JP5348481B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水を水蒸気化させる蒸発部を有する燃料電池システムに関する。

特許文献１には、水を水蒸気化させる水蒸気発生部と、水蒸気で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電するスタックと、水を蒸発部に供給させるポンプとを備える燃料電池システムが開示されている。このものによれば、スタックの出力を変化させる場合には、水蒸気発生部の出口近傍に設けた温度センサで測定した水蒸気の温度または温度変化が所定の範囲内になるように、水量を変化させている。これによりスタックの破損を抑制している。上記した特許文献１に係る技術によれば、改質部における改質触媒のコーキング、スタックの破損が抑制される。コーキングとは、水蒸気改質における水蒸気不足により燃料原料から炭素が生成されることを意味する。

特許文献２には、改質水を加熱させて水蒸気を生成させる蒸発器と、改質水を一時的に蓄える貯留容器と、蒸発器に溜められている水の水位と貯留容器に溜められている水の水位とを連動させる連通管とをもつ水蒸気供給装置が開示されている。

特開２００８−２４３７７１号公報 特開２００６−１５５９８２号公報

上記した技術によれば、蒸発部における水枯れを抑制させるのには必ずしも充分ではない。蒸発部の水枯れが発生すると、改質部において水蒸気不足となり、改質部においてコーキング等を発生させ、システムの高性能を維持できなくなるおそれがある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、蒸発部に対する増水処理により蒸発部における水枯れを抑制させるのに有利であり、更に、一時的な蒸発部の昇温要因に対処することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、改質水が流れる給水通路と、給水通路に設けられ水を水蒸気化させる蒸発部と、蒸発部の下流に配置され蒸発部で生成された水蒸気を用いて燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、アノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、給水通路に設けられ水源の水を蒸発部に供給させる水搬送源と、水搬送源を制御する制御部とを具備しており、制御部は、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となるとき、または、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上になると推定されるとき、水搬送源の出力を増加させて蒸発部に供給する単位時間当たりの水の流量を増加させる増水処理を実行する。

一時的な昇温要因等により、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となるとき、または、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上になると推定されるときがある。この場合、蒸発部の水不足または水枯れが発生するおそれがある。このとき本発明によれば、制御部は、水搬送源の出力を増加させて蒸発部に供給する水の流量を増加させる増水処理を実行する。このため蒸発部の水不足または水枯れが抑制される。従って、改質部における改質触媒のコーキング、スタックの破損が抑制される。

本発明は、蒸発部における水枯れを増水処理により抑制させるのに有利であり、更に、一時的な蒸発部の昇温要因に対処することができ、改質部におけるコーキングを抑制させるのに有利である。

実施形態１に係り、燃料電池システムの蒸発部付近を模式的に示す図である。 蒸発部付近を模式的に示す図である。 実施形態１に係り、一時的要因により蒸発部が一時的に昇温するときにおいて、経過時間とポンプの出力との関係、経過時間と蒸発部の温度との関係を示すグラフである。 実施形態１に係り、後発的で且つ固定的な要因により蒸発部が昇温するときにおいて、経過時間とポンプの出力との関係、経過時間と蒸発部の温度との関係を示すと共に異状時を示すグラフである。 制御部が実行するフローチャートである。 実施形態２に係り、一時的要因により蒸発部が一時的に昇温するときにおいて、経過時間とポンプの出力との関係、経過時間と蒸発部の温度との関係を示すグラフである。 実施形態３に係り、燃料電池システムの蒸発部付近を模式的に示す図である。 実施形態４に係り、電力負荷とポンプの出力との関係を示すグラフである。 実施形態５に係り、電力負荷とポンプの出力との関係を示すグラフである。 実施形態５に係り、制御部が実行するフローチャートである。 実施形態７に係り、電力負荷とポンプの出力との関係を示すグラフである。 実施形態７に係り、制御部が実行するフローチャートである。 実施形態８に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。 実施形態８に係り、蒸発部および改質部付近を示す斜視図である。

蒸発部は、水を水蒸気化させる。改質部は、水蒸気で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる。蒸発部としては、水を溜める貯水部を有する方式でも、貯水部を有しない方式でも良い。燃料電池は、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する。水搬送源は、水源の水を蒸発部に供給させ、ポンプ、コンプレッサ、送水ファン等を例示できる。水源としては、高い純度を保持していることが好ましく、凝縮水タンクが例示される。

本発明の一視点によれば、制御部は記憶部を有する。記憶部は、第１技術情報を格納していると共に第２技術情報を格納している。第１技術情報は、燃料電池の電力負荷（発電出力に相当）の負荷が増加するにつれて水搬送源の出力を増加させるように、電力負荷と水搬送源の出力との関係を規定している。第２技術情報は、電力負荷の負荷が増加するにつれて水搬送源の出力を増加させるように、且つ、第１技術情報よりも水搬送源の出力が増加するように、電力負荷と水搬送源の出力との関係を規定している。第１技術情報はマップまたは演算式として記憶部に格納されていることが好ましい。第２技術情報はマップまたは演算式として記憶部に格納されていることが好ましい。

本発明の一視点によれば、制御部は、燃料電池の通常の発電運転において、第１技術情報に基づいて水搬送源の出力を制御している。この場合、一時的に昇温要因等により、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となるとき、または、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となると推定されるとき、制御部は、第１技術情報から第２技術情報に切り替え、第２技術情報に基づいて水搬送源の出力を増加させる増水処理を実行する。ここで、『蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となるとき』とは、温度センサによる測定を前提とする。『蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となると推定されるとき』とは、蒸発部以外の部位に設けられている温度センサ（例えば改質部に設けられている温度センサ）に基づいて当該温度を間接的に推定する形態、温度センサ以外のセンサに基づいて当該温度を間接的に推定する形態を含む。なお、第１閾値温度は、燃料電池システムの種類、発電条件、蒸発部の構造、増水処理における増水量等に応じて適宜選択される。

本発明の一視点によれば、増水処理の実行後に、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度未満となるとき、または、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度未満と推定されるとき、制御部は、その制御目標を第２技術情報から第１技術情報に切り替え、第１技術情報に基づいて水搬送源の出力を制御する。減水処理に相当する。

本発明の一視点によれば、発電運転時において、蒸発部は、燃料電池から吐出されたアノードオフガスを酸素含有ガス（空気等）により燃焼させた燃焼火炎により加熱される構造を有する。燃焼火炎の制御応答性には限界があるため、蒸発部の一時的な昇温要因が発生し易い。

本発明の一視点によれば、制御部は、燃料電池の電力負荷を低下させるとき、蒸発部の実際の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の実際の温度にかかわらず、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となると推定し、増水処理を実行することができる。この場合、蒸発部の一時的な昇温要因が発生したとしても、温度センサの昇温を待たなくても良いため、増水処理を応答性よく迅速に実行でき、蒸発部の温度を速やかに低下させ得る。

本発明の一視点によれば、制御部は、蒸発部の温度もしくは蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となった後、第１閾値温度よりも高温の第２閾値温度以上となったとき、蒸発部の一時的な昇温要因ではなく、システム異状と判定する。なお、第２閾値温度は、燃料電池システムの種類、発電条件、増水処理における増水量等に応じて適宜選択される。

