JP2013164985A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素生成装置へ供給される原料ガスの組成が変化した場合であっても、適切な空気比を保って水素含有ガスを生成することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１の制御部１００は、原料供給部１１による改質部２１への原料の供給量を、改質温度検出部１４での検出温度Tが予め設定された所定の設定温度T1となるように制御すると共に、燃焼用空気供給部１３による燃焼部２２への燃焼用空気の供給量を、燃料電池４０での発電量に基づいて制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素生成装置を備えた燃料電池システムとその運転方法に関する。

燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）に、水素含有ガスである燃料ガスと酸素含有ガスである酸化剤ガスとを供給し、水素及び酸素の電気化学反応を進行させることにより発生した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、発電を実現するシステムである。また、燃料電池システムは高効率発電が可能であり、しかも、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、エネルギー利用効率の高い分散型の発電システムとして開発が進められている。

一般的な燃料電池システムでは、燃料電池に供給する燃料ガスの供給源として、水素含有の改質ガスを生成させる改質部、及び、この改質ガスから一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成する変成部や選択酸化部を備えた水素生成装置が備えられている。この水素生成装置は、天然ガス又はＬＰＧ（Liquefied petroleum gas）等の原料ガスと水とが供給され、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で改質反応をさせることにより、水素含有ガスを生成する。

例えば特許文献１に開示された技術によれば、改質反応に必要な熱は、燃焼用の原料ガス、及び燃料電池から排出される残余の燃料ガス（以下「オフガス」）を、水素生成装置に設けた燃焼部で燃焼して得ている。また、燃焼部には燃焼用空気が供給される。この燃焼用空気の供給量は、燃焼部に供給された原料ガス及び残余燃料ガスが完全燃焼するように制御する必要がある。従って、従来公知の技術では、燃焼部へ供給される原料ガスの成分によって予め設定された必要量（原料ガスの単位供給量当たりの燃焼用空気供給量）と、原料ガスの実際の供給量とに基づき、予め設定された空気比（燃焼ガスの完全燃焼に要する空気量に対する、供給空気量の比率）を維持するように燃焼用空気の供給量は制御されている。簡単に言えば、燃料電池での発電量に応じて改質用の原料ガスの供給量が決定され、更に、この原料ガスの供給量に応じて燃焼用空気の供給量が決定されている。

特開２００２−１５８０１９号公報

ところで、国や地域によっては、インフラを通じて供給される原料ガスの組成が変化する可能性がある。上記のような従来の水素生成装置において、一定の発電量が要求されている状況下で仮に原料ガス組成が変化すると、原料ガスから生成される燃料ガス中の水素含有量が変化するので発電量を一定に維持できなくなってしてしまう。そこで、発電量を一定に維持するためには、発電量の変化に応じてこの変化を相殺するように原料ガスの供給量を変化させなければならないが、従来技術では、この原料ガス供給量の変化に伴って燃焼用空気の供給量も変化させることとなる。

しかしながら、上記ケースにおける改質用の原料ガス供給量の変化は、原料ガスの組成変化自体は考慮されていない。即ち、上記ケースのように改質用の原料ガスの供給量を変化させるのは、発電量を一定に維持するため、換言すれば生成水素量を一定に維持するためである。従って、原料ガスの組成変化を考慮して上記ケースを検討すれば、一定の水素量を生成する改質反応を維持するのに必要な熱量はほぼ変わりなく、その熱量の生成に要する燃焼用空気量もほぼ変わりがないことが分かる。このように、原料ガスの組成が変化する可能性を考えた場合、従来技術のように改質用の原料ガスの供給量に基づいて燃焼用空気の供給量を変化させると、燃焼部での空気比が想定した値から大きく外れてしまい、改質反応に好ましい温度を維持できなくなる可能性がある。

そこで本発明は、水素生成装置へ供給される原料ガスの組成が変化した場合であっても、適切な空気比を保って水素含有ガスを生成することができる燃料電池システムと、その運転方法とを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、原料を水蒸気改質して前記燃料ガスを成す改質ガスを生成するための改質部を有する水素生成装置と、前記改質部へ原料を供給する原料供給部と、前記燃料電池からの燃料ガスのオフガスを燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃焼部へ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部と、前記改質部の温度を検出する改質温度検出部と、前記燃料電池での発電量を測定する電力測定部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記原料供給部による前記改質部への原料の供給量を、前記改質温度検出部での検出温度が予め設定された所定の設定温度となるように制御すると共に、前記燃焼用空気供給部による前記燃焼部への燃焼用空気の供給量を、前記燃料電池での発電量に基づいて制御する。

