JP2006273619A - 改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 改質部に投入される改質用燃料供給量に基づいて導出されたスチームカーボン比制御指示値を用いて投入される改質水の供給量を決定してその決定結果となるように改質水を供給する改質装置を提供する。
【解決手段】 改質装置の制御装置３０は、スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）制御指示値を導出するＳ／Ｃ制御指示値導出部３１と、Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１により導出されたＳ／Ｃ制御指示値と改質用燃料流量計により検出された改質用燃料供給量とに基づいて改質部に供給する改質水の目標供給量を導出する目標改質水供給量導出部３２と、目標改質水供給量導出部３２により導出された目標改質水供給量となるように水ポンプを制御する改質水供給制御部３３とを備えている。Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１は、改質用燃料流量計により検出された改質用燃料供給量に基づいてＳ／Ｃ制御指示値を導出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、改質用燃料および改質水がそれぞれ供給されその供給された改質用燃料を内部に充填された改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質装置に関する。

従来から、この種の改質装置の一例として、特許文献１「燃料処理装置、燃料電池発電システム」に示されているものが知られている。特許文献１に示されているように、燃料処理装置は、炭化水素系原料（４０、４０ａ）を水素と一酸化炭素とを主成分とする改質ガス４４に改質する改質部１１と、改質部１１に改質用プロセス水４１を供給するプロセス水供給系統３と、改質ガス４４を変成して、改質ガス４４中の一酸化炭素含有量を減少させる変成触媒部１４、並びに改質用プロセス水４１と変成触媒部１４との間で熱交換させる第１の熱交換部１３を有する変成部１２と、変成触媒部１４（または選択酸化触媒部１９）の温度を検出する温度検出器１７（または温度検出器２０）で検出される温度に基いて、改質用プロセス水４１の供給量を調節するプロセス水量調節装置５を備え、プロセス水量調節装置５は炭化水素系原料流量とあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲とから算出される流量範囲内で改質用プロセス水４１の供給量を増減するようになっている。これにより、簡単な構成でありながら、燃料電池発電システムの負荷変動時などにも安定した一酸化炭素除去能力を有する燃料処理装置を提供している。
特開２００４−６０９３号公報（第２−１２頁、第１−５図）

上述した特許文献１に記載の燃料処理装置においては、図３に示されているように、変成触媒部１４（または選択酸化触媒部１９）の温度は過昇温しきい値と過降温しきい値で規定される所定範囲を挟む範囲に制御することができ、また、図４に示されているように、変成触媒部１４（または選択酸化触媒部１９）の温度は過昇温しきい値を挟む範囲に制御することができるが、変成触媒部１４（または選択酸化触媒部１９）の温度が過昇温しきい値を挟んで変動した時点でスチームカーボン比の設定が大きく変動していた。これにより、改質部においては、投入される改質用燃料の供給量が同じであっても、投入される改質水の供給量が変動するため、圧力変動、メタン転化率変動などが誘発されてその結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転が困難となるというおそれがあった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、圧力変動、メタン転化率変動などを抑制し、安定した改質ガスの供給ができ、安定した改質装置の運転ができる改質装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、改質用原料として改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して導出する改質部と、改質水を加熱して沸騰させてその水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質部から改質ガスを導入し同改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、改質用燃料を改質部に供給する改質燃料供給手段と、改質水を改質部に供給する改質水供給手段と、改質燃料供給手段により供給される改質用燃料の供給量を導出する改質用燃料供給量導出手段と、改質用原料のスチームカーボン比を制御するためのスチームカーボン比制御指示値を導出するスチームカーボン比制御指示値導出手段と、スチームカーボン比制御指示値導出手段により導出されたスチームカーボン比制御指示値と改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量とに基づいて改質部に供給する改質水の目標供給量を導出する目標改質水供給量導出手段と、目標改質水供給量導出手段により導出された目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御する改質水供給制御手段と、を備えた改質装置において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量、一酸化炭素低減部の温度、水蒸気の温度の少なくとも一つに基づいてスチームカーボン比制御指示値を導出することである。

また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、当該改質装置が収容される筐体内の温度を検出する筐体内温度検出手段をさらに備え、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、筐体内温度検出手段により検出された筐体内温度も加味してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、この第１のスチームカーボン比制御指示値をスチームカーボン比制御指示値とすることである。

また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第２のマップまたは演算式から、一酸化炭素低減部の温度に応じた第２のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第１および第２のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。

また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第３のマップまたは演算式から、水蒸気の温度に応じた第３のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第１および第３のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。

また、請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第２のマップまたは演算式から、一酸化炭素低減部の温度に応じた第２のスチームカーボン比制御指示値を導出し、水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第３のマップまたは演算式から、水蒸気の温度に応じた第３のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第１から第３のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。

また、請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、当該改質装置が収容される筐体内の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第４のマップまたは演算式から、筐体内の温度に応じた第４のスチームカーボン比制御指示値を導出し、この第４のスチームカーボン比制御指示値も加味してスチームカーボン比制御指示値を導出することである。

また、請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項３乃至請求項７の何れか一項において、各マップまたは演算式が示すスチームカーボン比との各相関関係が連続的であることである。

