JP2006228654A - 燃料電池発電装置、燃料電池発電装置の運転方法、プログラム、および記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】発電中に、燃焼用ガスに使用するオフガスの量が急激に増加すると、燃焼排ガス中にＣＯが発生してしまう。
【解決手段】空気を供給し燃焼用ガスを燃焼させて改質部１０３を加熱する燃焼部１０４を有し、原料と水蒸気を反応させて水素リッチガスを生成する水素生成装置１２０と、その水素リッチガスを使用して発電を行う燃料電池１０７と、水素リッチガスのうち燃料電池１０７で発電に使用されなかったオフガスを燃焼用ガスとして燃焼部１０４に供給するオフガス流路１１１とを備え、発電開始直後や発電量を増減させる時、一定期間、定常運転時に対して予め決められている空気比より高い空気比となるように燃焼部１０４に供給する空気の量を増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素生成装置で生成した水素を燃料電池に供給し発電する、燃料電池発電装置、および燃料電池発電装置の運転方法に関する。

エネルギーを有効に利用する分散型発電装置として、発電効率および総合効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムが注目されている。

燃料電池の多く、例えば実用化されているリン酸型燃料電池や、開発が進められている固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、水素を燃料として発電する。しかし、水素はインフラとして整備されていないため、システムの設置場所で生成させる必要がある。

水素生成方法の一つとして、水蒸気改質法がある。天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系、メタノール等のアルコール系に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と、水とを混合して、改質触媒を設けた改質部で水蒸気改質反応をさせ、水素を発生させる方法である。

水蒸気改質反応を行う工程としては、燃焼部を設けて、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系、メタノール等のアルコール系に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を、例えばファンを用いて空気を供給することによって燃焼させる。そして、その燃焼ガスで改質部を加熱し、改質触媒による化学変化が進行する温度である約７００℃になるように改質触媒を昇温させることにより、水蒸気改質反応を起こさせ水素を発生させる。

この改質部における水蒸気改質反応では、一酸化炭素（ＣＯ）が副成分として生成されるため、改質部で水蒸気改質反応によって生成された後の改質ガス中には、ＣＯが約１０〜１５％含まれる。この改質ガス中に含まれるＣＯは、固体高分子型燃料電池の電極触媒を被毒して発電能力を低下させるため、改質部の後にＣＯ低減部を設けて、水素生成装置出口において改質ガス中のＣＯ濃度が１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下になるように、改質ガス中のＣＯを除去する必要がある。

ＣＯを除去した改質ガスと空気を燃料電池に供給することにより、改質ガス中の水素と空気中の酸素によって発電される。このとき、供給した改質ガス中の水素をすべて発電に使用するのではなく、供給した改質ガス中の水素の約７０％を発電として使用する。そして、残りの約３０％の水素は、オフガスとして改質部を加熱する燃焼部に供給され、燃焼用のガスとして使用されることが一般的である。さらに、オフガス中には水素化されていない炭化水素ガスも含まれていた。

図１３に、オフガスを燃焼部の燃焼用のガスとして使用する構成の、従来の燃料電池発電装置の構成図を示す。

発電運転中には、水素生成装置２２０で生成された水素リッチガスのうち、燃料電池２０７で使用されなかったオフガスを、改質部２０３の改質触媒を昇温させるための燃焼部２０４の燃焼用ガスとして使用する。

制御部２１４は、燃料電池２０７に発電させる電力量に応じて、原料供給部２０１および水供給部２０２から改質部２０３に供給される原料および水の供給量を制御し、また、燃料電池用空気供給部２０９から燃料電池２０７に供給される空気の量を制御し、オフガスを燃焼させるために燃焼部用空気供給部２０５から燃焼部２０４に供給される空気の量を制御する。

ここで、燃焼部２０４に供給される燃焼用ガスを完全燃焼させるための空気量に対する実際に供給する空気量の比を、空気比（実質の空気の量／燃焼ガスを完全燃焼させるのに必要な空気量）という。つまり、燃焼用ガスを完全燃焼させるための理論空気比は、１ということになる。しかし、実際には、燃料電池発電装置の特性等を考慮して、安定的に完全燃焼させるために、発電中に供給する空気量として理論空気比よりも高い空気比が設定される。つまり、発電中は、理論空気比よりも少し過剰ぎみの空気が供給されて運転される。

制御部２１４は、発電開始後の発電中には、常に、この発電時に対して設定された空気比となるように（例えば、常に１．３となるように）、燃焼部用空気供給部２０５から燃焼部２０４に供給される空気の量を制御する。例えば、制御部２１４は、原料供給部２０１から改質部２０３に供給される原料の流量、改質触媒温度および燃料電池２０７の発電量などから、オフガスの組成および流量を算出し、空気比がある一定の値（例えば１．３）となるように燃焼部用空気供給部２０５から燃焼部２０４に供給される空気の量を制御していた。

また、発電開始前の水素生成装置起動時において、改質触媒温度の上昇を速やかに行うことを目的として、空気比を上げて運転することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、発電停止後において、改質触媒の冷却を促進することを目的として、空気比を上げて運転することも多い。

上記したように、従来の燃料電池発電装置には、発電開始前または発電停止後に、空気比を上げて燃焼部に空気を供給するものはあったが、発電開始後は、燃焼排ガスが持ち出すエネルギーロスを少なくし、改質効率を向上させるために空気比を低く設定してその設定された空気比を変化させることなく運転していた。
特許第３０４２７５１号公報

しかしながら、発電中において、空気比を一定にして燃焼部に空気を供給する従来の構成の燃料電池発電装置では、燃焼用ガスの供給量が急激に増加した場合に、不完全燃焼によりＣＯが発生することがあった。

特に発電開始直後では、例えば水素生成装置２２０と燃料電池２０７とをつなぐ水素リッチガス流路２１０の温度が低く、水素生成装置２２０で生成した水素リッチガスの露点（例えば、約６４℃）以上に保持されないと、水素リッチガス中の水蒸気が結露することがある。そのときに、ＣＯ低減部２０６や、さらに上流へ水滴が戻ることがある。ここで、例えばＣＯ低減部２０６に水滴が戻った場合は、ＣＯ低減部２０６は１００℃以上であるため、ＣＯ低減部２０６に滴下した水が突沸して、水素生成装置２２０内の圧力が急激に上昇する。そのため、オフガスが急激に燃焼部２０４に流入し、燃焼部２０４に供給される空気量が実際のオフガス組成および流量に適する量よりも少なくなってしまうため、燃焼部２０４での不完全燃焼が起き、燃焼排ガス中にＣＯを発生させてしまうことがあった。

また、ＣＯ低減部２０６だけではなく、ＣＯ低減部２０６よりも上流や、水素生成装置２２０出口付近の水素リッチガス流路２１０の配管部分なども高温となっているため、ＣＯ低減部２０６以外のこれらの部分でも、上記と同様の、水が突沸する現象が起こり得る。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、発電中に、燃焼部に供給されるオフガスが不安定になっても、不完全燃焼を防止し燃焼排ガス中のＣＯを抑制できる、燃料電池発電装置、およびその運転方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
原料と水蒸気を反応させて改質ガスを生成する改質部、前記改質ガス中のＣＯ濃度を低減させるＣＯ低減部、燃焼用ガスを燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部、前記燃焼用ガスを燃焼させるための空気を前記燃焼部に供給する空気供給部を有し、水素リッチガスを生成する水素生成装置と、
酸化剤ガスと前記水素リッチガスとを使用して発電を行う燃料電池と、
前記水素生成装置と前記燃料電池との間に設けられ、前記水素リッチガスを流通させる水素リッチガス流路と、
前記燃料電池と前記燃焼部との間に設けられ、前記水素リッチガスのうち前記燃料電池で発電に使用されなかったオフガスを、前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給するオフガス流路と、
前記空気供給部が前記燃焼部に供給する前記空気の量を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、発電開始後の所定期間、空気比が、定常発電時に対して予め決められている空気比よりも高くなるように、前記空気供給部を制御する、燃料電池発電装置である。