このような構成とすることにより、例えばインフラ側の都合などによって原料ガスの組成が変化した場合であっても、燃料電池での発電量に基づいて水素生成装置の燃焼部へ供給する空気量を、適切に調整することができる。

また、前記制御部は、前記改質部の水素転化特性の低下に応じて、前記設定温度としてより高い温度を採用すると共に、前記燃焼用空気供給部による前記燃焼部への燃焼用空気の供給量を増加させるように制御するよう構成されていてもよい。

また、前記制御部は、前記改質部の運転時間が予め設定された第１の運転時間を経過した場合に、前記設定温度としてより高い温度を採用するよう構成されていてもよい。

また、前記制御部は、前記燃料電池の運転時間が予め設定された第２の運転時間を経過した場合に、前記設定温度としてより高い温度を採用するよう構成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水素生成装置が有する改質部の温度を検出する改質部温度検出工程と、前記改質部の温度に関して予め設定された所定の設定温度を取得する制御温度取得工程と、前記改質部の検出温度が前記設定温度となるように、前記改質部への原料の供給量を制御する原料供給量制御工程と、燃料電池での発電量を測定する電力測定工程と、測定した発電量に基づき、前記改質部を加熱する燃焼部への燃焼用空気の供給量を制御する燃焼用空気供給量制御工程と、を備える。

また、前記制御温度取得工程は、前記改質部の水素転化特性の低下に応じて、前記設定温度としてより高い温度を取得することとしてもよい。

また、前記制御温度取得工程は、前記改質部の運転時間が予め設定された第１の運転時間を経過した場合に、前記設定温度としてより高い温度を取得することとしてもよい。

また、前記制御温度取得工程は、前記燃料電池の運転時間が予め設定された第２の運転時間を経過した場合に、前記設定温度としてより高い温度を取得することとしてもよい。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、水素生成装置へ供給される原料ガスの組成が変化した場合であっても、適切な空気比を保って水素含有ガスを生成することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 （ａ）は、原料ガスの組成変化に対応して制御部１００が原料ガスの供給量を決定する処理手順を示すフローチャートであり、（ｂ）は、原料ガスの組成変化に対応して制御部１００が燃焼用空気の供給量を決定する処理手順を示すフローチャートである。 比較例を説明するための模式図であり、原料ガスの組成変化の前後において、発電量を一定とし、これに伴い原料ガスの供給量、及び燃焼用空気の供給量も一定とした場合の各パラメータを示している。 実施例を説明するための模式図であり、本実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、原料ガスが組成変化した場合の各パラメータを示している。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 改質部の設定温度を再設定する手順を示すフローチャートであり、（ａ）は改質部の累積運転時間を指標とした場合、（ｂ）は燃料電池の累積運転時間を指標とした場合を夫々示している。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、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に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。この図１に示すように、燃料電池システム１は、水素含有の燃料ガスを生成する水素生成装置２０と、該水素生成装置２０で生成された燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池４０とを備えている。また、この燃料電池４０には、その発電量を測定する電力測定部５０が設けられている。なお、本実施の形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池４０として固体高分子型燃料電池を採用した場合を例示するが、その構成は公知であるため詳細な説明は省略する。

水素生成装置２０は、主として改質部２１、変成部、及び選択酸化部を含む水素生成部と、燃焼部２２とを備えている。改質部２１はＲｕ系触媒を備え、天然ガスやＬＰＧなどの原料ガスを所定温度で水蒸気改質し、改質ガスを生成する。変成部はＣｕ−Ｚｎ系触媒を備え、改質部２１を経たガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応等により低減させる。選択酸化部はＲｕ系触媒を備え、選択酸化反応によって一酸化炭素濃度の更なる低減を行う。水素生成部は、上記のようにして原料ガスから改質ガスを生成し、更に改質ガスから一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成する。

