JP2008243771A - 燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化水素系の燃料ガスを利用する燃料電池発電装置において、出力を変化させる場合でも水の突沸に起因する発電セルの破損を防止できる燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法の提供。
【解決手段】燃料電池スタック及び燃料改質器を含む燃料電池モジュールと燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と制御手段とを備え、水蒸気供給手段に水移送ポンプと水蒸気発生器とを備える燃料電池発電装置において、制御手段は、出力を変化させる場合に、水蒸気発生器の出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気の温度又は温度変化が所定の範囲内となるように水流量を変化させるか、燃料ガス流量の変化から所定時間遅らせて水流量を変化させるか、燃料ガス流量の変化よりも緩やかに水流量を変化させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法に関し、特に、炭化水素系の燃料ガスを利用する燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置における水流量を制御する制御プログラム並びに制御方法に関する。

ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池発電装置は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用途などに利用されている。この燃料電池発電装置は、反応温度や電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００℃程度以下の低温型には、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）などがあり、高温型には、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などがある。

この中で、固体酸化物型は、運転温度が高いためにＰｔ等の高価な貴金属の触媒を使用する必要がなく、排熱が利用しやすく、また、電池構成材料が全て固体でできていることから構成がシンプルであり、高い発電効率が得られるなどの特徴があり、近年盛んに開発が行われている。また、燃料電池発電装置は、発電セルの形状により、円筒型、モノリス型、平板積層型の３つに分類されるが、発電セルの形成が容易な平板積層型が広く採用されている。

上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池装置は、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。発電セルは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層とで挟み込んだ積層構造を有し、空気極側には酸化剤ガスとしても酸素（空気）が供給され、燃料極側には燃料ガスが供給されるようになっている。

上記空気極層及び燃料極層は、酸素や燃料ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように多孔質材料で形成されている。また、セパレータ或いはインターコネクタは、発電セル間を電気的に接続すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して燃料極層に向かって吐出させる通路を有している。また、セパレータと空気極層との間には空気極集電体が配置され、セパレータと燃料極層との間には燃料極集電体が配置されている。

上記構成の固体酸化物燃料電池では、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸化剤ガス（酸素）は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^２−）になる。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極との界面近傍で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ_２Ｏ等）となり、燃料極に電子を放出する。そして、この電子を燃料極集電体から取り出すことによって電流が発生する。上記電極反応（発電反応）は、燃料ガスとして水素を用いた場合は以下のようになる。

空気極： １／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｏ^２−
燃料極： Ｈ_２ ＋ Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻
全体 ： Ｈ_２ ＋ １／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ

ここで、燃料ガスとして水素を使用する場合、水素の濃度をコントロールするために窒素が混合されるが、装置が大型化するにつれて窒素の使用量が増加してしまう。そこで、燃料ガスとして水素に代えて都市ガスや天然ガスなどの炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置が提案されている（例えば、下記引用文献１参照）。

この燃料電池発電装置は、例えば、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに酸化剤ガスを導入する空気供給系と、燃料電池スタックに燃料ガスを導入する燃料ガス供給系と、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水蒸気供給系と、各種制御を行う制御手段などで構成され、燃料電池スタックと燃料改質器とで燃料電池モジュールが構成され、燃料改質器では、次式に示す炭化水素系ガスと水蒸気との反応（いわゆる改質反応）により水素を生成する。

ＣＨ_４ ＋ ２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ４Ｈ_２

上記反応において、炭化水素系ガスの量に比べて水蒸気の量が少なすぎると、燃料改質器内で炭化水素系ガス中の炭素が析出して燃料改質器の性能が劣化する。一方、炭化水素系ガスの量に比べて水蒸気の量が多すぎると、炭化水素濃度が減少し、燃料不足によりセル電圧が急激に低下する。従って、炭化水素系ガスと水蒸気を反応させる場合には、炭化水素系ガスと水蒸気の比率を略一定に保つことが重要となる。

