JP2005056779A - 燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents
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Abstract
【課題】改質器リサイクルガスと燃料との混合ガスのスチームカーボン比が予め設定した所定の値となるように制御され、発電を安定に継続する燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体を提供すること。
【解決手段】燃料の水蒸気改質反応によって改質ガスを生成する改質器２と、改質ガスを燃料として発電を行い、発生した水蒸気を含む燃料極排出ガスを改質器に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタック３と、改質ガスを燃料として発電を行う固体高分子形燃料電池セルスタック２３と、前記燃料極排出ガスの燃料極出口温度を検出する温度検出手段６５と、温度検出手段６５によって検出された温度値に応じて前記燃料極排出ガスの改質器２への供給量を制御する流量弁開度制御手段７０とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料の水蒸気改質反応によって改質ガスを生成する改質器２と、改質ガスを燃料として発電を行い、発生した水蒸気を含む燃料極排出ガスを改質器に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタック３と、改質ガスを燃料として発電を行う固体高分子形燃料電池セルスタック２３と、前記燃料極排出ガスの燃料極出口温度を検出する温度検出手段６５と、温度検出手段６５によって検出された温度値に応じて前記燃料極排出ガスの改質器２への供給量を制御する流量弁開度制御手段７０とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体に関するものであり、特に、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムとその制御法とその制御法を実現する制御プログラムとに関するものである。
従来、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムが、下記非特許文献１に例示されているように、開発されている。
図６は、上記従来の燃料電池発電システムを表すシステム構成図である。図６において、１は燃料である天然ガス、２は燃料である天然ガス１の水蒸気改質反応を行わせる改質器、３は第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック（以下、ＳＯＦＣスタックと略す）、４はＳＯＦＣスタック３の燃料極、５はＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質、６はＳＯＦＣスタック３の空気極、７は燃焼器、８は改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス、９は水素リッチな改質ガス、１０はＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、１１は改質器リサイクルガス、１２はＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス、１３は燃焼排出ガス、１４は燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁、１５は改質器リサイクルガス１１の供給量を制御する流量制御弁、１６はＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス、１７はＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス、１８はＳＯＦＣスタックの燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量を制御する流量制御弁、１９はＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス１７の供給量を制御する流量制御弁、２０はＣＯシフトコンバータ、２１はＣＯ選択酸化器、２２は凝縮器、２３は第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック（以下、ＰＥＦＣスタックと略す）、２４はＰＥＦＣスタック２３の空気極、２５はＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質、２６はＰＥＦＣスタック２３の燃料極、２８はＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、２９は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させた水素リッチな改質ガス、３０はＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気、３１は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去した水素リッチな改質ガス、３２はＰＥＦＣスタック２３の発電用空気、３３はＰＥＦＣスタック２３の空気極排出ガス、３４はＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス、３６はＳＯＦＣスタック３の発電用空気、３７は脱硫器リサイクルガスの供給量を制御する流量制御弁、３８は脱硫器、３９は脱硫された天然ガス、４０はＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁、４１はＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２の供給量を制御する流量制御弁、４２はＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量を制御する流量制御弁、４３はＳＯＦＣスタック３の燃焼用燃料極排出ガス、４４は一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、４５は脱硫器リサイクルガス、４６は凝縮水である。
なお、上記「水素リッチ」は、電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。
図７は、ＳＯＦＣスタック３を表す模式図である。図７において、図６と同じものは同一符号で表し、これらのものについては説明を省略する。図７において、６６は固体酸化物形燃料電池単セル（以下、ＳＯＦＣ単セルと呼ぶ）である。
図６において、ＳＯＦＣスタック３が一組のＳＯＦＣスタックの燃料極４、ＳＯＦＣスタックの固体酸化物電解質５及びＳＯＦＣスタック３の空気極６からなるＳＯＦＣ単セル６６によって構成されているように示されているが、実際には、図７に示すように複数のＳＯＦＣ単セル６６から構成されている。また、図６において、ＳＯＦＣスタック３、改質器２及び燃焼器７は別個に設置してあるように示されているが、実際には、図７に示すように、ＳＯＦＣスタック３、改質器２及び燃焼器７は一体化されている。
図６において、ＰＥＦＣスタック２３が一組のＰＥＦＣスタック２３の燃料極２４、ＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質２５及びＰＥＦＣスタック２３の空気極２６からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には、ＰＥＦＣスタック２３は複数の単セルから構成されている。
以下、図６を用いて、この従来の燃料電池発電システムの作用について説明する。燃料である天然ガス１を脱硫器３８に供給する。燃料である天然ガス１の供給量は、予め設定されたＳＯＦＣスタック３の発電電流及びＰＥＦＣスタック２３の発電電流と流量制御弁１４の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１４の開度を制御することによって、ＳＯＦＣスタック３の発電流電流及びＰＥＦＣスタック２３の発電電流に見合った値に設定する。
