JP2010055979A

JP2010055979A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2010055979A
Application number: JP2008220832A
Authority: JP
Inventors: Michio Akakabe; 道夫明壁
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: JP5227115B2

Abstract

【課題】システムの簡素化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、燃料電池１の燃料極１２に供給する発電用燃料を原料の改質反応により生成させる改質部２０と、燃焼用燃料を燃焼させることにより改質部２０を改質反応に適するように加熱させる燃焼バーナ部２２とを有する改質装置２と、燃料電池１の酸化剤極１４の上流または下流に設けられ、酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池１の酸化剤極１４の入口１４ｉに供給する酸化剤ガス搬送源３と、連通路４とを有する。連通路４は、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐと燃焼バーナ部２２の入口２２ｉとを連通させる。連通路４は、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐから吐出された発電反応後の酸化剤オフガスを燃焼バーナ部２２に供給して燃焼用燃料と共に燃焼させる。
【選択図】図１

Description

本発明は原料から改質反応により燃料ガスを生成させる改質部を高温に加熱させる燃焼バーナ部を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、一般的には、図６に示すように、燃料電池１Ｘと、燃料電池１Ｘの燃料極に供給する発電用燃料を改質反応により生成させる改質装置２Ｘと、酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池１の酸化剤極に供給する酸化剤ガス搬送源３Ｘとを有する。ここで、改質装置２Ｘは、発電用燃料を改質反応により生成させる改質部２０Ｘと、改質部２０Ｘを改質反応に適するように高温に加熱させる燃焼バーナ部２２Ｘとをもつ。更に、外気と燃焼バーナ部２２Ｘとを連通させる専用の通路配管２２０Ｘと、燃焼用空気を通路配管２２０Ｘを介して燃焼バーナ部２２Ｘに供給するポンプ２２５Ｘとが設けられている。

このように燃焼用空気は、専用の通路配管２２０Ｘを介して燃焼バーナ部２２Ｘに供給され、燃焼バーナ部２２Ｘにおける燃焼反応に使用される。

更に、近年、燃料電池から吐出された発電反応後の酸化剤オフガスに残留している酸素により燃料を燃焼させる補助燃焼部を部分酸化改質反応に用いる燃料電池システムが知られている（特許文献１）。部分酸化改質反応は、炭化水素系の燃料を酸素で不完全燃焼させて水素含有ガスを形成する方法である。

このシステムによれば、補助燃焼部は、炭化水素系の改質用燃料を酸素で部分酸化反応させることにより、水素含有ガスを形成する部分酸化改質反応に使用されるものである。すなわち、補助燃焼部は、燃料電池の酸化剤極から吐出された酸化剤オフガスに残留されている酸素により燃料を燃焼させることにより、改質用燃料を部分酸化改質に適するように酸素量を低減させるものである。従って、特許文献１における補助燃焼部は改質部から分離されており、改質部を改質反応に適するように高温に加熱するものではない。
特開２００５−３４７０６５号公報

上記した一般的な燃料電池システムによれば、前述したように、外気と燃焼バーナ部とを連通させる専用の通路配管２２０Ｘと、燃焼用空気を通路配管２２０Ｘを介して燃焼バーナ部２２Ｘに供給するポンプ２２５Ｘとが必要とされる。このため、システムの簡素化には限界がある。

更に、特許文献１に係るシステムで使用される補助燃焼部は、部分酸化によって水素含有ガスを生成させる改質反応に使用されるものであり、改質部を加熱させる燃焼バーナ部における燃焼として使用されるものではない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、システムの簡素化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。

本発明者は上記した課題のもとに鋭意開発を進めている。本発明者は、（ａ）燃料電池の酸化剤極から吐出された発電反応後の酸化剤オフガスには、発電反応に使用されなかった未反応の酸素が残留していること、（ｂ）未反応の酸素が残留している酸化剤オフガスを燃焼バーナ部に燃焼用空気として供給させれば、システムを簡素化できることに着目し、本発明に係る燃料電池システムを完成させた。

即ち、本発明に係る燃料電池システムは、（ｉ）イオン伝導膜を挟む燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池と、（ｉｉ）燃料極に供給する発電用燃料を原料の改質反応により生成させる改質部と燃焼用燃料を燃焼させることにより改質部を改質反応に適するように加熱させる燃焼バーナ部とを有する改質装置と、（ｉｉｉ）酸化剤極に対して上流または下流に設けられ、酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極の入口に供給する酸化剤ガス搬送源と、（ｉｖ）酸化剤極の出口と燃焼バーナ部の入口とを連通させ、且つ、酸化剤極の出口から吐出された発電反応後の酸化剤オフガスを燃焼用燃料と共に燃焼バーナ部において燃焼させるために、酸化剤オフガスを燃焼バーナ部に供給する連通路と、（ｖ）制御装置とを具備しており、（ｖｉ）制御装置は、燃焼バーナ部から排出される排ガスの酸素状態量および燃料電池の発電量とに基づいて、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの状態量を推定し、推定された酸化剤ガスの状態量に基づいて酸化剤ガス搬送源の駆動を制御する。

燃料電池の発電運転において、酸化剤ガス搬送源が駆動されると、酸素を含む酸化剤ガスが燃料電池の酸化剤極にこれの入口から供給され、酸化剤極において発電反応に使用される。燃料電池の酸化剤極の出口から、発電反応後の酸化剤オフガス（カソードオフガス）が吐出される。酸化剤オフガスは、発電反応で消費されなかった未反応の酸素を含有する。酸化剤オフガスは、連通路を流れ、燃焼バーナ部の入口に向かう。このように燃料電池の酸化剤極の出口から吐出された発電反応後の酸化剤オフガスは、連通路から燃焼バーナ部に供給され、燃焼用燃料を燃焼バーナ部において燃焼させる。酸化剤ガス搬送源としては、酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極に供給できるものであれば良く、ポンプ、ブロア、ファン、コンプレッサ等が例示される。

このように本願発明によれば、酸化剤ガス搬送源から燃料電池の酸化剤極に供給された酸素は、燃料電池の酸化剤極から吐出された後、燃焼バーナ部に供給される。従って、従来の燃料電池システムにおいて外気と燃焼バーナ部とを連通させるために必要とされていた専用の通路配管２２０Ｘと、燃焼用空気を通路配管２２０Ｘを介して燃焼バーナ部に供給するために必要とされていたポンプ２２５Ｘとが廃止される。従ってシステムの簡素化に貢献できる。

本発明によれば、制御装置が設けられており、制御装置は、燃焼バーナ部から排出される排ガスの酸素状態量および燃料電池の発電量とに基づいて、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの状態量を推定し、推定された酸化剤ガスの状態量に基づいて酸化剤ガス搬送源の駆動を制御する。この場合、適量の酸化剤オフガスが燃焼バーナ部に燃焼用空気として供給されるため、燃焼バーナ部における燃焼反応が良好とされる。更には、推定された酸化剤ガスの状態量に基づいて酸化剤ガス搬送源の駆動を制御させるため、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの状態量を検知する流量センサ等のセンサを廃止することができる。

