(57)【要約】【課題】発電素子を長期間使用することができるようにする。【解決手段】改質熱交換器２を含む改質熱交換器流路Ｌ１に並列にバイパス流路Ｌ２を設け、改質熱交換器流路Ｌ１にバルブＶ１を、バイパス流路Ｌ２にバルブＶ２を設ける。例えば、ベースライン運転（燃料電池システムに対する電力負荷を一定とする運転）時、発電電圧Ｖが予め定められている劣化下限値ＶＬｔｈを下回った場合、発電電圧Ｖを標準出力Ｖ０（起動モード終了時の発電電圧）に戻すように、バルブＶ２の開度θ２の調節によって改質器温度Ｔ１を調整する。改質器温度Ｔ１を上げると、燃料ガス中の水素や一酸化炭素のガス濃度が上昇し、発電電圧Ｖが上昇する。【選択図】  図１
2009295534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料改質部の改質器温度を制御する制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃焼部からの排気ガスを前記燃料改質部へ導く第１の通路と、
前記燃料改質部を含む前記第１の通路をバイパスする第２の通路と、
前記第１の通路および前記第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部と、
前記熱量調節部を通過する前記燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することによって前記燃料改質部の改質器温度を制御する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載された燃料電池システムにおいて、
温度調整されたガスを前記第１の通路に加える外部熱源器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載された燃料電池システムにおいて、
前記第１の通路の前記外部熱源器からの温度調整されたガスが加えられる箇所に混合空間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５】
請求項４に記載された燃料電池システムにおいて、
前記混合空間部にその空間部内のガスの混合を促進するガス混合促進手段が設けられている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２に記載された燃料電池システムにおいて、
前記燃料改質部の改質器に補助熱源器が設けられている
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、前記燃料改質部の改質器に設けられた補助熱源器とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記補助熱源器を制御することによって前記燃料改質部の改質器温度を制御する制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、前記燃焼部からの排気ガスを前記燃料改質部へ導く第１の通路と、前記燃料改質部を含む前記第１の通路をバイパスする第２の通路と、前記第１の通路および前記第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、前記燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、前記熱量調節部を通過する前記燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって前記燃料改質部の改質器温度を調整する劣化補償ステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、前記燃焼部からの排気ガスを前記燃料改質部へ導く第１の通路と、前記燃料改質部を含む前記第１の通路をバイパスする第２の通路と、前記第１の通路および前記第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、予め定められた運転パラメータが設定された条件で運転を行い、その時の前記燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、前記熱量調節部を通過する前記燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって前記燃料改質部の改質器温度を調整する劣化補償ステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載された燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池システムは、
前記燃料改質部の改質器に設けられた補助熱源器を備え、
前記劣化補償ステップは、
前記燃料改質部の改質器温度を前記熱量調節部を通過する燃焼ガスの熱量の調節によって調整できなくなった場合、前記燃料改質部の改質器温度を前記補助熱源器から前記燃料改質部の改質器へ供給する熱量の調節によって調整する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載された燃料電池システムの運転方法において、
前記劣化補償ステップは、
前記第１の通路および前記第２の通路に設けられた熱量調節部の何れか一方を全開とした状態で他方の熱量調節部の開度を調節する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、前記燃料改質部の改質器に設けられた補助熱源器とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、前記燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、前記補助熱源器を制御することによって前記燃料改質部の改質器温度を調整する劣化補償ステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、前記燃料改質部の改質器に設けられた補助熱源器とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、予め定められた運転パラメータが設定された条件で運転を行い、その時の前記燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、前記補助熱源器を制御することによって前記燃料改質部の改質器温度を調整する劣化補償ステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
請求項８〜１３の何れか１項に記載された燃料電池システムの運転方法において、
前記劣化補償ステップは、
前記燃料電池システムの出力値が予め定められた条件を満たした時に、前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
請求項８〜１３の何れか１項に記載された燃料電池システムの運転方法において、
前記劣化補償ステップは、
予め定められた周期に従って前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１６】
請求項８〜１５の何れか１項に記載された燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合には警告を発するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１７】
請求項８〜１５の何れか１項に記載された燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合には、その後の前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１８】
請求項８〜１５の何れか１項に記載された燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合には、その後の前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止し、以降、前記燃料電池システムの出力値が予め定められている下限値に達した時点で前記燃料電池システムの運転を停止するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１９】
