特許 6363371 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6363371

(24)【登録日】2018年7月6日

(45)【発行日】2018年7月25日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04007 20160101AFI20180712BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20180712BHJP

   H01M 8/06 20160101ALI20180712BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20180712BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20180712BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20180712BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04007

   H01M8/04701

   H01M8/06

   H01M8/04 N

   H01M8/04858

   H01M8/12

【請求項の数】4

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2014-62664(P2014-62664)

(22)【出願日】2014年3月25日

(65)【公開番号】特開2015-185472(P2015-185472A)

(43)【公開日】2015年10月22日

【審査請求日】2017年2月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】アイシン精機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089082

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 脩

(72)【発明者】

【氏名】堀内 幸一郎

(72)【発明者】

【氏名】高橋 成門

(72)【発明者】

【氏名】檜垣 勝己

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２３０８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０６７６５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池から導出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部によって加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、
前記水蒸気と改質用原料とから前記改質ガスを生成する改質部と、
前記燃料電池の発電する電力を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記蒸発部は、底面に前記改質水が溜まっている水溜り部と、温度が高い高温部と、前記改質水が前記水溜り部から前記高温部に流動する流路と、を備え、
前記燃料電池システムは、前記流路上に前記高温部から所定距離を隔てて配置され、その配置された部位の温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記温度センサによって検出される温度が、前記改質水の沸点より高い第一温度から、前記第一温度より低く且つ前記改質水の沸点以上である第二温度まで低下したときに、前記改質水の突沸を、事前に検知し、
前記突沸を事前に検知した場合に、前記燃料電池の燃料利用率を低下させる燃料電池システム。

【請求項2】

前記蒸発部と前記改質部とは隣接して配設され、
前記高温部は、前記改質部に隣接する部位である請求項１記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御装置は、前記突沸を事前に検知した場合に、前記燃料電池の発電する電力の減少または前記改質ガスの前記燃料電池への供給量の増加を行う請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記制御装置は、前記燃料電池の発電する電力の減少を行う場合に、前記温度センサによって検出される温度が前記第二温度まで低下したときから前記突沸が発生するまでの時間よりも十分短い時間にて、前記燃料電池の発電する電力の減少を行う請求項３記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料改質装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。燃料改質装置１００は、特許文献１の図１に示すように、水タンク８００に貯められた改質水が、蒸発器７００，蒸発器６１０，蒸発器５１０，過熱蒸気発生部４００の順に段階的に加熱されて改質器２００に供給される。改質水は、各蒸発器７００，６１０，５１０にて沸騰状態になるまで加熱され、過熱蒸気発生部４００にて過熱蒸気になるまで加熱される。通常の場合、蒸発器５１０と過熱蒸気発生部４００との間に配置されている温度計４３０が検出する改質水の温度は、特許文献１の図３に示すように、１００℃前後を推移する。

【0003】

しかし、各蒸発器７００，６１０，５１０に予熱が存在する状態で燃料改質装置１００を起動するホットスタートの場合には、改質水が各蒸発器７００，６１０，５１０の予熱によって急激に加熱される。これにより、改質水が突然沸騰する突沸が発生し、改質器２００に供給される水蒸気の量が不安定になる。このような状態で原燃料の改質が改質器２００にて行われると、改質水と原燃料との比率を表すＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）比が低下し、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が大幅に上昇する場合がある。一酸化炭素の濃度の高い改質ガスが燃料電池の燃料極に供給されると、燃料極の触媒機能を低下させる恐れがある。そこで、燃料改質装置１００は、ホットスタートの場合には、特許文献１の図４に示すように、温度計４３０によって検出される温度が９０℃から１２０℃の間を推移する状態になった後に、改質器２００への原燃料の供給を開始する。これにより、燃料改質装置１００は、改質水の突沸を抑制した状態にて改質器２００にて原燃料の改質を行っている。

【0004】

また、燃料電池発電装置の一形式として、特許文献２に示されているものが知られている。燃料電池発電装置１は、特許文献２の図１に示すように、燃料電池スタック３、燃料改質器４、制御部５および水蒸気発生器１０を備えている。制御部５は、燃料電池スタック３の出力に応じて、燃料改質器４に供給する炭素水素系ガスの流量および水蒸気発生器１０に供給する水の流量を制御している。ここで、燃料電池スタック３の出力を変化させる場合に、水蒸気発生器１０に供給する水の流量を急激に増加させたときは、水蒸気発生器１０にて水が突然沸騰する突沸が発生し、水蒸気量が急激に増える可能性がある。水蒸気量が炭素水素系ガス量に対して急激に増えると、燃料改質器４によって生成される燃料ガスの炭素水素濃度が急激に減少するため、燃料電池スタック３の出力が燃料不足により急激に低下する。そして、最悪の場合、燃料電池スタック３を構成する発電セルが発熱した後に破損する恐れが生じる。

【0005】

そこで、制御部５は、燃料電池スタック３の出力を変化させる場合、水蒸気発生器１０での水の突沸を抑制するために、水蒸気の発生が緩やかに変化するように制御している。具体的には、制御部５は、特許文献２の図３に示すように、水蒸気発生器１０の出口温度の変化率が所定の範囲内となるように水流量を制御するか、あるいは、燃料ガス流量の増減に対して水流量の増減が所定の時間遅れるように制御するか、あるいは、燃料ガス流量の増減に対して水流量が緩やかに増減するように制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００９−６７６５４号公報

【特許文献2】特開２００８−２４３７７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上述した特許文献１に記載の燃料改質装置１００は、過熱蒸気発生部４００に供給される水の温度が一定範囲内である必要があるため、水温によらずに蒸発部にて水蒸気が生成される燃料電池システムに適用できない。また、上述した特許文献２に記載の燃料電池発電装置１は、燃料電池スタック３の出力を変化させる場合における突沸を抑制するものであり、燃料電池スタック３の出力が一定の場合に発生する突沸を抑制するものではない。突沸を抑制できない場合は、上述したように、燃料極の触媒機能を低下させる恐れや、発電セルが破損する恐れが生じる。さらに、突沸の発生により燃料電池スタックの発電量が変動した場合には、燃料電池スタック内部の局所的な燃料の欠乏が生じ、燃料電池スタックの耐久性が劣化する恐れがある。よって、突沸の発生は、燃料電池システムの信頼性に影響を及ぼす。