第２の本発明は、
前記水素リッチガス流路上に設けられ、前記水素生成装置で生成された前記水素リッチガスを、前記燃料電池に供給させるか、前記燃焼部に供給させるかを切り替える流路切替弁と、
前記流路切替弁と前記燃焼部との間に設けられ、前記水素リッチガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給するバイパス流路とを備え、
前記制御部は、発電開始時に前記流路切替弁を制御して、発電開始前には前記水素生成装置から前記燃焼部に供給されていた前記水素リッチガスを、発電開始後には前記燃料電池に供給されるようにする、第１の本発明の燃料電池発電装置である。

第３の本発明は、
前記所定期間は、発電開始指示のタイミングに応じて決まる連続または不連続の一定の期間である、第１または第２の本発明の燃料電池発電装置である。

第４の本発明は、
前記所定期間は、発電量増減指示のタイミングに応じて決まる連続または不連続の一定の期間である、第１または第２の本発明の燃料電池発電装置である。

第５の本発明は、
前記一定の期間の長さは、発電量に応じて異なる、第３または第４の本発明の燃料電池発電装置である。

第６の本発明は、
さらに、外気の温度を検出する外気温検出部を備え、
前記一定の期間の長さは、前記外気の温度に応じて異なる、第３または第４の本発明の燃料電池発電装置である。

第７の本発明は、
前記所定期間は、発電量が増加している期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、第１または第２の本発明の燃料電池発電装置である。

第８の本発明は、
前記所定期間は、発電量が減少している期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、第１または第２の本発明の燃料電池発電装置である。

第９の本発明は、
前記所定期間は、発電量が所定の発電量よりも少なくなっている期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、第１または第２の本発明の燃料電池発電装置である。

第１０の本発明は、
さらに、前記水素リッチガス流路の温度を検出する流路温度検出部を備え、
前記所定期間は、前記流路温度検出部で検出される温度が、予め設定された温度以下となっている期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、第１または第２の本発明の燃料電池発電装置である。

第１１の本発明は、
前記ＣＯ低減部は、前記ＣＯ低減部の温度を検出するＣＯ低減部温度検出部を有し、
前記所定期間は、前記ＣＯ低減部温度検出部で検出される温度が、予め設定された所定の温度以下となっている期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、第１または第２の本発明の燃料電池発電装置である。

第１２の本発明は、
さらに、前記水素リッチガス流路を流通する前記水素リッチガスの圧力、または、前記オフガス流路を流通する前記オフガスの圧力を検知するガス圧力検知手段を備え、
前記所定期間は、前記ガス圧力検知手段で検知される圧力値が予め設定された所定の圧力値よりも大きくなっている期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、第１または第２の本発明の燃料電池発電装置である。

第１３の本発明は、
空気を供給して、燃焼用ガスを燃焼させて改質部を加熱する加熱ステップと、
前記改質部で、原料と水蒸気を反応させて改質ガスを生成する改質ガス生成ステップと、
前記改質ガス中のＣＯ濃度を低減して水素リッチガスを生成する水素リッチガス生成ステップと、
酸化剤ガスと前記水素リッチガスを燃料電池に供給して発電する発電ステップと、
前記水素リッチガスのうち前記燃料電池で発電に使用されなかったオフガスを、前記燃焼用ガスとして供給するオフガス供給ステップと、
発電開始後の所定期間、空気比が、定常運転時に対して予め決められている空気比よりも高くなるように、前記供給する空気の量を制御する空気量制御ステップとを備えた、燃料電池発電装置の運転方法である。

第１４の本発明は、
前記所定期間は、少なくとも発電に関する要因によって決まる、第１３の本発明の燃料電池発電装置の運転方法である。

第１５の本発明は、
前記所定期間は、少なくとも温度に関する要因によって決まる、第１３の本発明の燃料電池発電装置の運転方法である。

第１６の本発明は、
前記所定期間は、少なくともガス圧力に関する要因によって決まる、第１３の本発明の燃料電池発電装置の運転方法である。

第１７の本発明は、
第１３の本発明の燃料電池発電装置の運転方法の、発電開始後の所定期間、空気比が、定常運転時に対して予め決められている空気比よりも高くなるように、供給する空気の量を制御する前記空気量制御ステップを、コンピュータに実行させるためのプログラムである。

第１８の本発明は、
第１７の本発明のプログラムを記録した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。

本発明により、発電中に、燃焼部に供給されるオフガスが不安定になっても、不完全燃焼を防止し燃焼排ガス中のＣＯを抑制できる、燃料電池発電装置、およびその運転方法を提供できる。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池発電装置の構成図である。

水素生成装置１２０は、改質部１０３と、改質部１０３に原料を供給する原料供給部１０１と、水を供給する水供給部１０２とを備えている。また、水素生成装置１２０は、さらに、改質部１０３で生成された改質ガス中のＣＯを低減するＣＯ低減部１０６と、改質部１０３内の改質触媒を昇温させるための燃焼部１０４とを備えている。原料には、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系、メタノール等のアルコール系に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を使用する。

燃料電池１０７には、水素生成装置１２０で生成された水素リッチガスと、燃料電池用空気供給部１０９からの空気とが供給されて、発電が行われるようになっている。燃料電池１０７は、例えば固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１０７に供給される空気が、本発明の酸化剤ガスの一例にあたる。

燃料電池１０７と燃焼部１０４の間にはオフガス流路１１１が設けられており、燃料電池１０７に供給された水素リッチガスのうち発電に使用されなかったオフガスは、オフガス流路１１１を通じて燃焼用ガスとして燃焼部１０４に供給される。また、燃焼部用空気供給部１０５は、燃焼用ガスを燃焼させるための空気を燃焼部１０４に供給する手段である。なお、燃焼部用空気供給部１０５が、本発明の空気供給部の一例にあたる。

また、水素生成装置１２０と燃料電池１０７との間には、水素リッチガスが供給される水素リッチガス流路１１０が設けられている。水素リッチガス流路１１０と燃焼部１０４との間には、バイパス流路１１２が設けられており、流路切替弁１１３の切り替えによって、水素生成装置１２０で生成された水素リッチガスが燃料電池１０７または燃焼部１０４のいずれかに供給されるようになっている。

制御部１１４は、燃料電池１０７で発電させる電力量に応じて、改質部１０３に供給する原料および水の流量、燃料電池１０７に供給する空気の流量を制御する手段である。また、制御部１１４は、流路切替弁１１３の切り替えの制御、および燃焼部１０４に供給する空気量の制御も行うことができるようになっている。

次に、本実施の形態１の燃料電池発電装置の動作について説明するとともに、その運転方法について説明する。

改質部１０３で改質反応を起こさせるためには、改質触媒を５００℃〜７００℃程度まで昇温させなければならない。また、ＣＯ低減部１０６および燃料電池１０７も、発電開始時にそれぞれにおける化学反応に適切な温度となるように、発電開始前に昇温させておかなければならない。

