JP2012216406A

JP2012216406A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2012216406A
Application number: JP2011080574A
Authority: JP
Inventors: Toshio Yamaki; 理生山木; Yukitsugu Masumoto; 幸嗣桝本; Kazuhiro Hirai; 一裕平井; Masami Hamaso; 正美濱走
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-11-08

Abstract

【課題】改質燃料ガス中に含まれる水素に起因する燃料電池の性能低下を抑えることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガス供給手段１５からの原燃料ガスを改質するための改質器１０と、改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池４と、燃料電池４での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて改質器１０を加熱するための燃焼手段３６と、原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段５２と、燃料電池４の出力電流を検知するための電流検知手段５６と、燃料電池４を制御するための制御手段５０と、を備え、燃料電池４の所定出力時において、流量検知手段５２の検知流量が所定出力に対応する設定流量値を超え且つ電流検知手段５６の検知電流が所定出力に対応する設定電流値を超えると、制御手段５０は、燃料電池４の出力電力を抑制制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料ガスを改質した改質燃料ガスを用いて発電を行い、発電後の反応燃料ガスを燃焼させて改質器を加熱するようにした燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一例として、原燃料ガスを改質するための改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、改質器を加熱するための燃焼手段と、燃料電池の発電出力を制御するための制御手段と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、原燃料ガスが改質器において改質され、改質器にて改質された改質燃料ガスが燃料電池の燃料極側に供給され、酸化剤供給手段（例えば、空気ブロア）からの空気（酸化剤）が燃料電池の空気極側に供給される。燃料電池においては、改質器からの改質燃料ガスの酸化と酸化剤供給手段からの酸化剤の還元によって発電が行われる。燃料電池の燃料極側からの反応燃料ガスは、燃焼手段に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器が加熱されて改質が行われる。

特開２００７−２２０６２０号公報

しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、経時的変化、一時的な外部要因などによって、燃料電池の発電性能の低下、補機動力の上昇などが生じることがある。このような場合、燃料電池の定格発電運転中においては、定格発電電力を得るために、燃料電池に流れる電流（換言すると、燃料電池の出力電流）が上昇するようになる。

このように燃料電池の出力電流が増大すると、改質燃料ガス中に含まれる水素の消費量が多くなり、これによって、燃焼手段に送給される反応燃料ガス中に含まれる燃料ガス（燃焼に用いられるガス）の量が少なくなる。このように燃料ガスの送給量が少なくなると、燃焼手段の燃焼熱量が低下し、これによって、改質器の温度低下が生じるおそれがある。改質器の温度低下が生じると、改質器における原燃料ガスの改質が進まず、水素の生成効率が低下し、改質燃料ガス中の水素の含有量が少なくなる。その結果、燃料電池の燃料極側における水素利用率が上昇し、その燃料極側において一時的に水素欠乏状態が生じ、燃料電池の性能低下が急激に進行するおそれがある。

本発明の目的は、改質燃料ガス中に含まれる水素の水素利用率に着目し、この水素利用率に起因する燃料電池の性能低下を抑えることができる燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え且つ前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超えているときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え、前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする。

更に、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、通常モードと出力抑制モードとを設定可能である稼働モード設定手段を含んでおり、前記制御手段が前記異常状態と判定したときに、前記稼働モード設定手段は、前記通常モードから前記出力抑制モードに切り換えて前記燃料電池の出力電力を所定値低下させることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、流量検知手段は、燃料ガス供給手段から改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知し、電流検知手段は、燃料電池の出力電流を検知する。そして、燃料電池の所定出力（例えば、定格出力）時において、流量検知手段の検知流量がこの所定出力（例えば、定格出力）に対応する設定流量値を超えている状態で且つ電流検知手段の検知電流がこの所定出力に対応する設定電流値を超えるときに、制御手段は、異常状態と判定して燃料電池の出力電力を抑制制御する。流量検知手段の検知流量が所定出力に対応する設定流量値を超えるということは、原燃料ガスが改質器に過剰に供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池への水素供給流量は増大しておらず、また電流検知手段の検知電流がこの所定出力に対応する設定電流値を超えるということは、燃料電池の燃料極側における水素の消費量が多いということであり、このような稼働状態においては、燃料電池の燃料極側において水素欠乏状態になるおそれがある。そこで、このような稼働状態においては、燃料電池の出力電力が抑制制御されて水素消費量が抑えられ、その結果、一時的に水素欠乏状態になることが抑えられ、これによって、燃料電池の急激な性能低下を防止することができる。尚、「水素利用率」とは、燃料電池の燃料極側に供給される改質燃料ガス中に含まれた水素の供給量に対する燃料電池の燃料極側において発電に寄与して消費された水素の消費量の比率（水素利用率＝水素の消費量／水素の供給量）をいう。

