JP2019204606A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】安定して駆動できる燃料電池システムを供給する。【解決手段】燃料電池システム１０は、原料ガスを水蒸気改質及び二酸化炭素改質の少なくとも一方で改質する改質部（改質器１４）と、改質部で生成された燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池２０と、燃料電池２０から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を含む改質用ガスを移動させる分離膜２６Ｃと、スイープガスに移動した改質用ガスを改質部へ供給する改質用ガス供給経路（配管Ｐ１０、Ｐ１４、Ｐ３）と、改質部へ水蒸気を供給する水蒸気供給手段（流量調整機構６６、配管Ｐ１５、熱交換器１８）と、燃料電池の出力に応じて水蒸気供給手段による水蒸気供給量を調整する制御装置６８と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

下記特許文献１には、燃料電池から排出されたオフガスから二酸化炭素を分離する燃料電池システムが開示されている。オフガスから分離された二酸化炭素は、原料ガスと共に改質器へ供給されて再利用される。

特開２０１６−１８４５０１号公報

上記特許文献１の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力が定格運転時と比較して小さい状態では、発電に伴う二酸化炭素の発生量が少なくなる。このため、分離膜による二酸化炭素の分離量及び改質器へ供給される二酸化炭素量が少なくなる。これにより原料ガスに対する改質用ガスの割合が少なくなり、十分な改質用ガスが供給されないことによって、システムの信頼性が損なわれる場合がある。

本発明は上記事実を考慮して、安定して駆動できる燃料電池システムを供給することを目的とする。

請求項１の燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質及び二酸化炭素改質の少なくとも一方で改質する改質部と、前記改質部で生成された燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を含む改質用ガスを移動させる分離膜と、前記スイープガスに移動した前記改質用ガスを前記改質部へ供給する改質用ガス供給経路と、前記改質部へ水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記燃料電池の出力に応じて前記水蒸気供給手段による水蒸気供給量を調整する制御装置と、を備えている。

請求項１に記載の燃料電池システムによると、原料ガスを改質部で水蒸気改質及び二酸化炭素改質できる。また、改質部には、制御装置に制御された水蒸気供給手段によって水蒸気が供給される。このため、改質用ガス供給経路を介して改質部へ供給される改質用ガスの量が原料ガスに対して少ない場合でも、水蒸気供給手段によって水蒸気を供給することで、改質反応を行なうことができる。これにより、システムを安定して駆動できる。

また、制御装置は、燃料電池の出力に応じて水蒸気供給手段による水蒸気供給量を調整する。

例えば、燃料電池の出力が定格運転時と比較して小さい状態においては、出力低下に伴って、システムへ投入される原料ガス量は減少する。このとき、燃料電池における燃料ガスの利用率が低くなるため、システムへ投入された単位原料ガス量あたりの、燃料電池で発生する水蒸気量及び二酸化炭素量が減少する。これにより、燃料電池から分離膜及び改質用ガス供給経路を介して改質部へ供給される改質用ガスの量が少なくなる（システムへ投入された原料ガス量に対する改質用ガスの量が減少する）。この結果、原料ガスの改質反応が十分に行われなくなりシステムの駆動が不安定になる。また、改質部において炭素活量が増大して炭素析出が発生する虞がある。

これに対し、請求項１に記載の燃料電池システムでは、制御装置が水蒸気供給手段を制御して、改質部へ供給する水蒸気量を増やして改質反応を促進できる。これにより改質用ガスによる改質反応の不足分を補い、システムを安定して駆動できる。また、炭素活量が増大することを抑制して炭素析出が発生することを抑制できる。なお「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。

請求項２の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記分離膜は前記オフガスから前記スイープガスへ少なくとも水蒸気を移動させると共に、前記水蒸気供給手段は、前記改質用ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる水タンクと、前記水タンクの凝縮水を気化させる熱交換器と、前記熱交換器で気化した水蒸気を前記改質部へ供給する水蒸気供給経路と、前記熱交換器へ前記凝縮水を供給する凝縮水供給経路及び水ポンプと、を備えている。

請求項２に記載の燃料電池システムによると、分離膜を介して、オフガスからスイープガスへ水蒸気が移動する。そして水蒸気を含んだ改質用ガスが、凝縮器へ供給される。凝縮器においては、水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる。この凝縮水は、凝縮水供給経路から熱交換器へ供給され、熱交換器で気化されて、水蒸気供給経路を介して改質部へ供給される。

