JP2014216173A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合に改質温度が高温となることを防ぎ、発電を継続することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】改質温度検知器の検知温度が定められる目標温度となるように前記原料供給器の制御を行う制御器は、改質温度検知器の検知温度が目標温度よりも第１所定温度以上高い場合、燃料電池の発電量を低下させることで、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合においても改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物原料と水蒸気との水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、改質器で得られた燃料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。

燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により、発電を行う燃料電池を備える。

従来、この種の燃料電池システムは、天然ガス等の炭化水素系原料ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を含む水素生成装置を備え、この水素生成装置で生成された水素含有ガスが燃料電池に供給される。（例えば、特許文献１参照）
図３は、公報に記載された従来の燃料電池システムの構成図である。

図３に示すように、従来の燃料電池システムは、原料ガスと水蒸気との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器２６と、水蒸気と一酸化炭素ガスを変成反応により水素ガスと二酸化炭素ガスとに変える変成器２７と、一酸化炭素選択酸化反応により一酸化炭素を二酸化炭素に変える選択酸化器２８と、選択酸化器２８で処理された水素を含む燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池２９と、燃料電池２９から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスを燃焼させて改質器２６を加熱する燃焼器３０と、改質器２６に原料ガスを供給する原料供給器３１と、改質器２６に水を供給する水供給器３２と、燃焼器３０に燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器３３と、制御器３４とを備える。

改質器２６には、天然ガス等の原料と水とがそれぞれ原料供給器３１、水供給器３２により供給され、改質触媒のもとで水蒸気改質されて水素を含む燃料ガスが生成される。改質反応が行われる改質器２６は、改質反応に最適な温度に維持する必要があるため、バーナ等の燃焼器３０で加熱される。燃焼器３０には、燃料電池２９での発電に利用されなかったオフ燃料ガスが供給され、空気供給器より供給される空気と共に燃焼される。制御器３４は、改質器２６の温度が一定になるように燃焼器３０に供給されるオフ燃料ガス量を調整するよう原料供給器３１を制御するとともに、燃焼器３０に供給されるオフ燃料ガスを燃焼させるのに必要な燃焼用空気量を供給するように、燃焼空気供給器３３を制御する。

また、改質温度が高温になることで改質触媒が劣化すること、及び、改質器の構造体が熱負荷により破損することを防止する為に、改質器の温度を検知する改質温度検知器を備え、制御器は改質温度検知器の検知温度が予め定められた設定温度を超えると燃料電池システムの発電を停止し、触媒劣化、及び構造体の破損を回避するように構成されている燃料電池システムもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−６０９３号公報 特開平９−３２０６２１号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池システムに供給される原料ガス
の組成が変化した場合、改質温度が予め定められる目標温度となるように燃焼器に供給されるオフ燃料ガス量を減らすよう原料供給器を制御し原料供給量を低下させたとしても、充分に対応することができない、という課題を有していることが本願発明者らの鋭意検討の結果、明らかになった。

つまり、従来の燃料電池システムでは、改質温度に基づいて原料供給量を減らすように制御していたとしても、単位時間当たりの原料供給量の減少量は予め想定された原料ガス組成に適した減少量であるため、予め想定された原料ガス組成と異なる組成のガスが供給され燃焼器に供給されるオフ燃料ガスの熱量が想定より高くなった場合には、単位時間当たりのオフ燃料ガス熱量の低減量が小さく、改質温度が予め定められた設定温度を超え、改質触媒の劣化、改質器の破損を防ぐために、燃料電池システムが停止するという課題を有していた。

また、従来の燃料電池システムでは、改質温度に基づいて原料供給量を制御していたとしても、燃料電池の安定発電に必要な最低限な量の水素を生成しなければならないという理由のために、予め想定された原料ガス組成に基づいて原料供給量の下限値が設定されていた。そのために、原料ガスの組成が変化しあらかじめ想定された原料ガス組成と異なる組成の原料ガスが供給された場合においても、その下限値を超えて原料供給量を減少させることができなかった。その結果、原料ガスのガス組成が変化した場合には、原料ガスがその下限値で供給され続け、改質温度が予め定められた設定温度を超え、改質触媒の劣化、改質器の破損を防ぐために、燃料電池システムが停止するという課題を有していた。

