JP2013218850A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原料組成が変化しても、従来に比べ、運転動作の不安定化が抑制される燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム２００は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器１と、原料を改質器１に供給する原料供給器２と、改質器１の温度を検知する温度検知器５と、水素含有ガス中のＣＯを酸化反応により低減するＣＯ除去器３と、ＣＯ除去器３に酸化ガスを供給する酸化ガス供給器４と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池７と、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼し、改質器１を加熱する燃焼器６と、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように原料供給器２を制御しているときに、改質器１への原料の供給量の変化率よりもＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるように酸化ガス供給器４を制御する制御器１０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して発電するシステムである。また、高効率発電が可能であり、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、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。

一般的に、水素含有ガスのインフラストラクチャーが整備されていないことが多く、従来の燃料電池システムには、水素含有ガス（改質ガス）を生成させる改質部を備えた水素生成装置が配設されている（例えば、特許文献１参照）。水素生成装置では、水と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、又はＬＰＧ等を原料とし、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で改質反応させ改質ガスを生成させる。また、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ＣＯ（一酸化炭素）が含まれ、その濃度が高いと、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、２００℃〜３５０℃の温度でＣＯと水蒸気との変成反応を進行させてＣＯを低減させる、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒を備える変成器、および１００℃〜２００℃の温度でＣＯを選択的に酸化反応させて更にＣＯを低減させるＣＯ除去器といった反応器が設けられることが多い。

さて、ＣＯ除去器では、水素含有ガス中のＣＯを効率良く低減させるため、適量の酸化ガスを供給する必要がある。従来の技術では、変成部の触媒温度と原料の流量に従ってＣＯ除去器に供給する酸化ガスとしての空気の供給量を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２５２０１８号公報

従来の燃料電池システムでは、原料組成が変化した場合に、運転動作が不安定になるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、原料組成が変化しても、従来に比べ、運転動作の不安定化が抑制される燃料電池システム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の一態様は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、原料を前記改質器に供給する原料供給器と、前記改質器の温度を検知する温度検知器と、前記水素含有ガス中のＣＯを酸化反応により低減するＣＯ除去器と、前記ＣＯ除去器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しているときに、前記改質器への原料の供給量の変化率よりも前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるように前記酸化ガス供給器を制御する制御器と、を備える。

また、本発明の燃料電池システムの運転方法の一態様は、改質器で原料を用いて水素含有ガスを生成するステップと、ＣＯ除去器で前記水素含有ガス中のＣＯを酸化反応により低減するステップと、前記水素含有ガスを用いて燃料電池が発電するステップと、前記燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼して前記改質器を加熱するステップと、前記改質器の温度を検知するステップと、前記改質器の検知温度が目標温度になるように前記改質器への原料の供給量を制御するステップと、前記改質器の検知温度が目標温度になるように前記改質器への原料の供給量を制御しているときに、前記改質器への原料の供給量の変化率よりも前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるように前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量を制御するステップと、を備える。

本発明の一態様によれば、従来に比べ、原料組成の変動に伴う運転動作の不安定化が抑制される。

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実施形態にかかる燃料電池システムの運転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変形例にかかる燃料電池システムの運転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変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図５は、第１実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図６は、第１実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図７は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図８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運転方法の一例を示すフローチャートである。 図９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運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１０は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１１は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１２は、第５実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
本発明者らは、燃料電池システムの運転動作を安定化すべく、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。

燃料電池システムにおいて、水素生成装置より生成される水素含有ガスの量及び水素生成装置への原料供給量（供給量とは単位時間当たりに供給される体積、すなわち体積流量を言う。以下同様）は、燃料電池の発電量に応じ、改質器の温度が一定になるように制御される。ＣＯ除去器への酸化ガス供給量は、原料供給量に従って決定される。原料組成が変化すると、改質器の温度が一定となるのに必要な原料供給量が変化するため、酸化ガス供給量が変化する。一方、原料組成が変化しても、改質器の温度を一定に保った場合、ＣＯ除去器に供給される水素含有ガス中のＣＯ量の変化は少ない。その結果、酸化ガス供給量に過不足が生じ、燃料電池システムの運転動作が安定しないという課題が生じる。

