JP2013187118A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、システムの複雑化・高コスト化を招くことなく、改質部の改質触媒のコーキングを抑制する。
【解決手段】燃料電池システムおいては、改質部入口温度と第１補正Ｓ／Ｃとの関係を示す第１マップと、改質部入口温度センサによって検出された改質部入口温度と、からその検出された改質部入口温度に対応する第１補正Ｓ／Ｃを算出し（ステップ２０４）、燃料電池温度と第２補正Ｓ／Ｃとの関係を示す第２マップと、燃料電池温度センサによって検出された燃料電池温度と、からその検出された燃料電池温度に対応する第２補正Ｓ／Ｃを算出し（ステップ２０８）、基準のＳ／Ｃである基準Ｓ／Ｃと、第１補正Ｓ／Ｃ算出手段によって算出された第１補正Ｓ／Ｃと、第２補正Ｓ／Ｃ算出手段によって算出された第２補正Ｓ／Ｃと、を加算して目標Ｓ／Ｃを算出し（ステップ２１０）、算出された目標Ｓ／Ｃに基づいて改質水の供給流量の制御を行う（ステップ２１２）。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システム１は、改質原料を改質して改質ガスを生成する改質器２と、この改質器２と改質ガス供給管１０を介して接続され、改質器２で得られた改質ガスと空気とを用いて発電を行うＳＯＦＣスタック３とを備え、改質器２とＳＯＦＣスタック３との間に、冷却媒体として水を流通させるための冷媒流通部材４を配置し、改質ガス供給管１０内のガスを冷却する熱交換器１３を改質ガス供給管１０に設け、熱交換器１３に水を供給するようになっている。この構成によれば、熱交換器１３を通過した水を冷媒流通部材４に流通させ、改質器２で発生する熱（輻射熱）を冷媒流通部材４内の水に吸収させることができる。

特開２００８−１９８４８７号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、熱交換器１３を通過した水を冷媒流通部材４に流通させ、改質器２で発生する熱（輻射熱）を冷媒流通部材４内の水に吸収させることができる。よって、改質器２の温度上昇を抑制することで改質触媒のコーキングを抑制することは可能である。しかし、改質器２、ＳＯＦＣスタック３及び冷媒流通部材４は、モジュール容器５内に収容されてモジュール化されているので、システムの構造は複雑化・高コスト化するという問題があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、システムの複雑化・高コスト化を招くことなく、改質部の改質触媒のコーキングを抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、燃料電池からのアノードオフガスと燃料電池からのカソードオフガスとが燃焼されて改質部を加熱する燃焼部と、断熱性材料で形成されて燃料電池、改質部および燃焼部を内部に収容するケーシングと、改質用原料と改質水とが流入する改質部の部位の温度である改質部入口温度を検出する改質部入口温度センサと、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度センサと、改質水の供給流量の制御を行う制御装置と、を備え、制御装置は、スチームカーボン比（以下、Ｓ／Ｃと省略する。）の制御目標値である目標Ｓ／Ｃを算出する目標Ｓ／Ｃ算出手段と、目標Ｓ／Ｃ算出手段によって算出された目標Ｓ／Ｃに基づいて改質水の供給流量の制御を行う供給制御手段と、を備え、目標Ｓ／Ｃ算出手段は、改質部入口温度と第１補正Ｓ／Ｃとの関係を示す第１マップと、改質部入口温度センサによって検出された改質部入口温度と、からその検出された改質部入口温度に対応する第１補正Ｓ／Ｃを算出する第１補正Ｓ／Ｃ算出手段と、燃料電池温度と第２補正Ｓ／Ｃとの関係を示す第２マップと、燃料電池温度センサによって検出された燃料電池温度と、からその検出された燃料電池温度に対応する第２補正Ｓ／Ｃを算出する第２補正Ｓ／Ｃ算出手段と、基準のＳ／Ｃである基準Ｓ／Ｃと、第１補正Ｓ／Ｃ算出手段によって算出された第１補正Ｓ／Ｃと、第２補正Ｓ／Ｃ算出手段によって算出された第２補正Ｓ／Ｃと、を加算して目標Ｓ／Ｃを算出する加算手段と、を備えている。

また請求項２に係る発明は、請求項１において、請求項１において、制御装置は、改質部および燃料電池を暖機する起動運転中において、改質水の供給流量の制御を行う。

また請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２において、第１マップにおいては、改質部入口温度が第１温度より低い場合には、第１補正Ｓ／Ｃは第１所定値で一定となるように設定され、改質部入口温度が第１温度から該第１温度より高くかつ改質部の触媒がコーキングするおそれの高い温度以上である第２温度までの間である場合には、改質部入口温度が大きくなるにしたがって第１補正Ｓ／Ｃは第１所定値から該第１所定値より大きい第２所定値までの間にて大きくなるように設定され、改質部入口温度が第２温度より高い場合には、第１補正Ｓ／Ｃは第２所定値で一定となるように設定されている。

また請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２において、第２マップにおいては、燃料電池温度が、改質部の温度が改質部の触媒がコーキングするおそれの高い温度に対して飽和状態となったときの燃料電池の温度より高い温度である第３温度より低い場合には、第２補正Ｓ／Ｃは第３所定値で一定となるように設定され、燃料電池温度が第３温度から該第３温度より高い第４温度までの間である場合には、燃料電池温度が大きくなるにしたがって第２補正Ｓ／Ｃは第３所定値から該第３所定値より大きく第４所定値までの間にて大きくなるように設定され、燃料電池温度が第４温度より高い場合には、第２補正Ｓ／Ｃは第４所定値で一定となるように設定されている。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、改質部は燃焼部におけるアノードオフガスの燃焼熱により直接加熱されている。燃料電池は、改質部から供給される高温の燃料により加熱され、また、燃焼部におけるアノードオフガスの燃焼によりケーシング内が加熱されるのに伴って加熱され、さらに、燃料電池自身が発電するのに伴って加熱される（自己発熱）。このことから、本願発明者は以下のことを見出した。燃料電池より改質部の方が先に暖機（昇温）が開始され、燃料電池より改質部が早く昇温される。燃料電池の昇温が進んで燃料電池温度が一定の温度（所定温度）以上となると、燃料電池、改質部および燃焼部は断熱性材料で形成されたケーシング内に収容されているので、燃料電池温度が燃料電池、改質部および燃焼部を含んで構成されるパッケージの温度を代表する温度となる。よって、燃料電池温度が前記所定温度となるまでは、燃料電池温度より先に昇温する改質部温度に基づいて改質水供給を制御し、燃料電池温度が前記所定温度となった以降は、パッケージの温度を代表する燃料電池温度に基づいて改質水供給を制御することにより、改質部をコーキングさせることなく、改質部と燃料電池とを適切かつ比較的短時間で暖機することができる。

前述のように改質水供給の制御を適切に行うために、請求項１に係る発明においては、第１補正Ｓ／Ｃ算出手段が、改質部入口温度と第１補正Ｓ／Ｃとの関係を示す第１マップと、改質部入口温度センサによって検出された改質部入口温度と、からその検出された改質部入口温度に対応する第１補正Ｓ／Ｃを算出する。また、第２補正Ｓ／Ｃ算出手段が、燃料電池温度と第２補正Ｓ／Ｃとの関係を示す第２マップと、燃料電池温度センサによって検出された燃料電池温度と、からその検出された燃料電池温度に対応する第２補正Ｓ／Ｃを算出する。そして、加算手段が、基準のＳ／Ｃである基準Ｓ／Ｃと、第１補正Ｓ／Ｃ算出手段によって算出された第１補正Ｓ／Ｃと、第２補正Ｓ／Ｃ算出手段によって算出された第２補正Ｓ／Ｃと、を加算して目標Ｓ／Ｃを算出する。すなわち、目標Ｓ／Ｃは、改質部入口温度とよい相関関係にある第１補正Ｓ／Ｃおよび燃料電池温度とよい相関関係にある第２補正Ｓ／Ｃにより基準Ｓ／Ｃを補正することで算出される。