特開２００２−２６０６９７号公報（第４−９頁、第２図）

ここで、燃料電池発電装置の出力を一定に保つ場合には、炭化水素系ガス及び水蒸気を略一定の流量で供給すればよいが、燃料電池発電装置の出力を変化させる場合には、燃料ガス供給系に設置された燃料ガスブロアや水蒸気供給系に設置された水移送ポンプなどを制御して、炭化水素系ガス及び水蒸気の量を変化させる必要がある。

その場合、炭化水素系ガスは通常、常温において気体であるため、燃料ガスブロアで流量を簡単に制御することが可能であるが、水蒸気は水蒸気発生器で水を蒸発させて発生させるため、水蒸気発生器に供給する水の流量を急激に変化させると、水の突沸などにより水蒸気の発生が不安定となり、上述したように、水の突沸により炭化水素濃度が減少すると、燃料不足によりセル電圧が急激に低下し、最悪の場合、濃度過電圧の上昇がセル部分での発熱をもたらし、発電セルが破損してしまう恐れがある。そして、この現象が積層された発電セルの１枚に起こると、この部分での抵抗発熱により、発電セルが直列で配置された燃料電池モジュール全体が作動しなくなるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、炭化水素系の燃料ガスを利用する燃料電池発電装置において、出力を変化させる場合でも、水蒸気に起因する不具合、特に、水の突沸に起因する発電セルの破損を未然に防止することができる燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力を変化させる場合に、前記出力の変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、前記水蒸気発生器の出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気の温度を監視し、前記水蒸気の温度又は温度変化が所定の範囲内となるように、前記水蒸気発生器に供給する水の流量を変化させる制御を行うものである。

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力を変化させる場合に、前記出力の変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、前記燃料ガス流量の変化から所定時間遅らせて、前記水蒸気発生器に供給する水流量を変化させる制御を行うものである。

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力を変化させる場合に、前記出力の変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、前記燃料ガス流量の変化よりも緩やかに、前記水蒸気発生器に供給する水流量を変化させる制御を行うものである。

本発明においては、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力を減少させる場合にのみ、前記制御を行う構成とすることができる。

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、上記いずれか一に記載の制御手段、として機能させるものである。

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池スタックの出力変化を指示する第１のステップと、前記出力変化に応じて燃料ガス流量を変化させる第２のステップと、前記水蒸気発生器の出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気の温度を監視し、前記水蒸気の温度又は温度変化が所定の範囲内となるように、前記水蒸気発生器に供給する水の流量を変化させる第３のステップと、を少なくとも有するものである。

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池スタックの出力変化を指示する第１のステップと、前記出力変化に応じて燃料ガス流量を変化させる第２のステップと、前記燃料ガス流量の変化から所定時間遅らせて、前記水蒸気発生器に供給する水流量を変化させる第３のステップと、を少なくとも有するものである。

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池スタックの出力変化を指示する第１のステップと、前記出力変化に応じて燃料ガス流量を変化させる第２のステップと、前記燃料ガス流量の変化よりも緩やかに、前記水蒸気発生器に供給する水流量を変化させる第３のステップと、を少なくとも有するものである。

本発明においては、前記燃料電池スタックの出力を減少させる場合は前記第３のステップを実行し、前記燃料電池スタックの出力を増加させる場合は前記出力変化に応じて前記水流量を変化させる構成とすることができる。

このように、本発明の構成によれば、出力を変化させる場合でも水蒸気を適切に供給することができ、これにより、水蒸気に起因する不具合、特に、水の突沸に起因する発電セルの破損を未然に防止することができる。

本発明の燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法によれば、炭化水素系の燃料ガスを利用する燃料電池発電装置において、出力を変化させる場合でも、水蒸気に起因する不具合、特に、水の突沸による発電セルの破損を未然に防止することができる。