【0008】

そこで、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、突沸を抑制することにより、信頼性をより向上することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、燃料電池から導出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、燃焼部によって加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、水蒸気と改質用原料とから改質ガスを生成する改質部と、燃料電池の発電する電力を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、蒸発部は、底面に改質水が溜まっている水溜り部と、温度が高い高温部と、改質水が水溜り部から高温部に流動する流路と、を備え、燃料電池システムは、流路上に高温部から所定距離を隔てて配置され、その配置された部位の温度を検出する温度センサをさらに備え、制御装置は、温度センサによって検出される温度が、改質水の沸点より高い第一温度から、第一温度より低く且つ改質水の沸点以上である第二温度まで低下したときに、改質水の突沸を、事前に検知し、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池の燃料利用率を低下させる。
これによれば、蒸発部においては、通常時において、供給された改質水が蒸発することにより温度センサが水蒸気の温度を検出するため、温度センサによって検出される温度が改質水の沸点よりも高い第一温度に達する。その後、例えば、燃焼部の燃焼状態が変化して蒸発部への供給熱量が減少する等の要因により蒸発部における改質水の蒸発量が減少する場合には、蒸発部内の改質水の量が増加することにより、改質水が水溜り部から高温部に流動する。このとき、改質水が高温部に接触した場合には、改質水が急激に加熱されるため、改質水が突然沸騰する突沸が発生する。
ここで、温度センサは、改質水が水溜り部から高温部に流動する流路上に高温部から所定距離を隔てて配置されている。よって、流路を流れる改質水は、高温部に接触する前に温度センサに接触する。すなわち、温度センサが改質水の温度を検出するため、温度センサによって検出される温度は、改質水の沸点以下に低下する。よって、制御装置は、温度センサによって検出される温度が第一温度に達した後、第一温度より低く且つ改質水の沸点以上である第二温度まで低下したときに、改質水が高温部に向かって流動中であることを、改質水が高温部に到達する前に判定することができる。したがって、改質水が高温部に接触して急激に加熱されることにより突然沸騰する突沸を、事前に確実に検知することができる。
また、制御装置は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池の燃料利用率（すなわち改質ガスの利用率）を低下させるため、発電に利用されなかった燃料（アノードオフガス）すなわち燃焼部にて燃焼される可燃ガスを増加させることができる。これにより、燃焼部の蒸発部への供給熱量を増加させることができるため、蒸発部における改質水の蒸発量が増加する。よって、蒸発部内の改質水の量が減少するため、改質水の高温部への流動が止まる。これにより、改質水と高温部との接触が避けられるため、改質水の突沸を回避することができる。したがって、改質水の突沸が抑制されることにより、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。

【0010】

また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る燃料電池システムにおいて、蒸発部と改質部とは隣接して配設され、高温部は、改質部に隣接する部位である。
これによれば、蒸発部における改質部に隣接する部位は、燃焼部からの供給熱量に加え、改質部にて発生する熱量により、蒸発部の他の部位に比べて高温になっている。よって、蒸発部における改質部に隣接する部位は、蒸発部の他の部位に比べて、改質水の突沸が発生し易い。ここで、温度センサは、改質水が流動する流路上に、蒸発部における改質部に隣接する部位から所定距離を隔てて配置されている。よって、制御装置は、温度センサによって検出される温度が第一温度までに達した後、第二温度まで低下したときに、改質水が蒸発部における改質部に隣接する部位に流動中であると判定することができる。したがって、蒸発部における改質水の突沸が発生し易い改質部に隣接する部位にて発生する突沸を、事前に確実に検知することができる。

【0012】

また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に係る燃料電池システムにおいて、制御装置は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池の発電する電力の減少または改質ガスの燃料電池への供給量の増加を行う。
これによれば、制御装置は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池の発電する電力の減少または改質ガスの燃料電池への供給量の増加を行うため、燃料電池の燃料利用率をより確実に低下させることができる。よって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。

【0013】

また、請求項４に係る発明は、請求項３に係る燃料電池システムにおいて、制御装置は、燃料電池の発電する電力の減少を行う場合に、温度センサによって検出される温度が第二温度まで低下したときから突沸が発生するまでの時間よりも十分短い時間にて、燃料電池の発電する電力の減少を行う。
これによれば、制御装置は、突沸を事前に検知した場合に、温度センサによって検出される温度が第二温度まで低下したときから突沸が発生するまでの時間よりも十分短い時間にて、燃料電池の発電する電力の減少を行うため、より短時間にて燃料電池の燃料利用率を低下させることができる。これにより、蒸発部の改質水の量がより短時間にて減少するため、改質水の高温部への流動がより短時間にて停止する。よって、改質水と高温部との接触がより確実に回避される。したがって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をさらに向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態における燃料電池システムの概要図である。

【図2】図１に示す蒸発部および改質部の側断面およびその近傍を示す図である。

【図3】図１に示す制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。

【図4】本発明を適用しないことにより意図的に突沸を発生させる場合における図１に示す燃料電池システムの作動を示すタイムチャートである。上段から順に、改質水と改質用原料との比率を表すＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）比、蒸発部内圧、温度センサによって検出される温度および燃料電池の出力電圧を示している。

【図5】図１に示す燃料電池における燃料利用率と発電する電力との関係を示す図である。

【図6】図３のフローチャートによる作動を示すタイムチャートである。上段から順に、温度センサによって検出される温度、燃料電池の発電する電力および燃料電池の出力電圧を示している。

【図7】図１に示す蒸発部の第二の変形例を示す側断面図である。

【図8】図１に示す蒸発部の第三の変形例を示す側断面図である。

【図9】図１に示す蒸発部の第四の変形例を示す側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明による燃料電池システムの一実施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、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。
発電ユニット１０は、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４および制御装置１５を備えている。

【0016】

燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４ａを少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

【0017】

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。

【0018】

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

【0019】

さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４ａから出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。すなわち、制御装置１５は、少なくとも燃料電池３４ａの発電する電力（以下、発電電力とする。）Ｗを制御するものである。

【0020】

燃料電池モジュール３０は、固体酸化物形の燃料電池モジュールである。燃料電池モジュール３０は、ハウジング３１、蒸発部３２、改質部３３、燃料電池装置３４および燃焼部３５である燃焼空間Ｒを備えている。蒸発部３２および改質部３３は、燃料電池装置３４の上方に位置するように配設されている。また、燃焼空間Ｒ（燃焼部３５）は、蒸発部３２および改質部３３と燃料電池装置３４との間に配設されている。なお、本明細書においては説明の便宜上、図２における上側および下側をそれぞれ燃料電池モジュール３０の上方および下方とし、同じく左側および右側をそれぞれ燃料電池モジュール３０の左方および右方として説明する。また、図２には、各方向を示す矢印を示している。

