JP2005093346A

JP2005093346A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2005093346A
Application number: JP2003328232A
Authority: JP
Inventors: Junichi Yokoyama; 順一横山; Hiroki Ogawara; 裕記大河原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: JP4610875B2

Abstract

【課題】起動時間の短縮のために改質熱の熱量以上の熱量を改質器に与えても、運転が停止されることを防止するとともに、改質器の各部・触媒などの性能劣化・寿命劣化を防止することができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】水蒸気改質タイプの改質器１１１を起動させる際に、改質器１１１に投入される改質水の流量を調節するための改質水ポンプ１３１を、改質器１１１の余剰熱量の計算値に基づいて、制御装置１１７が操作する。これにより、改質反応を進めるために必要な改質水の水量よりも多い水量を改質器１１１に投入し、その増加水量をもって改質器１１１を冷却して、改質器１１１の各部１２２，１２３，１２４，１２５が設計上限温度を超えることを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水蒸気改質タイプの改質器を有する燃料電池システム（以下、単に「燃料電池システム」という）に関するものである。

先ず、背景技術の燃料電池システムの概略を図１１に基づいて説明する。図１１は、背景技術の燃料電池システムの概略を示すブロック図であるが、説明の便宜上、構成の一部は省略している。図１１に示すように、背景技術の燃料電池システム１０１は、改質器１１１や、蒸発器１１２、ＦＣ１１３、凝縮器１１４、オフガス燃焼器１１５、熱交換器１１６、制御装置１１７などから構成されており、排熱を給湯に利用するコジェネレーションとして定置されるものである。

この点、改質器１１１は、メタン・プロパン等の改質燃料を水蒸気と反応させて、水素リッチな改質ガスを製造する水蒸気改質タイプのものであり、改質部１２２や、熱交換部１２３、ＣＯシフト部１２４、ＣＯ選択酸化部１２５などから構成され、さらに、改質反応を進めるために必要な改質熱を発生させる燃焼部１２１が付設されている。

また、蒸発器１１２は、改質器１１１に投入される水蒸気を製造するものであり、ここでは、改質器１１１の燃焼部１２１の排気ガスを熱源として、改質水から水蒸気を製造している。

また、ＦＣ１１３は、改質器１１１で製造された改質ガス中の水素に対して、空気中の酸素を電気化学的に反応させる燃料電池本体であり、これにより、発電が行われる。

また、凝縮器１１４は、配管１５２を流れる冷却水により、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガス又は、改質器１１１で製造された改質ガスから熱を取り出すものであり、これにより、オフガス又は改質ガスに含まれる水蒸気を低減させることができる。尚、凝縮器１１４を通過して高温となった冷却水は、配管１５２を介して、図示しない貯湯槽に向かう。

また、オフガス燃焼器１１５は、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガス又は、改質器１１１で製造された改質ガスを燃焼するための機器である。

また、熱交換器１１６は、配管１５１を流れる冷却水により、オフガス燃焼器１１５の排気ガスから熱を取り出すものである。尚、熱交換器１１６を通過して高温となった冷却水は、配管１５１を介して、ＦＣ１１３の暖機に使用される。また、この冷却水の熱を利用して、図示しない貯湯槽内の水が暖められる。

また、制御装置１１７は、背景技術の燃料電池システム１０１を操作するものである。図１１では、制御装置１１７に対して、蒸発器１１２に改質水を供給するための改質水ポンプ１３１や、改質器１１１に改質原料を供給するための改質原料ポンプ１３２、改質器１１１の燃焼部１２１に燃焼原料を供給するための燃焼原料ポンプ１３２が接続されており、それらのポンプ１３１，１３２，１３３を操作することにより、各供給量を制御することができる。さらに、図１１では、制御装置１１７に対して、改質器１１１からＦＣ１１３に向かう配管に設けられた開閉弁１４１や、改質器１１１から凝縮器１１４に向かう配管に設けられた開閉弁１４２、ＦＣ１１３の出口に設けられた開閉弁１４５、凝縮器１１４から改質器１１１の燃焼部１２１に向かう配管に設けられた開閉弁１４３、凝縮器１１４からオフガス燃焼器１２５に向かう配管に設けられた開閉弁１４４が接続されており、それらの開閉弁１４１，１４２，１４３，１４４，１４５の開閉を操作することにより、改質ガス又はオフガスの流れを制御することができる。尚、制御装置１１７には、上述したポンプ１３１，１３２，１３３や開閉弁１４１，１４２，１４３，１４４，１４５以外の操作要素や、検出要素なども接続されており、背景技術の燃料電池システム１０１におけるプロセス制御を構築している。

そして、背景技術の燃料電池システム１０１においては、起動時では、改質器１１１の燃焼部１２１に対して、燃焼エアが供給されるとともに、燃焼原料ポンプ１３２で燃焼原料が供給されることにより、改質器１１１の暖機が行われる。このとき、改質器１１１の燃焼部１２１の排気ガスは、蒸発器１１２を通過して排気される。従って、改質水ポンプ１３１により供給された改質水は、蒸発器１１２で排気ガスから熱を奪って蒸気となり、さらに、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料とともに改質器１１１に投入されることによって、改質ガスとなる。尚、改質ガスに含まれる一酸化炭素は、シフト部１２４で低減の後、ＣＯ浄化エアが混合させられることにより、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５で酸化され、その濃度は所定値にまで下げられる。また、起動時では、図１２に示すように、開閉弁１４１，１４５が閉じられる一方で開閉弁１４２が開けられ、開閉弁１４３が閉じられる一方で開閉弁１４４が開けられる。従って、改質器１１１で製造された改質ガスは、ＦＣ１１３を通過することなく、開閉弁１４２を介して、凝縮器１１４を通過し、さらに、改質器１１１の燃焼部１２１に向かうことなく、開閉弁１４４を介し、オフガス燃焼器１１５に送られて燃焼される。そして、オフガス燃焼器１１５の排気ガスは、熱交換器１１６を通過して排気される。このとき、熱交換器１１６では、配管１５１を流れる冷却水により、オフガス燃焼器１１５の排気ガスから熱が取り出されるので、熱交換器１１６を通過して高温となった冷却水は、配管１５１を介して、ＦＣ１１３を通過することにより、ＦＣ１１３の暖機に使用することができる。