その理由は、燃料電池発電装置の制御部又は制御プログラムは、出力を変化させる場合に、水蒸気発生器の出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気の温度又は温度変化が所定の範囲内となるように水流量を変化させるか、燃料ガス流量を変化から所定時間遅らせて水流量を変化させるか、燃料ガス流量の変化よりも緩やかに水流量を変化させるため、水蒸気発生器内の水の突沸を抑制して水蒸気を適切に供給することができるからである。

本発明は、その好ましい一実施の形態において、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、各種供給手段を制御する制御手段と、を備え、水蒸気供給手段に、タンクの水を移送する水移送ポンプと、移送された水から水蒸気を発生する水蒸気発生器と、を備える燃料電池発電装置において、制御手段は、燃料電池スタックの出力を変化させる場合に、出力の変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、水蒸気発生器の出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気の温度又は温度変化が所定の範囲内となるように水蒸気発生器に供給する水流量を変化させるか、出力の変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、燃料ガス流量の変化から所定時間遅らせて水蒸気発生器に供給する水流量を変化させるか、出力の変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、燃料ガス流量の変化よりも緩やかに水蒸気発生器に供給する水流量を変化させ、水蒸気発生器内の水の突沸を抑制して水蒸気を適切に供給できるようにする。以下、その具体的構成について、図面を参照して説明する。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法について、図１乃至図７を参照して説明する。図１は、本実施例の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。また、図２は、燃料電池モジュール内の燃料電池スタックの具体的構成例を示す図であり、図３は、本実施例の燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。また、図４は、本実施例の燃料電池発電装置における水及び燃料の流量、水蒸気温度、セル電圧、モジュール端出力の相関関係を示す図であり、図５乃至図７は、燃料ガス流量と水流量の関係を模式的に示す図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池発電装置１は、燃料ガス（都市ガスや天然ガス、ＬＰＧガスなどの炭化水素ガス）や酸化剤ガス（酸素や空気など）、水蒸気の流量に応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガスを導入する空気ブロア６や空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガスブロア７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料電池モジュール２内に配設され、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や水蒸気発生器１０、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、水蒸気発生器１０の出口近傍の温度を測定する温度測定部１０ａと、燃料電池発電装置１の各種動作を制御する制御部５と、燃料電池スタック３からの直流出力を交流出力に変換して交流電力を外部負荷に供給するインバータ（図示せず）などで構成され、上記水蒸気発生器１０は、燃料電池モジュール２の排熱を有効に利用して水蒸気を発生できるように、燃料電池モジュール２の境界部分に配置されている。

また、上記制御部５は、燃料電池発電装置１の出力を変化させる場合に、温度測定部１０ａで測定した水蒸気発生器１０出口近傍の水蒸気の温度又は温度変化に基づいて水蒸気発生器１０に供給する水流量を変化させたり、出力変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、燃料ガス流量の変化から所定時間遅らせて水蒸気発生器１０に供給する水流量を変化させたり、燃料ガス流量の変化よりも緩やかに水蒸気発生器１０に供給する水流量を変化させるなどの制御を行う。

この制御部５は、通常、燃料電池発電装置１の制御装置内に設けられ、制御装置の演算処理部や表示部、操作部などと協働して動作するように構成されるが、制御部５は制御装置内にハードウェアとして構成してもよいし、コンピュータ（ソフトウェアを実行可能なハードウェア資源の総称）を、上記制御部５として機能させる制御プログラムとして構成し、該制御プログラムを制御装置で実行させるようにしてもよい。

なお、水蒸気の温度又は温度変化に基づく制御を行う場合は温度測定部１０ａを設ける必要があるが、タイミングを遅らせる制御や、流量を緩やかにする制御を行う場合は、温度測定部１０ａは省略することができる。

また、図１に示した燃料電池発電装置１の燃料電池スタック３の構成は特に限定されないが、例えば、図２に示すような構成とすることができる。具体的に説明すると、燃料電池モジュール２内に配置される燃料電池スタック３は、固体電解質層１２の両面に燃料極層１３と空気極層１１とを配置した発電セル１４と、燃料極層１３の外側に配置した燃料極集電体１９と、空気極層１１の外側に配置した空気極集電体１８と、各集電体の外側に配したセパレータ１７とからなる単セルが縦方向に多数積層されて構成されている。