【0021】

ハウジング３１は、断面方形状の有底箱状に形成され、図２に示すように、ハウジング３１を左右に仕切る板状の第一仕切部材３１ａを備えている。第一仕切部材３１ａには、左右方向に貫通する複数の貫通孔３１ａ１が全体に形成されている。ハウジング３１および第一仕切部材３１ａは金属製である。金属は、例えば炭素鋼または合金鋼である。第一仕切部材３１ａは、例えばパンチングメタルである。そして、蒸発部３２は、ハウジング３１における第一仕切部材３１ａの左側に形成されている。また、改質部３３は、ハウジング３１における第一仕切部材３１ａの右側に形成されている。すなわち、蒸発部３２と改質部３３とは、第一仕切部材３１ａを介して、隣接して配設されている。

【0022】

蒸発部３２は、燃焼部３５によって加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するものである。蒸発部３２は、図２に示すように、蒸発部ハウジング３２ａ、第二仕切部材３２ｂおよび複数の球体３２ｃを備えている。
蒸発部ハウジング３２ａは、ハウジング３１における第一仕切部材３１ａより左側の部位および第一仕切部材３１ａによって形成されている。蒸発部ハウジング３２ａの底面３２ａ１は、水平な平面状に形成されている。第二仕切部材３２ｂは、蒸発部ハウジング３２ａを上下に仕切る金属製の板である。金属は、例えば炭素鋼または合金鋼である。第二仕切部材３２ｂには、上下方向に貫通する複数の貫通孔３２ｂ１が全体に形成されている。第二仕切部材３２ｂは、例えばパンチングメタルである。球体３２ｃは、セラミック製の球体である。球体３２ｃを形成するセラミックは、例えばアルミナである。球体３２ｃは、蒸発部ハウジング３２ａにおける第二仕切部材３２ｂより下側の空間に充填されている。また、蒸発部ハウジング３２ａにおける第二仕切部材３２ｂより上側の空間には、改質用原料供給管１１ａの他端および水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂの他端は、蒸発部ハウジング３２ａ内の左右方向における略中央に位置するように配設されている。

【0023】

また、蒸発部３２は、水溜り部３２ｄおよび高温部３２ｅをさらに有している。
水溜り部３２ｄは、底面３２ａ１に改質水が溜まっている部位である。具体的には、水溜り部３２ｄは、底面３２ａ１において水供給管１１ｂの他端の下方における所定範囲内に位置する。所定範囲は、ハウジング３１の側壁および第一仕切部材３１ａから空間をおいて形成された範囲である。ここで、水溜り部３２ｄが形成される過程について説明する。蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されることにより、蒸発部ハウジング３２ａおよび球体３２ｃの温度が高くなっている。また、水供給管１１ｂを介して供給される改質水が、水供給管１１ｂの他端から垂れて、第二仕切部材３２ｂの貫通孔３２ｂ１を通過し、球体３２ｃの表面に接触する。そして、改質水が球体３２ｃの表面にて加熱されることにより、改質水の一部が蒸発するため、水蒸気が生成される。さらに、蒸発していない一部の改質水が、蒸発部ハウジング３２ａの底面３２ａ１に到達し、底面３２ａ１にて加熱される。これにより、底面３２ａ１に到達した改質水の一部が蒸発するため、水蒸気がさらに生成される。そして、底面３２ａ１にて蒸発していない改質水によって、水溜り部３２ｄが形成される。

【0024】

水溜り部３２ｄを形成する改質水は、底面３２ａ１に到達するまでに加熱されて沸騰している。よって、水溜り部３２ｄを形成する改質水の温度は、沸点（１００℃）に達している。また、水溜り３２ｄを形成する改質水の量は、改質水の供給量と蒸発量との差によって定まる。また、水溜り３２ｄを形成する改質水の量は、燃料電池システムの運転中における通常時は、所定量に保たれている。すなわち、水溜り部３２ｄが、蒸発部ハウジング３２ａの側壁すなわちハウジング３１の側壁および第一仕切部材３１ａに接触しない量に保たれている。

【0025】

高温部３２ｅは、蒸発部３２における温度が高い部位である。ここで、蒸発部３２の水溜り部３２ｄに接触している部位は、燃焼部３５から供給された熱量が水溜り部３２ｄを形成する改質水に奪われる。よって、蒸発部３２の水溜り部３２ｄに接触している部位の温度は、水溜り部３２ｄを形成する改質水の温度と同じ、すなわち改質水の沸点（１００℃）となっている。一方、蒸発部３２の水溜り部３２ｄに接触していない部位は、燃焼部３５から供給された熱量が改質水に奪われないため、改質水の沸点よりも高い。また、第一仕切部材３１ａは、燃焼部３５から供給される熱量に加え、後述する改質部３３が発生する熱量によりさらに加熱されている。よって、第一仕切部材３１ａの温度が蒸発部３２の温度のうち最も高温（およそ５００℃）になっている。このように、高温部３２ｅは、本実施形態においては、第一仕切部材３１ａである。また、蒸発部３２と改質部３３とは、第一仕切部材３１ａを介して、隣接して配設されているため、高温部３２ｅは、改質部３３に隣接する部位である。

【0026】

温度センサ３７は、流路３２ｆ上に高温部３２ｅから所定距離Ｌを隔てて配置され、その配置された部位の温度を検出するものである。流路３２ｆは、図２に破線にて示すように、改質水が水溜り部３２ｄから高温部３２ｅに流れる路である。所定距離Ｌは、高温部３２ｅと水溜り部３２ｄとの距離よりも短い距離である。すなわち、温度センサ３７は、水溜り部３２ｄと高温部３２ｅとの間に配置されている。温度センサ３７の温度を検出する検出部は、底面３２ａ１および球体３２ｃと接触しないように配置されている。また、温度センサ３７と制御装置１５とは、電気的に接続されている。温度センサ３７によって検出された信号は、制御装置１５に送信される。

【0027】

また、蒸発部３２は、改質用原料供給管１１ａを介して供給された改質用原料を予熱するものである。そして、蒸発部３２は、改質水を蒸発させて生成された水蒸気（改質用水蒸気）と予熱された改質用原料を混合して貫通孔３１ａ１を介して改質部３３へ導出するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

【0028】

改質部３３は、水蒸気（改質用水蒸気）と改質用原料とから改質ガスを生成するものである。改質部３３は、改質部ハウジング３３ａおよび触媒３３ｂを備えている。改質部ハウジング３３ａは、ハウジング３１における第一仕切部材３１ａより右側の部位および第一仕切部材３１ａによって形成されている。触媒３３ｂは、例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒であり、改質部ハウジング３３ａ内に充填されている。ここで、改質部３３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、改質用水蒸気）から改質ガスを生成する。具体的には、混合ガスが触媒３３ｂ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。これら生成された改質ガス（アノードガス）は改質ガス供給管３３ｃを介して燃料電池装置３４に導出されるようになっている。アノードガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。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。この改質部３３における一酸化炭素シフト反応にて発生する熱によっても、第一仕切部材３１ａが加熱されている。