その後、背景技術の燃料電池システム１０１においては、改質器１１１の暖機が完了すると、図１３に示すように、開閉弁１４１，１４５が開けられる一方で開閉弁１４２が閉じられて、改質器１１１で製造された改質ガスがＦＣ１１３を通過することにより、発電が開始される。このとき、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガスは、凝縮器１１４を通過し、さらに、改質器１１１の燃焼部１２１に向かうことなく、開閉弁１４４を介し、オフガス燃焼器１１５に送られて燃焼される。そして、オフガス燃焼器１１５の排気ガスは、熱交換器１１６を通過して排気される。

さらに、背景技術の燃料電池システム１０１においては、発電時には、図１４に示すように、開閉弁１４３が開けられる一方で開閉弁１４４が閉じられる。このとき、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガスは、オフガス燃焼器１１５に向かうことなく、開閉弁１４３を介し、改質器１１１の燃焼部１２１に送られて燃焼される。

そして、背景技術の燃料電池システム１０１において、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量は、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料の投入量に基づいて決定されており、これにより、改質器１１１における適切な改質反応・熱交換を得ている。また、燃焼原料ポンプ１３２で供給される燃焼原料の投入量も、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料の投入量に基づいて決定されており、これにより、改質器１１１の改質部１２２や、熱交換部１２３、ＣＯシフト部１２４、ＣＯ選択酸化部１２５などの各部の熱バランスが保たれるように設計されている。従って、起動時間を短縮するために、改質器１１１の燃焼部１２１によって、改質反応を進めるために必要な改質熱以上の熱量を改質器１１１に与えると、後述する「発明が解決しようとする課題」の欄で指摘するように、安定した運転の実現を妨げる要因になるおそれがあった。

尚、起動時における種々の課題に対する解決手段に関して言えば、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを組み合わせたオートサーマル方式についてであるが、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されている。
特開２００１−８９１０６号公報特開２００１−１５８６０１号公報

すなわち、背景技術の燃料電池システム１０１において、起動時間を短縮するために、改質器１１１の燃焼部１２１によって、改質反応を進めるために必要な改質熱以上の熱量を改質器１１１に与えると、改質器１１１内の触媒又は、改質部１２２や、熱交換部１２３、ＣＯシフト部１２４、ＣＯ選択酸化部１２５などの改質器１１１の一部の温度が使用範囲より高温になって、安定した起動シーケンスを進めることが困難となり、場合によっては、運転を継続できなくなることがあった。

また、運転を継続することができたとしても、設計値よりも余剰な熱量を改質器１１１に与えることになるため、改質器１１１内の触媒及び、改質部１２２や、熱交換部１２３、ＣＯシフト部１２４、ＣＯ選択酸化部１２５などの改質器１１１の各部の劣化を招いて、各部の寿命の低下につながり、さらに、各部の熱バランスを保つことができず、改質器１１１で製造される改質ガスの成分も不安定になることから、オフガス燃焼器１１５で燃焼処理する際に燃焼状態が不安定になることがあった。

そこで、本発明は、上述した点を鑑みてなされたものであり、起動時間の短縮のために改質熱の熱量以上の熱量を改質器に与えても、運転が停止されることを防止するとともに、改質器の各部・触媒などの性能劣化・寿命劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

この課題を解決するために成された請求項１に係る発明は、水蒸気改質タイプの改質器と、前記改質器に投入される改質水の流量調節手段と、前記流量調節手段を操作する制御装置と、を有する燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記改質器の余剰熱量の計算値に基づいて、前記流量調節手段を操作することにより、前記改質器を起動させること、を特徴としている。

ここで、流量調節手段には、例えば、ポンプや、バルブなどがある。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載する燃料電池システムであって、前記改質器の局所温度を測定する温度測定手段を備え、前記制御装置は、前記温度測定手段の測定結果にも基づいて、前記流量調節手段を操作することにより、前記改質器を起動させること、を特徴としている。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載する燃料電池システムであって、前記改質器で発生した改質ガス中の水蒸気を低減するための水蒸気低減器を備えたこと、を特徴としている。

ここで、水蒸気低減器には、例えば、凝縮器や、中空糸を使用した機器などがある。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載する燃料電池システムであって、前記改質器で発生した改質ガスは前記改質器の燃焼部のみで燃焼されること、を特徴としている。

