JP7103108B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器を備えるものがある。改質器は、水蒸気改質（すなわち、ＳＲ）を行う際、炭化水素系の燃料（例えば、都市ガス）の炭素数が多いと、改質触媒に炭素が析出され易くなる傾向がある。改質器における炭素析出は、改質触媒の劣化や、燃料等を流す経路の閉塞を招く要因となることから好ましくない。

これに対して、例えば、特許文献１には、燃料電池の起動時に、改質器に供給する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比（すなわち、Ｓ／Ｃ）が１．０以下となるように改質器への水の供給量を調整することで、炭素析出を抑える技術が開示されている。

特開２０１０－１７０９００号公報

ところで、特許文献１記載の固体酸化物型の燃料電池は、起動時に、気化器等の温度が所定温度になるまで水蒸気が供給されず、燃料だけが流れる状態で改質器が加熱される構成になっている。このような構成では、炭素含有率が高い燃料が改質器で加熱されることで、熱分解反応等による炭素析出が生じ易く、改質器の性能低下が懸念される。

これに対して、起動開始から気化器等の温度が所定温度になるまで、改質器に燃料を供給しない構成とすることも考えられるが、この場合、改質器が均等に昇温せず、改質器の一部の温度が過度に高くなることでシンタリングが生じ易くなってしまう。シンタリングは、改質触媒同士の焼結等によって改質触媒の表面積が小さくなる現象であり、改質器の性能低下を招く要因となることから好ましくない。これらは本発明者の鋭意検討の末に見出された知見である。

本開示は、燃料電池の起動時に改質器の性能低下を招く要因の発生を抑制可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、
燃料電池システムであって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３３）と、
燃料または燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させることで改質器を昇温させる燃焼ガスを生成する燃焼器（７３）と、
改質器へ燃料を供給する燃料経路（３０、３０ａ）と、
改質器を介さずに燃焼器へ燃料を供給する燃料バイパス経路（５０）と、
燃料よりも炭素含有率が低い低炭素流体を改質器の下流側から燃料経路に戻す循環経路（６０）と、
燃料経路および燃料バイパス経路に対する燃料の供給割合を調整する燃料調整部（３１、３２、５１）と、
循環経路に流す低炭素流体の流量を調整する循環量調整部（６１）と、
少なくとも燃料調整部、循環量調整部を制御する制御装置（１００）と、を備え、
制御装置は、燃料電池の起動時に、燃料が燃料バイパス経路を介して燃焼器に流れるように燃料調整部を制御し、且つ、低炭素流体が循環経路に流れるように循環量調整部を制御する暖機処理を実行する。

これによると、燃料電池の起動時の暖機処理では、燃料よりも炭素含有率が低い低炭素流体が改質器に供給されるので、燃料が改質器に供給される構成に比べて、改質器における炭素析出の発生を抑制することができる。加えて、循環経路によって低炭素流体を改質器に循環させる構成では、暖機処理時に改質器が均温化されるので、シンタリングの発生を抑制することができる。

したがって、本開示の燃料電池システムによれば、燃料電池の起動時に改質器の性能低下を招く要因の発生を抑制することが可能となる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置を示す模式図である。 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムの作動を説明するための説明図である。 第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 第３実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 第４実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 第５実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 第６実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 第７実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 第８実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。

（第１実施形態）
本実施形態について、図１～図４を参照して説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、作動温度が高温（例えば、５００℃～１０００℃）となる固体酸化物型の燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）１０を備えている。

燃料電池１０は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（本例では空気）の電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セルを積層したスタック構造を有している。なお、発電セルの形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。

図示しないが発電セルは、固体酸化物電解質、空気極（すなわち、カソード）、燃料極（すなわち、アノード）を含んで構成されている。本実施形態の発電セルは、炭化水素系の燃料である都市ガス（すなわち、メタンを主成分とするガス）を改質して生成される水素および一酸化炭素を燃料ガスとしている。なお、使用する燃料は、炭化水素系の燃料であれば、都市ガス以外のガスが採用されていてもよい。

燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。

（燃料極）２Ｈ_２＋２Ｏ^２－→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ …（Ｆ１）
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ^２－ …（Ｆ２）
また、燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。

（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ^２－→２ＣＯ_２＋４ｅ^－ …（Ｆ３）
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ^２－ …（Ｆ４）
燃料電池１０は、後述する空気予熱器２２、改質器３３等とともに断熱性を有するハウジングの内側に配置されている。なお、図示しないが、燃料電池１０は、その起動時に後述する燃焼器７３によって暖機されるようにハウジングの内側に配置されている。

燃料電池１０は、空気入口部１０ａに、空気の流通経路である空気配管２０が接続されている。空気配管２０には、燃料電池１０に空気を圧送する圧送ブロワ２１、燃料電池１０に供給する空気を加熱する空気予熱器２２が設けられている。

圧送ブロワ２１は、大気中の空気を吸い込んで燃料電池１０に供給するブロワである。圧送ブロワ２１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動式のブロワで構成されている。

空気予熱器２２は、圧送ブロワ２１から圧送された空気を後述する燃焼器７３で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。空気予熱器２２は、燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池１０の発電効率の向上を図るために設けられている。

一方、燃料電池１０は、燃料入口部１０ｂに、燃料や燃料ガスの流通経路である燃料配管３０が接続されている。燃料配管３０には、上流側から順に、燃料開閉弁３１、燃料ポンプ３２、改質器３３が設けられている。

燃料開閉弁３１は、燃料配管３０のうち改質器３３へ燃料を供給するための燃料経路３０ａを開閉するものである。燃料開閉弁３１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。なお、燃料経路３０ａは、燃料配管３０のうち後述する燃料バイパス配管５０との接続部から改質器３３の燃料入口に至る経路である。

燃料ポンプ３２は、燃料電池１０側に向けて燃料を供給するためのポンプである。燃料ポンプ３２は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。

改質器３３は、水蒸気を用いて燃料ポンプ３２から供給された燃料を改質して燃料ガスを生成するものである。改質器３３は、例えば、ニッケルを含む水蒸気改質触媒、反応器を含んで構成されている。