したがって、制御部１１４は、これらの各部を適切な温度まで昇温させた後に、発電を開始させる。

制御部１１４は、発電を開始する前には、水素生成装置１２０から流出するガスがバイパス流路１１２を介して燃焼部１０４に流れるように、流路切替弁１１３を切り替えている。

制御部１１４は、まず、原料供給部１０１から改質部１０３に原料を供給させる。供給された原料は、改質部１０３、ＣＯ低減部１０６、水素リッチガス流路１１０、バイパス流路１１２を通り、燃焼部１０４に供給される。また、このとき、制御部１１４は、燃焼部１０４に供給される原料を燃焼させるための空気を燃焼部１０４に供給するように、燃焼部用空気供給部１０５を制御する。

燃焼部１０４で原料を燃焼させることにより、改質部１０３は加熱される。そして、制御部１１４は、改質部１０３の改質触媒の温度が、原料が炭化を起こさない上限温度（４００℃）に達したことを検知すると、水供給部１０２から改質部１０３への水の供給を開始させる。

さらに改質部１０３が昇温していくと、改質部１０３で、原料と水蒸気による改質反応が起こり改質ガスが生成されるようになる。そして、ＣＯ低減部１０６で、その改質ガスのＣＯが低減されて水素リッチガスとなる。燃焼部１０４では、水素生成装置１２０から供給される水素を含むガスが燃焼し、さらに改質部１０３を加熱する。

改質部１０３の改質触媒の温度が７００℃になったこと、および、ＣＯ低減部１０６および燃料電池１０７もそれぞれにおける化学反応に適切な温度となったことを検知すると、制御部１１４は、以下のようにして燃料電池１０７に発電を開始させる。

制御部１１４は、水素生成装置１２０で生成された水素リッチガスが燃料電池１０７に供給されるように流路切替弁１１３を切り替えるとともに、燃料電池用空気供給部１０９から空気を供給させて、燃料電池１０７に発電を開始させる。なお、この、制御部１１４が、流路切替弁１１３をの切り替え、燃料電池１０７に発電を開始させるタイミングが、本発明の発電開始指示のタイミングの一例にあたる。

水素リッチガス流路１１０を通じて、水素生成装置１２０から燃料電池１０７に供給される水素リッチガスのうち、燃料電池１０７で使用されなかったオフガスは、オフガス流路１１１を通じて、燃焼用ガスとして燃焼部１０４に供給される。

制御部１１４は、原料供給部１０１および水供給部１０２から供給される原料および水の流量、改質部１０３の温度、燃料電池１０７の発電量から、燃焼部１０４に供給されるオフガスの量を算出し、燃焼部１０４の燃焼に必要な量の空気が供給されるように燃焼部用空気供給部１０５を制御する。

制御部１１４は、発電開始時点から３０分間は、空気比（空気の量／オフガスの量）１．５の空気が燃焼部１０４に供給されるように制御し、発電開始から３０分後からは、空気比１．３の空気が供給されるように制御する。つまり、発電開始から３０分後までの間は、燃焼用ガスに対して、空気を多めに供給させる。

なお、発電開始時点から３０分間が、本発明の所定の期間にあたり、発電開始から３０分後以降の発電中の期間が、本発明の定常運転時にあたる。また、空気比１．３が、本発明の、定常発電時に対して予め決められている空気比にあたる。

本実施の形態１における１．３という空気比は、従来の燃料電池発電装置において発電中に常にその空気比となるようにと予め設定される空気比に相当するものである。この予め決められている空気比は、定常運転時において、燃焼用ガスを安定して完全燃焼させることができるように、理論空気比や改質効率の向上などを考慮して、燃料電池発電装置毎に決められる値である。ここで、定常運転時とは、安定して動作している状態であり、例えば、発電開始後一定時間（例えば１０時間）継続して運転している状態や、燃料電池発電装置の各部が安定して動作できる温度に達して運転している状態などである。

本実施の形態１の燃料電池発電装置は、発電開始から３０分後までの期間だけ、この予め決められている空気比１．３よりも高い空気比１．５で、燃焼部１０４に空気を供給することを特徴としている。

なお、燃焼部１０４で燃焼用ガスを燃焼させて改質部１０３を加熱するステップが、本発明の加熱ステップの一例にあたる。また、改質部１０３で改質反応させるステップが、本発明の改質ガス生成ステップにあたり、ＣＯ低減部１０６で改質ガスのＣＯを低減させて水素リッチガスを生成するステップが、本発明の水素リッチガス生成ステップにあたる。また、水素リッチガスと燃料電池用空気供給部１０９からの空気が供給されて燃料電池１０７が発電するステップが、本発明の発電ステップの一例にあたる。また、燃料電池１０７からのオフガスを、オフガス流路１１１を通じて燃焼部１０４に供給するステップが、本発明のオフガス供給ステップの一例にあたる。また、制御部１１４が、発電開始から３０分後までの時間および３０分後以降の時間に応じて、空気比を変化させて燃焼部１０４に供給される空気の量を制御するステップが、本発明の空気量制御ステップの一例にあたる。

なお、ＣＯ低減部１０６および燃料電池１０７も、発電開始前の時点で昇温させておくが、これらの加熱には、電気ヒータなど、どのような方法を用いてもよい。例えば、ＣＯ低減部１０６の加熱には、改質部１０３で生成された改質ガスの熱エネルギーを利用できるし、燃焼部１０４を利用して加熱するようにもできる。この、ＣＯ低減部１０６および燃料電池１０７の発電開始前の加熱制御も、制御部１１４によって行われる。

図２は、上記の燃焼部１０４に供給する空気量の制御を行ったときの、燃焼部１０４からの排ガス中のＣＯ濃度と水素生成装置１２０出口配管温度の、発電開始時点からの経時変化を示したグラフである。

一方、図３は、燃焼部１０４に供給する空気の量を、発電開始時点から常に空気比が１．３となるようにした場合、つまり従来の燃料電池発電装置における制御を行った場合の、燃焼部１０４からの排ガス中のＣＯ濃度と水素生成装置１２０出口配管温度の、発電開始時点からの経時変化を示したグラフである。

図３からわかるように、発電開始から１５〜２０分後ほどの間に、従来の運転方法では、燃焼部１０４からの排ガス中に８００ｐｐｍ以上ものＣＯが発生している。

このときの燃焼部１０４からの排ガス中に高濃度のＣＯが発生する原因は、次のように推定される。

発電中の水素生成装置１２０出口の水素リッチガスの露点は約６４℃であるのに対し、発電開始直後の水素生成装置１２０出口配管温度は、図３に示すように約６０℃である。そのため、水素リッチガス中の水蒸気が結露して、ＣＯ低減部１０６やさらにその上流へ水滴が戻ることがある。例えば、ＣＯ低減部１０６に水滴が戻った場合には、ＣＯ低減部１０６は１００℃以上であるため、ＣＯ低減部１０６に滴下した水が突沸して、水素生成装置１２０内の圧力が急激に上昇する。このとき、燃焼部１０４に供給されるオフガスの量が急激に増え、空気量が足りなくなって不完全燃焼となり、燃焼排ガスにＣＯが発生して排出されてしまう。

また、水素リッチガス流路１１０やオフガス流路１１１の配管は、発電開始時には加湿状態になっている。また、燃料電池発電装置の停止時には、これらの配管内が加湿された状態で停止させておく方法もある。これらの理由により、発電開始時点では、これらの配管内は加湿状態であり、配管内に水滴が残っている。したがって、水素生成装置１２０から供給される水素リッチガス中の水蒸気の結露による水滴だけでなく、配管内に残っている水滴がＣＯ低減部１０６やさらにその上流に戻ることもあり、その要因も含めて水素生成装置１２０内の圧力の急激な上昇を引き起こす可能性があった。