例えば、単位供給量当たりの発生熱量が多い、かつ、炭素数の多い原料が供給された場合、必要量の水素含有ガスを確保するために、原料の供給量は少なくなる。原料の供給量の減少に応じて、酸化ガス供給量も減少するため、ＣＯ除去器でＣＯを十分に除去できず、燃料電池の発電特性を低下させてしまう。一方、単位供給量当たりの発生熱量が少ない、かつ、炭素数の小さい原料が供給された場合、必要量の水素含有ガスを確保するために、原料の供給量は多くなる。原料供給量の増加に応じて、酸化ガス供給量は増加し、ＣＯ除去に余分な酸化ガスは水素と燃焼反応するため、ＣＯ除去器の過昇温、燃料電池システムの効率低下を招いてしまう。

一例として、原料にメタン（ＣＨ_４）を用いている場合を考える。改質器の温度を６００℃、水蒸気／炭素の比率を３とした場合、平衡計算より、メタン１モルから、２．７７モルの水素（Ｈ_２）と０．２９モルのＣＯを生じる。また、ＣＯ除去器において、１モルのＣＯは、０．５モルの酸素（Ｏ_２）と選択的に酸化反応し、１モルのＣＯ_２を生じる。この選択酸化反応を円滑に進めるためには、Ｏ_２を過剰とする場合が多い。以下の例では、１モルのＣＯに対し、２モルのＯ_２が供給されるものとする。このとき、Ｏ_２とＣＯの比率であるＯ_２／ＣＯ比は２である。従って、０．２９モルのＣＯを除去するため、Ｏ_２は０．５８モル供給される。

ここで、原料組成が１００％のメタンから、８７％のメタンと１３％のプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）の混合ガスに変わった場合を考える。燃料電池に供給される水素量が同じになるよう平衡計算すると、改質器の温度を６００℃、水蒸気／炭素の比率を３とした場合、混合ガス０．８３６モルより、２．７７モルの水素と０．３１モルのＣＯを生じる。従って、原料組成が１００％のメタンから、８７％のメタンと１３％のプロパンへ変化することにより、原料供給量は１６．４％減少し、水素含有ガス中のＣＯは６．９％増加する。

一方、酸化ガスの供給量は原料の供給量に応じるため、原料の供給量が１６．４％減少すると、酸化ガスの供給量も１６．４％減少する。従って、供給されるＯ_２は０．４８モルとなる。このとき、Ｏ_２／ＣＯ比は１．５５となり、従前の２から大きく低下する。Ｏ_２／ＣＯ比が低下すると、水素含有ガス中のＣＯを十分に除去できず、燃料電池の発電特性が低下し、燃料電池システムの動作が不安定になる場合がある。

逆に、原料組成が８７％のメタンと１３％のプロパンの混合ガスから１００％のメタンに変わった場合を考える。改質器の温度を６００℃、水蒸気／炭素の比率を３とした場合、平衡計算より、混合ガス０．８３６モルから、２．７７モルの水素と０．３１モルのＣＯを生じる。このとき、供給されるＯ_２は０．６２モルである。

ここで、原料組成が８７％のメタンと１３％のプロパンの混合ガスから、１００％のメタンに変わった場合を考える。燃料電池に供給される水素量が同じになるよう平衡計算すると、改質器の温度を６００℃、水蒸気／炭素の比率を３とした場合、メタン１モルより、２．７７モルの水素（Ｈ_２）と０．２９モルのＣＯを生じる。従って、原料組成が８７％のメタンと１３％のプロパンの混合ガスから１００％のメタンへ変化することにより、原料供給量は１９．６％増加し、水素含有ガス中のＣＯは６．５％減少する。

一方、酸化ガスの供給量は原料の供給量に応じるため、原料の供給量が１９．６％増加すると、酸化ガスの供給量も１９．６％増加する。従って、供給されるＯ_２は０．７４モルとなる。このとき、Ｏ_２／ＣＯ比は２．５５となり、従前の２から大きく増加する。Ｏ_２／ＣＯ比が増加すると、ＣＯ除去に余分な酸素は水素と燃焼反応するため、ＣＯ除去器の過昇温や、燃料電池システムの効率低下を招くことがあるため、燃料電池システムの動作が不安定になる場合がある。