これにより、改質部入口温度および燃料電池温度にそれぞれ応じた第１および第２補正Ｓ／Ｃを使用することで目標Ｓ／Ｃを設定することができ、燃料電池および改質部を暖機するに際してその全期間に渡って改質部の温度（触媒温度）を改質触媒がコーキングするおそれの高い温度より低く抑制することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１において、制御装置は、改質部および燃料電池を暖機する起動運転中において、改質水の供給流量の制御を行う。これにより、運転停止している燃料電池システムの改質部および燃料電池を起動運転する際に、改質部の触媒温度を改質触媒がコーキングするおそれの高い温度より低く抑制することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２において、第１マップにおいては、改質部入口温度が第１温度より低い場合には、第１補正Ｓ／Ｃは第１所定値で一定となるように設定され、改質部入口温度が第１温度から該第１温度より高くかつ改質部の触媒がコーキングするおそれの高い温度以上である第２温度までの間である場合には、改質部入口温度が高くなるにしたがって第１補正Ｓ／Ｃは第１所定値から該第１所定値より大きい第２所定値までの間にて大きくなるように設定され、改質部入口温度が第２温度より高い場合には、第１補正Ｓ／Ｃは第２所定値で一定となるように設定されている。

これにより、改質部入口温度が第１温度より低い場合には、第１補正Ｓ／Ｃを比較的小さい第１所定値に抑制することで目標Ｓ／Ｃを小さい値に設定することができ、改質水を必要以上に供給するのを抑制することができる。また、改質部入口温度が第１温度から第２温度までの間においては、改質部入口温度が高いほど第１補正Ｓ／Ｃを大きい値にすることで目標Ｓ／Ｃを大きい値に設定することができ、改質水の供給量を多くすることができる。よって、改質部の触媒温度を改質触媒がコーキングする温度より低く抑制することができる。さらに、改質部入口温度が第２温度より高い場合には、改質部入口温度に基づいて供給される改質水供給量をベースにさらに他の要因に基づく改質水供給量を上乗せすることが可能となる。よって、他の要因に基づく改質水供給量を上乗せする場合にも、改質部温度の上昇を抑制するのに必要最低限の改質水供給量を確保することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１または請求項２において、第２マップにおいては、燃料電池温度が、改質部の温度が改質部の触媒がコーキングするおそれの高い温度に対して飽和状態となったときの燃料電池の温度より高い温度である第３温度より低い場合には、第２補正Ｓ／Ｃは第３所定値で一定となるように設定され、燃料電池温度が第３温度から該第３温度より高い第４温度までの間である場合には、燃料電池温度が大きくなるにしたがって第２補正Ｓ／Ｃは第３所定値から該第３所定値より大きく第４所定値までの間にて大きくなるように設定され、燃料電池温度が第４温度より高い場合には、第２補正Ｓ／Ｃは第４所定値で一定となるように設定されている。

これにより、燃料電池温度が第３温度より低い場合には、第２補正Ｓ／Ｃを比較的小さい第３所定値に抑制することで目標Ｓ／Ｃを小さい値に設定することができ、燃料電池温度が低い場合に改質水を必要以上に供給するのを抑制して燃料電池や改質部など収容するケーシング内全体の温度の低下を抑制することができる。また、燃料電池温度が第３温度から第４温度までの間においては、燃料電池温度が高いほど第２補正Ｓ／Ｃを大きい値にすることで目標Ｓ／Ｃを大きい値に設定することができ、改質水の供給量を多くすることができる。よって、燃料電池より先に改質水が供給される改質部の温度の上昇を抑制でき、これに加えて改質ガス中の改質に使用されなかった改質水（水蒸気）が燃料電池に供給されることで燃料電池温度の上昇を抑制することができる。さらに、燃料電池温度が第４温度（燃焼電池の暖機完了温度）より高い場合には、燃料電池の暖機が完了しているので、起動運転用の第２補正Ｓ／Ｃを（比較的大きい）第４所定値で一定にすることで、その後の発電運転に与える影響を抑制することができる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 （ａ）、（ｂ）ともに図２に示す記憶装置に記憶されているマップであり、（ａ）は改質部入口温度と第１補正Ｓ／Ｃとの関係を示す第１マップであり、（ｂ）は燃料電池温度と第２補正Ｓ／Ｃとの関係を示す第２マップである。 図２に示す制御装置で実行される制御プログラム（起動運転）のフローチャートである。 図２に示す制御装置で実行される制御プログラム（目標Ｓ／Ｃ算出サブルーチン）のフローチャートである。 図４に示すフローチャートを実行したときの一実施例を示すタイムチャートである。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、箱状の筐体１１、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０、インバータ装置５０および制御装置６０を備えている。

筐体１１は、筐体１１内を区画して第１室Ｒ１および第２室Ｒ２を形成する仕切部材１２を備えている。第１室Ｒ１は第１空間を形成し、第２室Ｒ２は第２空間を形成する。仕切部材１２は、筐体１１を上下に区画する（仕切る）板状部材である。筐体１１内には、仕切部材１２より上方および下方に第１室Ｒ１および第２室Ｒ２が形成される。

燃料電池モジュール２０は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、燃料電池２４を少なくとも含んで構成されるものである。本実施形態では、燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、蒸発部２２、改質部２３および燃料電池２４を備えている。

ケーシング２１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング２１は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造により支持されている。ケーシング２１内には、蒸発部２２、改質部２３、燃料電池２４および燃焼部２６である燃焼空間Ｒ３が配設されている。このとき、蒸発部２２、改質部２３が燃料電池２４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部２２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部２２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部２３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

この蒸発部２２には、一端（下端）が水タンク１３内に配設された給水管４１の他端が接続されている。給水管４１には、改質水ポンプ４１ａが設けられている。改質水ポンプ４１ａは、蒸発部２２に改質水を供給するとともにその改質水供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

また、蒸発部２２には、燃料供給源（図示省略）からの改質用原料が改質用原料供給管４２を介して供給されている。改質用原料供給管４２には、上流から順番に一対の原料バルブ（図示省略）、流量センサ４２ａ、脱硫器４２ｂ、および原料ポンプ４２ｃが設けられている。原料バルブは改質用原料供給管４２を開閉する電磁開閉弁である。流量センサ４２ａは、燃料電池２４に供給されている燃料（改質用原料）の流量すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信している。脱硫器４２ｂは改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。原料ポンプ４２ｃは、燃料電池２４に燃料（改質用原料）を供給する供給装置であり、制御装置６０からの制御指令値にしたがって燃料供給源からの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

改質部２３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部２２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部２３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池２４の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

改質部２３は、改質用原料と改質水（水蒸気）とが流入する部位の温度（改質部入口温度Ｔ１）を検出する温度センサ（改質部入口温度センサ）２３ａを備えている。温度センサ２３ａは、改質部２３の改質用原料と改質水（水蒸気）とが流入する部位に設けられている。温度センサ２３ａは触媒に入る前でもよく触媒に入って直ぐの部分でもよい。温度センサ２３ａは、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

