００５３】
燃料電池１の発電運転の開始から所定時間Δｔｘ（例えば１８００秒間）経過していなければ（ステップＳ１４のＮｏ）、ＣＯシフト部５の計測された実際の温度Ｔ２とＣＯシフト部の目標温度Ｔtarget１とを比較する。そして、計測されたＣＯシフト部５の実際の温度Ｔ２がＣＯシフト部の目標温度Ｔtarget１を下回ったとき（ステップＳ１８のＹｅｓ）にはステップＳ１６に進み、前記したようにＣＯシフト部の目標温度Ｔtarget２を設定する。
【００５４】
ステップＳ１６が終了したら、ＣＯシフト部の目標温度Ｔtarget２を時間経過につれて次第に低下させる指令（２）を出力する（ステップＳ２０）。具体的には、第２指令（２）においては、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget２は、第１指令（１）におけるＣＯシフト部の目標温度Ｔtarget１よりも低い。即ち、０．１秒間あたりΔＴ（例えば０．１〜５℃の任意値、例えば１℃）ずつ低下させる指令である。かかる指令（２）がポンプ２７ｍに出力され、ポンプ２７ｍが制御される。
【００５５】
（実施形態２）
図４は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図１を準用する。前記した実施形態１によれば、供給開始時の時刻ｔｓ（燃料電池１の発電開始時）から、制御部５００は、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令（１）を出力する。
【００５６】
しかしながら本実施形態によれば、図４に示すように、供給開始時（燃料電池１の発電開始時）の時刻ｔｓよりもΔｔｒ前の時刻ｔｐにおいて、制御部５００は、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令（１）を出力する。このように供給開始時の時刻ｔｓより早めに、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２を制御するため、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が一層安定化される。故に、温度Ｔ２がハンチング的に上下変動したり、ＣＯシフト部５のシフト触媒の活性温度領域よりも低下したりすることが抑制される。この結果、改質部３４で生成されたアノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始する供給開始時において、ＣＯシフト部５の作動の安定性を高めることができる。ひいては、ＣＯシフト部５におけるシフト反応（ＣＯ低減反応）が良好に維持され、アノードガスに含まれている一酸化炭素が効果的に低減される。
【００５７】
（実施形態３）
図５および図６は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。図６は燃料電池システムを示す。本実施形態においても、改質部３４の起動が終了したら、バルブ２５ｅを開放することにより、起動した改質部３４と燃料電池１のアノードとを連通させる。これにより改質部３４で生成されたアノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始する。同様にカソードガスを燃料電池１のカソードに供給開始する。これにより燃料電池１で発電運転が開始される。このような供給開始時（燃料電池１の発電開始時）において、実施形態１の場合と同様に、制御部５００は、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令（１）をポンプ２７ｍに出力する。これによりＣＯシフト部５の実際の温度が安定化される。この結果、供給開始時（供給開始直後も含む）において、ＣＯシフト部５の作動の安定性を高めることができ、ＣＯシフト部５におけるシフト反応（ＣＯ低減反応）が良好に維持される。さらに本実施形態によれば、制御部５００は、上記した第１指令（１）を出力した後に、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget２を一定温度幅よりも低下させる第２指令（２）をポンプ２７ｍに出力する。図５において、合流域Ｍ１の温度Ｔ１の変化状態は示されている。温度Ｔ１は時刻ｔｂから上昇する。
【００５８】
ここで、合流域Ｍ１の温度Ｔ１が昇温していることは、一般的には、合流域Ｍ１を流れる水の気液混合流体において気相の比率が増加していることを意味し、合流域Ｍ１を流れる水（気液混合流体）の冷却能力が低下していることを意味する。また、合流域Ｍ１の温度Ｔ１が降温していることは、一般的には、合流域Ｍ１を流れる水（気液混合流体）において液相の比率が増加していることを意味し、合流域Ｍ１を流れる水の気液混合流体の冷却能力が増加していることを意味する。なお、燃料電池１の定常運転では、合流域Ｍ１の温度Ｔ１はほぼ一定（１００℃前後）に維持される。
【００５９】
図５に示すグラフにおいて、計測された合流域Ｍ１の温度Ｔ１が降温するとき、合流域Ｍ１の降温方向への微分値が所定値になった時刻ｔｍにおいて、すなわち、合流域Ｍ１を流れる水（気液混合状態）における水の液相の比率が所定比率になったとき、熱交換器４の第１通路４ａに流入する水の冷却能力が高くなったと判定される。従って、第１指令（１）から第２指令（２）に切り替えられる。第２指令（２）においては、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２を低下させる必要がある。このため熱交換器４の第１通路４ａに流入する水の冷却能力が高くなることは好ましい。
【００６０】
