JP2012230800A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、原料中の酸素濃度が高い状態において改質器が過昇温する可能性を従来よりも軽減する。
【解決手段】原料を改質反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成する改質器１と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池２０と、燃料電池２０より排出されたオフ燃料ガスを燃焼して、改質器１を加熱する燃焼器２と、原料中の酸素濃度が相対的に低い第１の状態であるときに、改質器１の制御温度を第１温度とし、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、改質器１の温度が第１温度となるように、オフ燃料ガスの流量を第１の状態のときよりも低下させる制御器５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。より詳しくは、原料を用いて水素含有ガスを生成する水素生成装置を備えた燃料電池システム及び該燃料電池システムの運転方法に関する。

燃料電池システムは、燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）に水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させ、化学的なエネルギーを電気的なエネルギーとして取り出すことにより発電するシステムである。燃料電池システムは、発電効率が高いのみならず、発電時に発生する熱エネルギーも簡単に利用できる。このため燃料電池システムは、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型発電システムとして、開発が進められている。

一般的に、水素含有ガスの供給設備は整備されていないことが多い。このため従来の燃料電池システムには、水素生成装置が配設されている。典型的な水素生成装置は、既存のインフラストラクチャーから供給される、天然ガスを主成分とする都市ガスやＬＰＧ等を原料として、水素含有ガス（改質ガス）を生成する。このために水素生成装置は、例えば、原料中の硫黄成分を除去する脱硫部、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で水蒸気と改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質器を備える（例えば、特許文献１参照）。

改質反応により得られる水素含有ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれる。一酸化炭素の濃度が高いと、燃料電池の発電特性を低下させる。そこで、水素生成装置には、改質器の他に、変成器や選択酸化器、メタン化除去器といった反応器が設けられることが多い。変成器は、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒を備え、２００℃〜３５０℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて一酸化炭素を低減させる。選択酸化器は、１００℃〜２００℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させて更に一酸化炭素を低減させる。メタン化除去器は、一酸化炭素を選択的にメタン化させて低減させる。選択酸化器やメタン化除去器は選択除去器とも呼ばれる。

さて、原料には、インフラストラクチャーの構成に起因して、酸素が一時的に混入されることがある。そこで、酸素を含むプロセスガス（例えば、天然ガス、ピークシェービングガス、LPG など）の予備改質方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−１８３００５号公報 特開２００１−８０９０７号公報

ここで、上記特許文献２記載のように、原料中の酸素濃度が相対的に高い状態であると、水素含有ガス中の水素と酸素との酸化反応に伴う発熱により、改質器が過昇温する可能性がある。

本発明は、かかる課題を解決するものであり、原料中の酸素濃度が高い状態において改質器が過昇温する可能性を従来よりも低減できる燃料電池システム、及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料を改質反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池より排出されたオフ燃料ガスを燃焼して、前記改質器を加熱する燃焼器と、原料中の酸素濃度が相対的に低い第１の状態であるときに、前記改質器の制御温度を第１温度とし、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、前記改質器の温度が第１温度となるように、前記燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を前記第１の状態のときよりも低下させる制御器と、を備える。

また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、改質器において原料を改質反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成するステップと、燃料電池において前記燃料ガスを用いて発電するステップと、燃焼器において前記燃料電池より排出されたオフ燃料ガスを燃焼して前記改質器を加熱するステップと、原料中の酸素濃度が相対的に低い第１の状態であるときに、前記改質器の制御温度を第１温度とするステップと、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、前記改質器の温度が第１温度となるように、前記燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を前記第１の状態のときよりも低下させるステップとを備える。

本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、原料中の酸素濃度が高い状態において改質器が過昇温する可能性を低減できる。

図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態における燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。 図３は、第１実施形態の第１変形例における燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。 図４は、第１実施形態の第２変形例における燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。 図５は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図６は、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図７は、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

（第１実施形態）
第１実施形態にかかる燃料電池システムは、原料を改質反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成する改質器と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池より排出されたオフ燃料ガスを燃焼して、改質器を加熱する燃焼器と、原料中の酸素濃度が相対的に低い第１の状態であるときに、改質器の制御温度を第１温度とし、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、改質器の温度が第１温度となるように、燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を第１の状態のときよりも低下させる制御器と、を備える。

