JP5213865B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池装置、特には効率よく起動することができる燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池（セル）と、この燃料電池（セル）を稼動するための補機類とを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置およびその運転方法が種々提案されている。そのような燃料電池装置としては、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続したセルスタックと、セルスタックの上部に配置され改質触媒を有する改質部と、改質部に供給する水蒸気を生成するための気化部とを収納容器に収納してなる燃料電池装置等が提案されている（たとえば、特開２００７−５９３７７号公報参照）。
このような燃料電池装置の起動処理工程においては、被改質ガス（原燃料）を改質して燃料電池に燃料ガス（水素含有ガス）を供給するための改質部を所定の温度にまで上昇させるとともに、燃料電池セル（セルスタック）を所定の温度にまで上昇させる必要がある。そして、燃料電池セル（セルスタック）が所定の温度に達した後に、起動処理工程を終了し、燃料電池を発電状態へと切り替えることとなる。
ここで、改質部の起動処理工程としては、天然ガス等の被改質ガス（原燃料）から燃料電池の発電に必要な水素を生成するための方法である部分酸化改質法（ＰＯＸ）、オートサーマル改質法（ＡＴＲ）、水蒸気改質法（ＳＲ）の順で順次行なうことが知られている（たとえば、特開２００４−３１９４２０号公報参照）。
具体的には、たとえば、改質部の温度が低い場合には部分酸化改質法での改質反応を行ない、部分酸化改質での改質反応により改質部の温度が上昇するに伴い、部分酸化改質法からオートサーマル改質法に切り替えて改質反応を行ない、さらに改質部（気化部）の温度が上昇した場合に、オートサーマル改質法から水蒸気改質法に切り替えて改質反応を行なうことが提案されている。それにより、改質部の温度が上昇するとともに、改質部で生成される燃料ガス自体の温度が上昇する。また上述したような特許文献に記載された燃料電池装置においては、あわせて燃料電池セルの一方の端部側（改質部側）で未反応のガス（被改質ガス）や燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱により改質部の温度を上昇させることが提案されている。
そして、起動処理工程において改質部で生成された温められた燃料ガスや未反応のガス（被改質ガス）が燃料電池（セル）に供給され、温められた燃料ガスにより燃料電池自身が温められること、さらには燃料電池（セル）に供給される燃料ガスや未反応のガス（被改質ガス）と酸素含有ガスとの燃焼反応により燃料電池（セル）自身が加熱されることで、燃料電池の温度が上昇する。そして、改質部と燃料電池（セル）が所定の温度に達すると、燃料電池装置の起動処理工程が完了し、燃料電池（セル）の発電が開始される。
ところで、燃料電池装置の運転に伴い、メンテナンスや故障等により一時的に燃料電池装置の稼動を停止しなければならない場合がある。そして、このような一時的な燃料電池装置の稼動停止は、メンテナンスや故障の種類等により、数分〜数時間（場合によっては数日）にわたる場合がある。一方、メンテナンスが終了した後や故障が直った後は、再び燃料電池装置を起動し、燃料電池装置の運転を開始することとなる。
ここで、燃料電池装置の起動において、改質部での改質反応を、部分酸化改質、オートサーマル改質および水蒸気改質の順で順次行なうよう制御されている燃料電池装置においては、燃料電池装置の起動時における改質部の温度が所定温度以上の場合に、改質部に供給される被改質ガス（原燃料）が急激に温度上昇することに伴い、被改質ガスの成分である炭素の析出が起こりやすく、それにより燃料電池セルが劣化するおそれがある。さらには、燃料電池セルの一方の端部側での燃料ガスや未反応のガス（被改質ガス）を燃焼させるための着火が困難になるおそれがある。
また、燃料電池装置の起動時において、改質部の温度が所定の温度以上の場合に部分酸化改質を行なうと、改質部が高温になりやすい。そのような状況においては、改質触媒が劣化しやすくなり、改質触媒の寿命が短くなるといったおそれがある。

それゆえ、本発明においては、燃料電池装置の起動時において、燃料電池装置の起動時における改質部および気化部の温度にあわせて改質部での改質反応を制御する（変更する）ことで、効率よく燃料電池装置を起動することができるとともに、改質触媒の劣化を抑制することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。
本発明の燃料電池装置は、セルスタックと、改質部と、気化部と、被改質ガス供給部と、酸素含有ガス供給部と、水供給部と、制御装置とを具備する。セルスタックは、収納容器内に複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなる。改質部は、前記セルスタックの上方に配置され前記燃料電池セルからの燃料ガスを燃焼することで生じる燃焼ガスに曝されるとともに、改質反応として部分酸化改質、オートサーマル改質および水蒸気改質を行なうことが可能な改質触媒を有する。気化部は、前記改質部に供給する水蒸気を生成する。被改質ガス供給部は、前記改質部に被改質ガスを供給する。酸素含有ガス供給部は、前記改質部に酸素含有ガスを供給する。水供給部は、前記気化部に水を供給する。制御装置は、前記改質部の改質反応を制御する。
