JP6439545B2

JP6439545B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6439545B2
Application number: JP2015072146A
Authority: JP
Inventors: 康弘長田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016192334A

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力を発生させる燃料電池システムに関する。

電力を発生させる燃料電池システムの研究開発が進められている。このような燃料電池システムでは、燃料電池セルに供給する水素を生成するために、メタン等の炭化水素を含む原料ガスを改質器によって改質することが一般的に行われている。

改質器における改質方法として、原料ガスとともに水蒸気を改質器に供給して反応させる水蒸気改質が知られている。水蒸気改質は、原料ガスとともに酸素を改質器に供給して反応させる部分酸化改質と比べて水素の収率が高い改質方法であるため、燃料電池システムの発電効率の向上に大きく寄与し得る改質方法である。

水蒸気改質に要する水蒸気は、水道から供給される水道水を加熱し、蒸発させて生成することも検討されている。しかしながら、水道水はカルシウム成分等の不純物を含有しており、当該不純物が燃料電池システム内で析出するなどして故障の原因となるおそれがある。このような不具合を解消するために、ろ過装置等の、水道水から不純物を除去する装置を設けることも検討されているが、それに伴って製造コストが増大するという新たな課題を招いてしまう。

これに対し、下記特許文献１には、燃料電池セルのアノードから排出されたオフガスを再利用する燃料電池システムが記載されている。詳細には、当該燃料電池システムは、アノードから排出されたオフガスの一部を改質器に供給する。また、当該燃料電池システムは、改質器に原料ガスを供給する流路にエジェクタが設けられており、原料ガスが当該エジェクタを通過することで発生する負圧によってオフガスを吸引し、そのオフガスを改質器に供給するように構成されている。オフガスは、燃料電池セルにおける電気化学反応に伴って生成された水蒸気を含有している。したがって、下記特許文献１に記載の燃料電池システムによれば、オフガスが含有する水蒸気を改質器における水蒸気改質に利用することが可能になるため、外部から水蒸気の供給を受けることなく、継続的に電力を発生できる。

また、当該燃料電池システムは、アノードから排出されたオフガスの他部は、燃焼器に供給されて燃焼する。この燃焼に伴って発生する燃焼熱を利用して改質器を加熱することによって、吸熱反応である水蒸気改質を継続的に行うことが可能となる。

特開２００７−１２８６８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、エジェクタを通過する原料ガスの流量が小さくなると、エジェクタにおいて十分な負圧を発生させることができなくなる。このため、燃料電池セルに対する要求電力が小さくなったことに基づいて、改質器に供給する原料ガスの流量を小さくする場合に、オフガスを適切に吸引できなくなるおそれがある。その結果、改質器に供給できる水蒸気量が不足し、水蒸気改質を安定的に行うことができなくなるという課題があった。

例えば、エジェクタに代えてポンプを用いてオフガスを吸引する場合でも、このような課題は同様に生じ得る。一般的に、ポンプは、吐出流量が小さい駆動領域ではその流量が安定しないため、改質器に供給する原料ガスの流量を小さくする場合に、やはり改質器に供給できる水蒸気量が不足する懸念があるからである。一方、ポンプを過度に駆動させてオフガスを吸引し、改質器に供給する水蒸気量を増加させると、それに伴って燃焼器に供給できるオフガスの流量が低下してしまう。このため、燃焼熱を利用した改質器の加熱を十分に行えなくなり、やはり水蒸気改質を安定的に行うことができなくなる。

このようにして改質器に供給できる水蒸気量が減少し、改質器における炭化水素量に対する水蒸気量の比であるスチームカーボン比が小さくなると、改質触媒において炭素析出が生じるおそれがある。炭素析出が生じると、改質触媒における改質が妨げ、燃料電池システムの発電効率を低下させる原因となる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池セルのアノードから排出された水蒸気を改質器における水蒸気改質に利用しながらも、炭素析出を抑制することが可能な燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力を発生させる燃料電池システム（１０）であって、水蒸気改質及び部分酸化改質が可能な改質触媒（２５１）を有し、炭化水素を含有する原料ガス、水蒸気及び空気の供給を受け、水素を含有する燃料ガスを生成する改質器（２５）と、前記改質器から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させる燃料電池セル（ＦＣ）と、可燃ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器（５５）と、前記燃料電池セルのアノード（ＡＮ）から排出されたオフガスを流し、該オフガスの一部を前記改質器に導く循環側流路（５１Ｂ）と、該オフガスの他部を前記燃焼器に導く燃焼側流路（５１Ｃ）と、を有するアノードオフガス流路（５１）と、を備え、前記循環側流路を燃料ガスとともに流れる水蒸気の流量が小さいほど、前記改質器に供給する空気の流量が大きくなるようにし、改質器におけるスチームカーボン比が所定値未満である場合は改質器に空気を供給する一方で、改質器におけるスチームカーボン比が所定値以上である場合は改質器に空気を供給しない。

