JP2017027668A - 燃料電池システムとその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの起動開始から、発電開始までの時間を短縮する。
【解決手段】定格負荷発電を開始する前に定格負荷発電よりも発電量が小さい部分負荷発電を行う燃料電池システムであって、改質部が第一の温度以上に加熱された状態での部分負荷発電の通常発電時に必要な改質用原料の第一の原料供給量よりも多い第二の原料供給量を原料供給部から改質部に供給させて部分負荷発電を開始する。これによって、改質部温度が十分に温度上昇する前の段階でも、原料の流量を増加させる事で部分負荷相当の発電に必要な水素量を確保し、起動開始から短期間で、発電を開始することができ、起動に要するエネルギーの削減や、電力需要に応じた運用性の向上により、経済性を向上させる事ができるようになる。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭化水素化合物からなる原料から水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、この水素生成装置で生成される燃料ガスを用いて発電する燃料電池とを有する、燃料電池システムに関するものである。

一般に、燃料電池を用いた発電装置は、水素生成装置と燃料電池とを有し、水素生成装置は、燃料電池に供給する燃料ガスを生成する。

具体的に説明すると、まず、水素生成装置が、改質部において、炭化水素化合物からなる原料と水とを水蒸気改質反応させて、改質ガスを生成する。原料としては、都市ガスやＬＰＧ、灯油などが用いられる。なお、改質部において生成された改質ガスには、水素の他に、二酸化炭素、一酸化炭素および未反応のメタンと水蒸気が含まれる。

次に、変成部や選択酸化部などの一酸化炭素低減部によって、改質部において生成された改質ガスから、燃料電池に有害となる一酸化炭素が除去された燃料ガスが生成される。そして、生成された燃料ガスが燃料電池に供給されて、燃料電池において発電を行う。

このとき、水素生成装置は、燃料電池の水素利用率がおよそ７０％から８５％程度以下となる量の水素を生成する。水素生成装置にそのような量の水素を生成させる理由は、燃料電池の水素利用率が高過ぎると、燃料電池内でフラッディングと呼ばれる凝縮水による流路閉塞が発生するためである。

また、水素生成装置が同じ場合、改質部での改質転化率は、供給される原料と水の供給量および改質温度で決まる。そのため、必要量の水素を生成するために、改質温度を略一定の温度に制御して運転されている（例えば、特許文献１参照）。

なお、改質温度の適正温度は、水素生成量、すなわち所望される発電電力によって異なる。しかし、この方法では、水素生成装置の改質部の昇温に際してエネルギーを消費する上、改質部の昇温に時間がかかり、燃料電池システムの起動時間が長くなるという問題がある。

そこで、起動時の水素利用率を下げ、水素生成装置内で燃焼させる発電未利用のガスの熱量を多くする事で、発電開始後の改質部の温度上昇を早める方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２１９９９１号公報 特開２００４−２８８５６２号公報

しかし、これらの方法では、燃料電池における発電を開始するために必要な量の水素を発生させるためには、改質部の温度が適正な温度となるまで温度上昇させる必要があるため、燃料電池システムの起動開始から、燃料電池での発電開始までの時間は短縮されず、起動時間が長くなり、起動エネルギーの増加や、運用性の悪化により、経済性が低下する
と言う課題があった。

そこで、本発明は、起動開始から短期間で、発電を開始することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

前記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は、定格負荷発電を開始する前に定格負荷発電よりも発電量が小さい部分負荷発電を行う燃料電池システムであって、改質部が第一の温度以上に加熱された状態での部分負荷発電の通常発電時に必要な改質用原料の第一の原料供給量よりも多い第二の原料供給量を原料供給部から改質部に供給させて部分負荷発電を開始するのである。

これによって、改質部温度が十分に温度上昇する前の段階でも、原料の流量を増加させる事で部分負荷相当の発電に必要な水素量を確保し、起動開始から短期間で、発電を開始することができ、起動に要するエネルギーの削減や、電力需要に応じた運用性の向上により、経済性を向上させる事ができるようになる。

本発明では、起動時、触媒温度が低温の状態で、部分負荷での燃料供給量通常値よりも多い原料を供給する事で、部分負荷相当の発電に必要な水素量を確保し、起動開始から短期間で、発電を開始することが可能となり、起動に要するエネルギーの削減や、電力需要に応じた発電の開始および停止による、経済性の向上が可能となる。

