JP2014182928A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガスの単位体積あたりのガス熱量が小さい場合でも、水素生成装置の運転を安定化させ、燃料電池での発電を安定的に継続することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御器９は、原料供給量検出器が検出する原料供給量が予め設定された所定閾値以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が予め設定された第１温度より低い第２温度よりも低い場合、改質温度検出部で検出される温度が前記第１温度となるように、原料供給器３からの原料供給量を制御するとともに、第１温度と改質温度検出部で検出される温度との差が小さくなるように、改質器２を加熱する制御、及び改質器から排出される熱量を低減する制御のうちの少なくとも１つである特定制御をさらに行うことで、安定して水素生成装置および燃料電池システムの運転を継続することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料ガスを改質して水素を生成する水素生成装置と水素生成装置で得られた水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムに関するものである。

小型装置でも高効率発電ができる燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電装置である。燃料電池発電時の燃料として用いられる水素ガスは、一般的なインフラとして整備されていないため分散型装置として利用する場合、例えば、都市ガス、ＬＰＧ等の既存化石原料インフラから得られる原料を水蒸気改質反応させ、水素含有ガスを生成させる水素生成装置を併設する構成がとられることが多い（例えば、特許文献１参照）。

従来の燃料電池システムは、原料ガスを用いて水素を含む燃料ガスを生成する改質器を有する燃料処理器と、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料処理器を通過したガスを燃焼し、改質器に熱を供給するための燃焼器と、改質器の温度を検知する温度検知器と、原料ガスを供給する原料ガス供給器と、温度検知器の検知温度が所定温度になるよう原料ガス供給器をフィードバック制御する制御器とを備え、原料供給器を制御し燃焼器に供給される燃焼ガス量を変化させることで、改質温度が目標温度になるように制御する。

特開２０００−２５１９１４号公報

しかしながら、原料ガスの単位体積あたりのガス熱量が小さく、原料供給器が供給する原料供給量を変化させても燃焼器が改質器に十分な熱量を供給できない場合、改質器の温度は低下する。ここで、改質温度を所定の温度に保つように原料ガスの供給量を所定量以上に増やすよう制御すると、例えば触媒の性能や、水素生成装置内の水の蒸発能力、ブースターやポンプ、流量計など付随機器の供給能力が不足することで安定運転が困難となるため、必要以上に原料ガスを供給することはできない。改質器の温度が低下すると、改質器に供給された原料ガスと水蒸気は、水蒸気改質反応によって水素含有ガスに改質されるが、改質器の温度が水蒸気改質反応に適した温度より低くなると、水素生成量は低下する。その結果、燃料電池での発電に必要な水素量が供給されず、燃料電池での電圧が低下し、更には発電停止に至る課題を有していた。

また、例えば流量計を用いて供給する原料ガスの流量を測定する方法をとっても、ガスの組成すなわち熱量は供給されている地域によって異なることがあり、組成が想定している値と変わると、燃料電池システムにおいて計測している原料ガスの流量と実際に供給されている原料ガスの流量が異なることがあり、原料ガスの熱量が足りないことで所定の水素量が燃料電池に供給されずに、燃料電池での電圧低下や発電停止に至る可能性がった。また、また例えば熱量計を用いて供給するガスの熱量を測定することは、低コストが求められる燃料電池システムにおいて有効な手段ではない。

燃料電池システムは低コストに抑えることが重要な課題であり、使用する地域のガスの特性に合わせて機器を選定することは困難である。すなわち、原料ガスの組成が異なる地
域で使用した場合においても、広範囲の組成範囲を同一の機種、同一の制御方法で運転することが求められる。

ところで燃料電池は水素を消費して発電する装置であり、発電に効果的な水素利用率の有効範囲（例えば７０〜８５％程度）が定められる。そのため原料ガスの供給量のズレに起因し水素生成量がずれ、水素利用率の有効範囲から外れると、燃料電池の電圧が低下し、更には発電停止に至る可能性がある。

具体的には、原料ガスの流量計で検出する原料ガスの供給量に比べ、実際に供給している原料ガスの供給量が小さい場合、想定している水素生成量に対して、実際に生成している水素生成量が少ないことを意味する。すなわち、想定している水素生成量から算出される発電可能量（発電指令値）よりも、実際に生成している水素生成量での発電可能量（発電指示量）は低いことになり、燃料電池としての水素利用率の有効範囲から高水素利用率側に外れる可能性がある。このように燃料電池システムは、所定の水素利用率の範囲となるよう厳密に運転される必要があるが、原料ガスとして用いるガスの組成すなわち熱量が変化すると、水素利用率が所定の制御範囲から外れ、電圧が低下したり、発電停止に至ったりする課題を有していた。しかしながら、低コスト化が重要な課題である燃料電池システムにおいては、比較的高価な機器を追加して制御することは困難である。

本発明は、供給する原料ガスの熱量が低い場合でも、原料ガスの広い熱量範囲において、高コスト化につながる機器を追加することなく、安定運転が可能な燃料電池システムの提供を目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の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、原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器へ原料を供給する原料供給器と、前記改質器へ水を供給する水供給器と、前記原料の供給量を検出する原料供給量検出器と、前記改質器の温度を検出する改質温度検出部と、原料又は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器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器と、前記改質温度検出部で検出される温度が予め設定された第１温度となるように、前記原料供給器からの原料供給量を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記原料供給量検出器が検出する原料供給量が予め設定された所定閾値以上であり、前記改質温度検出部で検出される温度が前記第１温度より低い第２温度よりも低い場合、前記改質温度検出部で検出される温度が前記第１温度となるように、前記原料供給器からの原料供給量を制御するとともに、前記第１温度と前記改質温度検出部で検出される温度との差が小さくなるように、前記改質器を加熱する制御及び前記改質器から排出される熱量を低減する制御のうちの少なくとも１つである特定制御をさらに行う構成とする。