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、流量検知手段は、燃料ガス供給手段から改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知し、温度検知手段は、改質器の温度を検知する。そして、燃料電池の所定出力（例えば、定格出力）時において、流量検知手段の検知流量がこの所定出力（例えば、定格出力）に対応する設定流量値を超える状態で且つ温度検知手段の検知温度が設定温度より低いときに、制御手段は、異常状態と判定して燃料電池の出力電力を抑制制御する。流量検知手段の検知流量が所定出力に対応する設定流量値を超えるということは、原燃料ガスが改質器に過剰に供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池への水素供給流量は増大しておらず、また温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いということは、改質器において充分な水蒸気改質が行われておらず、燃料電池の燃料極側に充分な水素が供給されていないということであり、このような稼働状態においては、燃料電池の燃料極側において水素欠乏状態になるおそれがある。そこで、このような稼働状態においては、燃料電池の出力電力が抑制制御されて水素消費量が抑えられ、その結果、一時的に水素欠乏状態になることが抑えられ、これによって、燃料電池の急激な性能低下を防止することができる。

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムによれば、電流検知手段は、燃料電池の出力電流を検知し、温度検知手段は、改質器の温度を検知する。そして、燃料電池の所定出力（例えば、定格出力）時において、電流検知手段の検知電流がこの所定出力（例えば、定格出力）に対応する設定電流値を超える状態で且つ温度検知手段の検知温度が設定温度より低いときに、制御手段は、異常状態と判定して燃料電池の出力電力を抑制制御する。電流検知手段の検知電流が所定出力（例えば、定格出力）に対応する設定電流値を超えるということは、燃料電池の燃料極側における水素の消費量が多いということであり、また温度検知手段の検知温度が設定温度値以下であるということは、改質器において充分な水蒸気改質が行われておらず、燃料電池の燃料極側に充分な水素が供給されていないということであり、このような稼働状態においては、燃料電池の燃料極側において水素欠乏状態になるおそれがある。そこで、このような稼働状態においては、燃料電池の出力電力が抑制制御されて水素の消費量が抑えられ、その結果、一時的に水素欠乏状態になることが抑えられ、これによって、燃料電池の急激な性能低下を防止することができる。

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムによれば、電流検知手段は燃料電池の出力電流を検知し、流量検知手段は、改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知し、また温度検知手段は、改質器の温度を検知する。そして、燃料電池の所定出力（例えば、定格出力）時において、流量検知手段の検知流量がこの所定出力（例えば、定格出力）に対応する設定流量値を超える状態で、電流検知手段の検知電流がこの所定出力に対応する設定電流値を超える状態で且つ温度検知手段の検知温度が設定温度より低いときに、制御手段は、異常状態と判定して燃料電池の出力電力を抑制制御する。燃料電池の所定出力（例えば、定格出力）時において、流量検知手段の検知流量が設定流量値を超えるということは、改質器に過剰に原燃料ガスが供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池への水素供給流量は増大しておらず、電流検知手段の検知電流が所定出力に対応する設定電流値を超えるということは、燃料電池の燃料極側における水素の消費量が多いということであり、また温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いということは、改質器において充分な水蒸気改質が行われておらず、燃料電池の燃料極側に充分な水素が供給されていないということであり、このような稼働状態においては、燃料電池の燃料極側において水素欠乏状態になるおそれがある。そこで、このような稼働状態においては、燃料電池の出力電力が抑制制御されて水素の消費量が抑えられ、その結果、一時的に水素欠乏状態になることが抑えられ、これによって、燃料電池の急激な性能低下を防止することができる。

また、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムによれば、制御手段が異常状態と判定すると、稼働モード設定手段は出力抑制モードに切り換え、燃料電池の出力電力が所定値低下されるので、燃料電池の燃料極側における水素の消費量が少なくなり、これによって、燃料極側において水素欠乏状態になることを抑えることができる。

本発明に従う燃料電池システムの第１の実施形態を示す簡略図。図１の燃料電池システムにおける制御系を示すブロック図。図２の制御系による制御の流れを示すフローチャート。原燃料ガスの供給流量と燃料電池の燃料極側に供給される水素供給流量との関係を示す図。燃料電池の出力電流と燃料電池の燃料極側における水素消費量との関係を示す図。改質器の温度と燃料電池の燃料極側への水素供給流量との関係を示す図。本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態の制御系示すブロック図。図７の制御系による制御の流れを示すフローチャート。本発明に従う燃料電池システムの第３の実施形態の制御系示すブロック図。図９の制御系による制御の流れを示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの種々の実施形態について説明する。まず、図１〜図３を参照して、第１の実施形態の燃料電池システムについて説明する。