前記制御装置は、前記燃料電池装置の起動時における前記改質部の温度に応じて、下記の第１の制御、第２の制御および第３の制御のうちいずれかを行うように制御するとともに、前記第１の制御は、前記燃料電池装置の起動時における前記改質部の温度が水蒸気改質可能温度未満である場合に、前記制御装置が、前記改質部の改質反応が、前記部分酸化改質、前記オートサーマル改質および前記水蒸気改質の順で順次行なわれるように前記被改質ガス供給部、前記酸素含有ガス供給部および前記水供給部を制御することであり、前記第２の制御は、前記燃料電池装置の起動時における前記改質部の温度が水蒸気改質可能温度で、かつ前記気化部の温度が２００〜３００℃の範囲の所定の温度未満である場合に、前記制御装置が、前記改質部の改質反応が、前記オートサーマル改質および前記水蒸気改質の順で順次行なわれるように前記被改質ガス供給部、前記酸素含有ガス供給部および前記水供給部を制御することであり、前記第３の制御は、前記燃料電池装置の起動時における前記改質部の温度が水蒸気改質可能温度で、かつ前記気化部の温度が前記所定の温度以上である場合には、前記制御装置が、前記改質部の改質反応が水蒸気改質にて行なわれるように前記被改質ガス供給部、前記酸素含有ガス供給部および前記水供給部を制御することである。

本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本発明の燃料電池装置の構成の一例を示す構成図である。 本発明の燃料電池装置における燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 本発明の燃料電池装置における改質器の一部を拡大して示す断面図である。 制御装置の制御動作を説明するためのフローチャートである。

以下図面を参考にして本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の燃料電池装置を備えてなる燃料電池システムの構成の一例を示した構成図である。このような燃料電池システムは、本発明の燃料電池装置である発電を行なう発電ユニット、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらのユニット間を水が循環するための循環配管から構成されている。
図１に示す燃料電池装置は、天然ガスや灯油等の原燃料（天然ガスの場合は被改質ガスに相当）を供給する被改質ガス供給部２、被改質ガスを改質するための改質触媒を内部に有する改質部と、改質部に供給する水蒸気を生成するための気化部とが一体的に構成されている改質器４、酸素含有ガスを改質器４（改質部）と燃料電池（セル）１とに供給するための酸素含有ガス供給部３を具備している。なお、改質部には、部分酸化改質、オートサーマル改質および水蒸気改質の少なくとも１種の改質方法を行なうことができる改質触媒が配置されている。なお、図１においては改質器４を、改質触媒を有する改質部と改質部に供給する水蒸気を生成するための気化部とを一体的に構成している場合の例を示しているが、これら改質部と気化部とを別々に設けることも可能である。なお、以下の説明においては、改質部と気化部とを一体的に構成している改質器４を用いて説明する。
ここで図１に示す燃料電池装置においては、改質器４で水蒸気改質を行う場合に必要な水の供給元として、燃料電池１より排気される排ガスと水との熱交換により生じる凝縮水を主に用いる場合の例を示している。すなわち、図１に示す燃料電池装置においては、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器１３、熱交換により生成された凝縮水を貯水する凝縮水タンク１９、熱交換器１３で生成された凝縮水を凝縮水タンク１９に供給するための凝縮水供給管２１が設けられており、凝縮水タンク１９に貯水された水（凝縮水）が、水ポンプ１１により改質器４（気化部）に供給される。
なお、図１に示す燃料電池装置においては、凝縮水タンク１９に貯水される水の量が少ない場合に、外部から改質器４（気化部）に水（水道水等）を供給することができるよう、水処理装置Ｘが併設されている。ここで、水処理装置Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、逆浸透膜装置８および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９の各装置から構成されており、これら各装置を水供給管５によりこの順で接続して配置している。さらに、水供給管５には、水供給管５に供給される水量を調整するための給水弁６が設けられている。そして、イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は水タンク１０に貯水され、水ポンプ１１により改質器４（気化部）に水が供給される。なお、図１においては、凝縮水タンク１９と水タンク１０とがタンク連結管２０にて連結されている状態を示しており、水タンク１０に貯水された凝縮水または外部から供給され純水に処理された水を水ポンプ１１により改質器４（気化部）に供給する。なお図１においては、これら改質器４（気化部）に水を供給するためのユニットを、一点鎖線により囲って示している。
また詳細は図２に示すが、改質器４は、燃料電池１とともにケーシング内に収納され、かつ燃料電池セルの一端側の上方に配置されている。それにより、燃料電池セルに供給される燃料ガス（改質ガス）または改質器４（改質部）で未反応のガス（被改質ガス）を、燃料電池セルの一方の端部側で燃焼させることにより、改質器４（改質部および気化部）の温度をさらに上昇させることができる。
さらに、図１に示す燃料電池装置は、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２が設けられており、このパワーコンディショナ１２を系統電源（負荷）と接続することで、燃料電池１の発電が開始されるとともに、負荷追従運転が開始されることとなる。
そして、図１に示す燃料電池装置は、この被改質ガス供給部２や酸素含有ガス供給部３、さらにはパワーコンディショナ１２等を制御する制御装置１４が設けられている。なお、各制御については後述するものとし、制御装置１４は各制御を行なう制御部を１つの収納容器に収納する、もしくはそれぞれ別個の装置とすることができる。
さらに、図１においては、燃料電池１にて発電された熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５が設けられており、上述した各装置および後述する循環ポンプ１６を外装ケース内に収納することにより、発電ユニット（本発明の燃料電池装置）が構成されている。