本発明によれば、燃料電池セルのアノードから排出されたオフガスの一部を、アノードオフガス流路の循環側流路によって改質器に導く。これにより、オフガスが含有している水蒸気が改質器に供給されるため、当該水蒸気を水蒸気改質に利用することが可能となる。

さらに、本発明では、オフガスとともに循環側流路を流れる水蒸気の流量が小さい場合は、該流量が大きい場合と比べて改質器に供給する空気の流量を大きくする。改質器に空気を供給することで、改質器では当該空気が含有している酸素と炭化水素とによる部分酸化改質が行われる。これにより、改質器に存在する炭化水素を減少させ、その結果、改質器におけるスチームカーボン比を高めて炭素析出を抑制することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池セルのアノードから排出された水蒸気を改質器における水蒸気改質に利用しながらも、炭素析出を抑制することが可能な燃料電池装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるガスの流れを説明する説明図である。燃料循環率、スチームカーボン比及び炭素析出限界の関係を示す説明図である。図１に示された制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。図１に示された制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。図１に示された制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。図１に示された改質器の詳細を示す説明図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。燃料電池システム１０は、燃料電池セルＦＣと、燃料ガス供給部２０と、第１空気供給部３０と、第２空気供給部４０と、オフガス導出部５０と、を備えている。また、燃料電池システム１０は、これらを統合制御する制御装置１００を備えている。

燃料電池セルＦＣは、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、正極であるアノードＡＮと、負極であるカソードＣＡと、を有している。燃料電池システム１０では、複数の燃料電池セルＦＣを電気的に直列に接続することで、集合体であるセルスタックを構成しているが、説明の簡便のため、図１では１つの燃料電池セルＦＣのみを図示している。燃料電池セルＦＣのアノードＡＮ及びカソードＣＡは、いずれも導電性セラミックスで形成されている。アノードＡＮとカソードＣＡとの間には、イオン伝導性を有する固体電解質（不図示）が設けられている。燃料電池セルＦＣは、供給される燃料ガスと酸化剤ガスとによる電気化学反応を生じさせ、要求電力に対応する電力を発生させる。

燃料電池セルＦＣが燃料電池システム１０の外部の負荷に供給する電力の電流値I_fcは、所定のサンプリング周期で電流センサ６９によって検出される。電流センサ６９は、制御装置１００と電気的に接続されており、検出した電流値I_fcに対応する信号を制御装置１００に送信する。

燃料ガス供給部２０は、燃料電池セルＦＣのアノードＡＮに燃料ガスを供給する機能部である。燃料ガス供給部２０は、ブロワ２１と、原料ガス供給路２３と、エジェクタ２４と、改質器２５と、燃料ガス供給路２６と、流量センサ２８と、温度センサ２９と、を有している。

ブロワ２１は、電力の供給を受けて駆動する電動送風機である。ブロワ２１は、制御装置１００と電気的に接続されており、制御装置１００から受信する制御信号に基づいて駆動する。ブロワ２１の上流側は都市ガスの供給管（不図示）に接続されている。ブロワ２１が駆動すると、メタンを主成分とする都市ガスが上流側から吸引され、下流側の原料ガス供給路２３に吹き出される。本明細書では、この都市ガスのことを「原料ガス」とも称する。

原料ガス供給路２３は、原料ガスを流す流路である。原料ガス供給路２３は、上流側のブロワ２１から下流側の改質器２５まで延びるように形成されている。

エジェクタ２４は、原料ガス供給路２３の途中に設けられている。エジェクタ２４の内部には流路が形成されており、当該流路の一部は、その上流側から下流側にかけて、流路断面積が漸次減少する絞り部（不図示）となっている。ブロワ２１から原料ガス供給路２３を介してエジェクタ２４に供給される原料ガスは、この絞り部を通過することで流速が増加する。この絞り部を通過する原料ガスの流れは、負圧を発生させる。当該負圧は、後述するようにオフガスの吸引に利用される。

流量センサ２８は、ブロワ２１とエジェクタ２４との間の原料ガス供給路２３に設けられている。流量センサ２８は、所定のサンプリング周期で、原料ガス供給路２３を流れる原料ガスの流量F_fuelを検出する。流量センサ２８は、制御装置１００と電気的に接続されており、検出した流量F_fuelに対応する信号を制御装置１００に送信する。