また、停電時に迅速に発電を開始する事で、停電時起動の運用性が向上するほか、起動エネルギーが削減される事により、非常時起動用の蓄電池を設ける場合に、蓄電池の必要容量を、小さい容量に抑える事も可能となる。

本発明の実施の形態１および実施の形態２における燃料電池システムの概略構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における水素生成装置の改質部に供給される原料供給パターンを説明する特性図（ｂ）本発明の実施の形態１における水素生成装置の改質温度の温度変化を説明する特性図（ｃ）本発明の実施の形態１における燃料電池システムの発電量の変化を説明する特性図 （ａ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の改質部に供給される原料供給パターンを説明する特性図（ｂ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の改質温度の温度変化を説明する特性図（ｃ）本発明の実施の形態２における燃料電池システムの発電量の変化を説明する特性図 改質温度センサの検出温度に対する改質転化率の変化を示す相関図

第１の発明は、水素生成装置と、前記水素生成装置で生成される改質ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、制御部と、を備え、定格負荷発電を開始する前に前記定格負荷発電よりも発電量が小さい部分負荷発電を行う燃料電池システムであって、前記水素生成装置が、改質用原料及び水蒸気を反応させて前記改質ガスを生成する改質部と、前記改質部に前記改質用原料を供給する原料供給部と、前記改質部から導出される前記改質ガス、及び、前記燃料電池から排出されるオフガスのうち少なくともどちらか一方を燃焼して前記改質部を加熱する燃焼部と、を備え、前記制御部が、前記改質部が第一の温度以上に加熱された状態での前記部分負荷発電の通常発電時に必要な前記改質用原料の第一の原料供給量よりも多い第二の原料供給量を前記原料供給部から前記改質部に供給させて前記部分負
荷発電を開始するものである。

これによって、改質部温度が十分に温度上昇する前の段階でも、原料の流量を増加させる事で部分負荷相当の発電に必要な水素量を確保し、起動開始から短期間で、発電を開始することができ、起動に要するエネルギーの削減や、電力需要に応じた運用性の向上により、経済性を向上させる事ができる。

第２の発明は、特に第１の発明における前記制御部が、発電を開始する際に、前記燃料電池で発電に利用される水素の利用率が、通常発電時の所定の正常範囲内となる様に、第二の原料供給量を設定するものである。

これによって、改質部温度が十分上昇する前の部分負荷発電開始時に、生成する水素量の不足による、燃料電池内でフラッディングによる流路閉塞を回避し、また、過剰な量の水素を生成することによる、エネルギーの浪費による経済性低下を避ける事ができる。

第３の発明は、特に第１の発明に加えて、前記改質部の温度を検知する温度検知部をさらに備え、前記制御部が、前記温度検知部で検知される前記改質部の温度が、前記第一の温度よりも低温の第二の温度まで上昇した時点で、前記部分負荷発電を開始するものである。

これによって、改質部温度が第二温度になるタイミングを正確に検知することができ、起動開始から、より短期間で部分負荷発電を開始することができる。また、起動に要するエネルギーの削減や、電力需要に応じた運用性の向上により、経済性を向上させる事ができる。

第４の発明は、特に第１の発明における前記制御部が、前記水素生成装置の起動開始から、前記改質部の温度が前記第一の温度となるまでに要する時間である第一の時間よりも短時間の、第二の時間が前記水素生成装置の起動開始から経過した時点で、前記燃料電池での前記部分負荷発電を開始するものである。

これによって、温度検知部を備えない簡単な構成であっても、起動開始から短時間側の時点で、部分負荷発電開始が可能となる時期を検知することができ、簡易、低コストの構成で、起動開始から短時間で発電を開始することができる。また、起動に要するエネルギーの削減や、電力需要に応じた運用性の向上により、経済性を向上させる事ができる。

第５の発明は、特に第３の発明における前記制御部が、前記部分負荷発電を開始した後に、前記温度検知部で検知される前記改質部の温度が、前記第一の温度に上昇するまでの間は、前記部分負荷発電を継続するものである。

これによって、改質部の温度が第一の温度となり、発電負荷を増加できる状態になった事を正確に検知するまで、部分負荷発電を継続することができ、改質部の温度上昇不足により、水素量が十分増加していない段階での発電負荷増加によって、生成する水素の利用率が上昇し、燃料電池内でのフラッディングによる流路閉塞が生じる事を避ける事ができる。