尚、改質器の余剰熱量とは、改質器における燃焼熱量から、改質反応を進めるために必要な改質熱の熱量を引いた熱量をいい、計算により求められるものである。

すなわち、本発明の燃料電池システムでは、改質器を起動させる際に、改質器に投入される改質水の流量調節手段を、水蒸気改質タイプの改質器の余剰熱量の計算値に基づいて、制御装置が操作しており、これにより、改質反応を進めるために必要な改質水の水量よりも多い水量を改質器に投入し、その増加水量をもって改質器を冷却して、改質器の各部が設計上限温度を超えることを防止できるので、起動時間の短縮のために改質熱以上の熱量を改質器に与えても、運転が停止されることを防止するとともに、改質器の各部・触媒などの性能劣化・寿命劣化を防止することができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、改質器の局所温度を測定する温度測定手段の測定結果にも基づいて、制御装置が流量調節手段を操作すれば、余剰熱量の実際の値と余剰熱量の計算値との間に差が生じても、改質水の増加水量を適切な量にすることができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、改質反応を進めるために必要な改質水の水量よりも多い水量が改質器に投入されるため、改質器で製造された改質ガスには、通常よりも多くの水蒸気を含むことになるが、改質器で発生した改質ガス中の水蒸気を低減するための水蒸気低減器を備えていれば、改質器で製造された改質ガスに含まれる水蒸気量を通常の量に低減させることができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、改質器で発生した改質ガスが改質器の燃焼部のみで燃焼される場合には、改質器を起動させる際に、改質器に多くの余剰熱量が発生しやすいので、上述した効果をより発揮することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は、第１実施の形態の燃料電池システムの概略を示したブロック図である。図１に示すように、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａは、「背景技術」の欄で説明した背景技術の燃料電池システム１０１（図１１乃至図１４参照）を改良したものであるので、背景技術の燃料電池システム１０１（図１１乃至図１４参照）と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に説明する。

すなわち、背景技術の燃料電池システム１０１（図１１乃至図１４参照）に対して、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａは、図１に示すように、改質原料ポンプ１３２と改質器１１１との間に設けられた第１流量センサ１１と、燃焼原料ポンプ１３３と改質器１１１との間に設けられた第２流量センサ１２と、凝縮器１１４の入口側に設けられた水素濃度センサ１３と、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５に設けられた温度センサ１４とが増設されており、各センサ１１，１２，１３，１４は制御装置１１７に接続されている。また、開閉弁１４１の手前に設けられた凝縮器１１８が増設されている。

この点、第１流量センサ１１は、改質器１１１に投入される改質原料の実流量を測定するものである。また、第２流量センサ１２は、改質器１１１の燃焼部１２１に投入される燃焼原料の実流量を測定するものである。また、水素濃度センサ１３は、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガス又は、改質器１１１で製造された改質ガスの水素濃度を測定するものである。また、温度センサ１４は、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度を測定するものである。

また、凝縮器１１８は、発電時においてＦＣ１１３に供給するために必要な水蒸気量以上の水蒸気を除去し改質ガス中の水蒸気を低減するものである。これにより、必要量以上の水蒸気がＦＣ１１３に供給されないので、いわゆるＦＣ１１３内のフラッディングを防止できる。

そして、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａでは、図２乃至図４に示されたフローチャートのいずれかを制御装置１１７が実行することにより、システムの起動が行われる。尚、図２乃至図４に示されたフローチャートのいずれか一つを実行するプログラムは、制御装置１１７の不揮発メモリに記憶される。

ここで、図２に示すフローチャートについて説明すると、先ず、Ｓ１１において、システムの起動が開始される。このとき、開閉弁１４１，１４２，１４３，１４４，１４５は、開閉弁１４１，１４５が閉じられる一方で開閉弁１４２が開けられ、開閉弁１４３が閉じられる一方で開閉弁１４４が開けられる（図１２参照）。また、改質器１１１の燃焼部１２１に対して、燃焼原料ポンプ１３２により燃焼原料が投入されるとともに、図示しないポンプ等により燃焼エアが投入される。次のＳ１２では、改質原料及び改質水が投入される。具体的には、改質器１１１に対して、改質原料ポンプ１３２により改質原料が投入されるとともに、改質水ポンプ１３１により蒸発器１１２を介して改質水が投入される。

このとき、「背景技術」の欄で説明したように、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量は、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料の投入量に基づいて決定され、また、燃焼原料ポンプ１３２で供給される燃焼原料の投入量も、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料の投入量に基づいて決定される。

次のＳ１３では、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminから最大規定値Ｔmaxの範囲外であるか否かを判断する。ここで、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔは温度センサ１４で測定される。このとき、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminから最大規定値Ｔmaxの範囲外であると判断する場合には（Ｓ１３：ＹＥＳ）、Ｓ１４に進んで、改質水流量制御を行う。ここで、起動を開始してから所定温度Ｔ₀までの昇温途中は、Ｓ１４を実行しないシーケンスとしてもよい。例えば、起動から予め決められた所定時間はＳ１４を実行しない、あるいは、温度が最小規定値Ｔmin（又は所定温度Ｔ₀）以上に上昇するまでＳ１４を実行せず、温度がいちど最小規定値Ｔmin（又は所定温度Ｔ₀）以上になった時点からＳ１４を実行してもよい。

ここで、Ｓ１４の改質水流量制御とは、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を調節する制御をいい、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminより小さい場合には、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を所定量少なくして供給する一方、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最大規定値Ｔmaxより大きい場合には、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を所定量多くして供給する。