さらに具体的に説明すると、従来の燃料電池システムでは、制御器は原料供給器を制御し、燃焼器に供給されるガス量を変化させることで、改質温度が目標温度となるように制御する。仮に、改質温度が予め定められた目標温度より高い場合は、制御器は原料供給器を制御し、原料供給量を低下させる。一方で、原料供給量は、改質器が燃料電池での発電に必要な水素量以上の水素を生成できるように制御される必要があり、原料供給量には予め想定された原料ガス組成に基づいて燃料電池の安定発電を実現するための下限値が設定されている。したがって、改質温度が目標温度より高い場合は、原料供給量はその下限値まで低下させることで、改質温度を目標温度に制御しつつ、燃料電池での安定発電を実現しようとする。しかしながら、例えば、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化し、単位体積当たりの熱量が想定よりも高い熱量の原料ガスが供給される場合は、原料供給量を下限値まで低下させたとしても、燃焼器に供給されるガスの熱量が想定より高くなり、改質温度が高くなる。その結果、改質温度検知器の検知温度が予め定められた設定温度を超え、触媒劣化、及び構造体の破損を回避する為に燃料電池システムの発電が停止するという課題があった。

更には、予め想定された組成の原料ガスの質量流量を計測可能な原料供給量計測器を備え、原料供給量計測器の計測値が目標流量となるように制御する燃料電池システムにおいても、例えば燃料電池システムに高濃度の水素を含む原料ガスが供給された場合には、原料供給量計測器の計測値が原料供給量の下限値となるよう制御しても、改質温度が高温となり、燃料電池システムが停止することが想定される。これは、水素は他の気体と比べて熱伝導率が極端に大きいため、一般的な質量流量計では水素を含む原料ガスの流量を正しく検知することが出来ず、原料供給量計測器で計測される原料供給量以上の原料が供給されるためである。そのため、原料給料計測器の計測する原料供給量が原料供給量の下限値となるように制御したとしても、燃焼器に供給されるガス熱量が想定より高くなることで改質温度が高くなり、改質温度検知器の検知温度が予め定められた設定温度を超え、燃料電池システムの発電が停止するという可能性があった。

また、従来の燃料電池システムでは、燃料電池システムが電力を供給する電力負荷の消
費電力を検知する消費電力検知器をさらに備え、制御器は、消費電力検知器の検知電力量に基づいて燃料電池の発電量を制御する。仮に、原料ガス組成の組成が変化しオフ燃料ガスの熱量が想定よりも高くなる場合においても、消費電力検知器の検知電力量が燃料電池の発電量より大きい際には、検知電力量と同等となるように燃料電池の発電量を増加させる。燃料電池の発電量を増加させると、燃料電池で消費される水素量が増加する為、原料供給量を増加させる必要がある。つまり、原料ガス組成の組成が予め想定された組成と異なる場合においても、燃料電池の発電量を増加させ原料供給量を増加させることになる。この結果、燃焼器に供給されるガス熱量が想定より高くなることで改質温度が高温になり、改質温度検知器の検知温度が予め定められた設定温度を超え、燃料電池システムの発電が停止するという可能性があった。

本発明は、従来の課題を解決するもので、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合に改質温度が高温となることを防ぎ、発電を継続することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムでは、原料ガスと水蒸気との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、改質器から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、改質器に原料ガスを供給する原料供給器と、原料ガス、燃料ガス及び燃料電池から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスのうちの少なくとも一つの可燃性ガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼器と、改質器の温度を検知する改質温度検知器と、改質温度検知器の検知温度が定められる目標温度となるように原料供給器の制御を行う制御器と、を備えている。そして、制御器は、改質温度検知器の検知温度が目標温度より第１所定温度以上高くなった場合は、燃料電池の発電量を減少させるように構成されている。

本発明の燃料電池システムでは、改質温度検知器の検知温度が目標温度よりも第１所定温度以上高くなる場合に、システムに供給されている原料ガスの組成が変化したと推定し、燃料電池の発電量を減少させる。燃料電池の発電量を減少させることで、燃料電池での発電に必要な水素量が低下するため、原料供給器により供給される原料供給量を減らすことが可能となり、燃焼器に供給されるガス量も減少させることが可能となる。一方で、改質器の温度は改質反応に最適な温度に維持する必要があり、燃料電池の発電量が変化しても、改質器からの放熱量はほぼ一定である。つまり、発電量を低下させるほど、燃焼器に供給されるガス熱量に対する改質器の放熱量の割合が大きくなるため、改質温度は低下することとなる。したがって、発電量を減少させることで、改質温度を下げることでき、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合においても改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させることが可能となる。また、発電量を減少させることで原料供給量下限値を減少させることが可能となり、原料供給量をより減少させることが可能となり、改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させることが可能となる。なお、改質温度が低下したとしても、改質触媒の体積に対する原料ガス量の割合が小さくなるため、改質器における触媒の処理性能は発電量の大小に関係なく同等に維持することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合においても改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させることが可能となる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 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方法の一例を示すフロー図 従来の燃料電池システムの構成図

第１の発明は、原料ガスと水蒸気との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、改質器から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、改質器に原料ガスを供給する原料供給器と、原料ガス、燃料ガス及び燃料電池から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスのうちの少なくとも一つの可燃性ガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼器と、改質器の温度を検知する改質温度検知器と、改質温度検知器の検知温度が定められる目標温度となるように原料供給器の制御を行う制御器と、を備えている。そして、制御器は、改質温度検知器の検知温度が目標温度より第１所定温度以上高くなった場合は、燃料電池の発電量を減少させるように構成されている燃料電池システムである。