また、請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項３乃至請求項７の何れか一項において、各マップまたは演算式が示すスチームカーボン比との各相関関係は正常時の第一関係だけでなくこの第一関係と異なる第二関係も有することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量、一酸化炭素低減部の温度、水蒸気の温度の少なくとも一つに基づいてスチームカーボン比制御指示値を導出し、改質用燃料供給量導出手段が、改質燃料供給手段により供給される改質用燃料の供給量を導出し、目標改質水供給量導出手段が、先に導出したスチームカーボン比制御指示値と改質用燃料供給量とに基づいて改質部に供給する改質水の目標供給量を導出し、改質水供給制御手段が、目標改質水供給量導出手段により導出された目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御する。これにより、改質部に投入される改質用燃料の供給量の変動がした場合、投入される改質水の供給量が投入される改質用燃料の供給量の変動に応じて調整されるので、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。また、一酸化炭素低減部の温度が変動した場合、投入される改質水の供給量が一酸化炭素低減部の温度の変動に応じて調整されるので、一酸化炭素低減部の触媒温度を適正に保つことができ、より安定した改質ガスの供給すなわちより安定した改質装置の運転を実現することができる。さらに、水蒸気の温度が変動した場合、投入される改質水の供給量が水蒸気の温度の変動に応じて調整されるので、水蒸気すなわち改質水を適正に供給することができ、より安定した改質ガスの供給すなわちより安定した改質装置の運転を実現することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、筐体内温度検出手段により検出された筐体内温度も加味してスチームカーボン比制御指示値を導出することにより、改質部に投入される改質水の供給量が、改質装置が収容されている筐体内の温度も加味して調整されるので、環境温度が変動しても安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、この第１のスチームカーボン比制御指示値をスチームカーボン比制御指示値とするので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第２のマップまたは演算式から、一酸化炭素低減部の温度に応じた第２のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第１および第２のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第３のマップまたは演算式から、水蒸気の温度に応じた第３のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第１および第３のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項１に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段が、改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第２のマップまたは演算式から、一酸化炭素低減部の温度に応じた第２のスチームカーボン比制御指示値を導出し、水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第３のマップまたは演算式から、水蒸気の温度に応じた第３のスチームカーボン比制御指示値を導出し、第１から第３のスチームカーボン比制御指示値を加算してスチームカーボン比制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項１に係る発明において、スチームカーボン比制御指示値導出手段は、当該改質装置が収容される筐体内の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第４のマップまたは演算式から、筐体内の温度に応じた第４のスチームカーボン比制御指示値を導出し、この第４のスチームカーボン比制御指示値も加味してスチームカーボン比制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。

上記のように構成した請求項８に係る発明においては、請求項３乃至請求項７の何れか一項に係る発明において、各マップまたは演算式が示すスチームカーボン比との各相関関係が連続的であるので、スチームカーボン比制御指示値導出手段により導出されるスチームカーボン比は、急峻な変化をすることなく連続的に変化する。したがって、投入される改質水の供給量の急峻な変化が抑制され、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。

上記のように構成した請求項９に係る発明においては、請求項３乃至請求項７の何れか一項に係る発明において、各マップまたは演算式が示すスチームカーボン比との各相関関係は正常時の第一関係だけでなくこの第一関係と異なる第二関係も有するので、正常運転時には正常時の第一関係に基づいてスチームカーボン比を導出し改質水の目標供給量を導出して、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することができる。また、第二関係を改質水流量が異常に減少した場合の関係を示すように設定すれば、その異常時には、第二関係に基づいてスチームカーボン比を導出し改質水の目標供給量を導出して、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することにより、異常時が発生しても他の制御手段を設けなくても的確に対処することができる。

以下、本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する水蒸気改質方式の改質装置２０を備えている。燃料電池１０は、燃料極１１と空気極１２を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された空気（カソードエア）を用いて発電するものである。

燃料電池１０にはインバータ（電力変換器）１３が接続されている。インバータ１３は、燃料電池１０の発電出力（発電電流）を交流電力（交流電流）に変換して送電線１４を介してユーザ先である電力使用場所１５に供給するものである。電力使用場所１５には、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である負荷装置（図示省略）が設置されており、インバータ１３から供給される交流電力が必要に応じて負荷装置に供給されている。なお、インバータ１３と電力使用場所１５とを接続する送電線１４には電力会社の系統電源１６も接続されており（系統連系）、燃料電池１０の発電出力より負荷装置の合計消費電力が上回った場合、その不足電力を系統電源１６から受電して補うようになっている。インバータ１３は燃料電池１０から入力した直流電流値を測定する機能も有しており（燃料電池１０の出力電流を検出する出力電流検出手段である。）、測定信号を制御装置３０に出力するようになっている。電力計１５ａは、ユーザ負荷電力（ユーザ消費電力）を検出するユーザ負荷電力検出手段であり、電力使用場所１５で使用される全ての負荷装置の合計消費電力を検出して、制御装置３０に出力するようになっている。

改質装置２０は、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）２３、一酸化炭素選択酸化部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。

改質部２１は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、それぞれ環状に形成された外側流路２１ａ１と環状の内側流路２１ａ２から構成される、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、燃料供給管４１から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５２から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。また、改質用燃料および改質水は改質用原料である。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。具体的には、冷却部２２には燃料供給源Ｓf（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、燃料ポンプ４３、改質用燃料流量計８５、脱硫器４４および第２燃料バルブ４５が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２，４５は制御装置３０の指令によって燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４３は燃料供給源Ｓｆから供給される改質用燃料を吸い込み改質部２１に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。改質用燃料流量計８５は改質部２１に供給（投入）される改質用燃料の供給（投入）量を検出するものであり、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。脱硫器４４は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去されて改質部２１に供給される。

また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合されて冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。蒸発部２６には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３、改質水流量計８６および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は水タンクＳｗから供給される改質水を吸い込み蒸発部２６に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。改質水流量計８６は改質部２１に供給（投入）される改質水の供給（投入）量を検出するものであり、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。水バルブ５４は制御装置３０の指令によって給水管５１を開閉するものである。

蒸発部２６は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものであり、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の第２外周流路２７ｃの外周壁を覆って当接して設けられている。この蒸発部２６は、側壁面下部および側壁面上部に給水管５１および水蒸気供給管５２がそれぞれ接続されており、給水管５１から導入された水が蒸発部２６内を流通し加熱されて水蒸気となって水蒸気供給管５２に導出するようになっている。これにより、導入時低温であった水（例えば２０℃）は、第２外周流路２７ｃを流通する燃焼ガスと熱交換して昇温されて沸騰状態（１００℃以上）となりその温度で導出されるようになっている。また、蒸発部２６には内部温度を検出する温度センサ２６ａが設けられており、その検出信号は制御装置３０に出力されるようになっている。また、水蒸気供給管５２または燃料供給管４１の水蒸気供給管５２との合流点より下流の部位には水蒸気の温度または混合ガスの温度を検出する温度センサ８７が設けられており、その検出信号は制御装置３０に出力されるようになっている。なお、図１においてはこれら両方の温度センサを設けた場合を示しているが、実際には何れか一方を設ければよい。

