JP2019220366A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池での炭素析出を抑制した状態で燃料電池を迅速に起動することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、部分酸化改質器５４と、シフト反応器５６と、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路４４と、酸化剤ガス供給路４４に設けられて燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器４８と、起動用燃焼器４８から導出されて燃料電池スタック１２を流通した燃焼ガスをシフト反応器５６に導くための燃焼ガス導入路７４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、部分酸化改質器とシフト反応器とを備える燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
この種の燃料電池システムにおいて、部分酸化改質器は、原燃料を部分酸化して燃料ガスを生成する。シフト反応器は、部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させて二酸化炭素と水素とを生成する。このようなシフト反応により、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が低減され、燃料電池内での炭素析出が抑制される。
このような燃料電池システムとして、燃料電池の排ガスに含まれる水蒸気をシフト反応に利用するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１７−１８３２４９号公報
上述した従来技術では、燃料電池の起動時に、シフト反応器に十分な量の水蒸気が供給されないため、シフト反応器によって燃料ガス中のＣＯ濃度（一酸化炭素濃度）を効率的に低下させることができないことがある。この場合、燃料電池への燃料ガスの供給量を制限すると、燃料電池の起動時間が長くなるおそれがある。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池での炭素析出を抑制した状態で燃料電池を迅速に起動することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、原燃料を部分酸化改質して燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、前記部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器と、前記シフト反応器から導かれた燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路に設けられて燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、前記起動用燃焼器から導出されて前記燃料電池を流通した前記燃焼ガスを前記シフト反応器に導くための燃焼ガス導入路と、を備える、燃料電池システムである。
本発明の他の態様は、原燃料を部分酸化改質して燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、前記部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器と、前記シフト反応器から導かれた燃料ガスと酸化剤ガス供給路から導かれた酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記酸化剤ガス供給路に設けられた起動用燃焼器で燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる燃焼工程と、原燃料を前記部分酸化改質器で部分酸化改質して燃料ガスを生成する改質工程と、前記起動用燃焼器から導出されて前記燃料電池を流通した前記燃焼ガス中の水蒸気と前記改質工程で発生した燃料ガス中の一酸化炭素とを前記シフト反応器でシフト反応させるシフト反応工程と、を行う、燃料電池システムの制御方法である。
本発明によれば、燃料電池の起動時に、起動用燃焼器で発生した燃焼ガスによって燃料電池を昇温させることができる。また、燃焼ガス中の水蒸気を用いてシフト反応させることができるため、シフト反応器によって燃料ガス中のＣＯ濃度を効率的に低下させることができる。したがって、燃料電池での炭素析出を抑制した状態で燃料電池を迅速に起動することができる。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 図１の制御部のブロック図である。 図３Ａは起動用改質マップの説明図であり、図３Ｂは発電用改質マップの説明図である。 図１の燃料電池システムの制御方法を説明する第１のフローチャートである。 図１の燃料電池システムの制御方法を説明する第２のフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
以下、本発明に係る燃料電池システムおよびその制御方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、定置用の他、車載用などの種々の用途に用いられる。また、燃料電池システム１０Ａは、いわゆるポータブル発電機として用いることもできる。
燃料電池システム１０Ａは、燃料電池としての燃料電池スタック１２、酸化剤ガス供給装置１４、燃料ガス供給装置１６、および排出装置１８を備える。
燃料電池スタック１２は、互いに積層された複数の単位セル２０と、複数の単位セル２０の積層方向両端に配設された図示しない一組のエンドプレートとを含む。燃料電池スタック１２は、平板積層式で構成された例に限らず、円筒式（チューブ式）で構成されていてもよい。単位セル２０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）として構成されている。