（実施形態４）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図１を準用する。本実施形態においても、図１に示すように、改質部３４の起動が終了したら、バルブ２５ｅを開放することにより、改質部３４で生成されたアノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始する。このような供給開始時（燃料電池１の発電開始時）において、実施形態１の場合と同様に、制御部５００は、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget１を基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令（１）をポンプ２７ｍに出力する。これによりＣＯシフト部５の実際の温度が安定化される。この結果、改質部３４で生成されたアノードガスを燃料電池１のアノードに供給開始する供給開始時において、ＣＯシフト部５の作動の安定性を高めることができ、ＣＯシフト部５におけるシフト反応（ＣＯ低減反応）が良好に維持される。さらに本実施形態によれば、制御部５００は、上記した第１指令（１）を出力した後に、ＣＯシフト部５の目標温度Ｔtarget２を一定温度幅よりも低下させる第２指令（２）をポンプ２７ｍに出力する。このためＣＯシフト部５の温度をできるだけ早期に安定化させることができる。
【００６１】
さらに本実施形態によれば、燃料電池１の定常運転（起動運転以外の運転状態）において、燃料電池１の大きな負荷変動が発生する場合、あるいは、定常運転であっても外乱の影響が大きい場合がある。このような場合、熱交換部４の熱バランスが崩れるおそれがある。この場合、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の状態が大きく変化するおそれがある。燃焼部と蒸発部との熱交換が平衡に達する前に、次の状態に移行するためである。即ち、水の液相／気相の比率が大きく変化するおそれがある。この結果、燃料電池１の定常運転において、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力が過剰に変動し、ひいてはＣＯシフト部５における温度Ｔ２の安定性が損なわれるおそれがある。
【００６２】
そこで本実施形態によれば、燃料電池１が定常運転するとき、制御部５００は、制御則２を採用し、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の状態（水蒸気通路３００における水の状態）に応じて、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力を制御し、ひいてはＣＯシフト部５の温度Ｔ２の安定化を図ることにしている。以下、更に説明を加える。温度センサ６５の計測信号は制御部５００に入力される。これにより制御部５００は、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１における水の温度を計測することができる。つまり、制御部５００は、合流域Ｍ１の温度Ｔ１に基づいて、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の冷却能力、即ち、水の状態（液相の比率および／または気相の比率）を計測することができる。
【００６３】
ここで、第１通路４ａに流入する前の水の温度Ｔ１が相対的に低いと、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１を流れる水の状態において液相状の水の比率が多いことになり、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水（気液混合流体）の冷却能力が高いことになる。また、温度Ｔ１が相対的に高いと、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１を流れる水の状態において液相状の水の比率が少なく、気相状の水の比率が高くなり、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水（気液混合流体）の冷却能力が小さいことになる。ここで、液相状の水の比率が過剰であると、液相状の水が気化するときの蒸発潜熱（気化熱）が大きいため、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力が所定値よりも過剰であり、このとき、ＣＯシフト部５に向かうアノードガスの温度が過剰に降温し、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２も過剰に降温するおそれがある。
【００６４】
そこで本実施形態によれば、燃料電池１が定常運転するときにおいて、第１通路４ａに流入する前の水の温度Ｔ１が相対的に低いとき、制御部５００は、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数（単位時間あたりの給水量）を低減させる指令をポンプ２７ｍに出力する。よって、蒸発部３６に供給される原料水（液相状の水）の単位時間あたりの流量が低減される。これにより燃焼部３０の燃焼を維持しつつ、水蒸気通路３００を流れる気液混合流体において液相の水の比率が相対的に低下すると共に、気相の水の比率が相対的に増加する。この結果、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力が抑えられ、適性化される。ひいては熱交換部４の第１通路４ａと第２通路４ｃとの熱交換量が適性化される。従って、燃料電池１の定常運転において、第２通路４ｃを流れるアノードガスの過剰低温化が抑制され、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２がこれの活性温度域に良好に維持される。このようにして制御部５００は、燃料電池１が定常運転するときにおいて、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力を制御し、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２をこれの活性温度域に制御することができる。このため上記したように負荷変動が発生し改質部３４の運転条件が変化するときであっても、あるいは、定常運転において外乱の影響が大きいときであっても、ＣＯシフト部５による浄化性能が維持される。