ＣＯシフト部２３は、冷却部２２を通って改質部２１から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、筒状の筐体２３ａと、筐体２３ａ内に同軸に配置された内筒２３ｂを備えている。内筒２３ｂは、外周端を筐体２３ａ内周面に接続された環状の支持部材２３ｃの内周端に上端が接続されている。筐体２３ａの上面には改質ガス導入口２３ａ１が設けられ、筐体２３ａの側面には一端がＣＯ選択酸化部２４に接続されている接続管８９の他端が接続されている。ＣＯシフト部２３の内筒２３ｂ内および内筒２３ｂと筐体２３ａとの間には触媒２３ｄ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。また、ＣＯシフト部２３内にはＣＯシフト部２３内の温度例えばＣＯシフト部２３の改質ガス導入口付近の温度を検出する温度センサ２３ｅが設けられており、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。この温度センサ２３ｅはＣＯシフト部２３内の改質ガス流路のうち導入口２３ａ１側に設けるのが望ましい。これにより、温度センサ２３ｅを改質ガス流路の導出側に設けた場合と比べて、触媒２３ｄの温度を応答性よく制御することができる。

このように構成されたＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導出された改質ガスは、改質ガス導入口２３ａ１を通っておよび内筒２３ｂ内の触媒２３ｄを通り、折り返して内筒２３ｂと筐体２３ａとの間の触媒２３ｄ内を通ってＣＯ選択酸化部２４に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒２３ｄにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部であり、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。このＣＯ選択酸化部２４は、側壁面下部および側壁面上部に接続管８９および改質ガス供給管７１がそれぞれ接続され、内部に触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されており、接続管８９を通って導入された改質ガスがＣＯ選択酸化部２４内を流通し改質ガス供給管７１から導出するようになっている。また、ＣＯ選択酸化部２４内には触媒２４ａの温度を検出する温度センサ２４ｂが設けられており、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。

また、ＣＯ選択酸化部２４に供給される改質ガスには、酸化用空気が混合されるようになっている。すなわち、接続管８９には、空気供給源Ｓａに接続された酸化用空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａ（例えば大気）から酸化用空気が供給されている。酸化用空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものである。空気ポンプ６３は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部２４に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ６４は制御装置３０の指令によって酸化用空気供給管６１を開閉するものである。これにより、酸化用空気がＣＯシフト部２３からの改質ガスに混合されてＣＯ選択酸化部２４に供給される。

したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。この燃焼ガスは、改質部２１の内周壁に沿う内周流路２７ａと、内周流路２７ａから折り返されて改質部２１の外周壁に沿う第１外周流路２７ｂと、第１外周流路２７ｂから折り返されて断熱部２８に沿う第２外周流路２７ｃから構成される燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして排気される。なお、燃焼ガス流路２７は断熱部２８によって覆われており、内周流路２７ａおよび第１外周流路２７ｂを流れる燃焼ガスの熱は断熱部２８によって外部への放熱が抑制されるので改質部２１の加熱に有効利用され、第２外周流路２７ｃを流れる燃焼ガスの熱は断熱部２８によって第１外周流路２７ｂへの放熱が抑制されるので蒸発部２６の加熱に有効利用される。

この燃焼部２５には、燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４８は燃料供給源Ｓｆから供給される燃焼用燃料を吸い込み燃焼部２５に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。また、燃焼部２５には燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管７２の他端が接続されており、燃料電池１０の起動運転時に改質装置２０からの改質ガスが改質ガス供給管７１、バイパス管７３およびオフガス供給管７２を通って供給され、燃料電池１０の定常運転時に燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）が供給されるようになっている。

さらに燃焼部２５には空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐した燃焼用空気供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管６５には燃焼用空気ポンプ６６が設けられており、燃焼用空気ポンプ６６は空気供給源Ｓａから供給される燃焼用空気を吸い込み燃焼部２５に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼部２５が制御装置３０の指令によって着火されると、燃焼部２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスを燃焼部２５に供給するようになっている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。第１および第２改質ガスバルブ７４，７６およびオフガスバルブ７５はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置３０により制御されている。起動運転時には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転時には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気ポンプ６６の上流にて燃焼用空気供給管６５から分岐したカソード用空気供給管６７の先端が接続されており、空気極１２内に空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込み燃料電池１０の空気極１２に吐出するものであり、制御装置３０の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９は制御装置３０の指令によってカソード用空気供給管６７を開閉するものである。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、他端が外部に開放されている排気管８２の一端が接続されている。

また、改質ガス供給管７１、オフガス供給管７２および排気管８２の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器７７、アノードオフガス用凝縮器７８およびカソードオフガス用凝縮器７９が設けられている。改質ガス用凝縮器７７は改質ガス供給管７１中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器７８はオフガス供給管７２中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器７９は排気管８２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。なお、各凝縮器７７〜７９には、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された液体が供給される冷媒管が貫設されており、この液体との熱交換によって各ガス中の水蒸気を凝縮している。

これら凝縮器７７，７８，７９は配管８４を介して純水器９５に連通しており、各凝縮器７７，７８，７９にて凝縮された凝縮水は、純水器９５に導出され回収されるようになっている。純水器９５は、各凝縮器７７，７８，７９から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を水タンクＳｗに導出するものである。なお、純水器９５には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する給水管９１が接続されており、純水器９５内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。

また、上述した燃料電池システムは筐体Ａに収容されており、その筐体Ａ内には内部温度を検出する温度センサ８８が設けられており、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。