また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成され、さらに、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１７が設けられており、発電ユニット（燃料電池装置）、貯湯ユニット、循環配管１７をあわせて燃料電池システムが構成される。なお、循環ポンプ１６は循環配管１７に接続してもよい。
なお、図中の矢印は、燃料ガス、酸素含有ガス、水の各流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置１４に伝送される主な信号経路、または制御装置１４より伝送される主な信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。
また、燃料電池セルとしては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池のほか、燃料電池の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。またあわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。
図２は、本発明の燃料電池装置を構成する部材である燃料電池モジュール２２の一例を示す外観斜視図である。燃料電池モジュール２２は、直方体状のケーシング２３の内部に、複数の燃料電池セル２４を並設して電気的に直列に接続してなるセルスタック２５を収納する。図２においては、燃料電池セル２４として、燃料電池セル２４の内部を長手方向に燃料ガス（水素含有ガス）が流れる中空平板型の燃料電池セル２４を例示している。
そして、セルスタック２５の上部、すなわち燃料電池セル２４の一方の端部（上端部）の上方に改質器４が配置されている。なお図２においても、改質器４は改質部と気化部を一体的に構成している改質器４を示している。それにより、燃料電池セル２４に供給される未反応の燃料ガスや改質器で改質されなかった被改質ガスと酸素含有ガス供給部３によりケーシング２３内に供給される酸素含有ガスとを燃料電池セル２４の一方の端部側（改質器４側）で燃焼させることができ、その燃焼により生じる燃焼熱により改質器４（改質部および気化部）を加熱することができる。
なお、改質器４はＵ字型の形状をしており、被改質ガス、酸素含有ガス、水（水蒸気）を供給するための供給管２８が接続されている改質器４の一端側に気化部が配置され、つづいて改質部が配置されている。そして、この供給管２８より供給された被改質ガスが、改質器４（改質部）内に配置された改質触媒（詳細は図３で示す）により改質されて改質ガス（燃料ガスである水素含有ガス）となる。改質器４（改質部）にて生成された燃料ガスは、燃料電池セル２４に供給するためのマニホールド２６に燃料ガス供給管２９を通じて供給される。
ここで、セルスタック２５は、改質器４（改質部）にて生成された燃料ガス（水素含有ガス）を燃料電池セル２４に供給するためのマニホールド２６の上面に立設されており、改質器４（改質部）で生成された燃料ガスが、マニホールド２６を介して燃料電池セル２４に供給される。そして、これらの構成により燃料電池セルスタック装置２７が構成されている。
なお、図２においては、ケーシング２３の一部（前面および後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池セルスタック装置２７を後方に取り出した状態を示している。ここで、図２に示した燃料電池モジュール２２においては、燃料電池セルスタック装置２７を、ケーシング２３内にスライドさせて収納することが可能である。
なお、供給管２８は被改質ガス、酸素含有ガス、水（水蒸気）を供給することができればよく、たとえば、被改質ガス、酸素含有ガス、水（水蒸気）のそれぞれを供給するための供給管を設ける（すなわち３本の供給管を設ける）ほか、たとえば二重管や三重管とすることもできる。
図３は、図２に示したＵ字型の改質器４のうち供給管２８が接続されている側を一部抜粋して拡大して示した断面図である。なお、図３においては、改質器４（気化部）に水を供給するための水供給管５と、被改質ガスおよび酸素含有ガスを供給するためのガス供給管３０が接続されている場合を示している。なお、図３においてガス供給管３０は、被改質ガスと酸素含有ガスを混合して改質器４（気化部）に供給する場合を示しているが、それぞれを別個に供給するよう別々の供給管とすることもできるほか、二重管とすることもできる。
なお図３においては、改質器４は、水供給管５により供給される水を気化するための気化部３１および改質反応を行なう改質部３２を一体的に構成しており、気化部３１および改質部３２は、通気性のある壁３３で分離されている。ここで、水供給管５は気化部３１の内部まで挿入されている。それにより、気化部３１に挿入されている水供給管５を水が流れる間に水蒸気に気化され、気化部３１には水蒸気が供給されることとなる。なお、水供給管５より供給される水を気化部３１内に滴下して、その滴下された水を気化部３１内で水蒸気に気化することもできる。ここで、気化部３１と改質部３２を一体的に構成した改質器４においては、気化部３１と改質部３２の入口の温度はほぼ同一の温度となる。なお、改質部３２には、水蒸気および／または酸素含有ガスと、被改質ガスとを混合し、被改質ガスを水素含有ガスに改質するための改質触媒３４が配置されている。
このような、改質触媒３４としては、それ自体公知のものを使用することができ、たとえば球体状のＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等の表面にＲｕ、Ｐｔのような金属を担持して構成された貴金属触媒や、球体状のＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等の表面にＮｉ等の金属を担持して構成された卑金属触媒を用いることができ、これらを混合して配置することも可能である。なお、卑金属触媒と貴金属触媒とを混合して配置する場合には、改質部３２の入口付近（気化部３１側）に貴金属触媒を配置し、その後側に（改質部３２の出口側にむけて）卑金属触媒を配置することも可能である。
また、気化部３１および改質部３２を一体的に構成したことから、改質部３２に供給される被改質ガスや酸素含有ガスは、気化部３１を介して改質部３２に供給されることとなる。