請求項８〜１５の何れか１項に記載された燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池の発電素子の破損を検出するステップと、
前記発電素子の破損が検出された場合、その後の前記燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止するステップと
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体酸化物形燃料電池などの高温で動作する燃料電池を用いた燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池は、有害物質を発生しないクリーンな発電システムとして注目を集めている。その中でも、固体酸化物形燃料電池は、高分子電解質形燃料電池と比べ、高温動作することから、発電と高温エネルギー活用の両面からエネルギー効率が良いものである。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと呼ぶ）は、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層とで挟み込んだ単セルと呼ばれる積層構造を有し、空気極層側に酸化剤ガス（酸素）が供給され、燃料極層側に燃料ガス（Ｈ2 、ＣＯ、ＣＨ4 等）が供給される。
【０００４】
空気極層側に供給された酸化剤ガスは、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との境界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。
【０００５】
燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。この単セルを多数積層した構造をスタックと呼んでおり、セル単位あるいはスタック単位で燃料ガスの供給を行い、負荷への電力を生成（発電）する。
【０００６】
ＳＯＦＣの定常発電温度は例えば９５０℃とされる。ＳＯＦＣを起動する際には、常温状態のＳＯＦＣを定常発電温度まで上昇させる必要がある。このために、ＳＯＦＣ全体を電気ヒータで加熱したり、酸化剤ガスの供給ラインに電気ヒータを設け、加熱して高温とした酸化剤ガスを空気極へ供給するなどの方法が採られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
燃料ガスには、水素ガスを用いることが最も好適であるが、水素は入手が困難なため、天然ガス、プロパンガスなどの炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質し、燃料極層に導入することが一般的である。また、酸化剤ガスとしては、酸素ガスを用いることが最も好適であるが、入手性の問題などから一般的には空気が用いられる。
【０００８】
図１２に従来のＳＯＦＣを用いた燃料電池システムの概略を示す。この燃料電池システムは、発電部本体であるモジュール１００と、このモジュール１００に燃料ガスや酸化剤ガスなどを供給する周辺システムとからなる。
【０００９】
モジュール１００は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）が供給されて発電するＳＯＦＣ（以下、発電素子と呼ぶ）が設置される発電室１、発電室１より排出されるオフガス（発電に使用されなかった燃料ガス＋空気）を燃焼させる燃焼室４、空気を発電室１に送るとともに発電反応熱とオフガスの燃焼熱を利用して空気を暖める空気分配器５、および発電反応熱とオフガスの燃焼熱を利用して燃料（都市ガス）を水素リッチな燃料ガス（改質ガス）に改質する改質熱交換器２とを含む。
【００１０】
周辺システムは、燃料，空気，純水などの供給部（図示せず）などに加えて、酸化剤ガスとして供給される空気を予熱する空気予熱器（ヒータ）３などの熱供給源を含む。なお、空気予熱器３などの熱供給源はモジュール１００に内蔵されることもある。６は発電室１に接続される負荷である。
【００１１】
改質熱交換器２は、蒸発器２−１と燃料予熱器２−２と改質器２−３とを備えており、蒸発器２−１は純水を蒸気として燃料予熱器２−２への燃料に含ませる。蒸気が含まれた燃料は、燃料予熱器２−２において予熱され、改質器２−３に導かれて、水素リッチな燃料ガスに改質される。
【００１２】
この蒸気を用いた改質は、水蒸気改質と呼ばれ、水素発生効率がよいので、用いられることが多い。この蒸気を用いた改質は吸熱反応であり、改質熱交換器２が改質動作を行える温度は、水蒸気改質の場合、一般に４００℃程度以上である。
【００１３】
改質熱交換器２では、蒸発器２−１での蒸気の生成、燃料予熱器２−２での燃料の予熱、改質器２−３での燃料の改質に熱量が必要であり、この熱量の供給を受けるための通路として燃焼室４からの燃焼ガス（以下、この燃焼ガスも含めて燃焼室４からの排気ガスと呼ぶ）の排出通路Ｌ１が設けられている。
【００１４】
この燃料電池システムにおいて、運転モードは、起動モード，定常モード，停止モードの３つのモードに分けられる。起動モード開始時には、システムが常温であるため、発電室１の発電素子が発電可能な温度まで、また改質熱交換器２の改質器２−３が改質動作可能な温度まで、システムを暖める必要がある。定常モードにおいては、発電素子の耐熱温度を超えた温度で長時間運転すると発電素子が破損するため、発電室１を耐熱温度より低い温度に保つ必要がある。また、発電効率が高くなる発電室温度範囲も存在するため、運転中は発電室１の温度制御を実施する必要がある。停止モードにおいては、発電室１などの高温部を冷却しながら、システムを停止させる必要がある。
【００１５】
〔起動モード〕
燃料電池システムは、運転の開始が指示されると、起動モードに入る。起動モードの開始時には、改質熱交換器２への燃料の代わりにパージガスを供給した状態で、空気予熱器３をオンとし、空気予熱器３によって予熱された高温の空気を空気分配器５を介して発電室１に供給する。この空気予熱器３からの予熱された空気の供給を受けて発電室１の温度が上昇して行く。
【００１６】
発電室１の温度上昇に貢献し予熱された空気は、パージガスも含めて、燃焼室４および空気分配器５周辺を通り、排出通路Ｌ１を通って、排ガスとして排出される。ここで、改質熱交換器２の蒸発器２−１，燃料予熱器２−２，改質器２−３は、排出通路Ｌ１を通るガス〔燃焼室４からの排気ガス（空気＋パージガス）〕からの熱量の供給を受ける。
【００１７】
この熱量の供給を受けて、改質器２−３の温度（改質器温度）が例えば７００℃に達すると、それまでのパージガスに代えて改質熱交換器２への燃料の供給が開始され、蒸発器２−１からの蒸気を含んだ燃料が燃料予熱器２−２を介して改質器２−３に導かれ、水素リッチな燃料ガスに改質され、発電室１に供給される。
【００１８】
この燃料ガスの供給を受けて、発電室１での発電が開始されると共に、発電室１から排出される燃料と空気のオフガスが燃焼室４内で混合して燃焼させられ、この燃焼室４からの排気ガス（燃焼ガス）が空気分配器５周辺を通り、排出通路Ｌ１を通って、モジュール外に排出される（以下、モジュール外に排出されるガスを排ガスという）。なお、発電室１での発電開始時には、発電室１に対して負荷６が接続され、発電素子からの電流が負荷６へ流れる。
【００１９】
これにより、空気予熱器３での空気の予熱によらずとも、燃焼室４からの排気ガス（燃焼ガス）の熱量の供給を受けて、改質熱交換器２での燃料ガスの改質を継続することができる。通常は、この時点で、空気予熱器３をオフとする。
【００２０】
なお、発電室１内の発電素子は６００℃程度より発電が可能であるため、発電室１の温度（発電室温度）が６００℃程度に達した時点で改質交換器２への燃料の供給を開始し、発電室１での発電を行わせて、起動における温度上昇のための熱源として発電反応熱を利用することもある（例えば、特許文献２参照）。
【００２１】
〔定常モード〕