かかる構成では、原料中の酸素濃度が高い状態において燃焼器による改質器の加熱量が低減され、従来よりも改質器が過昇温する可能性を低減できる。

オフ燃料ガス流量は、通常、発電量に対して設定される。「オフ燃料ガスの流量を第１の状態のときよりも低下させる」とは、具体的には、例えば、第２の状態であるとき、燃料電池システムの発電量が所定の発電量であるときのオフ燃料ガス流量を、第１の状態のときよりも低下させることを意味する。

上記燃料電池システムは、燃料電池から取り出す電力を制御する電力制御器を備え、制御器は、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、電力制御器を制御して第１の状態のときよりも燃料電池から取り出す電力を増やし、燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を低下させるように構成されていてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、制御器は、改質器の温度を第１温度に制御できない場合に、改質器の制御温度を第１温度よりも高い第２温度に変更するように構成されていてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、制御器は、改質器の温度を第２温度に制御できない場合に、運転を停止するように構成されていてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、制御器は、第２の状態であるときに、燃料電池の目標発電量に応じて設定される改質器から燃料電池への燃料ガスの供給量を第１の状態であるときと同様にしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、改質器は、Ｐｔ及びＲｈの少なくともいずれか一方を構成元素として含む改質触媒を備えてもよい。

本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、改質器において原料を用いて改質反応により水素ガスを含有する燃料ガスを生成するステップと、燃料電池において燃料ガスを用いて発電するステップと、燃焼器において燃料電池より排出されたオフ燃料ガスを燃焼して改質器を加熱するステップと、原料中の酸素濃度が相対的に低い第１の状態であるときに、改質器の制御温度を第１温度とするステップと、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、改質器の温度が第１温度となるように、燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を第１の状態のときよりも低下させるステップとを備える。

［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図１に示す例では、本実施形態の燃料電池システム１００は、改質器１と、燃焼器２と、温度検知器３と、制御器５と、オフ燃料ガス供給路１２と、燃料電池２０と、電力制御器２２とを備えている。

以下、図１に示す例に含まれる各構成要素の構成例について説明する。

改質器１は、原料を改質反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成する。原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含み、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。改質反応は、いずれの改質反応でもよく、具体的には、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応が例示される。

改質器１で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路１１を介して燃料電池２０へと供給される。

燃焼器２は、燃料電池２０より排出されたオフ燃料ガスを燃焼して、改質器１を加熱する。具体的には、例えば、燃焼器２は、オフ燃料ガス供給路１２から供給されるオフ燃料ガスを、燃焼空気供給器（図示せず）から供給される空気により燃焼させることで改質器１を加熱し、改質反応に必要な熱を改質器１に供給する。

燃料電池２０は、水素ガスを含有する燃料ガスを用いて発電する。燃料電池２０は、例えば、上記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する。酸化剤ガスとして、例えば、空気が用いられる。

燃料電池２０は、いずれの種類であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池等を用いることができる。

オフ燃料ガス供給路１２は、燃料電池２０より排出され、燃焼器２に供給されるオフ燃料ガスが流れるガス流路である。

電力制御器２２は、燃料電池から取り出す電力を制御する。電力制御器２２は、例えば、インバータにより構成される。電力制御器２２は、燃焼器２へ供給されるオフ燃料ガスの流量を調整する流量調整器の一例である。

制御器５は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。制御器５は、温度検知器３と通信可能に接続され、温度検知器３の検知温度に基づいて燃焼器２の燃焼量を制御する。

燃料電池システム１００は、原料中に含まれる酸素濃度の状態を検知する、酸素濃度状態検知器を備える。酸素濃度状態検知器は、原料中に含まれる酸素濃度の状態を検知可能であれば、いずれの検知器であっても構わない。ここで、酸素濃度の状態とは、原料中の酸素濃度値及び原料中の酸素濃度の相対的な高低状態の少なくともいずれか一方の意味として定義される。