かかる構成により、原料ガスの流量が予め設定された閾値以上であり、改質器の温度が低下した場合であっても、改質器の温度目標値に対しての温度過下降を抑制することができる。そのため、供給する原料ガスによってその組成すなわち熱量が変わり、例えば熱量の小さい原料ガスを供給した場合でも、高コストな機器を用いることなく、安定して燃料電池システムの運転を継続することができる。

本発明の燃料電池システムは、高価な制御機器を追加することなく、広い熱量範囲の原料ガスに対応した低コストの燃料電池システムとすることができる。また供給される原料ガスの熱量が低くても、原料ガスの流量と改質温度との二つの関係から、供給する原料ガスの熱量の大小を確実に判定することができ、改質器の温度が低下しても改質器の温度を
上昇させる、あるいは改質器から排出される熱量を低減することで水素生成装置および燃料電池システムの運転を安定して継続することができる。

本発明の実施の形態１から３および５における燃料電池システムの概略図 発電量に対する第１温度との相関を示すグラフ 発電量に対する原料供給量閾値との相関を示すグラフ 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの概略図 発電量に対する原料供給量上限値との相関を示すグラフ 本発明の実施の形態６における燃料電池システムの概略図 本発明の実施の形態７における燃料電池システムの概略図

第１の発明は、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、原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器へ原料を供給する原料供給器と、前記改質器へ水を供給する水供給器と、前記原料の供給量を検出する原料供給量検出器と、前記改質器の温度を検出する改質温度検出部と、原料又は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器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器と、前記改質温度検出部で検出される温度が予め設定された第１温度となるように、前記原料供給器からの原料供給量を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記原料供給量検出器が検出する原料供給量が予め設定された所定閾値以上であり、前記改質温度検出部で検出される温度が前記第１温度より低い第２温度よりも低い場合、前記改質温度検出部で検出される温度が前記第１温度となるように、前記原料供給器からの原料供給量を制御するとともに、前記第１温度と前記改質温度検出部で検出される温度との差が小さくなるように、前記改質器を加熱する制御及び前記改質器から排出される熱量を低減する制御のうちの少なくとも１つである特定制御をさらに行う燃料電池システムである。

かかる構成により、また供給する原料ガスによって、その組成、すなわち熱量が異なる可能性があるが、例えば熱量の小さい原料ガスを供給した場合であっても、原料ガスの流量が予め設定された閾値以上であり、改質器の温度が低下した場合に改質器の温度過下降を抑制あるいは温度を上昇させ、水素生成装置および燃料電池システムの運転を安定して継続することができる。また、例えば触媒や燃料電池などの構成機器の劣化に起因して、改質温度が下がった場合であっても、特定制御を加えることで燃料電池システムの運転を継続することが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、制御器は、前記特定制御として、前記燃料電池の発電量を低下させるよう制御する燃料電池システムである。

かかる構成により、燃料電池の発電量を低下させることで、燃料電池で消費されない水素すなわちオフガスの熱量が増え、改質器の温度を上昇させることができる。また発電量の低下とともに、目標温度である第１温度を下げることができ、目標温度との差を小さくし、安定して燃料電池システムの運転を継続することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、制御器は、前記特定制御として、前記改質器に供給される原料に対する水の比率を低下させるよう前記水供給器を制御する燃料電池システムである。

かかる構成により、改質器へ供給される水の比率を低下させることで、改質器から排出される熱量を低減、すなわち温度低下を抑制し、安定して燃料電池システムの運転を継続
することができる。また改質器内での冷却効果を抑制すなわち改質器を加熱することができ、同様に安定して燃料電池システムの運転を継続する効果となる。

第４の発明は、特に第１の発明において、制御器は、特定制御として、前記燃焼器に供給される燃焼用空気の流量を低下させるよう前記燃焼用空気供給器を制御する燃料電池システムである。

かかる構成により、前記燃焼器に供給される燃焼用空気の流量を低下させることで、改質器から排出される熱量を低減、すなわち温度低下を抑制し、安定して燃料電池システムの運転を継続することができる。

第５の発明は、特に第１の発明において、前記改質器から排出される燃料ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化器と、前記選択酸化器に選択酸化用空気を供給する選択酸化空気供給器と、前記改質器に原料及び水のうちの少なくとも一方を供給し、前記選択酸化器の熱が伝わるように配置された原料流路と、をさらに備え、前記制御器は、前記特定制御として、前記選択酸化用空気の流量を増加させるよう前記選択酸化空気供給器を制御する燃料電池システムである。

かかる構成により、選択酸化空気の流量を増加させ選択酸化器の熱を原料流路に伝えることで、原料または水の少なくとも一方が加熱され、改質器の温度を上昇させることができる。また、選択酸化器の温度の低下に伴い一酸化炭素の処理能力が低下することがあるが、選択酸化空気の流量を増加することにより、水素生成装置から得られる水素含有ガス中の一酸化炭素を低減し、燃料電池での一酸化炭素による性能低下を抑制することも可能となる。

第６の発明は、特に第１の発明において、制御器は、前記原料供給量検出器が検出する原料供給量の上限値として予め設定された第１上限値を有し、前記原料供給量が予め設定された第１上限値である場合、前記原料供給量の上限値を前記第１上限値より高い第２上限値とし、前記特定制御として、前記原料供給量を増加させるよう前記原料供給器を制御する燃料電池システムである。