脱硫器３８では、充填された脱硫触媒のコバルト−モリブデン系触媒と酸化亜鉛吸着剤の働きにより、改質器２の改質触媒、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６の電極触媒及びＳＯＦＣスタック３の燃料極４の電極触媒の劣化の原因となる燃料である天然ガス１中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水素添加脱硫することにより吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させて、硫黄分を除去する。硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、ＣＯシフトコンバータ２０から排出される一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた水素リッチな改質ガス４４の一部を、脱硫器リサイクルガス４５として脱硫器３８にリサイクルする。脱硫器リサイクルガス４５の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁３７の開度（すなわち脱硫器リサイクルガス４５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３７の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量と見合った値に設定する。硫化水素と硫化亜鉛の生成反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるＣＯシフトコンバータ２０での水性シフト反応によって発生する熱をＣＯシフトコンバータ２０から脱硫器３８に供給することによってまかなう。
脱硫器３８で脱硫された天然ガス３９は、ＳＯＦＣスタック３で生成した水蒸気を含む改質器リサイクルガス１１と混合し、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８として改質器２に供給する。改質器リサイクルガス１１の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁１５の開度（すなわち、改質器リサイクルガス１１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１５の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量と見合った値となるように設定する。
改質器２では、充填された改質触媒の働きにより燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガスが作られる。天然ガスの主成分であるメタンの水蒸気改質反応は（１）式で表される。
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ （１）
（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器２の外部から必要な反応熱を供給し、改質器２の温度を７００〜７５０℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器２の近傍に設置された８００〜１０００℃で発電を行うＳＯＦＣスタック３の排熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器２に供給する。
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ （１）
（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器２の外部から必要な反応熱を供給し、改質器２の温度を７００〜７５０℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器２の近傍に設置された８００〜１０００℃で発電を行うＳＯＦＣスタック３の排熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器２に供給する。
改質器２でつくられた改質ガス９の一部は、ＣＯシフトコンバータ２０に供給し、残りはＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する。ＣＯシフトコンバータ２０に供給する改質ガス１７の供給量は、予め設定されたＰＥＦＣスタック２３の発電電流と流量制御弁１９の開度（すなわちＣＯシフトコンバータ２０に供給する改質ガス１７の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９の開度を制御することによって、ＰＥＦＣスタックの発電電流に見合った値に設定する。一方、ＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する改質ガス１６の供給量は、予め設定したＳＯＦＣスタック３の発電電流と流量制御弁１８の開度（すなわち、ＳＯＦＣスタック３の燃料極４へ供給する改質ガス１６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１８の開度を制御することによって、ＳＯＦＣスタック３の発電電流に見合った値に設定する。
ＳＯＦＣスタック３の空気極６には、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６を供給する。ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量は、予め設定したＳＯＦＣスタック３の発電電流と流量制御弁４０の開度（すなわち、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４０の開度を制御することによって、ＳＯＦＣスタック３の発電電流に見合った値に設定する。
ＳＯＦＣスタック３の空気極６では、金属酸化物系電極触媒の働きで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６中の酸素が（２）式に示す空気極反応により電子と反応して酸素イオンに変わる。
１/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｏ２− （２）
ＳＯＦＣスタック３の空気極６で生成した酸素イオンは、安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等のＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質５の内部を移動し、ＳＯＦＣスタック３の燃料極４に到達する。ＳＯＦＣスタック３の燃料極４では、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒の働きで、ＳＯＦＣスタック３の空気極６からＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質５の内部を移動してきた酸素イオンが、（３）式および（４）式に示す反応によりＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給された改質ガス１６中の水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
Ｈ２ ＋ Ｏ２− → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ− （３）
ＣＯ ＋ Ｏ２− → ＣＯ２ ＋ ２ｅ− （４）
ＳＯＦＣスタック３の燃料極４で生成した電子は、外部回路を移動し、ＳＯＦＣスタック３の空気極６に到達する。ＳＯＦＣスタックの空気極６に到達した電子は、（２）式に示した反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーをＳＯＦＣスタック３の発電出力として取り出すことができる。
１/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｏ２− （２）