ここで、改質器３３としては、部分酸化改質反応により燃料ガスを生成する構成とすることが考えられるが、改質器３３の構成機器に温度耐久性等が要求され、非常に高価になってしまう。このため、本実施形態では、改質器３３として、部分酸化改質反応ではなく水蒸気改質反応により燃料ガスを生成するものを採用している。

具体的には、改質器３３は、燃料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱するとともに、以下の反応式Ｆ５に示す改質反応、および反応式Ｆ６に示すシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）を生成する。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２ …（Ｆ５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（Ｆ６）
ここで、改質器３３における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。このため、改質器３３は、燃料電池１０の発電時に周囲に放出される熱（放射熱）を吸熱できるように、燃料電池１０の周囲に配設されていることが望ましい。

改質器３３の出口側には、改質器３３の温度を検出するための改質温度センサ１０１が設置されている。改質温度センサ１０１は、改質器３３を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、改質温度センサ１０１は、改質器３３の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。

燃料配管３０には、燃料ポンプ３２と改質器３３との間に水供給配管４０が接続されている。水供給配管４０には、水ポンプ４１、改質器３３へ供給する水蒸気を生成する気化器４２が設けられている。

水ポンプ４１は、気化器４２を介して改質器３３側に水蒸気を供給するポンプである。水ポンプ４１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。本実施形態では、水ポンプ４１が気化器４２への水の供給量を調整する水量調整部を構成する。

気化器４２は、燃焼ガスによって昇温するように構成されている。具体的には、気化器４２は、水ポンプ４１から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器で構成されている。

気化器４２の出口側には、気化器４２の温度を検出するための気化温度センサ１０２が設置されている。気化温度センサ１０２は、気化器４２を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、気化温度センサ１０２は、気化器４２の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。

また、燃料配管３０には、燃料開閉弁３１の上流側に燃料バイパス配管５０が接続されている。燃料バイパス配管５０は、改質器３３を介さずに後述する燃焼器７３へ燃料を供給する燃料バイパス経路を構成する。

燃料バイパス配管５０には、燃料を後述する燃焼器７３に流すためのバイパスポンプ５１が設けられている。バイパスポンプ５１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。

ここで、燃料電池システム１は、燃料開閉弁３１、燃料ポンプ３２、およびバイパスポンプ５１の作動によって燃料経路３０ａおよび燃料バイパス配管５０に対する燃料の供給割合を調整する構成になっている。具体的には、燃料電池システム１は、燃料開閉弁３１によって燃料経路３０ａを開放した状態で燃料ポンプ３２を作動させると、燃料が燃料経路３０ａに流れる。また、燃料電池システム１は、燃料開閉弁３１によって燃料経路３０ａを閉鎖した状態でバイパスポンプ５１を作動させると、燃料が燃料バイパス配管５０に流れる。本実施形態では、燃料開閉弁３１、燃料ポンプ３２、およびバイパスポンプ５１が燃料調整部を構成する。

さらに、燃料配管３０には、燃料よりも炭素含有率が低い低炭素流体を改質器３３の下流側から燃料経路３０ａに戻す循環経路を構成する循環配管６０が接続されている。低炭素流体は、燃料電池１０の停止時等に燃料配管３０や改質器３３に残留する残留ガスおよび外部から侵入した空気や水を含む流体であり、燃料よりも炭素含有率が低くなっている。

循環配管６０は、改質器３３を通過した低炭素流体を改質器３３の上流側に戻すための配管である。循環配管６０は、一端側が燃料配管３０における改質器３３と燃料電池１０との間の部位に接続され、他端側が燃料配管３０における燃料開閉弁３１と燃料ポンプ３２との間の部位に接続されている。

循環配管６０には、循環調整弁６１が設けられている。循環調整弁６１は、改質器３３の下流側の流体を燃料電池１０側ではなく循環配管６０側に流すためのものである。循環調整弁６１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。本実施形態では、循環調整弁６１が循環配管６０に流す低炭素流体の流量を調整する循環量調整部を構成する。

また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出するオフガスが流れるオフガス配管７０が接続されている。具体的には、燃料電池１０には、空気出口部１０ｃに燃料電池１０から排出される酸化剤オフガスが流れる空気排出配管７１が接続され、燃料出口部１０ｄに燃料電池１０から排出される燃料オフガスが流れる燃料排出配管７２が接続されている。

オフガス配管７０には、燃焼器７３が接続されている。燃焼器７３は、燃料または燃料オフガスを燃焼させることで改質器３３等を昇温させる燃焼ガスを生成するものである。燃焼器７３は、例えば、燃料電池１０の発電時に、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池システム１の各機器を昇温させるための燃焼ガスを生成する。図示しないが、燃焼器７３は、燃料を燃焼させるためのバーナを有している。燃焼器７３では、バーナの点火によって、燃料の燃焼が開始されて燃焼ガスが生成される。

燃焼器７３には、高温の燃焼ガスを流通させる燃焼ガス配管７４が接続されている。燃焼ガス配管７４は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効活用すべく、上流側から順に、改質器３３、空気予熱器２２、気化器４２といった順に接続されている。なお、燃焼ガスを各機器に流す順序は、各機器にて必要とされる熱量等に応じて変更してもよい。

次に、燃料電池システム１における電子制御部を構成する制御装置１００について図２を参照して説明する。図２に示す制御装置１００は、プロセッサ、メモリを含む周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路で構成されている。制御装置１００は、メモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する。

制御装置１００の入力側には、改質温度センサ１０１、気化温度センサ１０２を含む各種センサが接続されており、各種センサの検出結果が制御装置１００に入力されるようになっている。

また、制御装置１００には、操作パネル１０５が接続されている。操作パネル１０５には、燃料電池１０の発電をオンオフするためのスタートスイッチ１０５ａ、燃料電池１０の作動状態を表示するディスプレイ１０５ｂ等が設けられている。

一方、制御装置１００の出力側には、制御機器として、圧送ブロワ２１、燃料開閉弁３１、燃料ポンプ３２、水ポンプ４１、バイパスポンプ５１、循環調整弁６１、図示しない燃焼器７３のバーナ等が接続されている。これら制御機器は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。