改質部２１には、原料ガスを外部インフラ等から導入する原料ガス供給経路Ｌ１が接続され、その途中には原料供給部１１が設けられている。この原料供給部１１は、原料ガス供給経路Ｌ１を通じて供給される原料ガスの量を調整する機能を有し、例えば、原料ガスを昇圧して改質部２１へ供給するブースターポンプを採用することができる。なお、原料ガスは、硫黄成分を除去してから水蒸気改質反応に用いるのが好ましいため、原料ガス供給経路Ｌ１上であって改質部２１より上流部分に脱硫部を設けるのが好ましい。

また、改質部２１には、水蒸気改質反応に必要な水を水タンク等から導入する水供給経路Ｌ２が接続され、その途中には、水ポンプ等を用いて構成されて水の供給量を調整可能な水供給部１２が設けられている。更に改質部２１には、水蒸気改質反応の温度と相関関係を有する温度となる部分に、当該部分の温度を水蒸気改質反応の代表温度として測定する改質温度測定部１４が設けられている。

一方、燃焼部２２は、図示しない火炎バーナを備えている。また、燃焼部２２には、燃焼時に必要な空気を外部から導入する燃焼空気供給経路Ｌ３が接続され、その途中には、燃焼用空気の供給量を調整可能な燃焼用空気供給部１３が設けられている。このような燃焼用空気供給部１３は、好適にはシロッコファン等により構成することができる。

水素生成装置２０の改質部２１と燃料電池４０との間は、水素供給経路Ｌ４によって接続されている。そして、改質部２１で生成された水素含有の燃料ガスは、この水素供給経路Ｌ４を通じて燃料電池４０へ供給される。なお、燃料電池４０へは、図示しない反応空気供給経路を通じて空気が外部から供給され、これら水素及び空気（正確には、空気中の酸素）の反応によって発電が行なわれる。また、燃料電池４０と水素生成装置２０の燃焼部２２との間は、オフガス経路Ｌ５によって接続されている。そして、燃料電池４０にて発電反応せずに残った燃料ガスが、オフガスとして、オフガス経路Ｌ５を通じて燃焼部２２へと供給されるようになっている。

また、水素供給経路Ｌ４とオフガス経路Ｌ５との間には、これらを短絡するバイパス経路Ｌ６が接続されている。このバイパス経路Ｌ６と水素供給経路Ｌ４との接続点、及び、バイパス経路Ｌ６とオフガス経路Ｌ５との接続点には、ガスの通流方向を調整可能な三方弁等のバルブ３１，３２が設けられている。そして、バルブ３１，３２を駆動することにより、水素生成部から出力されたガスの経路を、水素供給経路Ｌ４から燃料電池４０及びオフガス経路Ｌ５を経て燃焼部２２に至る経路と、水素供給経路Ｌ４からバイパス経路Ｌ６及びオフガス経路Ｌ５を経て燃焼部２２に至る経路と、の間で切り替え可能である。

上述したような燃料電池システム１には、制御部１００が備えられている。該制御部１００は、改質温度測定部１４や電力測定部５０などの各種測定器から測定値を取得する。また、制御部１００は、原料供給部１１，水供給部１２，燃焼用空気供給部１３，燃焼部２２，及びバルブ３１，３２などの動作を制御する。また、本発明に係る燃料電池システム１を特徴付ける機能の一部として、制御部１００は、改質温度測定部１４の測定値に基づいて原料ガスの供給量を制御する原料供給量制御部１００Ａと、電力測定部５０の測定値に基づいて燃焼用空気の供給量を制御する燃焼用空気供給量制御部１００Ｂと、を備えている。これら各部１００Ａ，１００Ｂの詳細な機能については後述する。

次に、以上のような構成の燃料電池システム１の基本的な発電運転の態様について説明する。発電時には、水素生成装置２０へ、原料供給部１１によって原料ガスが供給され、水供給部１２によって水が供給される。このとき、水供給部１２は、原料ガス中の炭素数と水とのモル比率（Ｓ／Ｃ）が２．５〜３．０の範囲に含まれるように水の供給量を調整する。水素生成装置２０では、この原料ガス及び水を用いて、改質部２１において水蒸気改質反応が行なわれ、更に変成部や選択酸化部にて一酸化炭素が除去されることで、水素含有の燃料ガスが生成される。