ＳＯＦＣスタック３の空気極６で生成した酸素イオンは、安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等のＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質５の内部を移動し、ＳＯＦＣスタック３の燃料極４に到達する。ＳＯＦＣスタック３の燃料極４では、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒の働きで、ＳＯＦＣスタック３の空気極６からＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質５の内部を移動してきた酸素イオンが、（３）式および（４）式に示す反応によりＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給された改質ガス１６中の水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
Ｈ２ ＋ Ｏ２− → Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ− （３）
ＣＯ ＋ Ｏ２− → ＣＯ２ ＋ ２ｅ− （４）
ＳＯＦＣスタック３の燃料極４で生成した電子は、外部回路を移動し、ＳＯＦＣスタック３の空気極６に到達する。ＳＯＦＣスタックの空気極６に到達した電子は、（２）式に示した反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーをＳＯＦＣスタック３の発電出力として取り出すことができる。
（２）式と（３）式、（２）式と（４）式を、それぞれまとめると、ＳＯＦＣスタック３の電池反応は（５）式に示す水素の酸化反応と、（６）式に示す一酸化炭素の酸化反応として表すことができる。
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （５）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （６）
ＳＯＦＣスタック３の発電温度は、一般的に９００〜ｌ０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。ＳＯＦＣスタック３の排熱は、前述したように改質器２での燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用する。
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （５）
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （６）
ＳＯＦＣスタック３の発電温度は、一般的に９００〜ｌ０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。ＳＯＦＣスタック３の排熱は、前述したように改質器２での燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用する。
ＳＯＦＣスタック３の燃料極４で電池反応により生成した水蒸気を含むＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０の一部は、前述したように、改質器２での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、改質器リサイクルガス１１として脱硫された天然ガス３９と混合して改質器２に供給する。一方、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０の残りは、ＳＯＦＣスタック３の燃焼用燃料極排出ガス４３として、ＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス１２、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガスとともに燃焼器７に供給する。
燃焼器７では、ＳＯＦＣスタック３の燃焼用燃料極排出ガス４３中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素とＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス３４中の未反応燃料及び未反応水素を、ＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス１２中の酸素と燃焼反応させる。なお、図６には示されていないが、燃焼排出ガス１３は、燃料である天然ガス１とＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の昇温に利用する。
水素リッチな改質ガス９には、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６の電極触媒の劣化の原因となる一酸化炭素が含まれているので、ＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給しない水素リッチな改質ガスは、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたＣＯシフトコンバータ２０に供給し、シフト触媒の働きにより（７）式に示す水性シフト反応を行わせることによって、改質ガス９中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （７）
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器３８に供給し、前述した吸熱反応である硫化水素と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （７）
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器３８に供給し、前述した吸熱反応である硫化水素と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
ＣＯシフトコンバータ２０で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス４４の一部は、前述したように脱硫器リサイクルガス４５として脱硫器３８に供給し、残りは、改質ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以上であると、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させるために、ＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた改質ガス２８として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されたＣＯ選択酸化器２１に供給する。また、空気をＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０として、ＣＯ選択酸化器２１に供給する。ＣＯ選択酸化器２１では、ＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた改質ガス２８中に含まれる一酸化炭素を、ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０中の酸素と反応させ、発熱反応である（８）式に示すＣＯ選択酸化反応を行わせることによって二酸化炭素に変換し、ＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた改質ガス２８中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （８）
ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量は、予め設定された流量制御弁１９の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する改質ガス１７の供給量）と流量制御弁４２の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４２の開度を制御することによって、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する改質ガス１７の供給量に見合った値に設定する。