本発明に係る燃料電池システムは次の好適態様が採用できる。

・制御装置は、燃料電池の酸化剤極で発電のために消費される発電用酸素量と、燃焼バーナ部で燃焼用燃料を燃焼させる燃焼用酸素量とを含む酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極に供給するように、酸化剤ガス搬送源の駆動を制御することが好ましい。この場合、燃料電池の発電量、燃焼バーナ部における燃焼が良好とされる。更には、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの状態量を検知する流量センサ等のセンサを廃止させることもできる。

この場合、燃焼バーナ部から排出される排ガスの酸素状態量を直接的または間接的に検知するセンサが設けられていることが好ましい。排ガスの酸素状態量は、単位体積あたりの排ガスの酸素量または酸素濃度を意味することができる。直接的に検知とは、他のパラメータを介さずに排ガスの酸素状態量を検知することをいう。間接的に検知とは、他のパラメータを介して排ガスの酸素状態量を検知することをいう。他のパラメータとしては、燃焼バーナ部の温度、燃焼バーナ部から排出される排ガスのＣＯ_２状態量、ＣＯ状態量から推定しても良い。

・燃料電池の酸化剤極の出口から吐出された発電反応後の酸化剤オフガスの含まれている水分量を低減させるための水分低減部が連通路に設けられていることが好ましい。この場合、水分量が低減された酸化剤オフガスが燃焼バーナ部に供給されるため、燃焼バーナ部における燃焼反応が良好となる。

・好ましくは、燃料電池の酸化剤極の入口に供給される酸化剤ガスを加湿させる加湿器と、システムの起動時において酸化剤ガスの少なくとも一部が加湿器および燃料電池の酸化剤極を通過しないように加湿器および燃料電池の酸化剤極を迂回するための迂回通路とが設けられている。この場合、燃料電池が発電していないシステムの起動時においては、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給させる要請は、無いか、少ない。これに対して、システムの起動時であっても、改質部を改質反応に適するように加熱させるべく燃焼バーナ部において良好な燃焼反応を得るために、燃焼バーナ部に酸素を積極的に供給させる必要がある。

そこで、システムの起動時において、酸化剤ガスの少なくとも一部が加湿器および燃料電池の酸化剤極を通過しないよう、酸素を含む酸化剤ガスが迂回通路に通過し、加湿器および燃料電池の酸化剤極を迂回することが好ましい。この結果、システムの起動時において、加湿器に残留する水分が酸化剤ガスによって持ち去られることが抑制され、加湿器の過剰乾燥が抑制され、加湿器が適度な水分量に保持される。

同様に、システムの起動時において、燃料電池の酸化剤極の内部に残留する水分が酸化剤ガスによって持ち去られることが抑制される。従って、燃料電池の酸化剤極およびイオン伝導膜の過剰乾燥が抑制され、酸化剤極およびイオン伝導膜が適度な水分量に保持される。なおイオン伝導膜が過剰に乾燥すると、イオン伝導膜のイオン伝導率が低下し、燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。

・燃料電池が発電運転するとき、燃焼バーナ部で燃焼される燃焼用燃料は、燃料電池の燃料極（アノード）から排出されるアノードオフガスであることが好ましい。アノードオフガスにはアノード活物質（一般的には水素）が残留しているためである。更に、原料源と燃焼バーナ部と間にはバルブが設けられていることが好ましい。この場合、システムの起動時には、バルブが開放されて原料源からの起動用燃料が燃焼バーナ部に供給されて燃焼されて改質部を加熱し、且つ、燃料電池が発電運転しているときには、バルブが閉鎖され、原料源から燃焼バーナ部への起動用燃料の供給は制限され、燃料電池の燃料極から排出された燃焼用燃料（アノードオフガス）が燃焼バーナ部で燃焼されることが好ましい。

以上説明したように本発明によれば、酸化剤ガス搬送源から燃料電池の酸化剤極に供給された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤極から吐出された後、酸化剤オフガスとして改質装置の燃焼バーナ部に供給され、燃焼バーナ部における燃焼反応に利用される。従って、従来の燃料電池システムにおいて外気と燃焼バーナ部とを連通させるために必要とされていた通路配管２２０Ｘと、燃焼用空気を通路配管２２０Ｘを介して燃焼バーナ部に供給するために必要とされていたポンプ２２５Ｘとが廃止される。従ってシステムの簡素化に貢献できる。

本発明によれば、制御装置は、燃焼バーナ部から排出される排ガスの酸素状態量および燃料電池の発電量とに基づいて、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの状態量を推定し、推定された酸化剤ガスの状態量に基づいて酸化剤ガス搬送源の駆動を制御する。この場合、適量の酸化剤オフガスが燃焼バーナ部に燃焼用空気として供給されるため、燃焼バーナ部における燃焼反応が良好とされる。更には、推定された酸化剤ガスの状態量に基づいて酸化剤ガス搬送源の駆動を制御させるため、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの状態量を検知する流量センサ等のセンサを廃止することができる。

（実施形態１）
図１は実施形態１に係る燃料電池システム（以下、システムともいう）を示す。本実施形態のシステムは、燃料電池１と、改質装置２と、酸化剤ガス搬送源としての酸化剤ポンプ３と、連通路４とを有する。燃料電池１の膜電極接合体は、イオン伝導膜１０を挟む燃料極１２（アノード）と酸化剤極１４（カソード）とを有する。イオン伝導膜１０は、固体高分子型（例えばパーフルオロ酸樹脂等の炭化フッ素系または炭化水素系）でも良いし、無機材料型でも良いし、高分子材料および無機材料が混合する混合型でも良い。膜電極接合体は、シート型でも良いし、チューブ型でも良い。システムの運転中における燃料電池１の発電量は、発電量検知センサとして機能する電力計１６で検知され、その信号は制御装置１００に入力される。電力計１６に限らず、電圧計を用い、燃料電池１の発電量を検知することにしても良い。制御装置１００は、入力処理回路と、出力処理回路と、メモリと、ＣＰＵとをもつ。

発電運転時には燃料電池１は昇温するので、燃料電池１を冷却させるべく冷却系１８が設けられている。冷却系１８は、燃料電池１の内部の冷却通路を冷却水を循環させつつ通過させる循環通路１８ａと、冷却水を溜める冷却水タンク１８ｃと、ポンプ１８ｄ（冷却水搬送源）とを有する。冷却水は純水が好ましい。

図１に示すように、燃料電池１の近傍には加湿器５が配設されている。具体的には、燃料電池１に加湿器５が隣接されている。加湿器５は、加湿路５０と、吸湿路５１と、加湿路５０および吸湿路５１を仕切る膜状をなす水分保持部材５２とを有する。加湿路５０は、燃料電池１の酸化剤極１４（カソード）の入口１４ｉに供給される前の酸化剤ガスを加湿させる。吸湿路５１は、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐから吐出された酸化剤オフガスの水蒸気を吸湿させる。ここで、酸化剤ガスは、燃料電池１の酸化剤極１４の入口１４ｉに供給されるガスをいい、酸化剤極１４において反応する活物質として機能する酸素を含む。酸化剤オフガスは、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐから吐出されたガスをいい、発電反応において消費されなかった未反応の酸素を含む。