そのため、本実施の形態１では、発電開始後３０分間は空気比を１．５にしておき、燃焼部１０４に供給されるオフガスが急激に増えても不完全燃焼にならないよう、燃焼部１０４に空気を、予め定常運転時よりも過剰気味に供給している。

したがって、本実施の形態１のように制御した場合には、図２に示すように、水素生成装置１２０出口配管温度は約６０℃であり、水素リッチガス中の水蒸気が結露し、突沸して水素生成装置１２０内の圧力が急激に上昇する可能性はあったものの、燃焼部１０４の燃焼排ガス中のＣＯ濃度を１００ｐｐｍ以下（図２の場合は数ｐｐｍ）に抑制することができた。

ここで、空気比を上げておく期間を発電開始後約３０分間としたのは、水素生成装置１２０出口配管温度が、水素リッチガスの露点（約６４℃）よりも高くなるまでの時間を考慮して設定した。

また、図４は、安定して発電している定常運転時の、燃焼部１０４における空気比と排ガス中のＣＯ濃度との相関を示すグラフである。図４より、安定に燃焼しているときでも、排ガス中のＣＯ濃度を１００ｐｐｍ以下にすることができる空気比は、１．２から２．０の範囲であることがわかる。このため、空気比は極端に高く設定はできないため、本実施の形態１では、発電開始後３０分間に、予め決められている空気比よりも高くする空気比を１．５に設定した。

空気比と排ガス中のＣＯ濃度との関係や、水素発生装置出口の配管温度などは、燃料電池発電装置によって異なるが、その装置毎の、空気比と排ガス中のＣＯ濃度との関係や水素発生装置出口の配管温度から、発電開始後に設定すべき空気比および設定時間を決定することができる。

また、発電させる電力量によって、供給される原料や水の量が異なり、水素生成装置１２０で生成される水素リッチガスの流量も異なる。したがって、発電量によって、発電開始時の水素リッチガス中の水蒸気の結露状態も異なってくるため、燃料電池発電装置が安定な状態になるまでの時間も異なってくる。そのため、発電開始後に空気比を上げて燃焼部１０４に空気を供給する期間の長さは、同じ燃料電池発電装置であっても発電量に応じて、発電量毎の適切な長さに設定することが望ましい。

また、寒い時期などは、水素リッチガスの放熱量が多いために、水素リッチガス流路１１０やオフガス流路１１１が昇温するのに時間がかかる。このような場合には、外気の温度を検出できるように外気温検出部を設けて、制御部１１４が、外気温に応じて、発電開始後に空気比を上げて燃焼部１０４に空気を供給する期間の長さを変えるようにすればよい。このようにすることにより、外部の環境に応じて、発電開始からの適切な時間後に予め決められた空気比の空気量にすることができるので、より高い改質効率で運転することができる。

なお、本実施の形態１では、発電開始時点から、空気比を上げて燃焼部１０４に空気を供給することとしたが、必ずしも発電開始時点から空気比を上げておかなくてもよい。例えば、発電開始時点では予め決められている空気比（例えば１．３）としておき、発電開始数分後から所定の期間、予め決められている空気比よりも高い空気比（例えば１．５）で燃焼部１０４に空気を供給するようにしてもよい。

また、空気比を上げて燃焼部１０４に空気を供給する期間は、連続した期間である必要はなく、後述するように、図６に示すような空気比を上げた不連続の期間であってもよい。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２の燃料電池発電装置について説明する。

本実施の形態２の燃料電池発電装置は、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電装置と同じ構成であるので、本実施の形態２でも、図１を用いて説明する。制御部１１４の、燃焼部１０４に供給する空気量の制御方法が実施の形態１とは異なる。

実施の形態１では、燃料電池の発電開始後からの所定の期間に、燃焼部１０４に供給する空気を、予め決められている空気比よりも高い空気比で供給するように制御したが、本実施の形態２では、発電中の所定の期間に、空気比を変えて燃焼部１０４に供給する空気量を制御する点が異なる。

本実施の形態２では、発電量が増加する場合、発電量が減少する場合、および発電量が小さい場合に、燃焼部１０４に供給する空気量を、予め決められている空気比よりも高い空気比で供給するように制御する。

図５は、発電中に、発電量を増加させる場合の、燃焼部１０４に設定する空気比、およびそのときに供給する空気量を示す模式グラフである。

図５に示すように、発電量を増加させている期間に、制御部１１４は、燃焼部１０４における空気比を、予め決められている空気比（例えば１．３）よりも高くして（例えば１．５）、燃焼部１０４に空気を供給するように制御する。その結果、燃焼部１０４に供給される空気量は、図５に示すように変化する。

発電量を増加させるときは、原料流量を増加させることによって対応する。原料流量の増加に対応して、燃焼部１０４に供給する燃焼用ガス（オフガス）と、それを燃焼させるための空気の量も増加することになる。つまり、発電量を増加させる前、および増加した後の安定した期間の空気比は同じ１．３であるが、図５に示すように、燃焼部１０４に供給される空気の絶対量は、発電量増加前よりも増加後の方が多くなる。本実施の形態２では、発電量を増加させている期間のみ、予め決められている空気比よりも高くなるようにして、燃焼部１０４に供給する空気の量をより多くしている。

このように、発電量を増加させるときに、燃焼部１０４に供給する空気の量を過剰気味にする理由について、以下に説明する。

制御部１１４は、発電量を増加させる指示を受けると、改質部１０３に供給する原料を増加させるように原料供給部１０１を制御する。その原料の増加に合わせて、制御部１１４は、水供給部１０２を制御して改質部１０３に供給する水の量も増加させ、燃料電池１０７に供給する空気の量も増加させるように燃料電池用空気供給部１０９も制御する。

発電量を増加させる際には、このように各部を制御しなければならず、燃料電池発電装置全体の安定したバランスが崩れる場合がある。また、触媒温度も変わるため、水素リッチガスの組成も変化し、各部の温度が想定からずれ、不安定な状態となる場合がある。

このように、発電量を増加させる際には、不安定要素を含むため、水素リッチガス流路１１０やオフガス流路１１１などの配管中で結露したり、水素生成装置１２０内での圧力変動をもたらすことがある。そうなると、燃焼部１０４に供給されるオフガスの量が急激に増えて、不完全燃焼となって燃焼排ガスにＣＯが発生してしまう。

本実施の形態２では、発電量を増加させている不安定な期間に、燃焼部１０４に供給する空気量を、予め決められている空気比（例えば１．３）よりも高い空気比（例えば１．５）で供給するように制御することにより、燃焼排ガス中のＣＯの発生を抑制できる。

図６は、本実施の形態２の他の運転方法を用いた、発電中に、発電量を増加させる場合の、燃焼部１０４に設定する空気比、およびそのときに供給する空気量を示す模式グラフである。

図５の場合と同様に、発電量を増加させている期間に、空気比が高くなるように、燃焼部１０４へ供給する空気量を制御するが、その空気比を高くしている期間内で、空気比を断続的に変化させている点が異なる。

このように、不安定になる期間内に、断続的に空気比を変化させるようにしてもよい。例えば、不安定になる期間内でも、発電量が増加し始める期間、発電量が増加している期間、発電量の増加し終わる期間などで、不安定状態が異なる等の特性があれば、その特性に応じて、空気比を高くする期間の長さを変えたり、空気比の値を変えるようにすることにより、より効率的な制御ができるようになる。