さらに、改質部２３は、改質ガスが流出する部位の温度（改質部出口温度Ｔ２）を検出する温度センサ（改質部出口温度センサ）２３ｂを備えている。温度センサ２３ｂは、改質部２３の改質ガスが流出する部位に設けられている。温度センサ２３ｂは、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

燃料電池２４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル２４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池２４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。なお、４００℃以下でも定格以下の発電量の発電は可能である。また、６００℃で発電開始を許可している。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部２３は省略することができる。

セル２４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路２４ｂが形成されている。セル２４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路２４ｃが形成されている。

燃料電池２４は、燃料電池２４の温度（燃料電池温度Ｔ３）を検出する温度センサ（燃料電池温度センサ）２４ｄを備えている。温度センサ２４ｄは、燃料電池２４のセル２４ａの積層方向の中央部分であって上下方向中央部分に設けられている。温度センサ２４ｄは、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

燃料電池２４は、マニホールド２５上に設けられている。マニホールド２５には、改質部２３からの改質ガスが改質ガス供給管４３を介して供給される。燃料流路２４ｂは、その下端（一端）がマニホールド２５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ４４ａ（カソードエア送出（送風）手段）によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管４４を介して供給され、空気流路２４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内の空気を吸入し燃料電池２４の空気極に吐出するものであり、その吐出量は調整制御（例えば燃料電池２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

燃料電池２４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路２４ｂおよび空気流路２４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料電池２４と蒸発部２２（改質部２３）の間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）によって燃焼され、その燃焼ガス（火炎）によって蒸発部２２および改質部２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール２０内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは排気口２１ａから燃料電池モジュール２０の外に排気される。このように、燃焼空間Ｒ３が、燃料電池２４からのアノードオフガスと燃料電池２４からのカソードオフガスとが燃焼されて改質部２３を加熱する燃焼部２６である。

燃焼部２６（燃焼空間Ｒ３）では、アノードオフガスが燃焼されて火炎２７が発生している。燃焼部２６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２が設けられている。また、燃焼部２６には、燃焼部２６の温度を検出するための一対の温度センサ２６ｂ１，２６ｂ２が設けられている。温度センサ２６ｂ１，２６ｂ２の検出結果（出力信号）は制御装置６０に送信されている。

排熱回収システム３０は、燃料電池２４の排熱と貯湯水との間で熱交換することで排熱を貯湯水に回収して蓄える排熱回収系である。排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン３２と、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器３３と、が備えられている。

貯湯槽３１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽３１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽３１に貯留された高温の温水が貯湯槽３１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン３２の一端は貯湯槽３１の下部に、他端は貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン３２上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ３２ａ、第１温度センサ３２ｂ、熱交換器３３、および第２温度センサ３２ｃが配設されている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出するものであり、その流量（送出量）が制御されるようになっている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、第２温度センサ３２ｃの検出温度（貯湯水の貯湯槽３１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。

第１温度センサ３２ｂは、熱交換器３３の貯湯水導入側の貯湯水循環ライン３２であって熱交換器３３と貯湯槽３１との間に配設されている。第１温度センサ３２ｂは、貯湯水の熱交換器３３の入口温度すなわち貯湯水の貯湯槽３１の出口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

第２温度センサ３２ｃは、熱交換器３３の貯湯水導出側の貯湯水循環ライン３２に配設されている。第２温度センサ３２ｃは、貯湯水の熱交換器３３の出口温度すなわち貯湯水の貯湯槽３１の入口温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽３１からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。この熱交換器３３は、筐体１１内に配設されている。本実施形態では、熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０の下部に設けられており、少なくとも熱交換器３３の下部は仕切部材１２を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

熱交換器３３は、ケーシング３３ａを備えている。ケーシング３３ａの上部には、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口２１ａに連通する接続管４５が接続されている。ケーシング３３ａの下部には、第１排気口１１ａに接続されている排気管４６が接続されている。ケーシング３３ａの底部には、純水器１４に接続されている凝縮水供給管４７が接続されている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環ライン３２に接続されている熱交換部（凝縮部）３３ｂが配設されている。

このように構成された熱交換器３３においては、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、接続管４５を通ってケーシング３３ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部３３ｂを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管４６を通って第１排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管４７を通って純水器１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部３３ｂに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

また、燃料電池システムは、水タンク１３および純水器１４を備えている。水タンク１３および純水器１４は第２室Ｒ２内に配設されている。水タンク１３は、純水器１４から導出された純水を貯めておくものである。純水タンク１３には、純水タンク１３内の純水量を検出する図示しない水量センサ（水位センサ）が設けられている。水量センサは例えばフロート式、静電容量式などの水位計である。水量センサは制御装置に検出信号を送信するようになっている。

純水器１４は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器１４は、熱交換器３３からの凝縮水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器１４は、配管４８を介して純水タンク１３に連通しており、純水器１４内の純水は配管４８を通って純水タンク１３に導出される。

また、燃料電池システムは、第２室Ｒ２を形成する筐体１１に形成された空気導入口１１ｃと、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成された空気導出口１１ｂと、仕切部材１２に形成された空気導入口１２ａに設けられた換気用空気ブロワ１５と、を備えている。この換気用空気ブロワ１５が作動すると、外気が空気導入口１１ｃを介して第２室Ｒ２内に吸い込まれ、換気用空気ブロワ１５によって第１室Ｒ１内に送出され、第１室Ｒ１内の空気が空気導出口１１ｂを介して外部に排出される。

さらに、燃料電池システムは、インバータ装置５０を備えている。インバータ装置５０は、燃料電池２４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して交流の系統電源５１および外部電力負荷５３に接続されている電源ライン５２に出力する第１機能と、系統電源５１からの交流電圧を電源ライン５２を介して入力し所定の直流電圧に変換して補機や制御装置６０に出力する第２機能と、を有している。

系統電源（または商用電源）５１は、該系統電源５１に接続された電源ライン５２を介して電力負荷５３に電力を供給するものである。燃料電池２４はインバータ装置５０を介して電源ライン５２に接続されている。電力負荷５３は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。

インバータ装置５０は、燃料電池２４の出力電圧を検出する電圧センサ５０ａ、および燃料電池２４の出力電流を検出する電流センサ５０ｂを備えている。電圧センサ５０ａおよび電流センサ５０ｂは、それぞれの検出結果を制御装置６０に送信するようになっている。

補機は、燃料電池モジュール２０に改質用原料、水、空気を供給するためのモータ駆動のポンプ４１ａ，４２ｃ、換気用空気ブロワ１５およびカソードエアブロワ４４ａなどから構成されている。この補機は直流電圧にて駆動されるものである。

さらに、燃料電池システムは、制御装置６０を備えている。制御装置６０には、上述した温度センサ２３ａ，２３ｂ，２４ｄ，２６ｂ１，２６ｂ２，３２ｂ，３２ｃ、流量センサ４２ａ、電圧センサ５０ａ、電流センサ５０ｂ、各ポンプ３２ａ，４１ａ，４２ｃ、各ブロワ１５，４４ａ、および着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２が接続されている（図２参照）。制御装置６０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システムの運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