生成された燃料ガスは、水素供給経路Ｌ４を通じて燃料電池４０へ供給される。燃料電池４０では、この燃料ガスと、別途供給される空気とが反応し、発電が行なわれる。一方、燃料電池４０へ供給された燃料ガスのうち、発電に寄与しなかったオフガスは、オフガス経路Ｌ５を通じて燃焼部２２へ供給される。燃焼部２２では、この水素を含有するオフガスと、燃焼用空気供給部１３によって供給された燃焼用空気との混合気を燃焼させ、水素生成部での各反応に必要な熱量を生成する。

ところで、原料ガス供給経路Ｌ１に接続される外部インフラの事情等により、水素生成装置２０に供給される原料ガスの組成が若干変化する可能性がある。原料ガスの組成が変化すると、原料ガスの単位供給量に対する生成水素量が変化する。そのため、オフガス中の水素含有量も変化するので、燃焼部２２でオフガスを燃焼する際の空気比（燃焼ガスの完全燃焼に必要な空気量に対する供給空気量の比率）も変化する。従って、本実施の形態に係る燃料電池システム１では、原料ガスの組成変化を考慮して、適切な空気比を保ってオフガスを燃焼させ、水素含有の燃料ガスを生成できるようにしている。

図２は、原料ガスの組成変化に対応して、制御部１００が原料ガスの供給量と燃焼用空気の供給量とを決定する処理手順を示すフローチャートである。図２（ａ）に示す原料ガス供給量の決定処理は、制御部１００の原料供給量制御部１００Ａにおいて実行される。原料供給量制御部１００Ａは、この処理において、はじめに改質温度測定部１４から改質部２１の温度Tを取得する（ステップS10）。そして、この温度Tに基づいて原料ガスの供給量を決定する（ステップS11）。

ステップS11の処理としては、具体的には、改質部２１の温度Tを水蒸気改質反応に適した設定温度T1（例えば６００〜７００度の範囲内の値であって、６３０度など）に維持するように原料ガスの供給量を決定する。即ち、改質部２１において水蒸気改質反応を適切に行なうためには、原料ガスの組成変化にかかわらず、水蒸気改質反応に適した設定温度T1を維持する必要がある。一方、改質部２１の温度は、燃焼部２２での発生熱量と相関関係があり、この発生熱量はオフガスの供給量と相関関係があり、更にこのオフガスの供給量は原料ガスの供給量と相関関係がある。従って、原料ガスの供給量を調整することにより、改質部２１の温度Tを水蒸気改質反応に適した設定温度T1に維持することができる。

なお、設定温度T1を維持する場合において、原料ガス供給量の決定方法は特に限定されない。ただし典型的には、所定の周期で温度Tをサンプリングし、今回の取得値から前回の取得値を差し引いた差分値に応じて、原料ガス供給量を増減させればよい。この場合、差分値が負の値であれば、温度Tが低下しているので原料ガスを増加させ、差分値が正の値であれば、温度Tが上昇しているので原料ガスを減少させる。また、温度の差分値と原料ガスの増減値との関係は、制御部１００の記憶部に、予めテーブルデータや計算式等を格納しておき、適宜これを参照することによって取得可能にしておけばよい。

このようにして原料ガスの供給量を決定することにより、原料ガスの組成が変化した場合であっても、適切に水蒸気改質反応を行なえる改質温度を維持することができる。

また、制御部１００の燃焼用空気供給量制御部１００Ｂは、原料供給量制御部１００Ａが上記の処理を実行するのと並行して、図２（ｂ）に示す燃焼用空気供給量決定処理を行なう。この処理では、はじめに、電力測定部５０から燃料電池４０の発電量Ｗを取得する（ステップS20）。そして、この発電量Ｗに基づいて燃焼用空気の供給量を決定する（ステップS21）。即ち、一般的には、原料ガスの供給量に応じて燃焼用空気の供給量を決定するところであるが、本発明に係る燃料電池システム１においては、原料ガスの供給量にかかわらず、発電量Ｗに応じて燃焼用空気の供給量を決定することとしている。