ここで、図２および図３に示した構成を有する燃料電池装置の起動時における改質反応について以下に詳述する。図４は、制御装置１４の制御動作を説明するためのフローチャートである。本発明の燃料電池装置においては、燃料電池装置の起動時における改質部３２および気化部３１の温度にあわせて、改質部３２での改質反応を制御する。
具体的には、燃料電池装置の起動時における改質部３２の温度が、水蒸気改質可能温度未満の場合においては、制御装置１４は、改質部３２での改質反応として、部分酸化改質、オートサーマル改質および水蒸気改質の順で順次行なわれる第１の制御（ステップＳ１−Ｓ２−Ｓ１−Ｓ３−Ｓ４−Ｓ３−Ｓ５−Ｓ６−Ｓ５−Ｓ７）を行なうように、被改質ガス供給部２、酸素含有ガス供給部３および水供給部（たとえば水ポンプ１１等）を制御する。なお、酸素含有ガス供給部３としては、燃料電池セル２４（ケーシング２３）に酸素含有ガスを供給するための燃料電池セル用酸素含有ガス供給部を併用して用いることもできる。なお、以降の説明においては、改質部３２およびケーシング２３に酸素含有ガスを供給する手段として、酸素含有ガス供給部３を併用して用いる場合にて説明する。
まず燃料電池装置の起動時における改質部３２の温度が水蒸気改質可能温度未満、特には部分酸化改質可能温度未満の場合（たとえば、燃料電池装置の初期起動時や、燃料電池装置を長期間停止していた場合などの改質部３２が常温である場合等、ステップＳ１のＹＥＳ）においては、燃料電池セル２４に供給される未反応のガス（被改質ガス）と酸素含有ガス供給部３によりケーシング２３内（燃料電池セル２４）に供給される酸素含有ガスとを燃料電池セル２４の一方の端部側（改質器４側）で燃焼させることで生じる燃焼熱により改質器４を加熱する（ステップＳ２）。このとき、被改質ガスと酸素含有ガスを所定比率で混合した混合ガスを燃料電池セル２４に供給し、一方の端部側で燃焼させることもできる。なお、ヒータ等の加熱手段を用いて改質器４を加熱することも可能であり、両者を併用して改質器４を加熱することも可能である。それにより、改質部３２および気化部３１の温度が上昇する。この状態においては、制御装置１４は改質部３２に被改質ガスを供給する被改質ガス供給部２より被改質ガスを供給する制御を行うとともに、酸素含有ガス供給部３よりケーシング２３（燃料電池セル２４）に酸素含有ガスを供給する制御を行なう。なお、被改質ガスを供給するための被改質ガス供給部２としてはたとえばガスポンプ等があげられ、酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部３としては酸素含有ガス供給ブロアー等があげられる。
そして、改質部３２の温度が部分酸化改質可能温度（ステップＳ１のＮＯ）で、かつ水蒸気改質可能温度未満となった場合（ステップＳ３のＹＥＳ）には、改質部３２にて部分酸化改質を行なうように制御する（ステップＳ４）。すなわち、制御装置１４は、気化部３１を介して改質部３２に被改質ガスを供給する被改質ガス供給部２より被改質ガスを供給する制御を行うとともに、酸素含有ガス供給部３より改質部３２（気化部３１を介して）およびケーシング２３内（燃料電池セル２４）に酸素含有ガスを供給する制御を行なう。
それにより、改質部３２にて、被改質ガス供給部２により気化部３１を介して供給される被改質ガスと、酸素含有ガス供給部３により気化部３１を介して供給される酸素含有ガスとで部分酸化改質を行なうことができる。
ここで部分酸化改質は発熱反応であるため、部分酸化改質開始後は、その反応熱により改質部３２の温度を上昇させることができる。それゆえ、たとえばヒータ等の加熱手段を停止することも可能である。なお、燃料電池セル２４の一方の端部側での燃焼反応は、燃料電池セル２４の温度上昇や温度維持のため、さらには燃料ガスや未反応のガス（被改質ガス）等が排気されることを抑制すべく、燃焼を継続して行なう必要がある。
そして、改質部３２の温度が水蒸気改質可能温度（ステップＳ３のＮＯ）で、かつ気化部３１の温度が所定の水蒸気量を生成可能な温度未満となった場合（ステップＳ５のＹＥＳ）には、部分酸化改質に伴う反応熱と燃料電池セル２４の一方の端部側での燃焼熱により、改質部３２が過剰に加熱されないよう、また効率よく改質反応を行なうことができるよう、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用して改質反応を行なうオートサーマル改質に切り替える制御を行なう（ステップＳ６）。
オートサーマル改質の状態においては、制御装置１４は被改質ガス供給部２より気化部３１を介して改質部３２に被改質ガスを供給する制御を行ない、同様に、酸素含有ガス供給部３より、気化部３１を介して改質部３２に酸素含有ガスを供給するよう、さらにはケーシング２３内（燃料電池セル２４）に酸素含有ガスを供給する制御を行なうとともに、水供給部より気化部３１に水を供給する制御を行なう。
なおこの場合において、熱交換器１３での熱交換により生じる凝縮水は十分量が生成されていない場合があり、その場合、気化部３１に供給する水としては、水処理手段Ｘにて処理された水（純水）が貯水された水タンク１０中の水（純水）を気化部３１に供給することができる。なお、水処理手段Ｘを具備しない燃料電池装置においては、水タンク１０（凝縮水タンク１９）に、燃料電池装置の外部より気化部３１に供給することが可能な純度を有する純水を注水して、その水を水ポンプ１１により気化部３１に供給することも可能である。
なお、気化部３１における所定の水蒸気量を生成可能な温度とは、改質部３２にて水蒸気改質のみを行なう場合において、水蒸気改質だけを行なうために必要な所定の水蒸気量を生成可能な温度をいう。ここで、所定の水蒸気量を生成可能な温度とは、被改質ガスの供給量等により適宜設定でき、たとえば２００〜３００℃以上とすることができる。なお、気化部３１における所定の水蒸気量を生成可能な温度は、気化部３１内を被改質ガスが流れる場合には、被改質ガスが熱分解等を生じない温度に設定することが好ましく、また改質部３２に配置される改質触媒に悪影響を与えない温度に設定することが好ましい。