【００６５】
ところで、図７は、実際の燃料電池システムを用いて定常運転したときにおける実機データを示す。図７において横軸は時間を示す。縦軸は、温度センサ６５の温度Ｔ１（特性線Ｗ１）および温度センサ５５の温度Ｔ２（特性線Ｗ２）を示すと共に、蒸発部３６に供給される原料水の単位時間あたりの流量（特性線ＷＡ）を示す。
【００６６】
燃料電池１が定常運転している場合、燃料電池１の負荷が変動するとき、それに応じて改質装置２の運転条件を変化させる。例えば、燃料電池１の負荷が増加し発電電流を増加させるときには、蒸発部３６に供給される原料水の流量を増加させる。図７において、原料水（液相状の水）の流量を増加させる時刻をｔ１とする。図７の特性線Ｗ１に示すように、蒸発部３６に供給される原料水の流量が増加すると、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１の温度Ｔ１が時刻ｔ２において、降温し始める。時刻ｔ２は時刻ｔ１の直後である（ｔ２＞ｔ１）。また、図７の特性線Ｗ２に示すように、時刻ｔ１から所定時間が経過した時刻ｔ３（ｔ３＞ｔ２＞ｔ１）において、原料水（液相状の水）の増加の影響でＣＯシフト部５の温度Ｔ２が降温し始める。時刻ｔ３は時刻ｔ２に対して時間差Δｔａ遅延している。上記したようにＣＯシフト部５が過剰に降温すると、有害成分低減部５Ａの浄化性能が損なわれるおそれがある。
【００６７】
ところで、燃料電池１の定常運転において、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２を安定化させる制御においては、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１の温度Ｔ１に基づくのではなく、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２をフィードバック制御し、温度Ｔ２が降温したらポンプ２７ｍの回転数を低下させる制御も考えられる。
【００６８】
この場合においても、ポンプ２７ｍの回転数を低下させて蒸発部３６に供給する原料水（液相状の水）の流量を低下させれば、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２の過剰の降温が抑制される。しかしながら図７の特性線Ｗ２から理解できるように、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が降温を開始する時刻ｔ３は、合流域Ｍ１の温度Ｔ１が降温を開始する時刻ｔ２よりもΔｔａ遅延している。このためＣＯシフト部５の温度Ｔ２の降温を回復させる制御応答が遅延し、ＣＯシフト部５における浄化性能が損なわれるおそれがある。従って上記した本実施形態のように、燃料電池１の定常運転において、アノードガスの流れ流路においてＣＯシフト部５よりも上流に位置する熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の温度、即ち、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１の温度Ｔ１を計測し、温度Ｔ１に基づいてポンプ２７ｍによる単位時間あたりの給水量（回転数）を制御すれば、外乱に対して応答性を早くでき、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２を活性温度域に良好に維持することができる。
【００６９】
（実施形態５）
図８は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、蒸発部３６から熱交換部４に向かう水蒸気通路３００に圧力センサ６５ｐが設けられている。圧力センサ６５ｐの計測信号は制御部５００に入力される。圧力センサ６５ｐは、水蒸気通路３００および合流域Ｍ１を流れる水（液相の水と気相の水とが混合した気液混合流体）の圧力を計測する。これに対して、圧力が高いことは、水蒸気通路３００および合流域Ｍ１を流れる水において、水の気相の比率が高いことを意味し（水蒸気量が増えると圧力損失増加するため）、水蒸気通路３００の水の温度Ｔ１が高いことを意味し、水蒸気通路３００の水の気相の比率が高いことを意味する。ここで、圧力センサ６５ｐが計測する圧力値と温度Ｔ１と気相の比率は、実験等により求められ、制御部５００のメモリに予め格納されている。
【００７０】
燃料電池１の定常運転において、制御部５００は、圧力センサ６５ｐの信号に基づいて、水蒸気通路３００の水の温度Ｔ１を計測し、これにより当該水の状態（気相および／または液相の比率）を計測する。このように制御部５００は、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の状態を間接的に計測し、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数を調整する指令を出力する。これにより、前記した実施形態と同様に、制御部５００は、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力および／または有害成分低減部５Ａの温度を制御する。
【００７１】
（実施形態６）
図９は実施形態６を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、実施形態１と相違する部分を中心として説明する。本実施形態によれば、蒸発部３６から熱交換部４の第１通路４ａに向かう水蒸気通路３００には、２次温度調整部の一部として機能できる加熱要素３３０が設けられている。加熱要素３３０は水蒸気通路３００を流れる水を加熱するものであり、電気的ヒータおよび／またはガス燃焼ヒータが例示される。