そして、Ｓ１４の改質水流量制御を行った後は、Ｓ１５に進む。また、上述したＳ１３において、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminから最大規定値Ｔmaxの範囲外であると判断しない場合にも（Ｓ１３：ＮＯ）、Ｓ１５に進む。このＳ１５では、システムの起動が完了したか否かを判断する。この判断は、最適な発電が行われることを確保するために行われるものであり、具体的には、改質器１１１の温度とＦＣ１１３の温度に基づいて判断される。尚、ＦＣ１１３の温度は、図示しない温度センサにより測定される。このとき、システムの起動が完了したと判断しない場合には（Ｓ１５：ＮＯ）、Ｓ１３に戻って、上述した処理を繰り返す。一方、システムの起動が完了したと判断する場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、発電を開始するシーケンスに進んでいく。

次に、図３に示すフローチャートについて説明すると、先ず、Ｓ２１において、システムの起動が開始される。このとき、開閉弁１４１，１４２，１４３，１４４，１４５は、開閉弁１４１，１４５が閉じられる一方で開閉弁１４２が開けられ、開閉弁１４３が閉じられる一方で開閉弁１４４が開けられる（図１２参照）。また、改質器１１１の燃焼部１２１に対して、燃焼原料ポンプ１３２により燃焼原料が投入されるとともに、図示しないポンプにより燃焼エアが投入される。次のＳ２２では、改質原料及び改質水が投入される。具体的には、改質器１１１に対して、改質原料ポンプ１３２により改質原料が投入されるとともに、改質水ポンプ１３１により蒸発器１１２を介して改質水が投入される。

次のＳ２３では、余剰熱量Ｑの演算を行う。ここで、余剰熱量Ｑとは、改質器１１１における燃焼熱量から、改質反応を進めるために必要な改質熱の熱量（以下、「改質熱量」という）を引いた熱量をいい、下記の４つの計算方法のいずれかにより求められる。
（１）第１の計算方法は、第１流量センサ１１で測定された改質原料の実流量と第２流量センサ１２で測定された燃焼原料の実流量から計算する方法である。
（２）第２の計算方法は、改質原料ポンプ１３２への改質原料の指示量と燃焼原料ポンプ１３３への燃焼原料の指示量から計算する方法である。
（３）第３の計算方法は、第１流量センサ１１で測定された改質原料の実流量と第２流量センサ１２で測定された燃焼原料の実流量に水素濃度センサ１３の測定値も加えて計算する方法である。
（４）第４の計算方法は、改質原料ポンプ１３２への改質原料の指示量と燃焼原料ポンプ１３３への燃焼原料の指示量に水素濃度センサ１３の測定値も加えて計算する方法である。

そして、上記の４つの計算方法のいずれかにより余剰熱量Ｑを求めた後は、Ｓ２４に進んで、余剰熱量Ｑが「０」より大きいか否かを判断する。このとき、余剰熱量Ｑが「０」より大きいと判断する場合には（Ｓ２４：ＹＥＳ）、Ｓ２５に進んで、改質水流量制御を行う。

ここで、Ｓ２５の改質水流量制御とは、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を調節する制御をいい、図６の制御マップに基づいて行われる。すなわち、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量は、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料の投入量に基づいて決定された水量に加えて、図６に示すように、余剰熱量Ｑに一定の割合で比例する水量が加算されて投入される。尚、図６の制御マップは、制御装置１１７の不揮発メモリに記憶される。

そして、図３に戻り、Ｓ２５の改質水流量制御を行った後は、Ｓ２６に進む。また、上述したＳ２４において、余剰熱量Ｑが「０」より大きいと判断しない場合にも（Ｓ２４：ＮＯ）、Ｓ２６に進む。このＳ２６では、システムの起動が完了したか否かを判断する。この判断は、最適な発電が行われることを確保するために行われるものであり、具体的には、改質器１１１の温度とＦＣ１１３の温度に基づいて判断される。尚、ＦＣ１１３の温度は、図示しない温度センサにより測定される。このとき、システムの起動が完了したと判断しない場合には（Ｓ２６：ＮＯ）、Ｓ２６自身に戻って、この判断を繰り返す。一方、システムの起動が完了したと判断する場合には（Ｓ２６：ＹＥＳ）、発電を開始するシーケンスに進んでいく。

次に、図４に示すフローチャートについて説明すると、先ず、Ｓ３１において、システムの起動が開始される。このとき、開閉弁１４１，１４２，１４３，１４４，１４５は、開閉弁１４１，１４５が閉じられる一方で開閉弁１４２が開けられ、開閉弁１４３が閉じられる一方で開閉弁１４４が開けられる（図１２参照）。また、改質器１１１の燃焼部１２１に対して、燃焼原料ポンプ１３２により燃焼原料が投入されるとともに、図示しないポンプにより燃焼エアが投入される。次のＳ３２では、改質原料及び改質水が投入される。具体的には、改質器１１１に対して、改質原料ポンプ１３２により改質原料が投入されるとともに、改質水ポンプ１３１により蒸発器１１２を介して改質水が投入される。

次のＳ３３では、余剰熱量Ｑの演算を行う。ここで、余剰熱量Ｑとは、図３のＳ２３で説明したものと同様であり、改質器１１１における燃焼熱量から改質熱量を引いた熱量をいい、下記の４つの計算方法のいずれかにより求められる。
（１）第１の計算方法は、第１流量センサ１１で測定された改質原料の実流量と第２流量センサ１２で測定された燃焼原料の実流量から計算する方法である。
（２）第２の計算方法は、改質原料ポンプ１３２への改質原料の指示量と燃焼原料ポンプ１３３への燃焼原料の指示量から計算する方法である。
（３）第３の計算方法は、第１流量センサ１１で測定された改質原料の実流量と第２流量センサ１２で測定された燃焼原料の実流量に水素濃度センサ１３の測定値も加えて計算する方法である。
（４）第４の計算方法は、改質原料ポンプ１３２への改質原料の指示量と燃焼原料ポンプ１３３への燃焼原料の指示量に水素濃度センサ１３の測定値も加えて計算する方法である。