改質器２５は、原料ガス供給路２３の下流端に接続されている。改質器２５は、金属製の容器２５２によってその外形が形成されており、その容器２５２の内部に多数の改質触媒２５１が配置されている（図６参照）。改質器２５は、原料ガス供給路２３を介して供給される原料ガスを、この改質触媒２５１によって改質し、下流側の燃料ガス供給路２６に排出する。本明細書では、改質器２５によって改質された原料ガスのことを「燃料ガス」とも称する。

改質触媒２５１は、次式ｆ１で示されるように、炭化水素及び酸素から水素を生成する部分酸化改質を行うことができる。部分酸化改質は発熱反応であるため、部分酸化改質を行う際は改質触媒２５１及び改質器２５が昇温して高温となる。

また、改質触媒２５１は、次式ｆ２で示されるように、炭化水素及び水蒸気から水素を生成する水蒸気改質を行うことができる。水蒸気改質は、部分酸化改質と比べて水素の収率が高い改質方法である。すなわち、水蒸気改質によれば、部分酸化改質と同量の炭化水素の供給を受けた場合に、部分酸化改質よりも多くの水素を生成することができる。水蒸気改質は吸熱反応であるため、その改質を安定的に行うためには、外部から改質触媒２５１に熱を供給し、改質触媒２５１を活性温度の６００℃以上に保持することが必要となる。

温度センサ２９は、改質器２５に設けられている。温度センサ２９は、所定のサンプリング周期で、改質器２５の温度T_refを検出する。温度センサ２９は、制御装置１００と電気的に接続されており、検出した温度T_refに対応する信号を制御装置１００に送信する。

燃料ガス供給路２６は、上流側の改質器２５から下流側の燃料電池セルＦＣまで延びるように形成された流路である。燃料ガス供給路２６は、改質器２５から排出された燃料ガスを流し、燃料電池セルＦＣのアノードＡＮに導く。

第１空気供給部３０は、燃料電池セルＦＣのカソードに酸化剤ガスを供給する機能部である。第１空気供給部３０は、ブロワ３１と、空気供給路３２と、空気予熱器３３と、予熱空気供給路３５と、流量センサ３９と、を有している。

ブロワ３１は、電力の供給を受けて駆動する電動送風機である。ブロワ３１は、制御装置１００と電気的に接続されており、制御装置１００から受信する制御信号に基づいて駆動する。ブロワ３１が駆動すると、燃料電池システム１０の外部から空気が吸引され、下流側の空気供給路３２に吹き出される。本明細書では、この空気のことを「発電用空気」とも称する。

空気供給路３２は、その上流端がブロワ３１に接続され、下流端が空気予熱器３３に接続された流路である。空気供給路３２は、ブロワ３１によって吹き出された発電用空気を流し、空気予熱器３３に導く。

空気予熱器３３は、発電用空気と他の流体とで熱交換を行わせる熱交換器である。空気予熱器３３は、空気供給路３２を介して供給される発電用空気を流す流路が内部に形成されている。また、空気予熱器３３は、後述する燃焼ガス流路５６を介して供給される燃焼ガスを流す流路が内部に形成されている。

予熱空気供給路３５は、発電用空気を流す流路である。予熱空気供給路３５は、上流側の空気予熱器３３から下流側の燃料電池セルＦＣまで延びるように形成されている。予熱空気供給路３５は、空気予熱器３３から排出された発電用空気を流し、燃料電池セルＦＣのカソードＣＡに導く。

第２空気供給部４０は、改質器２５に空気を供給する機能部である。第２空気供給部４０は、ブロワ４１と、空気供給路４２と、流量センサ４９と、を有している。

ブロワ４１は、電力の供給を受けて駆動する電動送風機である。ブロワ４１は、制御装置１００と電気的に接続されており、制御装置１００から受信する制御信号に基づいて駆動する。ブロワ４１が駆動すると、燃料電池システム１０の外部から空気が吸引され、空気供給路４２に吹き出される。本明細書では、この空気のことを「改質用空気」とも称する。

空気供給路４２は、その上流端がブロワ４１に接続され、下流端がエジェクタ２４よりも上流側で原料ガス供給路２３に接続された流路である。空気供給路４２は、ブロワ４１によって吹き出された改質用空気を流し、原料ガス供給路２３に導く。

流量センサ４９は、空気供給路４２に設けられている。流量センサ４９は、空気供給路４２を流れる改質用空気の流量F_air2を検出する。流量センサ２８は、制御装置１００と電気的に接続されており、検出した流量F_air2に対応する信号を制御装置１００に送信する。