発電室１の温度が上昇して行き、負荷６への電流（負荷電流）が定常運転で設定された値まで上昇すると、定常モード（定常運転動作）に入る。発電反応は発熱反応であるため、発電中は発電室１の温度を発電素子の耐熱温度以下に制御する必要がある。また、発電素子の発電可能温度を下回らないように制御する必要もある。そこで、この定常モードでは、空気予熱器３をオン／オフしたり、空気予熱器３を介して発電室１へ供給する空気の流量を増減させたりして、発電室１の温度を定常発電温度に保つ。
【００２２】
〔停止モード〕
システムを停止させる場合、空気予熱器３をオフとすると共に、改質熱交換器２への燃料に代えてパージガスを導入し、発電室１における発電および燃焼室４における燃焼という発熱反応を停止させ、空気予熱器３を介して導入される空気とパージガスとによって発電室１の冷却を行う。
【００２３】
【特許文献１】特開２００６−２６１０２５号公報
【特許文献２】特開２００４−０８７３７７号公報
【特許文献２】特開２００７−０８７６８６号公報
【非特許文献１】『中温円筒平板形スタック長期寿命評価ならびに劣化挙動評価』（Ｈ１９．５）：ＮＥＤＯＨ１７〜１８年度成果報告書（固体酸化物燃料電池システム技術開発・信頼性向上に関する研究開発）．
【非特許文献２】『灯油を原燃料とする民生用熱自立型固体酸化物形燃料電池システムの研究開発』（Ｈ１８．６）：（財）石油産業活性化センター第２０回技術開発研究成果発表会要旨集．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、このような燃料電池システムでは、運転の継続時間に応じて発電素子が劣化し、燃料電池システムの出力（装置出力〔Ｗ〕＝負荷電流〔Ａ〕×発電電圧〔Ｖ〕）が低下して行く。
【００２５】
図１３にＮＥＤＯプロジェクトで実施された「信頼性向上に関する研究開発」（非特許文献１参照）において得られているＳＯＦＣの劣化挙動（円筒平板形単セルの長期耐久試験結果）を示す。同図には、発電素子（セル）が経時的に劣化して行き、発電電圧が低下して行く様子が示されている。
【００２６】
この経時変化は、ベースライン運転（燃料電池システムに対する電力負荷を一定とする運転）や負荷変動運転（燃焼電池システムに対する電力負荷の変動に燃料電池システムの出力を追従させる運転）といった運転方法を問わず、発生する。また、同図に示されているように、発電素子の劣化の度合いは、負荷電流密度の大きさにも依存する。また、この発電素子の劣化は、起動・停止の頻度などにも依存する可能性があることが指摘されている。現時点において、発電素子の劣化の原因や機構に関しては十分解明されたとは言えない状況であるが、発電素子に使用される材料の熱拡散などが原因の１つであると言われている。
【００２７】
例えば、この燃料電池システムをコジェネレーションシステムとして用いているような場合、発電素子の劣化による発電電圧の低下によって、必要な電力を供給することが困難になることが予想される。これを回避する方法として、必要電力量に対して十分余裕を持った発電容量を持つ燃料電池システムとすることが考えられるが、この場合にはシステムが必要以上に大きくなり、かつシステムの構築に過大な費用を必要とする。
【００２８】
また、別の回避方法として、発電電圧の低下にあわせて発電素子を定期的に交換する方法も考えられる。しかしながら、この方法では発電素子の交換に要する費用と手間が大きく、システムのランニングコストが増大する。また、発電素子を部分的に交換することができるシステムでは、システムの停止および再起動により、交換する必要がないものとして残された発電素子まで劣化させる可能性がある。このように、発電素子の劣化およびそれに伴う起動・停止は、発電素子の寿命を短くし、システムのランニングコストをさらに増大させる。
【００２９】
なお、引用文献３には、燃料電池発電装置に、外部負荷に応じて燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とを制御して運転する自動運転モードと、燃料ガスの流量と必要に応じて空気の流量とをほぼ一定に制御した状態で、引き出す電流をほぼ一定にした時の出力電圧を測定する評価モードとを選択可能に構成し、評価モードでは、現在の出力電圧と、記憶手段に記憶された過去の出力電圧又はシミュレーションにより計算された出力電圧とを比較し、その比較結果に基づいて燃料電池発電装置の劣化状態を診断するようにした燃料電池発電装置が示されている。
【００３０】
この引用文献３に示された燃料電池発電装置では、運転中においても燃料電池発電装置の劣化状態を正確に診断することができるため、燃料電池発電装置を常に良好な状態で稼働させることができるという効果が得られる。しかしながら、この燃料電池発電装置では、燃料電池発電装置が劣化していると診断された場合、その旨をモニタに表示するなどしてオペレータに通知するのみである。この場合、オペレータは、その通知を受けて、燃料電池発電装置の運転を停止し、保守、点検を行うなどの処理を実施し、発電素子の交換が必要と判断すれば、発電素子の交換を行う。
【００３１】
この引用文献３に示された燃料電池発電装置において、劣化状態と診断された場合に、その劣化状態を補償して運転を継続しようとする考えはない。したがって、引用文献３に示された燃料電池発電装置でも、発電素子の交換頻度が多くなり、上述した問題の解決策を提供しているとは言えない。
【００３２】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、発電素子の劣化に伴う燃料電池システムの出力の劣化を補償することにより、発電素子を従来に比べて長期間使用することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【００３３】
また、発電素子の交換頻度を減らすことができ、要求される電力に対して、必要以上の出力容量を持つシステムとせずとも、従来に比べて長期間に渡り、要求されるシステムの出力を維持可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【００３４】
また、発電素子の劣化状態を知り、発電素子の劣化に伴う破損が発生する前に、発電素子の交換時期が来たことを知らせることが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
このような目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて発電部への燃料ガスとする燃料改質部とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料改質部の改質器温度を制御する制御部を設けたものである。
【００３６】
改質反応による水素生成量は化学平衡論により燃料改質部の改質器温度に依存する。図１４に都市ガスの主成分であるメタンを改質した場合の燃料改質部の改質器温度と改質ガス組成の関係を示す。この図から、燃料改質部の改質器温度４００℃程度からメタンの改質反応が始まり７００℃以上の温度ではほぼ全てのメタンが改質され、４００〜７００℃の温度範囲において改質ガス中の水素や一酸化炭素の濃度の変化が発生していることが分かる。図１５に非特許文献２に示された燃料ガス中の水素および一酸化炭素濃度と発電素子（セル）の発電電圧（セル電圧）の関係を示す。この図から燃料ガス中の水素および一酸化炭素濃度が高いほど発電電圧が上昇することが分かる。
【００３７】
本発明の燃料電池システムでは、燃料改質部の改質器温度を制御することにより、燃料ガス中の水素や一酸化炭素の濃度を変化させる。例えば、初期の燃料改質部の改質器温度を６００℃とし、発電電圧が低下した場合、燃料改質部の改質器温度を上げ、燃料ガス中の水素や一酸化炭素のガス濃度を上げる。これにより、発電電圧の低下を防ぎ、燃料電池システムの出力の劣化を補償することが可能となる。
【００３８】
本発明の燃料電池システムの一例として、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第１の通路と、燃料改質部を含む第１の通路をバイパスする第２の通路と、第１の通路および第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部と、熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって燃料改質部の改質器温度を制御する制御部とを設ける構成が考えられる。