固体電解質層１２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層１３はＮｉ、Ｃｏ等の金属又はＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層１１はＬａＭｎＯ_３、ＬａＣｏＯ_３等で構成されている。また、燃料極集電体１９はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１８はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１７はステンレス等で構成されている。

また、セパレータ１７は、発電セル１４間を電気的に接続すると共に、発電セル１４に対してガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ１７の外周面から導入して燃料極集電体１９に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ１７の外周面から導入して空気極集電体１８に対向する面に吐出する酸化剤ガス通路とを備えている。

また、この燃料電池スタック３の両側にはステンレス等で形成された一対の端板１５、１６が配置されており、燃料電池スタック３の電力はこの上下一対の端板１５、１６を介して外部に取り出すことができるようになっている。

また、この燃料電池スタック３は、発電セル１４の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造となっており、運転時には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を通してセパレータ１７の略中心部から発電セル１４に向けて供給される燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を発電セル１４の外周方向に拡散させながら燃料極層１３及び空気極層１１の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル１４の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっており、ハウジングの内部空間に放出された排ガスは排気穴より燃料電池モジュール２外に排出されるようになっている。

なお、図２では、シールレス構造の燃料電池スタック３を示したが、燃料電池スタック３が隔壁によって密閉されるシール構造に対しても、本発明を適用することができる。

次に、上記構成の燃料電池発電装置１を用いた具体的な制御手順について、図３のフローチャート図を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１で、コールドスタンバイ状態（常温状態）において、制御装置のボタン操作などによって燃料電池発電装置１の起動が指示されると、制御部５は、燃料電池モジュール２を起動用のヒータやバーナにより加熱して、燃料電池スタック３を発電可能な温度まで昇温させる。

次に、ステップＳ１０２で、制御部５は、空気供給系を制御して、燃料電池スタック３に所定の流量の空気を供給し、引き続きステップＳ１０３で、燃料ガス供給系及び水蒸気供給系を制御して、燃料電池スタック３に所定の流量の燃料ガス及び水蒸気を供給する。

次に、ステップＳ１０４で、制御部５は、燃料電池スタック３の温度を監視し、ステップＳ１０５で、燃料電池スタック３が所定の温度に達したらホットスタンバイ状態になったと判断して、ステップＳ１０６で発電を開始する。例えば、ホットスタンバイ状態（出力０Ｗ）から燃料電池スタック３の温度を上げながら定格（例えば、出力３００Ｗ）まで徐々に取得電流を増加させる。

定格出力到達後、出力を略一定に保持する場合は、燃料ガスや空気、水蒸気の流量を略一定に保って供給すればよいが、ステップＳ１０７で、出力を増加又は減少させる場合には、燃料ガスや空気、水蒸気の流量を出力に応じて増加又は減少させる必要があり、その場合、従来技術で示したように、燃料ガスの流量変化に比例して水の流量を急激に変化させると、水の突沸などにより発電セル１４が破損するなどの不具合が生じる。

このメカニズムについて説明する。水蒸気発生器１０は、燃料電池モジュール２からの５００℃程度の高温の排ガスを利用して水を気化させており、水蒸気発生器１０内部には水の気化を容易にするために、粒状のジルコニアやアルミナなどのセラミックスが装填されている。これらのセラミックスは熱容量が大きく、安定的に水を気化するのに役立っているが、供給する水の量が急激に変化する状況ではこの大きな熱容量がかえって悪影響をもたらす。例えば、水の流量が急激に変化した場合は、水蒸気発生器１０内部の水面の位置が上下し、特に水の流量が減少した場合には、水位が大きく低下するために、その水位の高低差分だけの水が一気に水蒸気として蒸発してしまう。この現象が起こると、燃料電池スタック３に供給される燃料ガスに一時的に過分な水蒸気が供給されてしまうために燃料濃度が減少し、発電セル１４の電圧が大幅に減少する。図８は従来の燃料電池発電装置における水蒸気温度（○）とセル電圧（□）と燃料ガス流量（△）とモジュール端電圧（◇）と水流量（実線）の相関関係を示す図であり、破線で囲んだ部分でセル電圧が急激に低下していることが分かる。そして、発電セル１４の電圧が低下すると、発電セル１４でのモジュール発熱が大きくなり、発電セル１４が破損してしまう。