制御装置は、熱交換器へ凝縮水を供給する水ポンプを制御する。例えば、燃料電池の出力が定格運転時と比較して小さい状態において、改質部へ供給される改質用ガスが減少した場合、制御装置は、水ポンプを制御して、熱交換器へ供給する凝縮水量を多くする。これにより改質部へ供給される水蒸気量を増やして改質反応を維持する。

請求項３の燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記スイープガスは前記原料ガスとされている。

請求項３に記載の燃料電池システムによると、スイープガスが原料ガスとされているため、スイープガスに移動した改質用ガスと原料ガスとが同じ経路を介して改質部へ供給される。すなわち、改質用ガスの経路と原料ガスの経路とを兼用できるため、改質用ガスの経路と原料ガスの経路とを別々に設ける場合と比較してシステムの構成を簡略化できる。

本発明に係る燃料電池システムは、安定して駆動できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。 比較例に係る燃料電池システムにおける燃料電池の出力と燃料利用率との関係及び比較例に係る燃料電池システムにおける燃料電池の出力と炭素活量との関係を示すグラフである。 比較例に係る燃料電池システムにおける燃料電池の出力と炭素活量との関係を示すグラフ、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の出力と改質器へ供給されるガスにおける水カーボン比との関係を示すグラフ及び本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の出力と炭素活量との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいてシステム停止時の制御方法を示したフローチャートである。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいてシステム起動時の制御方法を示したフローチャートである。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて水タンクを設けない変形例を示したブロック図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいてスイープガスとして酸化ガスを供給する変形例を示したブロック図である。

＜燃料電池システム＞
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質器１４、燃焼器１６、熱交換器１８、第１燃料電池セルスタック２２、第２燃料電池セルスタック２４、燃料再生器２６、水タンク３２、分流弁６４、流量調整機構６６及び制御装置６８を備えている。

（改質器）
改質器１４は、原料ガスを二酸化炭素改質及び水蒸気改質することができる。改質器１４では、二酸化炭素改質及び水蒸気改質の少なくとも一方により原料ガスを改質して改質ガスが生成される。

改質器１４には、配管Ｐ３の一端が接続されており、原料ガス及び改質用ガスが配管Ｐ３を通じて改質器１４に供給される。「改質用ガス」とは、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を含み、改質器１４において原料ガスを改質（水蒸気改質及び二酸化炭素改質の少なくとも一方）する気体のことである。

改質器１４において原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、以下の（１−１）式の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ・・・（１−１）

改質器１４において原料ガスの一例であるメタンを二酸化炭素改質させた場合、以下の（１−２）式の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２ＣＯ＋２Ｈ_２ ・・・（１−２）

なお、本実施形態では、原料ガスの一例としてメタンが採用されているが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、又はブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは、天然ガス、都市ガス、又はＬＰガス、バイオガス等のガスであってもよい。さらに、原料ガスは、これらの混合ガスであってもよい。

改質器１４には、改質ガス供給管Ｐ４の一端が接続されている。改質ガス供給管Ｐ４の他端は、第１燃料電池セルスタック２２におけるアノード（不図示）に接続されている。これにより、改質器１４にて生成された改質ガスが、改質ガス供給管Ｐ４を通じて第１燃料電池セルスタック２２に供給される。改質ガスには、未反応のメタン、改質器１４で生成された水素、一酸化炭素、未反応の二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

（燃料電池セルスタック）
第１燃料電池セルスタック２２は例えば固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル（不図示）を有している。個々の燃料電池セルは、電解質層と、電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたカソード及びアノードと、を有する。なお、第１燃料電池セルスタック２２は溶解炭酸塩型の燃料電池セルスタックとしてもよい。

第１燃料電池セルスタック２２のカソードには、酸化ガスが流れる管である酸化ガス管Ｐ５の一端が接続されている。カソードには、酸化ガス管Ｐ５を介して酸化ガス（本実施形態においては空気）が供給される。カソードでは、以下の（２）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通ってアノードに到達する。

１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ・・・（２）

一方、アノードでは、以下の（３）式及び（４）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の燃料ガスである水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)、二酸化炭素及び電子が生成される。アノードで生成された電子がアノードから外部回路を通ってカソードに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。なお、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。

Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・(３)

ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻ ・・・(４)

第１燃料電池セルスタック２２のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ６にはアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれている。

第１燃料電池セルスタック２２のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ７にはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれている。

アノードオフガス管Ｐ６の他端は、燃料再生器２６の流入部２６Ａに接続され、カソードオフガス管Ｐ７の他端は、第２燃料電池セルスタック２４のカソード（不図示）に接続されている。

第２燃料電池セルスタック２４の構成は第１燃料電池セルスタック２２と同様であり詳細の説明は省略するが、上述したように、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、カソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されている。また、第２燃料電池セルスタック２４のアノードには、後述する再生ガス管Ｐ８の一端が接続されている。

さらに、第２燃料電池セルスタック２４のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ１１の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ１１には、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれており、カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ１１を介して燃焼器１６へ供給される。

第２燃料電池セルスタック２４のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ１３の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ１３には、アノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれており、アノードオフガスはアノードオフガス管Ｐ１３を介して燃焼器１６へ供給される。なお、以下の説明においては、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４を総称して燃料電池２０と称す場合がある。

（燃料再生器）
燃料再生器２６は、流入部２６Ａと透過部２６Ｂとを備えており、流入部２６Ａ及び透過部２６Ｂは、分離膜２６Ｃにより区画されている。

第１燃料電池セルスタック２２のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ６を介して流入部２６Ａに流入する。

透過部２６Ｂには、原料ガス供給管Ｐ１から供給された原料ガスが、スイープガスとして供給される。

原料ガス供給管Ｐ１から原料ガスが供給されると、透過部２６Ｂにおける水蒸気及び二酸化炭素の分圧が下がり、流入部２６Ａから分離膜２６Ｃを透過して水蒸気及び二酸化炭素が透過部２６Ｂへ移動する。透過部２６Ｂには配管Ｐ１０の一端が接続されており、原料ガスは、分離膜２６Ｃを透過した改質用ガス（水蒸気及び二酸化炭素）と共に、透過部排出ガスとして透過部２６Ｂから配管Ｐ１０へ送出される。

流入部２６Ａにおいてアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素が除去されたガスは、再生ガスとして再生ガス管Ｐ８を介して第２燃料電池セルスタック２４のアノードへ流入する。

（燃焼器、熱交換器）
燃焼器１６は、第２燃料電池セルスタック２４のカソード及びアノードから供給された使用済みのガスを焼却に供する。燃焼器１６には、排気管Ｐ１２の一端が接続されており、燃焼後の排出ガスは、排気管Ｐ１２へ送出される。排気管Ｐ１２の途中箇所は熱交換器１８に配置されている。

熱交換器１８では、排気管Ｐ１２の熱により、配管Ｐ１４を通る改質用ガス及び原料ガスを改質反応（水蒸気改質及び二酸化炭素改質）に適した温度に昇温する。また、配管Ｐ１５を通る凝縮水を気化させて、改質反応（水蒸気改質）に適した温度に昇温する。熱交換器１８で昇温された改質用ガス及び原料ガス及び配管Ｐ１５から供給された凝縮水が気化した水蒸気は、配管Ｐ３を介して改質器１４へ供給される。配管Ｐ３は、改質用ガス供給経路であり、原料ガス供給経路であり、水蒸気供給経路である。

（水タンク）
水タンク３２には、燃料再生器２６の透過部２６Ｂから送出された透過部排出ガス（スイープガス）が、配管Ｐ１０を介して流入する。一端が透過部２６Ｂに接続された配管Ｐ１０の他端側は、水タンク３２に挿入されている。これにより、水タンク３２の内部に、透過部排出ガスに含まれる水蒸気の一部が凝縮した凝縮水が蓄えられる。なお、水タンク３２内部又は配管Ｐ１０の途中箇所には、冷却機構を設けることができる。

また、水タンク３２には配管Ｐ１４の一端が挿入されており、配管Ｐ１４の他端は熱交換１８に接続されている。これにより水タンク３２において未凝縮の水蒸気と二酸化炭素とを含んだ改質用ガス及び原料ガスが、熱交換器１８へ供給される。