【0029】

燃料電池装置３４は、図１に示すように、燃料電池３４ａおよびマニホールド３４ｂを備えている。燃料電池３４ａは、改質ガス（アノードガス）と酸化剤ガス（カソードガス）とにより発電するものである。酸化剤ガスは、空気である。燃料電池３４ａは、燃料極、空気極（酸化剤極）、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａ１が図１における左右方向に沿って積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４ａの燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。

【0030】

セル３４ａ１の燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ａ２が形成されている。セル３４ａ１の空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ａ３が形成されている。

【0031】

燃料電池３４ａは、マニホールド３４ｂ上に設けられている。マニホールド３４ｂには、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３３ｃを介して供給される。燃料流路３４ａ２は、その下端（一端）がマニホールド３４ｂの燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。一方、カソードエアは、カソードエアブロワ１１ｃ１によってカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ａ３の下端から導入され上端から導出されるようになっている。

【0032】

燃料電池３４ａにおいては、燃料極に供給された改質ガスと空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路３４ａ２及び空気流路３４ａ３からは、発電に使用されなかった改質ガス及び酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

【0033】

そして、燃料流路３４ａ２及び空気流路３４ａ３から導出した、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃焼空間Ｒにて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）によって燃焼され、その燃焼ガス（火炎３６）によって蒸発部３２及び改質部３３が加熱される。さらに、燃焼ガスは、燃料電池モジュール３０内を動作温度に加熱している。このように、燃焼空間Ｒが、燃料電池３４ａからのアノードオフガスと燃料電池３４ａからのカソードオフガスとを燃焼して蒸発部３２および改質部３３を加熱する燃焼部３５である。

【0034】

燃焼部３５（燃焼空間Ｒ）は、可燃性ガスと酸化剤ガスとを燃焼するものである。可燃性ガスは、燃えるガスであり、本実施形態では改質用燃料、アノードオフガス、一酸化炭素などである。すなわち、燃焼部３５は、燃料電池３４ａから導出されるアノードオフガスを燃焼させるものである。そして、燃焼部３５は、アノードオフガスを燃焼させ、燃焼排ガスを発生する。その燃焼排ガスは排気管１１ｄを介して燃料電池モジュール３０から排気される。

【0035】

次に、上述した燃料電池システムの系統電源１６ａから送電がある場合の基本的動作の一例について説明する。制御装置１５は、スタートスイッチ（図示なし）が押されて運転が開始される場合、または計画運転にしたがって運転が開始される場合には、起動運転を開始する。

【0036】

起動運転が開始されるときは、制御装置１５は、補機を作動させる。具体的には、制御装置１５は、ポンプ１１ａ１，１１ｂ１を作動させ、蒸発部３２に改質用原料および改質水の供給を開始する。上述したように、蒸発部３２では混合ガスが生成されて、混合ガスは改質部３３に供給される。改質部３３では、供給された混合ガスから改質ガスが生成されて、改質ガスが燃料電池３４ａに供給される。そして、燃焼部３５において、燃料電池３４ａから導出された改質用原料および改質ガスが燃焼される。改質部３３が燃料電池３４ａの動作温度（例えば４００℃）になれば、起動運転が終了し、発電運転を開始する。

【0037】

発電運転中では、制御装置１５は、燃料電池３４ａの発電電力Ｗが外部電力負荷１６ｃの消費電力となるように、ポンプ１１ａ１，１１ｂ１およびブロワ１１ｃ１を作動させて改質用原料、改質水および空気の供給量を制御するとともに、インバータ装置１３を制御する（負荷追従運転）。燃料電池３４ａの発電する電力より外部電力負荷１６ｃの消費電力が上回った場合、その不足電力が系統電源１６ａから受電して補われるようになっている。

【0038】

また、発電運転中は、熱交換器１２において、燃料電池３４ａおよび改質部３３の少なくともいずれか一方からの排熱を含む燃料電池モジュール１１からの排気ガスが冷却されるとともに凝縮されて、その排熱が貯湯水に回収される。これにより貯湯水が加熱され、加熱された貯湯水は貯湯槽２１に貯められる。また、凝縮された凝縮水は水タンク１４に貯められ、改質水として蒸発部３２に供給される。

【0039】

このような発電運転中に、ストップスイッチ（図示なし）が押されて発電運転が停止される場合、または運転計画にしたがって運転が停止される場合には、制御装置１５は、燃料電池システムの停止運転（停止処理）を実施する。制御装置１５は、改質用原料および改質水の蒸発部３２への供給を停止し、改質ガスおよび空気の燃料電池３４ａへの供給を停止する。残原料による燃料電池３４ａの発電が終了すれば、停止運転は終了する。

【0040】

このような停止運転が終了すると、燃料電池システムは待機状態（待機時）となる。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態（すなわち、起動運転、発電運転、停止運転のいずれの運転中でない状態である。）のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。すなわち、停止運転状態終了時点の状態が維持される。

【0041】

次に、改質水が突然沸騰する突沸の事前検知および突沸の抑制について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。燃料電池システムが発電運転中である場合について説明する。なお、このとき、蒸発部３２内は水蒸気で満たされており、かつ、温度センサ３７と水溜り部３２ｄとが接触していない。よって、温度センサ３７は、水蒸気の温度を検出する。本実施形態において、発電運転中における水蒸気の温度は、およそ１５０℃〜３００℃を推移する。また、燃料電池システムが負荷追従運転を行っているため、燃料電池３４ａの発電電力Ｗが外部電力負荷１６ｃの消費電力となる。

【0042】

はじめに、制御装置１５は、温度センサ３７によって検出される温度（以下、検出温度とする。）Ｔｈが第一温度Ｔｈ１よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１０２）。第一温度Ｔｈ１は、改質水の沸点（１００℃）より高い温度である。第一温度Ｔｈ１は、改質の沸点（１００℃）より高く、かつ、発電運転中における水蒸気の推移する温度（およそ１５０℃〜３００℃）より低い温度に設定されている。具体的には、第一温度Ｔｈ１は、１４０℃に設定されている。制御装置１５は、検出温度Ｔｈが第一温度Ｔｈ１以下である場合、ステップＳ１０２にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ１０２の判定を繰り返し実行する。
一方、燃料電池システムが発電運転中である場合には、蒸発部３２が少なくとも１００℃以上に加熱されているため、水蒸気が蒸発部３２内を満たしている。よって、温度センサ３７が水蒸気の温度を検出した場合、検出温度Ｔｈが第一温度Ｔｈ１（１４０℃）よりも高くなる。この場合、制御装置１５は、ステップＳ１０２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０４に進める。