ＣＯ ＋ １/２Ｏ２ → ＣＯ２ （８）
ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量は、予め設定された流量制御弁１９の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する改質ガス１７の供給量）と流量制御弁４２の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４２の開度を制御することによって、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する改質ガス１７の供給量に見合った値に設定する。
ＣＯ選択酸化器で作られた一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させた改質ガス２９に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器２２で１００℃以下に冷却することによって凝縮水４６として回収する。凝縮器２２で未反応水蒸気を凝縮させることによって一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低下させ水蒸気を除去した改質ガス３１は、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６に供給する。一方、ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２は、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に供給する。ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２の供給量は、予め設定されたＰＥＦＣスタック２３の発電電流と流量制御弁４１の開度（すなわち、ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４１の開度を制御することによって、ＰＥＦＣスタック２３の発電電流に見合った値に設定する。ＰＥＦＣスタック２３の発電温度は６０〜８０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６では、白金系電極触媒の働きで、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去した改質ガス３１中に含まれる水素の約８０％が、（９）式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （９）
ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６で生成した水素イオンは、ナフィオン等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質２５の内部を移動し、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に到達する。一方、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６で生成した電子は、外部回路を移動し、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを発電電力として取り出すことができる。ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４では、白金系電極触媒の働きで、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６からＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質２５の内部をＰＥＦＣスタック２３の空気極２４まで移動してきた水素イオン、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６から外部回路をＰＥＦＣスタック２３の空気極２４まで移動してきた電子及びＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に供給されたＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２中の酸素が、（１０）式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
２Ｈ＋ ＋ １/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ （１０）
（９）式と（１０）式をまとめると、ＰＥＦＣスタック２３の電池反応は、（１１）式に示す水素の電気化学的酸化反応として表すことができる。
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （１１）
ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２は、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４で酸素の一部を（１０）式に示した空気極反応により消費した後に、ＰＥＦＣスタック２３の空気極排出ガス３３として排出する。一方、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去した改質ガス３１は、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６で水素の約８０％を（９）式に示した燃料極反応により消費した後に、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス３４として排出する。ＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス３４は、前述したとおり、燃焼器７に供給し燃焼させる。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （９）
ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６で生成した水素イオンは、ナフィオン等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質２５の内部を移動し、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に到達する。一方、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６で生成した電子は、外部回路を移動し、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを発電電力として取り出すことができる。ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４では、白金系電極触媒の働きで、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６からＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質２５の内部をＰＥＦＣスタック２３の空気極２４まで移動してきた水素イオン、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６から外部回路をＰＥＦＣスタック２３の空気極２４まで移動してきた電子及びＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に供給されたＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２中の酸素が、（１０）式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