制御装置６０は、Ｓ／Ｃの制御目標値である目標Ｓ／Ｃを算出し（目標Ｓ／Ｃ算出手段）、その算出された目標Ｓ／Ｃに基づいて改質水の供給流量の制御を行う（供給制御手段）。なお、Ｓ／Ｃは、改質部２３に供給される改質用原料中の炭素のモル数に対する改質部２３に供給される改質水のモル数の比を示すスチームカーボン比である。また、Ｓ／Ｃ、改質用原料の供給流量および改質水の供給流量は、下記数１に示す関係がある。
（数１）
Ｓ／Ｃ＝(22.4×(改質水供給流量) ／18) ／(1.2×(改質用原料の供給流量))
２２．４は標準状態における気体の体積であり、１８は水の分子量であり、１．２は改質用原料の供給流量（単位時間あたりの流量）からカーボンのモル数を算出するための係数である。

また、制御装置６０の記憶装置６０ａには、改質部入口温度Ｔ１と第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１との関係を示す第１マップ（図３（ａ）参照）、および燃料電池温度Ｔ３と第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２との関係を示す第２マップ（図３（ｂ）参照）が記憶されている。第１および第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１，ΔＳ／Ｃ_２は、いずれもＳ／Ｃの基準値を示す基準Ｓ／Ｃを補正するための補正値である。換言すると、目標Ｓ／Ｃは、基準Ｓ／Ｃを第１および第２Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１，ΔＳ／Ｃ_２によって補正することにより得ることができる。

第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１は、改質部入口温度Ｔ１とよい相関関係にある補正値である。すなわち、第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１と改質部入口温度Ｔ１とは、第１マップに示す関係となるように設定されている。第１マップは、次のように設定されている。改質部入口温度Ｔ１が第１温度Ｔ１ａより低い場合には、第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１は第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａで一定となるように設定されている。改質部入口温度Ｔ１が第１温度Ｔ１ａから該第１温度Ｔ１ａより高くかつ改質部２３の触媒がコーキングするおそれの高い温度（以下、コーキング温度という）Ｔｘ以上である第２温度Ｔ１ｂまでの間である場合には、改質部入口温度Ｔ１が大きくなるにしたがって第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１は第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａから該第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａより大きい第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ｂまでの間にて大きくなるように設定されている。改質部入口温度Ｔ１が第２温度Ｔ１ｂより高い場合には、第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１は第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ｂで一定となるように設定されている。

なお、第１温度Ｔ１ａは、コーキング温度Ｔｘより低い温度であって改質部２３において改質反応が十分進む温度である。また、第２温度Ｔ１ｂは、コーキング温度Ｔｘである。なお、第２温度Ｔ１ｂは、コーキング温度Ｔｘより高い温度に設定するようにしてもよい。このとき、その温度は改質部２３の温度が高くなって高温異常であると判定する判定温度の上限温度とすればよい。改質部入口温度Ｔ１が第２温度Ｔ１ｂに達するまでは、コーキングを抑制でき、改質部入口温度Ｔ１が第２温度Ｔ１ｂに達した後は、異常判定により燃料電池システムの運転を停止するのに合わせて改質水の過剰供給を停止することができる。

さらに、第１および第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ａ，ΔＳ／Ｃ_１ｂは、いずれも実際に燃料電池システムを使用して実験した結果に基づいて設定されている。例えば、一定流量の改質用原料を供給し、それに対して改質水の供給流量を変化させて（改質部入口温度Ｔ１毎に）、改質部２３の状態（改質水が過剰に投入されているか、コーキングが発生しているかなどの状態）を観察し、改質水の供給流量と改質部２３の状態とを関連付けたデータに基づいて、第１および第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ａ，ΔＳ／Ｃ_１ｂは適切に設定されている。

すなわち、第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａは、改質部２３において改質水が過剰に投入されないようにする値に設定されるのが好ましい。本実施形態においては、第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａは０に設定されている。第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａは０でなく、ほとんど０に等しい小さい値に設定するようにしてもよい。また、第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ｂは、改質部２３においてコーキングが発生しない値に設定されるのが好ましい。本実施形態においては、第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ｂは例えば２．５に設定されている。

第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２は、燃料電池温度Ｔ３とよい相関関係にある補正値である。すなわち、第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２と燃料電池温度Ｔ３とは、第２マップに示す関係となるように設定されている。第２マップは、次のように設定されている。燃料電池温度Ｔ３がコーキング温度Ｔｘと略同一である第３温度Ｔ３ａより低い場合には、第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２は第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａで一定となるように設定されている。燃料電池温度Ｔ３が第３温度Ｔ３ａから該第３温度Ｔ３ａより高い第４温度Ｔ３ｂまでの間である場合には、燃料電池温度Ｔ３が大きくなるにしたがって第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２は第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａから該第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａより大きく第４所定値ΔＳ／Ｃ_２ｂまでの間にて大きくなるように設定されている。燃料電池温度Ｔ３が第４温度Ｔ３ｂより高い場合には、第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２は第４所定値ΔＳ／Ｃ_２ｂで一定となるように設定されている。

なお、第３温度Ｔ３ａは、改質部２３において触媒がコーキング温度Ｔｘと略同一温度である。また、後述するように、第３温度Ｔ３ａは、改質部入口温度Ｔ１が飽和状態となった（サチュレートした）時点における燃料電池温度Ｔ３を第３温度Ｔ３ａに設定するようにしてもよい。すなわち、第３温度Ｔ３ａは、改質部２３の温度がコーキング温度Ｔｘに対して飽和状態となったときの燃料電池２４の温度より高い温度であればよい。さらに、第４温度Ｔ３ｂは、燃料電池２４の起動運転（暖機）が完了する温度である。

さらに、第３および第４所定値ΔＳ／Ｃ_２ａ，ΔＳ／Ｃ_２ｂは、いずれも実際に燃料電池システムを使用して実験した結果に基づいて設定されている。例えば、一定流量の改質用原料を供給し、それに対して改質水の供給流量を変化させて（燃料電池温度Ｔ３毎に）、改質部２３の状態（改質水が過剰に投入されているか、コーキングが発生しているかなどの状態）を観察し、改質水の供給流量と改質部２３の状態とを関連付けたデータに基づいて、第３および第４所定値ΔＳ／Ｃ_２ａ，ΔＳ／Ｃ_２ｂは適切に設定されている。

すなわち、第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａは、改質部２３において改質水が過剰に投入されないようにする（および燃料電池２４において水蒸気（改質水）が過剰に投入されないようにする）値に設定されるのが好ましい。本実施形態においては、第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａは０に設定されている。第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａは０でなく、ほとんど０に等しい小さい値に設定するようにしてもよい。また、第４所定値ΔＳ／Ｃ_２ｂは、改質部２３においてコーキングが発生しない値に設定されるのが好ましい。本実施形態においては、第４所定値ΔＳ／Ｃ_２ｂは例えば２．５に設定されている。

なお、第１マップは、上述した各所定値と同様に、実際に燃料電池システムを使用して実験した結果に基づいて算出される。例えば、一定流量の改質用原料を供給し、それに対して改質水の供給流量を変化させて（改質部入口温度Ｔ１毎に）、改質部２３の状態（改質水が過剰に投入されているか、コーキングが発生しているかなどの状態）を観察し、改質水の供給流量と改質部２３の状態とを関連付けたデータに基づいて、第１および第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ａ，ΔＳ／Ｃ_１ｂを算出する。そして、第１温度Ｔ１ａと第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａとの組み合わせと第２温度Ｔ１ｂと第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ｂとの組み合わせとから第１マップを算出する。また、第２マップも、第１マップと同様に算出する。