そして、図４に戻り、上記の４つの計算方法のいずれかにより余剰熱量Ｑを求めた後は、Ｓ３４に進んで、余剰熱量Ｑが「０」より大きいか否かを判断する。このとき、余剰熱量Ｑが「０」より大きいと判断する場合には（Ｓ３４：ＹＥＳ）、Ｓ３５に進んで、改質水流量制御を行う。

ここで、Ｓ３５の改質水流量制御とは、図３のＳ２５で説明したものと同様であり、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を調節する制御をいい、図６の制御マップに基づいて行われる。すなわち、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量は、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料の投入量に基づいて決定された水量に加えて、図６に示すように、余剰熱量Ｑに一定の割合で比例する水量が加算されて投入される。尚、図６の制御マップは、制御装置１１７の不揮発メモリに記憶される。

そして、図４に戻り、Ｓ３５の改質水流量制御を行った後は、Ｓ３６に進む。また、上述したＳ３４において、余剰熱量Ｑが「０」より大きいと判断しない場合にも（Ｓ３４：ＮＯ）、Ｓ３６に進む。

このＳ３６では、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminから最大規定値Ｔmaxの範囲外であるか否かを判断する。ここで、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔは温度センサ１４で測定される。このとき、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminから最大規定値Ｔmaxの範囲外であると判断する場合には（Ｓ３６：ＹＥＳ）、Ｓ３７に進んで、改質水流量制御を行う。ここで、起動を開始してから所定温度Ｔ₀までの昇温途中は、Ｓ３７を実行しないシーケンスとしてもよい。例えば、起動から予め決められた所定時間はＳ３７を実行しない、あるいは、温度が最小規定値Ｔmin（又は所定温度Ｔ₀）以上に上昇するまでＳ３７を実行せず、温度がいちど最小規定値Ｔmin（又は所定温度Ｔ₀）以上になった時点からＳ３７を実行してもよい。

ここで、Ｓ３７の改質水流量制御とは、図２のＳ１４で説明したものと同様であり、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を調節する制御をいい、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminより小さい場合には、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を所定量少なくして供給する一方、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最大規定値Ｔmaxより大きい場合には、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を所定量多くして供給する。

そして、図４に戻り、Ｓ３７の改質水流量制御を行った後は、Ｓ３８に進む。また、上述したＳ３６において、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminから最大規定値Ｔmaxの範囲外であると判断しない場合にも（Ｓ３６：ＮＯ）、Ｓ３８に進む。このＳ３８では、システムの起動が完了したか否かを判断する。この判断は、最適な発電が行われることを確保するために行われるものであり、具体的には、改質器１１１の温度とＦＣ１１３の温度に基づいて判断される。尚、ＦＣ１１３の温度は、図示しない温度センサにより測定される。このとき、システムの起動が完了したと判断しない場合には（Ｓ３８：ＮＯ）、Ｓ３６に戻って、上述した処理を繰り返す。一方、システムの起動が完了したと判断する場合には（Ｓ３８：ＹＥＳ）、発電を開始するシーケンスに進んでいく。

また、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａでは、図５に示されたフローチャートを制御装置１１７が実行することにより、システムの発電が開始される。尚、図５に示されたフローチャートを実行するプログラムは、制御装置１１７の不揮発メモリに記憶される。

ここで、図５に示すフローチャートについて説明すると、先ず、Ｓ４１において、上述した図２乃至図４に示すフローチャートによりシステムの起動が開始・完了すると、図５に戻り、Ｓ４２において、システムの発電が開始される。このとき、開閉弁１４１，１４２，１４３，１４４，１４５は、開閉弁１４１，１４５が開けられる一方で開閉弁１４２が閉じられ（図１３参照）、開閉弁１４３が開けられる一方で開閉弁１４４が閉じられる（図１４参照）。

このとき、上述した起動時から継続して、改質器１１１の燃焼部１２１に対し、燃焼原料ポンプ１３２により燃焼原料が投入されるとともに、図示しないポンプにより燃焼エアが投入されるが、さらに、改質器１１１で製造された改質ガス又は、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガスが、開閉弁１４３を介して、改質器１１１の燃焼部１２１に対して投入される。また、上述した起動時と同様にして、改質器１１１に対して、改質原料ポンプ１３２により改質原料が投入されるとともに、改質水ポンプ１３１により蒸発器１１２を介して改質水が投入される。尚、各投入量は、起動時とは異なるが、この点は、後述する図７を説明する際に言及する。

そして、次のＳ４３では、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminから最大規定値Ｔmaxの範囲外であるか否かを判断する。ここで、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔは温度センサ１４で測定される。このとき、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminから最大規定値Ｔmaxの範囲外であると判断する場合には（Ｓ４３：ＹＥＳ）、Ｓ４４に進んで、改質水流量制御を行う。

ここで、Ｓ４４の改質水流量制御とは、図２のＳ１４と図４のＳ３６で説明したものと同様であり、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を調節する制御をいい、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminより小さい場合には、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を所定量少なくして供給する一方、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最大規定値Ｔmaxより大きい場合には、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を所定量多くして供給する。