また、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した各温度センサ２３ｅ，２４ｂ，２６ａ，８７，８８、各流量計８５，８６、インバータ１３、電圧計１５ａ、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５が接続されている（図２参照）。制御装置３０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、各温度センサ２３ｅ，２４ｂ，２６ａ，８７，８８からの各温度、各流量計８５，８６からの各供給量、インバータ１３からの出力電流（燃料電池１０の出力電流）、および電力計１５ａからの消費電力を入力して、各ポンプ４３，４８，５３，６３，６６，６８、各バルブ４２，４５，５４，６４，６９，７４，７５，７６、および燃焼部２５を制御することにより、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気および改質水の各投入量を制御している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

図３に示すように、制御装置３０は、スチームカーボン比制御指示値（以下、Ｓ／Ｃ制御指示値という。）を導出するＳ／Ｃ制御指示値導出部３１と、Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１により導出されたＳ／Ｃ制御指示値と改質用燃料供給量導出手段である改質用燃料流量計８５により検出された改質用燃料供給量とに基づいて改質部２１に供給する改質水の目標供給量を導出する目標改質水供給量導出部３２と、目標改質水供給量導出部３２により導出された目標改質水供給量となるように改質水供給手段である水ポンプ５３を制御する改質水供給制御部３３と、第１〜第４のマップまたは演算式（後述する）をそれぞれ記憶する第１〜第４のマップ記憶部３４ａ〜３４ｄを備えている。なお、Ｓ／Ｃ制御指示値は、改質部２１にそれぞれ投入される水蒸気（改質水）モル数と改質用燃料中の炭素モル数との比（水蒸気のモル数÷改質用燃料中の炭素モル数）を表す改質用原料のスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）の制御指示値である。

Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１は、改質用燃料流量計８５により検出された改質用燃料供給量に基づいて第１のＳ／Ｃ制御指示値を導出する第１のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ａと、温度センサ２３ｅにより検出されたＣＯシフト部温度に基づいて第２のＳ／Ｃ制御指示値を導出する第２のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｂと、温度センサ８７により検出された水蒸気温度に基づいて第３のＳ／Ｃ制御指示値を導出する第３のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｃと、温度センサ８８により検出された筐体内温度に基づいて第４のＳ／Ｃ制御指示値を導出する第４のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｄと、各加算器３１ｅ〜３１ｇとから構成されている。

具体的には、第１のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ａは、改質用燃料供給量を入力し第１のマップ記憶部３４ａから改質用燃料供給量とＳ／Ｃとの相関関係を示す第１のマップまたは演算式を読み込み、第１のマップまたは演算式から改質用燃料供給量に応じた第１のＳ／Ｃ制御指示値を導出して、加算器３１ｅに出力している。

第２のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｂは、ＣＯシフト部温度を入力し第２のマップ記憶部３４ｂからＣＯシフト部温度とＳ／Ｃとの相関関係を示す第２のマップまたは演算式を読み込み、第２のマップまたは演算式からＣＯシフト部温度に応じた第２のＳ／Ｃ制御指示値を導出して、加算器３１ｅに出力している。

第３のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｃは、水蒸気温度を入力し第３のマップ記憶部３４ｃから水蒸気温度とＳ／Ｃとの相関関係を示す第３のマップまたは演算式を読み込み、第３のマップまたは演算式から水蒸気温度に応じた第３のＳ／Ｃ制御指示値を導出して、加算器３１ｆに出力している。

第４のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｄは、筐体内温度を入力し第４のマップ記憶部３４ｄから筐体内温度とＳ／Ｃとの相関関係を示す第４のマップまたは演算式を読み込み、第４のマップまたは演算式から筐体内温度に応じた第４のＳ／Ｃ制御指示値を導出して、加算器３１ｇに出力している。

加算器３１ｅは、第１および第２のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ａ，３１ｂからの各第１および第２のＳ／Ｃ制御指示値を加算して、加算器３１ｆに出力している。加算器３１ｆは、加算器３１ｅからの第１および第２のＳ／Ｃ制御指示値の合計値と第３のＳ／Ｃ制御指示値を加算して、加算器３１ｇに出力している。加算器３１ｇは、加算器３１ｅからの第１乃至第３のＳ／Ｃ制御指示値の合計値と第４のＳ／Ｃ制御指示値を加算して、目標改質水供給量導出部３２に出力している。

このように、Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１は、それぞれ導出した第１〜第４のＳ／Ｃ制御指示値を加算してＳ／Ｃ制御指示値を導出するようになっている。したがって、Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１は、改質用燃料供給量、ＣＯシフト部温度、水蒸気温度および筐体内温度に基づいてＳ／Ｃ制御指示値を導出することになる。

また、Ｓ／Ｃ制御指示値は、第１のＳ／Ｃ制御指示値を基本値として設定されるものであり、第１のＳ／Ｃ制御指示値を単独でＳ／Ｃ制御指示値として設定することもできるし、基本値である第１のＳ／Ｃ制御指示値に第２〜第４のＳ／Ｃ制御指示値の少なくとも一つを補正値として加算してその加算値をＳ／Ｃ制御指示値として設定することもできる。

次に、第１〜第４のマップ記憶部３４ａ〜３４ｄに記憶されている第１〜第４のマップまたは演算式について図４〜図７を参照して説明する。図４に示すように、第１のマップまたは演算式は、改質用燃料供給量（改質１３Ａ流量）とＳ／Ｃとの相関関係を示している。この関係は、燃料電池１０の最大出力電流（電力）と最低出力電流（電力）の範囲に相当する改質用燃料供給量の範囲において、改質用燃料供給量が増大するにつれてＳ／Ｃが所定の範囲内で連続的に減少するようになっている。これは以下の理由による。改質用燃料供給量の低下にともない、改質用燃料供給量に対する改質器２０からの放熱量が相対的に増加し、燃焼用燃料供給量を改質用燃料供給量と同一比率で低下させると水素発生効率（または燃料転化率）が低下する。低下した水素発生効率を補い、安定したシステム運転を維持するため、燃焼用燃料供給量の低下率は改質用燃料供給量の低下率より小さくしている。この場合、一定のＳ／ＣではＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４の温度が上昇し適正な温度範囲からはずれることになる。したがって、過剰の燃焼用燃料供給量に見合うだけのＳ／Ｃを増加し、これらの温度バランスを保つようにしている。