図１において、図示の燃料電池システムは、原燃料ガスを改質するための燃料改質装置２と、発電を行うための燃料電池４とを備えている。図示の燃料改質装置２は、改質器１０、一酸化炭素変成器１２及び一酸化炭素除去器１４を含んでいる。改質器１０は、原燃料ガスを後述するように水蒸気改質し、一酸化炭素変成器１２は、水蒸気改質された改質燃料ガスに含まれる一酸化炭素を触媒により水素と二酸化炭素に変成し、また一酸化炭素除去器１４は、改質燃料ガス中の一酸化炭素と空気とを触媒により反応させて二酸化炭素を生成する。

この燃料改質装置２は、原燃料ガス供給流路１６を介して燃料ガス供給源１７（例えば、ガスボンベ、埋設管など）に接続され、この原燃料ガス供給流路１６に燃料ガスポンプ１８及び脱硫器１９が配設されている。燃料ガスポンプ１８は、原燃料ガス供給流路１６を流れる原燃料ガスを昇圧して下流側に送給し、脱硫器１９は、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する。このように構成されているので、燃料ガス供給源１７、原燃料ガス供給流路１６及び燃料ガスポンプ１８は、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段１５を構成し、この燃料ガスポンプ１８の作用によって、原燃料ガス供給源１７からの原燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガスなど）が原燃料ガス供給流路１６を通して脱硫器１９に送給され、この脱硫器１９にて硫黄成分が除去された後に燃料改質装置２（改質器１０）に送給される。例えば、上述した実施形態では、脱硫器１９を燃料改質装置２の外部に配設しているが、この燃料改質装置２の内部に配設するようにしてもよい。

燃料改質装置２においては、改質器１０、一酸化炭素変成器１２及び一酸化炭素除去器１４がこの順で配設され、これらが燃料ガス改質流路２０を介して接続されている。原燃料ガス供給流路１６を通して供給された原燃料ガスは、燃料ガス改質流路２０を通して流れ、この燃料ガス改質流路２０を流れる間に水蒸気改質されて燃料電池４に送給される。改質器１０においては、原燃料ガスが水蒸気改質され、一酸化炭素変成器１２において、水蒸気改質された改質燃料ガス中の一酸化炭素が変成され、更に一酸化炭素除去器１４において、変成された改質燃料ガス中の一酸化炭素が除去され、このようにして改質された改質燃料ガスが、燃料電池４に送給される。尚、燃料ガス改質流路２０には一酸化炭素除去用空気送給流路２１が接続され、一酸化炭素除去用空気ブロア２３によって、大気中の空気が一酸化炭素除去用空気送給流路２１を通して燃料ガス改質流路２０に送給され、かく送給される空気（一酸化炭素除去用空気）を用いて一酸化炭素除去器１４において一酸化炭素の除去が行われる。

燃料電池４は、例えば固体分子形燃料電池から構成され、水素イオンを伝導する電解質膜２５を備え、この電解質膜２５の片側（図１において左側）に燃料極（図示せず）が設けられ、その他側（図１において右側）に空気極（図示せず）が設けられている。燃料電池４の燃料極側２２は、改質燃料ガス送給流路２６を介して燃料改質装置２（この形態では、一酸化炭素除去器１４）に接続され、その空気極側２４は、空気供給流路２８に接続され、この空気供給流路２８に空気ブロア３０が配設されている。

このように構成されているので、燃料改質装置２からの改質燃料ガスは、改質燃料ガス送給流路２６を通して燃料電池４の燃料極側２２に送給され、また空気ブロア３０からの空気は、空気供給流路２８を通して燃料電池４の空気極側２４に送給され、燃料電池４の電解質膜２５を通しての水素イオンの移動により、燃料極側２２における酸化及び空気極側２４における還元によって発電が行われる。

燃料電池４の発電電力は、電力出力ライン２７を介してインバータ２９に出力される。インバータ２９は、燃料電池４からの出力電力（直流電力）を所定の交流電力に変換し、インバータ２９にて変換された交流電力が、例えば家庭用電力ライン３１を介して電力負荷（各種の電気機器であって、電灯、テレビ、冷蔵庫など）に供給される。

燃料電池４の燃料極側２２からの反応燃料ガス（燃料極側２２で消費されなかった水素を含む）は、反応燃料ガス送給流路３４を通して燃料改質装置２に送給され、燃料電池４の空気極側２４からの排気ガスは、第１排気流路３３を通して大気に排出される。