かかる構成により、改質温度検出部で検出される温度が前記第１温度より低い第２温度よりも低く、原料供給量が第１上限値に達した場合、原料ガスを添加し熱量を補うことで、改質器の温度低下を抑制し、水素生成装置の運転を継続することができる。

第７の発明は、特に第１の発明において、前記改質器を加熱する電気ヒータをさらに備え、制御器は、前記特定制御として、前記電気ヒータが通電するよう制御する、燃料電池システムである。

かかる構成により、電気ヒータにより改質器を加熱することができるので、改質温度が過下降することを防止し、安定して燃料電池システムを運転することができる。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。

図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池システムは、水素生成装置１００から供給され、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
１と、炭化水素を含む原料ガスと水蒸気との水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質器２と、改質器２に原料ガスを供給する原料供給器３と、改質器２に水蒸気になる水を供給する水供給器４と、前記原料の供給量を検出する原料供給量検出器５と、前記改質器２の温度を検知する改質温度検出部６と、少なくとも燃料電池１の内部で消費されなかった未反応の燃料ガスを燃焼させて改質器２を加熱する燃焼器７と、燃焼器７に空気を供給する燃焼用空気供給器８と、制御器９とを備える。

次に、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの動作を説明する。なお、以下の諸動作は、制御器９が燃料電池システムの各機器を制御することにより行われる。
燃料電池システムは、制御器９からの運転開始の制御信号により起動する。原料供給器３を制御し、改質器２に原料ガスを供給する。その際、制御器９は改質温度検出部６の検知する温度が予め定められる所定温度である第１温度となるように、原料供給器３を用いて原料供給量検出器５で検出される原料ガス流量を制御する。ここで原料供給器３として原料ガスを昇圧するブースターポンプを用い、原料供給量検出器５としてマスフローコントローラを用いた。原料ガス流量の制御方法として、フィードバック制御を用いても良い。ここで改質温度検出部６として熱電対を用い、改質触媒の流路出口側に設置し改質器２の温度を測定した。ここで図２は、発電量に対する第１温度との相関を示すグラフであり、第１温度は例えば図２のように発電量に対応して変更される値であっても良い。また、第１温度は燃焼器７での加熱量、水素生成装置から排出される熱量、水素生成装置の機体からの放熱等が影響する温度であるが、発電に必要な水素量および燃料電池での水素利用率、および水素生成装置での転化率等から予め決められるのが良い。ところで水素生成装置の機体からの放熱は内部の温度に依存するが、負荷（燃料電池での発電量）が小さいほど、水素生成装置の内部の流体のもつ熱量に対する放熱の相対的な割合は上昇する。また、負荷が小さいほど必要な水素量は少なくて済む、すなわち改質器における転化率は小さくても良い。よって、負荷が小さいほど改質器２の目標温度、すなわち第１温度を低くしても良い。

また、制御器９は、水供給器４を制御し、改質器２に水蒸気改質反応に必要な水蒸気（以下、改質水とする）を供給する。本実施の形態では、改質水の流量は、改質器２に供給する原料ガス中の炭素数に対する水の比率を示すＳ／Ｃが２．９となるように供給した。改質器２に供給された原料ガスと改質水は、改質器２内部の改質触媒存在下で水蒸気改質反応によって水素含有ガスに改質される。ここで改質触媒としてＲｕ系の触媒を用い、本実施の形態では第１温度が６３０℃となるように制御した。なお、原料ガスとして、原料ガス中の硫黄成分を低減する脱硫器を通過したガスを改質器に供給する構成としてもよい。

制御器９は、水素含有ガスを燃料電池１の燃料ガスとして、燃料電池１のアノードに供給する。燃料電池１では、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された発電用空気とが電気化学的に反応して、電気と熱と水とが発生する。燃料電池１で得られた電気は、図示しない電力負荷に供給されて使用され、一方、発電に伴って発生した熱は、図示しない熱回収手段によって回収され、熱負荷に供給されて種々の用途で利用される。燃料電池１の内部で消費されなかった未反応の燃料ガス（以下、オフガスと呼ぶ）は、燃焼器７に供給される。

一方、制御器９は、燃焼用空気供給器８を制御し、燃焼器７に供給されたオフガスを燃焼させるのに必要な燃焼空気を供給する。燃焼器７では、オフガスと、燃焼用空気供給器８から供給された燃焼空気とを混合し燃焼させ、改質器２での水蒸気改質反応に必要な熱を供給する。ここで燃焼空気の流量は、理論空気流量に対する供給空気流量をあらわす空気比で１．７となるよう制御した。また、燃焼器では原料ガスを燃焼する構成としても良い。

また制御器９は、原料供給量検出器５で検出される原料流量と、改質温度検出部６で検出される温度から算出される転化率から、生成する水素生成量を算出し、所定の水素利用率範囲内で発電できるよう燃料電池１での発電量を指示する。
次に、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの制御器９による改質器２の温度制御方法について説明する。

改質器２の温度は、水蒸気改質反応を促進させ、燃料電池で発電に必要な水素を得るために予め定められた目標温度（第１温度）に制御される必要がある。そこで、制御器９は、改質温度検出部６の検知温度が予め定められる目標温度となるように、原料供給器３を制御して原料供給量を調整する。原料供給量を制御することで燃焼器７へ供給される可燃性ガスの供給熱量を調整することが可能となり、燃焼器７から改質器２への供給熱量を調整することができ、改質温度の調整が可能となる。

制御器９は、改質温度を目標温度に維持するために、原料供給器３を制御し、原料供給量を増加させる。しかしながら、改質器２に十分な熱を供給できない場合、改質器２の温度は低下する。改質器２の温度が水蒸気改質反応に適した温度より低くなると、吸熱反応である水蒸気改質反応は進行しなくなり水素生成量は低下し、その結果、燃料電池１での発電に必要な水素量が供給されず、燃料電池１の発電効率が低下する、更には発電停止に至る可能性がある。また燃料電池１での水素消費量が一定の条件で水素生成装置における水素生成量が低下すると、オフガスとして水素生成装置に返ってくる熱量が低下するため、さらに改質器の温度が低下する可能性がある。