この点について補足すると、一般的な原料ガス供給量に応じた燃焼用空気供給量の決定方法は、原料ガスの組成が変化しないという前提においては好適である。しかしながら、この方法を採用すると、原料ガスの組成が変化した場合であっても、組成変化前の原料ガスを基準にして燃焼用空気の供給量を決定することとなるため、必要な供給量と実際の供給量との間にズレが生じてしまう可能性がある。そこで本発明に係る燃料電池システム１では、上記ステップS21のように、発電量Ｗに基づいて燃焼用空気の供給量を決定する。

ここで、説明の便宜上、燃料電池４０に対する要求発電量が一定（換言すれば、外部負荷による消費電力が一定）という状況下において、原料ガスの組成が変化した場合について考察する。この状況下で原料ガスの組成が変化すると、オフガス中の水素濃度が変化するため、改質部２１の温度Tが一時的に変化する。しかし、上記ステップS10，S11の処理により原料ガスの供給量が調整されるため、改質部２１の温度Tは設定温度T1に復帰する。

ここで着目すべき点は、原料ガスの組成変化に伴い、原料ガスの供給量は変化するものの、改質部２１の温度Tと燃料電池４０での発電量とは何れも一定に維持されていることである。そして、改質部２１の温度Tと燃料電池４０での発電量とが一定であるため、燃焼部２２に要求される発生熱量もほぼ一定といえる。すると、一定の熱量を生成するのに必要な燃焼用空気の供給量も一定でよいことが分かる。

このように、ステップS10，S11に示す原料ガス供給量決定処理の下では、原料ガスの組成が変化すると原料ガス供給量は変化するが、燃焼部２２での要求熱量は発電量と同様に一定となる。従って、ステップS20，S21に示すように、燃焼用空気の供給量を発電量Ｗに基づいて決定することにより、要求熱量に適した空気量を供給することができる。換言すれば、適した空気比を維持することができる。なお、この処理を実行するために、制御部１００は、燃料電池４０での発電量と燃焼部２２へ供給すべき空気量との関係を示す情報（テーブルデータや計算式等）を記憶部に格納しておけばよい。この情報の内容としては、典型的には、発電量の増減に伴って空気量も増減するものが採用できる。

（比較例）
図３は、比較例を説明するための模式図であり、原料ガスの組成変化の前後において発電量を一定とし、これに伴い原料ガスの供給量、及び燃焼用空気の供給量も一定とした場合の各パラメータを示している。なお、ここでは原料ガスが、原料Ａ（平均組成C_1.17H_4.33）から原料Ｂ（メタン（CH₄））に変化した場合、及び、原料Ａから原料Ｃ（メタン（CH₄）87%とプロパン（C₃H₈）13%との混合ガス）に変化した場合を示している。また、原料ガスの組成変化の前後において、原料ガスから水素への転化率を85%と設定するものとし、原料Ａからの発生水素量の80%に相当する水素が、一定発電量下において消費されるものとしている。以下では、説明の便宜上、原料Ａの供給量を1モルとした場合を基準にして説明する。

図３に示すように、原料Ａを1モル供給している場合、転化率を85%とすると生成される水素量は約3.82モルとなる。即ち、水蒸気改質反応では下式（１）が成り立つ。
CnHm＋2nH₂O → （2n＋m/2）H₂＋nCO₂ ・・・（１）
従って、n=1.17，m=4.33として求まるH₂の量に転化率85%を乗じることで、上述した通り、生成水素量として約3.82モルが算出される。そして、このうち80%に相当する3.06モルは燃料電池４０で消費されて発電に寄与する。一方、残りの0.76モルの水素と、未転化の0.15モルの原料Ａとは、オフガスとして燃焼部２２へ供給されて燃焼される。

その結果、燃焼部２２は88.4kcalの熱量を生成する。また、燃焼部２２へは、原料Ａの組成を前提として、水素0.76モル及び原料Ａ0.15モルの燃焼に適した量の空気が、燃焼用空気供給部１３によって供給される。例えば、空気比が1.5となるように燃焼用空気の供給量が調整される。