燃料改質装置２は、改質器１０に関連して設けられた燃焼手段３６を含み、この燃焼手段３６が燃焼バーナから構成され、燃料電池４からの反応燃料ガス送給流路３４が燃焼手段３６に接続されている。この燃焼手段３６には、燃焼用空気を供給するための燃焼空気供給流路３８及び排気ガスを排出するための第２排気流路４４が接続され、この燃料空気供給流路３８に燃焼空気ブロア４０が配設されている。また、原燃料ガス供給流路１６（燃料ガスポンプ１８の配設部位よりも下流側の部位）には、燃料ガス分岐流路４２が設けられ、この燃料ガス分岐流路４２が反応燃料ガス送給流路３４に接続されている。更に、原燃料ガス供給流路１６の下流側部（具体的には、脱硫器１９と改質器１０との間の部位）には、改質用の水を供給する水供給流路３５が接続され、この水供給流路３５に水ポンプ３７が配設されている。尚、この実施形態では、原燃料ガスの一部を燃焼手段３６に送給するための燃料ガス分岐流路４２を設けているが、このような燃料ガス分岐流路４２を省略することもできる。

このように構成されているので、水ポンプ３７の作用によって、改質用の水が水供給流路３５を通して改質器１０に供給され、また原燃料ガス供給流路１６を通して上述したように改質器１０に原燃料ガスが供給される。更に、燃料電池４の燃料極側２２からの反応燃料ガスが、反応燃料ガス送給流路３４を通して燃焼手段３６に送給され、この送給の際に、原燃料ガス供給流路１６を通して供給される原燃料ガスの一部が、燃料ガス分岐流路４２を通して、反応燃料ガス送給流路３４を流れる反応燃料ガスに混合され、かく混合された混合燃料ガスが燃焼手段３６に送給される。また、燃焼空気ブロア４０の作用によって、大気中の空気が燃焼空気供給流路３８を通して燃焼手段３６に供給され、この燃焼用空気を用いて、反応燃料ガス送給流路３４を通して送給される混合燃料ガスが、燃焼手段３６にて燃焼され、その燃焼排気ガスが第２排気流路４４を通して大気に排出される。燃焼手段３６の燃焼熱は、改質器１０の加熱に用いられ、改質器１０において原燃料ガスの水蒸気改質が行われる。尚、この形態では、改質用の水を水供給流路３５を通して原燃料ガス供給流路１６の下流側部に供給しているが、このような構成に代えて、水供給流路３５を改質器１０に接続し、改質用の水を改質器１０に直接的に供給するようにしてもよい。

このような燃料電池システムにおいては、改質器１０に供給される原燃料ガスの供給流量と燃料電池４の燃料極側２２への水素供給量とは、図４に示すような関係がある。即ち、原燃料ガスの供給流量が増加すると、燃料電池４の燃料極側２２に供給される水素供給流量は増大する一方、その供給流量が減少すると、燃料電池４の燃料極側２２に供給される水素供給流量は減少する。

また、燃料電池の出力電流と燃料電池４の燃料極側２２における水素消費量とは、図５に示す関係がある。即ち、燃料電池４の燃料極側２２における水素消費量が増大すると、燃料電池４の出力電流は上昇する一方、この水素消費量が減少すると、燃料電池４の出力電流は低下する。

更に、改質器１０の温度と燃料電池４の燃料極側２２への水素供給流量との関係は、図６に示すような関係がある。即ち、改質器１０の温度が上昇すると、改質器１０における水蒸気改質が促進されて燃料電池４の燃料極側２２に供給される水素の供給流量が増大する一方、改質器１０の温度が下がると、この水蒸気改質が行われ難くなって燃料電池４の燃料極側２２に供給される水素の供給流量が減少する。

この第１の実施形態の燃料電池システムでは、これら三つの関係のうち図４に示す関係を用いて次のように運転制御される。

図１とともに図２を参照して更に説明すると、原燃料ガス供給流路１６には、流量検知手段５２が配設されている。この流量検知手段５２は、例えば流量センサなどから構成され、原燃料ガス供給流路１６を通して供給される原燃料ガスの流量を検知する。また、燃料電池４の電力出力ライン２７には、電流検知手段５６が配設されている。この電流検知手段５６は、例えば電流計などから構成され、燃料電池４からの出力電流を検知する。

この燃料電池システムは、システムを運転制御するための制御手段５０を備え、この制御手段５０は、例えばマイクロプロセッサから構成され、流量検知手段５２及び電流検知手段５６からの検知信号は、この制御手段５０に送給され、制御手段５０は、流量検知手段５２の検知流量及び電流検知手段５６の検知電流に基づいて、燃料電池システム（燃料ガスポンプ１８、空気ブロア３０、水ポンプ３７など）を後述するように作動制御する。