かかる問題は、生成されるＣＯの量に対して必要になる酸化ガスの量が、原料組成に応じて異なることに由来する。より具体的には、原料組成が変化した場合、原料供給量の変化率に比べ、必要となる酸化ガスの変化率は小さい。制御器は、原料組成が変化したことを通常は認識できない。原料供給量の変化に比例するように制御器が酸化ガス供給量を変化させてしまうと、Ｏ_２／ＣＯ比を目標値に維持しにくくなり、水素生成装置の動作が不安定になりやすい。

そこで、本発明者らは、改質器への原料供給量の変化率よりもＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるように酸化ガス供給器を制御すれば、運転動作の不安定化が抑制され、水素生成装置の動作を安定化できることに想到した。

よって、第１実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、原料を改質器に供給する原料供給器と、改質器の温度を検知する温度検知器と、水素含有ガス中のＣＯを酸化反応により低減するＣＯ除去器と、ＣＯ除去器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼し、改質器を加熱する燃焼器と、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しているときに、改質器への原料の供給量の変化率よりもＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるように酸化ガス供給器を制御する制御器と、を備える。

また、第１実施形態の燃料電池システムの運転方法は、改質器で原料を用いて水素含有ガスを生成するステップと、ＣＯ除去器で水素含有ガス中のＣＯを酸化反応により低減するステップと、水素含有ガスを用いて燃料電池が発電するステップと、燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼して改質器を加熱するステップと、改質器の温度を検知するステップと、改質器の検知温度が目標温度になるように改質器への原料の供給量を制御するステップと、改質器の検知温度が目標温度になるように改質器への原料の供給量を制御しているときに、改質器への原料の供給量の変化率よりもＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるようにＣＯ除去器への酸化ガスの供給量を制御するステップと、を備える。

これにより、従来の燃料電池システムに比べ、原料組成の変動に伴う運転動作の不安定化が抑制される。

［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２００は、改質器１と、原料供給器２と、ＣＯ除去器３と、酸化ガス供給器４と、温度検知器５と、燃焼器６と、燃料電池７と、制御器１０とを備える。

改質器１は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。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の内部には、改質触媒が配設されている。改質触媒によって、改質反応が進行し、原料及び水から水素含有ガスを生成することができる。改質反応に要する熱は燃焼器６から供給される。改質触媒には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等の貴金属系触媒及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。本例では、Ｒｕを含む改質触媒が用いられる。

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。原料供給源として、これらのガスのインフラストラクチャー、及び、これらのガスを貯蔵するボンベ等が例示される。

ＣＯ除去器３は、水素含有ガス中のＣＯを酸化反応により低減する。ＣＯ除去器３は、改質器１の下流に配設され、例えば、水素含有ガス中のＣＯと酸化ガスとの選択酸化反応により、ＣＯを１０ｐｐｍ以下に低減する。ＣＯ除去器３の内部には、ＣＯ除去触媒が配設されている。ＣＯ除去触媒には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ等の貴金属系の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。本例では、Ｒｕを含むＣＯ除去触媒が用いられる。

また、ここでは、ＣＯ除去器３を一体型の水素生成装置１００に組み込む例が示されているが、本例に限定されない。例えば、水素生成装置と別体型の構成となるＣＯ除去器（図略）を用いてもよい。

酸化ガス供給器４は、ＣＯ除去器３に酸化ガスを供給する。酸化ガス供給器４は、ＣＯ除去器３に供給される酸化ガスの流量を調整する機器であり、本実施形態においては、昇圧器及び流量計により構成される。なお、酸化ガス供給器４は、本例に限定されるものではなく、昇圧器、流量計、及び流量調整弁の少なくともいずれか一つを設ける形態を採用しても構わない。また、本実施形態における酸化ガスは、例えば、空気が用いられる。

なお、改質器１の下流であり且つＣＯ除去器３の上流に、改質器１で生成された水素含有ガス中のＣＯをシフト反応により低減するための変成器を設けても構わない。

原料供給器２は、原料を改質器１に供給する。原料供給器２は、改質器１に供給される原料の流量を調整する機器であり、本実施形態においては、昇圧器と流量調整弁とにより構成される。なお、原料供給器２は、本例に限定されるものではなく、昇圧器及び流量調整弁のいずれか一方を設ける形態を採用しても構わない。