単位セル２０は、電解質・電極構造体２２と、電解質・電極構造体２２を挟持するカソードセパレータ２４およびアノードセパレータ２６とを有する。カソードセパレータ２４とアノードセパレータ２６とは、表裏一体のバイポーラセパレータとして構成してもよい。電解質・電極構造体２２は、板状の電解質２８と、電解質２８の一方の面に配設されたカソード電極３０と、電解質２８の他方の面に配設されたアノード電極３２とを含む。電解質２８は、例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体で構成されている。
カソードセパレータ２４のうちカソード電極３０に対向する面には、酸化剤ガス流路３４が形成されている。アノードセパレータ２６のうちアノード電極３２に対向する面には、燃料ガス流路３６が形成されている。
燃料電池スタック１２には、酸化剤ガス入口３８ａ、酸化剤ガス出口３８ｂ、燃料ガス入口４０ａ、および燃料ガス出口４０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口３８ａは、各単位セル２０を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３４の供給側に連通する。酸化剤ガス出口３８ｂは、各単位セル２０を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路３４の排出側に連通する。酸化剤ガス流路３４、酸化剤ガス入口３８ａ、および酸化剤ガス出口３８ｂは、カソード流路を構成する。
燃料ガス入口４０ａは、各単位セル２０を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３６の供給側に連通する。燃料ガス出口４０ｂは、各単位セル２０を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３６の排出側に連通する。燃料ガス流路３６、燃料ガス入口４０ａおよび燃料ガス出口４０ｂは、アノード流路を構成する。
酸化剤ガス供給装置１４は、エアポンプ４２と、酸化剤ガス供給路４４とを有する。酸化剤ガス供給路４４は、エアポンプ４２から導出された酸化剤ガス（空気）を燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口３８ａに供給する。酸化剤ガス供給路４４には、熱交換器４６と、起動用燃焼器４８とが設けられている。熱交換器４６は、後述する排ガス燃焼器７２から導かれた燃焼ガスと酸化剤ガスとで熱交換を行うことにより、酸化剤ガスを加熱する。
起動用燃焼器４８は、酸化剤ガス供給路４４における燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口３８ａの近傍に設けられている。なお、起動用燃焼器４８は、酸化剤ガス入口３８ａに直接設けられていてもよい。起動用燃焼器４８は、燃料電池スタック１２の起動時に、燃料供給部５０から供給された燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。起動用燃焼器４８は、イグナイタなどの点火装置４８ａを含む。燃料供給部５０は、例えば、燃料ポンプとして構成される。ただし、起動用燃焼器４８に用いられる燃料は、燃料ガス供給装置１６を構成する原燃料ポンプ６０から供給されてもよい。
燃料ガス供給装置１６は、原燃料供給装置５１、排ガス混合部５２、部分酸化改質器５４、シフト反応器５６、および燃料ガス供給路５８を有する。
原燃料供給装置５１は、原燃料ポンプ６０、空気供給部６２、混合比調整部６４、および混合ガス供給路６６を含む。原燃料ポンプ６０は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）を混合比調整部６４に供給する。空気供給部６２は、空気を混合比調整部６４に供給する。なお、混合比調整部６４に供給される空気は、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ４２から供給されてもよい。
混合比調整部６４は、原燃料と空気との混合比を調整する。混合ガス供給路６６は、原燃料と空気とが混合された混合ガスを部分酸化改質器５４に導く。排ガス混合部５２は、混合ガス供給路６６に設けられている。排ガス混合部５２は、後述する燃焼ガス導入路７４から導かれた燃焼ガスを混合ガス供給路６６に導入するエジェクタである。ただし、排ガス混合部５２は、エジェクタに限定されず、ミキサーなどであってもよい。
部分酸化改質器５４は、炭化水素を含む原燃料を部分酸化改質して一酸化炭素および水素ガスなどを含む燃料ガス（改質ガス）を生成する。部分酸化改質器５４に使用される部分酸化反応触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、およびＰｄ（パラジウム）などが挙げられる。部分酸化改質器５４の温度としては、約５００℃〜１０００℃程度が望ましい。部分酸化改質器５４は、イグナイタなどの点火装置５４ａを含む。
シフト反応器５６は、部分酸化改質器５４で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させることにより二酸化炭素と水素ガスとを生成する。シフト反応器５６は、部分酸化改質器５４に一体的に設けられている。なお、シフト反応器５６は、部分酸化改質器５４に対して連続していれば部分酸化改質器５４に対して一体に設けられていなくてもよい。燃料ガス供給路５８は、シフト反応器５６から燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４０ａに燃料ガスを供給する。
排出装置１８は、酸化剤ガス排出路６８、燃料ガス排出路７０、排ガス燃焼器７２、および燃焼ガス導出路７３を有する。
酸化剤ガス排出路６８は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口３８ｂと排ガス燃焼器７２とを互いに連結する。酸化剤ガス排出路６８は、カソード電極３０で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを燃料電池スタック１２から排ガス燃焼器７２に導く。