次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。制御装置６０は、図示しない起動スイッチがオンされると（あるいはユーザによって予め設定された起動開始時刻となったことにより自動的に起動が開始されると）、図４に示すフローチャートに対応するプログラムの実行を開始する。

制御装置６０は、ステップ１０２において、燃焼部２６を着火する。具体的には、制御装置６０は、改質用原料およびカソードエアの投入を開始する。制御装置６０は、原料ポンプ４２ｃを駆動させて改質用原料を所定の供給流量にて投入する。制御装置６０は、カソードエアブロワ４４ａを駆動させてカソードエアを所定の供給流量にて投入する。これらの投入と同時に、制御装置６０は、着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２への通電を開始する。

これにより、原料ポンプ４２ｃから吐出された改質用原料は、蒸発部２２および改質部２３を経て燃料電池２４の燃料流路２４ｂを通って燃焼部２６に供給される。カソードエアブロワ４４ａから送出されたカソードエアは、燃料電池２４の空気流路２４ｃを通って燃焼部２６に供給される。燃焼部２６に供給された改質用原料とカソードエアとは、通電されている着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２によって燃焼が開始される（着火される）。

制御装置６０は、ステップ１０４において、燃焼部２６が着火したか否かを判定する。燃焼部２６が着火すれば、その燃焼により燃焼空間Ｒ３が昇温される。よって、制御装置６０は、温度センサ２６ｂ１（または２６ｂ２）により検出された温度が所定温度以上となれば、燃焼部２６が着火したと判定する。制御装置６０は、温度センサ２６ｂ１（または２６ｂ２）により検出された温度が所定温度未満であれば、燃焼部２６は着火していないと判定する。

燃焼部２６が着火したと判定された後、蒸発部２２および改質部２３が火炎２７により直接加熱される。制御装置６０は、改質部２３が暖機されるのを待って、改質水の投入を開始する。具体的には、制御装置６０は、温度センサ２３ａにより改質部入口温度Ｔ１を検出する。その検出した改質部入口温度Ｔ１が所定温度Ｔａ（例えば、１５０℃）より高くなると、制御装置６０は、ステップ１０６にて「ＹＥＳ」と判定し、改質水の投入を開始する（ステップ１０８）。

このとき、制御装置６０は、図５に示すサブルーチン（目標Ｓ／Ｃ算出サブルーチン）を実行してＳ／Ｃの制御目標値である目標Ｓ／Ｃを算出し（目標Ｓ／Ｃ算出手段）、その算出された目標Ｓ／Ｃに基づいて改質水の供給流量の制御を行う（供給制御手段）。

目標Ｓ／Ｃ算出サブルーチンに沿って説明する。制御装置６０は、ステップ２０２において、改質部入口温度センサ２３ａによって検出された改質部入口温度Ｔ１を取得する。そして、制御装置６０は、ステップ２０４において、改質部入口温度Ｔ１と第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１との関係を示す第１マップと、改質部入口温度センサ２３ａによって検出された改質部入口温度Ｔ１と、からその検出された改質部入口温度Ｔ１に対応する第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１を算出する（第１補正Ｓ／Ｃ算出手段）。

制御装置６０は、ステップ２０６において、燃料電池温度センサ２４ｄによって検出された燃料電池温度Ｔ３を取得する。そして、制御装置６０は、ステップ２０８において、燃料電池温度Ｔ３と第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２との関係を示す第２マップと、燃料電池温度センサ２４ｄによって検出された燃料電池温度Ｔ３と、からその検出された燃料電池温度Ｔ３に対応する第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２を算出する（第２補正Ｓ／Ｃ算出手段）。

制御装置６０は、ステップ２１０において、下記数２に示すように、基準のＳ／Ｃである基準Ｓ／Ｃ（具体的には基準Ｓ／Ｃ１である。）、第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１、および第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２を加算して目標Ｓ／Ｃを算出する（加算手段）。目標Ｓ／Ｃ算出手段は、第１補正Ｓ／Ｃ算出手段、第２補正Ｓ／Ｃ算出手段および加算手段を備えている。
（数２）
目標Ｓ／Ｃ
＝基準Ｓ／Ｃ＋第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ＿１＋第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ＿２

制御装置６０は、ステップ２１２において、先に算出された目標Ｓ／Ｃに基づいて改質水の供給流量の制御を行う（供給制御手段）。すなわち、改質水の供給流量は、目標Ｓ／Ｃに相当する流量となるように制御される。この相当する流量は、上記数１から（１．２×（改質用原料の供給流量）×目標Ｓ／Ｃ）×（１８／２２．４）である。

改質水の投入が開始されると、蒸発部２２では改質用原料と改質水が加熱され、昇温された改質用原料と改質水（水蒸気）が混合されて改質部２３に供給される。改質部２３では、上述したように改質ガスが生成されて燃料電池２４の燃料流路２４ｂに供給される。すなわち、改質用原料に代えて改質ガスが燃料電池２４の燃料流路２４ｂに供給されるようになる。よって、燃焼部２６では改質ガスがカソードエア（またはカソードオフガス）により燃焼されることとなる。

また、燃料電池モジュール２０の内部は、断熱性材料で形成されたケーシング２１で囲まれているため、燃焼部２６での燃焼により加熱されて昇温し、燃料電池２４も昇温する。また、燃料電池２４では、改質ガスとカソードエアとにより発電（発電量は比較的小さい）が行われているので、自己発熱によっても昇温する。

その後、改質部２３および燃料電池２４の暖機が進むなかで、制御装置６０は、温度センサ２３ａにより改質部入口温度Ｔ１を検出するとともに温度センサ２４ｄにより燃料電池温度Ｔ３を検出する。制御装置６０は、その検出した改質部入口温度Ｔ１が上記所定温度Ｔａより高い所定温度Ｔｂ（例えば、４００℃）より高くなり、かつ、その検出した燃料電池温度Ｔ３が所定温度Ｔｃ（例えば、４５０℃）より高くなると、ステップ１１０にて「ＹＥＳ」と判定し、投入している改質水の供給流量を増大する（ステップ１１２）。なお、基準Ｓ／Ｃは、基準Ｓ／Ｃ１から基準Ｓ／Ｃ１より大きい値である基準Ｓ／Ｃ２に変更される。

このとき、制御装置６０は、上記と同様に図５に示すサブルーチン（目標Ｓ／Ｃ算出サブルーチン）を実行してＳ／Ｃの制御目標値である目標Ｓ／Ｃを算出し（目標Ｓ／Ｃ算出手段）、その算出された目標Ｓ／Ｃに基づいて改質水の供給流量の制御を行う（供給制御手段）。

さらに、改質部２３および燃料電池２４の暖機が進むなかで、制御装置６０は、温度センサ２３ｂにより改質部出口温度Ｔ２を検出するとともに温度センサ２４ｄにより燃料電池温度Ｔ３を検出する。制御装置６０は、その検出した改質部出口温度Ｔ２が所定温度Ｔｄ（例えば、７００℃）より高くなり、かつ、その検出した燃料電池温度Ｔ３が上記所定温度Ｔｃより高い所定温度Ｔｅ（例えば、６００℃）より高くなると、ステップ１１４にて「ＹＥＳ」と判定し、投入している改質用原料の供給流量を減少するとともに改質水の供給流量を増大する（ステップ１１６）。なお、基準Ｓ／Ｃは、基準Ｓ／Ｃ２から基準Ｓ／Ｃ２より大きい値である基準Ｓ／Ｃ３に変更される。また、改質用原料の供給流量を減少させるのは、燃料電池モジュール２０内の熱暴走を防止するためである。