【００７２】
前記した供給開始時および燃料電池１の定常運転において、熱交換器４の第１通路４ａに流入する前（水蒸気通路３００）の水の温度Ｔ１が過剰に低いときには、制御部５００は、加熱要素３３０をオンさせたり、オンしている加熱要素３３０の発熱量を増加させたりする指令を出力する。この結果、水蒸気通路３００の合流域Ｍ１を流れる水の状態において、気相状の水の比率が高くなり、熱交換部４の第１通路４ａを流れる水（気液混合流体）の冷却能力が小さくなる。このため、ＣＯシフト部５に向かうアノードガスの温度が過剰に降温することが抑制され、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２も過剰に降温するおそれが抑制される。
【００７３】
（実施形態７）
図１０は実施形態７を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、実施形態１と相違する部分を中心として説明する。本実施形態によれば、熱交換部４の第１通路４ａから流出した後の水の状態（水の液相／気相の比率）に応じて、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力および／またはＣＯシフト部５の温度Ｔ２を制御することにしている。以下、更に説明を加える。すなわち、制御部５００は、水の温度Ｔ１ａを計測する温度センサ６５ａをもつ。温度Ｔ１ａは、熱交換部４の第１通路４ａから流出し、且つ、改質部３４に流入する前の温度である。温度センサ６５ａの計測信号は制御部５００に入力される。これにより制御部５００は、温度Ｔ１ａに基づいて、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の温度（第１通路４ａに流入する前の水の状態）を間接的に計測することができる。つまり、制御部５００は、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水の状態（液相の比率または気相の比率）を間接的に計測することができる。
【００７４】
ここで、温度Ｔ１ａが相対的に低いと、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水において、液相状の水の比率が高く、水の冷却能力が相対的に高いことになる。また、温度Ｔ１ａが相対的に高いと、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水において、気相状の水の比率が高く、水の冷却能力が相対的に低いことになる。
【００７５】
従って、液相状の水の比率が過剰であると、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力が所定値よりも過剰であり、このとき、ＣＯシフト部５の温度が過剰に降温し、これの活性温度域よりも低くなる。そこで、制御部５００は、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数（原料水搬送量）を低減させる指令をポンプ２７ｍに出力する。よって、蒸発部３６に供給される原料水の単位時間あたりの流量を低減させる。これにより水蒸気通路３００を流れる気液混合流体において液相の水の比率が相対的に低下すると共に、気相の水の比率が相対的に増加する。この結果、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力が適性化される。ひいては熱交換部４の第１通路４ａと第２通路４ｃとの熱交換量が適性化される。従って、第２通路４ｃを流れるアノードガスの過剰低温化が抑制され、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が良好に維持される。
【００７６】
（実施形態８）
図１１は実施形態８を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用硬化を有する。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、実施形態１と相違する部分を中心として説明する。本実施形態によれば、図１１に示すように、制御部５００は、熱交換部４の内部において、第１通路４ａを流れる水の温度Ｔ１ｂを計測する計測部としての温度センサ６５ｂをもつ。温度Ｔ１ｂが相対的に低いと、熱交換部４の第１通路４ａに流入する前の水において、液相状の水の比率が多いことになる。液相状の水の比率が過剰であると、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力が所定値よりも過剰であり、このとき、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が過剰に降温し、所定温度よりも低くなるおそれがある。そこで、制御部５００は、ポンプ２７ｍの単位時間あたりの回転数（原料水搬送量）を低減させる指令をポンプ２７ｍに出力する。これにより前述同様に、水蒸気通路３００を流れる気液混合流体において液相の水の比率が相対的に低下すると共に、気相の水の比率が相対的に増加する。この結果、熱交換部４の第１通路４ａの冷却能力（熱交換量）が適性化される。従って、第２通路４ｃを流れるアノードガスの過剰低温化が抑制され、ＣＯシフト部５の温度Ｔ２が良好に維持される。このため上記したように運転条件が変化するときであっても、有害成分低減部５Ａによる浄化性能が維持される。
【００７７】
（その他）