本発明の燃料電池システムでは、改質温度検知器の検知温度が目標温度よりも第１所定温度以上高くなる場合に、システムに供給されている原料ガスの組成が変化したと推定し、燃料電池の発電量を減少させる。燃料電池の発電量を減少させることで、燃料電池での発電に必要な水素量が低下するため、原料供給器により供給される原料供給量を減らすことが可能となり、燃焼器に供給されるガス量も減少させることが可能となる。一方で、改質器の温度は改質反応に最適な温度に維持する必要があり、燃料電池の発電量が変化しても、改質器からの放熱量はほぼ一定である。つまり、発電量を低下させるほど、燃焼器に供給されるガス熱量に対する改質器の放熱量の割合が大きくなるため、改質温度は低下することとなる。したがって、発電量を減少させることで、改質温度を下げることでき、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合においても改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させることが可能となる。また、発電量を減少させることで原料供給量下限値を減少させることが可能となり、原料供給量をより減少させることが可能となり、改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させることが可能となる。

第２の発明は、原料ガスの供給量を計測する原料供給量計測手段をさらに備え、制御器は、原料供給量計測手段の検知流量が予め定められた原料供給量下限値であり、かつ改質温度検知器の検知温度が目標温度より第１所定温度以上高くなった場合に、燃料電池の発電量を減少させるように構成されている燃料電池システムである。

本発明では、原料供給量が予め定められた原料供給量下限値まで減少しているか否かを判定する。もし、原料供給量下限値まで減少しておらず、かつ改質温度が目標温度より高温である場合は、発電量を減少させる前に、改質温度に基づく原料供給器の制御により原料供給量を原料供給量下限値まで減少させる。このことにより、原料供給量を原料供給量下限値まで減少させることで改質温度の高温化を防ぐことが出来る場合は、燃料電池の発電量減少による燃料電池システムのエネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。一方で、原料供給量を原料供給量下限値まで減少させても改質温度が目標温度より第１所定温度以上である場合は、燃料電池の発電量を減少させることで、改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させる。

第３の発明は、制御器は、原料供給量下限値を燃料電池の発電量に応じて変更させるように構成されている燃料電池システムである。

仮に原料供給量下限値を燃料電池の発電量に応じて変更せず、燃料電池の発電量の減少前後で原料供給量下限値が同じ値に保持される燃料電池システムにおいて、燃料電池の発
電量を減少させると、燃料電池システムに供給される原料供給量は一定の原料供給量下限値のまま、燃料電池で消費される水素量が減少するため、燃焼器に供給されるガス量が増加し、改質器の温度が上昇する。しかしながら、本発明では、原料供給量下限値を燃料電池の発電量に応じて変更させる、より具体的には、燃料電池の発電量の減少に伴い原料供給量下限値も減少するように変更させることで、発電量減少時に燃料電池システムに供給される原料供給量を減少させることが可能となり、改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させる。なお、燃料電池の発電量を減少させると、燃料電池で必要な水素量も減少する為、原料供給量下限値を減少させても燃料電池の発電を継続することは可能である。

第４の発明は、制御器は、改質温度検知器の検知温度が第１所定時間以上の間、目標温度より第１所定温度以上高くなった場合は、燃料電池の発電量を減少させるように構成されている燃料電池システムである。

改質温度の一時的な温度変動により、目標温度より第１所定温度以上高くなるが、改質温度が更に高温になる可能性はない場合が考えられる。本発明では、改質温度が目標温度より第１所定温度以上高くなっている時間が第１所定時間未満の場合は、改質温度が更に高温になる可能性はないと判定し発電量を減少させないことで燃料電池システムのエネルギー効率の低下を防止し、一方、改質温度が目標温度より第１所定温度以上高くなっている時間が第１所定時間以上の場合は、燃料電池の発電量を減少させることで、改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させる。

第５の発明は、制御器は、改質温度検知器の検知温度が第１所定温度と目標温度との和より低い第２所定温度以上かつ第３所定温度未満である場合に、燃料電池の発電量を増加させるように構成されている燃料電池システムである。

これにより、改質温度が目標温度より第１所定温度以上高くなっている際には、発電量を減少させることで改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現すると共に、改質温度が低下し第２所定温度以上かつ第３所定温度未満になった場合には、発電量を増加させることでエネルギー効率の向上が可能となる。ここで第２所定温度とは、燃料電池４での発電に必要な水素量を生成可能な改質温度であり、第３所定温度とは、発電量を増加させることにより改質温度が高温になる恐れはないと推定される温度である。