このとき、制御装置６０は、上記と同様に図５に示すサブルーチン（目標Ｓ／Ｃ算出サブルーチン）を実行してＳ／Ｃの制御目標値である目標Ｓ／Ｃを算出し（目標Ｓ／Ｃ算出手段）、その算出された目標Ｓ／Ｃに基づいて改質水の供給流量の制御を行う（供給制御手段）。

さらに、燃料電池２４の暖機が進むなかで、制御装置６０は、温度センサ２４ｄにより燃料電池温度Ｔ３を検出するとともに電圧センサ５０ａにより燃料電池２４の出力電圧Ｖを検出する。制御装置６０は、その検出した燃料電池温度Ｔ３が上記所定温度Ｔｅより高い所定温度Ｔｆ（例えば、６５０℃）より高くなり、かつ、その検出した出力電圧Ｖが所定電圧Ｖａ（例えば、１２０Ｖ）より大きくなると、ステップ１１８にて「ＹＥＳ」と判定し（起動運転（暖機運転）が終了したと判定し）、起動運転を終了し、発電運転を開始する（ステップ１２０）。

上述した制御による燃料電池システムの作動を図６に示すタイムチャートを参照して説明する。
時刻ｔ１に起動運転が開始されると、改質用原料およびカソードエアの投入（上記した供給流量にて投入される）が開始されるとともに着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２への通電が開始されて、燃焼部２６が着火される（ステップ１０２）。なお、カソードエアの供給を先にして残留しているガスをパージした後に、改質用原料を供給するようにしてもよい。

燃焼部２６が着火されると、上述したように蒸発部２２、改質部２３および燃料電池２４が加熱されるため、改質部２３の改質部入口温度Ｔ１および改質部出口温度Ｔ２、ならびに燃料電池２４の燃料電池温度Ｔ３がそれぞれ上昇する。このとき、改質部入口温度Ｔ１および改質部出口温度Ｔ２は、燃料電池温度Ｔ３に比べて温度上昇が急である。改質部２３は燃焼部２６の火炎２７（および／または燃焼ガス）により直接加熱され、燃料電池２４は火炎２７の輻射熱および蒸発部２２と改質部２３を加熱した後の燃焼ガスの対流により加熱されるからである。

時刻ｔ２に、改質部入口温度Ｔ１が所定温度Ｔａ（例えば、１５０℃）より高くなると、改質水の投入が開始される（ステップ１０８）。改質水の供給流量は目標Ｓ／Ｃに基づいて算出される。以降の起動運転中には、上述したように算出された目標Ｓ／Ｃに基づいて改質水の供給流量の制御が行われる。

改質水の投入が開始されると、蒸発部２２では改質用原料と改質水が加熱され、昇温された改質用原料と改質水（水蒸気）が混合されて改質部２３に供給される。改質部２３では、上述したように改質ガスが生成されて燃料電池２４の燃料流路２４ｂに供給される。すなわち、改質用原料に代えて改質ガスが燃料電池２４の燃料流路２４ｂに供給されるようになる。よって、燃焼部２６では改質ガスがカソードエア（またはカソードオフガス）により燃焼されることとなる。

また、燃料電池モジュール２０の内部は、断熱性材料で形成されたケーシング２１で囲まれているため、燃焼部２６で生成された燃焼ガスが対流することにより加熱されて昇温し、合わせて燃料電池２４も昇温する。また、燃料電池２４では、改質ガスとカソードエアとにより発電（当初発電量は比較的小さい）が行われているので、自己発熱によっても昇温する。なお、燃料電池２４は、改質ガス中の水素濃度が高くなるにつれて、また燃料電池２４の温度が高くなるにつれてその出力電力が大きくなる。ただし、起動運転中の出力電力は投入されている改質用原料に相当する電力量を最大とする。本実施形態では時刻ｔ３までに、投入されている改質用原料に相当する電力量が最大出力電力として出力されている。

その後、改質部２３および燃料電池２４の暖機が進むなかで、時刻ｔ３に、燃料電池温度Ｔ３が所定温度Ｔｃ（例えば、４５０℃）より高くなり、かつ、改質部入口温度Ｔ１が所定温度Ｔｂ（例えば、４００℃）より高くなると、投入している改質水の供給流量が増大される（ステップ１１２）。

さらに、改質部２３および燃料電池２４の暖機が進むなかで、時刻ｔ５に、燃料電池温度Ｔ３が所定温度Ｔｅ（例えば、６００℃）より高くなり、かつ、改質部出口温度Ｔ２が所定温度Ｔｄ（例えば、７００℃）より高くなると、投入している改質用原料の供給流量を減少されるとともに改質水の供給流量が増大される（ステップ１１６）。

さらに、改質部２３および燃料電池２４の暖機が進むなかで、時刻ｔ６に、燃料電池温度Ｔ３が所定温度Ｔｆ（例えば、６５０℃）より高くなり、かつ、出力電圧Ｖが所定電圧Ｖａ（例えば、１２０Ｖ）より大きくなると、起動運転が終了され、発電運転が開始される（ステップ１２０）。

起動運転中においては、上述したように算出された目標Ｓ／Ｃに基づいて改質水の供給流量の制御が行われている。詳述すると、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの間（所定期間ＴＭ１）においては、改質部入口温度Ｔ１の上昇に応じて目標Ｓ／Ｃを増大ひいては改質水の供給流量を増大させることで、改質部入口温度Ｔ１の温度上昇を抑制している。

まず、所定期間ＴＭ１では、燃料電池温度Ｔ３が第３温度Ｔ３ａより低いため、第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２は第２マップから第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａ（０）であり、燃料電池温度Ｔ３の上昇は目標Ｓ／Ｃに影響を及ぼしていない。

時刻ｔ２から時刻ｔ７（第１温度Ｔ１ａ未満である改質部入口温度Ｔ１が第１温度Ｔ１ａに達した時点）までの間においては、第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１は第１マップから第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａ（０）であるため、上記数２から目標Ｓ／Ｃは基準Ｓ／Ｃである。

時刻ｔ７から時刻ｔ３までの間においては、第１マップに基づいて改質部入口温度Ｔ１が第１温度Ｔ１ａから上昇するにしたがって第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１が大きい値となるように設定される。よって、上記数２から目標Ｓ／Ｃは第１補正Ｓ／Ｃの増大に伴って大きくなる。

時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間においては、改質部出口温度Ｔ２および燃料電池温度Ｔ３は上昇しているものの改質部入口温度Ｔ１はほとんど上昇していない。供給されている改質水（水蒸気）により改質部２３の入口部を冷却することができるが、改質部２３の内部（入口部と出口部との間の部分）や出口部は入口部ほど冷却することはできないからである。このように、改質水（水蒸気）の投入によって改質部入口温度Ｔ１が飽和状態となっても（サチュレートしても）、燃料電池モジュール２０内部の温度が全体的に昇温されるため、改質部２３の入口部を除く部位（改質部２３の内部や出口部）では温度の上昇が続いている。改質部２３の出口部では、この出口部に至るまでに改質用原料が改質されるため達した流体中に含有する改質用原料の割合が少なくなるので、改質部２３の出口部の温度がコーキング温度Ｔｘより高くなっても触媒はコーキングしない。しかし、改質部２３の入口部と出口部との間の部位であって入口部側の部位では、未改質の改質用原料が比較的多く流れてくるため、その部位の温度がコーキング温度Ｔｘより高くなっていれば、その部分の触媒がコーキングするおそれがある。