第６の発明は、特に第４の発明における前記制御部が、起動開始からの経過時間が、前記第一の時間よりも短時間の場合は、前記部分負荷発電を継続するものである。

これによって、起動開始から短時間側の時点で、発電負荷を増加させるために必要な水素量が十分生成され、部分負荷発電の継続を終了できる時期となった事を検知する事がで
き、改質部の温度上昇不足により、水素量が十分増加していない段階での発電負荷増加によって、生成する水素の利用率が上昇し、燃料電池内でのフラッディングによる流路閉塞が生じる事を、簡易、低コストの構成で避ける事ができる。

第７の発明は、特に第３の発明における前記制御部が、前記温度検知部で検知される前記改質部の温度が、前記第一の温度よりも低温の場合に、前記改質用原料の供給量を、第二の供給量で一定とするものである。

これによって、改質温度が、改質用原料の供給量減少が可能となる、第一の温度となる事を検知するまで、改質用原料の供給量を一定にすることができ、改質温度の上昇不足により、水素量が十分増加する前の段階での改質原料の供給量減少によって、生成する水素の利用率が上昇し、燃料電池内でのフラッディング発生による、流路閉塞が生じる事を、避ける事ができる。

第８の発明は、特に第４の発明における前記制御部が、前記水素生成装置の起動開始からの経過時間が、前記第一の時間よりも短時間の場合は、前記改質用原料の供給量を、第二の供給量で一定とするものである。

これによって、起動開始後、起動開始から短時間側の期間において、改質用原料の供給量減少が可能となる時期を検知する事ができ、改質温度の上昇不足により、水素量が十分増加する前の段階での改質原料の供給量減少によって、生成する水素の利用率が上昇し、燃料電池内でのフラッディング発生による、流路閉塞が生じる事を、簡易、低コストの構成で避ける事ができる。

第９の発明は、特に第７の発明における前記制御部が、前記改質部の温度が、前記第一の温度まで上昇した時点で前記部分負荷発電を継続しているとき、前記原料供給部から前記改質部に供給される、前記改質用原料の供給量を、前記第二の原料供給量から前記第一の原料供給量に減少させるものである。

これによって、部分負荷発電の開始後の運転継続で、改質部の温度が上昇し、生成される水素量が十分に確保された後に、改質用原料を減少させる事で過剰な原料供給によるエネルギーの損失を避け、システムの効率、経済性を向上させることができる。

第１０の発明は、特に第８の発明における前記制御部が、前記水素生成装置の起動開始から、前記改質部の温度が、前記第一の温度に上昇するまでの時間である、第一の時間が前記水素生成装置の起動開始から経過した時点で前記部分負荷発電を継続しているとき、前記水素生成装置に供給される前記改質用原料の供給量を、前記第二の原料供給量から前記第一の原料供給量に減少させるものである。

これによって、温度検知部を備えない簡単な構成であっても、部分負荷発電の開始後の運転継続で、改質部の温度が上昇し、生成される水素量が十分に確保され、改質用原料の減少が可能となった事を検知する事ができ、簡易、低コストの構成で、過剰な原料供給によるエネルギーの損失を避け、システムの効率、経済性を向上させることができる。

第１１の発明は、水素生成装置と、前記水素生成装置で生成される改質ガスの供給を受けて発電する燃料電池とを備え、定格負荷発電を開始する前に前記定格負荷発電よりも発電量が小さい部分負荷発電を行う燃料電池システムの運転方法であって、前記水素生成装置が、改質用原料及び水蒸気を反応させて前記改質ガスを生成する改質部と、前記改質部に前記改質用原料を供給する原料供給部と、前記改質部から導出される前記改質ガス、及び、前記燃料電池から排出されるオフガスのうち少なくとも何れか１つを燃焼して前記改
質部を加熱する燃焼部と、を備え、前記改質部が第一の温度以上に加熱された状態での前記部分負荷発電の通常発電に必要な前記改質用原料の第一の原料供給量よりも多い第二の原料供給量を前記原料供給部から前記改質部に供給させて前記部分負荷発電を開始するものである。

これによって、改質部温度が十分に温度上昇する前の段階でも、原料の流量を増加させる事で部分負荷相当の発電に必要な水素量を確保し、起動開始から短期間で、発電を開始することができ、起動に要するエネルギーの削減や、電力需要に応じた運用性の向上により、経済性を向上させる事ができる。

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、この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）
以下に、本発明の実施の形態１における燃料電池システムについて、図１、図２（ａ）〜（ｃ）を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置１を納めた燃料電池システム１００の概略構成図である。