改質装置２は、改質部２０および燃焼バーナ部２２を有する。改質部２０は、燃料電池１の燃料極１２に供給する発電用の燃料ガスを原料の改質反応（水蒸気改質反応）により生成させる。従って、改質部２０は、改質反応を促進させる触媒と、触媒を担持するセラミックス等の担体とを有する。改質部２０には、蒸発部２４を介して改質水通路２６が設けられている。改質水通路２６は、改質水を貯留するタンク２８と改質部２０とを繋ぐ。改質水通路２６には改質水用ポンプ２７（改質水用搬送源）が設けられている。

改質部２０の入口２０ｉの上流には、原料源６６に繋がる原料通路６が設けられている。原料通路６には、原料源６６の原料を搬送する搬送源として機能するポンプ６３、脱硫器６０および原料供給バルブ６１が設けられている。ポンプ６３、脱硫器６０および原料供給バルブ６１の配列順は特に制約されない。原料としては、炭化水素系のガス状の原料が挙げられる。

更に原料通路６には、原料通路６を改質部２０に向けて流れる原料の単位時間あたりの流量を検知する流量計６２が設けられている。改質部２０の出口２０ｐの下流には、燃料通路７が設けられている。燃料通路７は、改質部２０の出口２０ｐと燃料電池１の燃料極１２の入口１２ｉとを繋いでおり、改質部２０で生成された発電用の燃料ガス（水素を主要成分とするガス）を、入口バルブ１２ａを介して燃料電池１の燃料極１２にこれの入口１２ｉから供給する。

燃焼バーナ部２２は、改質部２０に組み付けられて改質部２０と一体化（ユニット化）されており、原料通路６から分岐された分岐通路２３を介して供給された燃焼用燃料を酸素で燃焼させる。従って燃焼バーナ部２２は改質部２０を改質反応に適するように高温領域に加熱させる。分岐通路２３にはバルブ２３ｖおよび流量計２３ｗが設けられている。流量計２３ｗは、分岐通路２３を通過して燃焼バーナ部２２に供給される燃焼用燃料の流量を検知する。流量計２３ｗ，６２の信号は制御装置１００に入力される。バルブ２３ｖは分岐通路２３を開閉する。場合によっては、流量計２３ｗは廃止しても良い。

酸化剤ポンプ３は、燃料電池１の酸化剤極１４の上流に位置する酸化剤ガス通路８に酸化剤供給バルブ８０と共に設けられている。酸化剤ポンプ３は、酸素を含む酸化剤ガス（空気）を燃料電池１の酸化剤極１４にこれの入口１４ｉから供給する。図１に示すように、本実施形態によれば、酸化剤ガス通路８を燃料電池１の酸化剤極１４に向けて通過する酸化剤ガスの流量を検知するために、従来技術において酸化剤ガス通路８に設けられていた流量計が廃止されている。

図１に示すように、連通路４は、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐと燃焼バーナ部２２の入口２２ｉとを連通させている。具体的には、連通路４は、燃料電池１に付設されている加湿器５の吸湿路５１の出口と燃焼バーナ部２２の入口２２ｉとを連通させている。連通路４は、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐから吐出された発電反応後の酸化剤オフガス（未反応の酸素を含む）を、燃焼用空気として燃焼バーナ部２２に供給し、ガス状の燃焼用燃料を燃焼バーナ部２２において燃焼させる。水分低減部として機能する第１凝縮器４１が連通路４には設けられている。第１凝縮器４１は、冷却液等の冷媒を通過させる冷媒通路４１ｍを有する。

図１に示すように、燃料電池１の燃料極１２の出口１２ｐと燃焼バーナ部２２とを繋ぐ帰還通路７５が設けられている。帰還通路７５には出口バルブ１２ｃと共に帰還用凝縮器７６が設けられている。燃料電池１の燃料極１２で発電反応に使用された燃料オフガスは、発電反応に使用されなかった未反応の燃料成分（水素）を含有する。この燃料オフガスは、燃料電池１の燃料極１２の出口１２ｐから帰還通路７５に向けて吐出され、帰還通路７５を流れ、帰還用凝縮器７６で水分（水蒸気）を低下させた後に燃焼バーナ部２２に帰還されて燃焼される。燃料通路７と帰還通路７５とは燃料用迂回通路７７が設けられている。燃料用迂回通路には燃料用迂回バルブ７８が設けられている。

さて、燃料電池システム（以下、システムともいう）の使用方法について説明する。システムを起動させるとき、燃料電池１を発電させないように、制御装置１００により入口バルブ１２ａおよび出口バルブ１２ｃが閉鎖され、バイパスバルブ７８が開放されている。まず、制御装置１００により酸化剤ポンプ３が駆動されると共に、酸化剤供給バルブ８０が開放される。このため、酸素を含む酸化剤ガス（空気）が加湿器５の加湿路５０を通過した後、燃料電池１の酸化剤極１４にこれの入口１４ｉから供給され、更に、燃料電池１の酸化剤極１４を通過し、酸化剤極１４の出口１４ｐから加湿器５の吸湿路５１を通過した後、連通路４に流れ、第１凝縮器４１を通過した後、燃焼バーナ部２２に供給される。この場合、酸化剤ガスの湿度が高いときには、過剰の水分は、吸湿路５１および／または第１凝縮器４１で低減される。

更に、システムを起動させるときには、制御装置１００により原料供給バルブ６１およびバルブ２３ｖが開放された状態で、ポンプ６３が駆動すると、燃料源６６から原料（炭化水素系のガス）が脱硫器６０を経てガス状の改質用燃料として改質部２０に供給されると共に、分岐通路２３を経てガス状の起動用燃料（起動時の燃焼用燃料）として燃焼バーナ部２２に供給される。このようにシステムの起動時において、起動用燃料および燃焼用空気が燃焼バーナ部２２に供給される。このため、着火部が着火すれば、起動用燃料が燃焼用空気により燃焼バーナ部２２において燃焼し、改質部２０が加熱される。なお、改質部２０に改質用燃料として供給された原料は、改質反応が行われていないときには、燃料用迂回通路７７、燃料用迂回バルブ７８、凝縮器７６を経て、入口２２ｗから燃焼バーナ部２２に供給され、燃焼用空気により燃焼される。なお、分岐通路２３が設けられている関係上、起動用燃料と改質用燃料とは同一組成である。

ところで、システムの起動時には、改質部２０の温度の安定性が必ずしも充分ではない。このため、改質部２０で改質されて形成された水素を含有する燃料ガス（アノードガス、発電用燃料）の組成の安定性が必ずしも安定しないおそれがある。このため、制御装置１００により燃料用迂回バルブ７８が開放され、入口バルブ１２ａが閉鎖され、出口バルブ１２ｃが閉鎖される。従ってシステムの起動時には、改質部２０で生成された水素を含む燃料ガス（アノードガス，発電用燃料）は、燃料用迂回通路７７、燃料用迂回バルブ７８を経て帰還通路７５に至り、更に、帰還用凝縮器７６を経て燃焼バーナ部２２に供給され、燃焼バーナ部２２において燃焼される。ここで、燃料ガスに含まれる水分は、帰還用凝縮器７６で低減されているため、燃焼バーナ部２２における燃料ガス（アノードガス）の燃焼性は改善される。