時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間においては、引き続き、改質部出口温度Ｔ２および燃料電池温度Ｔ３は上昇しているものの改質部入口温度Ｔ１はほとんど上昇していない。これでは、改質部２３の入口部と出口部との間の部位であって入口部側の部位の温度上昇を抑制することができず、その部分の触媒がコーキングするのを抑制することができない。そこで、燃料電池温度Ｔ３の上昇に応じて目標Ｓ／Ｃを増大ひいては改質水の供給流量を増大させることで、改質部入口温度Ｔ１だけでなく、改質部２３の入口部と出口部との間の部位であって入口部側の部位の温度がコーキング温度Ｔｘより高くなるのを抑制している。
なお、改質部入口温度Ｔ１は改質水の供給流量は増大されているため、若干低下傾向にある。

時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間においては、投入されている改質用原料の供給流量が減少されるため、改質部出口温度Ｔ２および燃料電池温度Ｔ３は上昇しているもののその温度上昇率はそれまでと比べて小さくなっている。また、改質部入口温度Ｔ１もそれまでと比べて低くなっている。

なお、第３温度Ｔ３ａは、第２温度Ｔ１ｂと同じ温度に設定されているが、改質部入口温度Ｔ１が飽和状態となった（サチュレートした）時点における燃料電池温度Ｔ３を第３温度Ｔ３ａに設定するようにしてもよい。本実施形態では、例えば、時刻ｔ３における燃料電池温度Ｔ３（約４５０℃）を第３温度Ｔ３ａに設定するようにしてもよい。

上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、改質部２３は燃焼部２６におけるアノードオフガスの燃焼熱により直接加熱されている。燃料電池２４は、改質部２３から供給される高温の燃料（改質ガス）により内部から加熱され、また、燃焼部２６におけるアノードオフガスの燃焼によりケーシング２１内が加熱されるのに伴って外部から加熱され、さらに、燃料電池２４自身が発電するのに伴って加熱される（自己発熱）。このことから、本願発明者は以下のことを見出した。燃料電池２４より改質部２３の方が先に暖機（昇温）が開始され、燃料電池２４より改質部２３が早く昇温される。燃料電池２４の昇温が進んで燃料電池温度Ｔ３が一定の温度（所定温度）以上となると、燃料電池２４、改質部２３および燃焼部２６は断熱性材料で形成されたケーシング内に収容されているので、燃料電池温度Ｔ３が燃料電池２４、改質部２３および燃焼部２６を含んで構成されるパッケージ（燃料電池モジュール２０）の温度を代表する温度となる。よって、燃料電池温度Ｔ３が前記所定温度となるまでは、燃料電池温度Ｔ３より先に昇温する改質部温度（改質部入口温度Ｔ１）に基づいて改質水供給を制御し、燃料電池温度Ｔ３が前記所定温度となった以降は、パッケージの温度を代表する燃料電池温度Ｔ３に基づいて改質水供給を制御することにより、改質部２３の触媒をコーキングさせることなく、改質部２３と燃料電池２４とを適切かつ比較的短時間で暖機することができる。

前述のように改質水供給の制御を適切に行うために、本実施形態においては、第１補正Ｓ／Ｃ算出手段（ステップ２０４）が、改質部入口温度Ｔ１と第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１との関係を示す第１マップ（図３（ａ））と、改質部入口温度センサ２３ａによって検出された改質部入口温度Ｔ１と、からその検出された改質部入口温度Ｔ１に対応する第１補正Ｓ／Ｃを算出する。また、第２補正Ｓ／Ｃ算出手段（ステップ２０８）が、燃料電池温度Ｔ３と第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２との関係を示す第２マップ（図３（ｂ））と、燃料電池温度センサ２４ｄによって検出された燃料電池温度Ｔ３と、からその検出された燃料電池温度Ｔ３に対応する第２補正Ｓ／Ｃを算出する。そして、加算手段（ステップ２１０）が、基準のＳ／Ｃである基準Ｓ／Ｃと、第１補正Ｓ／Ｃ算出手段によって算出された第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１と、第２補正Ｓ／Ｃ算出手段によって算出された第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２と、を加算して目標Ｓ／Ｃを算出する。すなわち、目標Ｓ／Ｃは、改質部入口温度Ｔ１とよい相関関係にある第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１および燃料電池温度Ｔ３とよい相関関係にある第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２により基準Ｓ／Ｃを補正することで算出される。

これにより、改質部入口温度Ｔ１および燃料電池温度Ｔ３にそれぞれ応じた第１および第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１，ΔＳ／Ｃ_２を使用することで目標Ｓ／Ｃを設定することができ、燃料電池２４および改質部２３を暖機するに際してその全期間に渡って改質部２３の触媒温度を改質触媒がコーキングするおそれの高い温度より低く抑制することができる。すなわち、改質部２３の温度（特に改質部入口温度Ｔ１）または改質部２３を取り囲むケーシング２１内の温度上昇（すなわち燃料電池温度Ｔ３）に対してＳ／Ｃ（改質水流量）を増加させるため、改質部２３の温度上昇をコーキングの懸念される温度Ｔｘ以下に抑制することができる。

また、投入燃料減少、燃焼用エア増では、燃焼部２６（燃料電池２４付近）への影響が大きく起動時間が大幅に延長され、結局改質部２３の加熱時間が長くなるため改質部２３の温度上昇抑制効果がほとんどみられない。これに対して、本実施形態では、Ｓ／Ｃ（改質水流量）を増加させて改質部２３の温度を下げた場合、燃焼部２６（燃料電池２４付近）への影響が小さく燃料電池２４の温度上昇をほとんど妨げないため、起動時間の延長が小さい。

また、制御装置６０は、改質部２３および燃料電池２４を暖機する起動運転中において、改質水の供給流量の制御を行う。これにより、運転停止していた燃料電池システムの改質部２３および燃料電池２４を起動運転する際に、改質部２３の触媒温度を改質触媒がコーキングするおそれの高い温度より低く抑制することができる。

また、第１マップにおいては、改質部入口温度Ｔ１が第１温度Ｔ１ａより低い場合には、第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１は第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａで一定となるように設定され、改質部入口温度Ｔ１が第１温度Ｔ１ａから該第１温度Ｔ１ａより高くかつ改質部の触媒がコーキングするおそれの高い温度以上である第２温度Ｔ１ｂまでの間である場合には、改質部入口温度Ｔ１が高くなるにしたがって第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１は第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａから該第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａより大きい第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ｂまでの間にて大きくなるように設定され、改質部入口温度Ｔ１が第２温度Ｔ１ｂより高い場合には、第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１は第２所定値ΔＳ／Ｃ_１ｂで一定となるように設定されている。