温度検知器５は、改質器１の温度を検知する。温度検知器５は、改質器１の温度を検知可能であればどのような構成であってもよい。例えば、温度検知器５が改質器１に直接取り付けられていてもよい。あるいは、温度検知器５が改質器１の下流側の流路に取り付けられていてもよい。すなわち温度検知器５は、改質器１の温度を直接的に検知してもよいし、間接的に検知してもよい。

燃焼器６は、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼し、改質器１を加熱する。燃焼器６には、燃料として、水素含有ガスに加え、他のガスが供給されてもよい。

燃料電池７は、水素含有ガスを用いて発電する。具体的には、燃料電池７は、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。燃料電池７は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、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（ＳＯＦＣ）、及び、りん酸形燃料電池等を用いることができる。高分子電解質形燃料電池の場合、燃料電池システム２００において、水素生成装置１００と燃料電池７とが別個に構成される。固体酸化物形燃料電池の場合、改質反応を実行する改質器と燃料電池部とをそれぞれ個別に有する間接内部改質型、及び、燃料電池本体内部で改質反応も行う直接内部改質型のいずれであってもよい。つまり、燃料電池７に改質器１が内蔵された形態が採用される場合があり、本発明の燃料電池システムは、そのような形態も含むものである。

制御器１０は、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように原料供給器２を制御しているときに、改質器１への原料の供給量の変化率よりもＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるように酸化ガス供給器４を制御する。

制御器１０は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備える。例えば、制御器１０は、マイクロコントローラ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller) 等が例示される。また、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１０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。

なお、改質器１から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス供給路を介して燃料電池７のアノードへと供給される。燃料電池７のアノードから排出されるガスは、未反応の水素が含まれる。よって、燃料電池７のアノードから排出された水素含有ガスは、水素含有ガス排出路を介して燃焼器６へと供給される。

［運転方法］
図２は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの運転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、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、温度検知器５が検知する改質器１の温度、すなわち改質温度、が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御しているときに（ステップＳ１０１）、改質器１への原料の供給量の変化率よりもＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるように、制御器１０が酸化ガス供給器４を制御する（ステップＳ１０２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

かかる運転方法では、原料組成の変化に伴うＯ_２／ＣＯの変動が、従来の燃料電池システムに比べ抑制される。

なお、変化率とは、｛(変化前の供給量）−（変化後の供給量）｝／(変化前の供給量）と定義しうる。

[第１変形例]
第１実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を増加させているとき、改質器への原料の供給量の増加率よりもＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の増加率が小さくなるように酸化ガス供給器を制御する。

本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図３は、第１実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図３を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システム２００の運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、温度検知器５が検知する改質器１の温度、すなわち改質温度、が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を増加させているときに（ステップＳ２０１）、改質器１への原料の供給量の増加率よりもＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量の増加率が小さくなるように、制御器１０が酸化ガス供給器４を制御する（ステップＳ２０２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

なお、増加率とは、｛(増加前の供給量）−（増加後の供給量）｝／(増加前の供給量）と定義しうる。

［第２変形例］
第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を増加させているとき、改質器への原料の供給量の増加率よりもＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の減少率が小さくなるように酸化ガス供給器を制御する。

本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図４は、第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの運転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、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、温度検知器５が検知する改質器１の温度、すなわち改質温度、が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を増加させているときに（ステップＳ３０１）、改質器１への原料の供給量の増加率よりもＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量の減少率が小さくなるように、制御器１０が酸化ガス供給器４を制御する（ステップＳ３０２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

なお、減少率とは、｛(減少前の供給量）−（減少後の供給量）｝／(減少前の供給量）と定義しうる。

［第３変形例］
第１実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を減少させているとき、改質器への原料の供給量の減少率よりもＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の減少率が小さくなるように酸化ガス供給器を制御する。