次に、燃料電池システム１の全体的な作動について、図３のフローチャートを参照して説明する。図３に示す各制御処理は、スタートスイッチ１０５ａがオンされると制御装置１００によって実行される。

スタートスイッチ１０５ａがオンされると、図３に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ１０にて初期化処理を実行する。この初期化処理は、各種設定値、各種フラグ等を初期化する処理である。

続いて、制御装置１００は、ステップＳ２０にて、燃料電池１０を含む各種機器を所望の温度まで昇温させる暖機処理を実行する。暖機処理は、燃料電池１０の起動時に実行される起動処理の１つである。

制御装置１００は、暖機処理時に、燃料が燃料バイパス配管５０を介して燃焼器７３に流れるように燃料開閉弁３１、燃料ポンプ３２、バイパスポンプ５１を制御し、且つ、低炭素流体が循環配管６０に流れるように循環調整弁６１を制御する。

具体的には、制御装置１００は、暖機処理時に、燃料経路３０ａが閉鎖されるように燃料開閉弁３１を閉状態に制御し、且つ、循環配管６０に流体が流れるように循環調整弁６１を開状態に制御する。この状態で、制御装置１００は、圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３２、およびバイパスポンプ５１を所定の回転数で作動させる。

これにより、図４の白抜き矢印で示すように、燃料が燃料バイパス配管５０を介して燃焼器７３に供給されるとともに、酸化剤ガスが燃料電池１０を介して燃焼器７３に供給される。

燃焼器７３では、バーナの点火によって燃料および酸化剤ガスの混合ガスが可燃ガスとして燃焼されることで高温の燃焼ガスが生成される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス配管７４を流れる際に改質器３３、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。これにより、改質器３３、空気予熱器２２、気化器４２が昇温する。

この際、改質器３３に対して水蒸気が供給されない状態で炭素含有率が高い燃料が供給されると、熱分解反応やブードワ反応（boudouard reaction）等によって改質器３３に炭素析出が生じ易くなってしまう。

一方、暖機処理時に、改質器３３に対する燃料等の流体の供給を停止することが考えられるが、この場合、改質器３３が局所的に加熱されることで、改質触媒にシンタリングが生じ易くなってしまうといった背反がある。

これに対して、本実施形態の燃料電池システム１は、暖機処理時に、循環調整弁６１を開放された状態で燃料ポンプ３２を作動させる。このため、暖機処理時には、燃料経路３０ａ、改質器３３、循環配管６０に存在する低炭素流体が、図４のドット柄を付した矢印で示すように、燃料経路３０ａ、改質器３３、循環配管６０、燃料ポンプ３２の順に循環する。このため、本実施形態の暖機処理時には、炭素析出およびシンタリングの発生が抑制される。

ここで、暖機処理時において、バイパスポンプ５１の起動後に燃料ポンプ３２を起動させると、燃料経路３０ａおよび循環配管６０に対して燃焼器７３および燃焼ガス配管７４の流体が若干量引き込まれることがある。この場合、例えば、燃焼器７３および燃焼ガス配管７４の燃料の一部が燃料電池１０を介して燃料経路３０ａ側に引き込まれてしまう。暖機処理時に燃料経路３０ａ等に燃料が引き込まれることは、改質器に流れ込む流体の炭素含有率が増加することになるため好ましくない。

このため、暖機処理時には、少なくとも燃料ポンプ３２の起動後にバイパスポンプ５１を起動させることが望ましい。これによると、暖機処理時において、燃料経路３０ａおよび循環配管６０を循環させる流体の炭素含有率を低い状態に維持することができる。

また、燃焼器７３のバーナの点火後に、燃料ポンプ３２、圧送ブロワ２１、バイパスポンプ５１を起動させると、例えば、燃料がバーナから逆流することで失火してしまう虞がある。

このため、暖機処理時には、バイパスポンプ５１の起動後に、燃焼器７３のバーナの点火を実施することが望ましい。すなわち、暖機処理時には、制御装置１００が、燃料ポンプ３２の起動、圧送ブロワ２１の起動、バイパスポンプ５１の起動、燃焼器７３のバーナの点火の動作順序となるように各機器を制御する構成になっていることが望ましい。

暖機処理の開始後、制御装置１００は、ステップＳ３０にて、蒸発可能状態であるか否かを判定する。すなわち、制御装置１００は、ステップＳ３０にて、燃焼ガスによって気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。

本実施形態の制御装置１００は、気化温度センサ１０２の検出温度に基づいて、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、気化温度センサ１０２の検出温度が所定の蒸発基準温度（例えば、１００℃）以上となる場合に、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態（すなわち、蒸発可能状態）であると判定する。一方、制御装置１００は、気化温度センサ１０２の検出温度が蒸発基準温度未満となる場合に、気化器４２で水を蒸発させることが困難な状態（すなわち、蒸発困難状態）であると判定する。

ステップＳ３０の判定処理の結果が蒸発可能状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ４０にて水蒸気生成処理を実行する。水蒸気生成処理は、燃料電池１０の起動時に実行される起動処理の１つである。

制御装置１００は、水蒸気生成処理時に、気化器４２に対して水が供給されるように水ポンプ４１を制御する。なお、制御装置１００は、水ポンプ４１以外の制御機器について暖機処理の制御状態を維持する。

気化器４２では、水が供給されると、水が蒸発して水蒸気が生成される。この水蒸気は、図４の網目柄を付した矢印で示すように、燃料経路３０ａに流入して低炭素流体と混合される。これにより、水蒸気を多分に含む低炭素流体が改質器３３に流入するので、改質器３３における炭素析出が充分に抑制される。

水蒸気生成処理の開始後、制御装置１００は、ステップＳ５０にて、改質可能状態であるか否かを判定する。すなわち、制御装置１００は、ステップＳ５０にて、改質器３３で燃料ガスの生成が可能な状態であるか否かを判定する。

本実施形態の制御装置１００は、改質温度センサ１０１の検出温度に基づいて、改質器３３で燃料ガスの生成が可能な状態であるか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、改質温度センサ１０１の検出温度が所定の改質基準温度（例えば、４００℃）以上となる場合に、改質器３３で燃料ガスの生成が可能な状態（すなわち、改質可能状態）であると判定する。一方、制御装置１００は、改質温度センサ１０１の検出温度が改質基準温度未満となる場合に、改質器３３で燃料ガスの生成が困難な状態（すなわち、改質困難状態）であると判定する。なお、改質器３３における改質反応は、水が蒸発する温度よりも高い温度（例えば、４００℃以上）で進行する。このため、改質基準温度は、蒸発基準温度よりも高い温度に設定される。