そこで、本実施例では、ステップＳ１０７で出力を変化させる場合において、制御部５は、燃料ガス供給系を制御して出力の変化に応じて燃料ガスの流量を迅速に変化させるが、水蒸気発生器１０での水の突沸を抑制して水蒸気の発生が緩やかに変化するように水蒸気供給系を制御する。この制御の方法として、以下の３つが考えられる。

第１の制御方法（ステップＳ１０８）は、水蒸気の温度又は温度変化に基づく方法であり、制御部５は、水蒸気発生器１０の出口近傍に設けた熱電対などの温度測定部１０ａで測定した水蒸気の温度を監視し、水蒸気の温度又は温度変化が所定の範囲内となるように水流量を制御する。例えば、出力を減少させる場合に水の流量を減少させると、水蒸気発生器１０内部の水位が低下し、セラミックスの熱容量に起因して高温の水蒸気が発生するため、図８の実線で囲んだ部分に示すように、水蒸気の温度が急激に上昇する。そこで、水蒸気の温度又は温度上昇が規定値以上となったら、水移送ポンプ８や図示しない水供給調整弁などを制御して水蒸気発生器１０に供給する水の流量を減らし、水蒸気の温度又は温度上昇が所定の範囲内に収まるようにする。

上記規定値や所定の範囲は、水蒸気発生器１０の構造や性能等に応じて適宜設定することができる。また、水蒸気の温度に基づく制御は、水流量を増加させる場合と減少させる場合の双方で行ってもよいが、水の突沸は水流量を減少させる場合に生じやすいことから、水流量を減少させる場合にのみ上記制御を行う構成としてもよい。また、ここでは水蒸気の温度又は温度変化に基づいて水流量を制御する構成としたが、水の突沸が生じると水蒸気が急激に発生することから、水蒸気発生器１０の出口側に流量計や圧力弁などを設けておき、水蒸気の流量や圧力の変化に基づいて水流量を制御する構成とすることもできる。

また、第２の制御方法（ステップＳ１０９）は、燃料ガス流量の変化と水流量の変化のタイミングをずらす方法であり、制御部５は、燃料ガスブロア７などの燃料ガス供給系を制御して燃料ガス流量を変化させると共に、燃料ガス流量の変化から所定の時間経過後に、水移送ポンプ８や図示しない水供給調整弁などの水蒸気供給系を制御して水流量を変化させる。

この制御方法について図４、図５、図８を参照して説明する。図４は、本実施例の燃料電池発電装置１における水蒸気温度（○）とセル電圧（□）と燃料ガス流量（△）とモジュール端電圧（◇）と水流量（実線）の相関関係を示す図であり、図５は、燃料ガス流量と水流量の関係を模式的に示す図である。図８に示すように、従来の燃料電池発電装置では、出力の変化に合わせて燃料ガス流量（△）と水流量（実線）を同時に変化させていたが、本実施例の燃料電池発電装置１では、図４及び図５（ａ）に示すように、燃料ガス流量（一点鎖線）の変化に対して水流量（実線）の変化を所定時間（Ｔ）だけ遅らせている。