本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図５は、第１実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図５を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、温度検知器５が検知する改質器１の温度、すなわち改質温度、が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を減少させているときに（ステップＳ４０１）、改質器１への原料の供給量の減少率よりもＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量の減少率が小さくなるように、制御器１０が酸化ガス供給器４を制御する（ステップＳ４０２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

［第４変形例］
第１実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を減少させているとき、改質器への原料の供給量の減少率よりもＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の増加率が小さくなるように酸化ガス供給器を制御する。

本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図６は、第１実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図６を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、温度検知器５が検知する改質器１の温度、すなわち改質温度、が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を減少させているときに（ステップＳ５０１）、改質器１への原料の供給量の減少率よりもＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量の増加率が小さくなるように、制御器１０が酸化ガス供給器４を制御する（ステップＳ５０２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（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、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しているときに、ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量が燃料電池の発電量に応じて設定される値となるように酸化ガス供給器を制御する。

かかる構成では、原料組成の変化に伴うＯ_２／ＣＯの変動が、従来の燃料電池システムに比べ抑制される。

一例として、原料にメタン１００％を用いている場合から、原料組成が８７％のメタン、１３％のプロパンの混合ガスに変わった場合について説明する。改質器の温度を６００℃、水蒸気／炭素の比率を３とすると、メタン１モルから、約２．７７モルの水素（Ｈ_２）と約０．２９モルのＣＯを生じる。このとき、Ｏ_２／ＣＯ比を２として、Ｏ_２を０．５８モル供給する。原料にメタン１００％を用いていた場合と発電量を同じにするため、必要水素量を一定供給すると、改質器の温度を６００℃、水蒸気／炭素の比率を３とした場合、組成が８７％のメタン、１３％のプロパンの原料の供給量は、０．８３６モルとなり、このとき０．３１モルのＣＯを生じる。従って、原料供給量は１６．４％減少する。酸化ガス供給量が原料供給量に応じた場合、酸化ガス供給量も１６．４％減少するため、Ｏ_２／ＣＯ比は１．５５となる。

一方、本実施形態のように発電量に応じて酸化ガスの供給量を設定する場合、例えば、燃料電池での発電量が一定なので、原料を変えても酸化ガスであるＯ_２を０．５８モル供給する設定すると、組成が８７％のメタン、１３％のプロパンの原料を供給した場合でも、水蒸気／炭素比は約１．８７となる。すなわち、原料組成が変化した場合でもＯ_２／ＣＯ比を安定化させることができる。

本実施形態の水素生成装置において、上記以外の構成は、第１実施形態及びその変形例の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図７は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図７を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、温度検知器５が検知する改質器１の温度、すなわち改質温度、が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御しているときに（ステップＳ６０１）、ＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量が燃料電池７の発電量に応じて設定される値となるように、制御器１０が酸化ガス供給器４を制御する（ステップＳ６０２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

［第１変形例］
第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を増加させているときに、ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量が燃料電池の発電量に応じて設定された値となるように酸化ガス供給器を制御する。

本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態及びその変形例の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図８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運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図８を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、温度検知器５が検知する改質器１の温度、すなわち改質温度、が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御しながら原料供給量を増加させているときに（ステップＳ７０１）、ＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量が燃料電池７の発電量に応じて設定される値となるように、制御器１０が酸化ガス供給器４を制御する（ステップＳ７０２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

［第２変形例］
第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を減少させているときに、ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量が燃料電池の発電量に応じて設定された値となるように酸化ガス供給器を制御する。

本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態及びその変形例の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図９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運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図９を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、温度検知器５が検知する改質器１の温度、すなわち改質温度、が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御しながら原料供給量を減少させているときに（ステップＳ８０１）、ＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量が燃料電池７の発電量に応じて設定される値となるように、制御器１０が酸化ガス供給器４を制御する（ステップＳ８０２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御し、温度検知器の検知温度が目標温度となる改質器への原料供給量に基づいて、燃料電池の発電量に対して予め設定されているＣＯ除去器への酸化ガスの供給量を更新する。