また、第１のマップまたは演算式は、燃料電池１０の最大出力電流（電力）と最低出力電流（電力）の範囲に相当する改質用燃料供給量の範囲において、Ｓ／Ｃと改質用燃料供給量の相関関係が連続的である。図４のように直線的である場合もあるが、これに限られず例えばステップ状など極端に変化しなければ折れ線状である場合もある。
なお、改質用燃料の投入量は、改質装置２０にて生成するべき水素量に基づいて決定されるものであり、基本的には燃料電池１０の発電出力（発電電流）に基づいて決定されるものである。

また、図５に示すように、第２のマップまたは演算式は、ＣＯシフト部温度（例えばシフト部入口温度Ｔ１）とＳ／Ｃとの相関関係を示している。この関係は、ＣＯシフト部入口温度Ｔ１が所定温度（本実施の形態においては２００℃）以上となった範囲において、ＣＯシフト部入口温度Ｔ１が昇温するにつれてＳ／Ｃが連続的に増大するようになっている。所定温度は、ＣＯシフト部２３の触媒２３ｄの温度がその触媒の活性温度域（例えば２５０℃〜３００℃）に対応して設定されるものである。したがって、ＣＯシフト部入口温度Ｔ１が所定温度であればＣＯシフト部２３の触媒２３ｄは活性温度域にあり、ＣＯシフト部入口温度Ｔ１が所定温度を越えるとＣＯシフト部２３の触媒２３ｄは活性温度域を超える。そこで、ＣＯシフト部入口温度Ｔ１が所定温度を越える場合には、ＣＯシフト部２３の温度上昇を回避するため熱量の受け口として改質水の投入量を増加するようにしている。
また、第２のマップまたは演算式は、ＣＯシフト部入口温度Ｔ１が所定温度（本実施の形態においては２００℃）以上となった範囲において、Ｓ／ＣとＣＯシフト部入口温度Ｔ１の相関関係が連続的である。

また、第２のマップまたは演算式は、Ｓ／ＣとＣＯシフト部入口温度Ｔ１の相関関係は正常時の第一関係Ｓだけでなくこの第一関係Ｓと異なる第二関係Ｔも有するようになっている。第一関係Ｓは改質装置２０（または燃料電池システム）が正常動作している場合の温度範囲（２００℃≦Ｔ１≦２４０℃）におけるＳ／Ｃとの関係を示すものであり、第二関係Ｔは正常動作していない場合、例えば改質水を供給する水ポンプ５３の故障により改質水投入量が少なくなってＣＯシフト部２３の温度が上昇するなどの異常が生じた場合の温度範囲（２４０℃≦Ｔ１≦２７０℃）におけるＳ／Ｃとの関係を示すものである。これにより、改質装置２０（または燃料電池システム）が正常動作している場合、その温度範囲におけるＳ／Ｃとの関係を示す第一関係ＳからＣＯシフト部入口温度Ｔ１に応じたＳ／Ｃを導出することができる。また、改質装置２０（または燃料電池システム）が異常動作している場合、その温度範囲におけるＳ／Ｃとの関係を示す第二関係ＳからＣＯシフト部入口温度Ｔ１に応じたＳ／Ｃを導出して極力改質水を投入するように制御することができる。これにより、異常が生じてＣＯシフト部２３の触媒２３ｄの温度が活性温度域を越えてもその温度上昇による触媒２３ｄへのダメージを低減することができる。

また、図６に示すように、第３のマップまたは演算式は、水蒸気温度（例えば冷却部水入口温度Ｔ２）とＳ／Ｃとの相関関係を示している。この関係は、冷却部水入口温度Ｔ２が所定温度（本実施の形態においては１００℃）以上となった範囲において、冷却部水入口温度Ｔ２が昇温するにつれてＳ／Ｃが連続的に増大するようになっている。所定温度は、水の沸点に設定されている。したがって、冷却部水入口温度Ｔ２が所定温度であれば蒸発部２６に改質水が適正に供給されて水蒸気化され、冷却部水入口温度Ｔ２が所定温度を越える場合は蒸発部２６に十分な改質水が供給されておらず蒸発部２６が過熱されている。そこで、冷却部水入口温度Ｔ２が所定温度を越える場合には、蒸発部２６の過熱を回避するため不足している改質水の投入量を増加するようにしている。
また、第３のマップまたは演算式は、冷却部水入口温度Ｔ２が所定温度（本実施の形態においては１００℃）以上となった範囲において、Ｓ／Ｃと冷却部水入口温度Ｔ２の相関関係が連続的である。

また、図７に示すように、第４のマップまたは演算式は、筐体内温度Ｔ３または環境温度（雰囲気温度）とＳ／Ｃとの相関関係を示している。この関係は、筐体内温度Ｔ３が所定温度（本実施の形態においては５０℃）以上となった範囲において、筐体内温度Ｔ３が昇温するにつれてＳ／Ｃが連続的に増大するようになっている。所定温度は、筐体内温度Ｔ３がその温度を超えると改質装置２０から筐体Ａ内の放熱効率が悪くなる温度に設定されている。したがって、筐体内温度Ｔ３が所定温度未満であれば放熱効率は悪くないので改質装置２０内の熱量を余分に奪う必要はないが、筐体内温度Ｔ３が所定温度を越える場合は改質装置２０内の余分な熱量を奪う必要がある。そこで、筐体内温度Ｔ３が所定温度を越える場合には、改質水の投入量を増加して余分な熱量を奪うようにしている。
また、第４のマップまたは演算式は、筐体内温度Ｔ３が所定温度（本実施の形態においては５０℃）以上となった範囲において、Ｓ／Ｃと筐体内温度Ｔ３の相関関係が連続的である。