さらに、水タンク３２には排出管Ｐ１６が接続されている。これにより、水タンク３２に蓄えられた凝縮水を、システム外へ排出することができる。排出管Ｐ１６には配管Ｐ１５の一端が接続されており、排出管Ｐ１６と配管Ｐ１５との継手部分には、分流弁６４が取付けられている。分流弁６４を制御することによって、水タンク３２から凝縮水を排出するかどうかを制御できる。また、水タンク３２から凝縮水を排出する場合に、排出された凝縮水を配管Ｐ１５へ送出するか、システム外へ排出するかを制御できる。

配管Ｐ１５の他端は熱交換器１８に接続されている。また、配管Ｐ１５には流量調整機構６６が設けられている。流量調整機構６６を制御することにより、任意の量の凝縮水を熱交換器１８へ供給することができる。

なお、配管Ｐ１５、流量調整機構６６は、それぞれ本発明における凝縮水供給経路、水ポンプの一例である。

（制御装置）
制御装置６８は、第１燃料電池セルスタック２２、第２燃料電池セルスタック２４、分流弁６４及び流量調整機構６６と接続されている。なお、制御装置６８と第１燃料電池セルスタック２２とは、電流などを制御するパワーコンディショナーを介して接続されている。制御装置６８と第２燃料電池セルスタック２４についても同様である。

制御装置６８は、一例として、燃料電池２０（第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４）の定格運転時には、分流弁６４を閉じる。これにより、水タンク３２から凝縮水が排出されず、水タンク３２内には、改質用ガスに含まれる水蒸気が凝縮して蓄えられる。

また別の一例として、燃料電池２０の定格運転時において、水タンク３２内の凝縮水量が所定量を超えた場合、制御装置６８は、分流弁６４をシステム外側へ開放し、排出管Ｐ１６を介してシステム外へ凝縮水を排出する。なお、水タンク３２内の水位を測定するために、水タンク３２の内部には適宜水位センサ等を配置してもよい。

さらに別の一例として、燃料電池２０の定格運転時において、改質器１４における改質反応を促進させたい場合、制御装置６８は、分流弁６４を配管Ｐ１５側へ開放し、さらに流量調整機構６６を適宜制御して、熱交換器１８へ凝縮水を供給する。

またさらに別の一例として、燃料電池２０の出力低下時、制御装置６８は、分流弁６４を配管Ｐ１５側へ開放し、さらに流量調整機構６６を適宜制御して、熱交換器１８へ凝縮水を供給する。このとき、凝縮水の供給量は、燃料電池２０の出力に応じて調整する。

＜作用・効果＞
図２には、比較例に係る燃料電池システムにおける燃料電池の出力と燃料利用率との関係が曲線Ｃ１に示されている。比較例に係る燃料電池システムは、改質器へ水蒸気を供給する水タンク３２、配管Ｐ１５、分流弁６４及び流量調整機構６６を備えていない点で、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０と異なっている。「燃料利用率」とは、燃料電池２０へ供給される燃料のうち、燃料電池で発電に利用される燃料の割合のことである。燃料電池で利用される発電燃料以外の燃料は、燃焼器１６で利用される。曲線Ｃ１に示されるように、燃料電池の出力が小さい状態においては、燃料電池における燃料ガスの利用率が低くなる。

また、図２には、比較例に係る燃料電池システムにおける燃料電池の出力と、改質器における炭素活量との関係が曲線Ｃ２で示されている。曲線Ｃ２に示されるように、燃料電池の出力が小さくなると、改質器における炭素活量が大きくなる。

これは、燃料電池における燃料ガスの利用率が低くなった結果、システムへ投入された単位原料ガス量あたりの、燃料電池で発生する水蒸気量及び二酸化炭素量が減少するためである。これにより、燃料電池から分離膜及び改質用ガス供給経路を介して改質部へ供給される改質用ガスの量が少なくなる（システムへ投入された原料ガス量に対する改質用ガスの量が減少する）。この結果、原料ガスの改質反応が十分に行われなくなり炭素活量が大きくなる。炭素活量が大きくなると、改質器において炭素析出が発生し易くなる。

これに対して、図３には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０における燃料電池２０の出力と、改質器１４へ供給されるガスにおける「水カーボン比」との関係が曲線Ｃ３に示されている。