図２（ａ）は本発明の実施の形態１における水素生成装置１の改質部７に供給される原料供給パターンを説明する特性図、図２（ｂ）は本発明の実施の形態１における水素生成装置１の改質温度の温度変化を説明する特性図、さらに図２（ｃ）は本発明の実施の形態１における燃料電池システム１００の発電量の変化を説明する特性図である。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、水素生成装置１と燃料電池１１とから構成されている。ここで、燃料電池１１は、電解質として固体高分子樹脂を備える固体電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、別途供給される空気を酸化ガス、燃料ガスを燃料として発電動作を行う。

このとき、水素生成装置１には、原料供給管４から炭化水素化合物からなる原料として都市ガスが、また改質水供給管２１から改質水がそれぞれ供給される。

水素生成装置１に供給される都市ガスは、原料供給管４の脱硫器５を通過することによって脱硫された後、原料供給部６によって供給流量が調節されて水素生成装置１へ供給される。

ここで原料供給部６は水素生成装置１に原料ガスを供給するためのブースターであり、また、改質水供給管２１に設けられる改質水供給部２２は、水素生成装置１に改質水を供給するための水ポンプである。また、脱硫器５は、原料中の硫黄成分を除去する構成であり、ゼオライト系の吸着剤が設けられている。

さらに、水素生成装置１は、都市ガスと、別途供給される水蒸気とが、改質部７内に充填された触媒によって水蒸気改質反応することにより、改質ガスを生成する。

この改質ガス中には、未反応のメタン、未反応の水蒸気、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）のほか、一酸化炭素（ＣＯ）が８〜１５％程度含まれている。

改質ガスは、ＺｎＣｕ系変成触媒を充填した一酸化炭素低減部８に送られ、一酸化炭素（ＣＯ）を、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）に変える変成反応によって一酸化炭素（
ＣＯ）の濃度を低減する。

変成反応は、
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂
の様に示される。

一酸化炭素低減部８によって一酸化炭素濃度を低減させた改質ガスは、更に残留する一酸化炭素を除去するため、一酸化炭素酸化部１８に送られて、一酸化炭素が完全に除去される。一酸化炭素を除去した改質ガスは、生成ガス配管９と生成ガス弁１０を介して燃料電池１１へ供給される。改質部７の温度を検知する改質温度センサ１７としては、熱電対が例示される。

制御部２０は、設定された目標値に基づいて、燃料電池システム１００の運転を制御するものであって、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。

制御部２０は、改質温度センサ１７で検知された温度や、経過時間の情報に加え、記憶部に記憶された情報に基づき、原料供給部６および、改質水供給部２２に流量を指令して動作を制御し、また、生成ガス弁１０、オフガス配管１３のオフガス弁１２、バイパス配管１６のバイパス弁１５の開閉および、燃料電池１１の発電動作を制御する。

燃料電池１１から排出された未使用水素を含んだオフガスは、オフガス弁１２とオフガス配管１３を通って水素生成装置１の燃焼部１４へ供給されて、燃焼される。このオフガスの燃焼が、改質部７の加熱源となる。

バイパス弁１５は、水素生成装置１の起動時に開いて、燃料電池１１をバイパスするバイパス配管１６を通して、水素生成装置１の出口ガスを燃焼部１４へ供給するためのものである。そして、バイパス弁１５は、改質部７が燃料電池１１で必要な水素を生成するに十分な温度に到達するまで開かれる。その後、十分な温度に達すると、バイパス弁１５は閉じられ、同時に、生成ガス弁１０とオフガス弁１２が開かれる。

以下に、水素生成装置１に供給される都市ガスの流量の制御について、具体的に説明する。

初めに、燃焼部１４で燃焼するオフガス中には、燃料電池１１で未使用の水素と改質部７で未反応のメタンが燃焼成分として含まれている。オフガス中の水素量は、燃料電池１１に供給される改質ガス中の水素量から燃料電池１１が発電に消費した水素量を除いた量である。

そして、燃料電池１１に供給される改質ガス中の水素量は、水素生成装置１への原料と水の供給量および改質部７の温度によって決まる。一方、燃料電池１１が発電で消費する水素量は、発電量によって決まる。そのため、オフガス中の水素量は、水素生成装置１への原料と水の供給量と改質部７の温度によって決まる。同様に、オフガス中のメタンの量も原料と水の供給量と改質部７の温度によって決まる。