ここで原料供給量の閾値は、想定される中心的な組成の原料ガスを用いた際に、改質温度を維持するために必要な原料ガス流量をもとに、余裕度を考慮して所定量だけ高めに設定されるのがよく、原料供給量の閾値は例えば発電量に応じて変更される値であってもよい。ここで図３は、発電量に対する原料供給量閾値との相関を示すグラフであり、原料ガスの所定の閾値は例えば図３のようにそれ以上原料供給量を増加させない上限値を有しても良い。ここで原料ガス供給量の上限値は、例えば触媒反応を十分に進行させるのに必要な空間速度や寿命を考慮した触媒の性能、あるいは水素生成装置の蒸発能力、伝熱面積、あるいはポンプや流量計など付随する機器の能力などから算出されると良く、この上限値内であれば長期に渡って安定的に流量を制御可能な値として決定されるのが良い。

一方、改質温度が低下する原因として、供給する原料ガスの熱量不足が挙げられる。例えば改質器２に供給される原料ガスの組成が変わり、原料ガスの単位体積あたりの熱量が低下した場合、原料ガスの熱量が低下する前と同じ原料供給量が供給されていると、燃焼器７に供給される可燃性ガスの供給熱量が低下するため、「燃焼器７から改質器２への供給熱量」が低下し、改質温度が低下することとなる。あるいは触媒の劣化、燃料電池の劣化、流量計などの機器のばらつきなどによっても改質温度が低下する可能性がある。例えば燃料電池の劣化に関しては、発電時間の経過とともに一般的に電圧は低下傾向となるが、低下した電圧で同じ発電量（電流×電圧）を維持するためには電流を多く消費する必要があり、燃料電池においては電流値すなわち水素の消費量が増えることとなり、同じ水素生成量の場合オフガスの熱量が減ることとなり改質温度が低下する。また制御の追随性から、改質温度が目標値に至らずに低下することもある。

次に、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの特徴的な動作について説明する。

制御器９は、燃料電池システムの水素生成装置１００における原料ガスの供給量を、改質温度検出部６で検出される温度が第１温度となるよう制御をしている際に、原料供給量
検出器５で検出される原料供給量が予め設定された所定閾値以上となり、かつ改質温度検出部６で検出される温度が第１温度より低い第２温度より低くなった場合、原料ガスの制御（例えばフィードバック制御）を行うとともに、第１温度と改質温度検出部６で検出される温度との差が小さくなるように、改質器２を加熱する制御（特定制御）として燃料電池１の発電量を低下させるよう制御する。

本実施の形態では第１温度を６３０℃、第２温度を６１０℃とし、原料供給量の所定閾値を３．０ＮＬ／ｍｉｎと設定した。

具体的には、改質温度検出部６で検出される温度が第１温度である６３０℃となるように、原料ガス供給量を制御するが、例えば熱量の低いガスを原料に用いた際に、その閾値として設定した３．０ＮＬ／ｍｉｎに達しても６３０℃を維持できずに改質温度が低下する、あるいは６３０℃まで上昇させることができない可能性がある。あるいは、原料供給量検出器５で検出される原料流量が、実際に供給される流量よりも小さい場合、想定する水素利用率よりも高い水素利用率で実際に運転している可能性があり、改質器２を所定の温度に保つための熱量が不足し、改質器２の温度が低下する、あるいは６３０℃まで上昇させることができない可能性がある。

燃料電池で発電量を低下させると、同じ原料ガス供給量の場合、燃料電池で消費される水素量が減るため、オフガスとして返ってくる熱量が増大し、その結果、改質器２を加熱し温度を上げることができる。また、発電量を低下させると改質温度の目標温度すなわち第１温度を低下させることができ、第１温度と改質温度検出部６で検出される温度との差を小さくすることができる。

具体的には、本実施の形態では、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された３．０ＮＬ／ｍｉｎ以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が第２温度である６１０℃よりも低くなった場合に、発電量を下げるよう制御を加えることで、安定した発電が可能となる。本実施の形態では、発電量を下げる前の発電指示量を７５０Ｗとし、改質温度検出部６での温度が第３温度となった際の発電指示量を７００Ｗとした。ここで低下させる発電量は、低下した改質温度、すなわち第２温度で安定して発電が可能な発電量、もしくは／かつ発電量の低下に伴う低下した第１温度で安定して発電可能な発電量から決められると良い。発電量を低下させると、必要な水素量および原料ガス供給量をほぼ比例的に低減することとなるため、原料ガス供給量が所定閾値以下でも改質温度を第１温度以上に保つことが容易となる。

また特定制御を加えることで、改質器２の温度を上昇させることができるが、改質温度検出部６で検出される温度が第２温度（ここでは６１０℃）に達したら特定制御をやめても良い。また、所定の時間経過を以って特定制御を中止しても良い。あるいは制御上のハンチングを防止し、より安定に運転させるために、特定制御を停止するタイミングとして、第１温度と第２温度の間、あるいは第１温度以上とするとなお良い。

かかる構成により、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された所定閾値以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が第２温度よりも低い場合、燃料電池１の発電量を低下させることで、改質器２の温度を上昇させることができ、安定して燃料電池システムの運転を継続することができる。これにより例えば熱量の小さい原料ガスを供給した場合であっても、燃料電池システムの運転を安定して継続することが可能となる。また、発電量を下げることで、第１温度と改質温度検出部６で検出される温度との差を小さくすることができ、さらに安定な条件とすることができ、より顕著な効果が得られる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２における燃料電池システムについて説明するが、本実施の形態２は実施の形態１と同様に図１で示す構成をとることができるので詳細な説明は省略する。