そして、改質部３２の温度が水蒸気改質可能温度（ステップＳ３のＮＯ）で、かつ気化部３１の温度が所定の水蒸気量を生成可能な温度となった場合（ステップＳ５のＮＯ）には、最も効率よく改質反応を行なうことができる、すなわち最も水素生成量が多くなる水蒸気改質に切り替えて改質反応を行なう（ステップＳ７）。
水蒸気改質においては、制御装置１４は、被改質ガス供給部２を気化部３１を介して改質部３２に被改質ガスを供給する制御を行ない、水供給部を気化部３１に水を供給する制御を行なう。また、酸素含有ガス供給部３の制御としては、ケーシング２３内（燃料電池セル２４）に酸素含有ガスを供給するが、気化部３１を介して改質部３２に供給されていた酸素含有ガスは停止するように制御する。
それにより、改質部３２においては水蒸気改質だけを行うこととなり、最も効率よい改質反応を行なうことができる。そして、あわせて燃料電池セル２４の温度が上昇し、燃料電池セル２４の温度が発電開始可能な温度となると、燃料電池装置の起動処理が完了し、燃料電池セル２４での発電が開始される（すなわち定常運転を行なう）。
なお、部分酸化改質可能温度、水蒸気改質可能温度は、改質部３２に配置される改質触媒の種類や特性、また改質部３２に供給される原燃料種に基づいて適宜設定することができる。
ここで、たとえば改質触媒としてＮｉ系改質触媒を用い、原燃料（被改質ガス）として都市ガスを用いる場合においては、部分酸化改質可能温度は２５０〜３００℃以上、水蒸気改質可能温度は３５０〜４５０℃以上とすることができる。なお、気化部３１における所定の水蒸気量を生成可能な温度とは、前述したとおり２００〜３００℃以上とすることができる。
また、たとえば改質触媒としてＲｕ系改質触媒を用いる場合においては、部分酸化改質可能温度は２００〜３００℃以上、水蒸気改質可能温度は３００〜４５０℃以上とすることができる。なお、気化部３１における所定の水蒸気量を生成可能な温度とは、前述したとおり２００〜３００℃以上とすることができる。
なお、これらの温度は改質部（改質触媒）のピーク温度を示しており、温度センサ（熱電対等）の温度測定部位が改質部内に位置するように配置することが好ましい。なお、改質部での温度測定部位によっては、計測される温度にピーク温度と若干の差が生じる場合がある。そのため、上述の例において、部分酸化改質可能温度および水蒸気改質可能温度は、上述の温度範囲に限定されるものではない。
ところで、燃料電池装置はその運転に伴い、定期的なメンテナンスや故障等により燃料電池装置の稼動を停止しなければならない場合があり、その場合に、たとえば数分〜数時間（場合によっては数日）にわたって燃料電池装置を停止する場合がある。
一方、燃料電池装置のメンテナンスや故障が直った後は、再び燃料電池装置を起動することとなる。ここで、燃料電池装置を停止している間に改質部３２の温度が下がることとなるが、燃料電池装置の停止時間によっては、改質部３２の温度が高いままの状態の場合がある。
この状態で燃料電池装置を起動（再起動）する場合に、上述した第１の制御における改質反応を開始する、すなわち部分酸化改質から改質反応を開始すると、被改質ガス供給部２より供給される被改質ガスが、改質部３２内に供給された（もしくは供給される過程で）直後に急激に温度が上昇するおそれがある。そして、被改質ガスの温度が急激に上昇すると、被改質ガスの分解が早くおこり、被改質ガス中の成分である炭素が析出するおそれがある。
ここで、被改質ガス中の成分である炭素が析出すると、燃料電池セル２４が劣化するおそれがある。また場合によっては、燃料電池セル２４の一方の端部側での燃料ガスや未反応のガス（被改質ガス）を燃焼させるための着火が困難となるおそれがある。
さらには、燃料電池装置を起動（再起動）する場合に、改質部３２の温度が高い状態で部分酸化改質を行なうと、改質部３２が高温となりやすくなる。それにより、改質触媒３４が焼結等を生じることで劣化しやすくなり、改質触媒３４の寿命が短くなるといったおそれがある。
それゆえ、本発明においては、燃料電池装置の起動時における改質部３２の温度が水蒸気改質可能温度（ステップＳ１のＮＯかつステップＳ３のＮＯ）で、かつ気化部３１の温度が所定の水蒸気量を生成可能な温度未満の場合（ステップＳ５のＹＥＳ）には、制御装置１４は、改質部３２の改質反応を、オートサーマル改質および水蒸気改質の順で順次行なう第２の制御（ステップＳ１−Ｓ３−Ｓ５−Ｓ６−Ｓ５−Ｓ７）を行なうように、被改質ガス供給部２、酸素含有ガス供給部３および水供給部を制御する。
それにより、吸熱反応である水蒸気改質を含むオートサーマル改質から改質反応を開始することにより、改質部３２の温度が急激に上昇することを抑制するもしくは改質部３２の温度を下げることができ、改質部３２に供給される被改質ガスの温度が急激に上昇することを抑制することができる。
それにより、燃料電池装置の起動時に、被改質ガスの成分である炭素が析出することを抑制することができ、燃料電池セル２４の劣化を抑制することができる。また、燃料電池セル２４の一方の端部側での着火を容易に行うことができる。
さらに、部分酸化改質を回避して改質反応を行なうことにより、改質部３２が高温となることを抑制することができることから、改質触媒３４の劣化を抑制することができる。
また、燃料電池装置の起動時における改質部３２の温度が水蒸気改質可能温度（ステップＳ１のＮＯかつステップＳ３のＮＯ）で、かつ気化部の温度が所定の水蒸気量を生成可能な温度である場合（ステップＳ５のＮＯ）には、制御装置１４は、改質部３２の改質反応を、水蒸気改質にて行なう第３の制御（ステップＳ１−Ｓ３−Ｓ５−Ｓ７）を行なうように、被改質ガス供給部２、酸素含有ガス供給部３および水供給部を制御する。
それにより、上述した第２の制御と同様に、燃料電池装置の起動時に、被改質ガスの成分である炭素が析出することを抑制することができ、燃料電池セル２４の劣化を抑制することができる。また、燃料電池セル２４の一方の端部側での着火を容易に行うことができる。さらに、部分酸化改質を回避することができることから、燃料電池装置の起動時において改質部が高温になることを抑制でき、それにより改質触媒３４の劣化を抑制することができる。
なお、第２の制御、第３の制御を行なう場合において、被改質ガス供給部２、酸素含有ガス供給部３および水供給部の制御は、上述した第１の制御の場合と同様に行なうことができる。