【0043】

制御装置１５は、突沸が事前に起きるか否かを判定する。具体的には、制御装置１５は、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２以下に低下したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。第二温度Ｔｈ２は、第一温度Ｔｈ１より低く且つ改質水の沸点以上の温度である。本実施形態において、第二温度Ｔｈ２は、１００℃以上かつ１４０℃未満の温度に設定することができる。具体的には、第二温度Ｔｈ２は、１１０℃に設定されている。なお、各温度Ｔｈ１，Ｔｈ２は、第一温度Ｔｈ１と第二温度Ｔｈ２との間に１０℃以上の差を有するように、設定されていることが望ましい。
制御装置１５は、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２まで低下していない場合、ステップＳ１０４にて「ＮＯ」の判定を繰り返し実行する。一方、制御装置１５は、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２まで低下した場合、突沸を事前に検知したと判定する。

【0044】

ここで、本発明者によって見出された突沸が発生する原理について説明する。燃料電池システムの運転中において、例えば、燃焼部３５において想定されていない燃料の濃度の変化によって火炎３６が小さくなる場合または部分的に火炎３６が吹き消えた場合には、蒸発部３２への供給熱量が減少するときがある。この場合、蒸発部３２の温度が下がるため、蒸発部３２における改質水の蒸発量が減少する。これにより、水溜り部３２ｄの改質水の量が増加するため、改質水が水溜り部３２ｄから高温部３２ｅ（第一仕切部材３１ａ）に流路３２ｆに沿って流動する（広がる）場合がある。そして、改質水が高温部３２ｅに到達し、改質水と高温部３２ｅとが接触したときには、改質水が急激に加熱されるため、突沸が発生する。

【0045】

さらに、本発明を適用しないことにより意図的に突沸を発生させる場合における上述した燃料電池システムの作動について、図４に示すタイムチャートに沿って説明する。燃料電池システムが発電運転中であり、改質水と改質用原料との比率を表すＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）比がおよそ２．５である状態から説明する。なお、このとき、蒸発部３２内は水蒸気で満たされており、かつ、温度センサ３７と水溜り部３２ｄとが接触していない。よって、温度センサ３７は、水蒸気の温度（この場合においては、およそ２００℃になっている。）を検出する。

【0046】

制御装置１５は、Ｓ／Ｃ比をおよそ２．８にするように、改質水ポンプ１１ｂ１を制御して、改質水の供給量を増加させる（時刻ｔ１）。これにより、改質水の蒸発量が増えるため、水蒸気の量が増加する。よって、蒸発部内圧Ｐがおよそ１．７ｋＰａから増加しはじめ（時刻ｔ２）、およそ１．９ｋＰａにて一旦安定する。一方、改質水の供給量が増加することにより、水溜り部３２ｄの改質水も増加するため、改質水が水溜り部３２ｄから流路３２ｆに沿って流動する。ここで、温度センサ３７は、流路３２ｆ上に高温部３２ｅから所定距離Ｌを隔てて配置されているため、改質水は、高温部３２ｅよりも先に温度センサ３７に到達する。

【0047】

改質水が温度センサ３７に接触したときには、改質水の温度が沸点（１００℃）であるため、検出温度Ｔｈが下がり始める（時刻ｔ３）。さらに改質水が流動し、温度センサ３７が改質水にて覆われたときには、検出温度Ｔｈがおよそ１００℃になる（時刻ｔ４）。さらに、改質水が流動して高温部３２ｅに到達したときには、改質水と高温部３２ｅとが接触することにより、突沸が発生する。突沸が発生した後、蒸発部内圧Ｐが変動し始める（時刻ｔ５）。これにより、燃料電池３４ａに供給される改質ガスの濃度が変動するため、およそ１００Ｖにて安定していた燃料電池３４ａの出力電圧Ｖが変動し始める（時刻ｔ５）。

【0048】

一方、改質水の突沸により流路３２ｆ上の改質水が減少するため、温度センサ３７を覆っている改質水の量が減少する。これにより、温度センサ３７が水蒸気の温度を検出し始めるため、検出温度Ｔｈが上昇し始める（時刻ｔ５）。しかし、改質水が水溜り部３２ｄから流路３２ｆに沿ってさらに流動していることにより、改質水と温度センサ３７とが接触するため、検出温度Ｔｈが再び下がり始める（時刻ｔ６）。そして、温度センサ３７が改質水にて再び覆われるため、検出温度Ｔｈが１００℃に低下する（時刻ｔ７）。また、突沸によって生じた蒸発部内圧Ｐおよび出力電圧Ｖの変動が収まり（時刻ｔ８）、次の突沸が発生するまで、蒸発部内圧Ｐがおよそ１．９ｋＰａにて安定し、出力電圧Ｖがおよそ１００Ｖにて安定する。

【0049】

図３に示すフローチャートに戻って説明する。制御装置１５は、ステップＳ１０４において、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２まで低下した場合、改質水が流路３２ｆを流動し、改質水と高温部３２ｅとが接触することにより発生する突沸を事前に検知したと判定する。すなわち、制御装置１５は、改質水が水溜り部３２ｄから流路３２ｆを流動し、温度センサ３７に接触したと判定する。突沸を事前に検知した場合、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて「ＹＥＳ」と判定し、突沸の抑制を行う。具体的には、制御装置１５は、燃料利用率Ｕｆを燃料利用率Ｕｆ０から燃料利用率Ｕｆ０より燃料利用率Ｕｆが低い燃料利用率Ｕｆ１に低下させる（ステップＳ１０６）。

【0050】

ここで、燃料利用率Ｕｆ＝（発電に利用される燃料の量（燃料流量）／燃料電池３４ａに供給される燃料の量）である。発電に利用される燃料流量は、発電電力Ｗにほぼ比例する。また、燃料電池３４ａに供給される燃料流量は、燃料電池３４ａに供給される改質ガスの流量にほぼ比例する。改質ガスの流量は、原料ポンプ１１ａ１によって改質部３３に供給される改質用原料の流量で決まる。そして、燃料電池３４ａに供給される燃料のうち発電に利用されない燃料が、燃料電池３４ａから導出し、燃焼部３５にて燃焼される。すなわち、燃料電池３４ａに供給される燃料流量＝（発電に利用される燃料流量＋発電に利用されずに燃焼部３５にて燃焼される燃料流量）である。

【0051】

ここで、発電電力Ｗが低いほど（すなわち発電に利用される燃料流量が少ないほど）、燃料電池３４ａの動作温度が下がる。よって、燃料電池モジュール３０内の温度を燃料電池３４ａの動作温度に保持するため、発電電力Ｗが低いほど、燃焼部３５における燃焼ガスの熱量を増加させている。すなわち、発電に利用される燃料流量が少ないほど、発電に利用されずに燃焼部３５にて燃焼される燃料流量が増加するように、燃料電池３４ａに供給される燃料流量が設定されている。よって、図５に示すように、発電電力Ｗが低いほど、燃料利用率Ｕｆが低くなるように設定されている。制御装置１５は、燃料電池３４ａの発電電力Ｗと燃料電池３４ａの燃料利用率Ｕｆとが図５に示す関係になるように、補機およびインバータ装置１３を制御する。