かかる構成では、原料組成の変化に伴うＯ_２／ＣＯ比の変動が、従来の燃料電池システムに比べ抑制される。

例えば、燃料電池での発電量を一定にする場合、単位体積（例えば１モル）当たりの燃焼量の小さい原料では必要な原料の量は相対的に多くなり、単位体積当たりの燃焼量の大きい原料では必要な原料の量は相対的に少なくなる。一方、単位体積当たりの原料中の炭素原子の数は、単位体積当たりの燃焼量の小さい原料では少なくなり、単位体積当たりの燃焼量の大きい原料では多くなる（例えば、メタン１００％とプロパン１００％の原料の比較）。上記から、燃料電池での発電量を一定にして、温度検知器の検知温度が目標温度となるように原料を供給している場合、原料の供給量が多いと原料中の炭素数が少ない、原料の供給量が少ないと原料中の炭素数が多いことになる場合が多い。

そこで、温度検知器の検知温度が目標温度となる改質器への原料供給量に基づいて、燃料電池の発電量に対して予め設定されているＣＯ除去器への酸化ガス供給量を更新することで、原料組成が変化した場合でもＯ_２／ＣＯ比を安定化させることができる。

本実施形態の燃料電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態、第２実施形態、及びそれらの変形例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図１０は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図１０を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、温度検知器５が検知する改質器１の温度、すなわち改質温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御し、改質温度が目標温度になっているときの原料供給量を特定し（ステップＳ９０１）、制御器１０が、燃料電池７の発電量に対して予め設定されているＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量を更新する（ステップＳ９０２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

（第４実施形態）
第４実施形態の燃料電池システムは、制御器が、燃料電池システムの劣化に伴い燃料電池の発電量に対して設定されるＣＯ除去器への酸化ガスの供給量が増加するよう酸化ガス供給器を制御する。

かかる構成では、従来の燃料電池システムに比べ、燃料電池システムの劣化に伴う、Ｏ_２／ＣＯ比の低下を抑制することができる。

燃料電池システムが劣化した場合、燃料電池システムで同じ発電量を維持するための原料の量は、運転の初期と比較して相対的に増加させる必要がある。例えば、燃料電池が劣化した場合、電流量を増加させる必要があり、燃料電池に供給する水素量を増加させるため改質器への原料供給量を増加させる必要がある。また、改質器の劣化に伴う、水素生成量の低下を抑制するためには、改質器の制御温度を上昇させる必要がある。従って、改質器への原料供給量を増加させ、燃料電池を経由して燃焼器に流入するガスの熱量を増加させる必要がある。

上記のような状況において、燃料電池システムの劣化が進行しても、発電量に対してＣＯ除去器への酸化ガスの供給量を運転初期の条件から一定にすると、Ｏ_２／ＣＯ比が小さくなる。そこで、本実施形態では、燃料電池システムの劣化に伴い燃料電池の発電量に対して設定されるＣＯ除去器への酸化ガスの供給量が増加するように酸化ガス供給器を制御する。

本実施形態の燃料電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、及びそれらの変形例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図１１は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図１１を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、燃料電池システムの劣化が生じると（ステップＳ１００１）、制御器１０が、燃料電池７の発電量に対して設定されるＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量を増加させる（ステップＳ１００２）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

（第５実施形態）
第５実施形態の燃料電池システムは、制御器が、原料中に含まれる窒素濃度に応じて、燃料電池の発電量に対して予め設定されているＣＯ除去器への酸化ガス供給量を更新する。

かかる構成では、従来の燃料電池システムに比べ、原料中に含まれる窒素による運転動作の不安定化が抑制される。

原料中に窒素が含まれると、改質器で水素と窒素が反応し、アンモニアが発生する。アンモニアはＣＯ除去器のＣＯ低減特性を低下させる。さらに、アンモニアは燃料電池の発電特性を低下させるため、原料中に窒素が含まれると、燃料電池システムの運転動作が不安定になる場合がある。一方、改質器で発生したアンモニアは、ＣＯ除去器において、酸化ガスとともに反応して分解される。

上記のような状況において、原料中に含まれる窒素濃度が高い場合、燃料電池の発電量に対して予め設定されているＣＯ除去器への酸化ガス供給量を一定にすると、アンモニアの発生を抑制できない。

そこで、本実施形態では、原料中に含まれる窒素濃度に応じて、燃料電池の発電量に対して予め設定されているＣＯ除去器への酸化ガス供給量を更新するように酸化ガス供給器が制御される。