燃料ガス排出路７０は、燃料電池スタック１２の燃料ガス出口４０ｂと排ガス燃焼器７２とを互いに連結する。燃料ガス排出路７０は、アノード電極３２で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを燃料電池スタック１２から排ガス燃焼器７２に導く。
排ガス燃焼器７２は、酸化剤ガス排出路６８から導かれた酸化剤排ガスと燃料ガス排出路７０から導かれた燃料排ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。排ガス燃焼器７２は、イグナイタなどの点火装置７２ａを含む。なお、排ガス燃焼器７２は、酸化剤排ガスと燃料排ガスとを自己着火させてもよい。この場合、点火装置７２ａを省略することができる。
燃焼ガス導出路７３は、排ガス燃焼器７２から導かれた燃焼ガスを、熱交換器４６を介して大気に排出する。燃焼ガス導出路７３における熱交換器４６よりも上流側には、燃焼ガス導入路７４の一端が連結されている。燃焼ガス導入路７４の他端は、排ガス混合部５２に連結されている。燃焼ガス導入路７４は、起動用燃焼器４８で発生して燃料電池スタック１２を流通した水蒸気を含む燃焼ガスをシフト反応器５６に導く。
燃料電池システム１０Ａは、燃料電池温度検出部Ｔ１、改質器温度検出部Ｔ２、排ガス燃焼器温度検出部Ｔ３、ＣＯセンサＳ、および制御部７６をさらに備える。
燃料電池温度検出部Ｔ１は、燃料電池スタック１２の温度を検出する。改質器温度検出部Ｔ２は、部分酸化改質器５４の温度を検出する。排ガス燃焼器温度検出部Ｔ３は、排ガス燃焼器７２の温度を検出する。ＣＯセンサＳは、燃料ガス供給路５８に設けられている。ＣＯセンサＳは、燃料ガス供給路５８を流通する燃料ガス（部分酸化改質器５４で生成された燃料ガス）中のＣＯ濃度（一酸化炭素濃度）を検出する。
制御部７６は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ、ＲＡＭ、などを有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）として機能する。なお、各種機能実現部は、ハードウエアとしての機能実現器により構成することもできる。制御部７６は、エアポンプ４２、原燃料ポンプ６０、空気供給部６２との駆動を制御する。
図２に示すように、制御部７６は、燃焼制御部８０、混合制御部８２、改質制御部８４、判定部８６、記憶部８８、限界ＣＯ濃度算出部９０、目標ＣＯ濃度設定部９２、および目標混合比算出部９４を有する。
燃焼制御部８０は、燃料供給部５０から起動用燃焼器４８への燃料の供給を制御する。燃焼制御部８０は、起動用燃焼器４８の点火装置４８ａの点火と排ガス燃焼器７２の点火装置７２ａの点火についても制御する。混合制御部８２は、混合比調整部６４の駆動を制御する。改質制御部８４は、部分酸化改質器５４の点火装置５４ａの点火を制御する。判定部８６は、起動用燃焼器４８で発生した燃焼ガスがシフト反応器５６に到達したか否かを判定する。
記憶部８８には、炭素析出マップ９６、起動用改質マップ９８ａ、および発電用改質マップ９８ｂが予め記憶されている。炭素析出マップ９６は、燃料電池スタック１２の温度と燃料電池スタック１２における炭素析出との関係が規定されたマップである。具体的には、炭素析出マップ９６としては、例えば、燃料電池スタック１２の温度に対する炭素析出リスクの変化を示すグラフが用いられる。このグラフは、燃料ガス（改質ガス）の組成の違いに応じて複数用意される。
起動用改質マップ９８ａは、部分酸化改質器５４の温度と、部分酸化改質器５４で生成される燃料ガス中のＣＯ濃度と、部分酸化改質器５４に供給される原燃料と空気との混合比との関係が規定されたマップである。
具体的には、図３Ａに示すように、起動用改質マップ９８ａとしては、混合比（炭素に対する酸素の割合であるＯ2／Ｃ）が互いに異なる複数（例えば、ｎ個）のグラフが用いられる。各グラフは、部分酸化改質器５４の温度に対するＣＯ濃度の変化を示している。換言すれば、各グラフにおいて、横軸は部分酸化改質器５４の温度を示し、縦軸はＣＯ濃度を示している。
図３Ａに示すように、起動用改質マップ９８ａでは、例えば、部分酸化改質器５４の温度がＴａである場合、Ｏ2／Ｃ＝α１の時にＣＯ濃度はＣ１になり、Ｏ2／Ｃ＝αｎの時にＣＯ濃度はＣｎになる。図３Ａの例では、αｎはα１よりも大きく、ＣｎはＣ１よりも小さい。すなわち、起動用改質マップ９８ａは、部分酸化改質器５４の温度が一定であれば、混合比（Ｏ2／Ｃ）が大きくなるほど、ＣＯ濃度は低下する。
発電用改質マップ９８ｂは、部分酸化改質器５４の温度と、部分酸化改質器５４で生成される燃料ガス中のＣＯ濃度と、部分酸化改質器５４に供給される原燃料と空気との混合比との関係が規定されたマップである。
具体的には、図３Ｂに示すように、発電用改質マップ９８ｂとしては、混合比（炭素に対する酸素の割合であるＯ2／Ｃ）が互いに異なる複数（例えば、ｎ個）のグラフが用いられる。各グラフは、部分酸化改質器５４の温度に対するＣＯ濃度の変化を示している。換言すれば、各グラフにおいて、横軸は部分酸化改質器５４の温度を示し、縦軸はＣＯ濃度を示している。
図３Ｂに示すように、発電用改質マップ９８ｂでは、例えば、部分酸化改質器５４の温度がＴａである場合、Ｏ2／Ｃ＝β１の時にＣＯ濃度はＣ１になり、Ｏ2／Ｃ＝βｎの時にＣＯ濃度はＣｎになる。図３Ｂの例では、βｎはβ１よりも大きく、ＣｎはＣ１よりも小さい。すなわち、発電用改質マップ９８ｂは、部分酸化改質器５４の温度が一定であれば、混合比（Ｏ2／Ｃ）が大きくなるほど、ＣＯ濃度は低下する。なお、β１は、起動用改質マップ９８ａのα１よりも小さい。