【0052】

図３に示すフローチャートに戻って説明する。本実施形態では、制御装置１５は、燃料利用率Ｕｆを低下させるときに、発電電力Ｗの減少を行う。具体的には、制御装置１５は、負荷追従運転を解除し、比較的低い所定発電電力にて発電運転を行う定値運転に切り替える。所定発電電力は、例えば最低出力電力である５０Ｗである。すなわち、制御装置１５は、発電電力Ｗを外部電力負荷１６ｃの消費電力から所定発電電力に減少させる。

【0053】

そして、制御装置１５は、突沸の抑制を終了させるか否かを判定する。具体的には、制御装置１５は、検出温度Ｔｈが第三温度Ｔｈ３より高いか否かを判定する（ステップＳ１０８）。第三温度Ｔｈ３は、第二温度Ｔｈ２より高く、かつ、第一温度Ｔｈ１以下の温度に設定されている。第三温度Ｔｈ３は、例えば１２５℃である。検出温度Ｔｈが第三温度Ｔｈ３以下である場合、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて「ＮＯ」の判定を繰り返す。一方、検出温度Ｔｈが第三温度Ｔｈ３よりも高くなった場合、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて「ＹＥＳ」と判定し、燃料利用率Ｕｆを燃料利用率Ｕｆ０に復帰させる（ステップＳ１１０）。具体的には、制御装置１５は、定値運転を解除し、負荷追従運転に切り替えて燃料電池システムの発電運転を継続する。すなわち、制御装置１５は、発電電力Ｗを所定発電電力から外部電力負荷１６ｃの消費電力に復帰させる。

【0054】

次に、上述したフローチャートに沿って、燃料電池システムが作動した場合について、図６に示すタイムチャートを用いて説明する。燃料電池システムが発電電力Ｗを３００Ｗにして発電運転（負荷追従運転）中である場合について説明する。燃料電池システムが発電運転中であるため、蒸発部３２内は水蒸気で満たされている。よって、温度センサ３７は水蒸気の温度（この場合においては、およそ２００℃になっている。）を検出するため、検出温度Ｔｈは第一温度Ｔｈ１（１４０℃）より高い（ステップＳ１０２）。このとき、蒸発部３２内に比較的小さい水溜り部３２ｄが形成されている。

【0055】

そして、例えば、燃焼部３５において燃料の濃度の変化によって火炎３６が部分的に吹き消えたことにより、燃焼部３５から蒸発部３２への供給熱量が減少した場合、水溜り部３２ｄを形成する改質水の量が増加する。これにより、改質水が水溜り部３２ｄから高温部３２ｅに向かって流路３２ｆに沿って流動する。そして、改質水が高温部３２ｅに到達する前に温度センサ３７に接触するため（温度センサ３７が改質水に浸水し始めるため）、検出温度Ｔｈが低下し始める（時刻ｔ１）。その後、改質水が温度センサ３７を覆うため、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２（１１０℃）まで低下する（時刻ｔ２；ステップＳ１０４）。このとき、制御装置１５が燃料利用率Ｕｆを燃料利用率Ｕｆ１に低下させる（ステップＳ１０６）。すなわち、制御装置１５は、発電電力Ｗの低下を開始する（時刻ｔ２）。具体的には、制御装置１５は、負荷追従運転を解除して、インバータ装置１３によって発電電力Ｗを５０Ｗに減少させて定値運転を開始する（時刻ｔ３）。ここで、発電電力Ｗが減少されたため、燃料電池３４ａの発電電流が減少する。これにより、燃料電池３４ａの内部抵抗が小さくなるため、出力電圧Ｖが大きくなる。本実施形態においては、出力電圧Ｖが１００Ｖから１１０Ｖに上昇する（時刻ｔ３）。

【0056】

制御装置１５が燃料利用率Ｕｆを低下させることにより、アノードオフガス中の改質ガス量が増加し、燃焼部３５へ導出される可燃ガスが増加するため、燃焼部３５での燃焼熱量が増加する。これにより、燃焼部３５から蒸発部３２への供給熱量が増加するため、改質水の蒸発量が増加する。よって、蒸発部３２内の流路３２ｆ上の改質水の量が減少するため、改質水の高温部３２ｅへの流動が停止する。したがって、温度センサ３７まで達している改質水の流動が高温部３２ｅに到達する前に停止するため、改質水と高温部３２ｅとが接触することにより発生する突沸が回避される。

【0057】

一方、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２まで低下したとき（時刻ｔ２）、温度センサ３７が高温部３２ｅに流動する改質水によって一旦覆われるため、検出温度Ｔｈが改質水の沸点（１００℃）に低下する（時刻ｔ４）。しかし、その後、改質水の蒸発量が増加し、改質水の量が減少するため、高温部３２ｅに流動する改質水が後退する。これにより、温度センサ３７が蒸発部３２内の温度を再び検出し始めるため、検出温度Ｔｈが上昇し始める（時刻ｔ５）。そして、検出温度Ｔｈが第三温度Ｔｈ３（１２５℃）より高くなったとき（時刻ｔ６；ステップＳ１０８）、制御装置１５が燃料利用率Ｕｆを、燃料利用率Ｕｆ１から燃料利用率Ｕｆ０に復帰させる（時刻ｔ６；ステップＳ１１０）。具体的には、制御装置１５は、定値運転を解除し、負荷追従運転を再開する。その後、検出温度Ｔｈが水蒸気の温度（およそ２００℃）に復帰する（時刻ｔ７）。また、外部電力負荷１６ｃの消費電力が３００Ｗである場合には、発電電力Ｗが３００Ｗに復帰する（時刻ｔ８）。そして、出力電圧Ｖが１００Ｖに復帰する（時刻ｔ８）。