本実施形態の燃料電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態及びそれらの変形例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム２００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。

図１２は、第５実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図１２を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池システム２００の運転が開始された後（スタート）、原料中の窒素濃度に応じて、制御器１０が、燃料電池７の発電量に対して設定されるＣＯ除去器３への酸化ガスの供給量を更新する（ステップＳ１１０１）。その後、燃料電池システム２００の運転が終了する（エンド）。

なお、以上の各実施形態、及び各変形例の燃料電池システムにおいて、原料供給量、酸化ガス供給量、改質器の目標温度等は、改質触媒、ＣＯ除去触媒、水素生成装置の構成等によって適宜設定される。

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。

本発明の一態様は、従来に比べ、原料組成の変動に伴う運転動作の不安定化が抑制され、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 原料供給器
３ ＣＯ除去器
４ 酸化ガス供給器
５ 温度検知器
６ 燃焼器
７ 燃料電池
１０ 制御器
１００ 水素生成装置
２００ 燃料電池システム

Claims (12)

1. 原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   原料を前記改質器に供給する原料供給器と、
   前記改質器の温度を検知する温度検知器と、
   前記水素含有ガス中のＣＯを酸化反応により低減するＣＯ除去器と、
   前記ＣＯ除去器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、
   前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、
   前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しているときに、前記改質器への原料の供給量の変化率よりも前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるように前記酸化ガス供給器を制御する制御器と、を備える燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しながら前記改質器への原料供給量を増加させているとき、前記改質器への原料の供給量の増加率よりも前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の増加率が小さくなるように前記酸化ガス供給器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しながら前記改質器への原料供給量を増加させているとき、前記改質器への原料の供給量の増加率よりも前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の減少率が小さくなるように前記酸化ガス供給器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しながら前記改質器への原料供給量を減少させているとき、前記改質器への原料の供給量の減少率よりも前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の減少率が小さくなるように前記酸化ガス供給器を制御する、請求項１または２記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しながら前記改質器への原料供給量を減少させているとき、前記改質器への原料の供給量の減少率よりも前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の増加率が小さくなるように前記酸化ガス供給器を制御する、請求項１または２記載の燃料電池システム。
6. 前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しているときに、前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量が前記燃料電池の発電量に応じて設定される値となるように前記酸化ガス供給器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しながら前記改質器への原料供給量を増加させているときに、前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量が前記燃料電池の発電量に応じて設定された値となるように前記酸化ガス供給器を制御する、請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しながら前記改質器への原料供給量を減少させているときに、前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量が前記燃料電池の発電量に応じて設定された値となるように前記酸化ガス供給器を制御する、請求項６または７記載の燃料電池システム。
9. 前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御し、前記温度検知器の検知温度が目標温度となる前記改質器への原料供給量に基づいて、前記燃料電池の発電量に対して予め設定されている前記ＣＯ除去器への酸化ガス供給量を更新する、請求項１記載の燃料電池システム。
10. 前記制御器は、前記燃料電池システムの劣化に伴い前記燃料電池の発電量に対して設定される前記ＣＯ除去器への酸化ガス供給量が増加するよう前記酸化ガス供給器を制御する、請求項６記載の燃料電池システム。
11. 前記制御器は、原料中に含まれる窒素濃度に応じて、前記燃料電池の発電量に対して予め設定されている前記ＣＯ除去器への酸化ガス供給量を更新する、請求項１記載の燃料電池システム。
12. 改質器で原料を用いて水素含有ガスを生成するステップと、
    ＣＯ除去器で前記水素含有ガス中のＣＯを酸化反応により低減するステップと、
    前記水素含有ガスを用いて燃料電池が発電するステップと、
    前記燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼して前記改質器を加熱するステップと、
    前記改質器の温度を検知するステップと、
    前記改質器の検知温度が目標温度になるように前記改質器への原料の供給量を制御するステップと、
    前記改質器の検知温度が目標温度になるように前記改質器への原料の供給量を制御しているときに、前記改質器への原料の供給量の変化率よりも前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量の変化率が小さくなるように前記ＣＯ除去器への酸化ガスの供給量を制御するステップと、を備える、燃料電池システムの運転方法。

Images