改質部２０の温度が安定すると、改質部２０で生成される燃料ガス（アノードガス）の組成の安定性が向上するため、システムは起動運転から発電運転に移行する。この場合、制御装置１００により改質水用ポンプ２７が駆動する。これによりタンク２８の改質水が改質水通路２６から蒸発部２４を経て改質部２０に水蒸気として供給される。この結果、改質部２０に供給された改質用原料は、水蒸気を利用した改質反応により発電用の燃料ガス（水素含有ガス）となる。

なお、炭化水素を水蒸気で改質させる改質反応は、以下の反応式で示される。
ＣｍＨｎ＋ｍＨ_２Ｏ→ｍＣＯ＋｛ｍ＋ｎ／２｝Ｈ_２
改質部２０で生成された発電用の燃料ガス（アノードガス）の組成が安定すると、制御装置１００により燃料用の迂回バルブ７８が閉鎖され、入口バルブ１２ａおよび出口バルブ１２ｃが開放される。従って、燃料ガス（アノードガス）は、燃料通路７を流れ、入口バルブ１２ａを介して燃料電池１の燃料極１２にこれの入口１２ｉから供給され、発電反応に使用され、燃料電池１は発電する。

このように燃料電池１が発電する場合においても、酸化剤極１４に対して上流に位置する酸化剤供給バルブ８０が開放されている状態で、酸化剤ポンプ３が駆動される。このため、酸素を含む酸化剤ガス（空気）が加湿器５の加湿路５０で加湿された後、燃料電池１の酸化剤極１４にこれの入口１４ｉから供給され、発電反応に使用される。

更に、燃料電池１の酸化剤極１４に供給された酸化剤ガス（カソードガス）は、発電反応を経た後、酸化剤オフガス（カソードオフガス）として、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐから排出される。更に酸化剤オフガスは、加湿装置５の吸湿路５１において吸湿された後、連通路４に流れ、更に、第１凝縮器４１において水分を低減させ、その後、燃焼バーナ部２２に燃焼用空気として供給される。このため燃焼バーナ部２２における燃焼反応は良好に維持される。

本実施形態によれば、システムは追い炊きレス方式とされている。すなわち、起動時には、バルブ２３ｖが開放されるため、原料源６６からの原料が燃焼バーナ部２２に供給される。しかし、燃料電池１が発電運転しているときには、特殊な条件の場合を除いて、バルブ２３ｖが基本的には閉鎖されるため、原料源６６からの燃料は燃焼バーナ部２２に実質的に供給されないように制御されている。この場合、燃料電池１の発電運転（例えば定格運転等の定常運転）中においては、基本的には、燃料電池１の燃料極１２の出口１２ｐから排出されて帰還通路７５を介して燃焼バーナ部２２に供給されたアノードオフガス（発電運転中、燃焼バーナ部２２において燃焼される燃焼用燃料）に残留している水素を、酸素（連通路４から供給される酸化剤オフガス）で燃焼バーナ部２２において燃焼させる。

これにより、発電運転中において、燃料電池１の燃焼バーナ部２２の温度が維持され、改質部２０の高温が維持されるようになっている。なお、定格運転は、製造者が保証する連続運転できる使用上の限界の出力であり、カタログや銘板に規定されている。

図１に示すように、改質装置２の燃焼バーナ部２２には排ガス通路２１が連通されている。従って、燃焼バーナ部２２で発生した排ガスは、排ガス通路２１から外気に放出される。この排ガスは、改質部２０を加熱させるために燃焼バーナ部２２で燃焼用燃料（アノードオフガス）を燃焼用空気（カソードオフガス）により燃焼させた後の燃焼排ガスと、燃料電池１の燃料極１２で発電に使用されたアノードオフガス（水素を含む）を燃焼バーナ部２２で燃焼させた後の燃焼排ガスと、燃料電池１の酸化剤極１４で発電に使用された酸化剤オフガス（カソードオフガス）を燃焼バーナ部２２で燃焼用空気として使用した後の燃焼排ガス等とを含む。

従って、排ガス通路２１から排出された排ガスは、燃焼反応で消費されなかった未燃焼の酸素を含む。なお、排ガス通路２１は、改質部２０で改質された燃料ガスが流れる通路には連通していない。

以上説明したように本実施形態によれば、システムの発電運転時において、酸化剤ポンプ３が駆動すると、酸素を含む酸化剤ガスは、燃料電池１の酸化剤極１４を通過した後、連通路４を流れ、更に入口２２ｉから燃焼バーナ部２２に供給される。従って、外気と燃焼バーナ部２２とを連通させるために従来のシステムにおいて必要とされていた通路配管２２０Ｘが廃止される。更に、燃焼用空気を通路配管を介して燃焼バーナ部２２に供給するために従来のシステムにおいて必要とされていたポンプ２２５Ｘが廃止される。従ってシステムの簡素化に貢献できる。

更に、燃料電池１は発電反応により水を生成させるため、燃料電池１の酸化剤極１４から吐出された酸化剤オフガスはウェット状態であり、水蒸気等の水分を有する。酸化剤オフガスに含まれる水分は、燃焼バーナ部２２における着火性および燃焼性に影響を与えるおそれがある。殊に、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐから連通路４に吐出される酸化剤オフガスは、前述のようにウェット状態であり、高い相対湿度を有する。そこで本実施形態によれば、連通路４に第１凝縮器４１が水分低減部として設けられており、燃料電池１の酸化剤極１４から燃焼バーナ部２２に向かう酸化剤オフガスに含まれている水蒸気を第１凝縮器４１で凝縮させて凝縮水とする。このように酸化剤オフガスの水蒸気を低減させる。これにより燃焼バーナ部２２における着火性および燃焼性が改善される。

ところで、本実施形態によれば、システムの発電運転において、燃料電池１の酸化剤極１４において発電反応により消費される酸素消費量をαｆとする。燃焼バーナ部２２における理論空燃比を考慮して燃焼バーナ部２２における燃焼反応に消費される酸素消費量をαｂとする。本実施形態によれば、燃料電池１の発電運転において、単位時間あたり、酸化剤ポンプ３が駆動して燃料電池１の酸化剤極１４に供給される酸化剤ガスに含まれる酸素量が、酸素消費量αｆおよび酸素消費量αｂの総和よりも大きくなるように設定されている。このような要因を考慮して酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの駆動量（回転数）が制御装置１００により設定される。

このような本実施形態によれば、システムの発電運転時において、燃料電池１の発電出力が減少すると、一般的には、燃料電池１の酸化剤極１４の発電反応において消費される酸素量が低減されると共に、帰還通路７５を介して燃焼バーナ部２２に供給される燃焼用燃料（アノードオフガス）の流量が低減されるため、燃焼バーナ部２２の燃焼反応において消費される酸素量が低減される。この場合、制御装置１００は、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの駆動量（回転数）を相対的に減少させる。