この実施形態においては、制御手段５０は、作動制御手段６２、異常判定手段６４、稼働モード設定手段６６及びメモリ手段６８を含んでいる。作動制御手段６２は、燃料電池システムの各種構成要素（燃料ガスポンプ１８など）を作動制御する。異常判定手段６４は、後述する如くして燃料電池システムの異常を判定し、稼働モード設定手段６６は、異常判定手段６４が異常と判定したときに通常モードから出力抑制モードに切り換える。また、メモリ手段６８には、原燃料ガスの供給流量と燃料電池４の燃料極側２２への水素の供給流量との関係を示す原燃料ガス供給流量／水素供給流量マップ（図４参照）が登録される。

この第１の実施形態では、これら三つの関係のうち図４に示す関係を用いて次のように運転制御される。図１及び図２とともに図３を参照して、上述した燃料電池システムの運転制御について説明する。例えば、定格運転などの通常の運転においては、燃料電池システムは、通常モードでもって運転制御される（ステップＳ１）。この通常モードの運転においては、燃料電池システムは上述したように運転制御され、定格出力（例えば、７００Ｗ）においては、燃料ガス供給手段１５からの原燃料ガスは、この定格出力に対応する所定流量（例えば、３．２Ｌ／ｍｉｎ）でもって供給される。

このような通常モードの運転状態において、流量検知手段５２は、原燃料ガス供給流路１６を通して供給される原燃料ガスの供給流量を検知し（ステップＳ２）、この検知流量が設定流量値（例えば、定格出力に対応する流量値）を超えているときにはステップＳ３からステップＳ４に進み、設定流量値を超えていないときには、ステップＳ３からステップＳ２に戻る。

ステップＳ４においては、電流検知手段５６が燃料電池４の出力電流を検知し、この検知電流が設定電流値（例えば、定格出力に対応する電流値）を超えているときには、ステップＳ５からステップＳ６に進み、設定電流値を超えていないときには、ステップＳ５からステップＳ２に戻る。

このようにしてステップＳ６に進むと、異常判定手段６４は、流量検知手段５２の検知流量が上記設定流量（例えば、３．２Ｌ／ｍｉｎ）を超えている状態で且つ電流検知手段５６の検知電流が上記設定電流値（例えば、定格出力に対応する電流値）を超えているとして異常状態と判定し、稼動モード設定手段６６は、この異常状態の判定に基づいて通常モードから出力抑制モードに切り換え（ステップＳ７）、制御手段５０は、燃料電池システムを出力抑制モードで運転する（ステップＳ８）。

流量検知手段５２の検知流量が上記設定流量値を超えているということは、改質器１０に過剰に燃料ガスが供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池４の燃料極側２２への水素の供給流量が増大していない状態にあり、このような状態において電流検知手段５６の検知電流が上記設定電流値を超えるということは、燃料電池４の燃料極側２２における水素消費量が多くなり、この燃料極側２２にて水素欠乏状態が生じるおそれがあり、このようなことから水素消費量を減少させるために燃料電池４の出力電力を低下させて水素欠乏状態を解消する。

この出力抑制モードの運転においては、燃料電池システムは、燃料電池４の出力電力を例えば定格運転において例えば２〜３％程度（出力電力でいうと、例えば１０〜２０Ｗ程度）下げるように運転制御される。
この出力抑制モードの運転では、ステップＳ９〜ステップＳ１３が行われ、ステップＳ９〜ステップＳ１３の内容は、上述したステップＳ２〜ステップＳ５と同様であり、流量検知手段５２の検知流量が設定流量値（例えば、定格出力に対応する流量値）を超えていないときにはステップＳ１０からステップＳ１１に進み、稼動モード設定手段６６は、出力抑制モードから通常モードに切り換え、ステップＳ１に戻って通常モードの運転が行われる。また、電流検知手段５６の検知電流が設定電流値（例えば、定格出力に対応する電流値）を超えていないときには、ステップＳ１３からステップＳ１１に移り、上述したように通常モードの運転に切り換えられてステップＳ１に戻る。また、流量検知手段５２の検知流量が上記設定流量を超えている状態で且つ電流検知手段５６の検知電流が上記設定電流値を超えているときには、ステップＳ１３からステップＳ９に戻り、出力抑制モードの運転が継続して行われる。

尚、上述した実施形態では、異常判定の基準となる閾値として、図４から導かれる原燃料ガスの供給流量値及び図６から導かれる燃料電池４の出力電流値を用いているが、これらの値に代えて、図４から導かれる供給流量よりも幾分大きい値（例えば、定格出力において３．４Ｌ／ｍｉｎ）及び図６から導かれる燃料電池４の出力電流値よりも幾分大きい値（例えば、定格出力に対応する電流値の１．１倍の値）を閾値として用いるようにしてもよい。