これにより、改質部入口温度Ｔ１が第１温度Ｔ１ａより低い場合には、第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１を比較的小さい第１所定値ΔＳ／Ｃ_１ａに抑制することで目標Ｓ／Ｃを小さい値に設定することができ、改質水を必要以上に供給するのを抑制することができる。また、改質部入口温度Ｔ１が第１温度Ｔ１ａから第２温度Ｔ１ｂまでの間においては、改質部入口温度Ｔ１が高いほど第１補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_１を大きい値にすることで目標Ｓ／Ｃを大きい値に設定することができ、改質水の供給量を多くすることができる。よって、改質部２３の触媒温度を改質触媒がコーキングするおそれの高い温度より低く抑制することができる。さらに、改質部入口温度Ｔ１が第２温度Ｔ１ｂより高い場合には、改質部入口温度Ｔ１に基づいて供給される改質水供給量をベースにさらに他の要因に基づく改質水供給量を上乗せすることが可能となる。よって、他の要因に基づく改質水供給量を上乗せする場合にも、改質部温度の上昇を抑制するのに必要最低限の改質水供給量を確保することができる。他の要因とは、例えば燃料電池温度Ｔ３がある。

また、第２マップにおいては、燃料電池温度Ｔ３が、改質部２３の温度が改質部２３の触媒がコーキングするおそれの高い温度に対して飽和状態となったときの燃料電池２４の温度より高い温度である第３温度Ｔ３ａより低い場合には、第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２は第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａで一定となるように設定され、燃料電池温度Ｔ３が第３温度Ｔ３ａから該第３温度Ｔ３ａより高い第４温度Ｔ３ｂまでの間である場合には、燃料電池温度Ｔ３が大きくなるにしたがって第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２は第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａから該第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａより大きく第４所定値ΔＳ／Ｃ_２ｂまでの間にて大きくなるように設定され、燃料電池温度Ｔ３が第４温度Ｔ３ｂより高い場合には、第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２は第４所定値ΔＳ／Ｃ_２ｂで一定となるように設定されている。

これにより、燃料電池温度Ｔ３が第３温度Ｔ３ａより低い場合には、第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２を比較的小さい第３所定値ΔＳ／Ｃ_２ａに抑制することで目標Ｓ／Ｃを小さい値に設定することができ、燃料電池温度Ｔ３が低い場合に改質水を必要以上に供給するのを抑制して燃料電池２４や改質部２３などを収容するケーシング２１内全体の温度の低下を抑制することができる。また、燃料電池温度Ｔ３が第３温度Ｔ３ａから第４温度Ｔ３ｂまでの間においては、燃料電池温度Ｔ３が高いほど第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２を大きい値にすることで目標Ｓ／Ｃを大きい値に設定することができ、改質水の供給量を多くすることができる。よって、燃料電池２４より先に改質水が供給される改質部２３の温度の上昇を抑制でき、これに加えて改質ガス中の改質に使用されなかった改質水（水蒸気）が燃料電池２４に供給されることで燃料電池温度Ｔ３の上昇を抑制することができる。さらに、燃料電池温度Ｔ３が第４温度Ｔ３ｂ（燃焼電池の暖機完了温度）より高い場合には、燃料電池２４の暖機が完了しているので、起動運転用の第２補正Ｓ／ＣΔＳ／Ｃ_２を（比較的大きい）第４所定値ΔＳ／Ｃ_２ｂで一定にすることで、その後の発電運転に与える影響を抑制することができる。

１１…筐体、１１ａ…第１排気口、１１ｂ…空気導出口、１１ｃ…空気導入口、１２…仕切部材、１２ａ…空気導入口、１３…水タンク、１４…純水器、１５…換気用空気ブロワ、２０…燃料電池モジュール、２１…ケーシング、２１ａ…導出口、２２…蒸発部、２３…改質部、２３ａ…温度センサ（改質部入口温度センサ）、２４…燃料電池、２４ａ…セル、２４ｂ…燃料流路、２４ｃ…空気流路、２４ｄ…温度センサ（燃料電池温度センサ）、２５…マニホールド、２６…燃焼空間（燃焼部）、２７…火炎、３０…排熱回収システム、３１…貯湯槽、３２…貯湯水循環ライン、３２…貯湯水循環ポンプ、３２ｂ，３２ｃ…温度センサ、３３…熱交換器、４２ａ…流量センサ、４２ｃ…原料ポンプ、５０…インバータ装置、５０ａ…電圧センサ、５０ｂ…電流センサ、５１…系統電源、５２…電源ライン、５３…外部電力負荷、６０…制御装置、Ｒ１…第１室、Ｒ２…第２室、Ｒ３…燃焼空間。

Claims (4)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質用原料と改質水とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
   前記燃料電池からのアノードオフガスと前記燃料電池からのカソードオフガスとが燃焼されて前記改質部を加熱する燃焼部と、
   断熱性材料で形成されて前記燃料電池、前記改質部および前記燃焼部を内部に収容するケーシングと、
   前記改質用原料と前記改質水とが流入する前記改質部の部位の温度である改質部入口温度を検出する改質部入口温度センサと、
   前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度センサと、
   前記改質水の供給流量の制御を行う制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   スチームカーボン比の制御目標値である目標スチームカーボン比を算出する目標スチームカーボン比算出手段と、
   前記目標スチームカーボン比算出手段によって算出された前記目標スチームカーボン比に基づいて前記改質水の供給流量の制御を行う供給制御手段と、を備え、
   前記目標スチームカーボン比算出手段は、
   前記改質部入口温度と第１補正スチームカーボン比との関係を示す第１マップと、前記改質部入口温度センサによって検出された前記改質部入口温度と、からその検出された前記改質部入口温度に対応する第１補正スチームカーボン比を算出する第１補正スチームカーボン比算出手段と、
   前記燃料電池温度と第２補正スチームカーボン比との関係を示す第２マップと、前記燃料電池温度センサによって検出された前記燃料電池温度と、からその検出された前記燃料電池温度に対応する第２補正スチームカーボン比を算出する第２補正スチームカーボン比算出手段と、
   基準のスチームカーボン比である基準スチームカーボン比と、前記第１補正スチームカーボン比算出手段によって算出された前記第１補正スチームカーボン比と、前記第２補正スチームカーボン比算出手段によって算出された前記第２補正スチームカーボン比と、を加算して前記目標スチームカーボン比を算出する加算手段と、を備えている燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記制御装置は、前記改質部および前記燃料電池を暖機する起動運転中において、前記改質水の供給流量の制御を行う燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記第１マップにおいては、前記改質部入口温度が第１温度より低い場合には、前記第１補正スチームカーボン比は第１所定値で一定となるように設定され、前記改質部入口温度が前記第１温度から該第１温度より高くかつ前記改質部の触媒がコーキングするおそれの高い温度以上である第２温度までの間である場合には、前記改質部入口温度が大きくなるにしたがって前記第１補正スチームカーボン比は前記第１所定値から該第１所定値より大きい第２所定値までの間にて大きくなるように設定され、前記改質部入口温度が前記第２温度より高い場合には、前記第１補正スチームカーボン比は前記第２所定値で一定となるように設定されている燃料電池システム。
4. 請求項１または請求項２において、前記第２マップにおいては、前記燃料電池温度が、前記改質部の温度が前記改質部の触媒がコーキングするおそれの高い温度に対して飽和状態となったときの前記燃料電池の温度より高い温度である第３温度より低い場合には、前記第２補正スチームカーボン比は第３所定値で一定となるように設定され、前記燃料電池温度が前記第３温度から該第３温度より高い第４温度までの間である場合には、前記燃料電池温度が大きくなるにしたがって前記第２補正スチームカーボン比は前記第３所定値から該第３所定値より大きく第４所定値までの間にて大きくなるように設定され、前記燃料電池温度が前記第４温度より高い場合には、前記第２補正スチームカーボン比は前記第４所定値で一定となるように設定されている燃料電池システム。

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