これに対して、燃料電池１の発電出力が増加されると、燃料電池１の酸化剤極１４の発電反応において消費される酸素量が増加されると共に、燃焼バーナ部２２に供給される燃焼用燃料（アノードオフガス）の流量が増加されるため、燃焼バーナ部２２の燃焼反応において消費される酸素量が増加される。このため制御装置１００は、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの駆動量（回転数）を相対的に増加させる。

本実施形態によれば、制御装置１００は、燃焼バーナ部２２から排出される排ガスの酸素状態量および燃料電池１の発電量とに基づいて、燃料電池１の酸化剤極１４に単位時間あたり供給される酸化剤ガス（カソードガス）の状態量（流量）を推定し、推定された酸化剤ガス（カソードガス）の状態量に基づいて酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの回転数を制御する。

（使用例）
表１は、実施形態１に係る燃料電池システムにおける使用例を示す。この場合、燃料電池１が低負荷で発電量が３００Ｗのとき、燃料電池１が定常負荷で発電量が５００Ｗのとき、燃料電池１が高負荷で発電量が１０００Ｗのときについて、燃焼バーナ部２２に供給される酸化剤オフガスの流量と、燃焼バーナ部２２に供給される燃焼用燃料の流量との関係を示す。空気利用率および水素利用率は、一般的な運転に基づく利用率である。

表１に示すように、燃焼バーナ部２２に供給される酸化剤オフガスの流量は、燃焼バーナ部２２に供給される燃焼用燃料の流量に比較すると、遙かに大きい。このため燃焼バーナ部２２における酸素量は豊富であり、燃焼バーナ部２２における燃焼反応は良好に行われる。

（実施形態２）
図２および図３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、同様の作用効果を有する。以下、実施形態１と相違する部位を中心として説明する。本実施形態によれば、図２に示すように、燃焼バーナ部２２の排ガス通路２１には、酸素センサ２１ｃが設けられている。システムの発電運転中において、酸素センサ２１ｃは、排ガス通路２１を流れる排ガスに含まれている酸素量（酸素濃度）を検知する。酸素センサ２１ｃの検知信号は制御装置１００に入力される。従って、制御装置１００は、排ガス通路２１から排出される排ガスの酸素状態量（酸素量，酸素濃度）を検知することができる。

本実施形態によれば、システムの発電運転中において、制御装置１００は、燃焼バーナ部２２の排ガス通路２１から排出される排ガスの酸素状態量（酸素量，酸素濃度）と、燃料電池１の発電量（実際の発電量でも良いし、目標発電量でも良い）とに基づいて、燃料電池１の酸化剤極１４の入口１４ｉに供給すべき酸化剤ガスの状態量（流量）を推定する。これは、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの駆動量に相関する。

従って、システムの発電運転中において、制御装置１００は、推定された酸化剤ガスの状態量（流量）に基づいて、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの駆動量（単位時間当たりの回転数）を制御する。

図３は制御装置１００が実行するフローチャートを示す。フローチャートは一例を示し、これに限定されるものではない。まず、制御装置１００は、酸素センサ２１ｃの信号を読み込み、排ガス通路２１から排出される排ガスに含まれている酸素量（酸素濃度）Ｃを検知する（ステップＳ１２）。次に、燃料電池１の酸化剤極１４の入口１４ｉに供給すべき酸化剤ガスの流量Ｖを推定する（ステップＳ１４）。この場合、排ガスの酸素量（酸素濃度）Ｃと酸化剤ガスの流量Ｖとの関係は、燃料電池１の発電量に応じて、実験またはシミュレーションに基づいて求められており、制御装置１００のメモリの所定のエリアにマップとして格納されている。

このため制御装置１００は流量Ｖをマップから読み取れば良い。酸化剤極１４に供給すべき酸化剤ガスの流量Ｖが得られるように、制御装置１００は酸化剤ポンプ３の単位時間当たりの駆動量（回転数）を演算で求める（ステップＳ１６）。更に、制御装置１００は、酸化剤ポンプ３の回転数に対応する制御信号を酸化剤ポンプ３の駆動回路に出力する（ステップＳ１８）。なお、マップでなく、流量Ｖを演算式で求めても良い。

以上説明したように本実施形態によれば、システムの発電運転において、燃料電池１の酸化剤極１４に供給すべき酸化剤ガスの状態量（流量）を推定で求める。このため、従来において酸化剤ガス通路８を通過する酸化剤ガスの流量を検知するため、酸化剤ガス通路８に設けられていた流量計を廃止することができる。なお、本明細書では、流量は単位時間あたりの流量（質量流量）を意味する。

さらに説明を加える。酸化剤ポンプ３で搬送される酸化剤ガスにおける酸素供給量をαｓとする。燃料電池１の酸化剤極１４において発電反応により消費される酸素消費量をαｆとする。燃焼バーナ部２２における理論空燃比を考慮して燃焼バーナ部２２における燃焼反応に消費される酸素消費量をαｂとする。ここで、理論空燃比は、燃焼用燃料を完全燃焼させるための燃焼用燃料と空気との質量比をいう。更に、単位時間あたり、酸素センサ２１ｃで検知された排ガス中の酸素残留量をαｒとすると、次の式（１）が基本的には成立すると考えられる。なお、酸素消費量αｆ、酸素消費量αｂ、酸素残留量αｒは基本的には酸素流量（質量流量）に相当する。
αｒ≒αｓ−αｆ−αｂ……（１）
ここで、酸素供給量αｓは、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの駆動量（回転数）に基づいて推定できる。酸素消費量αｆは、燃料電池１の実際の発電量および／または目標発電量に基づいて推定できる。また酸素消費量αｂは、燃焼バーナ部２２に供給される燃焼用燃料（燃料極１２の出口１２ｐから排出されたアノードオフガス）の供給流量に基づいて、理論空燃比を考慮して推定できる。排ガスにおける酸素残留量αｒは、酸素センサ２１ｃの検知結果に基づいて求めることができる。

従って、αｒ、αｆ、αｂが推定できると、上記した式（１）に基づけば、燃料電池１の酸化剤極１４の入口１４ｉに供給される前の酸化剤ガスの酸素供給量αｓが求められる。従って、酸素供給量αｓを得るために必要とされる酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの駆動量（回転数）Ｎｐが制御装置１００により求められる。

このように本実施形態によれば、制御装置１００は、燃料電池１の実際の発電量および／または目標発電量と、燃料極１２の出口１２ｐから帰還通路７５を介して燃焼バーナ部２２に供給される燃焼用燃料（アノードオフガス）の供給流量と、酸素センサ２１ｃで検知された排ガス中の酸素量とに基づいて、酸素供給量αｓを求め、ひいては、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの必要回転数Ｎｐ（単位時間あたりの駆動量）を求める。

このようにして本実施形態によれば、発電運転中において、酸素センサ２１ｃで求めた排ガス中の酸素量が利用され、燃料電池１の酸化剤極１４に供給すべき酸化剤ガスの状態量（流量）が推定され、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの必要回転数Ｎｐ（単位時間あたりの駆動量）が求められる。