次に、図７及び図８を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の燃料電池システムでは、上述した三つの関係のうち図４及び図６に示す関係を利用して燃料電池システムが運転制御されるように構成される。

図７及び図８を参照して、この第２の実施形態の燃料電池システムでは、原燃料ガス供給流路１６に流量検知手段５２が配設されるとともに、改質器１０の温度を検知するための温度検知手段７２が設けられ、この温度検知手段７２からの検知信号が制御手段５０Ａに送給される。また、メモリ手段６８Ａには、図４に示す原燃料ガスの供給流量と燃料電池４への水素供給流量との関係を示す原燃料ガス供給流量／水素供給流量マップと、改質器１０の設定温度値（例えば、６００℃）が登録される。この第２の実施形態のその他の構成については、上述した第１の実施形態と実質上同一であり、そのシステム全体の基本的構成は、図１に示す構成と実質上同一であり、その制御系の構成は、図２に示す構成と実質上同一である。

定格運転などの通常の運転においては、燃料電池システムは、通常モードでもって上述したと同様に運転制御される（ステップＳ２１）。このような通常モードの運転状態において、流量検知手段５２は、原燃料ガス供給流路１６を通して供給される原燃料ガスの供給流量を検知し（ステップＳ２２）、この検知流量が設定流量値（例えば、定格出力に対応する流量値）を超えているときにはステップＳ２３からステップＳ２４に進み、設定流量値を超えていないときには、ステップＳ２３からステップＳ２２に戻る。

ステップＳ２４においては、温度検知手段７２が改質器１０の温度を検知し、この検知温度が設定温度値（例えば、６００℃）より低いときには、ステップＳ２５からステップＳ２６に進み、設定温度値まで低下していないときには、ステップＳ２５からステップＳ２２に戻る。

このようにしてステップＳ２６に進むと、異常判定手段６４は、流量検知手段５２の検知流量が上記設定流量（例えば、３．２Ｌ／ｍｉｎ）を超えている状態で且つ温度検知手段７２の検知電流が上記設定温度値（例えば、６００℃）より低下しているとして異常状態と判定し、稼動モード設定手段６６は、この異常状態の判定に基づいて通常モードから出力抑制モードに切り換え（ステップＳ２７）、燃料電池システムは、出力抑制モードでもって上述したと同様にして運転制御される（ステップＳ２８）。

流量検知手段５２の検知流量が上記設定流量値を超えているということは、改質器１０に過剰に燃料ガスが供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池４への水素供給流量が増大していない状態であり、このような状態において温度検知手段７２の検知温度が上記設定温度値よりも低下しているということは、改質器１０における水蒸気改質が充分に行われず、燃料電池４の燃料極側２２に送給される改質燃料ガスに含まれる水素の含有量が少なく、この燃料極側２２にて水素欠乏状態が生じるおそれがあり、このようなことから水素消費量を減少させるために燃料電池４の発電出力を低下させて水素欠乏状態を解消する。

この出力抑制モードの運転においては、燃料電池システムは、燃料電池４の出力電力を例えば定格運転において例えば２〜３％程度（出力電力でいうと、例えば１０〜２０Ｗ程度）下げるように運転制御される。このように燃料電池４の発電出力を抑制すると、燃料電池４の燃料極側２２での水素消費量が幾分少なくなり、これによって、燃料電池４の燃料極側２２から燃焼手段３６に送給される反応燃料ガス中に含まれる水素が増え、燃焼手段３６における燃焼の際に生じる燃焼熱が増大する。このように燃焼熱が増大すると、改質器１０の温度が上昇し、この温度上昇によって水蒸気改質が促進されて原燃料ガスの水素発生率が高くなり、その結果、燃料電池４での水素不足状態が解消され、燃料電池システムは、安定して稼動運転される。
この出力抑制モードの運転では、ステップＳ２９〜ステップＳ３３が行われ、ステップＳ２９〜ステップＳ３３の内容は、上述したステップＳ２２〜ステップＳ２５と同様であり、流量検知手段５２の検知流量が設定流量値（例えば、定格出力に対応する流量値）を超えていないときにはステップＳ３０からステップＳ３１に進み、稼動モード設定手段６６は、出力抑制モードから通常モードに切り換え、ステップＳ２１に戻って通常モードの運転が行われる。また、温度検知手段７２の検知温度が設定温度値（例えば、６００℃）以上であるときには、ステップＳ３３からステップＳ３１に移り、上述したように通常モードの運転に切り換えられてステップＳ２１に戻る。また、流量検知手段５２の検知流量が上記設定流量を超えている状態で且つ温度検知手段７２の検知温度が上記設定温度値よりも低いときには、ステップＳ３３からステップＳ２９に戻り、出力抑制モードの運転が継続して行われる。