ここで、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なう場合に、高酸素比のオートサーマル改質を行なうと、部分酸化改質と同様に改質部４が高温になりやすくなるため、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうにあたり、改質部４に供給される酸素含有ガスを少なくすることができる。
すなわち、制御装置１４は、第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの被改質ガス供給量と第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの被改質ガス供給量を一定とし、かつ第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの改質部４に供給する被改質ガス供給量に対する酸素含有ガス供給量の割合（以下、Ｏ_２／Ｃと表す）が、第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときのＯ_２／Ｃよりも小さくなるように、被改質ガス供給部２および酸素含有ガス供給部３を制御することができる。なおここで、被改質ガス供給量は、流量計等により測定される値としてもよく、また被改質ガスに含有される炭素（Ｃ）の量としてもよい。以降の説明においては、被改質ガス供給量を、被改質ガスに含有される炭素（Ｃ）の量として説明する。
具体的には、第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの被改質ガス供給量と第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの被改質ガス供給量が一定となるように被改質ガス供給部２を制御する。あわせて、第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときのＯ_２／Ｃは炭素析出の発生を抑制するため０．４〜１．０になるように酸素含有ガス供給部３を制御する。そして、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときのＯ_２／Ｃは第１の制御におけるＯ_２／Ｃよりも小さくなればよいが、改質触媒３４の劣化をより抑制するにあたり、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときのＯ_２／Ｃを第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときのＯ_２／Ｃの半分以下とするように酸素含有ガス供給部３を制御することが好ましい。それゆえ、たとえば第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときのＯ_２／Ｃが０．６である場合には、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときのＯ_２／Ｃを０．３とするように酸素含有ガス供給部３を制御することが好ましい。
それにより、燃料電池装置の起動時に第２の制御を行うときに、改質触媒３４が高温となることを抑制でき、改質触媒３４が劣化することを抑制できる。
また、燃料電池装置の起動時において、第２の制御または第３の制御を行なう場合に、制御装置１４は、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの改質部３２に供給する水蒸気量を、第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの改質部３２に供給する水蒸気量よりも多くなるように制御するとともに、第３の制御における水蒸気改質を行なうときの改質部３２に供給する水蒸気量を、第１の制御における水蒸気改質を行なうときの改質部３２に供給する水蒸気量よりも多くなるように水供給部を制御することもできる。したがって、燃料電池装置の起動時に第２の制御または第３の制御を行なうときに、改質部３２の温度が急激に上昇することを抑制でき、改質部３２に供給される被改質ガスが急激に温度上昇することを抑制できる。それにより、燃料電池装置の起動時に第２の制御または第３の制御を行なうときに、被改質ガスの成分である炭素の析出を抑制することができ、燃料電池セル２４の劣化を抑制することができることから、効率よく燃料電池装置を起動することができる。
すなわち、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの改質部３２に供給する被改質ガスの量に対する水量（水蒸気量）（以下、Ｓ／Ｃと表す）を、第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときのＳ／Ｃよりも大きい割合とするとともに、第３の制御における水蒸気改質を行なうときの改質部３２に供給するＳ／Ｃを、第１の制御における水蒸気改質を行なうときの改質部３２に供給するＳ／Ｃよりも大きい割合とすることで、改質部３２の温度（入口温度）を下げることができ、改質部４に供給される被改質ガスが急激に温度上昇することを抑制できる。
ここで、第１の制御におけるＳ／Ｃの割合は、炭素析出を抑制しかつ燃料電池セルの性能劣化のために１．５〜３．５の範囲となるのが好ましい。それゆえ、たとえば第１の制御におけるオートサーマル改質または水蒸気改質を行なうときのＳ／Ｃが３．０である場合には、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときのＳ／Ｃまたは第３の制御における水蒸気改質を行なうときのＳ／Ｃを４．０とすることが好ましい。
それにより、被改質ガスの成分である炭素の析出を抑制することができることから、燃料電池セル２４の劣化を抑制できる。それにより、効率よく燃料電池装置を起動することができる。