本実施形態に係る燃料電池システム１０において、改質器１４へ供給されるガスには原料ガス（メタン）、改質用ガス及び配管Ｐ１５から供給された凝縮水が気化した水蒸気が含まれているが、図３における「水カーボン比」とは、原料ガス量に対する「配管Ｐ１５から供給された凝縮水が気化した水蒸気量」の比率（λ）である。すなわち、水タンク３２において凝縮せずに配管Ｐ１４へ排出された水蒸気を含まない。

水カーボン比は、制御装置６８が分流弁６４及び流量調整機構６６を制御することによって調整される。曲線Ｃ３に示されるように、制御装置６８は、燃料電池２０の出力が小さくなると、流量調整機構６６を制御して熱交換器１８に対する凝縮水の導入量を調整する。具体的には、原料ガス量に対する水蒸気量の比率を大きくして、水カーボン比（λ）を大きくする。

燃料電池２０の出力が小さい状態においては、例えば定格運転時と比較して、発電に伴って第１燃料電池セルスタック２２において生成される水蒸気量及び二酸化炭素量が少ない。このため、分離膜２６Ｃ及び改質用ガス供給経路（配管Ｐ１０、Ｐ１４、Ｐ３）を介して改質器１４へ供給される改質用ガスの量は少なくなる。これにより、改質器１４に供給される原料ガス量を改質できない場合がある。

しかし、制御装置６８及び流量調整機構６６によって、改質器１４へ供給されるガスの水カーボン比（λ）を大きくすることにより、改質器１４における水蒸気改質反応が促進される。このため、分離膜２６Ｃ及び改質用ガス供給経路（配管Ｐ１０、Ｐ１４、Ｐ３）を介して改質器１４へ供給された改質用ガスによる改質反応の不足分を補うことができる。これにより改質器１４における改質反応が進み、出力低下時においてもシステムを安定して駆動できる。

また、改質器１４における水蒸気改質反応が促進されることにより、水素と一酸化炭素の生成が促進され、図３に曲線Ｃ４で示されるように、改質器１４における炭素活量は、比較例に係る燃料電池システムにおける炭素活量（曲線Ｃ２）と比較して低減される。これにより、燃料電池２０の低出力時における炭素析出の発生が抑制される。

また、本実施形態においては、第１燃料電池セルスタック２２から排出されたアノードオフガスから、水蒸気及び二酸化炭素が、原料ガスへ移動する。このため、水蒸気及び二酸化炭素の何れか一方が原料ガスへ移動する場合や、何れも移動しない場合と比較して、再生ガス管Ｐ８を介して第２燃料電池セルスタック２４のアノードへ流入する再生ガスの作動電圧及び燃料利用率を向上させることができる。

（制御方法）
図４には、燃料電池２０の出力が定格運転時より小さい状態の一例として、「低出力時」において燃料電池２０の出力を下げている状態における制御装置６８による流量調整機構６６の制御方法がフローチャートで示されている。

図４に示すように、システムを低出力運転に切り替える際、定格運転している燃料電池２０の出力を下げ始める（ステップ１００Ｓ）。原料ガスの供給量を徐々に減らすことにより、出力は徐々に低下する。

燃料電池２０の出力が定格運転時の出力に対して一定の割合（Ｘ％）未満まで低下したら（ステップ１０２Ｓ）、制御装置６８は分流弁６４を配管Ｐ１５側へ開放し、さらに流量調整機構６６を制御して、熱交換器１８へ凝縮水を供給する（ステップ１０４Ｓ）。このときの凝縮水の供給量は、予め制御装置６８に記録された水カーボン比（λ１）に基づいて決定される。

なお、燃料電池２０の出力が定格運転時の出力に対して一定の割合（Ｙ％）未満（Ｘ＞Ｙ）まで低下したら（ステップ１０６Ｓ）、システムは停止シーケンスへ移行する。具体的には、制御装置６８が流量調整機構６６を制御して、熱交換器１８へ供給する凝縮水量を調整する（ステップ１０８Ｓ）。ステップ１０８Ｓにおける水カーボン比（λ２）は、ステップ１０４Ｓにおける水カーボン比（λ１）より大きい。

燃料電池２０の出力がゼロになった時点で、分流弁６４を閉じてシステムを停止する（ステップ１１０Ｓ）。このように、本実施形態の燃料電池システム１０によると、システム停止前に燃料電池２０の出力を下げている状態において、改質器１４へ供給されるガスの水カーボン比を徐々に大きくする。これにより、改質器１４における改質反応の低減及び炭素析出の発生を抑制できる。