第１の実施形態では、原燃料ガスの供給流量（流量検知手段５２の検知流量）と燃料電池４の出力電流（電流検知手段５６の検知電流）に基づいて異常状態の判定を行い、第２の実施形態では、原燃料ガスの供給流量（流量検知手段５２の検知流量）と改質器１０の温度（温度検知手段７２の検知温度）に基づいて異常状態の判定を行っているが、上述した記載から理解されるように、他の実施形態として、燃料電池の出力電流（電流検知手段５６の検知電流）と改質器１０の温度（温度検知手段７２の検知温度）に基づいて異常の判定を行うようにしてもよい。

この他の実施形態においては、上述した三つの関係のうち図５及び図６に示す関係を用いて燃料電池システムが運転制御されるように構成される。即ち、異常判定手段６４は、電流検知手段７２の検知電流が上記設定電流値（例えば、定格出力に対応する電流値）を超えている状態で且つ温度検知手段７２の検知温度が上記設定温度値（例えば、６００℃）より低下していると異常状態と判定する。電流検知手段５２の検知電流が上記設定電流値を超えているということは、燃料電池４の燃料極側２２に置ける水素消費量が多いといういうことであり、このような状態において温度検知手段７２の検知温度が上記設定温度値よりも低下しているということは、改質器１０における水蒸気改質が充分に行われず、燃料電池４の燃料極側２２に送給される改質燃料ガスに含まれる水素の含有量が少なく、この燃料極側２２にて水素欠乏状態が生じるおそれがあり、このようなことから水素消費量を減少させるために燃料電池４の発電出力を低下させて水素欠乏状態を解消する。また、このように発電出力を抑制すると、上述したように、燃料電池４の燃料極側２２での水素消費量が幾分少なくなり、これによって燃料電池４の燃料極側２２から燃焼手段３６に送給される反応燃料ガス中に含まれる水素が増え、燃焼手段３６における燃焼の際に生じる燃焼熱が増大して改質器１０の温度が上昇し、その結果、燃料電池４での水素不足状態が解消され、燃料電池システムは、安定して稼動運転される。

次に、図９及び図１０を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態の燃料電池システムでは、上述した三つの関係の全てを利用して燃料電池システムが運転制御されるように構成される。即ち、原燃料ガス供給流路１６に流量検知手段５２が配設され、燃料電池４の電力出力ライン２７に電流検知手段５６が配設され、また、改質器１０に関連して、その温度を検知するための温度検知手段７２が配設される。また、メモリ手段６８Ｂには、図４の原燃料ガスの供給流量と燃料電池４への水素供給流量との関係を示す原燃料ガス供給流量／水素供給流量マップと改質器１０の設定温度値（例えば、６００℃）とが登録される。この第３の実施形態のその他の構成については、上述した第１の実施形態と実質上同一であり、そのシステム全体の基本的構成は、図１に示す構成と実質上同一であり、その制御系の構成は、図２に示す構成と実質上同一である。

定格運転などの通常の運転においては、燃料電池システムは、通常モードでもって上述したと同様に運転制御される（ステップＳ４１）。このような通常モードの運転状態において、流量検知手段５２は、原燃料ガス供給流路１６を通して供給される原燃料ガスの供給流量を検知し（ステップＳ４２）、この検知流量が設定流量値（例えば、定格出力のときには、３．２Ｌ／ｍｉｎ）を超えているときにはステップＳ４３からステップＳ４４に進み、この設定流量値を超えていないときには、ステップＳ４３からステップＳ４２に戻る。

ステップＳ４４においては、電流検知手段５６が燃料電池４の出力電流を検知し、この検知電流が設定電流値（例えば、定格出力に対応する電流値）を超えているときにはステップＳ４５からステップＳ４６に進み、この設定電流値を超えていないときにはステップＳ４５からステップＳ４２に戻る。

また、ステップＳ４６においては、温度検知手段７２が改質器１０の温度を検知し、この検知温度が設定温度値（例えば、６００℃）より低いときには、ステップＳ４７からステップＳ４８に進み、設定温度値まで低下していないときには、ステップＳ４７からステップＳ４２に戻る。

このようにしてステップＳ４８に進むと、異常判定手段６４は、流量検知手段５２の検知流量が上記設定流量を超えている状態で、電流検知手段５６の検知電流が上記設定電流値を超えている状態で且つ温度検知手段７２の検知電流が上記設定温度値より低下しているとして異常状態と判定し、稼動モード設定手段６６は、この異常状態の判定に基づいて通常モードから出力抑制モードに切り換え（ステップＳ４９）、制御手段５０は、燃料電池システムを出力抑制モードでもって運転する（ステップＳ５０）。