ステップＳ５０の判定処理の結果が改質可能状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ６０にて、改質器３３にて燃料ガスを生成する改質処理を実行する。改質処理は、燃料電池１０の起動時に実行される起動処理の１つである。

制御装置１００は、改質処理時に、燃料が燃料経路３０ａを介して改質器３３に流れるように燃料開閉弁３１、バイパスポンプ５１を制御する。なお、制御装置１００は、燃料開閉弁３１、バイパスポンプ５１以外の制御機器について水蒸気生成処理の制御状態を維持する。

具体的には、制御装置１００は、改質処理時に、燃料経路３０ａが開放されるように燃料開閉弁３１を開状態に制御する。この状態で、制御装置１００は、燃料バイパス配管５０に流れる燃料が減少するようにバイパスポンプ５１の回転数を低下させる。これにより、燃料が燃料配管３０を介して改質器３３に供給される。改質器３３では、燃料および水蒸気の混合ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ５、Ｆ６に示す反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）が生成される。

改質処理の開始後、制御装置１００は、ステップＳ７０にて、発電可能状態であるか否かを判定する。すなわち、制御装置１００は、ステップＳ７０にて、燃料電池１０で電気エネルギを出力可能な状態であるか否かを判定する。

本実施形態の制御装置１００は、図示しない電池温度センサの検出温度に基づいて、燃料電池１０で電気エネルギを出力可能な状態であるか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、電池温度センサの検出温度が所定の発電基準温度（例えば、５００℃）以上となる場合に、燃料電池１０で電気エネルギを出力可能な状態（すなわち、発電可能状態）であると判定する。一方、制御装置１００は、電池温度センサの検出温度が発電基準温度未満となる場合に、燃料電池１０で電気エネルギの出力が困難な状態（すなわち、発電困難状態）であると判定する。なお、燃料電池１０の発電は、改質器３３で燃料ガスが生成される際の温度よりも高い温度（例えば、５００℃以上）で進行し易い傾向がある。このため、発電基準温度は、改質基準温度よりも高い温度に設定されることが望ましい。

ステップＳ７０の判定処理の結果が改質可能状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ８０にて、燃料電池１０で電気エネルギを出力する発電処理を実行する。具体的には、制御装置１００は、発電処理時に、循環配管６０に流体が流れないように循環調整弁６１を閉状態に制御するとともに、燃料バイパス配管５０に燃料が流れないようにバイパスポンプ５１の作動を停止する。なお、制御装置１００は、循環調整弁６１およびバイパスポンプ５１以外の制御機器について改質処理の制御状態を維持する。

これにより、改質器３３で生成された燃料ガスが燃料電池１０に供給される。燃料電池１０では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギが出力される。そして、燃料電池１０から排出されるオフガスは、可燃ガスとして燃焼器７３で燃焼される。なお、燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス配管７４を流れる際に改質器３３、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。

以上説明した燃料電池システム１は、燃料電池１０の起動時の暖機処理時に、燃料よりも炭素含有率の低い低炭素流体を改質器３３の下流側から改質器３３の上流側に戻す構成になっている。

これによると、暖機処理時には、低炭素流体が改質器３３に供給されるので、燃料が改質器３３に供給される構成に比べて、改質器３３における炭素析出の発生を抑制することができる。

加えて、循環配管６０によって低炭素流体を循環させる構成では、暖機処理時における改質器３３の一部の温度が過度に高くなることが抑制される。すなわち、循環配管６０によって低炭素流体を循環させる構成では、暖機処理時に改質器３３が均温化される。

このように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の起動時に改質器３３の性能低下を招く要因（本例では、炭素析出、シンタリング）の発生を抑制することができる。

ここで、暖機処理の実行と同時に、気化器４２に対して水を供給することが考えられるが、この場合、温度の低い水が気化器４２に供給されると、当該水によって気化器４２が昇温され難くなってしまう。このことは、燃料電池１０の起動時間が長くなってしまう要因となることから好ましくない。

これに対して、本実施形態の燃料電池システム１は、暖機処理の開始後に、燃焼ガスによって気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態になると、気化器４２へ水を供給する水蒸気生成処理が実行される構成になっている。このように、気化器４２で水を蒸発させることが可能になった後に、気化器４２に水を供給する構成では、燃焼ガスによって気化器４２を早期に昇温させることができる。このことは、燃料電池１０の起動時間の短縮化に寄与する。

また、燃料電池システム１は、水蒸気生成処理の開始後に、改質器３３で燃料ガスの生成が可能な状態になると、燃料経路３０ａを介して燃料を改質器３３に流す改質処理を実行する構成になっている。このように、水蒸気生成処理の開始後に改質処理を実行すれば、改質器３３に供給する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比（すなわち、Ｓ／Ｃ）を高い状態に維持することが可能となるので、改質器３３における炭素析出の発生を充分に抑制することができる。

（第１実施形態の変形例）
上述の第１実施形態では、改質処理時に、循環調整弁６１を開状態に維持した状態で、改質処理を実行する例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、改質処理時に循環調整弁６１を閉状態に制御する構成になっていてもよい。

上述の第１実施形態では、水蒸気生成処理の開始後に、改質処理および発電処理を実行する例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、水蒸気生成処理の開始後、改質可能状態になると、発電処理に移行するように構成されていてもよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図５を参照して説明する。本実施形態では、循環配管６０が燃料排出配管７２に接続されている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。

図５に示すように、循環配管６０は、燃料電池の起動時に、低炭素流体が改質器３３だけでなく燃料電池１０にも流れるように、上流側が燃料排出配管７２に接続され、下流側が燃料経路３０ａに接続されている。具体的には、循環配管６０は、一端側が燃料排出配管７２における燃料電池１０と燃焼器７３との間の部位に接続され、他端側が燃料配管３０における燃料開閉弁３１と燃料ポンプ３２との間の部位に接続されている。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。燃料電池システム１は、暖機処理時に、燃料経路３０ａ、改質器３３、燃料電池１０、循環配管６０に存在する低炭素流体が、図５のドット柄を付した矢印で示すように、燃料経路３０ａ、改質器３３、燃料電池１０、循環配管６０、燃料ポンプ３２に循環する。