酸素濃度状態検知器は、具体的には、水添脱硫器の温度を検出する第１温度検知器、改質器の温度を検知する第２温度検知器、原料の供給圧を検知する圧力検知器、原料供給路１０に設けられた酸素濃度検知器、及び燃料ガス供給路１１に設けられたアンモニア濃度検知器などが例示される。酸素濃度状態検知器は、制御器５に通信可能に接続され、酸素の濃度状態に関する情報を、制御器５へと送る。酸素の濃度状態に関する情報としては、水添脱硫器の温度、改質器の温度、及び酸素濃度、原料の供給圧などが例示される。

第１温度検知器は、上述の通り、原料中の酸素と水添脱硫器に供給される水素含有ガス中の水素とが酸化反応した際の発熱の大きさを水添脱硫器の温度として検知する。制御器５は、第１温度検知器から取得した温度に基づき、酸素濃度の相対的な高低状態を判定することができる。

第２温度検知器は、改質器に供給される原料中の酸素と改質器で生成した水素とが酸化反応した際の発熱の大きさを改質器の温度として検知する。制御器５は、第２温度検知器から取得した温度に基づき、酸素濃度の相対的な高低状態を判定することができる。

通常、ピークシェービングの実行前は原料供給圧が正常値よりも低下しており、ここで、ピークシェービングを実行することで原料供給圧が正常値に戻る。制御器５は、圧力検知器により検知される原料供給路１０の圧力が、正常値よりも低い値から正常値に戻ることで、ピークシェービングが実行され原料中の酸素濃度が高い状態にあると判定することができる。

酸素濃度検知器は、酸素濃度値自体を検知することができる。

アンモニア濃度検知器は、水素含有ガス中のアンモニア濃度を検知する。原料に酸素が混入されるとき、通常、原料に空気を混入するため、原料には酸素だけでなく窒素も混入される。原料に混入された窒素は、改質器１で生成した水素と反応し、アンモニアを生成する。従って、アンモニア濃度検知器から取得した濃度に基づき、酸素濃度の相対的な高低状態を判定することができる。

図１に示す温度検知器３は、改質器１に供給される原料中の酸素濃度の状態を検知するための温度検知器であって、酸素濃度状態検知器の一例である。温度検知器３は、原料中の酸素濃度の状態に応じた温度が検出可能な改質器１の所定の位置に配設されている。換言すれば、温度検知器３は、第２温度検知器の一例である。温度検知器３は、例えば、改質器１のうちの上流側の部分に配設される。これは、改質器１に流入した原料中の酸素は、改質器１のうちの上流側の部分において、その大半が水素との酸化反応により消費されるため、原料中の酸素濃度の状態に応じて改質器１の温度が変化しやすいからである。

燃料電池システム１００は、さらに、図示されない原料供給器を備えてもよい。

原料供給器は、改質器１に供給する原料の流量を調整する。原料供給器は、原料の流量を調整可能であればいずれの構成であってもよく、例えば、昇圧器及び流量調整弁の少なくともいずれか一方により構成される。原料供給器は、例えば、吸着脱硫器を介して改質器１へと原料を供給する。

水素生成装置１００は、さらに、図示されない水蒸気供給器を備えてもよい。水蒸気供給器は、改質器１に水蒸気を供給する。水蒸気供給器は、蒸発器（図示せず）及び水供給器（図示せず）を備える。なお、改質器１における改質反応が部分酸化反応であるとき、水蒸気供給器は設けなくてもよい。

なお、図１には示していないが、水素生成装置１００は、改質器１の下流に一酸化炭素低減器を備えてもよい。一酸化炭素低減器は、改質器１で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。一酸化炭素低減器は、変成器及び一酸化炭素除去器の少なくともいずれか一方が用いられる。変成器は、シフト反応により一酸化炭素を低減する。一酸化炭素除去器は、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方で一酸化炭素を低減する。

本実施の形態の燃料電池システムは、原料中の酸素濃度が相対的に低い第１の状態であるときに、改質器の制御温度を第１温度とし、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、前記改質器の温度が第１温度となるように、オフ燃料ガスの流量を前記第１の状態のときよりも低下させる。

図２は、第１実施形態における燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。以下、図２を参照しつつ、燃料電池システム１００の動作方法について説明する。