流量検知手段５２の検知流量が上記設定流量値を超えているということは、改質器１０に過剰に燃料ガスが供給され、原燃料ガスの供給流量が増大している割に燃料電池４への水素供給流量が増大していない状態にあり、また電流検知手段５６の検知電流が設定電流値を超えているということは、燃料電池４の燃料極側２２における水素の消費量が多いということであり、このような状態において温度検知手段７２の検知温度が上記設定温度値よりも低下しているということは、改質器１０における水蒸気改質が充分に行われず、燃料電池４の燃料極側２２に送給される改質燃料ガスに含まれる水素の含有量が少なく、この燃料極側２２にて水素欠乏状態が生じるおそれがあり、このようなことから水素消費量を減少させるために燃料電池４の発電出力を低下させて水素欠乏状態を解消する。

この出力抑制モードの運転においても、燃料電池システムは、燃料電池４の出力電力を例えば定格運転において例えば２〜３％程度（出力電力でいうと、例えば１０〜２０Ｗ程度）下げるように運転制御され、このように燃料電池４の発電出力を抑制すると、燃料電池４の燃料極側２２での水素消費量が幾分少なくなり、これによって、燃料電池４の燃料極側２２から燃焼手段３６に送給される反応燃料ガス中に含まれる水素が増え、燃焼手段３６における燃焼の際に生じる燃焼熱が増大し、改質器１０の温度上昇により水蒸気改質が促進されて原燃料ガスの水素発生率が高くなり、その結果、燃料電池システムは、安定して稼動運転される。

この出力抑制モードの運転では、ステップＳ５１〜ステップＳ５７が行われ、ステップＳ５１〜ステップＳ５７の内容は、上述したステップＳ４２〜ステップＳ４７と同様であり、流量検知手段５２の検知流量が設定流量値（例えば、定格出力に対応する流量値）を超えていないときには、ステップＳ５３からステップＳ５２に進み、稼動モード設定手段６６は、出力抑制モードから通常モードに切り換え、ステップＳ４１に戻って通常モードの運転が行われる。また、電流検知手段５６の検知電流が所定電流値（例えば、定格出力に対応する電流値）を超えていないときには、ステップＳ５５からステップＳ５２に進み、稼動モード設定手段６６は、出力抑制モードから通常モードに切り換え、ステップＳ４１に戻って通常モードの運転が行われる。更に、温度検知手段７２の検知温度が設定温度値（例えば、６００℃）以上であるときには、ステップＳ５７からステップＳ５２に移り、上述したように通常モードの運転に切り換えられてステップＳ４１に戻る。また、流量検知手段５２の検知流量が上記設定流量を超えている状態で、電流検知手段５６の検知電流が上記所定電流値を超えている状態で且つ温度検知手段７２の検知温度が上記設定温度値よりも低いときには、ステップＳ５７からステップＳ５１に戻り、出力抑制モードの運転が継続して行われる。
以上、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

また、例えば、上述した実施形態では、燃料電池として固体分子形燃料電池を用いたシステムに適用して説明したが、このような形態のものに限定されず、燃料電池としてリン酸形燃料電池、固体酸化物形燃料電池などを用いたシステムにも同様に適用することができる。

２燃料改質装置
４燃料電池
１０改質器
１６原燃料ガス供給流路
２６改質燃料ガス送給流路
２８空気供給流路
２９インバータ
５０，５０Ａ，５０Ｂ制御手段
５２流量検知手段
５６電流検知手段
６４異常判定手段
６６稼動モード設定手段
７２温度検知手段

Claims

原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え且つ前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超えているときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする燃料電池システム。
原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする燃料電池システム。
原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする燃料電池システム。
原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池での発電後の反応燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱するための燃焼手段と、前記燃料電池の出力電流を検知するための電流検知手段と、前記燃料ガス供給手段から前記改質器に供給される原燃料ガスの供給流量を検知するための流量検知手段と、前記改質器の温度を検知するための温度検知手段と、前記燃料電池の出力電力を制御するための制御手段と、を備え、
前記燃料電池の所定出力時において、前記流量検知手段の検知流量が前記所定出力に対応する設定流量値を超え、前記電流検知手段の検知電流が前記所定出力に対応する設定電流値を超え且つ前記温度検知手段の検知温度が設定温度値より低いときに、前記制御手段は、異常状態と判定して前記燃料電池の出力電力を抑制制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、通常モードと出力抑制モードとを設定可能である稼働モード設定手段を含んでおり、前記制御手段が前記異常状態と判定したときに、前記稼働モード設定手段は、前記通常モードから前記出力抑制モードに切り換えて前記燃料電池の出力電力を所定値低下させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。