【００３９】
この構成において、熱量調節部は、第１の通路と第２の通路の両方に設けてもよいし、第１の通路と第２の通路の何れか一方にのみ設けるようにしてもよい。一方にのみ熱量調節部を設けるようにした場合、その熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することにより、相関を利用して、残る一方の通路を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することが可能である。なお、熱量調節部としては、バルブなどのガス流量調節機構を用いるとよい。また、両方に熱量調節部を設けるようにした場合、熱量調節部の何れか一方を全開とした状態で、他方の熱量調節部の開度を調節するようにするとよい。
【００４０】
また、この構成において、外部熱源器を設け、この外部熱源器からの温度調整されたガスを第１の通路に加えるようにしてもよい。また、第１の通路の外部熱源器からの温度調整されたガスが加えられる箇所に、混合空間部を設けるようにしてもよい。また、混合空間部に、その空間部内のガスの混合を促進するガス混合促進手段を設けるようにしてもよい。また、燃料改質部の改質器に補助熱源器を設けるようにしてもよい。
【００４１】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第１の通路と、燃料改質部を含む第１の通路をバイパスする第２の通路と、第１の通路および第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって燃料改質部の改質器温度を調整するようにしたものである。
【００４２】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質する改質器を用いて発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第１の通路と、燃料改質部を含む第１の通路をバイパスする第２の通路と、第１の通路および第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力の劣化補償動作として、予め定められた運転パラメータが設定された条件で運転を行い、その時の燃料電池システムの出力値を予め定められる標準出力に保つように、熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量の調節によって燃料改質部の改質器温度を調整するようにしたものである。
【００４３】
本発明の燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムの出力の劣化補償動作は、燃料電池システムの出力値が予め定められた条件を満たした時に行うようにする。例えば、予め定められた周期に従って行ったり、燃料電池システムの出力値が予め定められた閾値（劣化下限値）を下回った場合に行ったり、手動で行ったりする。
【００４４】
本発明の燃料電池システムの運転方法において、燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合、警告を発するようにしてもよい。また、燃料改質部の改質器温度が予め定められている範囲を逸脱した場合、その後の燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止し、以降、燃料電池システムの出力値が予め定められている下限値を逸脱した場合に、燃料電池システムの運転を停止するようにしてもよい。また、燃料電池の発電素子の破損を検出するようにし、発電素子の破損が検出された場合、燃料電池システムの出力の劣化補償動作を禁止するようにしてもよい。
【００４５】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法において、燃料改質部の改質器に補助熱源器を設け、燃料電池システムの劣化を補償する際、燃料改質部の改質器温度を熱量調節部を通過する燃焼ガスの熱量の調節によって調整できなくなった場合、燃料改質部の改質器温度を補助熱源器から燃料改質部の改質器へ供給する熱量の調節によって調整するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、燃料改質部の改質器温度を制御することにより、燃料ガス中の水素や一酸化炭素のガス濃度を調整することが可能となる。これにより、発電素子の経時劣化によるシステムの出力の低下が起きた場合でも、燃焼ガス中の水素や一酸化炭素濃度を上げて、発電電圧の低下を防ぎ、燃料電池システムの出力の劣化を補償することが可能となり、発電素子を従来に比べて長期間使用することができるようになる。
【００４７】
また、本発明によれば、発電素子の交換周期を長くし、発電素子の交換頻度を減らすことができると共に、発電素子の経時変化によるシステムの長期間の出力低下を防ぐことが可能となり、要求される電力に対して、必要以上の出力容量を持つシステムとせずとも、従来に比べて長期間に渡り、要求されるシステムの出力を維持することが可能となる。
【００４８】
また、システムの起動・停止は発電素子を劣化させる可能性があると言われている。本発明では、システムの起動・停止を少なくすることができるため、さらに発電素子の劣化を抑えることができ、したがって発電素子交換に伴う費用の発生を抑えることができる。
【００４９】
また、本発明によれば、発電素子の劣化状態を知り、発電素子の劣化に伴う破損が発生する前に、発電素子の交換時期が来たことを知らせるようにすることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
図１はこの発明に係る燃料電池システムの一実施の形態の概略を示すシステム構成図である。同図において、図１２と同一符号は図１２を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
【００５１】
この実施の形態では、改質熱交換器２への燃焼室４からの排気ガスの排出通路Ｌ１を第１の排出通路（以下、改質熱交換器流路と呼ぶ）とし、改質熱交換器２を含む改質熱交換器流路Ｌ１に並列に第２の排出通路（以下、バイパス流路と呼ぶ）Ｌ２を設け、改質熱交換器流路Ｌ１にバルブＶ１を、バイパス流路Ｌ２にバルブＶ２を設けている。
【００５２】
なお、この実施の形態では、改質熱交換器流路Ｌ１とバイパス流路Ｌ２の入口側の合流点Ｐ１を流入口（燃焼室４からの排気ガスの流入口）とも呼び、改質熱交換器流路Ｌ１とバイパス流路Ｌ２の出口側の合流点Ｐ２を排出口（燃焼室４からの排気ガスの排出口）とも呼ぶ。排出口Ｐ２より排出されるガスは、タービンシステムや蒸気発生器などの排熱利用機器に送られ、有効利用することもできる。
【００５３】
改質熱交換器２に対しては、この改質熱交換器２への燃料の供給通路Ｌ３と、起動モードや停止モードで使用されるパージガスの供給通路Ｌ５とが設けられ、燃料の供給通路Ｌ３にはバルブＶ３が、パージガスの供給通路Ｌ５にはバルブＶ５が設けられている。
【００５４】
また、空気予熱器（ヒータ）３への酸化剤ガスの供給通路Ｌ４にはバルブＶ４が設けられ、改質熱交換器２に対してはその改質器２−３内の温度を改質器温度Ｔ１として検出する温度センサ７が設けられている。また、発電室１に対しては、発電室１内の温度を発電室温度Ｔ２として検出する温度センサ８と、発電室１内の発電素子の電圧を発電電圧Ｖとして検出する電圧計９が設けられている。
【００５５】
また、この燃料電池システムには、温度センサ７からの改質器温度Ｔ１、温度センサ８からの発電室温度Ｔ２、電圧計９からの発電電圧Ｖを入力とし、バルブＶ１〜Ｖ５や空気予熱器３の動作を制御する制御装置としてコントローラ１０が設けられている。コントローラ１０は、プロセッサ（ＣＰＵ）１０ａや記憶装置１０ｂからなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して制御装置としての各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。また、コントローラ１０に対しては、コントローラ１０からの各種の情報を通知する通知装置１１が設けられている。
【００５６】