オフガス導出部５０は、アノードオフガス流路５１と、カソードオフガス流路５３と、燃焼器５５と、燃焼ガス流路５６と、上流側流量センサ５８と、循環側流量センサ５９と、を有している。

アノードオフガス流路５１は、燃料電池セルＦＣのアノードＡＮから排出されたオフガス（以下、これを「アノードオフガス」ともいう）を流す流路である。アノードオフガス流路５１は、上流側流路５１Ａと、上流側流路５１Ａから分岐部５１１において分岐する循環側流路５１Ｂ及び燃焼側流路５１Ｃと、を有している。

燃料電池セルＦＣのアノードＡＮから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路５１の上流側流路５１Ａに流入する。このアノードオフガスは、上流側流路５１Ａを下流側に流れると、分岐部５１１において分流し、その一部が循環側流路５１Ｂに流入し、他部が燃焼側流路５１Ｃに流入する。

循環側流路５１Ｂは、分岐部５１１からエジェクタ２４まで延びている。したがって、燃料電池セルＦＣのアノードＡＮから排出されたアノードオフガスの一部は、エジェクタ２４が発生させる負圧によって吸引され、循環側流路５１Ｂを流れてエジェクタ２４に導かれる。

燃焼側流路５１Ｃは、分岐部５１１から燃焼器５５まで延びている。したがって、燃料電池セルＦＣのアノードＡＮから排出されたアノードオフガスの他部は、燃焼側流路５１Ｃを流れて燃焼器５５に導かれる。

カソードオフガス流路５３は、上流側の燃料電池セルＦＣから下流側の燃焼器５５まで延びるように形成された流路である。カソードオフガス流路５３は、燃料電池セルＦＣのカソードＣＡから排出されたオフガス（以下、これを「カソードオフガス」ともいう）を燃焼器５５に導く。

燃焼器５５は、供給される可燃ガスに着火し、当該可燃ガスを燃焼させる機器である。燃焼器５５は、改質器２５に近接して設けられ、改質器２５との熱交換が可能となるように構成されている。これにより、改質器２５は、燃焼器５５が可燃ガスを燃焼させた際に発生する燃焼熱によって加熱される。

燃焼ガス流路５６は、上流側の燃焼器５５から下流側の空気予熱器４３まで延びるように形成された流路である。燃焼ガス流路５６は、燃焼器５５における可燃ガスの燃焼に伴って発生した燃焼ガスを流し、空気予熱器４３に導く。

上流側流量センサ５８は、アノードオフガス流路５１の上流側流路５１Ａに設けられている。上流側流量センサ５８は、所定のサンプリング周期で、上流側流路５１Ａを流れるアノードオフガスの流量F_offを検出する。上流側流量センサ５８は、制御装置１００と電気的に接続されており、検出した流量F_offに対応する信号を制御装置１００に送信する。

循環側流量センサ５９は、アノードオフガス流路５１の循環側流路５１Ｂに設けられている。循環側流量センサ５９は、所定のサンプリング周期で、循環側流路５１Ｂを流れるアノードオフガスの流量F_cycを検出する。循環側流量センサ５９は、制御装置１００と電気的に接続されており、検出した流量F_cycに対応する信号を制御装置１００に送信する。

次に、以上のように構成された燃料電池システム１０が電力を発生させる際の基本的な動作について説明する。

燃料ガス供給部２０のブロワ２１によって吹き出された原料ガスは、前述したように原料ガス供給路２３を流れる。原料ガスは、エジェクタ２４においてアノードオフガスと合流し、改質器２５に供給される。

ここで、アノードオフガスは、燃料電池セルＦＣにおける電気化学反応に用いられなかった燃料ガスと、電気化学反応に伴って生成された水蒸気とを含有している。したがって、原料ガスとアノードオフガスとが合流して改質器２５に供給されることで、改質触媒２５１では、原料ガスを水蒸気によって改質する水蒸気改質が行われる。これにより、原料ガスは水素リッチな燃料ガスとなる。この燃料ガスは、燃料ガス供給路２６によって燃料電池セルＦＣのアノードＡＮに導かれる。

一方、第１空気供給部３０のブロワ３１によって吹き出された発電用空気は、前述したように空気供給路３２を流れ、空気予熱器３３に供給される。空気予熱器３３には、燃焼器５５から燃焼ガス流路５６を介して供給される高温の燃焼ガスが流れている。したがって、空気予熱器３３に供給された発電用空気は、高温の燃焼ガスと熱交換を行うことで加熱され、昇温する。空気予熱器３３から排出された発電用空気は、予熱空気供給路３５によって燃料電池セルＦＣのカソードＣＡに導かれる。