次に本実施の形態２における特徴的な動作について説明する。

制御器９は、燃料電池システムの水素生成装置１００における原料ガスの供給量を、改質温度検出部６で検出される温度が第１温度となるよう制御をしている際に、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された所定閾値以上となり、かつ改質温度検出部６で検出される温度が第１温度より低い第３温度（第２温度）よりも低くなった場合、改質器２から排出される熱量を低減する制御（特定制御）として、改質器２に供給される原料に対する水の比率を低下させるように制御する。

本実施の形態では第１温度を６３０℃、第３温度を６１０℃とし、原料供給量検出器５で検出される原料供給量の所定閾値を３．０ＮＬ／ｍｉｎと設定した。なお、本実施の形態における第１温度、第３温度および原料供給量の閾値は、実施の形態１における第１温度、第２温度および原料供給量と同様の値としたが、異なっていても良い。

改質器２に供給される原料に対する水の比率を低下させると、水素含有ガス中に含まれ、排出される水（水蒸気）の量が低下し、保有する熱量が低下する。すなわち改質器２から排出される熱量が低下し、結果として改質器２の温度を上げることができる。また、原料に対する水の比率の低下は、水蒸気改質反応の吸熱量を減らすことも意味し、同様に改質器２の温度を上げる効果につながる。

具体的には、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された３．０ＮＬ／ｍｉｎ以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が第３温度（第２温度）である６１０℃よりも低くなった場合に、原料ガス中の炭素数に対する水の比率を示すＳ／Ｃを２．９から２．７に低下させるよう制御した。供給する水の比率を下げることで改質温度を高く維持することが可能となる。なお、低下させる水の量は改質温度を高く維持し、安定して水素を生成可能な量から算出されると良い。なお、Ｓ／Ｃの値を低下させるよう制御しても良いし、改質水の流量自体を低減するよう制御しても良い。また、水の低下に合わせて、燃料電池１の発電量を低下させても良い。

かかる構成により、改質器２に供給される原料に対する水の比率を低下させるよう水供給器４を制御することで、改質器２の温度低下を抑制する（温度上昇させる）ことができ、安定して燃料電池システムの運転を継続することができる。

（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３における燃料電池システムについて説明するが、本実施の形態３は実施の形態１または２と同様に図１で示す構成をとることができるので詳細な説明は省略する。

次に本実施の形態３における特徴的な動作について説明する。

制御器９は、燃料電池システムの水素生成装置１００における原料ガスの供給量を、改質温度検出部６で検出される温度が第１温度となるよう制御をしている際に、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された所定閾値以上となり、かつ改質温度検出部６で検出される温度が第１温度より低い第４温度（第２温度）よりも低くなった場合、改質器２から排出される熱量を低減する制御（特定制御）として、燃焼器７に供給され
る燃焼用空気の流量を低下させるよう燃焼用空気供給器８を制御する。

本実施の形態では第１温度を６３０℃、第４温度を６１０℃とし、原料供給量検出器５で検出される原料供給量の所定閾値を３．０ＮＬ／ｍｉｎと設定した。なお、本実施の形態における第１温度、第４温度および原料供給量の閾値は、実施の形態１における第１温度、第２温度および原料供給量と同様の値としたが、異なっていても良い。

具体的には、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された３．０ＮＬ／ｍｉｎ以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が第４温度である６１０℃よりも低くなった場合に、燃料電池のオフガスに対する燃焼空気比を１．８から１．６に低下させるよう制御した。ここで本実施の形態の水素生成装置１００は、燃料電池１のオフガスと空気を混合して燃焼する燃焼器を備えるが、燃焼用空気の流量が改質器２の温度に影響を与える構成をとっている。具体的には、燃焼用空気の流量を低下させると、改質器外に持ち出される熱量が減るため改質器の温度が高くなる。なお、燃焼空気の流量は、オフガスに対する燃焼空気比で制御してもよいし、直接目標空気流量を与えて制御しても良い。

また、燃焼空気の低下に合わせて、水の比率の低下あるいは燃料電池の発電量の低下のいずれか一つ以上を同時に行っても良い。

かかる構成により、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された所定閾値以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が第４温度よりも低い場合、燃焼器７に供給される燃焼用空気の流量を低下させるよう燃焼用空気供給器８を制御することで、改質器２から排出される熱量を低下し改質器２の温度低下を抑制することができ、安定して燃料電池システムの運転を継続することができる。

（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４における燃料電池システムについて説明する。

図４は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成図を示すものである。図１に示す実施の形態と同一部または相当部には、同一の符号を付し詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、水素生成装置１００内に、改質器２から排出され水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により二酸化炭素に変える選択酸化器１０と、選択酸化器１０に選択酸化用空気を供給する選択酸化空気供給器１１と、前記改質器２に原料および水のうちの少なくとも一方を供給し、前記選択酸化器１０の熱が伝わるように配置された原料流路１２を備える。

改質器２を出た水蒸気改質反応後の水素含有ガスには一酸化炭素が含まれているが、この一酸化炭素は燃料電池１にとって被毒物質であり、燃料電池１の発電性能を著しく損なうため、一酸化炭素濃度を低減させる必要がある。そこで制御器９は、選択酸化空気供給器１１を制御し、改質器２から排出され一酸化炭素を含む水素含有ガスに、空気を添加し選択酸化反応を行うことで、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する。ここでＣＯ選択酸化器１０にはＲｕ系の触媒を用いた。