本実施形態では、燃料電池スタック１２の起動時には、燃料電池スタック１２の発電により発生する水分がシフト反応器５６に導入されず、起動用燃焼器４８で発生した燃焼ガス中の水分がシフト反応器５６に導入される。一方、燃料電池スタック１２の発電時には、発電により発生する水分がシフト反応器５６に導入される。すなわち、燃料電池スタック１２の起動時と発電時とでシフト反応器５６に導入される水分量が異なる。そして、部分酸化改質器５４とシフト反応器５６とによって生成される燃料ガス中のＣＯ濃度は、シフト反応器５６に導入される水分量に応じて変化する。そのため、本実施形態では、起動用改質マップ９８ａと発電用改質マップ９８ｂの２種類のマップが用意される。
なお、起動用改質マップ９８ａおよび発電用改質マップ９８ｂのそれぞれは、図３Ａおよび図３Ｂに示すような複数のグラフでなくてもよい。例えば、起動用改質マップ９８ａおよび発電用改質マップ９８ｂとしては、部分酸化改質器５４の温度が互いに異なる複数のグラフを用いてもよい。この場合、各グラフにおいて、横軸は混合比（Ｏ2／Ｃ）になり縦軸はＣＯ濃度になる。
図２において、限界ＣＯ濃度算出部９０は、炭素析出マップ９６を用いて燃料電池スタック１２への炭素析出が開始する燃料ガス中の限界ＣＯ濃度を算出する。目標ＣＯ濃度設定部９２は、燃料ガス中の目標ＣＯ濃度を限界ＣＯ濃度よりも小さい濃度に設定する。目標混合比算出部９４は、起動用改質マップ９８ａまたは発電用改質マップ９８ｂを用いて、改質器温度検出部Ｔ２で検出された温度と目標ＣＯ濃度とから部分酸化改質器５４に供給される原燃料と空気との目標混合比（目標Ｏ2／Ｃ）を算出する。
次に、燃料電池システム１０Ａの制御方法について、以下に説明する。
燃料電池システム１０Ａを起動する際、図４のステップＳ１において、制御部７６は、エアポンプ４２を駆動して酸化剤ガス供給路４４に酸化剤ガスを供給する。エアポンプ４２から酸化剤ガス供給路４４に供給された酸化剤ガスは、熱交換器４６を介して起動用燃焼器４８に導かれる。
また、ステップＳ２において、制御部７６は、原燃料ポンプ６０を駆動して混合比調整部６４に原燃料を供給するとともに空気供給部６２を駆動して混合比調整部６４に空気を供給する。混合比調整部６４では、原燃料と空気とが混合される。
続いて、ステップＳ３（燃焼工程）において、燃焼制御部８０は、起動用燃焼器４８の燃焼を開始する。具体的には、燃焼制御部８０は、燃料供給部５０から起動用燃焼器４８への燃料供給を開始するとともに起動用燃焼器４８の点火装置４８ａを点火させる。
そうすると、起動用燃焼器４８では、酸化剤ガスと燃料とが混合されるとともに点火装置４８ａによって着火されるため、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、水蒸気を含んでいる。起動用燃焼器４８で発生した燃焼ガスは、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口３８ａおよび酸化剤ガス流路３４を介して酸化剤ガス出口３８ｂに導かれる。これにより、燃料電池スタック１２が昇温される。
燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口３８ｂから導出された燃焼ガスは、酸化剤ガス排出路６８および排ガス燃焼器７２を介して燃焼ガス導出路７３に導かれる。燃焼ガス導出路７３に導かれた燃焼ガスは、熱交換器４６よりも上流側で燃焼ガス導入路７４に分岐する。熱交換器４６では、燃焼ガスの熱が酸化剤ガス供給路４４を流通する酸化剤ガスに伝達される。熱交換器４６を流通した燃焼ガスは、燃焼ガス導出路７３における熱交換器４６よりも下流側に導出される。燃焼ガス導入路７４に導かれた燃焼ガスは、排ガス混合部５２に導かれる。排ガス混合部５２で混合ガスに導入された燃焼ガスは、混合ガスとともに、混合ガス供給路６６を介して部分酸化改質器５４とシフト反応器５６とに導かれる。これにより、燃焼ガスに含まれる水蒸気がシフト反応器５６に供給されることとなる。
この際、ステップＳ４（判定工程）において、判定部８６は、起動用燃焼器４８で発生した燃焼ガスがシフト反応器５６に到達したか否かを判定する。具体的には、判定部８６は、排ガス燃焼器７２の昇温が開始されていない場合には燃焼ガスがシフト反応器５６に到達していないと判定し、排ガス燃焼器７２の昇温が開始された場合に燃焼ガスがシフト反応器５６に到達したと判定する。排ガス燃焼器７２の昇温が開始されたか否かは、排ガス燃焼器温度検出部Ｔ３で検出された温度に基づいて判定部８６が判定する。
燃焼ガスがシフト反応器５６に到達していないと判定部８６によって判定された場合（ステップＳ４：ＮＯ）、ステップＳ４の処理を繰り返し行う。燃焼ガスがシフト反応器５６に到達したと判定部８６によって判定された場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ステップＳ５（改質工程）において、改質制御部８４は、部分酸化改質器５４の点火装置５４ａを点火させる。
これにより、部分酸化改質器５４では、原燃料が部分酸化改質されることにより燃料ガス（一酸化炭素と水素を含むガス）が生成される。部分酸化改質器５４で生成された燃料ガスは、シフト反応器５６に導かれる。
そして、ステップＳ６（シフト反応工程）において、シフト反応器５６で燃料ガス中の一酸化炭素と燃焼ガス中の水蒸気とがシフト反応されることにより二酸化炭素と水素ガスが生成される。シフト反応器５６から導出された燃料ガス（水素ガスなど）は、燃料ガス入口４０ａから燃料ガス流路３６に導かれる。
部分酸化改質器５４で生成された燃料ガスは、燃料電池スタック１２および燃料ガス排出路７０を介して排ガス燃焼器７２に導かれる。そして、ステップＳ７（排ガス燃焼工程）において、燃焼制御部８０は、排ガス燃焼器７２の点火装置７２ａを点火する。これにより、排ガス燃焼器７２に導かれた燃料ガスが着火されて燃焼ガスが発生する。排ガス燃焼器７２で発生した燃焼ガスは、燃焼ガス導出路７３を介して燃焼ガス導入路７４と熱交換器４６とに導かれる。
部分酸化改質器５４の点火装置５４ａの起動後は、ステップＳ８において、起動時炭素析出抑制制御が行われる。具体的には、図５のステップＳ２０（燃料電池温度検出工程）において、燃料電池温度検出部Ｔ１は、燃料電池スタック１２の温度を検出する。次いで、ステップＳ２１（限界ＣＯ濃度算出工程）において、限界ＣＯ濃度算出部９０は、燃料電池温度検出部Ｔ１で検出された温度と炭素析出マップ９６とを用いて限界ＣＯ濃度を算出する。つまり、限界ＣＯ濃度算出部９０は、燃料電池温度検出部Ｔ１で検出された燃料電池スタック１２の温度において、燃料電池スタック１２に炭素が析出するＣＯ濃度の下限値を限界ＣＯ濃度として炭素析出マップ９６を用いて算出する