ここで、原料ガスの組成が原料Ａから原料Ｂに変化したとする。図３に示すように、要求発電量が一定であることから、組成変化にかかわらず原料ガス（原料Ｂ）の供給量を1モルに維持したとすると、生成される水素量は3.40モルに減少する。燃料電池４０において発電量を一定に維持するための水素量は変わりない（3.06モル）ため、燃焼部２２に供給される水素量が0.34モル（=3.40モル-3.06モル）に減少する。従って、燃焼部２２が生成できる熱量は55.3kcalに減少する。そして、原料ガスの組成変化前後において燃焼用空気の供給量を不変とすると空気比は約2.29に上昇し、燃焼用空気が過剰に供給されることとなるため、安定した水蒸気改質反応の実現が難しくなる。また、生成熱量が減少することから、改質部２１の温度低下を招来し、温度に依存する転化率が設定値（85%）から外れて大きく低下してしまう可能性もある。

次に、原料ガスの組成が原料Ａから原料Ｃに変化したとする。原料Ｂに変化した場合と同様に原料ガス（原料Ｃ）の供給量を1モルに維持したとすると、生成される水素量は4.06モルに増加する。燃料電池４０での水素消費量は一定（3.06モル）であるため、燃焼部２２に供給される水素量は1.0モルに増加し、燃焼部２２で生成される熱量は106.8kcalに増加する。そして、原料ガスの組成変化前後において燃焼用空気の供給量を不変とすると空気比は約1.25に低下し、燃焼用空気が不足気味になるため、安定した水蒸気改質反応の実現が難しくなる。また、生成熱量が増加することから、改質部２１の温度上昇を招来し、転化率も設定値（85%）から大きく外れてしてしまう可能性もある。

（実施例）
図４は、実施例を説明するための模式図であり、本実施の形態に係る燃料電池システム１において、原料ガスが原料Ａから原料Ｂへ、あるいは、原料Ａから原料Ｃへと組成変化した場合の各パラメータを示している。なお、各原料Ａ〜Ｃの組成、原料ガスの水素転化率（85%）、燃料電池４０での水素消費量（3.06モル）、燃焼部２２での空気比の設定値（1.5）などの条件は、比較例の場合と同じにしている。

図４に示すように、原料Ａを1モル供給している場合、転化率85%では約3.82モルの水素が生成され、このうち80%に相当する3.06モルの水素が燃料電池４０にて発電用に消費される。そして、残りの0.76モルの水素と、未転化の0.15モルの原料Ａとが、燃焼部２２へ供給されて燃焼され、88.4kcalの熱量が生成される。また、この燃焼の際には、原料Ａの組成を前提として、水素0.76モル及び原料Ａ0.15モルを完全燃焼させるのに必要な空気量の1.5倍（空気比1.5）の空気が、燃焼用空気供給部１３によって供給される。

ここで、原料ガスの組成が原料Ａから原料Ｂに変化したとする。この場合、仮に原料Ｂを継続して1モル供給していると、比較例の場合のように水素生成量が減少し、オフガス量も減少するため、燃焼部２２の発生熱量が減少して改質部２１の温度Tが設定温度T1よりも低下する。しかしながら、本燃料電池システム１では、改質部２１の温度Tを設定温度T1に維持するように原料ガスの供給量を増加させる制御を行う（図２（ａ）のステップS11）。その結果、図４に示すように原料Ｂの供給量は1.1モルとなり、生成水素量は組成変化前と同様に3.82モルとなる。そして、改質部２１での発生熱量は88.4kcalを維持することができ、改質部２１の温度Tを設定温度T1に維持することができる。

一方、上記のように原料ガスの供給量は組成変化に伴って変化するが、本燃料電池システム１では、原料ガスの供給量の変化にかかわらず、発電量に応じて燃焼用空気の供給量を決定する（図２（ｂ）のステップS21）。従って、図４に示すように発電量が一定の状況では、燃焼用空気の供給量は一定に維持される。その結果、空気比はほぼ組成変化前と同一（1.5）に維持される。

次に、原料ガスの組成が原料Ａから原料Ｃに変化したとする。この場合、仮に原料Ｃを継続して1モル供給していると、比較例の場合のように水素生成量が増加し、オフガス量も増加するため、燃焼部２２の発生熱量が増加して改質部２１の温度Tが設定温度T1よりも上昇する。しかしながら、本燃料電池システム１では、改質部２１の温度Tを設定温度T1に維持するように原料ガスの供給量を減少させる。その結果、原料Ｃの供給量は0.9モルとなり、生成水素量は組成変化前とほぼ同様の3.83モルとなる。そして、改質部２１での発生熱量は88.4kcalに維持でき、改質部２１の温度Tを設定温度T1に維持することができる。