これによると、暖機処理時に改質器３３と燃料電池１０との温度差を縮小することができるので、改質器３３と燃料電池１０との間で均温化を図ることができる。加えて、暖機処理時に、燃料電池１０に低炭素流体が流れ構成とすれば、燃料電池１０の内部における炭素析出やシンタリングの発生を抑制することができる。

ここで、燃料電池１０から排出される燃料オフガスには、燃料電池１０における電気化学反応に利用されなかった未反応ガスが含まれている。このため、燃料オフガスを燃料電池１０に戻す構成とすることで、燃費の向上を期待することができる。

本実施形態の燃料電池システム１は、循環配管６０が燃料排出配管７２に接続されている。このため、発電処理にて、循環配管６０に流体が流れるように循環調整弁６１を開状態に制御することで、燃料オフガスに含まれる未反応ガスを有効活用して燃費の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図６を参照して説明する。本実施形態では、燃料配管３０に対してエジェクタ８１が設けられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。

図６に示すように、燃料配管３０には、燃料ポンプ３２と改質器３３との間にエジェクタ８１が設けられている。エジェクタ８１は、流体を噴射するノズル部８１１、燃料電池１０の出口側から流体を吸引する吸引部８１２、ノズル部８１１から噴射される流体と吸引部８１２から吸引される流体とを混合して改質器３３に向けて吐出する吐出部８１３を有する。

ノズル部８１１は、流体を噴射可能な絞り構造を有している。ノズル部８１１は、絞り開度が固定された固定絞り構造で構成されている。また、吐出部８１３は、ノズル部８１１からの流体および吸引部８１２からの流体が混合された後に昇圧されるように流路断面積が下流側に向かって拡大している。なお、ノズル部８１１は、絞り開度を変更可能な可変絞り構造で構成されていてもよい。

エジェクタ８１の吸引部８１２は、ノズル部８１１の出口側の負圧を利用して燃料電池１０の出口側から流体を吸引するように構成されている。具体的には、吸引部８１２には、燃料排出配管７２を流れる流体が吸引されるように、燃料排出配管７２から分岐する吸引配管８２が接続されている。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。燃料電池システム１は、暖機処理時に、燃料経路３０ａ、改質器３３、循環配管６０に存在する低炭素流体が、図６のドット柄を付した矢印で示すように、燃料経路３０ａ、エジェクタ８１、改質器３３、循環配管６０、燃料ポンプ３２に循環する。この際、エジェクタ８１では、図６の網目柄を付した矢印で示すように、ノズル部８１１から低炭素流体が噴射されることで生ずる負圧によって、燃料電池１０の出口側の低炭素流体が吸引部８１２に吸引される。

このように構成される燃料電池システム１は、燃料電池１０の起動時に、エジェクタ８１によって燃料電池１０を通過した低炭素流体が燃料電池１０の出口側から吸引される。これによると、動力を増やすことなく、改質器３３に対して大流量の低炭素流体を供給することができる。なお、本実施形態では、循環調整弁６１およびエジェクタ８１が循環量調整部を構成する。

加えて、燃料電池システム１は、発電処理時においても、エジェクタ８１によって燃料電池１０から排出される燃料オフガスを燃料電池１０の上流側に戻すことができるので、燃料オフガスに含まれる未反応ガスを有効活用して燃費の向上を図ることができる。

ところで、エジェクタ８１は、駆動流としてノズル部８１１に流入する流体の質量流量の増加に伴って吸引部８１２から吸引される吸引流体の流量が増えるといった特性を有する。このため、発電処理時において、エジェクタ８１のノズル部８１１に流入する流体の質量流量を増加させることで、吸引部８１２から吸引される燃料オフガスの吸引流量を増加させることが可能となる。

エジェクタ８１のノズル部８１１に流入する流体の質量流量を増加させる手法として、例えば、燃料ポンプ３２の燃料吐出能力（例えば、ポンプ回転数）を増加させることが考えられる。

しかしながら、上述の手法では、吸引部８１２から吸引される燃料オフガスの流量を増加させることができる一方で、燃料の供給量が増加してしまことになり、燃費の向上効果が限定的になってしまう虞がある。

本実施形態の燃料電池システム１は、循環配管６０を有しており、循環配管６０を介して改質器３３で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ８１のノズル部８１１に流入させることが可能になっている。このため、燃料電池１０の発電時には、循環配管６０を介して改質器３３で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ８１のノズル部８１１に流入させることで、エジェクタ８１のノズル部８１１に流入する流体の質量流量を増加させることが望ましい。

これによると、燃料の供給量を増加させることなく、燃料電池１０の上流側に戻す燃料オフガスの流量を増加させることができるので、未反応ガスを有効活用した燃費の向上効果を充分に得ることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、図７を参照して説明する。本実施形態では、気化温度センサ１０２に代えて圧力センサ１０３が燃料経路３０ａに設けられている点が第３実施形態と相違している。本実施形態では、第３実施形態と異なる部分について主に説明し、第３実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。

図７に示すように、燃料経路３０ａには、圧力センサ１０３が設けられている。圧力センサ１０３は、燃料経路３０ａにおける圧力変化を検出可能に構成されている。なお、圧力センサ１０３は、燃料経路３０ａの圧力変化を検出可能であれば、燃料経路３０ａ以外の位置（例えば、気化器４２の内部）に設けられていてもよい。

本実施形態では、燃焼ガスによって気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定するために圧力センサ１０３を用いている。すなわち、制御装置１００は、図３に示すステップＳ３０にて、圧力センサ１０３の検出圧力に基づいて、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。

ここで、低炭素流体に水が含まれる場合、気化器４２の温度が水の沸点付近まで上昇すると、水蒸気が生ずることで気化器４２の内部および気化器４２の内部に連通する燃料経路３０ａの圧力が上昇する。特に、燃料経路３０ａにエジェクタ８１が設けられている場合、水蒸気の発生に伴うエジェクタ８１の上流側の圧力変動が顕著となる。このため、燃料経路３０ａにおける圧力変化に基づいて気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定することができる。