また、原料ガスおよび水のうちの少なくとも一方を供給する原料流路１２は、選択酸化器１０の熱が伝わるよう、選択酸化器１０の近傍に配置した。本実施の形態では、予め原料ガスと水を混合し、混合流体の流路を選択酸化器１０の近傍に配置することで、原料ガスおよび水を昇温し、改質器２に供給した。なお、原料ガスまたは水の一方のみの流路を
選択酸化器１０で加熱されるよう配置しても同様の効果が得られる。また、例えば選択酸化器１０内を通過するように原料流路１２を配置しても良い。

次に本実施の形態５における実施の形態１から３と異なる特徴的な動作について説明する。

制御器９は、燃料電池システムの水素生成装置１００における原料ガスの供給量を、改質温度検出部６で検出される温度が第１温度となるよう制御をしている際に、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された所定閾値以上となり、かつ改質温度検出部６で検出される温度が第１温度より低い第５温度（第２温度）よりも低くなった場合、改質器２を加熱する制御（特定制御）として、選択酸化用空気の流量を増加させるよう選択酸化空気供給器１１を制御する。

具体的には、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された３．０ＮＬ／ｍｉｎ以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が第５温度である６１０℃よりも低くなった場合に、選択酸化空気の流量を０．７ＮＬ／ｍｉｎから０．７５ＮＬ／ｍｉｎに増加させるよう制御した。なお、本実施の形態における第１温度、第５温度および原料供給量の閾値は、実施の形態１における第１温度、第２温度および原料供給量と同様の値としたが、異なっていても良い。

ここで本実施の形態の水素生成装置１００は、改質器２の温度が低下すると、後段の選択酸化器１０の温度も低下し得るが、水素生成装置１００内で選択酸化器１０の熱が改質器２の温度に影響を与える構成をとり、選択酸化空気の流量を増加させることで、改質器２の温度を上昇させることができる。また、選択酸化器の温度の低下に伴い一酸化炭素の処理能力が低下することがあるが、選択酸化空気の流量を増加することにより、水素生成装置から得られる水素含有ガス中の一酸化炭素を低減し、燃料電池での一酸化炭素による性能低下を抑制することもできる。

また、選択酸化空気流量の増加に合わせて、燃焼空気の低下、水の比率の低下あるいは燃料電池１の発電量のいずれか一つ以上を同時に行っても良い。
かかる構成により、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された所定閾値以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が第５温度よりも低い場合、選択酸化用空気の流量を増加させるよう選択酸化空気供給器１１を制御することで、改質器２の温度低下を抑制する（温度上昇させる）ことができ、安定して燃料電池システムの運転を継続することができる。

（実施の形態５）
次に本発明の実施の形態５における燃料電池システムについて説明するが、本実施の形態５は図１で示す構成をとることができるので詳細な説明は省略する。

次に本実施の形態５における特徴的な動作について説明する。

制御器９は、改質温度検出部６で検出される温度が第１温度より低い第６温度よりも低く、原料供給量検出器５で検出される原料供給量の上限値として予め設定された第１上限値を有し、原料供給量が予め設定された第１上限値である場合、原料供給量の上限値を第１上限値より高い第２上限値とし、改質器２を加熱する制御（特定制御）として、原料供給量を増加させるよう原料供給器３を制御することを特徴とする。

なお、原料供給量を増加させるよう原料供給器３を制御した後、所定の条件をもって原料供給量検出器５で検出される原料供給量の上限値を第１上限値に戻すと良い。
本実施の形態では第１温度を６３０℃、第６温度を６００℃とし、原料供給量検出器５で検出される原料供給量の第１上限値を３．０ＮＬ／ｍｉｎ、第２上限値を３．１ＮＬ／ｍｉｎとそれぞれ設定した。なお、本実施の形態における第６温度は実施の形態１における第２温度と異なる値としたが、同様の値としても良い。ここで原料供給量の第１上限値あるいは第２上限値は、例えば図５のように発電量に応じて変更される値であってもよい。具体的には、制御器９は原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された第１上限値である３．０ＮＬ／ｍｉｎに達し、改質温度検出部６で検出される温度が第６温度である６００℃よりも低くなった場合に、原料ガス供給量の上限値を第２上限値である３．１ＮＬ／ｍｉｎとし、原料供給量を増加させるよう制御した。原料ガス供給量は第２上限値である原料ガス供給量を供給しても良いし、第２上限値以下の範囲で改質温度をみて原料ガスをフィードバック制御しても良い。

なお、特定制御として原料ガス供給量の上限値を変更し、原料ガス供給量を増加する際、例えば所定の時間の間だけ第１上限値から第２上限値に変更する方法をとっても良い。あるいは、改質温度検出部６で検出される温度が第６温度（ここでは６００℃）に達したら特定制御をやめても良い。あるいは制御上のハンチングを防止し、より安定に運転させるために、特定制御を停止するタイミングとして、第１温度と第２温度の間、あるいは第１温度以上とするとなお良い。

また、原料ガス供給量の増加に合わせて、選択酸化空気流量の増加、燃焼空気の低下、水の低下あるいは燃料電池１の発電量の低下のいずれか１つ以上を同時に行っても良い。かかる構成により、原料ガスを増やすことで、燃焼器７で燃やす可燃性ガスが増えるため、改質器２の温度を上昇させることができる。また、温度を上昇させたのちに原料ガス供給量を所定の閾値に戻すことで、装置設計上の制約を回避することができる。ここで原料供給量の上限値は、触媒反応を十分に進行させるのに必要な空間速度や寿命を考慮した触媒の性能、あるいは水素生成装置の蒸発能力、伝熱面積、あるいはポンプや流量計など付随する機器の能力などから算出されると良いが、第１上限値はこれら余裕度も加味して、長期に渡って安定して水素生成装置あるいは燃料電池システムを運転可能な範囲で設定されるのが良く、第２上限値は、少なくとも水素生成装置での水素生成あるいは燃料電池での発電可能な原料ガス供給量の範囲で決められるのが良い。長期的には第１上限値の範囲内で燃料電池システムは運転すると良いが、第２上限値内まで原料ガス供給量を増加させることで、改質温度を維持あるいは上昇させることができる。