（実施形態３）
図４は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図２を準用する。以下、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４は、燃料電池１の発電運転中に制御装置１００が実行するフローチャートを示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。図４に示すように、先ず、制御装置１００は、システムの発電運転中において、燃料電池１の目標発電量ＷＡと、燃料電池１の現在の発電量ＷＢと、目標発電量ＷＡに対応するように改質部２０に供給される改質用燃料の流量Ｖａと、目標発電量ＷＡを得るために必要とされる酸化剤ガスの流量Ｖｃとを、制御装置１００のメモリから取得する（ステップＳ１０２）。なお、目標発電量ＷＡと、改質用燃料の流量Ｖａ、酸化剤ガスの流量Ｖｃとの関係は、燃料電池１の発電量に応じて、実験またはシミュレ−ションに基づいて予め求められており、制御装置１００のメモリにマップとして予め格納されている。

次に、燃料電池１の発電運転中（定格運転等の定常運転）においては、制御装置１００は、燃焼バーナ部２２の排ガス通路２１から排出される排ガスに含まれている酸素量（酸素濃度）を、酸素センサ２１ｃの検知結果に基づいて検知する（ステップＳ１０４）。次に、制御装置１００は、酸素センサ２１ｃで検知された排ガスに含まれていた酸素量（酸素濃度）に基づいて、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐから吐出された酸化剤オフガス（燃焼バーナ部２２に供給される前の酸化剤オフガス）に含まれている酸素量（酸素濃度）をマップから求める（ステップＳ１０６）。ここで、排ガスに含まれる酸素量（酸素濃度）と、燃料電池１の酸化剤極１４の出口１４ｐから吐出された酸化剤オフガスに含まれている酸素量（酸素濃度）との関係は、燃料電池１の目標発電量ＷＡ、燃料電池１の現在の発電量ＷＢ等に基づいて、燃料電池１の発電量に応じて、実験またはシミュレ−ションに基づいて予め求められており、制御装置１００のメモリの所定のエリアにおいてマップとして予め格納されている。

制御装置１００は、燃料電池１の目標発電量ＷＡに対して、燃焼バーナ部２２に供給する必要がある改質用燃料（原料源６６から改質部２０に供給される改質用燃料）の目標流量を演算する（ステップＳ１０８）。更に、制御装置１００は、酸化剤オフガスに含まれている酸素量（酸素濃度）と、改質部２０に供給される改質用燃料の目標流量とに基づいて、Ｏ／Ｃの値を演算する（ステップＳ１１０）。

Ｏ／Ｃの値は、燃焼バーナ部２２における燃焼反応を制御するパラメータであり、連通路４を介して燃焼バーナ部２２に供給される酸化剤オフガス（カソードオフガス）に含まれる酸素（Ｏ）のモル数と、改質部２０に供給される改質用燃料に含まれる炭素（Ｃ）のモル数との比率を意味する。なお、改質部２０に供給される改質用燃料は、改質部２０で改質されて水素を含むアノードガスとなる。このため、単位時間あたり、改質部２０に供給される改質用燃料の流量（質量流量）は、基本的には、燃料電池１の燃料極１２の出口１２ｐから帰還通路７５を介して燃焼バーナ部２２に供給されるアノートオフガス（水素含有ガス，燃焼用燃料）の流量（質量流量）に相関すると考えることができる。この場合、燃料電池１の発電出力の変動は抑制されており、発電出力はほぼ一定であることが好ましい。

ここで、燃料電池１の発電出力が大きく変動しない限り、燃料電池１の燃料極１２において発電反応で消費される水素量の変動は、抑制されている。このため、単位時間あたり、改質部２０に供給される改質用燃料の流量（質量流量）に含まれている炭素（Ｃ）のモル数は、基本的には、燃料電池１の燃料極１２の出口１２ｐから帰還通路７５を介して燃焼バーナ部２２に供給されるアノートオフガス（水素含有ガス，燃焼用燃料）の水素の流量（質量流量）に相関し、ひいては、燃焼バーナ部２２において酸素により燃焼される水素のモル数に関係すると考えることができる。

故に、燃料極１２の出口１２ｐから帰還通路７５を介して燃焼バーナ部２２に供給されるアノードオフガスに含まれる水素のモル数をＨとするとき、Ｏ／Ｃのパラメータは、基本的にはＯ／Ｈのパラメータに相当すると考えることができる。従って、燃焼バーナ部２２における燃焼反応は、基本的には、Ｏ／Ｃのパラメータで把握できる。なお、燃料電池１の発電運転中においては、基本的にはバルブ２３ｖは閉鎖されており、原料源６６から燃焼バーナ部２２に対する燃料供給は制限されている。

本実施形態によれば、求めたＯ／Ｃの演算値と、Ｏ／Ｃの目標値とを比較する（ステップＳ１１２）。求めたＯ／Ｃの演算値がＯ／Ｃの目標値よりも小さいとき（ステップＳ１１２のＹＥＳ）、燃焼バーナ部２２において酸素量が不足すると考えられる。このため、燃焼バーナ部２２に供給される酸素量を増加させるべく、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの回転数（駆動量）を増加させる必要がある。そこで制御装置１００は、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの回転数を増加させる（ステップＳ１１４）。これにより燃焼バーナ部２２に単位時間あたり供給される酸化剤オフガスの流量が増加する。ひいては燃焼バーナ部２２に単位時間あたり供給される酸素量（酸素モル数）が増加する。更に、燃焼バーナ部２２に供給される酸素量の増加に対応するように、制御装置１００は、改質用燃料の目標流量を設定し（ステップＳ１１６）、メインルーチンにリターンする。

また、求めたＯ／Ｃの演算値がＯ／Ｃの目標値よりも大きいとき（ステップＳ１１８のＹＥＳ）、酸化剤オフガスに含まれている酸素量が相対的に過剰であり、改質用燃料が相対的に過少である。そこで制御装置１００は、Ｏ／Ｃの演算値がこれの目標値となるように、制御装置１００は、改質部２０に供給される改質用燃料の目標流量を演算で求め（ステップＳ１２０）、更に制御装置１００は、改質用燃料の目標流量を設定し（ステップＳ１２２）、メインルーチンにリターンする。ステップＳ１１８においてＮＯのときには、Ｏ／Ｃの演算値がこれの目標値にほぼ相当するため、Ｏ／Ｃの演算値に基づいて、制御装置１００は、燃焼バーナ部２２に供給すべき改質用燃料の目標流量を設定し（ステップＳ１２６）、メインルーチンにリターンする。

（実施形態４）
図５は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１〜３と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図５に示すように、酸化剤ガス通路８と連通路４とを繋ぐ迂回通路８３が設けられている。迂回通路８３は、加湿器５および燃料電池１の酸化剤極１４を迂回させる通路であり、連通路４に連通する。迂回通路８３は合流部８３ｒで連通路４に合流する。迂回通路８３と酸化剤ガス通路８との境界域には、迂回バルブ８４が設けられている。迂回バルブ８４は三方バルブとされている。迂回バルブ８４は、燃料電池１の酸化剤極１４に流す酸化剤ガスの流量と、酸化剤ガスを燃料電池１の酸化剤極１４に流さないで連通路４１に流す酸化剤ガスの流量とを可変にする可変弁として機能できる。