具体的には、制御装置１００は、圧力センサ１０３の検出圧力が所定の蒸発基準圧力以上となる場合に、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態（すなわち、蒸発可能状態）であると判定する。一方、制御装置１００は、圧力センサ１０３の検出圧力が蒸発基準圧力未満となる場合に、気化器４２で水を蒸発させることが困難な状態（すなわち、蒸発困難状態）であると判定する。

これによれば、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かの判定を燃料経路３０ａにおける低炭素流体の状態変化に基づいて直接的に実施することができる。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１によれば、蒸発可能状態であるか否かを高精度に判定することが可能となる。

（第４実施形態の変形例）
上述の第４実施形態では、エジェクタ８１を備えることを前提とする燃料電池システム１において、圧力センサ１０３の検出圧力に基づいて蒸発可能状態であるか否かを判定する構成を例示したが、これに限定されない。上述の第４実施形態は、エジェクタ８１を備えない燃料電池システム１に対しても適用可能である。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形態では、循環配管６０に対して、バッファタンク６２が設けられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。

図８に示すように、循環配管６０には、バッファタンク６２が設けられている。このバッファタンク６２は、燃料電池１０の発電停止時等にシステム内に残留する流体等を低炭素流体として貯留するためのタンクである。バッファタンク６２は、燃料が流入し難いように、循環配管６０における改質器３３の出口側から循環調整弁６１までの範囲に設定されていることが望ましい。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、循環配管６０に低炭素流体を貯留するためのバッファタンク６２が設けられている。これによると、燃料電池１０の起動時に、バッファタンク６２に貯留された低炭素流体が燃料経路３０ａおよび循環配管６０を循環するので、改質器３３に対して大流量の低炭素流体を供給することができる。この結果、暖機処理時に改質器３３を均温化して、シンタリング等の発生を抑制することができる。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態について、図９を参照して説明する。本実施形態では、燃焼ガス配管７４に対して燃焼ガスの温度を検出する燃焼温度センサ１０４が設けられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。

図９に示すように、燃焼ガス配管７４には、気化器４２を通過した後の燃焼ガスの温度を検出する燃焼温度センサ１０４が設けられている。燃焼温度センサ１０４は、燃焼ガス配管７４における気化器４２の下流側に設置されている。

本実施形態では、燃焼ガスによって気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定するために燃焼温度センサ１０４を用いている。すなわち、制御装置１００は、図３に示すステップＳ３０にて、燃焼温度センサ１０４の検出温度に基づいて、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。

ここで、気化器４２を通過した後の燃焼ガスの温度が水の沸点付近まで上昇すれば、気化器４２で水蒸気を生成可能となる。このため、気化器４２を通過した後の燃焼ガスの温度に基づいて気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定することができる。

具体的には、制御装置１００は、燃焼温度センサ１０４の検出温度が所定の蒸発基準温度以上となる場合に、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態（すなわち、蒸発可能状態）であると判定する。一方、制御装置１００は、燃焼温度センサ１０４の検出温度が蒸発基準温度未満となる場合に、気化器４２で水を蒸発させることが困難な状態（すなわち、蒸発困難状態）であると判定する。

これによると、気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かの判定を燃焼ガスの温度に基づいて間接的に実施することができる。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１によれば、第１実施形態と同様に蒸発可能状態であるか否かを判定することができる。

（第７実施形態）
次に、第７実施形態について、図１０を参照して説明する。本実施形態では、循環配管６０に対して、放熱器６３が設けられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。

燃料電池システム１は、燃料電池１０の起動時の暖機処理によって改質器３３を昇温させる構成になっているが、暖機処理によって改質器３３の温度が過度に上昇すると、シンタリングが生じてしまう虞がある。

そこで、本実施形態では、図１０に示すように、循環配管６０に対して放熱器６３を設けている。この放熱器６３は、低炭素流体を外気との熱交換によって放熱させるための熱交換器である。放熱器６３は、例えば、フィンアンドチューブ型の熱交換器を採用することができる。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、循環配管６０に低炭素流体を放熱させるための放熱器６３が設けられている。これによると、暖機処理によって改質器３３が過度に温度上昇することを抑制することができる。このことは、シンタリングの発生の抑制に寄与する。

また、放熱器６３は、低炭素流体を貯留可能な容積を有する熱交換器で構成すれば、燃料電池１０の発電停止時等に低炭素流体を貯留するバッファタンクとして放熱器６３を機能させることも可能となる。

（第８実施形態）
次に、第８実施形態について、図１１を参照して説明する。本実施形態では、燃料経路３０ａに対して燃料開閉弁３１が設けられていない点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。

図１１に示すように、燃料電池システム１は、燃料配管３０に対して燃料経路３０ａを開閉する燃料開閉弁３１が設けられていない。燃料電池システム１は、制御装置１００による燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１の制御によって、燃料経路３０ａおよび燃料バイパス配管５０に対する燃料の供給割合を調整する構成になっている。なお、本実施形態では、燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１が燃料調整部を構成する。

制御装置１００は、図３に示すステップＳ２０の暖機処理において、燃料が燃料バイパス配管５０を介して燃焼器７３に流れるように燃料ポンプ３２、バイパスポンプ５１を制御し、且つ、低炭素流体が循環配管６０に流れるように循環調整弁６１を制御する。

具体的には、制御装置１００は、暖機処理時に、循環配管６０に流体が流れるように循環調整弁６１を開状態に制御する。この状態で、制御装置１００は、圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３２、およびバイパスポンプ５１を所定の回転数で作動させる。

この際、制御装置１００は、燃料が燃料バイパス配管５０に流れるように燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１を制御する。具体的には、制御装置１００は、燃料バイパス配管５０側の圧力が燃料経路３０ａ側の圧力以下となるように燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１を制御する。換言すれば、制御装置１００は、バイパスポンプ５１の燃料吸込側の圧力が燃料ポンプ３２の燃料吸込側の圧力以下となるように燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１を制御する。これにより、図１１の白抜き矢印で示すように、燃料が燃料バイパス配管５０を介して燃焼器７３に供給される。