燃料電池システム１００が酸素の濃度状態の判定動作を開始すると（スタート）、制御器５は、温度検知器３から受け取った情報に基づき、酸素の濃度状態が第１の状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ここで、第１の状態とは、原料中の酸素濃度が、相対的に低い状態にあるときをいう。第２の状態とは、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い状態をいう。上記第１の状態及び第２の状態は、改質器の設計に応じて適宜設定され、例えば、第１の状態は、原料中の酸素濃度が、０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下に入っている状態として設定され、第２の状態は、原料中の酸素濃度が、１０００ｐｐｍより大きい状態として設定される。

上記判定は、例えば、温度検知器３の検知温度が、予め定められた第１上限温度以上であるか否かにより行うことができる。この場合、該検知温度が第１上限温度以上の場合には第２の状態にあると判定され、第１閾値未満の場合には第２の状態にない、つまり第１の状態にある、と判定される。第１上限温度は、原料中の酸素濃度が第２の状態であるときの温度として定義され、改質器１の耐熱温度よりも小さい値が設定される。例えば、７００℃としうる。

原料中の酸素濃度の状態が、第１の状態であるとき、ステップＳ１０１の判定結果がＹｅｓとなり、制御器５は、オフ燃料ガス流量を低下させず、改質器１の制御温度を第１温度としてオフ燃料ガス流量を制御し（ステップＳ１０２）、判定動作を終了する（エンド）。なお、第１温度は、改質器１の耐熱温度よりも小さい温度が設定され、例えば、第１温度は６７０℃で設定される。

制御器５は、ステップＳ１０２において、電力制御器２２を制御して、改質器１の温度が第１温度となるようオフ燃料ガスの流量を制御する。

原料中の酸素濃度の状態が、第２の状態であるとき、ステップＳ１０１の判定結果はＮｏとなり、制御器５は、改質器１の温度が第１温度となるように、オフ燃料ガスの流量を第１の状態のときよりも低下させ（ステップＳ１０３）、判定動作を終了する（エンド）。

制御器５は、ステップＳ１０３において、電力制御器２２を制御して第１の状態のときよりも燃料電池２０から取り出す電力を増やすことで、オフ燃料ガスの流量を低下させる。

ステップＳ１０３において、オフ燃料ガスの流量は、任意の方法で求められる。具体的には、次のような方法が例示される。記憶部（図示せず）が、原料中の酸素濃度が第１の状態であるときの燃料電池システム１００の目標発電量とオフ燃料ガス流量との対応関係を示すデータテーブルを備えている。

原料中の酸素濃度が第２の状態であり、かつ燃料電池システム１００の発電量が、所定の目標発電量であるとき、制御器５は、記憶器に保持された上記データテーブルから上記所定の目標発電量に対応するオフ燃料ガス流量を読み出し、このオフ燃料ガス流量に補正係数を乗算することで、オフ燃料ガス流量を決定する。

原料中の酸素濃度が第１の状態よりも高い第２の状態にあるか否かの判定方法（図３のステップＳ１０１）は、原料中の酸素濃度の状態を判定可能であれば、どのような方法であってもよい。例えば、原料中の酸素濃度の状態を検知する酸素濃度状態検知器を備え、この検知器の検出値を用いて判定してもよい。上記の例では、温度検知器３が酸素濃度状態検知器に相当し、温度検知器３の検知温度と所定の閾値温度との比較に基づいて、原料中の酸素濃度の高低状態が判定されている。

温度検知器３の検知温度を用いて酸素濃度の状態を判定する方法として、温度検知器３の検知温度の単位時間当たりの上昇速度が、予め定められた第１上昇速度以上であるか否かにより判定が行われてもよい。この場合、該上昇速度が第１上限速度以上の場合には第２の状態にあると判定され、第１上限速度未満の場合には第２の状態にない、すなわち第１の状態にある、と判定される。上昇速度の単位としては、例えば、℃／分などを用いることができる。第１上限速度は、改質器１の設計に応じて適宜設定され、例えば、５０℃／分としうる。温度の上昇は、酸素濃度の上昇よりも遅れて生じる場合がある。温度の上昇速度を用いた判定により、温度そのものを用いた判定よりも迅速に酸素濃度上昇を検出しうる。温度の上昇速度を用いて判定を行う場合、制御器５は、図示されない計時器をさらに備える構成としうる。制御器５は、所定時間毎に温度検知器３の検知温度を受け取って記憶部に記憶し、単位時間当たりの温度の上昇速度を演算する。