また、図５には、燃料電池２０の出力が定格運転時より小さい状態の別の一例として、「システム起動後」において燃料電池２０の出力を上げている状態における制御装置６８による流量調整機構６６の制御方法がフローチャートで示されている。

図５に示すように、システムを起動する際、停止している燃料電池２０の出力を上げ始める（ステップ１２０Ｓ）。原料ガスの供給量を徐々に増やすことにより、出力は徐々に増加する。

システムを起動した後、制御装置６８は分流弁６４を配管Ｐ１５側へ開放し、さらに流量調整機構６６を制御して、熱交換器１８へ凝縮水を供給する（ステップ１２２Ｓ）。このときの凝縮水の供給量は、予め制御装置６８に記録された水カーボン比（λ２）に基づいて決定される。

燃料電池２０の出力が定格運転時の出力に対して一定の割合（Ｙ％）以上まで上昇したら（ステップ１２４Ｓ）、制御装置６８は流量調整機構６６を制御して、熱交換器１８へ供給する凝縮水量を調整する（ステップ１２６Ｓ）。ステップ１２６Ｓにおける水カーボン比（λ１）は、ステップ１２２Ｓにおける水カーボン比（λ２）より小さい。

なお、図４に示した水カーボン比（λ１）と図５に示した水カーボン比（λ１）とは必ずしも一致させる必要はない。同様に、図４に示した水カーボン比（λ２）と図５に示した水カーボン比（λ２）とは必ずしも一致させる必要はない。さらに、制御装置６８が流量調整機構６６の空気弁を制御するタイミング（Ｘ％及びＹ％）についても、図４と図５では異なる値を採用することができる。

さらに燃料電池２０の出力が定格運転時の出力に対して一定の割合（Ｘ％）以上まで上昇したら（ステップ１２８Ｓ）、制御装置６８は分流弁６４を閉じて、原料ガス供給管Ｐ１への凝縮水の供給を停止する（ステップ１３０Ｓ）。その後、定格運転となる（ステップ１３２Ｓ）。

このように、本実施形態の燃料電池システム１０によると、システム起動後に燃料電池２０の出力を上げている状態において、起動直後に改質器１４へ供給されるガスの水カーボン比を大きくして、出力の増加に伴い徐々に小さくする。これにより、低出力時における改質器１４における改質反応の低減及び炭素析出の発生を抑制する。また、出力の増加と共に、水タンク３２Ｓから供給される凝縮水が気化した水蒸気を利用した水蒸気改質反応が、アノードオフガスから原料ガスへ移動した改質用ガスによる水蒸気改質反応及び二酸化炭素改質反応へ移行する。

なお、制御装置６８が流量調整機構６６を制御する際の燃料電池２０の出力値（Ｘ％、Ｙ％）は任意である。一例として、燃料電池２０の出力値が、炭素活量が上昇し始める出力値及び炭素活量が大きく上昇し始める出力値になった時点で、制御装置６８が流量調整機構６６を制御する。

制御装置６８が流量調整機構６６を制御するときの水カーボン比も任意であるが、一例として、これらのλ１、λ２の値は、例えば改質器１４における改質反応における量論比等に基づいて決定することができる。

（その他の実施形態）
本実施形態においては、水蒸気供給手段として、水タンク３２、分流弁６４、流量調整機構６６及び熱交換器１８を用いているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図６に示すように、水タンク３２、分流弁６４及び熱交換器１８を省略し、改質器１４へ配管Ｐ１７を接続し、この配管Ｐ１７から改質器１４へ水蒸気を直接供給してもよい。この際、配管Ｐ１７には流量調整機構６６を設けて水蒸気の流量を調整する。あるいは、配管Ｐ１７には水（液相）を供給し、配管Ｐ１７の途中に熱交換器を設けて水を供給してもよい。また、水タンク３２が省略されているため、燃料再生器２６の透過部２６Ｂから排出された改質用ガス及び原料ガスを含む透過部排出ガスは、直接改質器１４へ供給される。

また、本実施形態においては、制御装置６８は、燃料電池２０の出力が定格運転時の出力に対して一定の割合（Ｘ％、Ｙ％）になった時点で流量調整機構６６を制御しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、Ｘ％、Ｙ％になった時点の２回だけでなく、３回以上制御してもよいし、１回のみ制御してもよい。なお、３回以上制御する場合には、燃料電池２０の出力の変化に応じて連続的に凝縮水の流量を調整し続ける無段階制御も含まれる。