一方、上記のように原料ガスの供給量は組成変化に伴って変化するが、本燃料電池システム１では、原料ガスの供給量の変化にかかわらず、発電量に応じて燃焼用空気の供給量を決定する（図２（ｂ）のステップS21）。従って、図４に示すように発電量が一定の状況では、燃焼用空気の供給量は一定に維持される。その結果、空気比（図４中の「空気比１」参照）はほぼ組成変化前と同一（1.5）に維持される。

なお、仮に、改質部２１の温度Tを設定温度T1に維持すべく原料ガスの供給量を制御しつつ（ステップS11）、燃焼用空気の供給量を、従来と同様に原料ガスの供給量の増減に基づいて増減させた場合の空気比を図４に示す（「空気比２」参照）。この場合は、原料Ｂへの組成変化によっては空気比が1.69となり、原料Ｃへの組成変化の場合は空気比が1.41となる。このように、設定値（1.5）からのズレ量が大きいため、安定した水蒸気改質反応の実現が難しくなる。

以上に説明したように本燃料電池システム１は、原料ガスの供給量を、改質部２１の温度Tを改質反応に適した設定温度T1に維持するように制御する。これにより、原料ガスの組成が変化した場合であっても、改質部２１の温度を設定温度T1に維持し、適切な改質反応を維持することができる。更に、本燃料電池システム１は、原料ガスの供給量の制御と並行して、燃料電池４０での発電量に基づいて燃焼用空気の供給量を制御する。これにより、原料ガスの組成が変化した場合であっても、適切な空気比を維持でき、空気供給量に過不足が生じるのを抑制することができる。

なお、図１に示す本燃料電池システム１の模式図では、バイパス経路Ｌ６及びバルブ３１，３２を図示しているが、これらは本発明に係る燃料電池システムを実施するにあたって必須の構成ではない。即ち、燃料電池システム１の起動時は、改質部２１が改質反応に適した温度に達していないため、所望の改質ガスを安定して生成できるようになるまで、水素生成部からのガスを燃料電池４０に供給せず、バイパス経路Ｌ６を介して燃焼部２２へ供給する。上記構成はこの用途で使用される。従って、本発明に係る燃料電池システムの実施という観点のみからすれば、これらの構成を省略してもよい。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。この燃料電池システム１は、制御部１００が、原料供給量制御部１００Ａ及び燃焼用空気供給量制御部１００Ｂに加えて、改質温度再設定部１００Ｃを備えている。なお、その他の構成については実施の形態１にて説明したのと同様の構成を備えているため、対応する構成に同一符号を付すこととし、その詳細説明は省略する。

水素生成装置２０は、触媒が経年劣化するため、改質部２１の水素転化特性（例えば、同一温度での水素転化率）も長期間の使用に応じて徐々に低下していく。そこで、本燃料電池システム１の制御部１００が備える改質温度再設定部１００Ｃは、改質部２１の水素転化特性の経年変化に応じて、改質部２１の設定温度T1をより高い温度に再設定する。このような設定温度T1の再設定を行う方法としては、例えば、改質部２１の累積運転時間、あるいは、燃料電池４０の累積運転時間を指標とすることができる。図６は、改質部２１の設定温度T1を再設定する手順を示すフローチャートであり、（ａ）は改質部２１の累積運転時間を指標とした場合（改質温度再設定処理１）、（ｂ）は燃料電池４０の累積運転時間を指標とした場合（改質温度再設定処理２）を夫々示している。

図６（ａ）に示すように、改質部２１の累積運転時間を指標とする場合、制御部１００（改質温度再設定部１００Ｃ）は改質部２１の累積運転時間の実績値txを取得する（ステップS30）。そして、予め閾値として制御部１００に記憶された第１の運転時間taと対比し、実績値txが第１の運転時間ta以上であるか否かを判断する（ステップS31）。その結果、実績値txが第１の運転時間ta未満であれば（ステップS31：NO）、現状の設定温度T1を維持する（ステップS32）。一方で、第１の運転時間ta以上であれば（ステップS31：YES）、現状の設定温度T1に対して予め定められた補正値Δtを加算した値を新たな設定温度T1とする（ステップS33）。