２Ｈ＋ ＋ １/２Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ （１０）
（９）式と（１０）式をまとめると、ＰＥＦＣスタック２３の電池反応は、（１１）式に示す水素の電気化学的酸化反応として表すことができる。
Ｈ２ ＋ １/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ （１１）
ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２は、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４で酸素の一部を（１０）式に示した空気極反応により消費した後に、ＰＥＦＣスタック２３の空気極排出ガス３３として排出する。一方、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去した改質ガス３１は、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６で水素の約８０％を（９）式に示した燃料極反応により消費した後に、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス３４として排出する。ＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス３４は、前述したとおり、燃焼器７に供給し燃焼させる。
図８は、図６に示す従来の燃料電池発電システムの制御法を表すフロー図である。
図８に示したように、従来の燃料電池発電システムでは、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁１５の開度（すなわち、改質器リサイクルガス１１の供給量）の関係に基づいて、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクルガス１１の供給量を一意的に求め、流量制御弁１５の開度を制御することによって改質器リサイクルガス１１の供給量を設定していた。
論文「Ａ．Ｌ．Ｄｉｃｋｓ，Ｒ．Ｇ．Ｆｅ１１ｏｅｓ，Ｃ．Ｍ．Ｍｅｓｃａ１，ａｎｄ Ｃ．Ｓｅｙｍｏｕｒ："Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＳＯＦＣ−ＰＥＭ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍｓ"，Ｊｏｕｒｎａ１ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ，８６，ｐｐ．４４２〜４４８，２０００」
次に、上記従来の燃料電池発電システムの問題点について説明する。従来の燃料電池発電システムでは、表１に示したように、発電条件が異なる場合は、燃料である天然ガス１の供給量に対して改質器リサイクルガス１１のガス組成が一意的に決まらないので、燃料である天然ガス１の供給量に対して一意的に改質器リサイクルガス１１の供給量を求める従来の制御法（図８）を適用すると、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９との混合ガス８中の水蒸気の燃料である天然ガス１中の炭素に対するモル比（以下、スチームカーボン比と略す）を予め設定した値に制御することはできない。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、改質器リサイクルガスと燃料との混合ガスのスチームカーボン比が予め設定した所定の値となるように制御され、発電を安定に継続する燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
また、本発明においては、請求項６に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
また、本発明においては、請求項７に記載のように、
請求項４、５または６に記載の燃料電池発電システムの制御法をコンピュータに実行させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを構成する。
請求項４、５または６に記載の燃料電池発電システムの制御法をコンピュータに実行させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを構成する。
また、本発明においては、請求項８に記載のように、
請求項７に記載の燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録したことを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録した記録媒体を構成する。
請求項７に記載の燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録したことを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録した記録媒体を構成する。
また、本発明においては、請求項９に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、請求項１０に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、請求項１１に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システムを構成する。
また、本発明においては、請求項１２に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
また、本発明においては、請求項１３に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
また、本発明においては、請求項１４に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を構成する。
また、本発明においては、請求項１５に記載のように、
請求項１２、１３または１４に記載の燃料電池発電システムの制御法をコンピュータに実行させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを構成する。
請求項１２、１３または１４に記載の燃料電池発電システムの制御法をコンピュータに実行させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを構成する。
また、本発明においては、請求項１６に記載のように、
請求項１５に記載の燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録したことを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録した記録媒体を構成する。
請求項１５に記載の燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録したことを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録した記録媒体を構成する。
本発明の実施によって、改質器リサイクルガスと燃料との混合ガスのスチームカーボン比が予め設定した所定の値となるように制御され、発電を安定に継続する燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体を提供することが可能となる。
（実施形態１）
図１は、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態（これを実施形態１とする）を表すシステム構成図である。図１において、図６及び図７と同じものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図１は、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態（これを実施形態１とする）を表すシステム構成図である。図１において、図６及び図７と同じものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