システムが経年変化していると、増水処理およびその後の減水処理が実行される頻度が高くなる。この場合、増水処理後において水搬送源の出力を低下させる減水処理を実行するときのカウント数が頻繁になる。この場合、水搬送源の経年変化により出力が低下している状態、または、水搬送源から蒸発部に供給させる水量を測定する流量計が設けられているときには、流量計の経年変化が発生している状態が発生していると推定される。

そこで、本発明の一視点によれば、制御部は、増水処理を実行した後の減水処理の実行をカウント数とするとき、カウント数が所定回数（Ｎ）以上となると、制御部は、第１技術情報による水搬送源の出力と、第２技術情報による水搬送源の出力との間における中間出力）を、第１技術情報による水搬送源の出力の代わりに制御目標として設定する。この場合には、カウント数が所定回数（Ｎ）以上となると、ポンプの経年劣化によりポンプの出力が低下している状態、給水通路の流路断面積が水垢等により小さくなった状態、つまり経年変化が発生していると推定される。なお、上記した所定時間および所定回数は、燃料電池システムの種類、発電条件、増水処理における増水量、減水処理における減水量等に応じて適宜選択される。

（実施形態１）
図１は実施形態１を示す。燃料電池システムは、改質水を供給する水源として機能するタンク４４からの改質水が流れる給水通路として機能する改質水供給通路４１と、改質水供給通路４１に設けられ改質水を加熱させて水蒸気化させる蒸発部２０と、改質水供給通路４１に接続され蒸発部２０で生成された水蒸気でガス状または液状の燃料原料を水蒸気改質させてアノードガス（水素を主要成分とするガス）を生成させる改質部２２と、改質部２２で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池セルを組み付けたスタック１と、改質水供給通路４１に設けられタンク４４の水を蒸発部２０に供給させる水搬送源として機能するポンプ４２と、ポンプ４２を制御する制御部１００とを有する。更に燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１が蒸発部２０に繋がれている。燃料原料ポンプ５５が作動すると、ガス状または液状の燃料原料が蒸発部２０に供給される。

スタック１、蒸発部２０および改質部２２は断熱部３０で覆われており、燃料電池モジュール３を構成している。このように燃料電池モジュール３の発電室３２は、スタック１、蒸発部２０および改質部２２を収容している。更にタンク４４、燃料電池モジュール３、制御部１００は筐体９の収容室９１に収容されている。図１に示すように、改質水供給通路４１において、上流から下流にかけて、タンク４４、ポンプ４２、蒸発部２０、改質部２２の順に配置されている。改質部２２で改質されたアノードガスは、アノードガス供給通路１４を介してスタック１のアノードに供給される。スタック１には、電力を消費する電力負荷１７０が接続されている。スタック１の発電電力により電力負荷１７０が作動される。操作部１６０のスイッチがユーザ等により操作されると、電力負荷１７０の大きさを調整できる。制御部１００は、入力処理回路と、出力処理回路と、ＣＰＵと、記憶部としてのメモリ１１０とを有する。

図２は蒸発部２０の例を示す。図２（Ａ）は、液相状の水を溜める貯水部を有しない蒸発部２０を示す。図２（Ｂ）は液相状の水を溜める貯水部２１０を有する蒸発部２０を示す。貯水部２１０は蒸発部２０の内部に設けられていても良いし、外部に隣設されていても良い。液相状の水を溜める貯水部２１０が設けられている蒸発部２０については、スタック１が発電運転しているとき、蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水の流量が低下したとしても、蒸発部２０の昇温が遅い。貯水部２１０に溜められている水の蒸発潜熱による吸熱作用が蒸発部２０に発生するためである。貯水部が設けられていない蒸発部２０については、スタック１が発電運転しているとき、蒸発部２０に供給される水の流量が低下するとき、蒸発部２０の昇温が速い。

発電運転時において、スタック１から吐出されたアノードオフガスは、空気等の酸素含有ガスにより燃焼されて燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成する。蒸発部２０および改質部２２はスタック１の上方に隣設されており、燃焼火炎２４により蒸発部２０および改質部２２は加熱される。なお、アノードオフガスはスタック１から吐出されたガスの意味であり、発電反応後のガスでも良いし、発電反応を経ていないガスでも良い。

蒸発部２０には、蒸発部２０の温度もしくは蒸発部２０で生成された水蒸気の温度を検知する温度センサ２１８が設けられている。温度センサ２１８が検知した温度信号は制御部１００に入力される。温度センサ２１８は、図１において蒸発部２０の出口側に設けられているが、これに限定されるものではなく、蒸発部２０の入口側、蒸発部２０の中間部でも良い。なお、本システムでは、温度センサ２１８の温度が第２閾値温度Ｔ２よりも高温になると、システム異状とされ、制御部１００は運転を停止させる。

スタック１が一定の電力負荷１７０に通電させつつ発電運転（例えば定格運転）しているとき、制御部１００はポンプ４２の出力をＰ０に制御する。この場合、通常の発電運転においては、温度センサ２１８が検知する温度は基本的には温度Ｔ０に維持されており、蒸発部２０の温度は適切とされており、適切な水蒸気量が改質部２２に供給される。

しかし何らかの要因により、蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水の流量が低下すると、温度センサ２１８の温度が温度Ｔ０よりも上昇することがある。この場合、蒸発部２０における蒸発潜熱による吸熱が低下するため、図３の温度特性線Ｔに示すように、温度センサ２１８の温度が第１閾値温度Ｔ１以上に一時的に昇温することがある。第１閾値温度Ｔ１としては、システムの種類、発電条件、季節、蒸発部２０の構造、蒸発部２０における貯水部の有無等に応じて適宜設定される。一時的な昇温要因としては、蒸発部２０に繋がる改質水供給通路４１における一時的な水詰まり、当該通路４１およびポンプ４２における一時的な空気の巻き込み、蒸発部２０付近における一時的な熱こもり、筐体９内の一時的な熱こもり、電力負荷１７０を負荷を低下させたとき等が挙げられる。一時的な昇温要因であれば、その後、その昇温要因は自然解消することが多い。このようにスタック１の発電出力が大きく増加していないにもかかわらず、一時的な昇温要因等により、温度センサ２１８の温度が温度Ｔ０よりも上昇すると、蒸発部２０における水不足であり、改質部２２において水蒸気改質に使用される水蒸気量が不足するおそれがあり、改質部２２に影響を与えるおそれがある。

そこで制御部１００は、温度センサ２１８が検知する温度が温度Ｔ１よりも上昇すると、これをトリガー信号α１として、ポンプ４２の出力（回転数）をＰ０からＰ１（Ｐ１＞Ｐ０）に増加させる増水処理を実行する。この増水処理により、蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水量が増加する。その後、タイムラグ等により温度センサ２１８の温度が温度Ｔｋ（Ｔ２＞Ｔｋ＞Ｔ１＞Ｔ０）まで上昇するものの、増水処理により蒸発部２０の水量が増加しているため、温度センサ２１８の温度が第１閾値温度Ｔ１未満となり、温度ＴＯ付近に戻る。この場合、上記した一時的な昇温要因が解消されたものと推定される。よって、温度センサ２１８の温度が第１閾値温度Ｔ１未満となったことをトリガー信号α２として、制御部１００はポンプ４２の出力をＰ０に戻す。