その後、ステップＳ２２（改質器温度検出工程）において、改質器温度検出部Ｔ２は、部分酸化改質器５４の温度を検出する。そして、ステップＳ２３（ＣＯ濃度検出工程）において、ＣＯセンサＳは、燃料ガス供給路５８を流通する燃料ガス中の現在のＣＯ濃度を検出する。
続いて、ステップＳ２４（目標ＣＯ濃度設定工程）において、目標ＣＯ濃度設定部９２は、目標ＣＯ濃度を限界ＣＯ濃度よりも低い領域内で最も高いＣＯ濃度に設定する。ただし、目標ＣＯ濃度設定部９２は、目標ＣＯ濃度を限界ＣＯ濃度よりも低い範囲内であればどのように設定してもよい。
次いで、ステップＳ２５（目標混合比算出工程）において、目標混合比算出部９４は、改質器温度検出部Ｔ２で検出された温度と目標ＣＯ濃度と起動用改質マップ９８ａとを用いて目標混合比を算出する。つまり、図３Ａの例では、部分酸化改質器５４が温度Ｔａで目標ＣＯ濃度がＣｎであったとすると、起動用算出マップを用いて算出される目標混合比（Ｏ2／Ｃ）はαｎとなる。
その後、図５のステップＳ２６（混合制御工程）において、混合制御部８２は、ＣＯセンサＳで検出されたＣＯ濃度が目標ＣＯ濃度になるように混合比調整部６４の動作を制御する。すなわち、混合制御部８２は、原燃料と空気の混合比が目標混合比になるように混合比調整部６４の動作を制御する。
続いて、図４のステップＳ９において、制御部７６は、燃料電池スタック１２の起動が完了したか否かを判定する。
燃料電池スタック１２の起動が完了していないと制御部７６によって判定された場合（ステップＳ９：ＮＯ）、ステップＳ８の起動時炭素析出抑制制御が再度行われる。
燃料電池スタック１２の起動が完了したと制御部７６によって判定された場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、ステップＳ１０（燃焼停止工程）において、燃焼制御部８０は、燃料供給部５０から起動用燃焼器４８への燃料の供給を停止する。
その後、ステップＳ１１において、燃料電池スタック１２の発電が開始される。すなわち、酸化剤ガス供給路４４を流通する酸化剤ガスは、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口３８ａに供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口３８ａから酸化剤ガス流路３４に導入され、酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより電解質・電極構造体２２のカソード電極３０に供給される。
一方、燃料ガス供給路５８を流通する燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４０ａに供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口４０ａから燃料ガス流路３６に導入され、燃料ガス流路３６に沿って移動することにより電解質・電極構造体２２のアノード電極３２に供給される。
したがって、各電解質・電極構造体２２では、カソード電極３０に供給される酸化剤ガス中の酸素とアノード電極３２に供給される燃料ガス中の水素ガスとが電気化学反応により消費されて発電が開始される。この発電の際に水分が発生する。
カソード電極３０に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、水分とともに酸化剤排ガスとして酸化剤ガス排出路６８を介して排ガス燃焼器７２に導かれる。アノード電極３２に供給されて一部が消費された燃料ガスは、水分とともに燃料排ガスとして燃料ガス排出路７０を介して排ガス燃焼器７２に導かれる。
そして、排ガス燃焼器７２では、酸化剤排ガスと燃料排ガスとが着火されて燃焼ガスが発生する。排ガス燃焼器７２で発生した燃焼ガスは、燃焼ガス導出路７３を介して燃焼ガス導入路７４と熱交換器４６とに導かれる。熱交換器４６では、燃焼ガスの熱が酸化剤ガス供給路４４の酸化剤ガスに伝達される。
燃焼ガス導出路７３における熱交換器４６よりも上流側から燃焼ガス導入路７４に導かれた燃焼ガスの一部は、排ガス混合部５２、部分酸化改質器５４、シフト反応器５６、および燃料ガス供給路５８を介して燃料電池スタック１２に導かれる。すなわち、燃焼ガス導入路７４に導かれた燃焼ガス中の水分は、シフト反応器５６でシフト反応に使用される。燃焼ガス導入路７４に導かれなかった残余の燃焼ガスは、燃焼ガス導出路７３を介して大気に排出される。
燃料電池スタック１２の発電中は、ステップＳ１２において、発電時炭素析出抑制制御が行われる。図５に示すように、発電時炭素析出抑制制御では、燃料電池温度検出工程（ステップＳ３０）、限界ＣＯ濃度算出工程（ステップＳ３１）、改質器温度検出工程（ステップＳ３２）、ＣＯ濃度検出工程（ステップＳ３３）、目標ＣＯ濃度設定工程（ステップＳ３４）、目標混合比算出工程（ステップＳ３５）、および混合制御工程（ステップＳ３６）を行う。
発電時炭素析出抑制制御のステップＳ３０〜ステップＳ３４およびステップＳ３６は、起動時炭素析出抑制制御のステップＳ２０〜ステップＳ２４およびステップＳ２６と同じ処理を行う。発電時炭素析出抑制制御の目標混合比算出工程（ステップＳ３５）では、目標混合比算出部９４が、改質器温度検出部Ｔ２で検出された温度と目標ＣＯ濃度と発電用改質マップ９８ｂとを用いて目標混合比を算出する。すなわち、ステップＳ３５の目標混合比算出工程では、起動用改質マップ９８ａではなく発電用改質マップ９８ｂを用いる点以外は、上述したステップＳ２５の目標混合比算出工程と同様の処理が行われる。