図１において、６５はＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段であり、７０は温度検出手段６５によって検出された温度値に応じて前記燃料極排出ガスの改質器２への供給量を制御する流量制御手段である、流量制御弁１５の開度を制御する流量制御弁開度制御手段である。
図２は、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段６５のＳＯＦＣスタック３での設置例を示す。
図１に示した本実施形態の構成は、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段６５と、流量制御弁１５の開度を制御する流量制御弁開度制御手段７０とを設け、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、その検出結果に応じてする流量制御弁１５の開度を制御することにおいて、図６に示した従来の燃料電池発電システムと異なっている。
図３は、本発明の燃料電池発電システムの制御法の一実施形態を表すフロー図である。
図３を用いて図１に示した本実施形態の作用を説明する。本実施形態では、図３に示したように、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段６５を用いてＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を測定し、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０が燃料極出口温度で熱力学的な平衡状態であると仮定して、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０、すなわち改質器リサイクルガス１１のガス組成を求める。
次に、流量制御弁１４の開度、すなわち、燃料である天然ガス１の供給量と求めた改質器リサイクルガス１１のガス組成から、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比を予め設定された値にするために必要な改質器リサイクルガス１１の供給量を求め、予め設定された改質器リサイクルガス１１の供給量と流量制御弁１５の開度の関係に基づいて、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比が予め設定された値となるように、流量制御弁１５の開度を制御する。
流量制御弁開度制御手段７０は、温度検出手段６５が検出した温度情報及び流量制御弁１４の開度の情報を入力とし、その情報に基づいて、改質器リサイクルガス１１のガス組成を求め、混合ガス８のスチームカーボン比を予め設定された値にするために必要な改質器リサイクルガス１１の供給量を求める演算を行い、予め設定された改質器リサイクルガス１１の供給量と流量制御弁１５の開度の関係に基づいて、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比が予め設定された値となるように、流量制御弁１５の開度を制御する。
このような流量制御弁１５の開度の制御を行えば、発電条件が変化しても、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比を所定の値に制御することができ、スチームカーボン比の低下による改質器２の改質触媒上への炭素析出に起因する性能低下を抑制し、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することが可能である。
なお、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０は、７００〜８００℃と高温であるので、その組成はほぼ熱力学的な平衡状態にあるといえる。
上記のように、流量制御弁１５の開度を制御する際には、図３に示した手順に従って、演算をコンピュータに行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。
なお、本実施形態の温度検出手段６５及び流量制御弁開度制御手段７０に代えて、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０中の水蒸気含有率を、たとえば露点計を用い、計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料である天然ガス１の供給量に応じて流量制御弁１５の開度を制御する手段、すなわち、燃料極排出ガス１０中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料の供給量に応じて燃料極排出ガス１０の改質器２への供給量を制御する流量制御手段を用いても、本実施形態と同様の効果が得られる。この場合にも、制御に必要となる演算をコンピュータに行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。
（実施形態２）
図４は、本発明の燃料電池発電システムの他の一実施形態（これを実施形態２とする）を表すシステム構成図である。図４において、図１と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図４において、４８は水素分離器、５０は一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた水素分離器用改質ガス、５１は水素、５２は水素分離器排出ガス、６７はパージ弁、６８はパージガス、６９は燃料極水素排出ガスである。
図４は、本発明の燃料電池発電システムの他の一実施形態（これを実施形態２とする）を表すシステム構成図である。図４において、図１と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図４において、４８は水素分離器、５０は一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた水素分離器用改質ガス、５１は水素、５２は水素分離器排出ガス、６７はパージ弁、６８はパージガス、６９は燃料極水素排出ガスである。
図４に示した本実施形態は、図１に示した実施形態とは、ＣＯ選択酸化器２１と凝縮器２２の代わりに水素分離器４８を設けた点が異なる。
次に、図４に示した本実施形態の作用について説明する。水素分離器用改質ガス５０は、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器４８に供給し、水素５１を分離する。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器用改質ガス５０の加圧を行う。水素５１は、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６に供給する。水素分離器排出ガス５２は、燃焼器７に供給し、水素分離器排出ガス５２中の未反応燃料及び水素を、ＳＯＦＣスタック３の燃焼用燃料極排出ガス４３中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素とともに、ＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス１２中の酸素と燃焼反応させる。水素分離器４８で分離した水素５１は、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６に供給し、空気中の酸素と電気化学的に反応させることによってＰＥＦＣスタック２３の発電を行う。未反応水素からなるＰＥＦＣスタック２３の燃料極水素排出ガス６９は、ＰＥＦＣスタック２３の発電効率を向上させるために、全てＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６にリサイクルする。しかし、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極水素排出ガス６９中には、水素以外の不純物が若干含まれているので、パージ弁６７を間欠的に開け、パージガス６８を放出する。