図６（ｂ）に示すように、燃料電池４０の累積運転時間を指標とする場合、制御部１００（改質温度再設定部１００Ｃ）は燃料電池４０の累積運転時間の実績値tyを取得する（ステップS40）。そして、予め閾値として制御部１００に記憶された第２の運転時間tbと対比し、実績値tyが第２の運転時間tb以上であるか否かを判断する（ステップS41）。その結果、実績値tyが第２の運転時間tb未満であれば（ステップS41：NO）、現状の設定温度T1を維持する（ステップS42）。一方で、第２の運転時間tb以上であれば（ステップS41：YES）、現状の設定温度T1に対して予め定められた補正値Δtを加算した値を新たな設定温度T1とする（ステップS43）。

なお、再設定時期を決定するための第１の運転時間taは、１つだけに限られず、複数設定してもよい。これにより、改質部２１の累積運転時間の実績値が増加するに従って、段階的に複数回にわたって設定温度T1を再設定することができるため、改質部２１の水素転化特性の経年変化に応じた適切な設定温度T1とすることができる。第２の運転時間tbについても同様に、複数設定してもよく、この場合も同様の作用効果が期待できる。また、再設定する際に加算する補正値Δtは、予め制御部１００の記憶部に、第１の運転時間ta又は第２の運転時間tbに関連付けて記憶しておけばよい。

なお、上記実施の形態では、燃料電池４０として固体高分子型燃料電池を採用した場合を例示したが、これに限定されず、燃料電池４０として固体酸化物型燃料電池を採用してもよい。この場合、水素生成装置２０としては、主として改質部２１を含む水素生成部と、燃焼部２２とを備えていることが好ましい。

以上のように本発明は、水素生成装置へ供給される原料ガスの組成が変化した場合であっても、適切な空気比を保って水素含有ガスを生成することが可能な燃料電池システム及びその運転方法に対して、好適に適用することができる。

１ 燃料電池システム
１１ 原料供給部
１３ 燃焼用空気供給部
１４ 改質温度測定部
２０ 水素生成装置
２１ 改質部
２２ 燃焼部
４０ 燃料電池
５０ 電力測定部
１００ 制御部

Claims (8)

1. 水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
   原料を水蒸気改質して前記燃料ガスを成す改質ガスを生成するための改質部を有する水素生成装置と、
   前記改質部へ原料を供給する原料供給部と、
   前記燃料電池からの燃料ガスのオフガスを燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼部と、
   前記燃焼部へ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部と、
   前記改質部の温度を検出する改質温度検出部と、
   前記燃料電池での発電量を測定する電力測定部と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記原料供給部による前記改質部への原料の供給量を、前記改質温度検出部での検出温度が予め設定された所定の設定温度となるように制御すると共に、
   前記燃焼用空気供給部による前記燃焼部への燃焼用空気の供給量を、前記燃料電池での発電量に基づいて制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記改質部の水素転化特性の低下に応じて、前記設定温度としてより高い温度を採用すると共に、前記燃焼用空気供給部による前記燃焼部への燃焼用空気の供給量を増加させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記改質部の運転時間が予め設定された第１の運転時間を経過した場合に、前記設定温度としてより高い温度を採用することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記燃料電池の運転時間が予め設定された第２の運転時間を経過した場合に、前記設定温度としてより高い温度を採用することを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 水素生成装置が有する改質部の温度を検出する改質部温度検出工程と、
   前記改質部の温度に関して予め設定された所定の設定温度を取得する制御温度取得工程と、
   前記改質部の検出温度が前記設定温度となるように、前記改質部への原料の供給量を制御する原料供給量制御工程と、
   燃料電池での発電量を測定する電力測定工程と、
   測定した発電量に基づき、前記改質部を加熱する燃焼部への燃焼用空気の供給量を制御する燃焼用空気供給量制御工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
6. 前記制御温度取得工程は、前記改質部の水素転化特性の低下に応じて、前記設定温度としてより高い温度を取得することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。
7. 前記制御温度取得工程は、前記改質部の運転時間が予め設定された第１の運転時間を経過した場合に、前記設定温度としてより高い温度を取得することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
8. 前記制御温度取得工程は、前記燃料電池の運転時間が予め設定された第２の運転時間を経過した場合に、前記設定温度としてより高い温度を取得することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システムの運転方法。

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