第６の発明は、気温を検知する気温検知器をさらに備え、制御器は、気温検知器が検知する温度に基づいて、第１所定温度、第２所定温度、および第３所定温度のうちの少なくとも一つの温度を補正するように構成されている燃料電池システムである。

周囲気温が変わると改質器から外部への放熱量も変化する為、改質温度は周囲気温の影響を受ける。例えば、気温が高い時の改質器から外部への放熱量は、気温が低い時の放熱量に比べて小さいため、気温が低い場合と同様に燃料電池の発電量を減少させたとしても改質温度は高温となり、燃料電池システムが停止する恐れがある。そこで、気温が高い時は、第１所定温度を気温が低いときよりも低い温度となるように補正し、燃料電池の発電量を減少させる。このように、気温検知器が検知する温度に基づいて第１所定温度を補正することにより、改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現することが可能となる。

また、第２所定温度についても、気温検知器が検知する温度に基づいて補正することにより、発電量増加時にも燃料電池での発電に必要な水素量を供給可能な改質温度に維持することが可能となる。例えば、気温が低いときは第２所定温度を気温が高いときよりも高
い温度となるように補正する。

また、第３所定温度についても、気温検知器が検知する温度に基づいて補正することにより、発電量増加時に気温の差異により改質温度が高温になることを防ぎつつ、発電量増加によるエネルギー効率の向上が可能となる。例えば、気温が高いときは、第２所定温度を気温が低いときよりも低い温度となるように補正することで、燃料電池の発電量を増加させることにより改質温度が高温になることを防ぐ。

第７の発明は、燃料電池システムが電力を供給する電力負荷の消費電力を検知する消費電力検知器をさらに備えている。そして、制御器は、消費電力検知器の検知電力量に基づいて燃料電池の発電量を制御する通常運転と、改質温度検知器の検知温度が目標温度より第１所定温度以上高くなった場合に、改質温度検知器の検知温度が目標温度より第１所定温度未満になるように燃料電池の発電量を減少させる特別運転と、を含む運転プログラムを記憶しているように構成されている燃料電池システムである。

これにより、改質温度が目標温度より第１所定温度以上高い場合は、燃料電池の発電量を減少させることで改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現するとともに、改質温度が目標温度より第１所定温度以上でない場合は、負荷消費電力に基づいて可能な限り高い発電量で発電を継続することで、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（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、燃料電池システムは、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物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を含む燃料ガスを生成する改質器１と、水蒸気と一酸化炭素ガスを変成反応により水素ガスと二酸化炭素ガスとに変える変成器２と、一酸化炭素選択酸化反応により一酸化炭素を二酸化炭素に変える選択酸化器３と、選択酸化器３から供給される燃料ガスと発電用酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池４と、改質器１に原料ガスを供給する原料供給器５と、原料供給器５の原料供給量を計測する原料供給量計測器６と、改質器１に水蒸気になる水を供給する水供給器７と、選択酸化器３に一酸化炭素選択酸化反応に用いる酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器８と、燃料電池４に発電用酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給器９と、燃料電池４から排出される排出燃料ガス及び排出発電用酸化剤ガスを冷却し、水を凝縮させる水凝縮器１０と、水凝縮器１０で凝縮させた水を回収する水回収器１１と、燃料電池４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１を加熱する燃焼器１２と、燃焼器１２に空気を供給する燃焼空気供給器１３と、改質器１の温度を検知する改質温度検知器１４と、燃料電池システムが電力を供給する電力負荷の消費電力を検知する消費電力検知器１５と、制御器１６とを備える。
なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料電池４として、固体高分子型燃料電池を用い、固体高分子型燃料電池にとって被毒物質である一酸化炭素の濃度を低減する為に、変成器２と選択酸化器３とを備える構成とした。しかしながら、一酸化炭素に対して耐性のある燃料電池４を用いる場合は、必ずしも変成器２と選択酸化器３とを備える必要はない。

なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、改質器１に原料ガスを供
給する原料供給器５と、原料供給器５の原料供給量を計測する原料供給量計測器６と、を備える構成としたが、予め定められた操作量において、所定の体積流量の原料ガスを改質器１に供給することが可能な定容積形原料供給器のみを備える構成としても良い。定容積形原料供給器とは、定容積形原料供給器の作動領域内では、負荷（背圧）の変化がある場合でも、所定の操作量では所定の一定量の体積流量を供給することが出来る原料供給器を指し、定容積形原料供給器の操作量に基づいて、原料ガスの体積流量を算出することができるため、原料供給量計測器６を備える必要がない。ここで、操作量とは定容積形原料供給器に供給する電圧値、電流値、周波数、またはｄｕｔｙ比等を指す。

なお、制御器１６は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して、燃料電池システムの制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器１６は、マイクロコントローラで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、論理回路等によって構成されていてもよい。