燃料電池セルＦＣは、このようにして供給される燃料ガスと空気とを用いて電力を発生させる。詳細には、燃料電池セルＦＣは、アノードＡＮに供給された燃料ガスが含有している水素と、カソードＣＡに供給された空気が含有している酸素とを用いて電気化学反応を生じさせることで、電気エネルギーを発生させている。

アノードＡＮから排出されるアノードオフガスは、燃料電池セルＦＣにおける電気化学反応に用いられなかった水素を含有している。このため、アノードオフガスの一部を、循環側流路５１Ｂによって改質器２５に戻し、再度アノードＡＮに導くことで、発電効率を高めることが可能となる。アノードオフガスの他部は、燃焼側流路５１Ｃによって燃焼器５５に供給される。

また、アノードＡＮから排出されるアノードオフガスは、燃料電池セルＦＣにおける電気化学反応に伴って生成された水蒸気を含有している。このため、アノードオフガスの一部を、循環側流路５１Ｂによって改質器２５に戻すことで、この水蒸気を利用した水蒸気改質を行うことが可能となる。すなわち、燃料電池システム１０の外部から水の供給を受けることなく、改質器２５において水蒸気改質を行うことができる。このため、燃料電池システム１０に、外部から水を取り込む機構や、その水を加熱して水蒸気を生成する機構を搭載する必要が無く、低コストながらも信頼性の高いシステムを構築することが可能となる。

また、カソードＣＡから排出されるカソードオフガスは、燃料電池セルＦＣにおける電気化学反応に用いられなかった酸素を含有している。このカソードオフガスは、カソードオフガス流路５３によって燃焼器５５に供給される。

燃焼器５５では、以上のようにして供給される水素と酸素を用いて燃焼を行う。これにより、発生する燃焼熱を利用した改質器２５及び改質触媒２５１の加熱を行うことが可能となり、吸熱反応である水蒸気改質を改質器２５において安定的に行うことができる。

ところで、本燃料電池システム１０では、エジェクタ２４を通過する原料ガスの流量が小さくなると、エジェクタ２４において十分な負圧が発生させることができなくなる。このため、燃料電池セルＦＣに対する要求電力が小さくなったことに基づいて、改質器２５に供給する原料ガスの流量を小さくする場合に、アノードオフガスを適切に吸引できなくなるおそれがある。その結果、改質器２５に供給できる水蒸気量が不足し、水蒸気改質を安定的に行うことができなくなるおそれがある。

このようにして改質器２５に供給できる水蒸気量が減少し、改質器２５における炭化水素量に対する水蒸気量の比であるスチームカーボン比が小さくなると、改質触媒２５１において炭素析出が生じるおそれがある。炭素析出が生じると、改質触媒２５１における改質が妨げ、燃料電池システム１０の発電効率を低下させる原因となる。

そこで、燃料電池システム１０は、改質器２５において水蒸気改質を行う際に、第２空気供給部４０によって改質器２５に空気を適宜供給することで、改質触媒２５１において部分酸化改質反応を生じさせることで炭素析出を抑制している。この部分酸化改質は発熱反応であることから、改質器２５内部で同時に生じる吸熱反応である水蒸気改質に熱供給することが可能である。以下、図２乃至図６を参照しながら、燃料電池システム１０による改質器２５の炭素析出の抑制及び反応温度の制御方法について説明する。

燃料循環率η_cycと、改質器２５におけるスチームカーボン比S/Cとの関係を図２に示す。燃料循環率η_cycは、上流側流路５１Ａを流れるアノードオフガスの流量F_offに対する、循環側流路５１Ｂを流れるアノードオフガスの流量F_cycの比を百分率で示すものであり、次式ｆ３で表される。また、改質器２５におけるスチームカーボン比S/Cは、改質器２５に供給される原料ガスの流量F_fuelと、循環側流路５１Ｂを介して改質器２５に供給される水蒸気の流量F_H2Oとに基づいて、次式ｆ４で表される。

図２に示されるように、燃料循環率η_cycが増加するほど、改質器２５におけるスチームカーボン比S/Cも増加する関係がある。これは、燃料循環率η_cycが大きいほど、水蒸気を含有しているアノードオフガスが改質器２５に多量に供給されるからである。一般的に、炭素析出を抑制するためには、スチームカーボン比S/Cが３．０程度であることが好ましく、この場合の燃料循環率η_cycは７０％程度となる。スチームカーボン比S/Cが２．０を下回ると、炭素析出の懸念が高まる。スチームカーボン比S/Cが２．０となる炭素析出限界における燃料循環率η_cycは、６０％程度となる。すなわち、燃料循環率η_cycを６０％よりも大きくし、スチームカーボン比S/Cを２．０よりも大きい値に維持することで、炭素析出の抑制を図ることが可能となる。また、改質触媒２５１における水蒸気改質を安定的に行うために、改質触媒２５１の温度を６００℃以上に維持することで改質性能を確保することが可能となる。