但し、上記した一時的な昇温要因が解消されないときには、一時的な昇温要因ではなく、後発的に発生した固定的な昇温要因と考えられる。後発的且つ固定的な昇温要因としては、ポンプ４２の故障、改質水供給通路４１からの水漏れ等が挙げられる。このように後発的且つ固定的な昇温要因の場合には、タンク４４の水が蒸発部２０に充分に供給されない。このため、図４に示すように、温度センサ２１８の温度が第１閾値温度Ｔ１および温度Ｔｋよりも上昇することがある。場合によっては、温度センサ２１８の温度が、第１閾値温度Ｔ１よりも高温の第２閾値温度Ｔ２以上となることがある。この場合には、蒸発部２０は過熱されて水不足となり、水枯れとなる。このため、温度センサ２１８の温度が第２閾値温度Ｔ２以上となると、制御部１００はシステム異状である判定し、これをトリガー信号α３（図４参照）としてポンプ４２を停止させると共に警告器に警告信号を出力する。この場合、制御部１００はスタック１の発電運転を停止させる。

図５は制御部１００が実行するフローチャートの一例を示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。まず、制御部１００は、発電運転しているとき、ポンプ４２の出力をＰ０に維持する（ステップＳ１０２）。温度センサ２１８の信号を読み込み（ステップＳ１０４）、温度と第１閾値温度Ｔ１とを比較する（ステップＳ１０６）。温度が第１閾値温度Ｔ１以上であれば、蒸発部２０が高温であるため、ポンプ４２の出力をＰ１に設定し（ステップＳ１０８）、温度が安定するまで待機する（ステップＳ１１０）。再び温度センサ２１８の信号を読み込み（ステップＳ１１２）、温度と第１閾値温度Ｔ１とを再び比較する（ステップＳ１１４）。温度が第１閾値温度Ｔ１未満であれば、ポンプ４２の出力をＰ０に戻す（ステップＳ１１６）、温度が第１閾値温度Ｔ１以上であれば、温度と第２閾値温度Ｔ２とを比較する（ステップＳ１１８）。温度が第１閾値温度Ｔ２以上であれば、蒸発部２０は過熱状態であり、ポンプ４２を停止させると共にシステムの発電運転を停止させる（ステップＳ１２０）。この場合、蒸発部２０の過熱抑制のため、所定時間であればポンプ４２を作動させておくことができる。なお本実施形態によれば、蒸発部２０に設けられた温度センサ２１８が検知する実際の温度に基づいて、ポンプ４２の出力を制御するが、これに限らず、改質部２２に設けられた温度センサが検知する温度に基づいて、蒸発部２０の温度もしくは水蒸気の温度を推定して上記した制御を実行しても良い。

（実施形態２）
図６は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。電力負荷１７０の負荷が一定でスタック１が発電運転（例えば定格運転）しているとき、制御部１００はポンプ４２の出力をＰ０に制御する。この場合、温度センサ２１８が検知する温度は基本的には温度Ｔ０に維持されており、蒸発部２０の温度は適切とされており、単位時間当たり適切な水蒸気量が改質部２２に供給される。

しかし何らかの昇温要因により、蒸発部２０に供給される水の流量が低下すると、温度センサ２１８の温度が温度Ｔ０よりも上昇し、温度センサ２１８の温度が第１閾値温度Ｔ１ａ（Ｔ１ａ＞ＴＯ）以上に昇温することがある。このように温度センサ２１８の温度が温度Ｔ１ａよりも上昇すると、改質部２２において水蒸気量が不足するおそれがある。そこで制御部１００は、温度センサ２１８の温度が温度Ｔ１ａよりも上昇すると、これをトリガー信号β１として、ポンプ４２の出力をＰ０からＰ１ａ（Ｐ１ａ＞Ｐ０）に増加させる増水処理を実行する。これにより蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水量が増加する。しかし、温度センサ２１８の温度が更に上昇し、第１閾値温度Ｔ１ｂ（Ｔ２＞Ｔ１ｂ＞Ｔ１ａ＞Ｔ０）以上となることがある。

そこで、温度センサ２１８の温度が温度Ｔ１ｂ以上になると、これをトリガー信号とβ２として、制御部１００は、ポンプ４２の出力をＰ１ａからＰ１ｂ（Ｐ１ｂ＞Ｐ１ａ＞Ｐ０）に増加させる増水処理を実行する。これにより蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水量が更に増加する。この増水処理により温度センサ２１８の温度が温度Ｔ１ｂ未満になれば、これをトリガー信号β３として、制御部１００はポンプ４２の出力をＰ１ｂからＰ１ａに低下させる。これによりポンプ４２から蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水量を低下させる。このようにポンプ４２の出力をＰ１ｂからＰ１ａに設定させることにより減水処理を実行する。一時的な昇温要因が解消されていると、温度センサ２１８の温度が第１閾値温度Ｔ１ａ未満となる。この場合、制御部１００は、これをトリガー信号β４として、ポンプ４２の出力をＰ１ａからＰ０に低下させることにより減水処理を実行する、これによりポンプ４２から蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水量を低下させる。温度センサ２１８の温度が温度ＴＯ付近に戻る。この場合、上記した一時的な昇温要因が解消されたものと推定される。

但し、上記した一時的な昇温要因が解消されない場合には、一時的な昇温要因ではなく、後発的な固定的な昇温要因であると考えられる。この場合、前述同様に、温度センサ２１８の温度が第２閾値温度Ｔ２以上に上昇し、蒸発部２０は過熱されて水不足が促進され、水枯れとなるおそれが高い。このため、制御部１００はシステム異状である判定し、ポンプ４２を停止させると共に警告器に警告信号を出力する。この場合、制御部１００はスタック１の発電運転を停止させる。なお本実施形態によれば、蒸発部２０に設けられた温度センサ２１８が検知する実際の温度に基づいて、ポンプ４２の出力を制御するが、これに限らず、改質部２２に設けられた温度センサが検知する温度に基づいて、蒸発部２０の温度もしくは水蒸気の温度を推定して上記した制御を実行しても良い。

（実施形態３）
図７は実施形態３を示す。タンク４４、ポンプ４２、蒸発部２０、改質部２２およびスタック１が直列に配置される。蒸発部２０および改質部２２は加熱装置３００により加熱される。加熱装置３００は、スタック１から吐出されたアノードオフガスを燃焼させた燃焼火炎で蒸発部２０および改質部２２を加熱させる方式ではなく、バーナ等の他の加熱源で蒸発部２０および改質部２２を加熱させる。温度センサ２１８は蒸発部２０の流路方向の中間部に配置されている。この場合においても、温度センサ２１８の温度が温度Ｔ０よりも上昇すると、蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水量が低下するため、蒸発部２０が過熱され、改質部２２において水蒸気改質に使用される水蒸気量が不足するおそれがある。そこで制御部１００は、前述同様に、温度センサ２１８の温度が温度Ｔ１よりも上昇すると、これをトリガー信号として、ポンプ４２の出力をＰ０からＰ１（Ｐ１＞Ｐ０）に増加させる増水処理を実行する。実施形態１，２と同様な制御を実行することができる。