発電時炭素析出抑制制御の後（ステップＳ３６の後）、図４のステップＳ１３において、制御部７６は、燃料電池スタック１２の発電停止信号を受信したか否かを判定する。燃料電池スタック１２の発電停止信号を受信していないと制御部７６によって判定された場合（ステップＳ１３：ＮＯ）には、ステップＳ１２の発電時炭素析出抑制制御が再度行われる。燃料電池スタック１２の発電停止信号を受領したと制御部７６によって判定された場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）には、ステップＳ１４において、制御部７６は、発電を停止する。そして、今回のフローチャートは終了する。
この燃料電池システム１０Ａおよび燃料電池システム１０Ａの制御方法は、以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、燃料電池（燃料電池スタック１２）の起動時に、起動用燃焼器４８で発生した燃焼ガスによって燃料電池（燃料電池スタック１２）を昇温させることができる。また、燃焼ガス中の水蒸気を用いてシフト反応させることができるため、シフト反応器５６によって燃料ガス中のＣＯ濃度を効率的に低下させることができる。したがって、燃料電池（燃料電池スタック１２）での炭素析出を抑制した状態で燃料電池（燃料電池スタック１２）を迅速に起動することができる。
部分酸化改質器５４は、点火装置５４ａを有し、燃料電池システム１０Ａは、点火装置５４ａの点火を制御する改質制御部８４を備える。改質制御部８４は、燃料電池（燃料電池スタック１２）の起動時に、燃焼ガスがシフト反応器５６に到達するまで点火装置５４ａを点火させず、燃焼ガスがシフト反応器５６に到達した時に点火装置５４ａを点火させる。
また、燃料電池システム１０Ａの制御方法において、改質工程では、燃料電池（燃料電池スタック１２）の起動時に、燃焼ガスがシフト反応器５６に到達するまで部分酸化改質器５４の点火装置５４ａを点火させず、燃焼ガスがシフト反応器５６に到達した時に点火装置５４ａを点火させる。
このような構成および方法によれば、燃料電池（燃料電池スタック１２）の起動時に燃焼ガスがシフト反応器５６に到達する前に、部分酸化改質器５４で一酸化炭素が生成されることを抑制できる。これにより、燃料電池（燃料電池スタック１２）での炭素析出を一層抑制できる。また、燃焼ガスがシフト反応器５６に到達した時に点火装置５４ａを点火させるため、部分酸化改質器５４によって燃料ガスを効率的に生成することができる。
燃料電池システム１０Ａは、起動用燃焼器４８に燃料を供給するための燃料供給部５０と、燃料供給部５０から起動用燃焼器４８への燃料供給を制御する燃焼制御部８０と、を備える。燃焼制御部８０は、燃料電池スタック１２の起動が完了するまで燃料供給部５０から起動用燃焼器４８への燃料供給を継続し、燃料電池スタック１２の起動が完了した時に燃料供給部５０から起動用燃焼器４８への燃料供給を停止する。
燃料電池システム１０Ａの制御方法において、燃焼工程では、燃料電池（燃料電池スタック１２）の起動が完了するまで燃料供給部５０から起動用燃焼器４８への燃料供給を継続し、燃料電池（燃料電池スタック１２）の起動が完了した時に燃料供給部５０から起動用燃焼器４８への燃料供給を停止する燃焼停止工程を行う。
このような構成および方法によれば、燃料電池（燃料電池スタック１２）の起動完了後直ぐに燃料電池（燃料電池スタック１２）の発電を開始することができる。
燃料電池システム１０Ａは、燃料電池（燃料電池スタック１２）を流通した燃焼ガスが導かれる燃焼ガス導出路７３と、燃焼ガス導出路７３を流通する燃焼ガスと酸化剤ガス供給路４４を流通する酸化剤ガスとの間で熱交換する熱交換器４６と、を備える。燃焼ガス導入路７４は、燃焼ガス導出路７３における熱交換器４６よりも上流側に連結されている。
このような構成によれば、燃料電池（燃料電池スタック１２）の起動時に、起動用燃焼器４８で発生した燃焼ガスによって酸化剤ガスを効率的に加熱することができる。
燃料電池システム１０Ａは、原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを部分酸化改質器５４に供給する混合ガス供給路６６と、混合ガス供給路６６に設けられた排ガス混合部５２と、を備える。燃焼ガス導入路７４は、排ガス混合部５２に連結されている。
このような構成によれば、簡易な構成により燃焼ガスをシフト反応器５６に導くことができる。
本実施形態によれば、ＣＯセンサＳで検出されたＣＯ濃度が目標ＣＯ濃度になるように部分酸化改質器５４に供給される原燃料と空気との混合比を調整するため、燃料電池（燃料電池スタック１２）に供給される燃料ガス中のＣＯ濃度を適切に抑えることができる。これにより、燃料電池（燃料電池スタック１２）での炭素析出を抑制することができる。
燃料電池システム１０Ａは、燃料電池（燃料電池スタック１２）の温度を検出する燃料電池温度検出部Ｔ１と、燃料電池（燃料電池スタック１２）の温度と燃料電池（燃料電池スタック１２）における炭素析出との関係が規定された炭素析出マップ９６を用いて、燃料電池温度検出部Ｔ１で検出された温度から燃料電池（燃料電池スタック１２）への炭素析出が開始する燃料ガス中の限界ＣＯ濃度を算出する限界ＣＯ濃度算出部９０と、を備える。目標ＣＯ濃度設定部９２は、目標ＣＯ濃度を限界ＣＯ濃度よりも低い濃度に設定する。
燃料電池システム１０Ａの制御方法では、燃料電池（燃料電池スタック１２）の温度を検出する燃料電池温度検出工程と、燃料電池（燃料電池スタック１２）の温度と燃料電池（燃料電池スタック１２）における炭素析出との関係が規定された炭素析出マップ９６を用いて、燃料電池温度検出工程で検出された温度から燃料電池（燃料電池スタック１２）への炭素析出が開始する燃料ガス中の限界ＣＯ濃度を算出する限界ＣＯ濃度算出工程と、を行う。目標ＣＯ濃度設定工程では、目標ＣＯ濃度を限界ＣＯ濃度よりも低い濃度に設定する。
このような構成および方法によれば、燃料電池（燃料電池スタック１２）での炭素析出を確実に抑制することができる。
燃料電池システム１０Ａは、部分酸化改質器５４の温度を検出する改質器温度検出部Ｔ２と、部分酸化改質器５４の温度と部分酸化改質器５４で生成されて燃料電池（燃料電池スタック１２）に導入される燃料ガス中のＣＯ濃度と混合比との関係が規定された改質マップ（発電用改質マップ９８ｂ）を用いて、改質器温度検出部Ｔ２で検出された温度と目標ＣＯ濃度とから部分酸化改質器５４に供給される原燃料および空気の目標混合比を算出する目標混合比算出部９４と、を備える。混合制御部８２は、混合比が目標混合比になるように混合比調整部６４の動作を制御する。