図７は、発電中に、発電量を減少させる場合の、燃焼部１０４に設定する空気比、およびそのときに供給する空気量を示す模式グラフである。

この場合は、発電量を減少させている期間に、制御部１１４は、燃焼部１０４に供給する空気量を、予め決められている空気比１．３よりも高い空気比１．５で供給させるように制御している。

発電量を減少させるときは、原料流量を減少させることによって対応する。したがって、上記の発電量を増加させる場合と同様の理由により、発電量を減少させている期間は不安定な状態となり、この場合にも、燃焼部１０４に供給されるオフガスの量が急激に増えて、不完全燃焼となって燃焼排ガスにＣＯが発生してしまうことがあり得る。

さらに、発電量を減少させる場合には、燃料電池１０７内を流れる水素リッチガスの流量も減少することになり、燃料電池１０７内での水排出性能がおちやすい。この結果、水素生成装置１２０の圧力変動へとつながることがある。

そこで、図７に示すように、発電量を減少させている不安定な期間に、燃焼部１０４に供給する空気量を、予め決められた空気比よりも高い空気比で供給するように制御することにより、燃焼排ガス中のＣＯの発生を抑制できる。

図８は、発電中に発電量を増減させた場合の、燃焼部１０４からの排ガス中のＣＯ濃度と燃料電池１０７の発電量の経時変化を示したグラフである。図８に示すように、発電量が一定の期間には、予め決められた空気比１．３で燃焼部１０４に空気を供給しており、発電量が増減する期間には、空気比１．５で燃焼部１０４に空気を供給している。

一方、図９は、発電中に発電量を増減させるときに、燃焼部１０４に供給する空気の量を常に空気比が１．３となるように制御した場合、つまり従来の燃料電池発電装置における制御を行った場合の、燃焼部１０４からの排ガス中のＣＯ濃度と燃料電池１０７の発電量の経時変化を示したグラフである。

図９からわかるように、発電量が増加し始めてから約３分後に、燃焼部１０４からの排ガス中に２００ｐｐｍ以上のＣＯが発生している。一方、本実施の形態２の運転方法を用いた場合は、図８に示すように、発電中に発電量を増減させているときに、燃焼部１０４からの排ガス中にＣＯは発生しなかった。発電量を増減させる際に、予め決められた空気比１．３に対応する空気量よりも多い、空気比１．５に対応する空気量を、燃焼部１０４に供給したことにより、排ガス中のＣＯの発生を抑制できたといえる。

なお、発電量を増加させる際に制御部１１４が、原料、水、空気量を増加させるように原料供給部１０１、水供給部１０２、燃料電池用空気供給部１０９を制御するタイミング、および、発電量を減少させる際に制御部１１４が、原料、水、空気量を減少させるように原料供給部１０１、水供給部１０２、燃料電池用空気供給部１０９を制御するタイミングが、本発明の発電量増減指示のタイミングの一例にあたる。

図１０は、発電中に、発電量を少なくした場合の、燃焼部１０４に設定する空気比、およびそのときに供給する空気量の模式グラフを示している。

この場合は、発電量を所定の値よりも少なくしている期間に、制御部１１４は、燃焼部１０４に供給する空気量を、予め決められている空気比１．３よりも高い空気比１．５で供給するように制御している。

発電量を少なくしているときには、供給する原料を少なくして運転する。したがって、水素生成装置１２０および燃料電池１０７を流れる水素リッチガスの流量は少なくなる。すると、水素リッチガス流路１１０やオフガス流路１１１の配管の放熱の割合が大きくなり、結露する可能性が高くなる。

上述したように、発電量を増減させているような状態や、発電量を小さくしているなどの不安定な状態のときに、燃焼部１０４に供給する空気量を、予め決められている空気比よりも高い空気比で供給するように制御することにより、燃焼排ガス中のＣＯ発生を抑制できる。

なお、これらの各モードの制御は、選択的に特定のモードのときだけに行ってもよいし、複数のモードで行うようにしてもよい。

また、図５〜図１０で説明した各運転方法では、いずれも、モードが変化している期間（発電量が増加している期間、発電量が減少している期間、発電量が少なくなっている期間）のみに、空気比を変えるように制御することとしたが、そのモードから通常のモード（通常の発電量になった状態）に戻った後、安定な状態になるまで空気比を高くするようにしてもよい。つまり、モード変化後の所定の時間まで、空気比を高くするように制御してもよい。ここでの、モード変化後の所定の時間は、その燃料電池発電装置の特性に応じて決定すればよい。

また、図５〜図１０で説明した各運転方法では、モードが変化するタイミングと同時に空気比を上げるように制御したが、モードが変化するタイミングの前や後の時点から空気比を上げるように制御してもよい。例えば、モードが変化した後、所定の時間後に空気比を上げるように制御してもよい。

また、燃焼部１０４に供給する空気量を、予め決められている空気比よりも高い空気比で供給するように制御する時間を、モード毎に、モード変化時点からの所定の期間と決めてもよい。制御パターンが特定されるような燃料電池発電装置の場合には、このようにモード毎に決まった期間にすることにより制御が簡単になる。なお、この場合に決める所定の期間が、本発明の、制御部からの発電量増減指示のタイミングによって決まる一定の期間の一例にあたる。

上記に説明したように、本実施の形態２の燃料電池発電装置は、発電中に、燃焼部１０４に供給されるオフガス流量および組成が急激に変化しても、予め決められた空気比よりも高い空気比になるように、燃焼部用空気供給部１０５から燃焼部１０４に供給される空気量を制御することによって、不完全燃焼を防止し、燃焼排ガス中のＣＯを抑制することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３の燃料電池発電装置について説明する。

図１１は、本実施の形態３の燃料電池発電装置の構成図である。

本実施の形態３の燃料電池発電装置は、図１に示す実施の形態１の構成に水素生成装置出口配管温度検出部１０８が設けられている点のみが異なり、それ以外の構成は実施の形態１と同様である。図１と同じ構成部分については、図１と同じ符号を用いる。

本実施の形態３では、水素生成装置１２０で生成された水素リッチガスを燃料電池１０７に供給する水素リッチガス流路１１０上に、水素リッチガス流路１１０内を流通する水素リッチガスの温度を検知する水素生成装置出口配管温度検出部１０８が設けられている。制御部１１４は、水素生成装置出口配管温度検出部１０８で検出される水素リッチガスの温度をモニターする。なお、水素生成装置出口配管温度検出部１０８が、本発明の流路温度検出部の一例にあたる。

本実施の形態３の燃料電池発電装置の動作について、実施の形態１および実施の形態２と異なる部分について説明する。

まず、発電開始する際の、本実施の形態３の燃料電池発電装置の運転方法について説明する。

発電を開始する前には、制御部１１４は、水素生成装置１２０で生成された水素リッチガスが燃焼部１０４に流れるように、流路切替弁１１３を切り替えている。そして、制御部１１４は、改質部１０３、ＣＯ低減部１０６、燃料電池１０７の各温度が、各部の化学反応に適切な温度まで昇温されると、水素生成装置１２０で生成された水素リッチガスが燃料電池１０７に供給されるように流路切替弁１１３を切り替えるとともに、燃料電池用空気供給部１０９から空気を供給させて、燃料電池１０７に発電を開始させる。