したがって、燃焼部１４で燃焼するオフガスによる発熱量は、原料と水の供給量と改質部７の温度によって決まる。

一方、水素生成装置１は、燃焼部１４で燃焼するオフガスの燃焼発熱量によって熱的に自立しているので、発電負荷に応じた原料量と水量を供給すれば、水素生成装置１の改質
温度は一義的に決定される。ここで、熱的に自立しているとは、燃焼部１４の燃焼熱以外の加熱源を必要としていないという意味である。

そのため、例えば発電負荷一定の条件で運転する場合、原料の供給量が少なければ、オフガスの燃焼発熱量が小さくなるため、水素生成装置１は改質温度が低い状態で熱的に自立する。このとき、燃料電池１１の水素利用率は高くなる。逆に、原料の供給量が多くなれば、オフガスの燃焼発熱量が大きくなるため、水素生成装置１は改質温度が高い状態で熱的に自立する。このとき、燃料電池１１の水素利用率は低くなる。

上述したように、通常、燃料電池１１は、水素利用率がおよそ７０％から８５％程度以下の状態で運転される。このとき、水素利用率が高くなると、燃料電池システム１００の発電効率は向上するが、燃料電池１１内部のフラッディングの発生により燃料電池システム１００の運転が停止する危険性が高くなる。

一方、水素利用率が低くなると、フラッディングなどの問題は生じないが、燃料電池システム１００の発電効率が低下する。つまり、水素利用率が上記の限界値以下であれば、燃料電池システム１００の運転を行うことができる。

上述のように、水素利用率、転化率および改質温度は、原料供給量によって決まる。そのため、水素利用率が上記の限界値以上とならなければ、原料供給量、すなわち改質温度が変動しても燃料電池システム１００を運転することが可能となる。

なお、脱硫器５は、原料中の硫黄成分を除去できるものであれば、ゼオライト系の吸着剤だけでなく、一般的に硫黄成分を除去する機能を持つ他の吸着・吸収剤を用いても構わない。改質温度センサ１７は改質部７内部の触媒温度を直接測定することが望ましいが、検出された値から触媒温度を推定できるのであれば、改質部７外部、あるいは近傍に温度検知部を設置してもよい。

以下に、本実施の形態の原料供給パターンについて、図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。

まず、起動開始と同時に原料が燃焼部１４に供給される。起動開始時において、バイパス弁１５は開き、生成ガス弁１０とオフガス弁１２は閉じられている。そして、水素生成装置１に供給された原料は全て燃焼部１４へ送られて燃焼し、改質部７および一酸化炭素低減部８を加熱する。

ここで図２（ａ）に示される第一の流量（例えば０．５Ｌ／min）は、通常発電時の部分負荷発電（例えば１００Ｗ）において、改質部温度が第一の温度（例えば６００℃）となる状態で供給される原料の流量に一致している。

改質部７は、図２（ｂ）の予熱時間の経過後、第二の温度（例えば５００℃）まで上昇する。通常発電における部分負荷発電（例えば１００Ｗ）においては、改質部温度が第二の温度となる状態では、十分な量の水素を生成することができず、発電を開始した際に、燃料電池１１における水素の利用率が上限値を超え、燃料電池１１内でフラッディングによる流路閉塞を発生させる可能性がある。

ここで、図２（ｂ）における起動開始から、改質部７が温度上昇して、改質温度センサ１７で検知される温度が、第二の温度を超えたことを、制御部２０で判定した後、図２（ｃ）に示す通り、燃料電池１１での部分負荷発電を開始する。ここで、発電開始時において、原料の供給量を第一の流量から第二の流量（例えば１．０Ｌ／min）に増加させる。

これにより、水素生成装置１による水素の生成量は増加し、部分負荷発電状態で、燃料電池１１における水素利用率を上限値以下に維持することができるため、燃料電池１１における発電動作を開始することができるようになる。結果として、短期間で発電を開始することができると同時に、改質部７の温度が急上昇することを避け、構造体に大きな熱応力が発生して構造体の耐久性を損なうことを避けることができる。

部分負荷発電の開始時、生成ガス弁１０とオフガス弁１２を開くと共に、バイパス弁１５を閉じて、燃料電池１１へ水素を供給して、燃料電池１１での発電を開始する。このとき、燃料電池１１から排出されるオフガスを燃料として、燃焼部１４での燃焼が継続される。

燃料電池１１での発電開始後、改質部７の温度は更に上昇する。このとき、改質温度センサ１７で検知される改質部７の温度が、通常発電時の温度である、第二の温度に到達するまでの期間、原料供給部６から供給される原料流量は、第二の流量で一定とする。