そして、図５に戻り、Ｓ４４の改質水流量制御を行った後は、Ｓ４３に戻って、上述した処理を繰り返す。また、上述したＳ４３において、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminから最大規定値Ｔmaxの範囲外であると判断しない場合にも（Ｓ４３：ＮＯ）、Ｓ４３に戻って、上述した処理を繰り返す。

以上より、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａにおいて、図２乃至図４に示されたフローチャートのいずれかを制御装置１１７が実行することにより、システムの起動が行われ、さらに、引き続いて、図５に示されたフローチャートを制御装置１１７が実行することにより、システムの発電が開始されると、改質水の水量及び「Ｓ／Ｃ（スチーム・カーボン比）」の時間的変動は、例えば、図７に示すようになる。

ここで、「Ｓ／Ｃ」は、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料の投入量に対する改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量の割合をいう。また、図７の実線は第１実施の形態の燃料電池システム１Ａ（図１参照）を示し、図７の点線は背景技術の燃料電池システム１０１（図１１乃至図１４参照）を示す。図７で示された例では、背景技術の燃料電池システム１０１（図１１乃至図１４参照）と比較して、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａ（図１参照）では、起動時の直後から定格発電の直前に渡って、改質水の水量及び「Ｓ／Ｃ」がともに大きい。これは、システムの起動が行われた際に、改質水流量制御（少なくとも、図２のＳ１４、図３のＳ２５、図４のＳ３５，Ｓ３７のいずれか一つ）が行われたことによって、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量が、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料の投入量に基づいて決定された水量に加えて、さらに、水量が加算されて投入されためである。

尚、図２のＳ１４及び／又は図４のＳ３７の改質水流量制御のみが行われた場合において、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminより小さいときには、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を所定量少なくして供給するので、このようなケースでは、図７とは異なり、背景技術の燃料電池システム１０１（図１１乃至図１４参照）と比較して、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａ（図１参照）では、起動時の直後から定格発電の直前に渡って、改質水の水量及び「Ｓ／Ｃ」がともに小さくなる。

また、図７で示された例では、背景技術の燃料電池システム１０１（図１１乃至図１４参照）と比較して、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａ（図１参照）では、定格発電の全般に渡って、改質水の水量及び「Ｓ／Ｃ」がともに一致する。これは、システムの発電が行われた際に、改質水流量制御（図５のＳ４４）が行われなかったことにある。従って、システムの発電が行われた際に、改質水流量制御（図５のＳ４４）が行われると、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔmaxより大きいときには、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を所定量多くして供給するとともに、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度Ｔが最小規定値Ｔminより小さいときには、改質水ポンプ１３１により供給される改質水の投入量を所定量少なくして供給するので、このようなケースでは、図７とは異なり、背景技術の燃料電池システム１０１（図１１乃至図１４参照）と比較して、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａ（図１参照）では、起動時の直後から定格発電の直前に渡って、改質水の水量及び「Ｓ／Ｃ」はともに大きくなったり小さくなったりする。

以上詳細に説明したように、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａでは、図３又は図４に示されたフローチャートのいずれかを制御装置１１７が実行すると、改質器１１１を起動させる際に、改質器１１１に投入される改質水の流量を調節する改質水ポンプ１３１を、水蒸気改質タイプの改質器１１１の余剰熱量Ｑの計算値に基づいて（図３のＳ２３、図４のＳ３３）、制御装置１１７が操作しており（図３のＳ２５、図４のＳ３５）、これにより、改質反応を進めるために必要な改質水の水量よりも多い水量を改質器１１１に投入し、その増加水量をもって改質器１１１を冷却して、改質器１１１の各部１２２，１２３，１２４，１２５が設計上限温度を超えることを防止できる。従って、起動時間の短縮のために、燃焼原料ポンプ１３２で供給される燃焼原料の投入量等を増加させて、改質熱量以上の熱量を改質器１１１に与えても、運転が停止されることを防止するとともに、改質器１１１の各部１２２，１２３，１２４，１２５・や改質器１１１内の触媒などの性能劣化・寿命劣化を防止することができる。

また、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａでは、図４に示されたフローチャートを制御装置１１７が実行すると、改質器１１１を起動させる際に、改質器１１１に投入される改質水の流量を調節する改質水ポンプ１３１が、水蒸気改質タイプの改質器１１１の余剰熱量Ｑの計算値に基づいて（図４のＳ３３）、制御装置１１７が操作するとともに（図４のＳ３５）、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度を測定する温度センサ１４の測定結果にも基づいて（図４のＳ３６）、制御装置１１７が操作するので（図４のＳ３７）、余剰熱量Ｑの実際の値と余剰熱量Ｑの計算値との間に差が生じても、改質水の増加水量を適切な量にすることができる。

尚、余剰熱量Ｑの計算値は、上述した第１乃至第４の計算方法のいずれかで求められる。この点、第３及び第４の計算方法は、第１及び第２の計算方法に比べて精度がよいが、いずれの計算方法でも、余剰熱量Ｑは演算により求められるため、余剰熱量Ｑの実際の値と余剰熱量Ｑの計算値との間に差が生じることが多い。従って、改質器１１１を起動させる際に、改質器１１１に投入される改質水の流量を調節する改質水ポンプ１３１を、水蒸気改質タイプの改質器１１１の余剰熱量Ｑの計算値に基づいて（図４のＳ３３）、制御装置１１７が操作するとともに（図４のＳ３５）、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度を測定する温度センサ１４の測定結果にも基づいて（図４のＳ３６）、制御装置１１７が操作することは（図４のＳ３７）、改質水の増加水量を適切な量に修正する点で大変に有意義である。