また、原料ガス供給量が所定の上限値になっている際には、例えばガスの組成の乱れや燃料電池の経時的な劣化などがトリガーとなって、改質温度が低下する傾向となり得るが、原料ガス量を例えば一時的にでも増量することで、改質温度を高く保つことができるようになり安定した燃料電池での発電が可能となる。

（実施の形態６）
次に本発明の実施の形態６における燃料電池システムについて説明する。

図６は、本発明の実施の形態６おける燃料電池システムの構成図を示すものである。図４に示す実施の形態と同一部または相当部には、同一の符号を付し詳細な説明は省略する。
本実施の形態では実施の形態１の構成に加え、改質器２を加熱する電気ヒータ１３をさらに備える構成とした。本実施の形態では、電気ヒータ１３として、ステンレス製のマイクロヒータを用い、改質器２の温度を直接あるいは間接的に昇温できる位置に配置した。また改質器２は高温になり得るので、例えば改質器２に供給される原料ガスが間接的に昇温される位置に配置しても良い。

次に本実施の形態７における特徴的な動作について説明する。制御器９は、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された所定閾値以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が第１温度より低い第７温度（第２温度）よりも低い場合、改質器２を加熱する制御（特定制御）として、電気ヒータ１３が通電するよう制御する。

具体的には、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された３．０ＮＬ／ｍｉｎ以上であり、改質温度検出部６で検出される温度が第７温度である６１０℃よりも低くなった場合に、電気ヒータ１３を通電するよう制御した。通電方法として、改質温度検出部６で検出される温度が第１温度になるようフィードバック制御をしても良いし、オンオフ制御をしても良い。また電気ヒータ１３の温度を検出可能な温度検出器を設けて、その温度に基づいて制御しても良い。なお、本実施の形態における第１温度、第７温度および原料供給量の閾値は、実施の形態１における第１温度、第２温度および原料供給量と同様の値としたが、異なっていても良い。

かかる構成により、電気ヒータにより改質器２を直接あるいは間接的に加熱することができるので、改質温度が過下降することを防止し、安定して燃料電池システムを運転することができる。

（実施の形態７）
次に本発明の実施の形態７における燃料電池システムについて説明する。図７は本発明の実施の形態７における燃料電池システムの構成を示した概略図である。図４または図６に示す実施の形態と同一部または相当部には、同一の符号を付し詳細な説明は省略する。本実施の形態では、水素生成装置１００として、改質器２から排出され水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を、変成反応により二酸化炭素に転化する変成器１４と、燃焼器７で燃焼した排ガスが流れる燃焼排ガス流路１５と、改質器２から排出され変成器１４および選択酸化器１０に流通する水素含有ガス流路１６とを備える構成とした。

また、燃焼器７の周りに改質器２を配置し、その外周に変成器１４および選択酸化器１０の順に水素含有ガス流路１６を流通するよう多重円筒型に配置し、燃焼器７での燃焼熱が、燃焼排ガス流路１５を通じて改質器２、変成器１４、選択酸化器１０に伝わる構成とした。一方で原料ガスと水（あるいは水蒸気）の混合ガスは、水素含有ガス流路１６と燃焼排ガス流路１５との間の流路である原料流路１２を通過して改質器２に供給される構成とし、原料流路１２は流路内側の燃焼排ガス流路１５と、水素含有ガス流路１６あるいは変成器１４および選択酸化器１０からの熱を受けながら通過する構成とした。なお、原料流路は原料ガスまたは改質水（水蒸気）の混合流体でなく、少なくとも一方が流れる構成としても同様の効果が得られる。

改質器２を出た水蒸気改質反応後の水素含有ガスには一酸化炭素が含まれるが、改質器２の下流に変成器１４を配置し、水蒸気と一酸化炭素ガスを水素ガスと二酸化炭素ガスに変成反応させ、一酸化炭素濃度を約０．５％まで低減する。変成器１４を経た水素含有ガスは、更に、選択酸化器１０に供給される。制御器９は、選択酸化空気供給器１１を制御し、一酸化炭素選択酸化反応に必要な空気を選択酸化器１０に供給する。選択酸化器１０では、空気を利用して一酸化炭素を二酸化炭素に変える一酸化炭素選択酸化反応を行う。これにより、一酸化炭素濃度１０ｐｐｍ以下程度の水素含有ガスが生成される。ここで変成反応（水性ガスシフト反応）を行う変成器には、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒を用い、変成触媒が約２５０℃、選択酸化触媒が約１５０となるようにした。このように一体に水素生成装置を配置することで、コンパクトで高効率な水素生成装置とすることができる。

次に本実施の形態７における動作について説明する。

制御器９は、燃料電池システムの水素生成装置１００における原料ガスの供給量を、改質温度検出部６で検出される温度が第１温度となるよう制御をしている際に、原料供給量検出器５で検出される原料供給量が予め設定された所定閾値以上となり、かつ改質温度検出部６で検出される温度が第１温度より低い第８温度（第２温度）になった場合、原料ガスの制御を行うとともに、第１温度と改質温度検出部６で検出される温度との差が小さくなるように、「１．改質器２を加熱する制御」、「２．改質器から排出される熱量を低減する制御」の少なくとも１つである「特定制御」をさらに行うことを特徴とする。