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１６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１６からの運転開始の制御信号により起動する。原料供給器５を制御し、原料ガス供給経路１７を介して改質器１に原料ガスを供給する。その際、制御器１６は、改質温度検知器１４の検知する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５が供給する原料ガス流量をフィードバック制御する。また、制御器１６は、水供給器７を制御し、水供給経路１８を介して改質器１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。改質器１に供給された原料ガスと改質水は、改質器１内部の改質触媒（図示せず）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。水蒸気改質反応後の水素含有ガスには１０％程度の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４にとって被毒物質であり、燃料電池４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、改質器１の下流の変成器２で、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、一酸化炭素濃度を低減する。変成器２を経た水素含有ガスは、更に、選択酸化器３に供給される。制御器１６は、酸化剤ガス供給器８を制御し、酸化剤ガス供給経路１９を介して、一酸化炭素選択酸化反応に必要な酸化剤ガスを選択酸化器３に供給する。選択酸化器３では、酸化剤ガス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以下の水素含有ガスが生成される。

なお、改質器１の目標温度は、燃料電池の発電量に比例して上昇するように設定してもよい。

なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、改質器１に供給した水蒸気のうち、改質反応に使用されなかった分を変成器２に供給するようにした（図示せず）が、改質器１へ供給する水供給経路１８を途中で分岐する、または、別経路にするなどして、別々に供給する構成としてもよい。

なお、原料ガス供給経路１７上に、原料ガス中の硫黄成分を低減する脱硫器を備える構成としてもよい。

制御器１６は、水素含有ガスを燃料電池４の燃料ガスとして、燃料ガス供給経路２０を介して、燃料電池４のアノード（図示せず）に供給する。ここで、燃料ガスには、改質反応に供された水蒸気が一定量含まれているが、さらに一定量の水蒸気を加湿するような構成としてもよい。

また、制御器１６は、発電用酸化剤ガス供給器９を制御し、発電用酸化剤ガス供給経路２１を介して、発電用酸化剤ガスを燃料電池４のカソード（図示せず）に供給する。ここで、発電用酸化剤ガス供給器９は、吸入口が大気開放されているブロワを用いたが、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。また、発電用酸化剤ガス供給経路２１上に、発電用酸化剤ガスを一定量の水蒸気で加湿する加湿器を備える構成としてもよい。

燃料電池４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酸化剤ガスとが電気化学的に反応して、電気と熱と水とが発生する。図１では、図示を省略しているが、燃料電池４で得られた電気は、電力負荷に供給されて使用され、一方、発電反応に伴って発生した熱は、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。熱回収手段としては、例えば、温水回収手段等の従来の構成のものが用いられる。

なお、燃料電池４での発電量は、消費電力検知器１５の検知する消費電力量に基づいて制御される。具体的には、制御器１６は、燃料電池４の発電量が消費電力検知器１５の検知する消費電力量と同等となるように制御する。

燃料電池４の内部で消費されなかった未反応の燃料ガス（以下、排出燃料ガスと呼ぶ）中に含まれる水蒸気は、水凝縮器１０で排出燃料ガスと分離されて、水に凝縮される。水蒸気を除去された排出燃料ガスは、排出燃料ガス経路２２を介して燃焼器１２に供給される。

一方、制御器１６は、燃焼空気供給器１３を制御し、燃焼空気供給経路２３を介して、燃焼器１２に供給された排出燃料ガスを燃焼させるのに必要な燃焼空気量を供給する。燃焼器１２では、排出燃料ガスと、燃焼空気供給器１３から供給された燃焼空気とを混合し燃焼させ、改質器１での水蒸気改質反応に必要な熱を供給する。

改質器１の温度は、水蒸気改質反応を促進させるために予め定められた目標温度に制御される必要がある。そこで、制御器１６は、改質温度検知器１４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５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１２へ供給される可燃性ガスの供給熱量を制御することが可能となり、燃焼器１２から改質器１への供給熱量を調整することが可能となる。

また、燃料電池４の内部で消費されなかった未反応の発電用酸化剤ガス（以下、排出酸化剤ガスと呼ぶ）中に含まれる水蒸気も、水凝縮器１０で排出酸化剤ガスと分離されて、水に凝縮される。水蒸気を除去された排出酸化剤ガスは、排出酸化剤ガス経路２４を介してシステム外へ排出される。

水凝縮器１０にて排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスから分離された水は、凝縮水経路２５を介して水回収器１１回収される。水回収器１１に回収された凝縮水の一部又は全部が、水供給経路１８を介して水供給器７に供給される。なお、水回収器１１は、導電性イオン等の不純物を取り除く浄化器やフィルターを備える構成としてもよい。

なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの両方から水を回収する形態を採用したが、これに限定されない。どちらか一方の排出ガスから水を回収する構成としても良い。水凝縮器１０としては、例えば、熱交換器を使用することが出来る。

なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、水供給器７は、水回収器
１１に回収された水を改質器１に供給する構成としたが、インフラ等から供給される水を水供給器７が供給する構成としても良い。

そして、燃料電池システムは、制御器１６からの運転停止の制御信号により停止する。具体的には、制御器１６は、燃料電池システムの各機器に停止指令を出し、停止動作を実施する。停止動作が完了すると、燃料電池システムは停止する。
また、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、改質温度が高温になることで改質触媒が劣化すること、及び、改質器１の構造体が熱負荷により破損することを防止する為に、制御器１６は改質温度検知器１４の検知温度が予め定められた設定温度を超えると燃料電池システムの発電を停止し、触媒劣化、及び構造体の破損を回避するように構成されている。

次に、供給される原料ガスの組成が変化した場合の本発明の実施の形態１における燃料電池システムへの影響について説明する。

改質器１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増加した場合、燃焼器１２に供給される燃焼ガスの供給熱量が増加するため、燃焼器１２から改質器１への供給熱量が増加し、改質温度が上昇する。制御器１６は、改質温度検知器１４の検知する改質温度が目標温度となるように、原料供給器５を制御して原料供給量を低下させる。しかしながら、改質温度に基づいて原料供給量を減らすように制御していたとしても、単位時間当たりの原料供給量の減少量は予め想定された原料ガス組成に適した減少量であるため、燃焼器１２に供給されるオフ燃料ガスの熱量が想定より高い場合には、原料供給量の低減による単位時間当たりのオフ燃料ガス熱量の低減量が小さく、改質温度が予め定められた設定温度を超え、触媒劣化、及び構造体の破損を回避する為に燃料電池システムの発電が停止するという課題があった。

また、改質器１には、燃料電池４での発電に必要な水素量を生成する為に必要な原料供給量が供給される必要があるため、予め想定されている原料ガスの組成に基づいて、燃料電池４での安定発電に必要な水素量を生成する為に必要な原料供給量の下限値が設定されている。そのために、予め想定された原料ガス組成と異なる組成の原料ガスが供給された場合においても、その下限値を超えて原料供給量を減少させることができず、改質温度が予め定められた設定温度を超え、触媒劣化、及び構造体の破損を回避する為に燃料電池システムの発電が停止するという課題があった。

また、原料供給量計測器６が予め想定された組成の原料ガスの質量流量を計測可能な計測器である場合、例えば燃料電池システムに高濃度の水素を含む原料ガスが供給された場合には、原料供給量計測器６の計測値が原料供給量の下限値となるよう制御しても、改質温度が高温となり、燃料電池システムが停止する可能性がある。これは、水素は他の気体と比べて熱伝導率が極端に大きいため、一般的な質量流量計では水素を含む原料ガスの流量を正しく検知することが出来ず、原料供給量計測器６で計測される原料供給量以上の原料が供給されるためである。そのため、原料供給量計測器６の計測する原料供給量が原料供給量の下限値となるように制御したとしても、燃焼器１２に供給される燃焼ガス熱量が想定より高くなることで改質温度が高くなり、改質温度検知器１４の検知温度が予め定められた設定温度を超え、燃料電池システムの発電が停止するという可能性があった。

次に、システムに供給される原料ガスの組成が変化し改質温度が目標温度より高くなった場合の、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方法について説明する。図２は、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方法の一例を示すフロー図である。この制御は制御器１６により行われる。

図２に示すように、制御器１６は、まず、原料供給量計測器６の検知する原料供給量が原料供給量下限値であるか否か、かつ、改質温度検知器１４の検知する改質温度が目標温度よりも第１所定温度以上高いか否か、かつ、を判定する（Ｓ１０１）。

ここで、第１所定温度は、目標温度と第１所定温度との和が改質器１の耐熱温度よりも小さい値になるように設定され、そして、燃料電池システムに供給される原料ガス組成が予め想定された原料ガス組成と異なる場合の改質温度の変化速度から設定される。つまり、改質温度の上昇速度、および燃料電池の発電量を減少させた際の改質温度の低下速度とから、改質温度検知器１４の検知温度が燃料電池システムの発電を停止させる設定温度を超えないように設定される。また、改質温度の目標温度が変化する場合、第１所定温度は変化させずに一定値としても良いし、目標温度と第１所定温度との和が一定温度となるように第１所定温度を変化させるように設定しても良い。

なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、原料供給量計測器６の検知する原料供給量が原料供給量下限値であるか否か、を判定することとした。このことにより、原料供給量を原料供給量下限値まで減少させることで改質温度の高温化を防ぐことが出来る場合は、燃料電池の発電量減少による燃料電池システムのエネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。ただし、改質温度の高温化を防ぐために、改質温度が目標温度よりも第１所定温度以上高いか否か、のみを用いて判定することとしても良い。その場合、原料供給量計測器６を含まない構成としてよい。