一方、制御装置１００は、改質処理時に、燃料が燃料経路３０ａに流れるように燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１を制御する。具体的には、制御装置１００は、燃料バイパス配管５０側の圧力が燃料経路３０ａ側の圧力よりも高くなるように燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１を制御する。換言すれば、制御装置１００は、バイパスポンプ５１の燃料吸込側の圧力が燃料ポンプ３２の燃料吸込側の圧力よりも高くなるように燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１を制御する。これにより、燃料が燃料経路３０ａを介して改質器３３に供給される。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。燃料電池システム１は、暖機処理時に、燃料バイパス配管５０の圧力が燃料経路３０ａの圧力以下となるように燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１を制御することで、燃料バイパス配管５０を介して燃料を燃焼器７３に流す構成になっている。また、燃料電池システム１は、改質処理時に、燃料バイパス配管５０の圧力が燃料経路３０ａの圧力より高くなるように燃料ポンプ３２およびバイパスポンプ５１を制御することで、燃料経路３０ａを介して燃料を改質器３３に流す構成になっている。

このように、燃料バイパス配管５０と燃料経路３０ａとの圧力バランスによって燃料経路３０ａおよび燃料バイパス配管５０の燃料の供給割合を調整する構成とすれば、システムの簡素化を図ることができる。

（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

上述の実施形態では、暖機処理時に制御装置１００が、燃料ポンプ３２の起動、圧送ブロワ２１の起動、バイパスポンプ５１の起動、燃焼器７３のバーナの点火の動作順序となるように各機器を制御するものを例示したが、これに限定されない。暖機処理時の各機器の動作順序は、上述のものとは異なる順序になっていてもよいし、一部の機器が同時に起動されるようになっていてもよい。

上述の実施形態では、暖機処理の開始後に気化器４２で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する判定処理を実行するものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、暖機処理を開始してから所定時間が経過すると、水蒸気生成処理に移行する構成になっていてもよい。

上述の実施形態では、水蒸気生成処理の開始後に改質器３３で燃料ガスを生成可能な状態であるか否かを判定する判定処理を実行するものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、水蒸気生成処理を開始してから所定時間が経過すると、改質処理に移行する構成になっていてもよい。

上述の実施形態では、燃料ガスを改質器３３で生成するものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、改質器３３だけでなく、燃料電池１０の内部でも燃料ガスを生成可能な内部改質型の燃料電池１０が採用された構成になっていてもよい。

上述の実施形態では、燃料調整部の１つを開閉弁からなる燃料調整弁３１で構成したものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、燃料調整弁３１が開閉弁以外のもので構成されていてもよい。

上述の実施形態では、循環量調整部を循環調整弁６１で構成したものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、循環量調整部が循環調整弁６１以外のもので構成されていてもよい。

上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、燃料電池システムは、固体酸化物型の燃料電池と、改質器と、燃焼器と、燃料経路と、燃料バイパス経路と、循環経路と、燃料調整部と、循環量調整部と、制御装置と、を備える。制御装置は、燃料電池の起動時に、燃料が燃料バイパス経路を介して燃焼器に流れるように燃料調整部を制御し、且つ、低炭素流体が循環経路に流れるように循環量調整部を制御する暖機処理を実行する。

第２の観点によれば、燃料電池システムは、改質器へ供給する水蒸気を生成する気化器と、気化器への水の供給量を調整する水量調整部と、を備える。気化器は、燃焼ガスによって昇温するように構成されている。制御装置は、暖機処理の開始後に、燃焼ガスによって気化器で水を蒸発させることが可能な状態になると、気化器へ水が供給されるように水量調整部を制御する水蒸気生成処理を実行する。

このように、気化器で水を蒸発させることが可能になった後に、気化器に水を供給する構成とすれば、燃焼ガスによって気化器を早期に昇温させることができる。このことは、燃料電池の起動時間の短縮化に寄与する。

第３の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、燃料経路における圧力変化に基づいて燃焼ガスによって気化器で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。

低炭素流体に水が含まれる場合、気化器の温度が水の沸点付近まで上昇すると、水蒸気が生ずることで燃料経路の圧力が上昇する。このため、燃料経路における圧力変化に基づいて気化器で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定することができる。

第４の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、気化器を通過した後の燃焼ガスの温度に基づいて燃焼ガスによって気化器で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。

気化器を通過した後の燃焼ガスの温度が水の沸点付近まで上昇すれば、気化器で水蒸気を生成可能となる。このため、気化器を通過した後の燃焼ガスの温度に基づいて気化器で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定することができる。

第５の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、水蒸気生成処理の開始後に、改質器で燃料ガスの生成が可能な状態になると、燃料が燃料経路を介して改質器に流れるように燃料調整部を制御する改質処理を実行する。

これによると、改質器に供給する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比（すなわち、Ｓ／Ｃ）を高い状態に維持することが可能となるので、改質器における炭素析出の発生を充分に抑制することができる。

第６の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼器に導く燃料オフガス経路を備える。循環経路は、燃料電池の起動時に、低炭素流体が改質器だけでなく燃料電池にも流れるように、上流側が燃料オフガス経路に接続され、下流側が燃料経路に接続されている。これによると、改質器と燃料電池との温度差を縮小することができるので、改質器と燃料電池との間で均温化を図ることができる。

第７の観点によれば、燃料電池システムの循環量調整部は、燃料経路に設けられたエジェクタを含んでいる。エジェクタは、流体を噴射するノズル部、ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料電池の出口側から流体を吸引する吸引部、ノズル部から噴射される流体と吸引部から吸引される流体とを混合して改質器に向けて吐出する吐出部を有する。

これによると、燃料電池の起動時には、エジェクタによって燃料電池を通過した低炭素流体を燃料電池の出口側から吸引するので、動力を増やすことなく、改質器に対して大流量の低炭素流体を供給することができる。

第８の観点によれば、燃料電池システムの循環経路には、低炭素流体を貯留するためのバッファタンクが設けられている。これによると、燃料電池の起動時に、バッファタンクに貯留された低炭素流体が燃料経路および循環経路を循環するので、改質器に対して大流量の低炭素流体を供給することができる。この結果、暖機処理時に改質器を均温化して、シンタリング等の発生を抑制することができる。