（実施形態４）
図８は実施形態４を示す。図８は、第１技術情報による第１特性線Ｍ１を示す。第１技術情報は、電力負荷１７０の負荷が増加するにつれて、ポンプ４２の出力を増加させるように、電力負荷１７０とポンプ４２の出力との関係を規定している。第１特性線Ｍ１は、蒸発部２０の昇温が検知されない状態における通常の発電運転モードを示す。図８は、第２技術情報による第２特性線Ｍ２を示す。第２技術情報は、電力負荷１７０の負荷が増加するにつれて、ポンプ４２の出力を増加させるように且つ第１技術情報よりもポンプ４２の出力がΔＰ増加するように、電力負荷１７０とポンプ４２の出力との関係を規定している。第２特性線Ｍ２は、蒸発部２０の昇温が検知されたときに実行される増水処理モードを示す。図８に示すように、第１特性線Ｍ１によれば、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ１，Ｗ２，Ｗ３と増加するにつれて、ポンプ４２の出力はＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３と増加する。第２特性線Ｍ２によれば、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ１，Ｗ２，Ｗ３と増加するにつれて、ポンプ４２の出力はＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３と増加する。ここで、Ｐ２１＞Ｐ１１，Ｐ２２＞Ｐ１２，Ｐ２３＞Ｐ１３の関係とされている。制御部１００のメモリ１１０の所定のエリアには、第１特性線Ｍ１を規定する第１技術情報がマップもしくは演算式として格納されており、更に、第２特性線Ｍ２を規定する第２技術情報がマップもしくは演算式として格納されている。

本実施形態によれば、スタック１の通常の発電運転において、温度センサ２１８が検知する温度がＴ１以上とならない条件下において、制御部１００は第１特性線Ｍ１に基づいて、電力負荷１７０（スタック１の発電出力）の負荷の大きさに応じてポンプ４２の出力（単位時間あたりの回転数）を制御する。しかしながら、温度センサ２１８で検知された温度、すなわち、蒸発部２０の温度もしくは蒸発部２０で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度Ｔ１以上となるときがある。また、蒸発部２０の温度もしくは蒸発部２０で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度Ｔ１以上となると制御部１００により推定されるときがある。これらの場合には、蒸発部２０において生成される水蒸気量が減少しており、改質部２２において水蒸気改質に使用される水蒸気量が不足するおそれがある。

そこで制御部１００は、温度センサ２１８の温度が第１閾値温度Ｔ１よりも上昇すると、これをトリガー信号γ１として、制御目標を第１特性線Ｍ１から第２特性線Ｍ２に切り替える。従って制御部１００は、第２技術情報で示される第２特性線Ｍ２に基づいて、電力負荷１７０の負荷に応じてポンプ４２の出力を増加させる増水処理を実行する。これにより改質水タンク４４から蒸発部２０に供給される単位時間あたりの改質水の流量が増加する。この結果、システム異状でない限り、蒸発部２０の温度が低下する。例えば、電力負荷１７０の負荷がＷ３でスタック１が通常に発電運転されているとき、蒸発部２０の過剰昇温が特に認められないため、制御部１００は、ポンプ４２の出力を第１特性線Ｍ１に係るＰ１３に設定している。しかし、一時的な昇温要因等により、温度センサ２１８の温度が第１閾値温度Ｔ１よりも上昇すると、これをトリガー信号γ１として、制御部１００は、第１特性線Ｍ１に係る出力Ｐ１３から、第２特性線Ｍ２に係る出力Ｐ２３に切り替える。これにより増水処理を実行させる。

一時的に昇温要因であれば、上記した増水処理の結果、温度センサ２１８で検知された温度、すなわち、蒸発部２０の温度もしくは蒸発部２０で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度Ｔ１未満となり、温度Ｔ０付近に維持される。この場合、一時的な昇温要因が解消されたと推定される。このため、温度が第１閾値温度Ｔ１未満となると、これをトリガー信号γ２として、制御部１００は、第２特性線Ｍ２に係るＰ２３から、第１特性線Ｍ１に係る出力Ｐ１３に切り替える。これにより減水処理を実行する。なお本実施形態においても、温度センサ２１８で検知された温度が第１閾値温度Ｔ１以上となった後、第２閾値温度Ｔ２以上となったときには、後発的で固定的な昇温要因と推定される。この場合、蒸発部２０が適温以上に過熱されているため、制御部１００はシステム異状であると判定し、システムを停止させて発電運転を停止させると共に警告する。ポンプ４２は停止させても良いし、蒸発部２０の冷却のため、しばらく作動させても良い。なお本実施形態によれば、蒸発部２０に設けられた温度センサ２１８が検知する実際の温度に基づいて、ポンプ４２の出力を制御するが、これに限らず、改質部２２に設けられた温度センサが検知する温度に基づいて、蒸発部２０の温度もしくは水蒸気の温度を推定して上記した制御を実行しても良い。

（実施形態５）
図９は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態４と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有するため、図１および図２を準用する。本実施形態は、貯水部２１０が設けられている蒸発部２０に適する。本実施形態においても、メモリ１１０（図１参照）の所定のエリアには、第１技術情報による第１特性線Ｍ１と、第２技術情報による第２特性線Ｍ２が格納されている。本実施形態によれば、スタック１が通常に発電運転しているとき、制御部１００は、温度センサ２１８が検知する温度が第１閾値温度Ｔ１以上とならない条件下において、第１技術情報による第１特性線Ｍ１に基づいてポンプ４２の出力（回転数）を制御する。

しかしながら、燃料電池システムが発電運転しているときには、ユーザ等の操作により、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ３からＷ２に急に低下するときがある。この場合、電力負荷１７０に引かれる電力は速やかに低下するものの、燃料原料、改質部２２で生成されたアノードガス等が配管に残留している。このため改質部２２に供給される燃料原料の制御応答性、スタック１に供給されるアノードガスの流量の制御応答性、さらには、スタック１から吐出されるアノードオフガスの流量の制御応答性には、限界がある。このため、スタック１の電力負荷１７０が急に低下しているにもかかわらず、温度センサ２１８が検知する温度が第１閾値温度Ｔ１以上に上昇するおそれがある。これは、一時的に昇温要因の一つである。具体的には、電力負荷１７０の低下に伴いスタック１の発電電力が低下しているため、スタック１のアノードで単位時間当たり消費されるアノードガスの活物質（水素など）の量が低下し、スタック１から吐出されるアノードオフガスの流量が増加し、ひいては、蒸発部２０を加熱させる燃焼火炎２４の発熱量が増加し、蒸発部２０が過熱されたり、蒸発部２０付近に熱こもりが発生するためである。

そこで、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ３からＷ２に急に低下したときには、制御部１００は、まず、第１特性線Ｍ１に基づいて、ポンプ４２の出力をＰ１３からＰ１２（Ｐ１２＜Ｐ１３）に低下させる（図９の矢印ＭＡ）。そして、温度センサ２１８が検知する温度が第１閾値温度Ｔ１以上に上昇するまで、制御部１００はポンプ４２の出力をＰ１２に維持させる（Ｐ１２＜Ｐ１３）。温度センサ２１８が検知する温度が第１閾値温度Ｔ１以上に上昇しなかったときには、蒸発部２０は過熱されておらず、制御部１００はポンプ４２の出力をＰ１２に維持させたままとする。