次に、以上のような考えに基づいた制御装置１００による処理について説明する。制御装置１００は、まず、炭素析出抑制の観点から改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV1と、改質器２５の加熱の観点から改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV2と、を算出する。さらに、制御装置１００は、この流量F_air2SV1及び流量F_air2SV2に基づいて、第２空気供給部４０によって改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SVを決定する。

まず、図３を参照しながら、炭素析出抑制の観点から改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV1を算出する際に、制御装置１００が実行する処理について説明する。図３は、改質器２５において水蒸気改質を行っている際に、流量F_air2SV1を算出する場合の制御装置１００の処理の流れを示している。

まず、制御装置１００は、ステップＳ１１で、循環側流路５１Ｂを介して改質器２５に供給される水蒸気の流量F_H2Oを算出する。この流量F_H2Oは、原料ガス供給路２３を介して改質器２５に供給される原料ガスの流量F_fuelと、燃料電池セルＦＣが負荷に供給する電力の電流値I_fcと、燃料循環率η_cycに基づいて、公知の方法によって算出することができる。

次に、制御装置１００は、ステップＳ１２で、改質器２５におけるスチームカーボン比S/Cを算出する。当該スチームカーボン比S/Cは、ステップＳ１１で算出した流量F_H2Oと、原料ガス供給路２３を介して改質器２５に供給される原料ガスの流量F_fuelを基づいて、前述した式ｆ４によって算出される。

次に、制御装置１００は、ステップＳ１３で、スチームカーボン比S/Cが２．０以上であるか否かを判定する。スチームカーボン比S/Cが２．０以上ではないと判定した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、すなわち、炭素析出の懸念が高まっている場合、制御装置１００は、ステップＳ１４の処理に進む。

次に、制御装置１００は、ステップＳ１４で、ステップＳ１１で算出した流量F_H2Oと、原料ガス供給路２３を介して改質器２５に供給される原料ガスの流量F_fuelに基づいて、炭素析出抑制の観点から改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV1を算出する。

流量F_air2SV1の算出方法について詳述する。まず、循環側流路５１Ｂを介して改質器２５に供給される水蒸気の流量F_H2Oに基づいて、改質器２５におけるスチームカーボン比が２．０である場合に、改質器２５に供給される原料ガスの流量F_fuelALを、次式ｆ５で算出する。

この流量F_fuelALを超過して改質器２５に供給される原料ガスが含有している炭化水素が、水蒸気改質が行われずに炭素析出を生じさせることになる。したがって、この超過した分の原料ガスが含有している炭化水素を、改質器２５に供給する空気が含有している酸素と反応させ、炭化水素量を減少させることで、改質器２５におけるスチームカーボン比S/Cを２．０以上とし、炭素析出を抑制することができる。このような炭素析出抑制の観点より、改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV1は、次式ｆ６で算出される。

ここで、式ｆ６のαは、空気中の酸素量に基づいて、決定される補正係数である。すなわち、空気中の酸素と窒素との組成比が概ね２１：７９であることから、補正係数αは次式ｆ７のように決定される。

一方、ステップＳ１３で、スチームカーボン比S/Cが２．０以上であると判定した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、すなわち、炭素析出の懸念がない場合、制御装置１００は、ステップＳ１５の処理に進む。

次に、制御装置１００は、ステップＳ１５で、炭素析出抑制の観点から改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV1をゼロとする。すなわち、炭素析出の懸念がないため、炭素析出抑制の観点からは、改質器２５への空気の供給は不要とする。

続いて、図４を参照しながら、改質器２５の加熱の観点から改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV2を算出する際に、制御装置１００が実行する処理について説明する。図４は、改質器２５において水蒸気改質を行っている際に、流量F_air2SV2を算出する場合の制御装置１００の処理の流れを示している。

まず、制御装置１００は、ステップＳ２１で、改質器２５の温度T_refが６００℃以上であるか否かを判定する。温度T_refが６００℃以上ではないと判定した場合（Ｓ２１：ＮＯ）、すなわち、改質器２５の温度T_refが低く、水蒸気改質を適切に行うことができない場合、制御装置１００は、ステップＳ２２の処理に進む。