第９の観点によれば、燃料電池システムの循環経路には、低炭素流体を放熱させるための放熱器が設けられている。このように、放熱器によって低炭素流体を適宜放熱させる構成とすれば、暖機処理によって改質器が過度に温度上昇することを抑制することができる。このことは、シンタリングの発生の抑制に寄与する。

第１０の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、暖機処理時に、燃料バイパス経路の圧力が燃料経路の圧力以下となるように燃料調整部を制御することで、燃料バイパス経路を介して燃料を燃焼器に流す。

このように、燃料経路と燃料バイパス経路との圧力バランスによって燃料経路および燃料バイパス経路の燃料の供給割合を調整する構成とすれば、例えば、燃料経路に対して開閉弁を設ける構成に比べて、システムの簡素化を図ることができる。

第１１の観点によれば、燃料電池システムの燃料調整部は、燃料経路に設けられた燃料ポンプ、および燃料バイパス経路に設けられたバイパスポンプを含んでいる。そして、制御装置は、暖機処理時に、低炭素流体が循環経路に流れるように循環量調整部を制御した状態で燃料ポンプを起動させ、燃料ポンプの起動後に燃料が燃料バイパス経路を介して燃焼器に流れるようにバイパスポンプを起動させる。これによると、暖機処理時において、燃料経路および循環経路を循環させる流体の炭素含有率を低い状態に維持することが可能になる。

第１２の観点によれば、燃料電池システムの燃焼器は、燃料を燃焼させるためのバーナを有している。そして、制御装置は、暖機処理時に、燃料が燃料バイパス経路を介して燃焼器に流れるようにバイパスポンプを起動させた後に、バーナに点火する。これによると、燃料がバーナから逆流することで失火してしまうことが抑制される。

１０ 燃料電池
３０ａ 燃料経路
３１ 燃料調整弁（燃料供給部）
３２ 燃料ポンプ（燃料供給部）
５０ 燃料バイパス配管（燃料バイパス経路）
５１ バイパスポンプ（燃料供給部）
６０ 循環配管（循環経路）
６１ 循環調整弁（循環量調整部）
７３ 燃焼器
１００ 制御装置

Claims (12)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
   水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３３）と、
   燃料または前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させることで前記改質器を昇温させる燃焼ガスを生成する燃焼器（７３）と、
   前記改質器へ燃料を供給する燃料経路（３０、３０ａ）と、
   前記改質器を介さずに前記燃焼器へ燃料を供給する燃料バイパス経路（５０）と、
   燃料よりも炭素含有率が低い低炭素流体を前記改質器の下流側から前記燃料経路に流す循環経路（６０）と、
   前記燃料経路および前記燃料バイパス経路に対する燃料の供給割合を調整する燃料調整部（３１、３２、５１）と、
   前記循環経路に流す低炭素流体の流量を調整する循環量調整部（６１）と、
   少なくとも前記燃料調整部、前記循環量調整部を制御する制御装置（１００）と、を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池の起動時に、燃料が前記燃料バイパス経路を介して前記燃焼器に流れるように前記燃料調整部を制御し、且つ、低炭素流体が前記循環経路に流れるように前記循環量調整部を制御する暖機処理を実行する燃料電池システム。
2. 前記改質器へ供給する水蒸気を生成する気化器（４２）と、
   前記気化器への水の供給量を調整する水量調整部（４１）と、を備え、
   前記気化器は、燃焼ガスによって昇温するように構成されており、
   前記制御装置は、前記暖機処理の開始後に、燃焼ガスによって前記気化器で水を蒸発させることが可能な状態になると、前記気化器へ水が供給されるように前記水量調整部を制御する水蒸気生成処理を実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記燃料経路における圧力変化に基づいて燃焼ガスによって前記気化器で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記気化器を通過した後の燃焼ガスの温度に基づいて燃焼ガスによって前記気化器で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、前記水蒸気生成処理の開始後に、前記改質器で燃料ガスの生成が可能な状態になると、燃料が前記燃料経路を介して前記改質器に流れるように前記燃料調整部を制御する改質処理を実行する請求項２ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃焼器に導く燃料オフガス経路（７２）を備え、
   前記循環経路は、前記燃料電池の起動時に、低炭素流体が前記改質器だけでなく前記燃料電池にも流れるように、上流側が前記燃料オフガス経路に接続され、下流側が前記燃料経路に接続されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記循環量調整部は、前記燃料経路に設けられたエジェクタ（８１）を含んでおり、
   前記エジェクタは、流体を噴射するノズル部（８１１）、前記ノズル部の出口側の負圧を利用して前記燃料電池の出口側から流体を吸引する吸引部（８１２）、前記ノズル部から噴射される流体と前記吸引部から吸引される流体とを混合して前記改質器に向けて吐出する吐出部（８１３）を有する請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記循環経路には、低炭素流体を貯留するためのバッファタンク（６２）が設けられている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記循環経路には、低炭素流体を放熱させるための放熱器（６３）が設けられている請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
10. 前記制御装置は、前記暖機処理時に、前記燃料バイパス経路の圧力が前記燃料経路の圧力以下となるように前記燃料調整部（３２、５１）を制御することで、前記燃料バイパス経路を介して燃料を前記燃焼器に流す請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料調整部は、前記燃料経路に設けられた燃料ポンプ（３２）、および前記燃料バイパス経路に設けられたバイパスポンプ（５１）を含んでおり、
    前記制御装置は、前記暖機処理時に、低炭素流体が前記循環経路に流れるように前記循環量調整部を制御した状態で前記燃料ポンプを起動させ、前記燃料ポンプの起動後に燃料が前記燃料バイパス経路を介して前記燃焼器に流れるように前記バイパスポンプを起動させる請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
12. 前記燃焼器は、燃料を燃焼させるためのバーナを有しており、
    前記制御装置は、前記暖機処理時に、燃料が前記燃料バイパス経路を介して前記燃焼器に流れるように前記バイパスポンプを起動させた後に、前記バーナに点火する請求項１１に記載の燃料電池システム。

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