上述した燃料電池システムの作動について説明する。なお、上述した燃料電池システムが、改質用燃料供給量が増大するにつれてＳ／Ｃが所定の範囲内で連続的に減少する仕様である場合について説明する。制御装置３０は、時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転を開始する。制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開いてＣＯ選択酸化部２４を燃焼部２５に接続し、第１燃料バルブ４２を開き第２燃料バルブ４５を閉じて燃焼用燃料ポンプ４８および燃焼用空気ポンプ６６を駆動して燃焼用燃料および燃焼用空気を燃焼部２５に供給して燃焼部２５を着火する。これにより、燃焼用燃料が燃焼されその燃焼ガスが燃焼ガス流路２７を流通して、その燃焼ガスにより改質部２１内の改質触媒２１ａおよび蒸発部２６が加熱される。

制御装置３０は、温度センサ２６ａにより蒸発部２６の温度を検出し、この検出した温度が第１の所定温度Ｔｈ１以上となれば（時刻ｔ１）、水バルブ５４を開き、水ポンプ５３を駆動させ水タンクＳｗの水を所定流量だけ蒸発部２６を介して改質部２１に供給する。

制御装置３０は、蒸発部２６の温度が所定温度Ｔｈ１以上となった時点（時刻ｔ１）からタイマのカウントを開始する。タイマが第１所定時間Ｔ１（例えば１分）以上となれば、第２燃料バルブ４５を開いて燃料ポンプ４３を駆動させ燃料供給源Ｓfの燃料を所定流量だけ改質部２１に供給するとともに、空気バルブ６４を開いて空気ポンプ６３を駆動させ空気供給源Ｓａの空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３およびＣＯ選択酸化部２４により一酸化炭素ガスを低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃焼部２５に供給され燃焼される。

このように改質ガスの生成中において、制御装置３０は、温度センサ２４ｂによりＣＯ選択酸化部２４の触媒２４ａの温度を検出し、この検出した温度が第２の所定温度Ｔｈ２以上となれば（時刻ｔ４）、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じてＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口を燃焼部２５に接続する。これにより、燃料電池システムを暖機する起動運転が終了して続いて定常運転が開始される。

制御装置３０は、定常運転（燃料電池１０を発電させる運転モード）を開始すると、改質装置２０で生成される水素量が所定量となるようにすなわち燃料電池システムの出力電流が電力使用場所１５で消費される電流・電力に基づいて決定される所望の出力電流となるように改質用燃料、燃焼用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソード用空気および改質水を供給するようになっている。制御装置３０は、水素量が所定量となるように目標改質用燃料供給量を演算しその供給量となるように燃料ポンプ４３を駆動させ、改質用燃料流量計８５により検出した改質用燃料供給量およびＳ／Ｃ制御指示値に基づいて目標改質水供給量を演算しその供給量となるように水ポンプ５３を駆動させ、アノードオフガスの燃焼熱だけでは燃焼部２５にて必要な熱エネルギーが不足する場合、起動運転時である場合などに、燃焼部２５に供給する燃焼用燃料の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用燃料ポンプ４８を駆動させ、改質用燃料供給量などに基づいて燃焼用空気の供給量を演算しその供給量となるように燃焼用空気ポンプ６６を駆動させ、一酸化炭素を所定量以下とするように酸化用空気の供給量を演算しその供給量となるように空気ポンプ６３を駆動させ、そして改質装置２０から供給された改質ガスと反応するに適切なカソード用空気の供給量を演算しその供給量となるようにカソード用空気ポンプ６８を駆動させている。そして、停止スイッチが押されると、燃料電池システムは停止する。

さらに、目標改質水供給量の演算および改質水の供給について詳述する。制御装置３０において、まず、Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１がＳ／Ｃ制御指示値を導出する。具体的には、第１のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ａが、第１マップまたは演算式から、改質用燃料流量計８５により検出された改質用燃料供給量に応じて第１のＳ／Ｃ制御指示値を導出する。第２のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｂが、第２のマップまたは演算式から、温度センサ２３ｅにより検出されたＣＯシフト部温度に応じて第２のＳ／Ｃ制御指示値を導出する。第３のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｃが、第３のマップまたは演算式から、温度センサ８７により検出された水蒸気温度に応じて第３のＳ／Ｃ制御指示値を導出する。第４のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｄが、第４のマップまたは演算式から、温度センサ８８により検出された筐体内温度に応じて第４のＳ／Ｃ制御指示値を導出する。そして、各加算器３１ｅ〜３１ｇが、第１〜第４のＳ／Ｃ制御指示値をそれぞれ加算してＳ／Ｃ制御指示値を導出している。

そして、目標改質水供給量導出部３２が、Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１により導出されたＳ／Ｃ制御指示値と改質用燃料供給量導出手段である改質用燃料流量計８５により検出された改質用燃料供給量とに基づいて改質部２１に供給する改質水の目標供給量を導出する。そして、改質水供給制御部３３が、目標改質水供給量導出部３２により導出された目標改質水供給量となるように改質水供給手段である水ポンプ５３を制御している。

上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、改質部２１に投入される改質用燃料の供給量の変動がした場合でも、投入される改質水の供給量が投入される改質用燃料の供給量の変動に応じて調整されるので、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。また、投入される改質水の供給量が投入される改質用燃料の供給量の変動に直接応じて調整されるので、応答性よく改質装置を制御することができる。

また、改質部２１に投入される改質水の供給量が、投入される改質用燃料の供給量の変動に応じて調整されるのに加えて、さらにＣＯシフト部２３の温度変動も加味して調整されるので、ＣＯシフト部２３の触媒温度を適正に保つことができ、より安定した改質ガスの供給すなわちより安定した改質装置の運転を実現することができる。