さらに、燃料電池装置の起動時において、第２の制御または第３の制御を行なう場合に、制御装置１４は、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの改質部３２に供給する被改質ガス供給量を、第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの改質部３２に供給する被改質ガス供給量よりも少なくなるように被改質ガス供給部を制御するとともに、第３の制御における水蒸気改質を行なうときの改質部３２に供給する被改質ガス供給量を、第１の制御における水蒸気改質を行なうときの改質部３２に供給する被改質ガス供給量よりも少なくなるように被改質ガス供給部を制御することもできる。したがって、燃料電池セル２４の一方の端部側における燃料ガスや未反応のガス（被改質ガス）の燃焼に伴う熱量が減少するとともに、オートサーマル改質においては改質部３２での発熱量を減らすことができる。それゆえ、燃料電池装置の起動時に第２の制御または第３の制御を行なうときに、改質部３２の温度が急激に上昇することを抑制することができる。それにより、改質部３２に供給される被改質ガスが急激に温度上昇することを抑制できる。それにより、燃料電池装置の起動時に第２の制御または第３の制御を行なうときに、被改質ガスの成分である炭素の析出を抑制することができ、燃料電池セル２４の劣化を抑制することができることから、効率よく燃料電池装置を起動することができる。
上述したのと同様に、改質部３２の温度（入口温度）を下げることにより、改質部３２に供給される被改質ガスが急激に温度上昇することを抑制できる。そのため、改質部３２に供給する被改質ガスの供給量を減らすことにより、改質部３２でオートサーマル改質を行なう場合においては、改質部３２での発熱量を減らすことができる。また、被改質ガスの供給量を減らすことにより、燃料ガスや未反応のガス（被改質ガス）の量を減らすことができ、あわせて燃料電池セル２４の一方の端部側での燃焼熱量も減らすことができる。それにより、改質部３２の温度が急激に上昇することを抑制でき、被改質ガスの成分である炭素の析出を抑制することができることから、燃料電池セル２４の劣化を抑制でき効率よく燃料電池装置を起動することができる。
なお、具体的には第１の制御における被改質ガスの供給量が１．５〜４．０Ｌ／ｍｉｎである場合には、第２の制御における被改質ガスの供給量または第３の制御における被改質ガスの供給量を第１の制御における被改質ガスの供給量に対して７割程度である１．０〜３．０Ｌ／ｍｉｎとすることができる。それゆえ、たとえば第１の制御におけるオートサーマル改質または水蒸気改質を行なうときの被改質ガスの供給量が３．０Ｌ／ｍｉｎである場合には、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの被改質ガスの供給量または第３の制御における水蒸気改質を行なうときの被改質ガスの供給量を２．０Ｌ／ｍｉｎとすることができる。
さらに、改質部３２の温度が急激に上昇することを抑制するにあたり、改質部３２を外側から冷却することもできる。すなわち、燃料電池装置が燃料電池セル２４に酸素含有ガスを供給する燃料電池セル用酸素含有ガス供給部を具備するとともに、制御装置１４が、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの燃料電池セル２４に供給する酸素含有ガス量を、第１の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの燃料電池セル２４に供給する酸素含有ガス量よりも多くなるように燃料電池セル用酸素含有ガス供給部を制御するとともに、第３の制御における水蒸気改質を行なうときの燃料電池セル２４に供給する酸素含有ガス量を、第１の制御における水蒸気改質を行なうときの燃料電池セル２４に供給する酸素含有ガス量よりも多くなるよう燃料電池セル用酸素含有ガス供給部を制御することで、改質部３２の温度が急激に上昇することを抑制できる。それにより、被改質ガスの成分である炭素の析出を抑制することができることから、燃料電池セル２４の劣化を抑制でき、効率よく燃料電池装置を起動することができる。なお、燃料電池セル用酸素含有ガス供給部は、燃料電池装置の小型化の観点より、改質部３２（気化部３１）に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部３を併用することが好ましい。
なお、具体的には第１の制御における燃料電池セル用酸素含有ガスの供給量が２０〜６０Ｌ／ｍｉｎである場合には、第２の制御における燃料電池セル用酸素含有ガスの供給量または第３の制御における燃料電池セル用酸素含有ガスの供給量を３０〜８０Ｌ／ｍｉｎとすることができる。それゆえ、たとえば第１の制御におけるオートサーマル改質または水蒸気改質を行なうときの燃料電池セル用酸素含有ガスの供給量が５０Ｌ／ｍｉｎである場合には、第２の制御におけるオートサーマル改質を行なうときの燃料電池セル用酸素含有ガスの供給量または第３の制御における水蒸気改質を行なうときの燃料電池セル用酸素含有ガスの供給量を６０Ｌ／ｍｉｎとすることができる。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
たとえば、制御装置１４は上述した各制御のうち、２つ以上の制御を同時に行なうことも可能である。それにより、より効率的に被改質ガスからの炭素の析出を抑制できるとともに、改質触媒３４の劣化をより抑制することができる。
本発明の燃料電池装置は、燃料電池装置の起動時における改質部の温度に応じて、改質部での改質反応として、部分酸化改質、オートサーマル改質および水蒸気改質の順で順次行なう第１の制御、オートサーマル改質および水蒸気改質の順で順次行なう第２の制御および水蒸気改質にて行なう第３の制御のうちいずれかを行なうことにより、燃料電池装置の起動時における改質部の温度が水蒸気改質可能温度の場合に、改質部に供給される被改質ガスの温度が急激に上昇することを抑制でき、被改質ガスの成分である炭素が析出することを抑制することができる。それにより、燃料電池セルの劣化を抑制することができ、効率よく燃料電池装置を起動することができる。さらに、第２の制御または第３の制御を行なうときには、部分酸化改質を行なうことなく、オートサーマル改質もしくは水蒸気改質より改質反応が開始されることから、燃料電池装置の起動時において改質部が高温になることを抑制でき、それにより改質触媒の劣化を抑制することができる。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