このような制御を行うことにより、例えば、出力を下げる場合に、燃料ガス流量が減少して発電反応が抑制され、燃料電池モジュール２内の温度がある程度低下してから水流量が減少し始めるため、水の突沸を抑制することができる。この場合、燃料として供給するスチーム／カーボン比は一時的に上下するが、この変動は発電性能に殆ど影響はない。

上記所定時間は燃料改質器４や燃料電池スタック３の構造や性能等に応じて適宜設定することができる。また、図５（ａ）では、水流量を増加させる場合と減少させる場合の双方に対して、タイミングをずらす構成としたが、水の突沸は水流量を減少させる場合に生じやすいことから、図５（ｂ）に示すように、水流量を減少させる場合にのみ上記制御を行う構成してもよい。

また、第３の制御方法（ステップＳ１１０）は、燃料ガス流量の変化率と水流量の変化率を変える方法であり、制御部５は、燃料ガスブロア７などの燃料ガス供給系の制御と、水移送ポンプ８や図示しない水供給調整弁などの水蒸気供給系の制御とを同期させるが、燃料ガス流量の変化よりも緩やかに水流量を変化させる。例えば、図６（ａ）に示すように、燃料ガス流量（一点鎖線）の変化に対して、スチーム／カーボン比を一定に保つために、通常、破線のように水流量を変化させているが、本制御では、実線のように燃料ガス流量の変化よりも緩やかに水流量を変化させる。

このような制御を行うことにより、例えば、出力を下げる場合に、燃料ガス流量の低下に伴う燃料電池モジュール２内の温度低下に対して、ゆっくりと水流量が減少するため、第２の制御方法と同様の効果を得ることができる。この場合も、燃料として供給するスチーム／カーボン比は一時的に上下するが、この変動は発電性能に殆ど影響はない。

水流量の変化率（傾き）は燃料改質器４や燃料電池スタック３の構造や性能等に応じて適宜設定することができる。また、図６（ａ）では、水流量を増加させる場合と減少させる場合の双方に対して、水流量を緩やかに変化させる構成としたが、水の突沸は水流量を減少させる場合に生じやすいことから、図６（ｂ）に示すように、水流量を減少させる場合にのみ上記制御を行う構成してもよい。また、図６では、水流量の変化率を一定（傾きを直線）としたが、突沸が生じやすい初期段階において、燃料ガス流量の変化に対して水流量が緩やかに変化すればよく、例えば、図７（ａ）に示すように、水流量の変化率を段階的に変化させる構成としてもよいし、図７（ｂ）に示すように、水流量の変化率を連続的に変化させる構成としてもよい。

上記説明では、第１乃至第３の制御方法を個別に適用する場合を示したが、例えば、燃料ガス流量の変化から所定時間遅らせて水流量を変化させ、かつ、燃料ガス流量の変化よりも緩やかに水流量を変化させるなど、第１乃至第３の制御方法を任意に組み合わせることもできる。なお、図５乃至図７は、燃料ガス流量と水流量の関係を説明するための図であり、燃料ガス流量や水流量の流量値、変化パターンなどは図の構成に限定されない。

そして、燃料電池発電装置１の停止が指示されるまで発電を継続し、ステップＳ１１１で運転の停止が指示されたら、ステップＳ１１２で、燃料電池スタック３の温度を下げながら徐々に取得電流を下げて燃料電池発電装置１の運転を停止する。

このように、本実施例の燃料電池発電装置１では、出力を変化させる場合に、制御部５は、水蒸気発生器１０の出口近傍の水蒸気の温度又は温度変化が所定の範囲内となるように水流量を制御したり、燃料ガス流量の変化から所定時間遅らせて水流量を変化させたり、燃料ガス流量の変化よりも緩やかに水流量を変化させる制御を行うため、水蒸気発生器１０内の水の突沸を抑制することができ、これにより水蒸気を多く含む燃料ガスが発電セル１４に供給されて発電セル１４が破損するという問題を回避して、燃料電池発電装置１を安定して運転することができる。