このことにより、改質部７の温度が十分上昇していない状態でも、通常発電時より多い量の原料を供給することで水素量が増加し、水素の利用率が、通常発電時の正常範囲上限である８５％以下となり、燃料電池１１内のフラッディングが発生することを避けることが出来る。

さらに運転を継続し、改質温度センサ１７で検知される温度が、第二の温度を超えたことを、制御部２０で判定した後、原料供給部６から水素生成装置１に供給される原料の量を、第二の流量から、通常発電時の供給量である第一の流量に減少させる。

このとき、水素生成装置１で生成される水素は、部分負荷発電において燃料電池１１で使用される水素の量に対して十分な量となっており、水素の利用率が、通常発電における正常範囲の上限値８５％を超えることなく、燃料電池１１内でフラッディングは発生しない。

原料の供給量を第一の流量に減少させる事により、燃料電池１１の発電における水素の利用率が正常範囲の下限以下に低下し、システムの効率を低下させ、経済性を悪化させる事を避けることができる。

なお、起動開始から、改質部７が温度上昇して、改質温度センサ１７で検知される温度が、第二の温度を超えたことを、制御部２０で判定した後の燃料電池１１での部分負荷発電の開始は、改質温度センサ１７の検知温度に基づく方法の他に、起動開始から改質部７の温度が第二の温度まで上昇する時間（例えば１時間）を第二の時間として予め制御部２０の記憶部に記憶しておき、起動開始からの経過時間が第二の時間を越えたことを判定することで、燃料電池１１での部分負荷発電を開始してもよい。

なお、原料の流量を、改質温度センサ１７で検知される改質部７の温度が、通常発電時の温度である、第二の温度に到達するまでの期間において、第二の流量で一定とする期間は、改質温度センサ１７の検知温度に基づく方法の他に、起動開始から改質部７の温度が第二の温度まで上昇する時間（例えば９０分）を第一の時間として予め制御部２０の記憶部に記憶しておき、起動開始からの経過時間が第一の時間をより短時間であることを判定することで、原料の供給量を制御しても良い。

なお、改質温度センサ１７で検知される温度が、第二の温度を超えたことを、制御部２０で判定した後に水素生成装置１へ供給する原料の流量を、第二の流量から第一の流量へ
減少させる制御は、改質温度センサ１７の検知温度に基づく方法の他に、起動開始から改質部７の温度が第一の温度まで上昇する時間（例えば９０分）を第一の時間として予め制御部２０の記憶部に記憶しておき、起動開始からの経過時間が第一の時間より長時間となったことを判定することで、原料の供給量を、第二の流量から第一の流量に減少させるように行ってもよい。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２の燃料電池システム１００における原料供給パターンについて、図１、図３（ａ）〜（ｃ）および図４を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態２における水素生成装置１を納めた燃料電池システム１００の概略構成図である。

図３（ａ）は本発明の実施の形態２における水素生成装置１の改質部７に供給される原料供給パターンを説明する特性図、図３（ｂ）は本発明の実施の形態２における水素生成装置１の改質温度の温度変化を説明する特性図、さらに図３（ｃ）は、本発明の実施の形態２における燃料電池システム１００の発電量の変化を説明する特性図である。また、図４は、改質温度センサ１７の検出温度に対する改質転化率の変化を示す相関図である。

本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムと同じであり、また、基本的な動作も同一であるため、重複する説明を省略する。

まず、起動開始と同時に原料が燃焼部１４に供給される。起動開始時において、バイパス弁１５は開き、生成ガス弁１０とオフガス弁１２は閉じられている。そして、水素生成装置１に供給された原料は全て燃焼部１４へ送られて燃焼し、改質部７および一酸化炭素低減部８を加熱する。

ここで図３（ａ）に示される第一の流量（例えば０．５Ｌ／min）は、通常発電時の部分負荷発電（例えば１００Ｗ）において、改質部温度が第一の温度（例えば６００℃）となる状態で熱的に自立するように供給される原料の流量に一致している。

改質部７は、図３（ｂ）の余熱期間の経過後、第二の温度（例えば５００℃）まで上昇する。通常発電における部分負荷発電（例えば１００Ｗ）においては、改質部温度が第二の温度となる状態では、十分な量の水素を生成することができず、発電を開始した際に、燃料電池１１における水素の利用率が上限を超え、フラッディングによる流路閉塞を発生させる可能性がある。