本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更可能である。上記した実施形態１によれば、温度調整部は、気相状の水と液相状の水とが混合した気液混合流体を用いる熱交換器４とされているが、これに限らず、電気ヒータ方式、燃焼火炎方式としても良い。上記した実施形態１によれば、有害成分低減部５Ａは、一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させるＣＯシフト部５と、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変化させるＣＯ酸化除去部３７とを備えている。これに限らず、ＣＯシフト部５およびＣＯ酸化除去部３７のうちのいずれか一方のみを有するタイプでも良い。さらに有害成分低減部５Ａは、一酸化酸素をメタネーション反応により低減させる方式としても良い。有害成分低減部の温度を調整するための温度調整部の温度調整能力を調整できる２次温度調整部が設けられているが、これに限らず、温度調整部だけで有害成分低減部の温度を調整できるときには、２次温度調整部を廃止しても良い。温度調整部としては、温度調整が容易な電気ヒータ装置が挙げられる。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
［付記項１］
燃料原料から改質反応によりアノード流体を生成する改質部と、前記改質部を加熱するための燃焼用燃料を燃焼する燃焼部とを有する改質装置と、
前記改質部で生成された前記アノード流体の有害成分を低減させる有害成分低減部と、
前記有害成分が低減された前記アノード流体とカソード流体とにより発電する燃料電池と、
前記有害成分低減部の温度を計測する温度計測手段と、
前記有害成分低減部の温度を調整可能な温度調整部と、
前記燃焼部の温度を前記燃料電池の定常運転時における定格運転時の目標温度よりも高い起動時目標温度で制御する起動時制御と、前記改質装置の起動完了時において、前記有害成分低減部の温度を前記改質装置の起動完了時における前記有害成分低減部の計測温度よりも所定温度低い移行時目標温度で制御する第１指令を出力して前記温度調整部を温度調整することにより前記有害成分低減部を温度調整する移行時制御を実施する制御部とを具備することを特徴とする燃料電池システム。有害成分低減部は改質装置と一体でも良いし、あるいは、分離されていても良い。移行時目標温度はＴtarget１とすることができる。
［付記項２］
付記項１において、前記制御部は、前記改質装置の起動完了時から所定時間経過するか、または、前記有害成分低減部の温度が移行時目標温度よりも低くなったときに、前記有害成分低減部の前記移行時目標温度Ｔtarget１を所定速度で降下させる第２指令を出力して前記温度調整部を温度調整することを特徴とする燃料電池システム。
［付記項３］
付記項１または２において、前記制御部は、前記基準温度を前記燃料電池の定常運転時における最低負荷時の目標温度以上に設定していることを特徴とする燃料電池システム。
［付記項４］
燃料原料から改質反応によりアノード流体を生成する改質部を有する改質装置と、前記改質部で生成された前記アノード流体の有害成分を低減させる有害成分低減部と、前記有害成分が低減された前記アノード流体とカソード流体とにより発電する燃料電池と、前記有害成分低減部の温度を計測する温度計測手段と、前記有害成分低減部の温度を調整可能な温度調整部と、起動した前記改質部と前記燃料電池の前記アノードとを連通させることにより、前記改質部で生成された前記アノード流体を前記燃料電池の前記アノードに供給開始する供給開始時において、および／または、前記改質装置の起動運転から定常運転に移行する起動終了時おいて、基準温度を設定し、前記有害成分低減部の目標温度を前記基準温度に対して一定温度幅以内に設定する第１指令を出力して前記温度調整部を温度調整することにより前記有害成分低減部を温度調整する制御部とを具備することを特徴とする燃料電池システム。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は改質部を有する燃料電池システムに利用することができる。本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用、可搬用の燃料電池システムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】実施形態１に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【図２】実施形態１に係り、ＣＯシフト部の温度Ｔ２および指令の時間変化を示すグラフである。
【図３】実施形態１に係り、制御部が実行するフローチャートである。
【図４】実施形態２に係り、ＣＯシフト部の温度Ｔ２および指令の時間変化を示すグラフである。
【図５】実施形態３に係り、ＣＯシフト部の温度Ｔ２および指令の時間変化を示すグラフである。
【図６】実施形態３に係り、燃料電池システムの概念図である。
【図７】実施形態４に係り、ＣＯシフト部の温度Ｔ２の時間変化を示すグラフである。
【図８】実施形態５に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【図９】実施形態６に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【図１０】実施形態７に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【図１１】実施形態８に係り、改質装置の基本構成を示すシステム図である。
【符号の説明】
【００８０】
１は燃料電池、２は改質装置、３０は燃焼部（第２温度調整部）、２７ｍはポンプ（給水源、第２温度調整部）、３００は水蒸気通路（水通路）、３４は改質部、３６は蒸発部（気液混合流体発生部、第２温度調整部）、３７はＣＯ酸化除去部、４は熱交換部、４ａは第１通路、４ｃは第２通路、５Ａは有害成分低減部、５はＣＯシフト部、５００は制御部、５５は温度センサ（温度計測手段）、６５は温度センサを示す。
【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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