なお、この実施の形態では、発電室１が本発明で言う発電部に対応し、改質器２−３を含む改質熱交換器２が燃料改質部に対応し、燃焼室４が燃焼部に対応し、コントローラ１０が制御部に対応し、バルブＶ１，Ｖ２が熱量調節部に対応する。なお、本実施形態では、蒸発器２−１と燃料予熱器２−２と改質器２−３とを一体化した改質熱交換器２を備えるシステムを示したが、システムの形態によっては蒸発器２−１や燃料予熱器２−２を、あるいはその両方を改質器２−３と分離して設置するものもあり、本燃料改質部は、少なくとも改質器２−３を備えるものとする。
【００５７】
また、この実施の形態において、発電室温度Ｔ２としては、代表点１点を測定したものに限られない。例えば、発電室温度として複数点を測定している場合、発電素子の耐熱温度範囲で制御するために、モジュール構造として最も温度が上がりやすいポイントを制御点として用いることで、発電素子の破損を防ぐ制御が可能となる。
【００５８】
その他、発電室温度Ｔ２の測定に関しては、複数ポイント測定値の演算結果（例えば、温度変化率が最も高いポイント）などを用いる方法や、代表ポイント以外の複数ポイント測定値に対する温度上昇値の状態量制約を考慮できる制御則（例えば、モデル予測制御）を用いる方法もあり、モジュール構造に合わせて方法を選択すればよい。
【００５９】
また、モジュールの構成として、発電室内を適当な発電単位ごとにユニット化している場合がある。このような場合にも、ユニットごとに温度を測定し、温度を複数点測定している場合と同様の方法によって、発電室温度Ｔ２を決定すればよい。
【００６０】
以下、コントローラ１０が実行する本実施の形態特有の制御動作について説明する。なお、この制御動作に入る運転開始前の状態として、バルブＶ１〜Ｖ５は全てオフ（全閉）とされ、空気予熱器３もオフとされているものとする。
【００６１】
〔起動モード〕
コントローラ１０は、運転の開始が指示されると、この時点を起動モードの開始時とし、バルブＶ１，Ｖ４，Ｖ５をオン（全開）とし、空気予熱器３をオンとする（図２参照）。これにより、空気予熱器３への酸化剤ガス（空気）の供給が開始される。また、改質熱交換器２へのパージガスの供給が開始される。
【００６２】
空気予熱器３に流入した空気は、空気予熱器３で暖められ、空気分配器５を通して、発電室１内の空気極へ送られる。改質熱交換器２へ流入したパージガスは、改質熱交換器２を通って、発電室１の燃料極へ送られる。起動の際に、パージガスを供給する理由は、改質触媒の酸化を防ぐためである。なおパージガスとして、例えば窒素に３％以下の水素を混ぜた弱還元性のガスが使用される。
【００６３】
発電室１に供給された空気予熱器３からの空気は、発電室１を暖めながら、燃焼室４へ到達し、発電室１から排出されるパージガスと混合される。そして、この混合ガスが燃焼室４からの排気ガスとして、流入口Ｐ１に至り、改質熱交換器通路Ｌ１へ送られる。この場合、バルブＶ２は全閉とされていることから、燃焼室４からの排気ガスの全量が改質熱交換器通路Ｌ１へ送られる。改質熱交換器通路Ｌ１に送られた燃焼室４からの排気ガスは、改質熱交換器２の温度上昇に貢献した後、排ガスとして排出される。
【００６４】
コントローラ１０は、改質器温度Ｔ１が５００℃に達すると、バルブＶ５をオフとし、バルブＶ３をオンとする（図３参照）。これにより、供給通路Ｌ５からの改質熱交換器２へのパージガスの供給が断たれ、供給通路Ｌ３からの改質熱交換器２への燃料（都市ガス）の供給が開始される。
【００６５】
改質熱交換器２は、供給通路Ｌ３からの燃料の供給が開始されると、その燃料に蒸発器２−１からの蒸気を含ませ、燃料予熱器２−２を介して改質器２−３に導き、水素リッチな燃料ガスに改質し、発電室１に供給する。これにより、発電室１から排出される燃料ガスと空気とが燃焼室４内で混合される。ここで、燃焼室４内の温度が燃料の着火温度（４５０℃〜５００℃）を超えれば、燃焼室４内で燃焼が開始される。
【００６６】
発電室温度Ｔ２が６００℃以上となると発電室１での発電を開始させる。この場合、発電室１に対して負荷６を接続し、発電素子からの電流を負荷６に流す。これは発電反応の熱を初期昇温に利用するためである。なお、空気予熱器３の能力が高ければ、定常発電温度付近で発電動作に移ってもよい。
【００６７】
コントローラ１０は、発電室温度Ｔ２が定常発電温度（例えば、９５０℃）に近くなったら、バルブＶ３，Ｖ４の開度を制御しつつ、ガス流量をシステムの仕様に応じた燃料利用率η１，空気利用率η２に調整する。
【００６８】
この際、空気流量が小さくなる場合には、発電室温度Ｔ２が上昇する。この場合、コントローラ１０は、発電室温度Ｔ２をモニタしながら、バイパス流路Ｌ２のバルブＶ２の開度をＰＩＤ制御する。すなわち、バイパス流路Ｌ２のバルブＶ２の開度をＰＩＤ制御することにより、改質熱交換器流路Ｌ１を流れる排気ガスの流量を減らし、改質器温度Ｔ１を下げ、燃料ガスに含まれる炭化水素の一部を発電素子上で改質する内部改質を発電室１において発生させ、この時の改質反応熱（吸熱反応熱）により発電室温度Ｔ２の上昇を抑える。
【００６９】
そして、コントローラ１０は、燃料利用率η１、空気利用率η２、負荷電流Ｉおよび発電室温度Ｔ２が定常運転状態となれば起動を終了し、定常モードへ移行する。なお、本実施の形態において、起動終了時の改質器温度Ｔ１は、例えば６００℃程度とする。また、起動終了時において、バイパス流路Ｌ２のバルブＶ２は全閉状態ではなく、ＰＩＤ制御状態とされ、バイパス流路Ｌ２には燃焼室４からの排気ガスが分流して流れているものとする（図４参照）。
【００７０】
コントローラ１０は、定常モードへ移行する際、その時点（起動終了時点）での燃料電池システムの出力（以下、単にシステムの出力と言う）を初期出力とし、この初期出力を記憶装置１０ｂ内に標準出力として保存する。この例では、起動終了時点での発電電圧Ｖを標準出力Ｖ０として記憶装置１０ｂ内に保存する。なお、予めシステムの電力出力仕様が決まっている場合であれば、その電力出力仕様から得られる定格発電電圧を標準出力として保存しておくようにしてもよい。
【００７１】
また、コントローラ１０は、定常モードへ移行する際、その時点（起動終了時点）での燃料利用率η１，空気利用率η２，負荷電流Ｉ，改質器温度Ｔ１など標準出力Ｖ０を得るための必要な条件である標準状態を示す運転パラメータを記憶装置１０ｂ内に保存する。
【００７２】
〔定常モード〕  
コントローラ１０は、起動モードの終了時を定常モードの開始時として、発電室温度Ｔ２を９５０℃（定常発電温度）に保つように、空気予熱器３のオン／オフ制御（発電室１へ供給する空気の温度制御）やバルブＶ４の開度θ４のＰＩＤ制御（発電室１へ供給する空気の流量制御）を開始する（図５参照）。
【００７３】
〔劣化補償〕
この燃料電池システムでは、運転の継続時間に応じて発電素子が劣化し、システムの出力（装置出力〔Ｗ〕＝負荷電流〔Ａ〕×発電電圧〔Ｖ〕）が低下して行く。本実施の形態において、コントローラ１０は、この定常モードにおけるシステムの出力の劣化を次のようにして補償する。
【００７４】
〔ベースライン運転時の劣化補償〕
ベースライン運転（燃料電池システムに対する電力負荷を一定とする運転）時、コントローラ１０は、発電電圧Ｖを監視し、この発電電圧Ｖと劣化判断の閾値として定められている劣化下限値ＶＬｔｈとを比較する。この劣化下限値ＶＬｔｈは、装置の仕様として予め定めておいてもよいし、標準出力Ｖ０の９８％を劣化下限値ＶＬｔｈとするなど、標準出力Ｖ０に対する割合として定めるようにしてもよい。この場合、劣化下限値ＶＬｔｈは、システム仕様における最低発電電圧ＶＬMIN よりも大きな値、あるいは同等の値となるように設定することが好ましい。
【００７５】
ここで、コントローラ１０は、発電電圧Ｖが劣化下限値ＶＬｔｈを下回ったことを確認すると（図６（ｄ）に示すｔ１点）、システムの出力の劣化補償動作として、発電電圧Ｖを標準出力Ｖ０に戻すように、バルブＶ２の開度θ２の調節によって改質器温度Ｔ１を調整する。
【００７６】
すなわち、バルブＶ２の開度θ２を閉方向へ調節することによって、改質熱交換器流路Ｌ１を流れる排気ガスの流量を増大させ、改質器温度Ｔ１を上昇させる。改質器温度Ｔ１が上昇すると、燃料ガス中の水素および一酸化炭素の濃度が上昇し、発電電圧Ｖが上昇する。このようにして、コントローラ１０は、発電電圧Ｖが標準出力Ｖ０に一致するまで、バルブＶ２の開度θ２を閉方向へ調節し、改質器温度Ｔ１を上昇させる。