ここで、図３（ａ）における、発電開始から第二の時間経過後、発電開始時において、燃料電池１１で発電に利用される水素の利用率が、通常発電時の正常範囲（例えば７０％〜８５％）以内となるような流量となるように、流量を増加するように設定する。

発電開始時の具体的な原料の供給量の設定は以下の様に行われる。以下、炭化水素化合物からなる原料ガスとしてメタンを例として説明するが、原料には、その他に、都市ガスやＬＰＧ、灯油などが用いられる。

原料となる炭化水素系燃料がメタン（ＣＨ₄）である場合、水素の水蒸気改質反応は、
ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂
のように示され、改質反応による水素の生成量は改質部温度、原料および水の供給量によって決まり、（数１）によって求まる。

ここで、改質転化率（％）とは、同じく炭化水素系燃料がメタン（ＣＨ₄）である場合には、改質ガス中の各成分の構成比から、（数２）により表されるものである。

改質転化率（％）は、改質部の温度および水の供給量によって決まり、図４に示すような関係がある。

制御部２０の記憶部に図４の関数を記憶しておくことで、制御部２０内の演算により、改質温度センサ１７の温度信号に基づいて、改質転化率（％）が検知できる。

改質転化率（％）は、水素生成装置１から流出するガスの成分を、ガス成分分析計で分析して、ガス成分分析計からの、二酸化炭素（ＣＯ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ₄）の各含有率信号に基づいて、改質転化率（％）を検知することもできる。

改質転化率（％）を検知した後、部分負荷発電に必要な水素量（mol／min）に対し、燃料電池１１での、任意の水素利用率（％）での発電動作に対して、水素生成装置１に供給すべき原料の流量は、（数３）のように求められる。

上述の通り、改質温度センサ１７の信号および、原料供給部６および改質水供給部２２に送る流量信号を用い、任意の水素利用率に応じた原料供給量を設定することが出来る。

以上のように、本実施の形態では、発電開始時において、燃料電池１１で発電に利用される水素の利用率が、通常発電時の正常範囲以内となるように原料の流量を設定することにより、発電開始時の部分負荷発電状態で、燃料電池１１における水素利用率を上限値以下に維持することができだけでなく、一方で水素の利用率が正常範囲下限値より低くならないように調整することで、必要以上の量の水素を生成し、過剰な量の原料が水素生成装置１に供給されることによるエネルギーの浪費により、経済性が悪化することを避けることができる。

部分負荷発電の開始後、生成ガス弁１０とオフガス弁１２を開くと共に、バイパス弁１５を閉じて、燃料電池１１へ水素を供給する。このとき、燃料電池１１から排出されるオフガスを燃料として燃焼部１４での燃焼が継続される。

燃料電池１１での発電開始後、改質部７の温度は更に上昇する。このとき、改質部７の温度が、通常発電時の温度である、第二の温度に到達するまでの期間、燃料電池１１での発電量は、上述の部分負荷発電の発電量で一定とする。

このことにより、改質部７の温度が十分上昇していない状態で、燃料電池１１で発電に使用される水素量を一定に保ち、水素の利用率を、通常発電時の正常範囲上限である８０％を超えないようにすることができ、燃料電池１１内のフラッディングが発生することを避けることが出来る。

なお、燃料電池１１での発電量を、部分負荷発電の発電量で一定とする期間は、上述の改質温度センサ１７の検知温度に基づく方法の他に、起動開始から改質部７の温度が第二の温度まで上昇する時間（例えば９０分）を第一の時間として予め制御部２０の記憶部に記憶しておき、起動開始からの経過時間が第一の時間をより短時間であることを判定することで、部分負荷発電の発電量で一定とするように制御しても良い。

なお、改質部７の温度が、通常発電時の温度である第二の温度以下である期間であっても、水素の利用率が通常発電時の正常範囲７０％〜８５％となるように、改質部７の温度上昇に伴って、水素生成装置１に供給する原料の流量を減少させるように変化させても良い。

これにより、発電量を部分負荷の発電量で一定としている際に、改質部７の温度上昇に伴って、水素生成装置で生成する水素の量が増加し、燃料電池１１における水素の利用率が、通常発電における正常範囲の下限値である７０％を下回り、燃料電池システム１００の効率低下によって経済性を悪化させる事を防ぐ事ができる。

本発明の燃料電池システムは、起動開始から短期間で、発電を開始することができるので、炭化水素化合物からなる原料から水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、この水素生成装置で生成される燃料ガスを用いて発電する燃料電池とを有し、定格負荷発電を開始する前に定格負荷発電よりも発電量が小さい部分負荷発電を行う燃料電池システムに適用することができる。