図４に示した本実施形態でも、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段６５を用いてＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を測定し、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０が燃料極出口温度で熱力学的な平衡状態であると仮定して、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０、すなわち改質器リサイクルガス１１のガス組成を求める。次に、流量制御弁１４の開度、すなわち、燃料である天然ガス１の供給量と求めた改質器リサイクルガス１１のガス組成から、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比を予め設定された値にするために必要な改質器リサイクルガス１１の供給量を求め、予め設定された改質器リサイクルガス１１の供給量と流量制御弁１５の開度の関係に基づいて、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比が予め設定された値となるように、流量制御弁１５の開度を制御する。このため、発電条件が変化しても、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比を所定の値に制御することができ、スチームカーボン比の低下による改質器２の改質触媒上への炭素析出に起因する性能低下を抑制し、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することが可能である。
上記のように、流量制御弁１５の開度を制御する際には、図３に示した手順に従って、演算を行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。
なお、本実施形態の温度検出手段６５及び流量制御弁開度制御手段７０に代えて、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０中の水蒸気含有率を、たとえば露点計を用い、計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料である天然ガス１の供給量に応じて流量制御弁１５の開度を制御する手段、すなわち、燃料極排出ガス１０中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料の供給量に応じて燃料極排出ガス１０の改質器２への供給量を制御する流量制御手段を用いても、本実施形態と同様の効果が得られる。この場合にも、制御に必要となる演算をコンピュータに行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。
（実施形態３）
図５は、本発明の燃料電池発電システムのその他の一実施形態（これを実施形態３とする）を表すシステム構成図である。図５において、図１及び図４と同一のものは同一符号で表し、これらのものにっいてはその説明を省略する。
図５は、本発明の燃料電池発電システムのその他の一実施形態（これを実施形態３とする）を表すシステム構成図である。図５において、図１及び図４と同一のものは同一符号で表し、これらのものにっいてはその説明を省略する。
図５において、５５はりん酸形燃料電池セルスタック（以下、ＰＡＦＣスタックと略す）用改質ガス、５６はＰＡＦＣスタック、５７はＰＡＦＣスタック５６の空気極、５８はＰＡＦＣスタック５６のりん酸電解質、５９はＰＡＦＣスタック５６の燃料極、６０はＰＡＦＣスタック５６の発電用空気、６１はＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０の供給量を制御する流量制御弁、６２はＰＡＦＣスタック５６の空気極排出ガス、６３はＰＡＦＣスタック５６の燃料極排出ガスである。
図５に示した本実施形態は、図１に示した実施形態１とは、ＣＯ選択酸化器２１と凝縮器２２が不要で、第二の燃料電池セルスタックとしてＰＥＦＣスタック２３の代わりにＰＡＦＣスタック５６を用いる点が異なる。
次に、図５に示した本実施形態の作用について説明する。ＣＯシフトコンバータ２０でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス４４の一部を、ＰＡＦＣスタック用改質ガス５５としてＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９に供給する。一方、ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０をＰＡＦＣスタック５６の空気極５７に供給する。ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０の供給量は、予め設定されたＰＡＦＣスタック５６の発電電流と流量制御弁６１の開度（すなわち、ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁６１の開度を制御することによって、ＰＡＦＣスタック５６の発電電流に見合った値に設定する。ＰＡＦＣスタック５６の発電温度は１９０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９では、白金系電極触媒の働きで、ＰＡＦＣスタック用改質ガス５５に含まれる水素の約８０％が、ＰＥＦＣスタック２３の場合と同様に（９）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９で生成した水素イオンは、りん酸電解質５８の内部を移動し、ＰＡＦＣスタック５６の空気極５７に到達する。一方、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９で生成した電子は、外部回路を移動し、ＰＡＦＣスタック５６の空気極５７に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを発電電力として取り出すことができる。
ＰＡＦＣスタック５６の空気極５７では、白金系電極触媒の働きで、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９からりん酸電解質５８の内部をＰＡＦＣスタック５６の空気極５７まで移動してきた水素イオン、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９から外部回路をＰＡＦＣスタック５６の空気極５７まで移動してきた電子及びＰＡＦＣスタック５６の空気極５７に供給されたＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０中の酸素が、ＰＥＦＣスタック２３の場合と同様に（１０）式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。
（９）式と（１０）式をまとめると、ＰＡＦＣスタック５６の電池反応は、ＰＥＦＣスタック２３の場合と同様に（１１）式に示した水素の電気化学的酸化反応として表すことができる。
ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０は、ＰＡＦＣスタック５６の空気極２４で酸素の一部を（１０）式に示した空気極反応により消費した後に、ＰＡＦＣスタック５６の空気極排出ガス６２として排出する。一方、ＰＡＦＣスタック用改質ガス５５は、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９で水素の約８０％を（９）式に示した燃料極反応により消費した後に、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極排出ガス６３として排出する。ＰＡＦＣスタック５６の燃料極排出ガス６３中の未反応燃料及び未反応水素を、ＳＯＦＣスタック３の燃焼用燃料極排出ガス４３中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素とともに、ＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス１２の酸素と燃焼反応させる。