システムの起動時においては、燃焼バーナ部２２の燃焼反応により改質部２０を加熱させるものの、燃料電池１はまだ発電していないため、酸化剤ガス（空気等の酸素含有ガス）を燃料電池１の酸化剤極１４に供給させる要請は、無いか少ない。同様に、加湿器５の加湿路５０に酸化剤ガスを供給させる要請は、無いか少ない。

これに対して、システムの起動時であっても、前述したように、燃焼バーナ部２２で燃焼反応を得て改質部２０を加熱させる必要があるため、燃焼バーナ部２２に酸素を積極的に供給させる必要がある。

そこで制御装置１００は、燃料電池１が発電運転しない起動時において、酸化剤ガスが加湿器５および燃料電池１の酸化剤極１４を通過しないように、迂回バルブ８４を制御する。この結果、酸化剤ポンプ３により搬送される酸化剤ガスの全部は、迂回通路８３を介して連通路４に流れ、更に、第１凝縮器４１を介して入口２２ｉから燃焼用空気として燃焼バーナ部２２に供給される。このとき、原料供給バルブ６１が開放された状態で、ポンプ６１が駆動するため、原料通路６から改質用燃料（原料源６６からの炭化水素系のガス）が改質部２０に供給されると共に、燃焼用燃料（原料源６６からの炭化水素系のガス）が燃焼バーナ部２２に供給される。従って、原料源６６からの燃焼用燃料および燃焼用空気（カソードガス）の双方が燃焼バーナ部２２に供給され、燃焼バーナ部２２における燃焼反応が良好に実行される。故に、燃焼バーナ部２２は改質部２０を加熱させることができる。

このように燃料電池１の発電運転させない起動時においては、制御装置１００は酸化剤ポンプ３を連続的に駆動させるものの、迂回バルブ８４を制御させ、酸化剤ガスが加湿器５の加湿路５０および燃料電池１の酸化剤極１４を通過しないようにする。

この結果、システムの起動時において、加湿器５に残留している水分が酸化剤ガスに持ち去られることが抑制される。従って、加湿器５の過剰乾燥が抑制され、加湿器５が適度な水分量に保持される。更にシステムの起動時において、燃料電池１の酸化剤極１４の水分が酸化剤ガスに持ち去られることが抑制される。従って、燃料電池１の酸化剤極１４の内部の過剰乾燥が抑制され、燃料電池１のイオン伝導膜１０が適度な水分量に保持される。

改質部２０の温度が安定すると、システムは起動運転から発電運転に移行する。発電運転では、燃料電池１の発電運転が良好に実行される。発電運転時には、迂回バルブ８４が制御され、酸化剤ポンプ３が駆動すると、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路８、加湿器５の加湿路５０、燃料電池１の酸化剤極１４に発電用の酸化剤ガスとして供給され、酸化剤ガスに含まれる酸素は燃料電池１の発電反応により消費される。更に、燃料電池１において発電反応を経た後には、ガスは酸化剤オフガス（カソードオフガス）として、酸化剤極１４の出口１４ｐから吐出され、加湿器５の吸湿路５１、第１凝縮器４１、連通路４を介して、入口２２ｉから燃焼用空気として燃焼バーナ部２２に供給される。酸化剤オフガスは、発電反応で消費されなかった酸素を含むため、燃焼バーナ部２２において燃焼用空気として利用できる。発電反応を経た酸化剤オフガスは高い湿度を有するが、その水分は加湿器５の吸湿路５１、第１凝縮器４１において低減されて乾燥されている。

システムの発電運転（例えば定格運転等の定常運転）時には、制御装置１００は、酸化剤ガスの全部が加湿器５および燃料電池１の酸化剤極１４を通過するように、迂回バルブ８４を制御する。この結果、酸化剤ポンプ３により搬送された酸化剤ガスの全部は、燃料電池１に供給され、燃料電池１の発電が良好に行われる。

なお、本実施形態によれば、システムの起動時においては、迂回バルブ８４を制御し、酸化剤ガスが加湿器５の加湿路５０および燃料電池１の酸化剤極１４を通過しないようにするが、これに限らず、酸化剤ガスの一部のみが加湿器５の加湿路５０および燃料電池１の酸化剤極１４を通過しないようにし、且つ、酸化剤ガスの残部が加湿器５の加湿路５０および燃料電池１の酸化剤極１４を通過するようにしても良い。この場合、燃料電池１の燃料極１２と酸化剤極１４との差圧が抑えられ、燃料極１２と酸化剤極１４とを仕切るイオン伝導膜１０に作用する応力負荷が低減される。また、迂回通路８３の長さ方向の途中部に、開閉式の迂回バルブを設けることにしても良い。第１凝縮器４１としては１個でも良いが、酸化剤オフガスの乾燥度を高めるために複数個設けることにしても良い。

ところで、迂回通路８３を流れるため燃料電池１を迂回する酸化剤ガスの酸素は、酸化剤極１４において発電反応で消費されない。これに対して迂回通路８３を流れずに燃料電池１を流れる酸化剤ガスの酸素は、酸化剤極１４において発電反応で消費される。このため迂回バルブ８４の開度は、連通路４から燃焼バーナ部２２の入口２２ｉに供給される酸素量に影響を与える。このため、酸化剤ポンプ３の単位時間あたりの回転数を設定するにあたり、迂回バルブ８４の開度を考慮することが好ましい。

即ち、制御装置１００は、燃焼バーナ部２２から排出される排ガスの酸素状態量と、燃料電池１の発電量と、迂回バルブ８４の開度とに基づいて、燃料電池１の酸化剤極１４の入口１４ｉに供給される酸化剤ガスの状態量（流量）を推定し、推定された酸化剤ガスの状態量（流量）に基づいて酸化剤ポンプ３の駆動を制御することにしている。

この場合には、図４のフローチャートを準用できる。この場合、ステップＳ１０６において、迂回バルブ８４の開度を考慮して酸化剤オフガスに含まれる酸素量を求める。従って、燃焼バーナ部２２から排出される排ガスの酸素状態量（酸素の流量）と、燃料電池１の発電量（実際の発電量または目標発電量）と、迂回バルブ８４の開度と、酸化剤オフガス（カソードオフガス）に含まれている酸素量との関係は、実験またはシミュレーション等により予め求められ、マップとして制御装置１００のメモリに格納されていることが好ましい。

（実施形態５）
本実施形態は実施形態４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図５を準用する。本実施形態によれば、システムの発電運転（定常運転）時において、酸化剤ガスの全部を迂回バルブ８４から加湿器５の加湿路５０を経て燃料電池１の酸化剤極１４に流す第１形態と、酸化剤ガスの全部を迂回バルブ８４および迂回通路８３から連通路４１に流す第２形態と、酸化剤ガスの全部を燃料電池１の酸化剤極１４および迂回通路８３から連通路４１に流す第３形態とに切り替え得るように、制御装置１００は迂回バルブ８４を制御することができる。

第１形態によれば、燃料電池１の酸化剤極１４の入口１４ｉに供給される酸化剤ガスの流量は、燃料電池１の発電反応に必要な酸素量を超える酸素量を燃料電池１の酸化剤極１４に供給するように設定されている。