また、改質部２１に投入される改質水の供給量が、投入される改質用燃料の供給量の変動に応じて調整されるのに加えて、さらに改質部２１に供給される水蒸気の温度変動も加味して調整されるので、水蒸気すなわち改質水を適正に供給することができ、より安定した改質ガスの供給すなわちより安定した改質装置の運転を実現することができる。

また、改質部２１に投入される改質水の供給量が、改質装置２０が収容されている筐体Ａ内の温度も加味して調整されるので、環境温度（雰囲気温度）が変動しても安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。

また、Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１が、改質用燃料供給量とＳ／Ｃとの相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、改質用燃料流量計８５により検出された改質用燃料供給量に応じた第１のＳ／Ｃ制御指示値を導出し、ＣＯシフト部温度とＳ／Ｃとの相関関係を示す第２のマップまたは演算式から、温度センサ２３ｅにより検出されたＣＯシフト部温度に応じた第２のＳ／Ｃ制御指示値を導出し、水蒸気温度とＳ／Ｃとの相関関係を示す第３のマップまたは演算式から、温度センサ８７により検出された水蒸気温度に応じた第３のＳ／Ｃ制御指示値を導出し、筐体内温度とＳ／Ｃとの相関関係を示す第４のマップまたは演算式から、温度センサ８８により検出された筐体内温度に応じた第４のＳ／Ｃ制御指示値を導出し、第１から第４のＳ／Ｃ制御指示値を加算してＳ／Ｃ制御指示値を導出するので、容易かつ確実に改質水の目標供給量を導出し、その目標改質水供給量となるように水ポンプ５３を制御することができる。

また、第１〜第４のマップまたは演算式が示すＳ／Ｃとの各相関関係が連続的であるので、Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１により導出されるＳ／Ｃは、急峻な変化をすることなく連続的に変化する。したがって、投入される改質水の供給量の急峻な変化が抑制され、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。

また、第２のマップまたは演算式が示すＳ／Ｃとの相関関係は正常時の第一関係Ｓだけでなくこの第一関係Ｓと異なる第二関係Ｔも有するので、正常運転時には正常時の第一関係Ｓに基づいてＳ／Ｃを導出し改質水の目標供給量を導出して、その目標改質水供給量となるように水ポンプ５３を制御することができる。また、第二関係Ｔを改質水流量が異常に減少した場合の関係を示すように設定すれば、その異常時には、第二関係Ｔに基づいてＳ／Ｃを導出し改質水の目標供給量を導出して、その目標改質水供給量となるように改質水供給手段を制御することにより、異常時が発生しても他の制御手段を設けなくても的確に対処することができる。

なお、上記実施の形態において、改質用燃料供給量導出手段として改質用燃料流量計８５を採用したが、これに代えて他のパラメータに基づいて導出（推定）する方式を採用するようにしてもよい。

また、上記実施の形態において、第２のＳ／Ｃ制御指示値導出部３１ｂは、ＣＯシフト部２３の温度に基づいて第２のＳ／Ｃ制御指示値を導出するようにしたが、他の一酸化炭素低減部例えばＣＯ選択酸化部２４の温度に基づいて第２のＳ／Ｃ制御指示値を導出するようにしてもよい。

また、上記実施の形態において、第２のマップまたは演算式が示すＳ／Ｃとの相関関係が正常時の第一関係Ｓだけでなく第一関係Ｓと異なる第二関係Ｓも有するようにしているが、第３および第４のマップまたは演算式が第一関係および第二関係を有するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態において、改質用燃料供給手段として燃料ポンプ４３を、燃焼用燃料供給手段として燃焼用燃料ポンプ４８を、酸化剤ガス供給手段として各空気ポンプ６３，６６，６８を採用したが、これらに代えてブロワ（送風機）を採用するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、燃料電池システムが、改質用燃料供給量が増大するにつれてＳ／Ｃが所定の範囲内で連続的に減少する仕様であったが、これに限られず、燃料電池システムが改質用燃料供給量が増大してもＳ／Ｃが一定となる仕様である場合にも、本発明を適用することができる。

この場合、制御装置３０は、図３において、第１のスチームカーボン比制御指示値導出部３１ａおよび第１のマップ記憶部３４ａを削除され、改質用燃料供給量は目標改質水供給量導出部３２にのみ供給されている。また、加算器３１ｅは、第１のスチームカーボン比制御指示値導出部３１ａからの第１のＳ／Ｃ制御指示値に代えて、第５のＳ／Ｃ制御指示値を入力し、これに第２のスチームカーボン比制御指示値導出部３１ｂからの第２のＳ／Ｃ制御指示値を加算して、加算器３１ｆに出力している。第５のＳ／Ｃ制御指示値は、図示しない記憶部に記憶されている。第５のＳ／Ｃ制御指示値は、改質部２１、ＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４での水蒸気改質反応などの化学反応の化学式から算出される理想のＳ／Ｃに基づいて水ポンプ５３の能力などを参照して導出される実機固有の目標Ｓ／Ｃである。

これにより、燃料電池システムが改質用燃料供給量が増大してもＳ／Ｃが一定となる仕様である場合にも、Ｓ／Ｃ制御指示値導出部３１は、第５のＳ／Ｃ制御指示値に第２〜第４のＳ／Ｃ制御指示値を加算してＳ／Ｃ制御指示値を導出するようになっている。したがって、Ｓ／Ｃ制御指示値は一酸化炭素低減部の温度、水蒸気の温度および筐体内温度に基づいて導出されるため、投入される改質水供給量が、一酸化炭素低減部の温度の変動、水蒸気の温度の変動、および筐体Ａ内温度を加味して適切に調整されるので、圧力変動、メタン転化率変動などが抑制され、その結果安定した改質ガスの供給すなわち安定した改質装置の運転を実現することができる。

なお、一酸化炭素低減部の温度、あるいは水蒸気の温度のいずれかが変動した場合にも、投入される改質水供給量が、一酸化炭素低減部の温度の変動、あるいは水蒸気の温度の変動を加味して適切に調整される。