これに対して、温度センサ２１８が検知する温度が第１閾値温度Ｔ１以上に上昇したときには、これをトリガー信号として、制御部１００は、その制御目標を第１特性線Ｍ１のＰ１２から第２特性線Ｍ２のＰ２２に切り替える（図９の矢印ＭＢ）。よって制御部１００は、第２技術情報で示される第２特性線Ｍ２に基づいて、ポンプ４２の出力をＰ１２からＰ２２（Ｐ２２＞Ｐ１２）にΔＰぶん増加させる増水処理を実行する。これにより蒸発部２０に供給される単位時間あたりの水の流量が増加する。この結果、システム異状でない限り、蒸発部２０の蒸発潜熱による吸熱が増加し、蒸発部２０の温度が低下する。従って、温度センサ２１８で検知された温度が第１閾値温度Ｔ１未満となり、温度Ｔ０付近に維持される。このように温度センサ２１８が検知する温度が第１閾値温度Ｔ１未満に下降すると、制御部１００は、制御目標を第２特性線Ｍ２から第１特性線Ｍ１に切り替える（図９の矢印ＭＣ）。すなわち、制御部１００は、第１特性線Ｍ１に基づいて、ポンプ４２の出力をＰ２２からＰ１２（Ｐ２２＞Ｐ１２）にΔＰぶん減少させて元の水量に戻す減水処理を実行する。これにより蒸発部２０に単位時間当たり供給される水量が過剰でなくなり、適切化される。従って改質部２２における水蒸気改質も良好に実行される。

ところで、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ３からＷ２に急に低下したとき、制御部１００が、その制御目標を第１特性線Ｍ１から直ちに第２特性線Ｍ２に移行させて増水処理させることも考えられる。しかしこの場合、温度センサ２１８が検知する温度が上昇しなかったときには、蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水の流量が過剰となり、蒸発部２０の温度が過剰に低下してしまい、改質部２２においてコーキングが発生するおそれがある。

殊に、図２（Ｂ）に示す蒸発部２０では、改質用の水を一時的に溜める貯水部２１０が形成されているため、ポンプ４２により蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水の流量が低下したとしても、蒸発部２０は直ちに昇温するものではない。すなわち、図２（Ｂ）に示す蒸発部２０では、貯水部２１０に予め溜められている改質用の水が水蒸気化され、水蒸気化に伴う潜熱による吸熱現象が発生する。このため、蒸発部２０に供給される単位時間当たりの水の流量が低下したとしても、蒸発部２０は直ちに昇温しない。このため、制御目標が第１特性線Ｍ１から直ちに第２特性線Ｍ２に移行されて増水処理されると、蒸発部２０における水が過剰となり、蒸発部２０の温度が低下し、改質部２２における水蒸気改質反応に影響を与えるおそれがある。この場合、改質部２２にコーキングが発生するおそれがある。

この点本実施形態によれば、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ３からＷ２に急に低下するとき、制御部１００が、第１特性線Ｍ１に従ってポンプ４２の出力を制御する。そして、温度センサ２１８が検知する温度が第１閾値温度Ｔ１以上となったことを条件として、制御部１００は制御目標を第１特性線Ｍ１から第２特性線Ｍ２に切り替える増水処理を実行させる。ここで、温度センサ２１８が検知する温度が第１閾値温度Ｔ１以上とならないときには、制御部１００は増水処理を実行させない。このため、蒸発部２０および改質部２２が過剰に冷えることが抑制される。このように本実施形態は、貯水部２１０が設けられている蒸発部２０に対して良好に対処することができ、改質部２２におけるコーキングの抑制に有利である。なお本実施形態においても、制御部１００は、温度センサ２１８で検知された温度が第１閾値温度Ｔ１以上となった後において、第１閾値温度Ｔ１よりも高温の第２閾値温度Ｔ２以上となったときには、蒸発部２０は過熱状態であるため、制御部１００はシステム異状である判定する。この場合、制御部１００は、システムの発電運転を停止させると共にその旨を警告させる。

図１０は制御部１００が実行するフローチャートの一例を示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。まず、ポンプ４２の出力を、通常運転用の第１特性線Ｍ１に基づいて制御する（ステップＳ２００）。電力負荷１７０の負荷を読み込み（ステップＳ２０４）、負荷が低下しているか否か判定する（ステップＳ２０５）。負荷が低下していれば、モードを第１特性線Ｍ１に維持しつつ、第１特性線Ｍ１に基づいて、低下した負荷に応じてポンプ４２の出力を低下させる（ステップＳ２０６）。状態が安定するまで待機する（ステップＳ２０８）。その後、温度センサ２１８の信号を読み込み（ステップＳ２１０）、温度と第１閾値温度Ｔ１とを比較する（ステップＳ２１２）。温度が第１閾値温度Ｔ１未満であれば、蒸発部２０は正常であるため、モードを第１特性線Ｍ１に維持しつつ（ステップＳ２４０）、メインルーチンリターンする。温度が第１閾値温度Ｔ１以上であれば、温度と第２閾値温度Ｔ２とを比較する（ステップＳ２１４）。温度が第２閾値温度Ｔ２以上であれば、蒸発部２０は過熱状態であり、ポンプ４２を停止させると共にシステムの発電運転を停止させる（ステップＳ２１６）。この場合、所定時間であれば、蒸発部２０の冷却のためポンプ４２を作動させておいても良い。

温度が第２閾値温度Ｔ２未満であれば、モードを高温対処用の第２特性線Ｍ２に切り替える（ステップＳ２１８）。状態が安定するまで待機する（ステップＳ２２０）。その後、温度センサ２１８の信号を読み込み（ステップＳ２２２）、温度と第１閾値温度Ｔ１とを比較する（ステップＳ２２４）。温度が第１閾値温度Ｔ１未満であれば、システムは正常であるため、モードを第２特性線Ｍ２から、通常運転用の第１特性線Ｍ１に切り替える（ステップＳ２２６）。温度が第１閾値温度Ｔ１以上であれば、蒸発部２０は高温であるため、モードを、増水用の第２特性線Ｍ２として維持させる（ステップＳ２２８）。その後、状態が安定するまで待機する（ステップＳ２３０）。なお本実施形態によれば、蒸発部２０に設けられた温度センサ２１８が検知する実際の温度に基づいて、ポンプ４２の出力を制御するが、これに限らず、改質部２２に設けられた温度センサが検知する温度に基づいて、蒸発部２０の温度もしくは水蒸気の温度を推定して上記した制御を実行しても良い。

（実施形態６）
本実施形態は実施形態５と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有するため、図１、図２および図９を準用する。本実施形態は、貯水部を有しない昇温性が速い蒸発部２０に適する。燃料電池システムが発電運転されているとき、ユーザ等の操作により、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ３からＷ２に急に低下する場合がある。これは、一時的に昇温要因である。この場合、電力負荷１７０に引かれる電力は速やかに低下する。システムの配管等の事情により、改質部２２に供給させる燃料原料の制御応答性、スタック１に供給されるアノードガスの流量の制御応答性、スタック１から吐出されるアノードオフガスの流量の制御応答性が比較的速い場合がある。殊に、貯水部が設けられていない蒸発部２０については、余剰の水が少ないため、蒸発部２０に供給される水の流量が低下すると、蒸発部２０の昇温速度は速い。