ここで、「１．改質器２を加熱する制御」、「２．改質器から排出される熱量を低減する制御」、として、制御器９は（１）燃料電池１の発電量を低下させる、（２）改質器２に供給される原料に対する水の比率を低下させるよう水供給器４を制御する、（３）燃焼器７に供給される燃焼用空気の流量を低下させるよう燃焼用空気供給器８を制御する、（４）選択酸化用空気の流量を増加させるよう選択酸化空気供給器１１を制御する、（５）原料供給量を増加させるよう原料供給器３を制御する、（６）電気ヒータ１３が通電するよう制御する、のいずれか１つ以上を行うことを特徴とする。なお、本実施の形態における第１温度、第８温度および原料供給量の閾値は、実施の形態１における第１温度、第２温度および原料供給量と同様の値としても良い。

なお、電気ヒータ１３は水素含有ガス流路１６あるいは変成器１４や選択酸化器１０を同時に加熱する構成としても良く、電気ヒータにより加えた熱が、水素含有ガス流路１６あるいは変成器１４や選択酸化器１０を介して、原料流路１２あるいは改質器２に伝わり、改質器２の温度を上昇させることができる。

なお、選択酸化用空気の流量を増加させた場合、空気の増加に伴う選択酸化器１０での発熱が、原料流路１２を介して原料ガスあるいは改質水（水蒸気）の昇温につながり、結果として改質器２の昇温につながるので、かかる構成を用いることで、より顕著な効果を得られる。

また、変成器１４は改質器２の後段に配置されているため、改質器２の温度が低下すると変成器１４の温度も低下する。また燃焼空気の流量を減らすと、改質器２の後段の変成器１４に熱が伝わりにくくなるため、同様に変成器１４の温度が低下する。変成器の温度が低下すると、触媒での反応速度から変成ガス中の一酸化炭素の割合が多くなる可能性があるが、この場合であっても例えば選択酸化空気の流量を増加することにより、選択酸化器１０で一酸化炭素を低減し、燃料電池の性能低下を抑制することで安定して運転を継続することができるので、より顕著な効果が得られる。また、電気ヒータ１３を通電する、あるいは発電量を低下させる制御を加えることでも改質器２の温度を上げることができるので、同様の効果が得られる。

また、原料ガス供給量の上限値を変更して原料ガス供給量を増加させた場合、同時に改質水の量を増加させる、あるいは選択酸化空気の流量を増加させると、改質器２、変成器１４および選択酸化器１０での流量バランスを一定に保てるので、安定した水素生成が可能となる。

以上の構成により、一体型の水素生成装置を用いることで、本発明の効果がより顕著に得られる。

本発明は、低熱量の原料ガスにも応じて、機器を追加することなく低コストでの燃料電池システムを実現するとともに、安定して水素生成装置および燃料電池システムを運転することができ、頻繁な運転停止を抑制し、エネルギー効率を高めた燃料電池システムを提
供するもので、分散型の固体高分子形もしくは固体酸化物形などの燃料電池発電システムに特に有用である。

１ 燃料電池
２ 改質器
３ 原料供給器
４ 水供給器
５ 原料供給量検出器
６ 改質温度検出部
７ 燃焼器
８ 燃焼用空気供給器
９ 制御器
１０ 選択酸化器
１１ 選択酸化空気供給器
１２ 原料流路
１３ 電気ヒータ
１４ 変成器
１５ 燃焼排ガス流路
１６ 水素含有ガス流路
１００ 水素生成装置

Claims (7)

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、
   原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記改質器へ原料を供給する原料供給器と、
   前記改質器へ水を供給する水供給器と、
   前記原料の供給量を検出する原料供給量検出器と、
   前記改質器の温度を検出する改質温度検出部と、
   原料又は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器を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器と、
   前記改質温度検出部で検出される温度が予め設定された第１温度となるように、前記原料供給器からの原料供給量を制御する制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記原料供給量検出器が検出する原料供給量が予め設定された所定閾値以上であり、前記改質温度検出部で検出される温度が前記第１温度より低い第２温度よりも低い場合、前記改質温度検出部で検出される温度が前記第１温度となるように、前記原料供給器からの原料供給量を制御するとともに、前記第１温度と前記改質温度検出部で検出される温度との差が小さくなるように、前記改質器を加熱する制御及び前記改質器から排出される熱量を低減する制御のうちの少なくとも１つである特定制御をさらに行う、
   燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記特定制御として、前記燃料電池の発電量を低下させるよう制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記改質器へ水を供給する水供給器をさらに備え、
   前記制御器は、前記特定制御として、前記改質器に供給される原料に対する水の比率を低下させるよう前記水供給器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記特定制御として、前記燃焼器に供給される燃焼用空気の流量を低下させるよう前記燃焼用空気供給器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記改質器から排出される燃料ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化器と、
   前記選択酸化器に選択酸化用空気を供給する選択酸化空気供給器と、
   前記改質器に原料及び水のうちの少なくとも一方を供給し、前記選択酸化器の熱が伝わるように配置された原料流路と、
   をさらに備え、
   前記制御器は、前記特定制御として、前記選択酸化用空気の流量を増加させるよう前記選択酸化空気供給器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御器は、前記原料供給量検出器が検出する原料供給量の上限値として予め設定された第１上限値を有し、前記原料供給量が予め設定された第１上限値である場合、前記原料供給量の上限値を前記第１上限値より高い第２上限値とし、前記特定制御として、前記原料供給量を増加させるよう前記原料供給器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記改質器を加熱する電気ヒータをさらに備え、
   前記制御器は、前記特定制御として、前記電気ヒータが通電するよう制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。