燃料電池システム１０Ａの制御方法では、部分酸化改質器５４の温度を検出する改質器温度検出工程と、部分酸化改質器５４の温度と部分酸化改質器５４で生成されて燃料電池（燃料電池スタック１２）に導入される燃料ガス中のＣＯ濃度と混合比との関係が規定された改質マップ（発電用改質マップ９８ｂ）を用いて、改質器温度検出工程で検出された温度と目標ＣＯ濃度とから部分酸化改質器５４に供給される原燃料および空気の目標混合比を算出する目標混合比算出工程と、を行う。混合制御工程では、混合比が目標混合比になるように混合比調整部６４の動作を制御する。
このような構成および方法によれば、燃料電池（燃料電池スタック１２）に供給される燃料ガス中のＣＯ濃度を精度よく目標ＣＯ濃度にすることができる。
燃料電池システム１０Ａにおいて、目標ＣＯ濃度設定部９２は、目標ＣＯ濃度を、限界ＣＯ濃度よりも低い領域内で最も高いＣＯ濃度に設定する。また、目標ＣＯ濃度設定工程は、目標ＣＯ濃度を、限界ＣＯ濃度よりも低い領域内で最も高いＣＯ濃度に設定する。このような構成および方法によれば、燃料電池（燃料電池スタック１２）の発電効率を高く保つことができる。
混合制御部８２は、原燃料に対する空気供給量を変化させることにより混合比が調整されるように混合比調整部６４の動作を制御する。混合制御工程では、原燃料に対する空気供給量を変化させることにより混合比が調整されるように混合比調整部６４の動作を制御する。このような構成および方法によれば、原燃料供給量を少なくすることなく混合比を調整することができるため、燃料電池（燃料電池スタック１２）に供給される燃料ガス中の燃料成分（水素ガス）の量が減少することを抑えることができる。そのため、燃料電池（燃料電池スタック１２）を効率的に運転させることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂについて説明する。なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂにおいて、上述した第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂでは、第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａと同様の構成については、同様の作用効果を奏する。後述する第３実施形態および第４実施形態についても同様である。
図６に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂは、燃料ガス排出路７０と排ガス混合部５２とを結ぶ燃料排ガス循環路１００を備える点で上述した燃料電池システム１０Ａと異なる。この場合、燃料電池スタック１２から燃料ガス排出路７０に排出された燃料排ガスの一部が燃料排ガス循環路１００を介して排ガス混合部５２に導かれ、燃料電池スタック１２で再利用される。
このような構成によれば、燃料排ガスを燃料電池（燃料電池スタック１２）の燃料ガスとして用いることができるため、燃料電池（燃料電池スタック１２）の発電効率を向上させることができる。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｃについて説明する。なお、第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｃにおいて、上述した第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図７に示すように、第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｃは、燃料ガス排出路７０と燃焼ガス導入路７４とを互いに結ぶ燃料排ガス循環路１０２を備える点で上述した燃料電池システム１０Ａと異なる。この場合、燃料電池スタック１２から燃料ガス排出路７０に排出された燃料排ガスの一部が燃料排ガス循環路１０２と燃焼ガス導入路７４を介して排ガス混合部５２に導かれ、燃料電池スタック１２で再利用される。このような構成によれば、上述した第２実施形態と同様の効果を奏する。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ｄについて説明する。なお、第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ｄにおいて、上述した第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｃの構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図８に示すように、第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ｄの燃料ガス供給装置１６ａは、部分酸化改質器５４で生成された燃料ガスをシフト反応器５６に導くための中間流路１０４と、中間流路１０４に設けられた排ガス混合部５２とを備える。すなわち、部分酸化改質器５４は、シフト反応器５６に対して別体に設けられている。燃焼ガス導入路７４は、排ガス混合部５２に連結されている。
本発明において、第４実施形態に係る構成（部分酸化改質器５４とシフト反応器５６とを結ぶ中間流路１０４に排ガス混合部５２を設ける構成）は、第１実施形態および第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ａ、１０Ｂに対して適用してもよいことは勿論である。
本発明に係る燃料電池システムおよびその制御方法は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０Ａ〜１０Ｄ…燃料電池システム １２…燃料電池（燃料電池スタック）
４４…酸化剤ガス供給路 ４６…熱交換器
４８…起動用燃焼器 ４８ａ、５４ａ、７２ａ…点火装置
５０…燃料供給部 ５２…排ガス混合部