発電開始前からここまでの動作は、実施の形態１と同様である。

発電開始後、制御部１１４は、水素生成装置出口配管温度検出部１０８によって、水素リッチガス流路１１０内を流通する水素リッチガスの温度をモニターし、その温度が、予め設定された所定の温度以上になるまでは、予め決められた空気比（例えば１．３）よりも高い空気比（例えば１．５）で、燃焼部１０４に空気が供給されるように制御する。

そして、水素リッチガスの温度が所定の温度以上になると、制御部１１４は、予め決められた空気比１．３となる量の空気が燃焼部１０４に供給されるように制御する。

つまり、制御部１１４は、発電開始後、水素リッチガス流路１１０内を流通する水素リッチガスの温度が所定の温度になるまでは、予め決められた空気比１．３で供給される空気よりも多い、空気比１．５に対応する空気量を、燃焼部１０４に供給するように制御し、所定の温度に達した時点で、空気比１．３に対応する空気量となるように制御する。

ここで、本実施の形態３の燃料電池発電装置において、水素生成装置出口配管温度検出部１０８で検知される水素リッチガスの温度は、発電開始後、図２に示すように変化する。

本実施の形態３の燃料電池発電装置における水素リッチガスの露点は約６４℃であり、発電開始直後の水素リッチガスの温度が６０℃程度であるため、水素リッチガス中の水蒸気が結露して、例えばＣＯ低減部１０６に戻り、突沸して水素生成装置１２０内の圧力が急激に上昇し、燃焼部１０４に供給されるオフガスが急激に増加する可能性がある。

上記の予め設定された所定の温度を、このようなオフガスの急激な増加が起こる可能性が確実に無くなる温度に設定しておけばよい。本実施の形態３の場合には、水素リッチガスの露点は約６４℃なので、この場合には、例えば、その所定の温度を７０〜８０℃程度にしておけばよい。改質効率を重視する場合には、空気比は低い方がよいので、早めに空気量を予め決められた空気比に対応する量にするように低めの温度（例えば７０℃）に設定すればよいし、オフガスの急激な増加の確実な防止を重視する場合には、高めの温度（例えば８０℃）に設定するようにすればよい。

本実施の形態３の場合に、この所定の温度を例えば８０℃に設定すると、図２より、発電開始後に空気を多めに燃焼部１０４に供給するように制御していた制御部１１４は、発電開始の約２０分後に、予め決められている空気比に対応する量の空気量に制御することになる。

実施の形態１では、発電開始後で確実にオフガスの急激な増加の現象が発生しなくなる温度まで上昇する時間として、所定の時間（発電開始３０分後）を設定したのに対し、本実施の形態３では、水素リッチガスの温度に基づいて制御しているため、確実に早く、燃焼部１０４に供給する空気を予め決められた空気比に対応する量にすることができる。

例えば、寒い時期などは水素リッチガスの放熱量が多いために、予め決められた空気比に対応する空気量にするまでに長く時間がかかるが、暑い時期で水素リッチガスの放熱量が少ない場合や、燃料電池１０７が停止していた時間が短くまだ水素リッチガス流路１１０の温度が高い場合などは、予め決められた空気比に対応する空気量にするまでの時間は短くなる。このように、予め決められた空気比に対応する空気量にするまでの時間が状況に応じて適切に決まるので、高い改質効率で確実に燃焼排ガス中のＣＯ発生を抑制することができる。

次に、発電中における、本実施の形態３の燃料電池発電装置の運転方法について説明する。

発電中には、制御部１１４は、水素生成装置出口配管温度検出部１０８によって、水素リッチガス流路１１０内を流通する水素リッチガスの温度を常にモニターしている。

そして、水素リッチガスの温度が、予め設定された所定の温度（例えば７０℃）以下になった場合には、燃料電池発電装置が不安定な状態になったと判断し、燃焼部１０４に供給する空気を、それまで供給していた予め決められた空気比（例えば１．３）に対応した空気量から、より高い空気比（例えば１．５）に対応する空気量になるように制御する。

さらに、水素リッチガスの温度が、別の予め設定された所定の温度（例えば８０℃）以上になった場合には、燃料電池発電装置が安定な状態に戻ったと判断し、燃焼部１０４に供給する空気を、予め決められた空気比１．３に対応した空気量に戻すように制御する。

燃料電池発電装置が不安定な状態になったと判断する所定の温度、および安定な状態に戻ったと判断する所定の温度は、同じ温度であってもよい。また、これらの所定の温度は、発電開始時に空気比を上げておきその後に予め決められた空気比にする際の判断に用いる所定の温度と異なっていてもよい。これらの所定の温度は、その燃料電池発電装置の特性に合わせて設定すればよい。

このように、前記した実施の形態２では、燃料電池発電装置の運転のモードに応じて燃焼部１０４に供給する空気量を制御したのに対し、本実施の形態３では、水素生成装置１２０で生成された水素リッチガスの温度によって燃料電池発電装置の安定状態を判断し燃焼部１０４に供給する空気量を制御する。

したがって、本実施の形態３では、運転のモードが変わった場合でも、燃料電池発電装置が安定な状態のままであると判断した場合には、燃焼部１０４に供給する空気量を予め決められた空気比に対応する空気量のままとするので、燃焼排ガス中のＣＯ発生を確実に抑制しながら高い改質効率で運転することができる。

なお、図１１では、水素生成装置出口配管温度検出部１０８を、水素リッチガス流路１１０上の、流路切替弁１１３よりも水素生成装置１２０側に設けるように示したが、流路切替弁１１３よりも燃料電池１０７側に設けるようにしてもよい。また、水素生成装置出口配管温度検出部１０８ではなく、オフガス流路１１１上に、オフガスの温度を検出する温度検出手段を設け、その温度によって制御するようにしてもよい。

また、水素生成装置出口配管温度検出部１０８で検出される温度の代わりに、燃料電池発電装置に通常設けられている、ＣＯ低減部１０６の温度を検知するＣＯ低減部温度検出部の温度を利用して制御するようにしてもよい。

また、ＣＯ低減部１０６内で結露がある可能性もある。このためＣＯ低減部１０６内に温度検出部を設けて、予め設定した温度以下のときだけ、燃焼部１０４に供給する空気の空気比を高く設定するという方法でもよい。この場合、ＣＯ低減部１０６内に設ける温度検出部の代わりに、通常設けられているＣＯ低減部１０６の温度を検知するＣＯ低減部温度検出部を利用してもよい。

なお、本実施の形態３で、空気比を上げて燃焼部１０４に空気を供給する期間は、連続した期間でなくてもよく、実施の形態２で説明したように図６のような不連続な期間であってもよい。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４の燃料電池発電装置について説明する。

図１２は、本実施の形態４の燃料電池発電装置の構成図である。

本実施の形態４の燃料電池発電装置は、図１に示す実施の形態１の構成にオフガス圧力検出部１１５が設けられている点のみが異なり、それ以外の構成は実施の形態１と同様である。図１と同じ構成部分については、図１と同じ符号を用いる。

本実施の形態４では、オフガス流路１１１内を流通するオフガスの圧力を検知するオフガス圧力検出部１１５が設けられている。制御部１１４は、オフガス圧力検出部１１５で検出されるオフガスの圧力をモニターする。なお、オフガス圧力検出部１１５が、本発明のガス圧力検知手段の一例にあたる。