酸素濃度状態検知器として温度検知器３を用いた場合の原料中の酸素濃度状態の判定方法について、上記の通り説明したが、他の酸素濃度状態検知器を用いた方法についても同様に実行できる。

具体的には、酸素濃度状態検知器として水添脱硫器の温度を検知する第１温度検知器を用いた場合、第１温度検知器の検知温度が第４上限温度（例えば、３２０℃）以上であるか否かに基づき原料中の酸素濃度の状態を判定してもよい。または、第１温度検知器の検知温度の温度変化が第４上限速度（例えば、３０℃／分）以上であるか否かにに基づき原料中の酸素濃度の状態を判定してもよい。

酸素濃度状態検知器として酸素濃度検知器を用いた場合、酸素濃度検知器の検知濃度が、第１上限酸素濃度（例えば、１０００ｐｐｍ）以上であるか否かに基づき原料中の酸素濃度の状態を判定してもよい。

酸素濃度状態検知器としてアンモニア濃度検知器を用いた場合、アンモニア濃度検知器の検知濃度が第１上限アンモニア濃度（例えば、８０００ｐｐｍ）以上であるか否かに基づき原料中の酸素濃度の状態を判定してもよい。

酸素濃度状態検知器として圧力検知器を用いた場合、圧力検知器の検知濃度が第１上限圧力値（例えば、大気圧に対して＋０．５ｋＰａ）以下であるか否かに基づき原料中の酸素濃度の状態を判定してもよい。

［第１変形例］
本変形例の燃料電池システムにおいて、制御器５は、改質器１の温度を第１温度に制御できない場合に、改質器１の制御温度を第１温度よりも高い第２温度に変更するように構成されている。

図３は、第１実施形態の第１実施形態の第１変形例における燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。

本変形例の燃料電池システムにおいて、上記構成以外は、第１実施形態と同様に構成してもよい。

次に、本変形例の燃料電池システムの詳細について説明する。

本変形例の燃料電池システムのハードウェア構成は、図１と同様とすることができる。よって、本変形例の燃料電池システムと、第１実施形態の燃料電池システム１００とで共通する構成要素については、同一の名称と符号を付して、詳細な説明を省略する。

以下、図３を参照しつつ、本変形例の水素生成装置の動作方法について説明する。

ステップＳ２０１〜２０３の動作は、図２のステップＳ１０１〜１０３と同様であるので、説明を省略する。

ステップＳ２０３の後、制御器５は、改質器１の温度を第１温度に維持できるか否か、すなわち第１温度で制御可能か否かを判定する（ステップＳ２０４）。該判定は、具体的には例えば、温度検知器３が検知する改質１器の温度が第１温度よりも高い第２上限温度（例えば、７１０℃）以上であると、改質器１の温度を第１温度に維持できないと判定することにより行うことができる。なお、第２上限温度は、改質器１の耐熱温度よりも小さい温度が設定される。

改質器１の温度を第１温度で制御可能であれば、ステップＳ２０４の判定結果はＹｅｓとなり、制御器５は、そのまま制御を継続する。

改質器１の温度を第１温度で制御が可能でなければ、ステップＳ２０４の判定結果はＮｏとなり、制御器５は、改質器１の制御温度を第１温度よりも高い第２温度に変更する（ステップＳ２０５）。すなわち、制御器５は、改質器１の温度が第２温度となるように、電力制御器２２によりオフ燃料ガスの流量を制御する。なお、第２温度は、改質器１の耐熱温度よりも小さい温度が設定される。第２温度は、例えば、７３０℃としうる。改質器の制御温度を第２温度に変更した後は、判定動作を終了する（エンド）。

なお、図３に示す動作は繰り返されてもよい。これにより、原料中の酸素濃度の状態が第２の状態から第１の状態へと変化した場合には、制御器５は、オフ燃料ガス流量の低下制御を中止し、改質器１の制御温度を第１温度に戻して電力制御器２２によりオフ燃料ガス流量を制御する。