また、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａでは、図２乃至図５に示されたフローチャートのいずれかを制御装置１１７が実行し、改質水流量制御（図２のＳ１４、図３のＳ２５、図４のＳ３５，Ｓ３７、図５の４４）が行われると、改質反応を進めるために必要な改質水の水量よりも多い水量が改質器１１１に投入されるケースが多く、このケースでは、改質器１１１で製造された改質ガスには、通常よりも多くの水蒸気を含むことになる。

しかしながら、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａでは、図１に示すように、改質器１１１で製造された改質ガス中の水蒸気を低減させるための凝縮器１１８を備えているので、凝縮器１１８をより働かせれば、改質器１１１で製造された改質ガスに含まれる水蒸気量を通常の量に低減させることができる。これにより、発電時に必要量以上の水蒸気がＦＣ１１３に供給されないので、いわゆるＦＣ１１３内のフラッディングを防止でき、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａの安定した運転に役立つことができる。

また、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａでは、図１に示すように、改質器１１１で製造された改質ガス又は、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガス中の水蒸気を低減するための凝縮器１１４を備えているので、凝縮器１１４をより働かせれば、改質器１１１で製造された改質ガス又は、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガスに含まれる水蒸気量を通常の量に低減させることができる。これにより、凝縮器１１４から改質器１１１の燃焼部１２１に至るまでの配管又は、凝縮器１１４からオフガス燃焼器１１５に至るまでの配管において、水蒸気が凝縮することを防ぐことができ、もって、改質器１１１の燃焼部１２１又はオフガス燃焼器１１５における燃焼が安定し、あるいは、改質器１１１の燃焼部１２１又はオフガス燃焼器１１５の着火不良を防止することができ、第１実施の形態の燃料電池システム１Ａの安定した運転に役立つことができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、図１に示す第１実施の形態の燃料電池システム１Ａを改良し、図８に示す第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂにしても、同様な効果を得ることができる。この点、図８に示す第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂは、図１に示す第１実施の形態の燃料電池システム１Ａと比較して、開閉弁１４３，１４４や、オフガス燃焼器１１５、熱交換器１１６、配管１５１が削除されている（図８と図１を比較参照）。

そして、システムの起動時では、図９に示すように、開閉弁１４１，１４５が閉じられる一方で開閉弁１４２が開けられ、改質器１１１で製造された改質ガスが、凝縮器１１４を介して、改質器１１１の燃焼部１２１に投入され、システムの発電時では、図１０に示すように、開閉弁１４１，１４５が開けられる一方で開閉弁１４２が閉じられ、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガスが、凝縮器１１４を介して、改質器１１１の燃焼部１２１に投入される。

すなわち、第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでも、図３又は図４に示されたフローチャートのいずれかを制御装置１１７が実行すると、改質器１１１を起動させる際に、改質器１１１に投入される改質水の流量を調節する改質水ポンプ１３１を、水蒸気改質タイプの改質器１１１の余剰熱量Ｑの計算値に基づいて（図３のＳ２３、図４のＳ３３）、制御装置１１７が操作しており（図３のＳ２５、図４のＳ３５）、これにより、改質反応を進めるために必要な改質水の水量よりも多い水量を改質器１１１に投入し、その増加水量をもって改質器１１１を冷却して、改質器１１１の各部１２２，１２３，１２４，１２５が設計上限温度を超えることを防止できる。従って、起動時間の短縮のために、燃焼原料ポンプ１３２で供給される燃焼原料の投入量等を増加させて、改質熱量以上の熱量を改質器１１１に与えても、運転が停止されることを防止するとともに、改質器１１１の各部１２２，１２３，１２４，１２５・や改質器１１１内の触媒などの性能劣化・寿命劣化を防止することができる。

また、第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでも、図４に示されたフローチャートを制御装置１１７が実行すると、改質器１１１を起動させる際に、改質器１１１に投入される改質水の流量を調節する改質水ポンプ１３１が、水蒸気改質タイプの改質器１１１の余剰熱量Ｑの計算値に基づいて（図４のＳ３３）、制御装置１１７が操作するとともに（図４のＳ３５）、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度を測定する温度センサ１４の測定結果にも基づいて（図４のＳ３６）、制御装置１１７が操作するので（図４のＳ３７）、余剰熱量Ｑの実際の値と余剰熱量Ｑの計算値との間に差が生じても、改質水の増加水量を適切な量にすることができる。

また、第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでも、図２乃至図５に示されたフローチャートのいずれかを制御装置１１７が実行し、改質水流量制御（図２のＳ１４、図３のＳ２５、図４のＳ３５，Ｓ３７、図５の４４）が行われると、改質反応を進めるために必要な改質水の水量よりも多い水量が改質器１１１に投入されるケースが多く、このケースでは、改質器１１１で製造された改質ガスには、通常よりも多くの水蒸気を含むことになる。

しかしながら、第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでは、図８乃至図１０に示すように、改質器１１１で製造された改質ガス中の水蒸気を低減させるための凝縮器１１８を備えているので、凝縮器１１８をより働かせれば、改質器１１１で製造された改質ガスに含まれる水蒸気量を通常の量に低減させることができる。これにより、発電時に必要量以上の水蒸気がＦＣ１１３に供給されないので、いわゆるＦＣ１１３内のフラッディングを防止でき、第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂの安定した運転に役立つことができる。