本実施の形態４の燃料電池発電装置の動作について、実施の形態１および実施の形態２と異なる部分について説明する。

まず、発電開始する際の、本実施の形態４の燃料電池発電装置の運転方法について説明する。

発電を開始する前には、制御部１１４は、水素生成装置１２０で生成された水素リッチガスが燃焼部１０４に流れるように、流路切替弁１１３を切り替えている。そして、制御部１１４は、改質部１０３、ＣＯ低減部１０６、燃料電池１０７の各温度が、各部の化学反応に適切な温度まで昇温されると、水素生成装置１２０で生成された水素リッチガスが燃料電池１０７に供給されるように流路切替弁１１３を切り替えるとともに、燃料電池用空気供給部１０９から空気を供給させて、燃料電池１０７に発電を開始させる。

発電開始前からここまでの動作は、実施の形態１と同様である。

発電開始後、制御部１１４は、オフガス圧力検出部１１５によって、オフガス流路１１１内を流通するオフガスの圧力を常にモニターしている。また、発電中には、制御部１１４は、原料の流量、改質触媒温度、発電量などの燃料電池発電装置の各部の状況から、オフガスの流量を算出し、そのオフガスの圧力値を算出している。

発電開始後、制御部１１４は、オフガス圧力検出部１１５で検知されるオフガスの圧力値が、燃料電池発電装置の各部の状況から算出した所定の圧力値になるまでは、予め決められた空気比（例えば１．３）よりも高い空気比（例えば１．５）で、燃焼部１０４に空気が供給されるように制御する。

そして、オフガスの圧力値が、燃料電池発電装置の各部の状況から算出される所定の圧力値になると、制御部１１４は、予め決められた空気比１．３となる量の空気を燃焼部１０４に供給するように制御する。

つまり、制御部１１４は、発電開始後、オフガスの圧力値が燃料電池発電装置の各部の状況から算出される所定の圧力値に達するまでは、予め決められた空気比１．３に対応する空気量よりも多い、空気比１．５に対応する空気量を、燃焼部１０４に供給するように制御し、所定の圧力値に達した時点で、予め決められた空気比１．３に対応する空気量となるように制御する。なお、燃料電池発電装置の各部の状況から算出される所定の圧力値が、本発明の予め予測される所定の圧力値の一例にあたる。

ここで、本実施の形態４の燃料電池発電装置において、水素生成装置１２０から燃料電池１０７に供給される水素リッチガスの温度は、発電開始後、図２に示すように変化する。

本実施の形態４の燃料電池発電装置における水素リッチガスの露点は約６４℃であり、発電開始直後の水素リッチガスの温度が６０℃程度であるため、水素リッチガス中の水蒸気が結露してＣＯ低減部１０６に戻り、突沸して水素生成装置１２０内の圧力が急激に上昇し、燃焼部１０４に供給されるオフガスが急激に増加する可能性がある。

このときの水素リッチガスの温度は露点よりも低く水素リッチガス中の水蒸気が結露するため、このときの水素リッチガスの流量は、原料の流量や改質触媒温度などから算出される予測流量よりも少なくなる。つまり、オフガス流量も、原料の流量、改質触媒温度、発電量などから算出される予測流量よりも少なくなり、オフガスの圧力値も、予測されるオフガスの圧力値よりも小さい値となる。

つまり、オフガスの圧力値が、燃料電池発電装置の各部の状況から算出されるオフガスの予測圧力値より小さい状態のときは、水素生成装置１２０内の圧力が急激に上昇し、燃焼部１０４に供給されるオフガスが急激に増加する可能性がある状況の場合である。

次に、発電中における、本実施の形態４の燃料電池発電装置の運転方法について説明する。

発電中に、オフガスの圧力値が、燃料電池発電装置の各部の状況から算出されるオフガスの圧力値より小さい状態になった場合には、燃料電池発電装置が不安定な状態になったと判断し、燃焼部１０４に供給する空気を、それまで供給していた予め決められた空気比（例えば１．３）に対応した空気量から、より高い空気比（例えば１．５）に対応する空気量になるように制御する。

さらに、オフガスの圧力値が、燃料電池発電装置の各部の状況から算出されるオフガスの圧力値に戻った場合には、燃料電池発電装置が安定な状態に戻ったと判断し、燃焼部１０４に供給する空気を、予め決められた空気比１．３に対応した空気量に戻すように制御する。

このように、実施の形態３では、燃料電池発電装置の安定状態を水素リッチガスの温度により判断したのに対し、本実施の形態４では、燃料電池発電装置の安定状態をオフガスの圧力値により判断して、燃焼部１０４に供給する空気量を制御する。

したがって、実施の形態３と同様に本実施の形態４も、運転のモードが変わった場合でも、燃料電池発電装置が安定な状態のままであると判断した場合には、燃焼部１０４に供給する空気量を予め決められた空気比に対応する空気量のままとするので、燃焼排ガス中のＣＯ発生を確実に抑制しながら高い改質効率で運転することができる。

なお、本実施の形態４では、オフガスの圧力を検知することとしたが、オフガス圧力検出部１１５の代わりに、水素リッチガス流路１１０上に水素リッチガスの圧力を検出する水素リッチガス圧力検出手段を設け、原料の流量や改質部温度などの燃料電池発電装置の各部の状況から算出される水素リッチガスの予測圧力値と比較して燃料電池発電装置の安定状態を判断させて、燃焼部１０４に供給する空気量を制御するようにしてもよい。

なお、本実施の形態４で、空気比を上げて燃焼部１０４に空気を供給する期間は、連続した期間でなくてもよく、実施の形態２で説明したように図６のような不連続な期間であってもよい。

なお、実施の形態１で説明した発電開始時や、実施の形態２で説明した発電量の増減および発電量が通常よりも少なくなっている状態が、本発明の発電に関する要因の一例にあたる。

また、実施の形態３で示した、水素リッチガス流路１１０を流れる水素リッチガスの温度やＣＯ低減部１０６の温度などの各部の温度が、本発明の温度に関する要因の一例にあたる。

また、実施の形態４で示した、オフガスや水素リッチガスの圧力が、本発明のガス圧力に関する要因の一例にあたる。

また、空気比を高くして燃焼部１０４に空気を供給する本発明の運転方法は、本実施の形態１で説明した発電開始時のモードや、本実施の形態２で説明した、発電量を増減させるモードや発電量を通常よりも少なくするモードに限定して適用されるものではなく、燃料電池発電装置が不安定になるようなその他のモードにも適用できる。

また、各実施形態において、予め決められる空気比を１．３、それよりも高くする空気比を１．５として説明したが、これらの空気比は、これらの数値に限定されるものではなく、燃料電池発電装置の特性に応じて装置毎に設定されるものである。

また、予め決められる空気比よりも高くする空気比は、定常運転時に対して予め決められる空気比よりも高ければよく、これらの数値の差の大小は問わない。例えば、予め決められる空気比を１．２０とし、それよりも高くする空気比を１．２１とするなど、これらの数値の差が小さくてもよいし、また大きくてもかまわない。

なお、各実施の形態の燃料電池発電装置では、燃焼部１０４の燃焼用ガスとして燃料電池１０７から排出されるオフガスのみを使用することとして説明したが、燃焼部１０４の燃焼用ガスとして、オフガスと他の燃焼物質（例えば、改質部２０３に供給される原料）を混合して燃焼させるような構成の場合でも、本発明を適用できる。

また、各実施の形態の燃料電池発電装置では、燃焼部１０４における燃焼によってのみ改質部１０３を加熱することとして説明したが、改質部１０３の加熱を、燃焼部１０４における燃焼と他の手段（例えば、電気ヒータ）を兼用して行わせるような構成の場合でも、本発明を適用できる。