［第２変形例］
本変形例の燃料電池システムにおいて、制御器５は、改質器１の温度を第２温度に制御できない場合に、運転を停止するように構成されている。

本変形例の燃料電池システムは、上記構成以外は、第１変形例と同様に構成してもよい。

次に、本変形例の燃料電池システムの詳細について説明する。

本変形例の燃料電池システムのハードウェア構成は、図１と同様とすることができる。よって、本変形例の燃料電池システムと、第１変形例の燃料電池システムとで共通する構成要素については、同一の名称と符号を付して、詳細な説明を省略する。

図４は、第１実施形態の第１実施形態の第２変形例における燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。

以下、図４を参照しつつ、本変形例の水素生成装置の動作方法について説明する。

ステップＳ３０１〜３０５の動作は、図２のステップＳ２０１〜２０５と同様であるので、説明を省略する。

ステップＳ３０５の後、制御器５は、改質器１の温度を第２温度に維持できるか否か、すなわち、第２温度で制御可能であるか否かを判定する（ステップＳ３０６）。該判定は、具体的には例えば、例えば、温度検知器３が検知する改質器１の温度が第２温度よりも高い第３上限温度（例えば、７５０℃）以上であると、改質器１の温度を第２温度に維持できないと判定することにより行うことができる。なお、第２上限温度は、改質器１の耐熱温度よりも小さい温度が設定される。

第２温度での制御が可能であれば、ステップＳ２０６の判定結果はＹｅｓとなり、改質器１の制御温度を第２温度に維持したままで運転が維持され、制御器５は、判定動作を終了する（エンド）。

改質器１の温度を第２温度で制御可能でなければ、ステップＳ３０６の判定結果はＮｏとなり、制御器５は、燃料電池システム１００の運転を停止して（ステップＳ３０７）、判定動作を終了する（エンド）。

（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、オフ燃料ガス流路に設けられ、燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を調整する流量調整器を備え、制御器は、流量調整器を制御して燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を低下させるように構成されている。なお、上記流量調整器は、燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を調整する流量調整器の一例である。

本実施形態の燃料電池システムは、上記構成以外は、第１実施形態及びその変形例の少なくともいずれか一つと同様に構成してもよい。

次に、本実施の形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。

図５は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、第１実施形態の燃料電池システム１００において、オフ燃料ガス供給路１２に流量調整弁１８が設けられている。なお、流量調整弁１８は、オフ燃料ガス流路に設けられ、燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を調整する流量調整器の一例である。燃料電池システム２００において、上記構成以外で、図１と同様の符号である構成については、第１実施形態と同様であるのでその詳細な説明を省略する。

流量調整弁１８は、燃焼器２へ供給されるオフ燃料ガスの流量を制御する。例えば、可変オリフィス弁により構成される。

次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について説明する。

燃料電池システム２００は、制御器５が、原料中の酸素濃度が第２の状態であるとき、流量調整弁を制御してオフ燃料ガスの流量を第１の状態のときよりも低下させる。

本実施形態の燃料電池システム２００の動作は、上記の点以外は第１実施形態及びその変形例のいずれかの燃料電池システムと同様とすることができる。よって、燃料電池システム１００と燃料電池システム２００との間で共通する動作については、詳細な説明は省略する。

［第１変形例］
図６は、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。本変形例にかかる燃料電池システム２００Ａは、第２実施形態の燃料電池システム２００において、バイパス流路１９が設けられている。本変形例の燃料電池システム２００Ａは、上記構成以外は、第２実施形態の燃料電池システムと同様に構成される。よって、図５と図６とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。

バイパス流路１９は、改質器２より排出された後、燃料電池２０をバイパスして、オフ燃料ガス供給路１２に流入する燃料ガスが流れる経路である。具体的には、バイパス流路１９は、燃料ガス供給路１１とオフ燃料ガス供給路１２とを、燃料電池２０を経由せずに接続する。図６に示す例において、流量調整弁１８は、バイパス流路１９が合流する部位よりも下流のオフ燃料ガス供給路１２に設けられているが、本例に限定されるものではなく、燃焼器２へ供給されるオフ燃料ガスの流量を制御可能であれば、いずれの位置に設けても構わない。例えば、バイパス流路１９が合流する部位よりも上流のオフ燃料ガス供給路１２に設けられても構わない。

燃料電池システム２００Ａの動作は、第２実施形態の燃料電池システムと同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。