このため本実施形態によれば、図９から理解できるように、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ３からＷ２に低下するようにユーザ等により操作部１６０のスイッチが操作されたとき、これをトリガー信号として、温度センサ２１８が検知する温度にかかわらず、制御部１００は、蒸発部２０の温度もしくは蒸発部２０で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度Ｔ１以上であると推定する。温度センサ２１８の昇温を検知していたのでは、増水処理の応答が遅くなり、蒸発部２０が過熱されるおそれがあるためである。この場合、制御部１００は、制御目標を通常発電用の特性線Ｍ１から増水用の特性線Ｍ２に直ちに移行させる。これによりポンプ４２の出力をＰ１２ではなくＰ２２（Ｐ２２＞Ｐ１２）に直ちに設定させる。従って制御部１００は、蒸発部２０に供給する単位時間あたりの水の流量を増加させる増水処理を速やかに実行する。

このように本実施形態によれば、温度センサ２１８が検知する温度にかかわらず、制御部１００は、蒸発部２０の温度もしくは蒸発部２０で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度Ｔ１以上となると推定して増水処理を実行する。このため、蒸発部２０の過熱化に対して迅速に対応することができる。なお本実施形態においても、制御部１００は、温度センサ２１８で検知された温度が第１閾値温度Ｔ１以上となった後において、第２閾値温度Ｔ２以上となったときには、制御部１００はシステム異状であると判定し、システムを停止させる。なお本実施形態によれば、蒸発部２０に設けられた温度センサ２１８が検知する実際の温度に基づいて、ポンプ４２の出力を制御するが、これに限らず、改質部２２に設けられた温度センサが検知する温度に基づいて、蒸発部２０の温度もしくは水蒸気の温度を推定して上記した制御を実行しても良い。

（実施形態７）
図１１は、実施形態７を示す。本実施形態は前記した各実施形態と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。本実施形態においても、図１１に示すように、制御部１００のメモリ１１０の所定のエリアには、第１技術情報による第１特性線Ｍ１がマップもくしは演算式として格納されていると共に、第２技術情報による第２特性線Ｍ２がマップもくしは演算式として格納されている。図１１に示すように、第１特性線Ｍ１によれば、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ１，Ｗ２，Ｗ３と増加するにつれて、ポンプ４２の出力はＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３と増加する。第２特性線Ｍ２によれば、スタック１の電力負荷１７０の負荷がＷ１，Ｗ２，Ｗ３と増加するにつれて、ポンプ４２の出力はＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３と増加する。更に、図１１に示すように、第１特性線Ｍ１と第２特性線Ｍ２との間に存在する中間特性線Ｍｍを規定する中間技術情報がマップまたは演算式としてメモリ１１０の所定のエリアに格納されている。

本実施形態によれば、制御部１００は、電力負荷１７０の負荷が一定でスタック１が発電運転しているとき、温度センサ２１８が検知する温度がＴ１以上とならない条件下において、通常運転用の第１特性線Ｍ１に基づいてポンプ４２の出力を制御している。しかしながら、スタック１が一定の電力負荷１７０で発電運転しているにもかかわらず、一時的な昇温要因等により、温度センサ２１８で検知された温度が第１閾値温度Ｔ１以上となるときがある。この場合、制御部１００は、制御目標を通常発電用の第１特性線Ｍ１から増水用の第２特性線Ｍ２に切り替える。従って制御部１００は、第２技術情報で示される第２特性線Ｍ２に基づいて、電力負荷１７０に応じてポンプ４２の出力を増加させる増水処理を実行する。これにより改質水タンク４４から蒸発部２０に供給される単位時間あたりの改質水の流量が増加する。この結果、システム異状でなく一時的な昇温要因であれば、蒸発部２０の温度は次第に低下する。このため、温度センサ２１８で検知された温度が第１閾値温度Ｔ１未満となり、温度Ｔ０付近に維持される。

このように温度が第１閾値温度Ｔ１未満になると、制御部１００は、制御目標を増水用の第２特性線Ｍ２から通常運転用の第１特性線Ｍ１に切り替える。従って制御部１００は第１特性線Ｍ１に基づいてポンプ４２を制御する。これにより蒸発部２０に供給される単位時間あたりの水の流量が適切化され、改質部２２における改質反応が良好となる。しかしながら、前回の増水処理の終了時刻または開始時刻から所定時間内において、温度センサ２１８で検知された温度が第１閾値温度Ｔ１以上に再び上昇するときがある。この場合、制御部１００は、再び、制御目標を第１特性線Ｍ１から第２特性線Ｍ２に切り替える。従って制御部１００は増水用の第２特性線Ｍ２に基づいて、電力負荷１７０の負荷に応じてポンプ４２の出力を増加させる増水処理を実行する。この結果、システム異状でなく、一時的な昇温要因であれば、蒸発部２０の温度が次第に低下する。温度センサ２１８で検知された温度が第１閾値温度Ｔ１未満となり、温度Ｔ０付近に維持される。すると、制御部１００は、制御目標を第２特性線Ｍ２から第１特性線Ｍ１に切り替える減水処理を再び実行する。従って制御部１００は第１特性線Ｍ１に基づいてポンプ４２を制御する。これにより蒸発部２０に供給される単位時間あたりの水の流量が過剰となることが抑制される。蒸発部２０が過剰冷却されることが抑制される。

上記した増水処理を実行した後に減水処理を実行するときにおけるカウント数を１回とする。この場合、スタック１の発電出力がほぼ一定であり、且つ、カウント１回目に相当する増水処理の時刻から（例えば、増水処理の終了時刻または開始時刻等のように、１回目の増水処理の特定の時刻）から所定時間以内である場合において、カウント数が所定回数（Ｎ）以上となると、増水処理および減水処理の発生頻度が過剰である。この場合、一時的な昇温要因というよりも、経時変化的な昇温要因と推定される。経時変化的な昇温要因としては、経年変化によるポンプ４１の出力低下、堆積物に起因する改質水供給通路４１における流路断面積の狭小化等が挙げられる。更に、ポンプ４２から蒸発部２０に供給させる水量を測定する流量計が設けられているときには、流量計の経年変化が挙げられる。

よって経時変化的な昇温要因と推定されるときには、制御部１００は、第１特性線Ｍ１と第２特性線Ｍ２との間に存在する中間特性線Ｍｍを、第１特性線Ｍ１の代わりに制御目標を切り替える。これによりスタック１が通常に発電運転するとき、制御部１００は中間特性線Ｍｍに基づく電力負荷に応じてポンプ４２の出力を制御させる。以降については、制御部１００は通常の運転において中間特性線Ｍｍに基づいてポンプ４２を制御させる。中間特性線Ｍｍは、特性線Ｍ１，Ｍ２間の中央値ばかりではなく、特性線Ｍ１，Ｍ２の間に存在していればよい。なお本実施形態においても、温度センサ２１８で検知された温度が第１閾値温度Ｔ１以上となった後、第２閾値温度Ｔ２以上となったときには、後発的な固定的な昇温要因と考えられるため、制御部１００はシステム異状である判定し、システムの発電運転を停止させる。