【００７７】
以下同様にして、コントローラ１０は、発電電圧Ｖが劣化下限値ＶＬｔｈを下回る毎に（図６（ｄ）に示すｔ２点、ｔ３点）、発電電圧Ｖを標準出力Ｖ０に戻すように、バルブＶ２の開度θ２の調節によって改質器温度Ｔ１を調整する。
【００７８】
コントローラ１０は、改質器温度Ｔ１の調整後、その調整後の改質器温度Ｔ１を改質器温度の設定値Ｔ１setとして記憶装置１０ｂに記憶させ、改質器温度Ｔ１がＴ１setとなるようにバルブＶ２の開度θ２を制御する。これにより、発電電圧Ｖの低下が防がれ、システムの出力の劣化が補償される。
【００７９】
なお、劣化補償動作が行われる毎に記憶装置１０ｂに保存されている標準状態を定義する改質器温度を書き替え、次回の劣化補償動作の際の運転パラメータとして使用するようにしてもよい。
【００８０】
なお、この例では、発電電圧Ｖが劣化下限値ＶＬｔｈを下回ったときに劣化補償動作が行われるものとしたが、定期的（例えば、５００時間毎（長周期））に劣化補償動作を行わせるようにしてもよい（図７参照）。また、バルブＶ１，Ｖ２等の開度制御等を判断する制御周期（例えば、１〜２秒（短周期））で劣化補償動作を行わせるようにしてもよい。また、発電電圧Ｖが劣化下限値ＶＬｔｈを下回ったときに行う劣化補償動作（非定周期の劣化補償動作）と、定期的（長周期）や制御周期（短周期）で行う劣化補償動作（定周期の劣化補償動作）とを組み合わせてもよく、ユーザからの指示があった場合に劣化補償動作が行われるようにしてもよい。
【００８１】
〔負荷変動運転時の劣化補償〕
負荷変動運転（燃焼電池システムに対する電力負荷の変動に燃料電池システムの出力を追従させる運転）時、コントローラ１０は、定期的（例えば、５００時間毎）に、記憶装置１０ｂに保存されている標準状態にシステムの運転条件を調整する。すなわち、起動終了時点での燃料利用率η１，空気利用率η２，負荷電流Ｉ，改質器温度Ｔ１など標準出力Ｖ０を得るための必要な条件である標準状態を示す運転パラメータを取得し、この運転パラメータに従ってシステムの運転条件を標準状態に調整する。この時、必要であれば、電力負荷を模擬する電子負荷装置などを用いてもよい。
【００８２】
そして、この標準状態へのシステムの運転条件の調整後、コントローラ１０は、システムの出力の劣化補償動作として、システムの運転条件を標準状態に調整した後の発電電圧Ｖと標準出力Ｖ０とを比較し、発電電圧Ｖを標準出力Ｖ０に戻すように、バルブＶ２の開度θ２の調節によって改質器温度Ｔ１を調整する。
【００８３】
すなわち、バルブＶ２の開度θ２を閉方向へ調節することによって、改質熱交換器流路Ｌ１を流れる排気ガスの流量を増大させ、改質器温度Ｔ１を上昇させる。改質器温度Ｔ１が上昇すると、燃料ガス中の水素および一酸化炭素の濃度が上昇し、発電電圧Ｖが上昇する。このようにして、コントローラ１０は、発電電圧Ｖが標準出力Ｖ０に一致するまで、バルブＶ２の開度θ２を閉方向へ調節し、改質器温度Ｔ１を上昇させる。
【００８４】
コントローラ１０は、この劣化補償動作によって発電電圧Ｖを標準出力Ｖ０に戻した後、その時の改質器温度Ｔ１を改質器温度の設定値Ｔ１setとして記憶装置１０ｂに記憶させ、元の負荷変動運転に戻る。この負荷変動運転では、次の劣化補償動作が行われるまで、記憶装置１０ｂに記憶されている改質器温度の設定値Ｔ１setを用い、改質器温度Ｔ１がＴ１setとなるようにバルブＶ２の開度θ２を制御する。
【００８５】
なお、劣化補償動作が行われる毎に記憶装置１０ｂに保存されている標準状態を定義する改質器温度を書き替え、次回の劣化補償動作の際の運転パラメータとして使用するようにしてもよい。
【００８６】
また、この例では、定期的に劣化補償動作が行われるようにしたが、ベースライン運転時の劣化補償と同様にして、ユーザからの指示があった場合に劣化補償動作が行われるようにしてもよい。
【００８７】
〔改質器温度の変化による発電室温度の変化〕
改質器温度Ｔ１を変化させることによって発電室１へ供給する燃料ガス中の水素や一酸化炭素の濃度を変化させた場合、発電室温度Ｔ２が変化する。発電室温度Ｔ２が上昇し過ぎた場合には発電素子が劣化する可能性があるため、発電室温度Ｔ２の調整が必要となる場合がある。この場合、コントローラ１０は、バルブＶ４の開度を制御することにより、発電室１への空気流量を増減し、発電室温度Ｔ２の調整を行う。
【００８８】
発電室１への空気流量の増減は燃焼室４からの排気ガスの温度を変化させることがある。これにより、バルブＶ２の開度を変更しない場合でも、改質器温度Ｔ１が変化し、システムの出力が変化することがある。この場合、コントローラ１０は、記憶装置１０ｂに記憶されている改質器温度の設定値Ｔ１setとなるようにバルブＶ２の開度θ２を制御するので、発電室１への空気流量の増減によるシステムの出力の変化が生じることはない。
【００８９】
〔バルブＶ１，Ｖ２の開度制御について〕
上述した実施の形態では、一形態として、バルブＶ１を全開とし、バルブＶ２の開度を制御（ＰＩＤ制御）するようにしたが、バルブＶ２の開度を全開とし、バルブＶ１の開度を制御（ＰＩＤ制御）するようにしてもよい。バルブＶ１，Ｖ２を同時に締め切った場合、発電室１の内部の圧力が上昇して発電素子が破損する場合がある。したがって、バルブＶ１，Ｖ２のどちらかが必ず開いている状態の制御が必要であり、これを実現するために、バルブＶ１を全開としてバルブＶ２の開度を制御したり、バルブＶ２の開度を全開としてバルブＶ１の開度を制御したりするシーケンスを採用する。
【００９０】
このシーケンスでは、バルブＶ２の開度を小さくすることで改質器温度Ｔ１を上昇させることができ、バルブＶ１の開度を大きくすることで改質器温度Ｔ１を上昇させることができる。したがって、このシーケンスを採用することにより、発電素子を破損させることなく、改質器の温度制御が可能となる。なお、場合によっては、バルブＶ１，Ｖ２が共に全閉とならないことを条件として、バルブＶ１，Ｖ２の開度を制御するようにすることもあり得る。
【００９１】
例えば、バルブＶ１が全開で、バルブＶ２を制御している状態において、バルブＶ２も全開となった場合に、バルブＶ１の制御を開始する方法が考えられる。これにより、バルブＶ１，Ｖ２のどちらかのみを制御する場合よりも大きな温度範囲で改質器温度Ｔ１を制御することができる。
【００９２】
また、上述した実施の形態では、改質熱交換器流路Ｌ１にバルブＶ１を設け、バイパス流路Ｌ２にバルブＶ２を設けるようにしたが、改質熱交換器流路Ｌ１にバルブＶ１を設けるのみとしてもよく、バイパス流路Ｌ２にバルブＶ２を設けるのみとしてもよい。この場合、バルブが存在しない流路には各流路の圧力損失関係によって決まる最低限の流量の排気ガスが流れることになり、何れか一方の流路に設けられたバルブの開度を調整することによって改質器温度Ｔ１を調整することができる。
【００９３】
但し、バイパス流路Ｌ２にバルブＶ２を設けるのみの構成とした場合、改質熱交換器２での改質には最低限の温度（例えば、４５０℃）が必要であるため、この温度を確保することができるような形態で改質熱交換器流路Ｌ１の管路設計を行うようにすることが肝要である。
【００９４】
バルブＶ２の開度を全開とし、バルブＶ１の開度を制御するようにした場合、バルブＶ１が全閉となる場合が存在する。このような状態が長期間続くと、改質器温度Ｔ１が低下し、システムが正常に動作しなくなることが考えられる。しかしながら、この場合、劣化補償動作後に定められる改質器温度の設定値Ｔ１setを保つようにバルブＶ１が制御されるため、バルブＶ１が長期間全閉状態となることがなく、システムの動作に問題は生じない。
【００９５】
なお、ここでは確実に発電室１の内圧を高めないことを条件とする改質器の温度制御方法を示したが、排気部分を閉塞させない制御条件が分かっている場合であれば、モデル制御などを用いた高度な制御方法を用いて、バルブＶ１，Ｖ２の開度を同時に変更するような制御も可能である。
【００９６】
また、この実施の形態では、起動モード時、空気予熱器３によって予熱された高温の空気を空気分配器５を介して発電室１に供給するようにしたが、不完全燃焼による還元ガスを供給できるバーナ（還元燃焼バーナ）を設け、この還元燃焼バーナからの還元ガスを発電室１へ供給するようにしてもよい。なお、この場合、還元ガスは発電室１の燃料極へ供給するようにする。