次に、制御装置１００は、ステップＳ２２で、改質器２５の温度T_refに基づいて、燃焼器５５による加熱での不足分を、部分酸化改質の反応熱によって付与するという観点から、改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV2を算出する。

流量F_air2SV2の算出方法について詳述する。まず、改質器２５の温度T_refに基づいて、改質器の温度を６００℃まで上昇させるために必要となる熱量Ｑを次式ｆ８によって算出する。

この熱量Ｑを、改質器２５における部分酸化改質に伴う発熱によって賄うことで、改質器２５の温度を６００℃まで上昇させ、水蒸気改質を行うことができる。このような改質器２５の加熱の観点より、改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV1は、次式ｆ９で算出される。

一方、ステップＳ２１で、改質器２５の温度T_refが６００℃以上であると判定した場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、すなわち、改質器２５の温度T_refが十分に高く、水蒸気改質を適切に行うことができる場合、制御装置１００は、ステップＳ２３の処理に進む。

次に、制御装置１００は、ステップＳ２３で、改質器２５の加熱の観点から改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV2をゼロとする。すなわち、改質器２５の温度T_refが十分に高く、部分酸化改質によって加熱する必要がないため、改質器２５の加熱の観点からは、改質器２５への空気の供給は不要とする。

続いて、図５を参照しながら、以上のように算出した流量F_air2SV1及び流量F_air2SV2に基づいて、第２空気供給部４０によって改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SVを決定する際に、制御装置１００が実行する処理について説明する。図５は、流量F_air2SV1及び流量F_air2SV2を算出した後に、流量F_air2SVを決定する場合の制御装置１００の処理の流れを示している。

まず、制御装置１００は、ステップＳ３１で、炭素析出抑制の観点から改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV1が、改質器２５の加熱の観点から改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV2以上であるか否かを判定する。流量F_air2SV1が流量F_air2SV2以上であると判定した場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、制御装置１００は、ステップＳ３２の処理に進む。

次に、制御装置１００は、ステップＳ３２で、第２空気供給部４０によって改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SVを流量F_air2SV1に設定する。すなわち、炭素析出抑制を担保できるように、第２空気供給部４０によって改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SVを、流量F_air2SV1及び流量F_air2SV2のうち大きい方の流量F_air2SV1に設定する。

一方、ステップＳ３１で、流量F_air2SV1が流量F_air2SV2以上ではないと判定した場合（Ｓ３１：ＮＯ）、制御装置１００は、ステップＳ３３の処理に進む。

次に、制御装置１００は、ステップＳ３３で、第２空気供給部４０によって改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SVを流量F_air2SV2に設定する。すなわち、改質器２５を加熱して、その温度T_refを６００℃まで上昇させるために、第２空気供給部４０によって改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SVを、流量F_air2SV1及び流量F_air2SV2のうち大きい方のF_air2SV2に設定する。

流量F_air2SVにゼロ以外の値が設定された場合、制御装置１００は、第２空気供給部４０のブロワ４１を、流量F_air2SVの空気を吹き出すように駆動させる。これにより、原料ガス供給路２３に空気が供給され、当該空気は、燃料ガス供給部２０のブロワ２１から吹き出される原料ガスとともにエジェクタ２４を通過して改質器２５に供給される。

図６に示されるように、改質器２５の内部では、その上流部２５Ｕに配置された改質触媒２５１によって、主に原料ガスの部分酸化改質が行われる。この部分酸化改質に伴う発熱により、改質器２５を昇温させ、改質器２５の温度を６００℃以上に維持することが可能となる。

改質器２５の上流部２５Ｕにおいて部分酸化改質が行われることで、上流部２５Ｕを通過する原料ガスは、含有している炭化水素が減少する。したがって、改質器２５の下流部２５Ｄにおけるスチームカーボン比が高まる。これにより、改質触媒２５１における炭素析出を抑制することが可能となる。

以上のように、燃料電池システム１０によれば、燃料電池セルＦＣのアノードＡＮから排出されたアノードオフガスの一部を、アノードオフガス流路５１の循環側流路５１Ｂによって改質器２５に導く。これにより、アノードオフガスが含有している水蒸気が改質器２５に供給されるため、当該水蒸気を水蒸気改質に利用することが可能となる。

さらに、燃料電池システム１０では、アノードオフガスとともに循環側流路５１Ｂを流れる水蒸気の流量が小さい場合は、この流量が大きい場合と比べて改質器２５に供給する空気の流量を大きくする。改質器２５に空気を供給することで、改質器２５では当該空気が含有している酸素と炭化水素とによる部分酸化改質が行われる。これにより、改質器２５に存在する炭化水素を減少させ、その結果、改質器２５におけるスチームカーボン比S/Cを高めて炭素析出を抑制することが可能となる。