図５に示した本実施形態でも、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段６５を用いてＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス燃料極出口温度を測定し、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０が燃料極出口温度で熱力学的な平衡状態であると仮定して、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０、すなわち改質器リサイクルガス１１のガス組成を求める。次に、流量制御弁１４の開度、すなわち、燃料である天然ガス１の供給量と求めた改質器リサイクルガス１１のガス組成から、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比を予め設定された値にするために必要な改質器リサイクルガス１１の供給量を求め、予め設定された改質器リサイクルガス１１の供給量と流量制御弁１５の開度の関係に基づいて、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比が予め設定された値となるように、流量制御弁１５の開度を制御する。このため、発電条件が変化しても、改質器リサイクルガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８のスチームカーボン比を所定の値に制御することができ、スチームカーボン比の低下による改質器２の改質触媒上への炭素析出に起因する性能低下を抑制し、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することが可能である。
上記のように、流量制御弁１５の開度を制御する際には、図３に示した手順に従って、演算を行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。
なお、本実施形態の温度検出手段６５及び流量制御弁開度制御手段７０に代えて、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０中の水蒸気含有率を、たとえば露点計を用い、計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料である天然ガス１の供給量に応じて流量制御弁１５の開度を制御する手段、すなわち、燃料極排出ガス１０中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と燃料の供給量に応じて燃料極排出ガス１０の改質器２への供給量を制御する流量制御手段を用いても、本実施形態と同様の効果が得られる。この場合にも、制御に必要となる演算をコンピュータに行わせる制御プログラムを作成し、その制御プログラムをコンピュータに実行させる。また、その制御プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体に記録しておく。
以上に説明したように、本発明の燃料電池発電システムとその燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体を用いれば、発電条件が変化しても、改質器に供給する燃料と水蒸気を含むガスのスチームカーボン比を予め設定した所定の値となるように制御することができ、スチームカーボン比の低下による改質器の改質触媒上への炭素析出に起因する性能低下を抑制し、燃料電池発電システムの発電を安定に継続することが可能である。
１…天然ガス、２…改質器、３…ＳＯＦＣスタック、４…燃料極、５…固体酸化物電解質、６…空気極、７…燃焼器、８…改質器リサイクルガスと脱硫天然ガスの混合ガス、９…改質ガス、１０…燃料極排出ガス、１１…改質器リサイクルガス、１２…空気極排出ガス、１３…燃焼排出ガス、１４…流量制御弁、１５…流量制御弁、１６…ＳＯＦＣスタック用改質ガス、１７…ＣＯシフトコンバータ用改質ガス、１８…流量制御弁、１９…流量制御弁、２０…ＣＯシフトコンバータ、２１…ＣＯ選択酸化器、２２…凝縮器、２３…ＰＥＦＣスタック、２４…空気極、２５…固体高分子電解質、２６…燃料極、２８…一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた改質ガス、２９…一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させた改質ガス、３０…ＣＯ選択酸化器用空気、３１…一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去した改質ガス、３２…ＰＥＦＣスタック２３用空気、３３…空気極排出ガス、３４…燃料極排出ガス、３６…ＳＯＦＣスタック用空気、３７…流量制御弁、３８…脱硫器、３９…脱硫された天然ガス、４０…流量制御弁、４１…流量制御弁、４２…流量制御弁、４３…ＳＯＦＣスタック用燃料極排出ガス、４４…一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた改質ガス、４５…脱硫器リサイクルガス、４６…凝縮水、４８…水素分離器、５０…一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス、５１…水素、５２…水素分離器排出ガス、５５…ＰＡＦＣスタック用改質ガス、５６…ＰＡＦＣスタック、５７…空気極、５８…りん酸電解質、５９…燃料極、６０…ＰＡＦＣスタック用空気、６１…流量制御弁、６２…空気極排出ガス、６３…燃料極排出ガス、６５…温度検出手段、６６…ＳＯＦＣ単セル、６７…パージ弁、６８…パージガス、６９…燃料極水素排出ガス、７０…流量制御弁開度制御手段。
Claims (16)
- 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス中の水蒸気含有率を計測ないしは推定し、それによって得た水蒸気含有率値と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 - 請求項４、５または６に記載の燃料電池発電システムの制御法をコンピュータに実行させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラム。
- 請求項７に記載の燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録したことを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録した記録媒体。
- 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度値と前記燃料の供給量に応じて前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御する流量制御手段とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 - 燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの制御法において、
前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガス燃料極出口温度を検出し、検出された温度において前記燃料極排出ガスが熱力学的な平衡状態にあると仮定して、前記燃料極排出ガスのガス組成を求め、該ガス組成と前記燃料の供給量に基づいて、前記改質器に供給する前記燃料極排出ガス中の水蒸気と前記燃料中の炭素の比率が予め設定した値となるように、前記燃料極排出ガスの前記改質器への供給量を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御法。 - 請求項１２、１３または１４に記載の燃料電池発電システムの制御法をコンピュータに実行させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラム。
- 請求項１５に記載の燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録したことを特徴とする燃料電池発電システムの制御法を実現する制御プログラムを記録した記録媒体。
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