【００９７】
〔実施の形態２〕
図８に本発明に係る燃料電池システムの他の実施の形態（実施の形態２）の概略を示す。この実施の形態２では、改質熱交換器２への排気ガスの流入口Ｐ１に温度調整されたガスを供給する外部熱源器１２が設けられている。この例では、外部熱源器１２として、バーナ（外部加熱源）１２−１とブロワ（外部冷却源）１２−２が設けられている。バーナ１２−１への燃料の供給通路Ｌ６にはバルブＶ６が設けられている。
【００９８】
また、この実施の形態２では、バルブＶ１に対し、最低開度θ１MIN （例えば、θ１MIN ＝１０％）を定めている。この最低開度θ１MIN はコントローラ１０の記憶装置１０ｂに記憶されている。また、流入口Ｐ１のガスの温度をＴ３として温度センサ１３で検出するようにし、この温度センサ１３が検出するガス温度Ｔ３をコントローラ１０へ送るようにしている。
【００９９】
この実施の形態２において、定常モード時、バルブＶ１が全開で、かつバルブＶ２が全閉となっている場合は、改質熱交換器２に供給される熱が不足していることを示している。この場合、コントローラ１０は、バルブＶ６をオンとしてバーナ１２−１へ燃料を供給し、バーナ１２−１からの燃焼ガスを流入口Ｐ１へ送る。この際、コントローラ１０は、流入口Ｐ１のガス温度Ｔ３を予め定められたガス温度に調整するように、バーナ１２−１からの燃焼ガスの供給量を調整する。
【０１００】
逆に、バルブＶ２が全開で、かつバルブＶ１が最低開度θ１MIN になった場合には、改質熱交換器２が加熱され過ぎていることを示している。この場合、コントローラ１０は、ブロワ１２−２を作動させ、冷却ガス（例えば、空気）を流入口Ｐ１へ送る。この際、コントローラ１０は、流入口Ｐ１のガス温度Ｔ３を予め定められたガス温度に調整するように、ブロワ１２−２からの冷却ガスの供給量を調整する。
【０１０１】
なお、この実施の形態２において、バルブＶ１に最低開度θ１MIN を定めている理由は、冷却ガスを送り込むことによって流入口Ｐ１における排気ガスの温度を下げても、バルブＶ１が閉じた状態では改質熱交換器流路Ｌ１に排気ガスが流れず、改質器温度Ｔ１を低下させることができないためである。なお、バルブＶ１を全閉にしても、改質の吸熱反応により改質器温度は低下する方向に作用するため、場合によってはバルブＶ１を全閉にするような制御も可能である。
【０１０２】
外部熱源器１２を用いる場合、図９に示すように、流入口Ｐ１に燃焼室４からの排気ガスと外部熱源器１２からのガスとの混合空間部としてバッファ１４を設け、このバッファ１４にその空間部内のガスの混合を促進するガス混合促進手段としてミキサ１５を設けるようにするとよい。このようなバッファ１４やミキサ１５を設けることによってガス温度に偏りが生じにくくすることができる。
【０１０３】
この実施の形態２では、外部熱源器１２としてバーナ１２−１やブロワ１２−２を用いるものとしているが、外部熱源器１２はこのようなバーナやブロワに限られるものではない。また、バーナ１２−１やブロワ１２−２によって排気ガスの温度を制御するのではなく、改質器２−３に送られるガスを電気的に加熱・冷却するような構成としてもよい。改質熱交換器２に送られるガスの加熱・冷却方法は、他にも種々考えられ、どのような方法を用いてもよい。
【０１０４】
〔実施の形態３〕
図１０に補助熱源器としてヒータ１６を改質器２−３に設置した例（実施の形態３）を示す。この実施の形態３では、定常モード時、バルブＶ１が全開で、かつバルブＶ２が全閉となっている場合、コントローラ１０は、ヒータ１６をオンとし、改質器２−３を直接加熱する。
【０１０５】
この方法であれば、ヒータ１６を動作させる場合にはバルブＶ１は全開となっており、かつバルブＶ２は全閉となっているため、ヒータ１６の制御はバルブＶ１，Ｖ２の開度に依存しないことになる。したがって、バルブ制御との干渉がなく、改質器温度Ｔ１をヒータ１６単独で制御することができる。
【０１０６】
なお、改質器２−３に設置する補助熱源器として、必要であれば、ペルチェ素子などの冷却源を設けるようにしてもよい。また、改質器２−３に設置する補助熱源器は、ヒータやペルチェ素子に限られるものではない。
【０１０７】
〔改質器温度が改質器動作可能温度範囲から逸脱した場合〕
改質器２−３は温度が低すぎる場合には改質動作が行えず、温度が高すぎると改質器内の改質触媒や改質器筐体が損傷することがある。改質動作が可能となる温度は、改質触媒として用いられる材料にもよるが概ね４５０℃以上であり、改質器の耐熱性は耐熱ステンレスを使用した場合でも８００℃が上限である。したがって、改質器２−３には、動作可能な温度範囲（改質器動作可能温度範囲）が存在することになる。
【０１０８】
そこで、コントローラ１０は、改質器２−３を破損させないために、改質器温度Ｔ１をモニタし、改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲から逸脱しないように、改質器温度Ｔ１の調整を規制する。具体的には、コントローラ１０内の記憶装置１０ｂに改質器動作可能温度範囲を記憶させておき、改質器温度Ｔ１がこの改質器動作可能温度範囲を逸脱した場合、その改質器温度Ｔ１を改質器動作可能温度範囲の上限値および下限値で規制すると共に、その後の劣化補償動作を禁止し、改質器動作可能温度範囲を超える改質器温度Ｔ１の調整が行われないようにする。また、通知装置１１を介し、ユーザに対して警告を発する。
【０１０９】
発電素子の劣化はシステムの出力の単調減少として現れる。このため、改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲から逸脱する条件は、通常、改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲の高温側限界に達したことを意味する。この状態でさらに発電素子の劣化が進んだ場合、劣化補償動作を行って改質器温度Ｔ１を上昇させると、改質器２−３が損傷を受ける虞がある。
【０１１０】
改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲の高温側限界を逸脱した場合、コントローラ１０は、その改質温度Ｔ１を改質器動作可能温度範囲の上限値で規制すると共に、その後の劣化補償動作を禁止する。したがって、改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲の高温側限界を超えて上昇して行くことがなく、改質器２−３が損傷を受ける虞を回避することができる。また、この場合、通知装置１１を介してユーザに対して警告が発せられるので、この警告によって使用している発電素子の交換時期が来たことを知ることができる。
【０１１１】
なお、改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲の高温側限界に達した時に直ぐに警告と合わせて発電素子の交換時期が来たことを通知するようにしてもよいが、改質器温度Ｔ１を改質器動作可能温度範囲の上限値としたまま運転を継続し、システムの出力が発電素子の交換時期を判断するための閾値として予め定められている下限値に達した時点でシステムの運転を停止し、発電素子の交換時期が来たことを通知するようにしてもよい。
【０１１２】
この場合、発電素子の交換時期を判断するための下限値は、劣化補償動作を行う際の劣化下限値と同一である必要はなく、劣化下限値よりも低い値としてもよい。このような場合でも、改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲の高温側限界に達した時点で警告を発することで、発電素子の交換時期が近いことを知るための情報として有効に活用することができる。これにより、発電素子の劣化による発電素子の破損を回避しつつ、システムの運転を長期間に亘って継続することができる。
【０１１３】
〔発電素子が損傷を受けた場合〕
上述した実施の形態１〜３において、周辺機器の異常などにより運転条件が正しく設定されず、発電室１内の発電素子が損傷を受けることがある。発電素子の破損が起きた場合には、経時劣化と同じくシステムの出力が低下する。この場合、発電素子の破損によるシステムの出力低下も発電素子の劣化によるシステムの出力低下と同様に、劣化補償動作が行われることになる。