１ 水素生成装置
４ 原料供給管
５ 脱硫器
６ 原料供給部
７ 改質部
８ 一酸化炭素低減部
９ 生成ガス配管
１０ 生成ガス弁
１１ 燃料電池
１２ オフガス弁
１３ オフガス配管
１４ 燃焼部
１５ バイパス弁
１６ バイパス配管
１７ 改質温度センサ
１８ 一酸化炭素酸化部
２０ 制御部
２１ 改質水供給管
２２ 改質水供給部
１００ 燃料電池システム

Claims (11)

1. 水素生成装置と、前記水素生成装置で生成される改質ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、制御部と、を備え、定格負荷発電を開始する前に前記定格負荷発電よりも発電量が小さい部分負荷発電を行う燃料電池システムであって、
   前記水素生成装置は、
   改質用原料及び水蒸気を反応させて前記改質ガスを生成する改質部と、
   前記改質部に前記改質用原料を供給する原料供給部と、
   前記改質部から導出される前記改質ガス、及び、前記燃料電池から排出されるオフガスのうち少なくともどちらか一方を燃焼して前記改質部を加熱する燃焼部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記改質部が第一の温度以上に加熱された状態での前記部分負荷発電の通常発電時に必要な前記改質用原料の第一の原料供給量よりも多い第二の原料供給量を前記原料供給部から前記改質部に供給させて前記部分負荷発電を開始する、
   燃料電池システム。
2. 前記制御部は、発電を開始する際に、前記燃料電池で発電に利用される水素の利用率が、通常発電時の所定の正常範囲内となる様に、第二の原料供給量を設定する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記改質部の温度を検知する温度検知部をさらに備え、
   前記制御部は、前記温度検知部で検知される前記改質部の温度が、前記第一の温度よりも低温の第二の温度まで上昇した時点で、前記部分負荷発電を開始する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記水素生成装置の起動開始から、前記改質部の温度が前記第一の温度となるまでに要する時間である第一の時間よりも短時間の、第二の時間が前記水素生成装置の起動開始から経過した時点で、前記燃料電池での前記部分負荷発電を開始する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記部分負荷発電を開始した後に、前記温度検知部で検知される前記改質部の温度が、前記第一の温度に上昇するまでの間は、前記部分負荷発電を継続する、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記水素生成装置の起動開始からの経過時間が、前記第一の時間よりも短時間の場合は、前記部分負荷発電を継続する、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御部は、前記温度検知部で検知される前記改質部の温度が、前記第一の温度よりも低温の場合に、前記改質用原料の供給量を、第二の供給量で一定とする、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御部は、前記水素生成装置の起動開始からの経過時間が、前記第一の時間よりも短時間の場合は、前記改質用原料の供給量を、第二の供給量で一定とする、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御部は、前記改質部の温度が、前記第一の温度まで上昇した時点で前記部分負荷発電を継続しているとき、前記原料供給部から前記改質部に供給される、前記改質用原料の供給量を、前記第二の原料供給量から前記第一の原料供給量に減少させる、
   請求項７に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御部は、前記水素生成装置の起動開始から、前記改質部の温度が、前記第一の温度に上昇するまでの時間である、第一の時間が前記水素生成装置の起動開始から経過した時点で前記部分負荷発電を継続しているとき、前記水素生成装置に供給される前記改質用原料の供給量を、前記第二の原料供給量から前記第一の原料供給量に減少させる、
    請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 水素生成装置と、前記水素生成装置で生成される改質ガスの供給を受けて発電する燃料電池とを備え、定格負荷発電を開始する前に前記定格負荷発電よりも発電量が小さい部分負荷発電を行う燃料電池システムの運転方法であって、
    前記水素生成装置は、
    改質用原料及び水蒸気を反応させて前記改質ガスを生成する改質部と、
    前記改質部に前記改質用原料を供給する原料供給部と、
    前記改質部から導出される前記改質ガス、及び、前記燃料電池から排出されるオフガスのうち少なくとも何れか１つを燃焼して前記改質部を加熱する燃焼部と、
    を備え、
    前記改質部が第一の温度以上に加熱された状態での前記部分負荷発電の通常発電に必要な前記改質用原料の第一の原料供給量よりも多い第二の原料供給量を前記原料供給部から前記改質部に供給させて前記部分負荷発電を開始する、
    燃料電池システムの運転方法。

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