［第２変形例］
図７は、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。本変形例にかかる燃料電池システム２００Ｂは、第２実施形態の燃料電池システム２００において、オフ燃料ガスが流れるオフ燃料ガス流路より分岐した分岐路に設けられ、分岐路を流れるオフ燃料ガスの流量を調整する流量調整器を備え、制御器は、流量調整器を制御して燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を低下させるように構成されている。なお、上記流量調整器は、燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を調整する流量調整器の一例である。

本変形例の燃料電池システム２００Ｂは、上記構成以外は、第２実施形態の燃料電池システムと同様に構成される。よって、図５と図７とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。

本変形の燃料電池システム２００Ｂは、オフ燃料ガス供給路１２から分岐した分岐路に設けられた流量調整弁１８を備える。

分岐路の下流端は、大気と連通し、オフ燃料ガスを大気に排出する。

流量調整弁１８は、分岐路を流れるオフ燃料ガスの流量を調整する流量調整器の一例であり、例えば、その開度を調整することで、燃焼器２へと供給されるオフ燃料ガスの量を調整することが可能である。例えば、流量調整弁１８の開度を大きくすれば、燃焼器２へ供給されるオフ燃料ガスの量は減少し、流量調整弁１８の開度を小さくすれば、燃焼器２へ供給されるオフ燃料ガスの量は増加する。

本変形例の燃料電池システム２００Ｂの動作は、制御器５が、流量調整弁１８を制御してオフ燃料ガス流量を制御する点以外については、第２実施形態の燃料電池システム２００と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、原料中の酸素濃度が高い状態において改質器が過昇温する可能性を従来よりも低減できる燃料電池システム及びその運転方法として有用である。

１ 改質器
２ 燃焼器
３ 温度検知器
５ 制御器
１０ 原料供給路
１１ 燃料ガス供給路
１２ オフ燃料ガス供給路
１８ 流量調整弁
１９ バイパス流路
２０ 燃料電池
２２ 電力制御器
１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム

Claims (9)

1. 原料を改質反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成する改質器と、
   前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池より排出されたオフ燃料ガスを燃焼して、前記改質器を加熱する燃焼器と、
   原料中の酸素濃度が相対的に低い第１の状態であるときに、前記改質器の制御温度を第１温度とし、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、前記改質器の温度が第１温度となるように、前記燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を前記第１の状態のときよりも低下させる制御器と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から取り出す電力を制御する電力制御器を備え、
   前記制御器は、原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、前記電力制御器を制御して前記第１の状態のときよりも前記燃料電池から取り出す電力を増やし、前記燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を低下させるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. オフ燃料ガスが流れるオフ燃料ガス流路に設けられ、前記燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を調整する流量調整器を備え、
   前記制御器は、前記流量調整器を制御して前記燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を低下させるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. オフ燃料ガスが流れるオフ燃料ガス流路より分岐した分岐路に設けられ、前記分岐路を流れるオフ燃料ガスの流量を調整する流量調整器を備え、
   前記制御器は、前記流量調整器を制御して前記燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を低下させるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記改質器の温度を前記第１温度に制御できない場合に、前記改質器の制御温度を前記第１温度よりも高い第２温度に変更するように構成されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記制御器は、前記改質器の温度を前記第２温度に制御できない場合に、運転を停止するように構成されている、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御器は、
   前記第２の状態であるときに、前記燃料電池の目標発電量に応じて設定される前記改質器から前記燃料電池への燃料ガスの供給量を前記第１の状態であるときと同様にする請求項３に記載の燃料電池システム。
8. 前記改質器は、Ｐｔ及びＲｈの少なくともいずれか一方を構成元素として含む改質触媒を備える請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 改質器において原料を改質反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成するステップと、
   燃料電池において前記燃料ガスを用いて発電するステップと、
   燃焼器において前記燃料電池より排出されたオフ燃料ガスを燃焼して前記改質器を加熱するステップと、
   原料中の酸素濃度が相対的に低い第１の状態であるときに、前記改質器の制御温度を第１温度とするステップと、
   原料中の酸素濃度が第１の状態よりも相対的に高い第２の状態であるときに、前記改質器の温度が第１温度となるように、前記燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの流量を前記第１の状態のときよりも低下させるステップとを備える、
   燃料電池システムの運転方法。

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