また、第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでも、図８乃至図１０に示すように、改質器１１１で製造された改質ガス又は、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガス中の水蒸気を低減するための凝縮器１１４を備えているので、凝縮器１１４をより働かせれば、改質器１１１で製造された改質ガス又は、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガスに含まれる水蒸気量を通常の量に低減させることができる。これにより、凝縮器１１４から改質器１１１の燃焼部１２１に至るまでの配管において、水蒸気が凝縮することを防ぐことができ、もって、改質器１１１の燃焼部１２１における燃焼が安定し、あるいは、改質器１１１の燃焼部１２１の着火不良を防止ずることができ、第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂの安定した運転に役立つことができる。

また、第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでは、改質器１１１で製造された改質ガス又は、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガスが改質器１１１の燃焼部１２１のみで燃焼される。従って、改質器１１１を起動させる際には、改質器１１１の燃焼部１２１に対し、改質原料ポンプ１３２で供給される改質原料の投入量に基づいて投入量が決定される燃焼原料に加え、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガスも投入され、改質器１１１に多くの余剰熱量Ｑが発生しやすい状態にあるので、上述した効果をより発揮することができる。

また、図８に示す第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでは、図１に示す第１実施の形態の燃料電池システム１Ａと比較して、オフガス燃焼器１１５が削除されており（図８と図１を比較参照）、システムの起動時において、改質器１１１で製造された改質ガスは改質器１１１の燃焼部１２１で燃焼され、システムの発電時においても、ＦＣ１１３で使い残した水素を含むオフガスは改質器１１１の燃焼部１２１で燃焼される。これにより、図８に示す第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでは、システムの簡素化が実現され、システムの起動時において、改質器１１１で製造された改質ガスを改質器１１１の暖機に使用される構成になっている。すなわち、図８に示す第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでは、オフガス燃焼器１１５（図１参照）が削除されており、コスト低減・システムの小型化・オフガス燃焼器１１５（図１参照）に関連する機器の消費電力の節約を図ることができ、さらに、図１に示す第１実施の形態の燃料電池システム１ＡではＦＣ１１３の暖機のみに使用された起動時の排熱を、改質器１１１の暖機に使用できるので、起動時のエネルギーの低減も図ることができる。

また、図８に示す第２実施の形態の燃料電池システム１Ｂでは、図１に示す第１実施の形態の燃料電池システム１Ａと比較して、開閉弁１４３，１４４や、オフガス燃焼器１１５、熱交換器１１６、配管１５１が削除されていることから（図８と図１を比較参照）、部品点数の削除による信頼性の向上や、オフガス燃焼器１１５（図１参照）の削除による安全性の向上も期待できる。

尚、本実施の形態の燃料電池システム１Ａ，１Ｂでは、改質器１１１に投入される改質水の流量を調節する改質水ポンプ１３１を、改質器１１１のＣＯ選択酸化部１２５の温度を測定する温度センサ１４の測定結果に基づいて（図２のＳ１３、図４のＳ３６、図５のＳ４３）、制御装置１１７が操作しているが（図２のＳ１４、図４のＳ３７、図５のＳ４４）、この点、改質器１１１の改質部１２２や、熱交換部１２３、ＣＯシフト部１２４の温度を温度センサで測定し、これらの温度センサの測定結果に基づいて、改質器１１１に投入される改質水の流量を調節する改質水ポンプ１３１を、制御装置１１７が操作してもよい。

本発明は、燃料電池システムにおいて、起動時間の短縮のために、改質熱量以上の熱量を改質器に与える場合に適用がある。

本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略を示したブロック図である。本発明の一実施形態による燃料電池システムの起動時のフローチャートの一例を示した図である。本発明の一実施形態による燃料電池システムの起動時のフローチャートの一例を示した図である。本発明の一実施形態による燃料電池システムの起動時のフローチャートの一例を示した図である。本発明の一実施形態による燃料電池システムの発電時のフローチャートの一例を示した図である。本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、改質水流量制御で使われる制御マップを示した図である。本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、改質水の加算投入水量と「Ｓ／Ｃ」の時間的推移を示したタイムチャート図である。本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略を示したブロック図である。図８の燃料電池システムの概略を示したブロック図であって、起動時の状態を示した図である。図８の燃料電池システムの概略を示したブロック図であって、発電（開始）時の状態を示した図である。背景技術の燃料電池システムの概略を示したブロック図である。背景技術の燃料電池システムの概略を示したブロック図であって、起動時の状態を示した図である。背景技術の燃料電池システムの概略を示したブロック図であって、発電開始時の状態を示した図である。背景技術の燃料電池システムの概略を示したブロック図であって、発電時の状態を示した図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ燃料電池システム
１４温度センサ
１１１改質器
１１４凝縮器
１１７制御装置
１２１改質器の燃焼部
１３１改質水ポンプ
Ｑ余剰熱量

Claims

水蒸気改質タイプの改質器と、前記改質器に投入される改質水の流量調節手段と、前記流量調節手段を操作する制御装置と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記改質器の余剰熱量の計算値に基づいて、前記流量調節手段を操作することにより、前記改質器を起動させること、を特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載する燃料電池システムであって、
前記改質器の局所温度を測定する温度測定手段を備え、
前記制御装置は、前記温度測定手段の測定結果にも基づいて、前記流量調節手段を操作することにより、前記改質器を起動させること、を特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は請求項２に記載する燃料電池システムであって、
前記改質器で発生した改質ガス中の水蒸気を低減するための水蒸気低減器を備えたこと、を特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載する燃料電池システムであって、
前記改質器で発生した改質ガスは前記改質器の燃焼部のみで燃焼されること、を特徴とする燃料電池システム。