また、本実施形態においては、制御装置６８が燃料電池２０の出力に応じて流量調整機構６６を制御しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば燃料電池２０の出力に関わらず、一定量の凝縮水を熱交換器１８へ供給してもよい。一定量の凝縮水を熱交換器１８へ供給すれば、燃料電池２０の出力が下がった場合においても、改質器１４において水蒸気改質によって原料ガスを改質できる。この場合、制御装置６８は必ずしも必要ない。

また、本実施形態においては、改質用ガスとして水蒸気及び二酸化炭素の双方が分離膜２６Ｃを通過するものとしたが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば分離膜２６Ｃは、改質用ガスとして二酸化炭素のみを通過させる構成としてもよい。あるいは、例えば分離膜２６Ｃは、改質用ガスとして水蒸気のみを通過させる構成としてもよい。

また、本実施形態においては、原料ガス供給管Ｐ１が燃料再生器２６の透過部２６Ｂに接続され、原料ガスがスイープガスとして用いられている（所謂原料スイープ）が、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図７に示すように、原料ガス供給管Ｐ１を改質器１４に接続してもよい。この場合、例えば燃料再生器２６の透過部２６Ｂに酸化ガス管Ｐ５から分岐させた改質用酸化剤ガス管Ｐ９を接続し、改質用酸化剤ガスをスイープガスとして用いる（所謂空気スイープ）。

また、本実施形態において、燃料電池セルスタックを２段で構成しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば３段以上の任意の段数の燃料電池セルスタックを用いてもよい。

また、本実施形態においては、第１燃料電池セルスタック２２及び第２燃料電池セルスタック２４を備えた多段式の燃料電池システムとされているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図１に示す第２燃料電池セルスタック２４、カソードオフガス管Ｐ１１及びアノードオフガス管Ｐ１３を省略し、再生ガス管Ｐ８の一部を配管Ｐ３や改質ガス供給管Ｐ４へ接続し、さらに一部を燃焼器１６に接続し、カソードオフガス管Ｐ７を燃焼器１６に接続した循環式の燃料電池システムとしてもよい。

また、本実施形態においては、燃料ガスを生成するための改質器１４を設けているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば改質器１４を設けず、第１燃料電池セルスタック２２へ水蒸気と原料ガスとを供給してもよい。この場合、第１燃料電池セルスタック２２において改質反応を行なう。このように、本発明における「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器１４のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。このように、本発明は様々な態様で実施することができる。

１０ 燃料電池システム
１４ 改質器（改質部）
１８ 熱交換器（水蒸気供給手段）
２０ 燃料電池
２２ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
２６Ｃ 分離膜
３２ 水タンク
６４ 分流弁（水蒸気供給手段）
６６ 流量調整機構（水蒸気供給手段、水ポンプ）
６８ 制御装置
Ｐ３ 配管（改質用ガス供給経路、水蒸気供給経路）
Ｐ１０ 配管（改質用ガス供給経路）
Ｐ１４ 配管（改質用ガス供給経路）
Ｐ１５ 配管（水蒸気供給手段、凝縮水供給経路）

Claims (3)

1. 原料ガスを水蒸気改質及び二酸化炭素改質の少なくとも一方で改質する改質部と、
   前記改質部で生成された燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を含む改質用ガスを移動させる分離膜と、
   前記スイープガスに移動した前記改質用ガスを前記改質部へ供給する改質用ガス供給経路と、
   前記改質部へ水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
   前記燃料電池の出力に応じて前記水蒸気供給手段による水蒸気供給量を調整する制御装置と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記分離膜は前記オフガスから前記スイープガスへ少なくとも水蒸気を移動させると共に、
   前記水蒸気供給手段は、
   前記改質用ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水が蓄えられる水タンクと、
   前記水タンクの凝縮水を気化させる熱交換器と、
   前記熱交換器で気化した水蒸気を前記改質部へ供給する水蒸気供給経路と、
   前記熱交換器へ前記凝縮水を供給する凝縮水供給経路及び水ポンプと、
   を備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記スイープガスは前記原料ガスとされている、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。