なお、原料供給量下限値は、燃料電池４の発電量に応じて変更するように制御されており、より具体的には、発電量の減少に伴い、原料供給量も減少するように制御される。仮に原料供給量下限値を燃料電池４の発電量に応じて変更せず、燃料電池４の発電量の減少前後で原料供給量下限値が同じ値に保持される燃料電池システムにおいて、燃料電池４の発電量を減少させると、燃料電池システムに供給される原料供給量は一定の原料供給量下限値のまま、燃料電池４で消費される水素量が減少するため、燃焼器１２に供給されるガス量が増加し、改質器１の温度が上昇する。しかしながら、本発明では、原料供給量下限値を燃料電池４の発電量に応じて変更させる、より具体的には、燃料電池４の発電量の減少に伴い原料供給量下限値も減少するように変更させることで、発電量減少時に燃料電池システムに供給される原料供給量を減少させることが可能となり、改質温度が高温となることを防ぐ。なお、燃料電池４の発電量を減少させると、燃料電池４で必要な水素量も減少する為、原料供給量下限値を減少させても燃料電池の発電を継続することは可能である。

なお、制御器１６は、改質温度が第１所定時間以上の間、目標温度より第１所定温度以上高いか否かを判定するようにしても良い。改質温度が目標温度より第１所定温度以上高くなっている時間が第１所定時間未満の場合は、燃料電池４の発電量を減少させないことで燃料電池システムのエネルギー効率の低下を防止することが可能となる。

燃料電池システムに供給される原料ガス組成が予め想定された原料ガス組成と異なり、原料供給量が第１所定流量以下であり、かつ、改質温度が目標温度よりも第１所定温度以上高い場合、Ｓ１０１の判定結果がＹＥＳとなり、制御器１６は、改質温度が目標温度となるよう燃料電池４の発電量を減少させる特別運転を実施する（Ｓ１０２）。燃料電池の発電量を減少させることで、燃料電池での発電に必要な水素量が低下するため、原料供給器により供給される原料供給量を減らすことが可能となり、燃焼器に供給されるガス量も減少させることが可能となる。一方で、改質器の温度は改質反応に最適な温度に維持する必要があり、燃料電池の発電量が変化しても、改質器からの放熱量はほぼ一定である。つまり、発電量を低下させるほど、燃焼器に供給されるガス熱量に対する改質器の放熱量の割合が大きくなるため、改質温度は低下することとなる。したがって、従来の改質温度に
基づいて原料供給量を減らす制御に加えて、発電量を減少させることで、より早く改質温度を下げることが可能となる。但し、改質温度が低下したとしても、改質触媒の体積に対する原料ガス量の割合が小さくなるため、改質器１における触媒の処理性能は発電量の大小に関係なく同等に維持することができる。

ここで、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、制御器１６は、発電量を低下させる方法として、具体的には、改質温度検知器１４の検知する改質温度が目標温度となるように燃料電池４の発電量をフィードバック制御することとしたが、任意の固定発電量に低下させるように制御しても良い。

以上のように、発電量を減少させる特別運転を実施することにより、改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池の発電継続を実現することが可能となる。

さらに、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、改質温度検知器１４の検知する改質温度が第１所定温度と目標温度との和より低い第２所定温度以上かつ第３所定温度未満であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。ここで第２所定温度とは、燃料電池４での発電に必要な水素量を生成可能な改質温度であり、第３所定温度とは、発電量を増加させることにより改質温度が高温になる恐れはないと推定される温度である。
Ｓ１０３の判定結果がＹＥＳとなる場合、制御器１６は、燃料電池４の発電量を減少させる特別運転を停止し、消費電力検知器１５の検知する消費電力量に基づいて燃料電池４の発電量を調整しつつ、改質温度検知器１４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５の制御を行う（Ｓ１０４）。これにより、負荷消費電力に基づいて可能な限り高い発電量で発電を継続することで、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が可能となる。Ｓ１０３の判定結果がＮＯとなる場合は、燃料電池４の発電量を減少させる特別運転を継続する。

燃料電池システムに供給される原料ガス組成が予め想定された原料ガス組成と同等であり、Ｓ１０１の判定結果がＮＯとなるとき、制御器１６は、特別運転を行わず通常運転を実施する（Ｓ１０５）。つまり、制御器１６は、消費電力検知器１５の検知する消費電力量に基づいて燃料電池４の発電量を調整しつつ、改質温度検知器１４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５の制御を行う。これにより、負荷消費電力に基づいて可能な限り高い発電量で発電を継続することで、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合に改質温度が高温となることを防ぎ、発電を継続することが可能となる。