図１２は制御部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。まず、モードを第１特性線Ｍ１に維持させるようにポンプ４２を制御する（ステップＳ３０２）。次に、温度センサ２１８の信号を読み込む（ステップＳ３０４）。温度と第１閾値温度Ｔ１とを比較する（ステップＳ３０６）。モードを通常運転用の第１特性線Ｍ１から、増水用の第２特性線Ｍ２に切り替える（ステップＳ３０８）と共に、タイマーをスタートさせる（ステップＳ３１０）。状態が安定する間で待機する（ステップＳ３１２）。次に、温度センサ２１８の信号を読み込む（ステップＳ３１４）。温度と第１閾値温度Ｔ１とを比較する（ステップＳ３１６）。温度が第１閾値温度Ｔ１以上であれば、温度と第２閾値温度Ｔ２とを比較する（ステップＳ３１８）。温度が第２閾値温度Ｔ２以上であれば、蒸発部２０が過熱されており、ポンプ４２を停止させると共にシステムの発電運転を停止させ、警告する（ステップＳ３２０）。温度が第２閾値温度Ｔ２未満であれば、モードを高温対処用の第２特性線Ｍ２に維持させる（ステップＳ３２２）。

ステップＳ３１６の判定の結果、温度が第１閾値温度Ｔ１未満であれば、モードを通常運転用の第１特性線Ｍ１に切り替える（ステップＳ３３０）。そして、カウント数を１増加させる（ステップＳ３３２）。初回の第２特性線Ｍ２による増水処理から所定時間経過しているか否か判定する（ステップＳ３３４）。所定時間以内であれば、カウント数と所定回数Ｃ１とを比較する（ステップＳ３３６）。カウント数が所定回数Ｃ１以上であれば、増水処理および減水処理が頻繁に繰り返されており、経年変化による昇温要因が発生していると推定される。そこでモードを中間特性線Ｍｍに切り替える（ステップＳ３３８）と共にタイマーをリセットさせる（ステップＳ３４０）。

（実施形態８）
図１３および図１４は実施形態８を示す。図１３は固体酸化物形の燃料電池システムの概念を示す。図１４はスタック１付近を示す。図１４に模式的に示すように、固体酸化物形燃料電池システムにおいて搭載されているスタック１は、スタック１を収容する発電室３２において、カソードガスが通過できる通路３２ｒを形成するように複数の燃料電池セル１０を並設して形成されている。隣接する燃料電池セル１０は図示しない導電部材によって電気的に接続されている。燃料電池セル１０は、アノードガスが供給される燃料極として機能するアノード１１と、カソードガスが供給される酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質１５と、アノードガスを通過させる通路１１ｒをもつ多孔性導電部１１ｗと、コネクタ１０ｘとを有する。カソード１２は、カソードガスが流れる通路３２ｒに対面する。電解質５を構成する固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ^２−）を伝導させる性質をもつものであり、イットリアを添加した安定化ジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。多孔質導電部１１ｗは、通路１１ｒに供給されたアノードガスをアノード１１に供給するとともにアノード１１、電解質１５、カソード１２およびコネクタ１０ｘを支持するものであり、材質はガス透過性と導電性を有し、金属と希土類酸化物の複合体が例示される。アノード１１は、ニッケル等の金属相とジルコニアとが混在するサーメットが例示される。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。コネクタ１０ｘは、ガス不透過性と導電性を有し、通路１１ｒから多孔質導電部２６に拡散されたアノードガスと、カソードガスの通路３２ｒに供給されたカソードガスを遮断するものであり、ペロブスカイト型酸化物が例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、スタック１の下部には、アノードガス通路１４を介して供給されたアノードガスをスタック１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。

図１４に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料が供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０の下流に設けられており、蒸発部２０で生成された水蒸気でガス状または液状の燃料原料を水蒸気改質させてアノードガス（水素リッチのため還元性雰囲気）を生成させ、アノードガスをアノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介してアノード１１側の多孔質導電部１１ｗの通路１１ｒに供給させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。

筐体９は、筐体９の収容室９１と、外気とを連通させる外気取込口９２と、外気連通口９３とをもつ。燃料電池モジュール３は筐体９の内部に収容されており、発電室３２を形成する断熱材で形成された容器状の断熱部３０を有する。断熱部３０の発電室３２にスタック１および改質器２を燃焼用空間２３を介して収容することにより、燃料電池モジュール３は形成されている。

燃料電池モジュール３では、スタック１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。燃料電池モジュール３では、スタック１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼用空間２３が形成されている。殊に、スタック１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼用空間２３が形成されている。

図１３に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される液相状の改質水を蒸発部２０を介して改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２の蒸発部２０とを結ぶ改質水供給通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。図１３に示すように、燃料原料供給系５は、炭化水素系の燃料原料を改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、流量計５３、脱硫器５４と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。カソードガス供給糸６は、空気であるカソードガスを燃料電池モジュール３の発電室３２に供給するカソードガス供給通路６０と、除塵フィルタ６１と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）と、流量計６３とを有する。

カソードガスポンプ６２が駆動すると、外気は外気取込口９２から収容室９１に流入し、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとして燃料電池モジュール３の発電室３２に供給される。外気取込口９２から取り込まれる外気（カソードガス）の温度を検知する温度センサ１０２が、筐体９の外気取込口９２付近において設けられている。蒸発部２０で生成される水蒸気の温度を検知する温度センサ２１８が蒸発部２０に設けられている。改質器２の改質部２２の温度を検知する温度センサ１０４が改質器２２に設けられている。

スタック１の温度を検知する温度センサ１０５がスタック１に設けられている。センサ１０２，２１８，１０４，１０５の各信号は制御部１００に入力される。

図１３に示すように、貯湯系７は、熱交換器７４および貯湯タンク７０を循環する循環通路７１と、貯湯タンク７０と、循環通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯用水の水搬送源）とを有する。循環通路７１は、貯湯タンク７０の下側の出水ポート７０ｐから導出された往路７１ａと、貯湯タンク７０の上側の入水ポート７０ｉに導入された復路７１ｃとを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯タンク７２の水は、出水ポート７０ｐおよび循環通路７１の往路７１ａを介して熱交換器７４の水通路７４ｗに供給され、熱交換器７４のガス通路７４ｇにおける排気ガスとの熱交換により加熱され、復路７１ｃおよび入水ポート７０ｉから貯湯タンク７０に帰還する。これにより貯湯タンク７０は温水を貯留させる。貯湯タンク７０の上部には温水取出通路７０ｍが接続され、下部には新水通路７０ｋが接続されている。貯湯タンク７０では、上部の温水は下部よりも暖かいため、温水取出通路７０ｍから取り出される。貯湯タンク７０の水が不足するとき、新しい水が新水通路７０ｋから貯湯タンク７０の下部に導入される。