【0058】

本実施形態によれば、燃料電池システムは、改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４ａと、燃料電池３４ａから導出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼部３５と、燃焼部３５によって加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部３２と、水蒸気と改質用原料とから改質ガスを生成する改質部３３と、燃料電池３４ａの発電電力Ｗを少なくとも制御する制御装置１５と、を備えた燃料電池システムであって、蒸発部３２は、底面３２ａ１に改質水が溜まっている水溜り部３２ｄと、温度が高い高温部３２ｅと、改質水が水溜り部３２ｄから高温部３２ｅに流動する流路３２ｆと、を備え、燃料電池システムは、流路３２ｆ上に高温部３２ｅから所定距離Ｌを隔てて配置され、その配置された部位の温度を検出する温度センサ３７をさらに備え、制御装置１５は、検出温度Ｔｈが、改質水の沸点より高い第一温度Ｔｈ１から、第一温度Ｔｈ１より低く且つ改質水の沸点以上である第二温度Ｔｈ２まで低下したときに、改質水の突沸を、事前に検知する。
これによれば、蒸発部３２においては、通常時において、供給された改質水が蒸発することにより温度センサ３７が水蒸気の温度を検出するため、検出温度Ｔｈが改質水の沸点よりも高い第一温度Ｔｈ１に達する。その後、例えば、燃焼部３５の燃焼状態が変化して蒸発部３２への供給熱量が減少する等の要因により蒸発部３２における改質水の蒸発量が減少する場合には、蒸発部３２内の改質水の量が増加することにより、改質水が水溜り部３２ｄから高温部３２ｅに流動する。このとき、改質水が高温部３２ｅに接触した場合には、改質水が急激に加熱されるため、改質水が突然沸騰する突沸が発生する。
ここで、温度センサ３７は、改質水が水溜り部３２ｄから高温部３２ｅに流動する流路３２ｆ上に高温部３２ｅから所定距離Ｌを隔てて配置されている。よって、流路３２ｆを流れる改質水は、高温部３２ｅに接触する前に温度センサ３７に接触する。すなわち、温度センサ３７が改質水の温度を検出するため、検出温度Ｔｈは、改質水の沸点に低下する。よって、制御装置１５は、検出温度Ｔｈが第一温度Ｔｈ１に達した後、第一温度Ｔｈ１より低く且つ改質水の沸点以上である第二温度Ｔｈ２まで低下したときに、改質水が高温部３２ｅに向かって流動中であることを、改質水が高温部３２ｅに到達する前に判定することができる。したがって、改質水が高温部３２ｅに接触して急激に加熱されることにより突然沸騰する突沸を、事前に確実に検知することができる。

【0059】

また、蒸発部３２と改質部３３とは隣接して配設され、高温部３２ｅは、改質部３３に隣接する部位である。
これによれば、蒸発部３２における改質部３３に隣接する部位は、燃焼部３５からの供給熱量に加え、改質部３３にて発生する熱量により、蒸発部３２の他の部位に比べて高温になっている。よって、蒸発部３２における改質部３３に隣接する部位は、蒸発部３２の他の部位に比べて、改質水の突沸が発生し易い。ここで、温度センサ３７は、改質水が流動する流路３２ｆ上に、蒸発部３２における改質部３３に隣接する部位から所定距離Ｌを隔てて配置されている。よって、制御装置１５は、検出温度Ｔｈが第一温度Ｔｈ１までに達した後、第二温度Ｔｈ２まで低下したときに、改質水が蒸発部３２における改質部３３に隣接する部位に流動中であると判定することができる。したがって、蒸発部３２における改質水の突沸が発生し易い改質部３３に隣接する部位にて発生する突沸を、事前に確実に検知することができる。

【0060】

また、制御装置１５は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池３４ａの燃料利用率Ｕｆを低下させる。
これによれば、制御装置１５は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池３４ａの燃料利用率Ｕｆを低下させるため、発電に利用されなかった燃料（アノードオフガス）すなわち燃焼部３５にて燃焼される可燃ガスを増加させることができる。これにより、燃焼部３５の蒸発部３２への供給熱量を増加させることができるため、蒸発部３２における改質水の蒸発量が増加する。よって、蒸発部３２内の改質水の量が減少するため、改質水の高温部３２ｅへの流動が止まる。これにより、改質水と高温部３２ｅとの接触が避けられるため、改質水の突沸を回避することができる。したがって、改質水の突沸が抑制されることにより、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。

【0061】

また、制御装置１５は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池３４ａの発電電力Ｗの減少を行う。
これによれば、制御装置１５は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池３４ａの発電電力Ｗの減少を行うため、燃料電池３４ａの燃料利用率Ｕｆをより確実に低下させることができる。よって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。

【0062】

なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した実施形態において、制御装置１５は、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２まで低下したときに、すなわち、突沸を事前に検知した場合に、燃料利用率Ｕｆを低下させるために、燃料電池３４ａの発電電力Ｗの減少を行うが、これに代えて、突沸を事前に検知したときの発電電力Ｗを維持するように定値運転を行い、改質ガスの燃料電池３４ａへの供給量の増加を行うようにしても良い。これによれば、燃焼部３５へ導出される可燃ガスが増加することにより、燃焼部３５の燃焼ガスの熱量が増加するため、蒸発部３２における改質水の蒸発量が増加する。よって、蒸発部３２内の改質水の量が減少するため、改質水の高温部３２ｅの流動が停止する。よって、改質水と高温部３２ｅとが接触することにより発生する突沸を回避できる。また、本実施形態における改質ガスの燃料電池３４ａへの供給量の増加は、燃料電池システムが、起動運転を行っている場合においても、実行することができる。よって、燃料電池システムが、起動運転を行っている場合においても、蒸発部３２内にて発生する突沸を回避することができる。

【0063】

すなわち、制御装置１５は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池３４ａの発電電力Ｗの減少または改質ガスの燃料電池３４ａへの供給量の増加を行うようにしても良い。
これによれば、制御装置１５は、突沸を事前に検知した場合に、燃料電池３４ａの発電電力Ｗの減少または改質ガスの燃料電池３４ａへの供給量の増加を行うため、燃料電池３４ａの燃料利用率Ｕｆをより確実に低下させることができる。よって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。

【0064】

また、制御装置１５は、突沸を事前に検知した場合に、改質水の蒸発部３２への供給量の減少を行うようにしても良い。改質水の供給量を減少させた場合は、蒸発部３２内の改質水の量が減少するため、改質水が高温部３２ｅに到達する前に、改質水の高温部３２ｅの流動が停止する。よって、改質水と高温部３２ｅとが接触することにより発生する突沸を回避できる。また、本実施形態における改質水の蒸発部３２への供給量の減少は、起動運転を行っている場合においても、実行することができる。よって、燃料電池システムが、起動運転を行っている場合においても、蒸発部３２内にて発生する突沸を回避することができる。なお、本実施形態においては、制御装置１５が改質水の供給量を精度よく制御できるようにするために、改質水の流量を検出する流量センサを水供給管１１ｂに配設するようにしても良い。そして、制御装置１５が、改質水の供給量が増加したことを流量センサによって検出し、制御装置１５が突沸を事前に検知したときに、改質水の蒸発部３２への供給量の減少を行うようにしても良い。