５４…部分酸化改質器 ５６…シフト反応器
６６…混合ガス供給路 ７０…燃料ガス排出路
７３…燃焼ガス導出路 ７４…燃焼ガス導入路
８０…燃焼制御部 ８４…改質制御部
８６…判定部 １００、１０２…燃料排ガス循環路
１０４…中間流路 Ｔ１…燃料電池温度検出部

Claims (10)

  1. 原燃料を部分酸化改質して燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、
    前記部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器と、
    前記シフト反応器から導かれた燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
    前記酸化剤ガス供給路に設けられて燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
    前記起動用燃焼器から導出されて前記燃料電池を流通した前記燃焼ガスを前記シフト反応器に導くための燃焼ガス導入路と、を備える、燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
    前記部分酸化改質器は、点火装置を有し、
    前記燃料電池システムは、前記点火装置の点火を制御する改質制御部を備え、
    前記改質制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃焼ガスが前記シフト反応器に到達するまで前記点火装置を点火させず、前記燃焼ガスが前記シフト反応器に到達した時に前記点火装置を点火させる、燃料電池システム。
  3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
    前記起動用燃焼器に燃料を供給するための燃料供給部と、
    前記燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を制御する燃焼制御部と、を備え、
    前記燃焼制御部は、前記燃料電池の起動が完了するまで前記燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を継続し、前記燃料電池の起動が完了した時に前記燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を停止する、燃料電池システム。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池を流通した前記燃焼ガスが導かれる燃焼ガス導出路と、
    前記燃焼ガス導出路を流通する前記燃焼ガスと前記酸化剤ガス供給路を流通する酸化剤ガスとの間で熱交換する熱交換器と、を備え、
    前記燃焼ガス導入路は、前記燃焼ガス導出路における前記熱交換器よりも上流側に連結されている、燃料電池システム。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを前記部分酸化改質器に供給する混合ガス供給路と、
    前記混合ガス供給路に設けられた排ガス混合部と、を備え、
    前記燃焼ガス導入路は、前記排ガス混合部に連結されている、燃料電池システム。
  6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記部分酸化改質器で生成された燃料ガスを前記シフト反応器に導くための中間流路と、
    前記中間流路に設けられた排ガス混合部と、を備え、
    前記燃焼ガス導入路は、前記排ガス混合部に連結されている、燃料電池システム。
  7. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流通する燃料ガス排出路と、
    前記燃料ガス排出路と前記燃焼ガス導入路とを連結する燃料排ガス循環路と、を備える、燃料電池システム。
  8. 原燃料を部分酸化改質して燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、
    前記部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器と、
    前記シフト反応器から導かれた燃料ガスと酸化剤ガス供給路から導かれた酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記酸化剤ガス供給路に設けられた起動用燃焼器で燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる燃焼工程と、
    原燃料を前記部分酸化改質器で部分酸化改質して燃料ガスを生成する改質工程と、
    前記起動用燃焼器から導出されて前記燃料電池を流通した前記燃焼ガス中の水蒸気と前記改質工程で発生した燃料ガス中の一酸化炭素とを前記シフト反応器でシフト反応させるシフト反応工程と、を行う、燃料電池システムの制御方法。
  9. 請求項８記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記改質工程では、前記燃料電池の起動時に、前記燃焼ガスが前記シフト反応器に到達するまで前記部分酸化改質器の点火装置を点火させず、前記燃焼ガスが前記シフト反応器に到達した時に前記点火装置を点火させる、燃料電池システムの制御方法。
  10. 請求項９記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃焼工程では、前記燃料電池の起動が完了するまで燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を継続し、前記燃料電池の起動が完了した時に前記燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を停止する燃焼停止工程を行う、燃料電池システムの制御方法。
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