燃料電池モジュール３の近傍には熱交換器７４が設けられている。熱交換器７４は、燃料電池モジュール３から排出される排気ガス（スタック１の発電運転に伴い発生する高温の排気ガスが通過するガス通路７４ｇと、貯湯系７の循環通路７１の水が通過する水通路７４ｗとをもつ。そして、熱交換器７４のガス通路７４ｇを流れる排気ガスの熱は、貯湯系７の循環通路７１の水に伝達される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから排気ガス通路７５が筐体９の排気口７６に向けて延設されている。燃料電池モジュール３の発電室３２で生成された排気ガスは、熱交換器７４で冷却された後、排気ガス通路７５を介して排気口７６から外気に排出される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。従って排気ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器７４において冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から重力等により水精製器４０に供給される。

さて、スタック１の発電運転時には、バルブ５２が開放した状態で燃料原料ポンプ５５が駆動し、ガス状または液状の燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、改質水タンク４４の液相状の改質水が改質水供給通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形のスタック１では、Ｈ_２の他にＣＯも燃料となりうる。

（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック１のアノード１１側の通路１１ｒに供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体９の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介して燃料電池モジュール３の発電室３２に供給され、通路３２ｒを介してカソード１２に供給される。これによりスタック１が電力負荷１７０と接続されている状態において、スタック１はアノードガスとカソードガスとにより発電する。

発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード１１では基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソード１２では基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード１２において発生した酸素イオン（Ｏ^２−）がカソード１２からアノード１１に向けて電解質１５を伝導する。

（２）…Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（３）…１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
発電反応後のアノードオフガスは、スタック１の上方の燃焼用空間２３に排出され、発電反応後のカソードオフガスおよび発電反応を経ていないカソードガスにより燃焼し、燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成し、その後、排気ガスとして、熱交換器７４を経て排気ガス通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器７４から導出される凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、改質水タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。なお、アノードガス（燃料原料）の流量としては、スタック１のアノード１１における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３においてアノードオフガスが燃焼火炎２４を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。カソードガスの流量としては、スタック１のカソード１２における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３において燃焼用空気として燃焼火炎２４を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。

蒸発部２０は、燃焼用空間２３の燃焼火炎２４により加熱される。蒸発部２０は、炭化水素系の燃料原料を水蒸気改質させる改質触媒部２２０を有する水蒸気改質反応室（吸熱室）を有する改質部２２に繋がる。改質触媒部２２０は、水蒸気改質反応を促進させる改質触媒と、改質触媒を担持するセラミックス担体（例えばアルミナ、マグネシア）とを有する。触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、金等の貴金属系、または、ニッケル等の卑金属系等の公知のものが例示される。本実施形態によれば、制御部１００は、上記した各実施形態の増水処理および／または減水処理を実行させることができる。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示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。スタック１は実施形態では円筒平板型であるが、これに限らず、平板積層型、チューブ型でも良い。蒸発部２０は改質部２２と一体的に形成されているが、これに限らず、蒸発部２０は改質部２２から物理的に分離されていても良い。改質水ポンプ４２、燃料原料ポンプ５５およびカソードガスポンプ６２はポンプに限らず、コンプレッサ、ファンでも良い。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。

［付記項１］改質水が流れる給水通路と、給水通路に設けられ水を水蒸気化させる蒸発部と、蒸発部の下流に配置され蒸発部で生成された水蒸気を用いて燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、給水通路に設けられ水源の水を蒸発部に供給させる水搬送源と、水搬送源を制御する制御部とを具備する燃料電池システム。水搬送源により水は蒸発部に供給される。

本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用の固体酸化物形燃料電池システムに利用することができる。

１はスタック、１１はアノード、１２はカソード、２は改質器、２０は蒸発部、２２は改質部、２３は燃焼用空間、２４は燃焼火炎、３は燃料電池モジュール、３０は断熱部、３２は発電室、３２ｒは通路、４は改質水系、４０は水精製器、４１は改質水供給通路、４２はポンプ（水搬送源）、４４はタンク（水源）、５は燃料原料供給系、５１は燃料原料供給通路、５５は燃料原料ポンプ（燃料原料搬送源）、６はカソードガス供給系、６０はカソードガス供給通路、６２はカソードガスポンプ（カソードガス搬送源）、１００は制御部、１５０はメモリ（記憶部）、１６０は操作部、１７０は電力負荷を示す。

Claims (5)

1. 水が流れる給水通路と、前記給水通路に設けられ水を水蒸気化させる蒸発部と、前記蒸発部の下流に配置され前記蒸発部で生成された水蒸気を用いて燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、アノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、前記給水通路に設けられ水源の水を前記蒸発部に供給させる水搬送源と、前記水搬送源を制御する制御部とを具備しており、
   前記制御部は、
   前記蒸発部の温度もしくは前記蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となるとき、または、前記蒸発部の温度もしくは前記蒸発部で生成された水蒸気の温度が前記第１閾値温度以上になると推定されるとき、前記水搬送源の出力を増加させて前記蒸発部に供給する単位時間当たりの水の流量を増加させる増水処理を実行する燃料電池システムであって、
   前記増水処理後において前記搬送源の出力を低下させる減水処理を実行するときのカウント数が、前記増水処理後の前記所定時間以内に、所定回数以上となるとき、前記制御部は、前記増水処理における前記水搬送源の出力値と前記減水処理における前記水搬送源の出力値との間に、前記水搬送源の出力値を設定する燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記制御部は記憶部を有しており、前記記憶部は、前記燃料電池の電力負荷の負荷が増加するにつれて前記水搬送源の出力を増加させるように前記電力負荷と前記水搬送源の出力との関係を規定した第１技術情報を格納していると共に、前記電力負荷の負荷が増加するにつれて前記水搬送源の出力を増加させるように且つ前記第１技術情報よりも前記水搬送源の出力が増加するように前記電力負荷と前記水搬送源の出力との関係を規定した第２技術情報を格納しており、
   前記制御部は、前記燃料電池の発電運転において、前記第１技術情報に基づいて前記水搬送源の出力を制御しており、
   前記制御部は、前記蒸発部の温度もしくは前記蒸発部で生成された水蒸気の温度が第１閾値温度以上となるとき、または、前記蒸発部の温度もしくは前記蒸発部で生成された水蒸気の温度が前記第１閾値温度以上となると推定されるとき、前記第１技術情報から前記第２技術情報に制御目標を切り替え、前記第２技術情報に基づいて前記水搬送源の出力を増加させる前記増水処理を実行する燃料電池システム。
3. 請求項２において、前記増水処理の実行後に、前記蒸発部の温度もしくは前記蒸発部で生成された水蒸気の温度が前記第１閾値温度未満となるとき、または、前記蒸発部の温度もしくは前記蒸発部で生成された水蒸気の温度が前記第１閾値温度未満と推定されるとき、
   前記制御部は、前記第２技術情報から前記第１技術情報に切り替え、前記第１技術情報に基づいて前記水搬送源の出力を制御する燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、発電運転時において、前記蒸発部は、前記燃料電池から吐出されたアノードオフガスを酸素含有ガスにより燃焼させた燃焼火炎により加熱される構造を有する燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記制御部は、前記蒸発部の温度もしくは前記蒸発部で生成された水蒸気の温度が前記第１閾値温度以上となった後、前記第１閾値温度よりも高温の第２閾値温度以上となったとき、異状と判定する燃料電池システム。

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