燃料電池１の酸化剤極１４に供給されなかった酸化剤ガスは、迂回通路８３から連通路４１に流れるため、燃料電池１における発電反応（酸素が消費され，且つ、水が生成される）を経ていない。この結果、酸素量が多く、含有されている水蒸気量も低い。このため、燃焼バーナ部２２における燃焼反応を良好に維持できる利点が得られる。燃焼バーナ部２２の理論空燃比に対して酸素量が不足するときには、制御装置１００は、迂回通路８３に流れる酸素量を増加させるように迂回バルブ８４の開度を調整することもできる。

（その他）
上記した実施形態によれば、分岐通路２３にバルブ２３ｖが設けられており、起動時にはバルブ２３ｖが開放されるものの、燃料電池１の発電中にはバルブ２３ｖが閉鎖される。これに限らず、分岐通路２３にポンプ、ブロア、コンプレッサ、ファン等の搬送源を設け、起動時にはポンプ、ブロア、コンプレッサ、ファン等の搬送源が駆動されるものの、燃料電池１の発電中にはポンプ等の駆動源の駆動が停止することにしても良い。

燃料電池１に加湿器５が隣接されているが、燃料電池１から加湿器５が離間していても良い。燃料電池１の酸化剤極１４の上流には酸化剤ポンプ３が設けられているが、酸化剤ガスを酸化剤極１４に吸引させる吸引搬送式の酸化剤搬送源が燃料電池１の酸化剤極１４の下流に設けられていても良い。

酸素センサ２１ｃは必要に応じて設ければ良い。発電用燃料を搬送するポンプ６３に代えて、ブロア、コンプレッサ、ファン等の燃料搬送源を採用しても良い。燃料電池はリン酸系、溶融炭酸塩系、固体酸化物系としても良い。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して実施できる。本明細書から次の技術的思想も把握される。

（付記項１）イオン伝導膜を挟む燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池と、燃料極に供給する発電用燃料を原料の改質反応により生成させる改質部と燃焼用燃料を燃焼させることにより改質部を改質反応に適するように加熱させる燃焼バーナ部とを有する改質装置と、酸化剤極に対して上流または下流に設けられ、酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極の入口に供給する酸化剤ガス搬送源と、酸化剤極の出口と燃焼バーナ部の入口とを連通させ、且つ、酸化剤極の出口から吐出された発電反応後の酸化剤オフガスを燃焼用燃料と共に燃焼バーナ部において燃焼させるために、酸化剤オフガスを燃焼バーナ部に供給する連通路とを具備する燃料電池システム。この場合、システムの簡素化に有利となる。

（付記項２）付記項１において、システムの起動時において酸化剤ガスの少なくとも一部が燃料電池の酸化剤極を通過しないように燃料電池の酸化剤極を迂回すると共に連通路に連通する迂回通路と、迂回通路を開閉する迂回バルブとが設けられている燃料電池システム。発電運転において酸化剤ガスを迂回通路を経て連通路に流せば、燃焼バーナ部に供給される酸素量が増加し、燃焼バーナ部における燃焼性が改善される。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、可搬用、携帯用等の燃料電池システムに利用することができる。

実施形態１に係り、燃料電池システムを示す配管図である。実施形態２に係り、燃料電池システムを示す配管図である。実施形態２に係り、制御装置が実行するフローチャートである。実施形態３に係り、制御装置が実行するフローチャートである。実施形態４に係り、燃料電池システムを示す配管図である。従来技術に係り、燃料電池システムを示す配管図である。

符号の説明

１は燃料電池、１０はイオン伝導膜、１２は燃料極、１４は酸化剤極、２は改質装置、２０は改質部、２１は排ガス通路、２２は燃焼バーナ部、２１ｃは酸素センサ、３は酸化剤ポンプ（酸化剤ガス搬送源）、４は連通路、４１は第１凝縮器（水分低減部）、５は加湿器、６は原料通路、６０は脱硫器、６１は原料供給バルブ、７は燃料通路、７５は帰還通路、７６は帰還用凝縮器、８は酸化剤ガス通路、８０は酸化剤供給バルブ、８３は迂回通路、８４は迂回バルブを示す。

Claims

イオン伝導膜を挟む燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池と、
前記燃料極に供給する発電用燃料を原料の改質反応により生成させる改質部と燃焼用燃料を燃焼させることにより前記改質部を改質反応に適するように加熱させる燃焼バーナ部とを有する改質装置と、
前記酸化剤極にi対して上流または下流に設けられ、酸素を含む酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤極の入口に供給する酸化剤ガス搬送源と、
前記酸化剤極の出口と前記燃焼バーナ部の入口とを連通させ、且つ、前記酸化剤極の前記出口から吐出された発電反応後の酸化剤オフガスを前記燃焼用燃料と共に前記燃焼バーナ部において燃焼させるために、前記酸化剤オフガスを前記燃焼バーナ部に供給する連通路と、
制御装置とを具備しており、
前記制御装置は、前記燃焼バーナ部から排出される排ガスの酸素状態量および前記燃料電池の発電量とに基づいて、前記燃料電池の前記酸化剤極に供給される前記酸化剤ガスの状態量を推定し、推定された前記酸化剤ガスの状態量に基づいて前記酸化剤ガス搬送源の駆動を制御する燃料電池システム。
請求項１において、前記燃焼バーナ部から排出される排ガスの酸素状態量を直接または間接的に検知する酸素センサが設けられている燃料電池システム。
請求項１または２において、前記制御装置は、前記燃料電池の前記酸化剤極において発電のために消費される発電用酸素量と、前記燃焼バーナ部において前記燃焼用燃料を燃焼させる燃焼用酸素量とを含む前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤極に供給するように、前記酸化剤ガス搬送源の駆動を制御する燃料電池システム。
請求項１〜３のうちの一項において、前記燃料電池の前記酸化剤極の前記出口から吐出された発電反応後の酸化剤オフガスの含まれている水分量を低減させるための水分低減部が前記連通路に設けられている燃料電池システム。
請求項１〜４のうちの一項において、前記燃料電池の前記酸化剤極の前記入口に供給される酸化剤ガスを加湿させる加湿器と、前記システムの起動時において前記酸化剤ガスの少なくとも一部が前記加湿器および前記燃料電池の前記酸化剤極を通過しないように前記加湿器および前記燃料電池の前記酸化剤極を迂回するための迂回通路とが設けられている燃料電池システム。
請求項１〜５のうちの一項において、前記燃焼用燃料は前記燃料電池の前記燃料極から排出されるアノードオフガスであり、前記原料を供給する原料源と前記燃焼バーナ部と間にはバルブが設けられており、システムの起動時には、前記バルブが開放されて前記原料源からの起動用燃料が前記燃焼バーナ部に供給されて燃焼されて前記改質部を加熱し、且つ、前記燃料電池が発電運転しているときには、前記バルブが閉鎖され、前記原料源から前記燃焼バーナ部への前記起動用燃料の供給は制限され、前記燃料電池の前記燃料極から排出された前記燃焼用燃料が前記燃焼バーナ部で燃焼される燃料電池システム。