ここで、「水蒸気の流量が小さい場合」及び「水蒸気の流量が大きい場合」とは、いずれも水蒸気の流量の閾値等を基準にして決定されるものではなく、相対的な関係に基づいて決定されるものであり。

また、燃料電池システム１０によれば、改質器２５におけるスチームカーボン比S/Cが２．０未満である場合は改質器２５に空気を供給する一方で、改質器２５におけるスチームカーボン比S/Cが２．０以上である場合は改質器２５に空気を供給しない。

これにより、炭素析出が懸念されない場合は、水蒸気改質によって高い収率で水素を生成し、発電効率を高める一方で、炭素析出が懸念される場合は、部分酸化改質によって炭素析出を抑制することが可能となる。

さらに、燃料電池システム１０によれば、改質器２５の炭化水素を部分酸化改質することで減少させ、改質器２５におけるスチームカーボン比S/Cを２．０以上とするために、改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV1と、部分酸化改質に伴う発熱によって改質器２５を６００℃まで昇温させるために、改質器２５に供給する必要がある空気の流量F_air2SV2と、を算出し、流量F_air2SV1及び流量F_air2SV2のうち大きい方の流量で改質器２５に空気を供給する。

これにより、改質触媒２５１における炭素析出の抑制と、水蒸気改質を適切に行うための改質器２５の温度の維持と、を両立させることが可能となる。

さらに、燃料電池システム１０によれば、改質器２５に原料ガスを供給する原料ガス供給路２３にエジェクタ２４が配設され、原料ガスが該エジェクタ２４を通過することで発生する負圧によって循環側流路５１Ｂからアノードオフガスを吸引する。

これにより、電力を消費するポンプ等を用いることなく、循環側流路５１Ｂからアノードオフガスを吸引するとともに、エジェクタ２４において十分な負圧が発生しなかった場合でも、改質触媒２５１における炭素析出を抑制することが可能となる。

さらに、燃料電池システム１０によれば、エジェクタ２４よりも上流側の原料ガス供給路２３に空気を供給する。

これにより、原料ガスとともに空気もエジェクタ２４を通過するため、エジェクタ２４において十分な負圧を発生させることができる。その結果、循環側流路５１Ｂからアノードオフガスを吸引し、アノードオフガスが含有している水蒸気を改質器２５に確実に供給することで、改質触媒２５１における炭素析出を抑制することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０：燃料電池システム
２３：原料ガス供給路
２４：エジェクタ
２５：改質器
２５１：改質触媒
５１：アノードオフガス流路
５１Ｂ：循環側流路
５１Ｃ：燃焼側流路
５５：燃焼器
ＦＣ：燃料電池セル
ＡＮ：アノード

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力を発生させる燃料電池システム（１０）であって、
水蒸気改質及び部分酸化改質が可能な改質触媒（２５１）を有し、炭化水素を含有する原料ガス、水蒸気及び空気の供給を受け、水素を含有する燃料ガスを生成する改質器（２５）と、
前記改質器から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させる燃料電池セル（ＦＣ）と、
可燃ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器（５５）と、
前記燃料電池セルのアノード（ＡＮ）から排出されたオフガスを流し、該オフガスの一部を前記改質器に導く循環側流路（５１Ｂ）と、該オフガスの他部を前記燃焼器に導く燃焼側流路（５１Ｃ）と、を有するアノードオフガス流路（５１）と、を備え、
前記循環側流路を燃料ガスとともに流れる水蒸気の流量が小さいほど、前記改質器に供給する空気の流量が大きくなるようにし、
前記改質器におけるスチームカーボン比が所定値未満である場合は前記改質器に空気を供給する一方で、前記改質器におけるスチームカーボン比が前記所定値以上である場合は前記改質器に空気を供給しないことを特徴とする燃料電池システム。
前記改質器の炭化水素を部分酸化改質することで減少させ、前記改質器におけるスチームカーボン比を前記所定値以上とするために、前記改質器に供給する必要がある空気の流量である第１流量と、
部分酸化改質に伴う発熱によって前記改質器を予め定められた所定温度まで昇温させるために、前記改質器に供給する必要がある空気の流量である第２流量と、を算出し、
前記第１流量及び前記第２流量のうち大きい方の流量で前記改質器に空気を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記改質器に原料ガスを供給する原料ガス供給路（２３）にエジェクタ（２４）が配設され、原料ガスが該エジェクタを通過することで発生する負圧によって前記循環側流路から燃料ガスを吸引することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記エジェクタよりも上流側の前記原料ガス供給路に空気を供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。