【0065】

また、制御装置１５は、上述した実施形態において、燃料電池３４ａの発電電力Ｗの減少を行う場合に、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２まで低下したときから突沸が発生するまでの時間よりも十分短い時間にて、燃料電池３４ａの発電電力Ｗの減少を行うようにしても良い。ここで、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２まで低下したときから突沸が発生するまでの時間は、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２に低下したときから改質水が高温部３２ｅに到達するまでの時間である。また、制御装置１５が燃料電池３４ａの発電電力Ｗの減少を行う時間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間；図６参照）は、例えば１秒である。
これによれば、制御装置１５は、突沸を事前に検知した場合に、検出温度Ｔｈが第二温度Ｔｈ２まで低下したときから突沸が発生するまでの時間よりも十分短い時間にて、燃料電池３４ａの発電電力Ｗの減少を行うため、より短時間にて燃料電池３４ａの燃料利用率Ｕｆを低下させることができる。これにより、蒸発部３２内の改質水の量がより短時間にて減少するため、改質水の高温部３２ｅへの流動がより短時間にて停止する。よって、改質水と高温部３２ｅとの接触がより確実に回避される。したがって、改質水の突沸がより確実に抑制されるため、燃料電池システムの信頼性をさらに向上することができる。

【0066】

また、上述した実施形態において、底面３２ａ１が水平な平面であるため、流路３２ｆが水平に形成されるが、これに代えて、蒸発部３２の第一の変形例として、改質水が流路３２ｆに沿って高温部３２ｅ（図２の右側）に流動するにしたがって改質水が上方に上ってゆくように、底面３２ａ１を傾けるようにすると良い。これによれば、流路３２ｆを流動する改質水の速度を小さくすることができるため、流路３２ｆを流動する改質水の水溜り部３２ｄから高温部３２ｅに到達する時間を長くすることができる。よって、流路３２ｆを流動する改質水の蒸発量がより多くなるため、改質水が高温部３２ｅに到達する前に、改質水の流動をより確実に停止させることができる。したがって、改質水と高温部３２ｅとの接触がより確実に回避される。

【0067】

また、上述した実施形態において、底面３２ａ１は、平面状に形成されているが、これに代えて、蒸発部３２の第二の変形例として、図７に示すように、底面３２ａ１に凹部３２ａ１ａを形成し、凹部３２ａ１ａの底部に水溜り部３２ｄが形成されるようにしても良い。具体的には、水供給管１１ｂの他端の下方に凹部３２ａ１ａが配設されるようにすると良い。また、温度センサ３７が凹部３２ａ１ａの周縁に配置されるようにすると良い。これによれば、改質水の量が増加して、改質水が凹部３２ａ１ａからあふれ出した後、比較的短い時間にて改質水が温度センサ３７に接触するため、制御装置１５は、改質水が増加して高温部３２ｅに流動中であることを、改質水が高温部３２ｅに到達する前により確実に検知することができる。

【0068】

さらに、蒸発部３２の第三の変形例として、図８に示すように、流路３２ｆを一端が凹部３２ａ１ａに接続する溝状に形成するようにしても良い。また、この場合、流路３２ｆの溝幅を温度センサ３７の幅と略同一にすると良い。これによれば、増加した改質水を凹部３２ａ１ａから流路３２ｆに確実に流動させることができる。よって、増加した改質水が確実に温度センサ３７に接触するため、制御装置１５は、改質水が増加して高温部３２ｅに流動中であることを、改質水が高温部３２ｅに到達する前にさらに確実に検知することができる。

【0069】

また、上述した実施形態において、温度センサ３７は、図１、図７および図８に示すように、蒸発部ハウジング３２ａの第二仕切部材３２ｂより下側の部位に球体３２ｃとともに配設されているが、これに代えて、蒸発部３２の第四の変形例として、図９に示すように、温度センサ３７を、空間部３２ａ２に配設するようにしても良い。空間部３２ａ２は、蒸発部ハウジング３２ａにおける第二仕切部材３２ｂより下側の部位を左右に仕切る第三仕切部材３２ｇによって仕切られた右側の部位である。第三仕切部材３２ｇには、左右方向に貫通する複数の貫通孔が全体に形成されている。第三仕切部材３２ｇは、例えばパンチングメタルである。また、空間部３２ａ２には、球体３２ｃが配設されていない。
これによれば、上述した実施形態と比較して、温度センサ３７と球体３２ｃとの距離を長くすることができるため、温度センサ３７と水蒸気とをより多く接触させることができる。よって、温度センサ３７が水蒸気の温度をより精度よく検出することができる。

【0070】

また、上述した実施形態において、水供給管１１ｂの他端は、蒸発部ハウジング３２ａ内の左右方向における略中央に位置するように配設されているが、これに代えて、蒸発部ハウジング３２ａ内の左右方向における左側に配設されるようにしても良い。これによれば、水供給管１１ｂの他端が蒸発部ハウジング３２ａ内の左右方向における略中央に位置する場合に比べ、水供給管１１ｂの他端の下方に形成される水溜り部３２ｄと高温部３２ｅとの距離が長くなる。これにより、流路３２ｆの長さが長くなるため、改質水の水溜り部３２ｄから高温部３２ｅに到達する時間を長くすることができる。よって、流路３２ｆを流動する改質水の蒸発量がより多くなるため、改質水が高温部３２ｅに到達する前に、改質水の流動をより確実に停止させることができる。したがって、改質水と高温部３２ｅとの接触がより確実に回避される。

【0071】

また、上述した実施形態において、高温部３２ｅは、第一仕切部材３１ａであるが、これに代えて、蒸発部ハウジング３２ａにおける第一仕切部材３１ａ以外の側壁とするようにしても良い。例えば、燃焼部３５の形状により、蒸発部ハウジング３２ａの左側壁がもっとも加熱されることによって、蒸発部ハウジング３２ａの温度のうち蒸発部ハウジング３２ａの左側壁の温度が最も高くなる場合には、高温部３２ｅは、蒸発部ハウジング３２ａの左側壁となる。
また、上述した実施形態において、燃料電池３４ａは、固体酸化物形燃料電池であるが、これに代えて、本発明を固体高分子形燃料電池に適用するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0072】

１１，３０…燃料電池モジュール、１３…インバータ装置、１５…制御装置、３１…ハウジング、３１ａ…第一仕切部材、３２…蒸発部、３２ａ…蒸発部ハウジング、３２ａ１…底面、３２ｂ…第二仕切部材、３２ｃ…球体、３２ｄ…水溜り部、３２ｅ…高温部、３２ｆ…流路、３３…改質部、３３ａ…改質部ハウジング、３４ａ…燃料電池、３５…燃焼部、３７…温度センサ、Ｌ…所定距離、Ｔｈ…検出温度、Ｔｈ１…第一温度、Ｔｈ２…第二温度、Ｕｆ…燃料利用率、Ｖ…出力電圧、Ｗ…発電電力。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】