【０１１４】
しかしながら、発電素子の破損によるシステムの出力低下は、破損箇所における燃料と空気（酸素）の直接反応による燃料濃度の低下で発生することが一般的である。このため、燃料ガス中の水素あるいは一酸化炭素の濃度を上昇させてもシステムの出力を上昇させることはできない。
【０１１５】
したがって、発電素子が破損すると、繰り返される劣化補償動作によって、改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲の高温側限界まで上昇することになる。この場合、警告が発せられたり、発電素子の交換時期が通知されたりする。したがって、発電素子が破損した場合であっても、速やかにそれに対処することが可能となる。
【０１１６】
〔多数の発電素子を用いる場合〕
発電室１では、多数の発電素子を用いることが多く、発電素子ごと、あるいは適当な間隔の発電素子ごとに発電中の電位を測定していることが多い。このような状況で発電素子の破損が発生すると、破損位置の発電電位が低下していることが確認できる。また、発電素子の破損位置では、燃料と空気の直接反応により温度が局部的に上昇することが知られている。したがって、このような局部的な発電電位の低下や局部的な温度上昇などを測定することにより、発電素子破損が検出できる場合には、劣化補償動作を行わずに、発電素子交換の警告を即座に行うようにしてもよい。
【０１１７】
例えば、多数の発電素子を用いる場合、発電素子の破損を検出するセンサ（発電素子破損検出センサ）１７を設け、このセンサ１７の出力をコントローラ１０へ与えるようにする。この場合、コントローラ１０は、センサ１７から発電素子の破損が知らされると、その後の劣化補償動作を禁止し、通知装置１１を介してユーザへ即座に発電素子の交換の警告を発する。
【０１１８】
〔実施の形態４〕
劣化補償動作に関しては、改質器温度を独立に制御するという点のみを考えれば、改質熱交換器流路Ｌ１を流れる排気ガスの流量を制御せずとも、改質器２−３にヒータやペルチェ素子などの補助熱源器を設置し、この補助熱源器から改質器２−３へ供給する熱量を調節することにより、改質器温度Ｔ１を調整するようにすることも可能である。
【０１１９】
図１１に、改質熱交換器流路Ｌ１に対してバイパス流路Ｌ２を設けずに、改質器２−２３に補助熱源器としてヒータ１８を設置した例（実施の形態４）を示す。
【０１２０】
このシステムにおいて、コントローラ１０は、発電素子の劣化によりシステムの出力が低下する場合、劣化補償動作として、ヒータ１８で改質器２−３を暖めることによって改質器温度Ｔ１を上昇させ、燃焼ガス中の水素および一酸化炭素の濃度を上昇させる。ヒータ１８の制御は、改質器温度Ｔ１をモニタすることにより、ＰＩＤ制御などの方法を用いて行う。
【０１２１】
ヒータ１８の制御中、改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲を逸脱する場合には、ヒータ１８の動作を改質器動作可能温度範囲内で規制することによって改質器２−３を保護する。また、ヒータ１８の動作により改質器温度Ｔ１が改質器動作可能温度範囲の高温側限界に達した場合には、その後の劣化補償動作を禁止すると共に、警告を発生したり、発電素子の交換時期に到達したことを通知したりする。
【０１２２】
なお、図１１に示されるように、改質器２−３の出口付近にヒータ１８を設置することにより、改質器２−３の出口の燃料ガス中の水素や一酸化炭素の濃度を制御し易くなり、劣化補償動作を行うのに好ましい構成となる。しかし、ヒータ１８の設置位置は、これに限定されるものではない。
【０１２３】
なお、各実施形態において、蒸発器２−１と燃料予熱器２−２と改質器２−３とを一体化した改質熱交換器２を備えるシステムを示したが、この形態に限定されない。蒸発器２−１や燃料予熱器２−２を、あるいはその両方を改質器２−３と分離して設置するものも含まれる。また、改質方法も水蒸気改質に限らず、部分酸化改質法や併用改質法などにも適応可能である。
【０１２４】
また、各実施形態において、燃料改質部への燃焼ガスの熱量を調節する熱量調節部としてバルブを用い、その制御方法としてＰＩＤ制御を示したが、これらに限定されない。
【０１２５】
以上のとおり、本願発明により、燃料改質部の改質器温度を制御することにより、燃料ガス中の水素や一酸化炭素のガス濃度を調整することが可能となる。これにより、発電素子の経時劣化によるシステムの出力の低下が起きた場合でも、燃焼ガス中の水素や一酸化炭素濃度を上げて、発電電圧の低下を防ぎ、燃料電池システムの出力の劣化を補償することが可能となり、発電素子を従来に比べて長期間使用することができるようになる。
【０１２６】
また、本発明によれば、発電素子の交換周期を長くし、発電素子の交換頻度を減らすことができると共に、発電素子の経時変化によるシステムの長期間の出力低下を防ぐことが可能となり、要求される電力に対して、必要以上の出力容量を持つシステムとせずとも、従来に比べて長期間に渡り、要求されるシステムの出力を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態（実施の形態１）の概略を示すシステム構成図である。
【図２】この燃料電池システムにおけるコントローラが実行する起動モードの開始時の制御動作を説明する図である。
【図３】この燃料電池システムにおけるコントローラが実行する起動モードにおける燃料供給開始時の動作を説明する図である。
【図４】この燃料電池システムにおけるコントローラが実行する起動モード終了時の制御動作を説明する図である。
【図５】この燃料電池システムにおけるコントローラが実行する定常モード開始時の制御動作を説明する図である。
【図６】ベースライン運転時に発電電圧Ｖが劣化下限値ＶＬｔｈを下回る毎に実行される劣化補償動作（非定周期の劣化補償動作）を説明するタイムチャートである。
【図７】ベースライン運転時に定期的に実行するようにした場合の劣化補償動作（定周期の劣化補償動作）を説明するタイムチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの他の実施の形態（実施の形態２）の概略を示すシステム構成図である。
【図９】実施の形態２の構成において燃焼ガスからの改質熱交換器への排気ガスの流入口にバッファおよびミキサを設けるようにした例を示す図である。
【図１０】本発明に係る燃料電池システムの別の実施の形態（実施の形態３）の概略を示すシステム構成図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池システムの別の実施の形態（実施の形態４）の概略を示すシステム構成図である。
【図１２】従来のＳＯＦＣを用いた燃料電池システムの概略を示す図である。
【図１３】非特許文献１に示されたＳＯＦＣの劣化挙動（円筒平板形単セルの長期耐久試験結果）を示す図である。
【図１４】都市ガスの主成分であるメタンを改質した場合の改質器温度と改質ガス組成の関係を示す図である。
【図１５】非特許文献２に示された燃料ガス中の水素および一酸化炭素濃度と発電素子（セル）の発電電圧（セル電圧）との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１…発電室、２…改質熱交換器、３…空気予熱器（ヒータ）、２−１…蒸発器、２−２…燃料予熱器、２−３…改質器、４…燃焼室、５…空気分配器、６…負荷、７，８…温度センサ、９…電圧計、１０…コントローラ、１０ａ…プロセッサ（ＣＰＵ）、１０ｂ…記憶装置、１１…通知装置、Ｖ１〜Ｖ６…バルブ、１２…外部熱源器、１２−１…バーナ、１２−２…ブロワ、１３…温度センサ、１４…バッファ、１５…ミキサ、１６…ヒータ、１７…センサ（発電素子破損検出センサ）、１８…ヒータ、Ｌ１…第１の排出通路（改質熱交換器流路）、Ｌ２…第２の排出通路（バイパス通路）、Ｌ３，Ｌ６…燃料の供給通路、Ｌ４…酸化剤ガスの供給通路、Ｌ５…パージガスの供給通路、Ｐ１…流入口（排気ガスの流入口）、Ｐ２…排出口（排気ガスの排出口）、１００…モジュール。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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