なお、本発明のプログラムは、上述した本発明の燃料電池発電装置の運転方法の、空気量制御ステップの全部または一部のステップの全部または一部の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。

また、本発明の記録媒体は、上述した本発明の燃料電池発電装置の運転方法の、空気量制御ステップの全部または一部の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムを記録した記録媒体であり、コンピュータにより読み取り可能かつ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協働して利用される記録媒体である。

また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。

また、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれる。

また、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。

なお、以上説明した様に、本発明の構成の一部は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。

本発明にかかる燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法は、不完全燃焼を防止し燃焼排ガス中のＣＯを抑制できるので、家庭用の燃料電池発電装置、産業用の燃料電池発電装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における燃料電池発電装置の構成図 本発明の実施の形態１における燃料電池発電装置の運転方法を用いた場合の、発電開始時点からの、燃焼排ガス中のＣＯと水素生成装置出口配管温度の経時変化を示すグラフ 従来の燃料電池発電装置の運転方法を用いた場合の、発電開始時点からの、燃焼排ガス中のＣＯと水素生成装置出口配管温度の経時変化を示すグラフ 発電中の燃料電池発電装置の燃焼部における、空気比と燃焼排ガス中のＣＯとの相関図を示すグラフ 本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の運転方法を用いた場合の、発電中に発電量を増加させる場合の、燃焼部に設定する空気比と供給される空気量を示す模式グラフ 本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の他の運転方法を用いた場合の、発電中に発電量を増加させる場合の、燃焼部に設定する空気比と供給される空気量を示す模式グラフ 本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の運転方法を用いた場合の、発電中に発電量を減少させる場合の、燃焼部に設定する空気比と供給される空気量を示す模式グラフ 本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の運転方法を用いて、発電中に発電量を増減させた場合の、燃焼部の燃焼排ガス中のＣＯと発電量の経時変化を示すグラフ 従来の燃料電池発電装置の運転方法を用いて、発電中に発電量を増減させた場合の、燃焼部の燃焼排ガス中のＣＯと発電量の経時変化を示すグラフ 本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の運転方法を用いた場合の、発電中に発電量を少なくした場合の、燃焼部に設定する空気比と供給される空気量を示す模式グラフ 本発明の実施の形態３における燃料電池発電装置の構成図 本発明の実施の形態４における燃料電池発電装置の構成図 従来の、オフガスを燃焼部の燃焼用ガスとして使用する燃料電池発電装置の構成図

符号の説明

１０１ 原料供給部
１０２ 水供給部
１０３ 改質部
１０４ 燃焼部
１０５ 燃焼部用空気供給部
１０６ ＣＯ低減部
１０７ 燃料電池
１０８ 水素生成装置出口配管温度検出部
１０９ 燃料電池用空気供給部
１１０ 水素リッチガス流路
１１１ オフガス流路
１１２ バイパス流路
１１３ 流路切替弁
１１４ 制御部
１１５ オフガス圧力検出部
１２０ 水素生成装置

Claims (18)

1. 原料と水蒸気を反応させて改質ガスを生成する改質部、前記改質ガス中のＣＯ濃度を低減させるＣＯ低減部、燃焼用ガスを燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部、前記燃焼用ガスを燃焼させるための空気を前記燃焼部に供給する空気供給部を有し、水素リッチガスを生成する水素生成装置と、
   酸化剤ガスと前記水素リッチガスとを使用して発電を行う燃料電池と、
   前記水素生成装置と前記燃料電池との間に設けられ、前記水素リッチガスを流通させる水素リッチガス流路と、
   前記燃料電池と前記燃焼部との間に設けられ、前記水素リッチガスのうち前記燃料電池で発電に使用されなかったオフガスを、前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給するオフガス流路と、
   前記空気供給部が前記燃焼部に供給する前記空気の量を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、発電開始後の所定期間、空気比が、定常発電時に対して予め決められている空気比よりも高くなるように、前記空気供給部を制御する、燃料電池発電装置。
2. 前記水素リッチガス流路上に設けられ、前記水素生成装置で生成された前記水素リッチガスを、前記燃料電池に供給させるか、前記燃焼部に供給させるかを切り替える流路切替弁と、
   前記流路切替弁と前記燃焼部との間に設けられ、前記水素リッチガスを前記燃焼用ガスとして前記燃焼部に供給するバイパス流路とを備え、
   前記制御部は、発電開始時に前記流路切替弁を制御して、発電開始前には前記水素生成装置から前記燃焼部に供給されていた前記水素リッチガスを、発電開始後には前記燃料電池に供給されるようにする、請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記所定期間は、発電開始指示のタイミングに応じて決まる連続または不連続の一定の期間である、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記所定期間は、発電量増減指示のタイミングに応じて決まる連続または不連続の一定の期間である、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
5. 前記一定の期間の長さは、発電量に応じて異なる、請求項３または４に記載の燃料電池発電装置。
6. さらに、外気の温度を検出する外気温検出部を備え、
   前記一定の期間の長さは、前記外気の温度に応じて異なる、請求項３または４に記載の燃料電池発電装置。
7. 前記所定期間は、発電量が増加している期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
8. 前記所定期間は、発電量が減少している期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
9. 前記所定期間は、発電量が所定の発電量よりも少なくなっている期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
10. さらに、前記水素リッチガス流路の温度を検出する流路温度検出部を備え、
    前記所定期間は、前記流路温度検出部で検出される温度が、予め設定された温度以下となっている期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
11. 前記ＣＯ低減部は、前記ＣＯ低減部の温度を検出するＣＯ低減部温度検出部を有し、
    前記所定期間は、前記ＣＯ低減部温度検出部で検出される温度が、予め設定された所定の温度以下となっている期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
12. さらに、前記水素リッチガス流路を流通する前記水素リッチガスの圧力、または、前記オフガス流路を流通する前記オフガスの圧力を検知するガス圧力検知手段を備え、
    前記所定期間は、前記ガス圧力検知手段で検知される圧力値が予め設定された所定の圧力値よりも大きくなっている期間に基づいて決まる連続または不連続の期間である、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置。
13. 空気を供給して、燃焼用ガスを燃焼させて改質部を加熱する加熱ステップと、
    前記改質部で、原料と水蒸気を反応させて改質ガスを生成する改質ガス生成ステップと、
    前記改質ガス中のＣＯ濃度を低減して水素リッチガスを生成する水素リッチガス生成ステップと、
    酸化剤ガスと前記水素リッチガスを燃料電池に供給して発電する発電ステップと、
    前記水素リッチガスのうち前記燃料電池で発電に使用されなかったオフガスを、前記燃焼用ガスとして供給するオフガス供給ステップと、
    発電開始後の所定期間、空気比が、定常運転時に対して予め決められている空気比よりも高くなるように、前記供給する空気の量を制御する空気量制御ステップとを備えた、燃料電池発電装置の運転方法。
14. 前記所定期間は、少なくとも発電に関する要因によって決まる、請求項１３に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
15. 前記所定期間は、少なくとも温度に関する要因によって決まる、請求項１３に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
16. 前記所定期間は、少なくともガス圧力に関する要因によって決まる、請求項１３に記載の燃料電池発電装置の運転方法。
17. 請求項１３に記載の燃料電池発電装置の運転方法の、発電開始後の所定期間、空気比が、定常運転時に対して予め決められている空気比よりも高くなるように、供給する空気の量を制御する前記空気量制御ステップを、コンピュータに実行させるためのプログラム。
18. 請求項１７に記載のプログラムを記録した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。
    

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