Claims (5)

1. 収納容器内に、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタックと、
   該セルスタックの上方に配置され前記燃料電池セルからの燃料ガスを燃焼することで生じる燃焼ガスに曝されるとともに、改質反応として部分酸化改質、オートサーマル改質および水蒸気改質を行なうことが可能な改質触媒を有する改質部と、
   該改質部に供給する水蒸気を生成するための気化部と、
   前記改質部に被改質ガスを供給するための被改質ガス供給部と、
   前記改質部に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給部と、
   前記気化部に水を供給するための水供給部と、
   前記改質部の改質反応を制御する制御装置とを具備する燃料電池装置であって、
   前記制御装置は、前記燃料電池装置の起動時における前記改質部の温度に応じて、下記の第１の制御、第２の制御および第３の制御のうちいずれかを行うように制御するとともに、
   前記第1の制御は、前記燃料電池装置の起動時における前記改質部の温度が水蒸気改質
   可能温度未満である場合に、前記制御装置が、前記改質部の改質反応が、前記部分酸化改質、前記オートサーマル改質および前記水蒸気改質の順で順次行なわれるように前記被改質ガス供給部、前記酸素含有ガス供給部および前記水供給部を制御することであり、
   前記第２の制御は、前記燃料電池装置の起動時における前記改質部の温度が水蒸気改質可能温度で、かつ前記気化部の温度が２００〜３００℃の範囲の所定の温度未満である場合に、前記制御装置が、前記改質部の改質反応が、前記オートサーマル改質および前記水蒸気改質の順で順次行なわれるように前記被改質ガス供給部、前記酸素含有ガス供給部および前記水供給部を制御することであり、
   前記第３の制御は、前記燃料電池装置の起動時における前記改質部の温度が水蒸気改質可能温度で、かつ前記気化部の温度が前記所定の温度以上である場合に、前記制御装置が、前記改質部の改質反応が水蒸気改質にて行なわれるように前記被改質ガス供給部、前記酸素含有ガス供給部および前記水供給部を制御することであることを特徴とする燃料電池装置。
   
2. 前記制御装置は、前記第１の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの被改質ガス供給量と前記第２の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの被改質ガス供給量とを一定とし、かつ前記第２の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの前記改質部に供給される被改質ガス供給量に対する酸素含有ガス供給量の割合が、前記第１の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの前記改質部に供給される被改質ガス供給量に対する酸素含有ガス供給量の割合よりも小さくなるように、前記被改質ガス供給部および前記酸素含有ガス供給部を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置は、前記第２の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの前記改質部に供給される水蒸気量が、前記第１の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの前記改質部に供給される水蒸気量よりも多くなるように前記水供給部を制御するとともに、前記第３の制御における前記水蒸気改質を行なうときの前記改質部に供給される水蒸気量が、前記第１の制御における前記水蒸気改質を行なうときの前記改質部に供給される水蒸気量よりも多くなるように前記水供給部を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御装置は、前記第２の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの前記改質部に供給される被改質ガス供給量が、前記第１の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの前記改質部に供給される被改質ガス供給量よりも少なくなるように前記被改質ガス供給部を制御するとともに、前記第３の制御における前記水蒸気改質を行なうときの前記改質部に供給される被改質ガス供給量が、前記第１の制御における前記水蒸気改質を行なうときの前記改質部に供給される被改質ガス供給量よりも少なくなるように前記被改質ガス供給部を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
5. 前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための燃料電池セル用酸素含有ガス供給部を具備するとともに、前記制御装置は、前記第２の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガス供給量が、前記第１の制御における前記オートサーマル改質を行なうときの前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガス供給量よりも多くなるように前記燃料電池セル用酸素含有ガス供給部を制御するとともに、前記第３の制御における前記水蒸気改質を行なうときの前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガス供給量が、前記第１の制御における前記水蒸気改質を行なうときの前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガス供給量よりも多くなるように前記燃料電池セル用酸素含有ガス供給部を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。

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