本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示す改質装置を示すブロック図である。 図２に示した制御装置のブロック線図である。 改質用燃料供給量とＳ／Ｃとの相関関係を示す第１のマップである。 ＣＯシフト部入口温度とＳ／Ｃとの相関関係を示す第２のマップである。 冷却水入口温度とＳ／Ｃとの相関関係を示す第３のマップである。 筐体内温度とＳ／Ｃとの相関関係を示す第４のマップである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、１３…インバータ、２０…改質装置、２１…改質部、２１ａ…折り返し流路、２１ｂ…触媒、２２…冷却部、２３…ＣＯシフト部、２３ｄ…触媒、２３ｅ…温度センサ、２４…ＣＯ選択酸化部、２４ａ…触媒、２４ｂ…温度センサ、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２６ａ…温度センサ、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、３０…制御装置、３１…Ｓ／Ｃ制御指示値導出部、３２…目標改質水供給量導出部、３３…改質水供給制御部、４１…燃料供給管、４２…第１燃料バルブ、４３…燃料ポンプ、４４…脱硫器、４５…第２燃料バルブ、４７…燃焼用燃料供給管、４８…燃焼用燃料ポンプ、５１…給水管、５２…水蒸気供給管、５３…水ポンプ、５４…水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…フィルタ、６３…空気ポンプ、６４…空気バルブ、６５…燃焼用空気供給管、６６…燃焼用空気ポンプ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、７７，７８，７９…凝縮器、８１，８２…排気管、８４…配管、８５…改質用燃料流量計、８６…改質水流量計、８７，８８…温度センサ、８９…接続管、９１…給水管、９５…純水器、Ａ…筐体、Ｓａ…空気供給源、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…改質水供給源。

Claims (9)

1. 改質用原料として改質用燃料および改質水が供給されその供給された改質用燃料を改質触媒によって改質することにより水素を含む改質ガスを生成して導出する改質部と、
   前記改質水を加熱して沸騰させてその水蒸気を前記改質部に供給する蒸発部と、
   前記改質部から前記改質ガスを導入し同改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、
   前記改質用燃料を前記改質部に供給する改質燃料供給手段と、
   前記改質水を前記改質部に供給する改質水供給手段と、
   前記改質燃料供給手段により供給される改質用燃料の供給量を導出する改質用燃料供給量導出手段と、
   前記改質用原料のスチームカーボン比を制御するためのスチームカーボン比制御指示値を導出するスチームカーボン比制御指示値導出手段と、
   前記スチームカーボン比制御指示値導出手段により導出されたスチームカーボン比制御指示値と前記改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量とに基づいて前記改質部に供給する改質水の目標供給量を導出する目標改質水供給量導出手段と、
   前記目標改質水供給量導出手段により導出された目標改質水供給量となるように前記改質水供給手段を制御する改質水供給制御手段と、を備えた改質装置において、
   前記スチームカーボン比制御指示値導出手段は、前記改質用燃料供給量、前記一酸化炭素低減部の温度、前記水蒸気の温度の少なくとも一つに基づいて前記スチームカーボン比制御指示値を導出することを特徴とする改質装置。
2. 請求項１において、当該改質装置が収容される筐体内の温度を検出する筐体内温度検出手段をさらに備え、
   前記スチームカーボン比制御指示値導出手段は、前記筐体内温度検出手段により検出された筐体内温度も加味して前記スチームカーボン比制御指示値を導出することを特徴とする改質装置。
3. 請求項１において、前記スチームカーボン比制御指示値導出手段は、前記改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、前記改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、該第１のスチームカーボン比制御指示値を前記スチームカーボン比制御指示値とすることを特徴とする改質装置。
4. 請求項１において、前記スチームカーボン比制御指示値導出手段は、前記改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、前記改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、前記一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第２のマップまたは演算式から、前記一酸化炭素低減部の温度に応じた第２のスチームカーボン比制御指示値を導出し、前記第１および第２のスチームカーボン比制御指示値を加算して前記スチームカーボン比制御指示値を導出することを特徴とする改質装置。
5. 請求項１において、前記スチームカーボン比制御指示値導出手段は、前記改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、前記改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、前記水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第３のマップまたは演算式から、前記水蒸気の温度に応じた第３のスチームカーボン比制御指示値を導出し、前記第１および第３のスチームカーボン比制御指示値を加算して前記スチームカーボン比制御指示値を導出することを特徴とする改質装置。
6. 請求項１において、前記スチームカーボン比制御指示値導出手段は、前記改質用燃料供給量とスチームカーボン比との相関関係を示す第１のマップまたは演算式から、前記改質用燃料供給量導出手段により導出された改質用燃料供給量に応じた第１のスチームカーボン比制御指示値を導出し、前記一酸化炭素低減部の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第２のマップまたは演算式から、前記一酸化炭素低減部の温度に応じた第２のスチームカーボン比制御指示値を導出し、前記水蒸気の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第３のマップまたは演算式から、前記水蒸気の温度に応じた第３のスチームカーボン比制御指示値を導出し、前記第１から第３のスチームカーボン比制御指示値を加算して前記スチームカーボン比制御指示値を導出することを特徴とする改質装置。
7. 請求項１において、前記スチームカーボン比制御指示値導出手段は、当該改質装置が収容される筐体内の温度とスチームカーボン比との相関関係を示す第４のマップまたは演算式から、前記筐体内の温度に応じた第４のスチームカーボン比制御指示値を導出し、該第４のスチームカーボン比制御指示値も加味して前記スチームカーボン比制御指示値を導出することを特徴とする改質装置。
8. 請求項３乃至請求項７の何れか一項において、前記各マップまたは演算式が示す前記スチームカーボン比との各相関関係が連続的であることを特徴とする改質装置。
9. 請求項３乃至請求項７の何れか一項において、前記各マップまたは演算式が示す前記スチームカーボン比との各相関関係は正常時の第一関係だけでなく該第一関係と異なる第二関係も有することを特徴とする改質装置。

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