なお、上記実施例では、炭化水素系の燃料ガスと水蒸気とを用いる燃料電池発電装置１について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、水蒸気と反応させて水素ガスを得る任意の燃料ガスを用いる燃料電池発電装置１に対して同様に適用することができる。また、上記実施例では、シールレスタイプの燃料電池発電装置１について記載したが、シールタイプの燃料電池発電装置１においても、同様に適用することができる。

本発明は、固体酸化物型燃料電池発電装置において特に有効であるが、固体高分子型燃料電池発電装置、リン酸型燃料電池発電装置、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置などの他の種類の燃料電池発電装置に対しても適用することが可能である。

本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの具体的構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における水及び燃料の流量、水蒸気温度、セル電圧、モジュール端出力の相関関係を示す図を示すチャート図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における燃料ガス流量と水流量との関係（変化のタイミング）を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における燃料ガス流量と水流量との関係（変化率の相違）を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置における燃料ガス流量と水流量との関係（変化パターンの相違）を模式的に示す図である。 従来の燃料電池発電装置における水及び燃料の流量、水蒸気温度、セル電圧、モジュール端出力の相関関係を示す図を示すチャート図である。

符号の説明

１ 燃料電池発電装置
２ 燃料電池モジュール
３ 燃料電池スタック
４ 燃料改質器
５ 制御部
６ 空気ブロア
７ 燃料ガスブロア
８ 水移送ポンプ
９ 純水タンク
１０ 水蒸気発生器
１０ａ 温度測定部
１１ 空気極層
１２ 固体電解質層
１３ 燃料極層
１４ 発電セル
１５、１６ 端板
１７ セパレータ
１８ 空気極集電体
１９ 燃料極集電体

Claims (9)

1. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力を変化させる場合に、前記出力の変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、前記水蒸気発生器の出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気の温度を監視し、前記水蒸気の温度又は温度変化が所定の範囲内となるように、前記水蒸気発生器に供給する水の流量を変化させる制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力を変化させる場合に、前記出力の変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、前記燃料ガス流量の変化から所定時間遅らせて、前記水蒸気発生器に供給する水流量を変化させる制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
3. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力を変化させる場合に、前記出力の変化に応じて燃料ガス流量を変化させると共に、前記燃料ガス流量の変化よりも緩やかに、前記水蒸気発生器に供給する水流量を変化させる制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
4. 前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力を減少させる場合にのみ、前記制御を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の燃料電池発電装置。
5. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
   コンピュータを、請求項１乃至４のいずれか一に記載の制御手段、として機能させることを特徴とする制御プログラム。
6. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、
   前記燃料電池スタックの出力変化を指示する第１のステップと、
   前記出力変化に応じて燃料ガス流量を変化させる第２のステップと、
   前記水蒸気発生器の出口近傍に設けた温度測定部で測定した水蒸気の温度を監視し、前記水蒸気の温度又は温度変化が所定の範囲内となるように、前記水蒸気発生器に供給する水の流量を変化させる第３のステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
7. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、
   前記燃料電池スタックの出力変化を指示する第１のステップと、
   前記出力変化に応じて燃料ガス流量を変化させる第２のステップと、
   前記燃料ガス流量の変化から所定時間遅らせて、前記水蒸気発生器に供給する水流量を変化させる第３のステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
8. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記水蒸気供給手段とを制御する制御手段と、を少なくとも備え、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界に設置され、水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記水蒸気発生器に水を供給する水供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、
   前記燃料電池スタックの出力変化を指示する第１のステップと、
   前記出力変化に応じて燃料ガス流量を変化させる第２のステップと、
   前記燃料ガス流量の変化よりも緩やかに、前記水蒸気発生器に供給する水流量を変化させる第３のステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
9. 前記燃料電池スタックの出力を減少させる場合は前記第３のステップを実行し、前記燃料電池スタックの出力を増加させる場合は前記出力変化に応じて前記水流量を変化させることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一に記載の燃料電池発電装置の制御方法。

Images