なお、気温を検知する気温検知器をさらに備え、制御器１６は、気温検知器が検知する温度に基づいて、第１所定温度、第２所定温度、および第３所定温度のうちの少なくとも一つの温度を補正するようにしても良い。周囲気温が変わると改質器１から外部への放熱量も変化する為、改質温度は周囲気温の影響を受ける。例えば、気温が高い時の改質器から外部への放熱量は、気温が低い時の放熱量に比べて小さいため、気温が低い場合と同様に燃料電池の発電量を減少させたとしても改質温度は高温となり、燃料電池システムが停止する恐れがある。そこで、気温が高い時は、第１所定温度を気温が低いときよりも低い温度となるように補正し、燃料電池４の発電量を減少させることで改質温度が高温となることを防ぐ。このように、気温検知器が検知する温度に基づいて第１所定温度を補正することにより、改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現することが可能となる。

また、第２所定温度についても、気温検知器が検知する温度に基づいて補正することにより、発電量増加時にも燃料電池４での発電に必要な水素量を供給可能な改質温度に維持することが可能となる。例えば、気温が低いときは第２所定温度を気温が高いときよりも高い温度となるように補正する。

また、第３所定温度についても、気温検知器が検知する温度に基づいて補正することにより、発電量増加時に気温の差異により改質温度が高温になることを防ぎつつ、発電量増加によるエネルギー効率の向上が可能となる。例えば、気温が高いときは、第２所定温度を気温が低いときよりも低い温度となるように補正することで、燃料電池４の発電量を増加させることにより改質温度が高温になることを防ぐ。

なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料電池４から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスを燃焼させて改質器１を加熱する燃焼器１２を備える構成としたが、原料ガス、ないし燃料ガスを直接燃焼させる構成の燃料電池システムでも、本発明の実施の形態１における燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合に改質温度が高温となることを防ぎ、燃料電池システムの発電継続を実現させることが可能となるので、家庭用等で用いられる燃料電池システムに有用である。

１、２６ 改質器
２、２７ 変成器
３、２８ 選択酸化器
４、２９ 燃料電池
５、３１ 原料供給器
６ 原料供給量計測器
７、３２ 水供給器
８ 酸化剤ガス供給器
９ 発電用酸化剤ガス供給器
１０ 水凝縮器
１１ 水回収器
１２、３０ 燃焼器
１３、３３ 燃焼空気供給器
１４、 改質温度検知器
１５ 消費電力検知器
１６、３４ 制御器
１７ 原料ガス供給経路
１８ 水供給経路
１９ 酸化剤ガス供給経路
２０ 燃料ガス供給経路
２１ 発電用酸化剤ガス供給経路
２２ 排出燃料ガス経路
２３ 燃焼空気供給経路
２４ 排出酸化剤ガス経路
２５ 凝縮水経路

Claims (7)

1. 原料ガスと水蒸気との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、
   前記改質器から供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記改質器に前記原料ガスを供給する原料供給器と、
   前記原料ガス、前記燃料ガス及び前記燃料電池から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスのうちの少なくとも一つの可燃性ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器と、
   前記改質器の温度を検知する改質温度検知器と、
   前記改質温度検知器の検知温度が定められる目標温度となるように前記原料供給器の制御を行う制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記改質温度検知器の検知温度が前記目標温度より第１所定温度以上高くなった場合は、前記燃料電池の発電量を減少させる、
   燃料電池システム。
2. 前記原料ガスの供給量を計測する原料供給量計測手段をさらに備え、
   前記制御器は、
   前記原料供給量計測手段の検知流量が予め定められた原料供給量下限値であり、かつ前記改質温度検知器の検知温度が前記目標温度より前記第１所定温度以上高くなった場合に、前記燃料電池の発電量を減少させる、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御器は、前記原料供給量下限値を前記燃料電池の発電量に応じて変更させる、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記改質温度検知器の検知温度が第１所定時間以上の間、前記目標温度より第１所定温度以上高くなった場合は、前記燃料電池の発電量を減少させる、
   請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記改質温度検知器の検知温度が前記第１所定温度と前記目標温度との和より低い第２所定温度以上かつ第３所定温度未満である場合に、前記燃料電池の発電量を増加させる、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 気温を検知する気温検知器をさらに備え、
   前記制御器は、前記気温検知器が検知する温度に基づいて、前記第１所定温度、前記第２所定温度、および前記第３所定温度のうちの少なくとも一つの温度を補正する、
   請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池システムが電力を供給する電力負荷の消費電力を検知する消費電力検知器をさらに備え、
   前記制御器は、
   前記消費電力検知器の検知電力量に基づいて前記燃料電池の発電量を制御する通常運転と、
   前記改質温度検知器の検知温度が前記目標温度より前記第１所定温度以上高くなった場合に、前記改質温度検知器の検知温度が前記目標温度より前記第１所定温度未満になるように前記燃料電池の発電量を減少させる特別運転と、
   を含む運転プログラムを記憶している、
   請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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