JP2018113209A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】脱硫器の酸化劣化を抑制すると共に燃料電池を効率よく安定して運転できるようにする。【解決手段】燃料電池システムは、原燃料ガス供給装置と、脱硫器と、改質器と、燃料電池と、酸素含有ガス供給装置と、を備え、脱硫器の上流に、原燃料ガス供給装置により供給される原燃料ガスに含まれる酸素を除去するための脱酸器を設ける。これにより、酸素を含む原燃料ガスが供給されても、燃料電池の運転を継続しつつ、脱硫器（脱酸素触媒）の酸化劣化を抑制することができる。また、燃料電池システムは、脱酸器の温度を検出する脱酸器温度検出装置を備え、脱酸器の温度低下量ΔＴに基づいて増減するよう原燃料ガス供給装置の目標流量を補正する。これにより、燃料電池に供給される燃料の熱量に過不足が生じないようにして、燃料電池システムを安定して運転させることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、天然ガスやＬＰＧなどの原料（原燃料ガス）を供給する原料供給器と、供給された原料に含まれる硫黄成分を水素含有ガスにより脱硫する水添脱硫器と、脱硫した原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から送出された水素含有ガスを水添脱硫器へ供給するリサイクル流路とを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、インフラストラクチャーの構成に起因して酸素が一時的に混入されることがあることを考慮して、原料中の酸素濃度を検出器を用いて取得し、原料中の酸素濃度が相対的に高いときには、原料供給器による原料供給動作を停止させる。これにより、水添脱硫器の酸化劣化を抑制することができる、としている。

また、燃料極に燃料を供給する燃料ポンプと、燃料極に供給されている燃料の流量を検出する流量センサと、を備え、流量センサに検出される燃料の流量である検出流量と燃料の目標流量との偏差に基づいて燃料ポンプに対するデューティ比を設定して燃料ポンプに出力するフィードバック制御を行なう燃料電池システムにおいて、運転の開始時に目標流量に所定流量を設定してフィードバック制御を行ない、当該フィードバック制御において設定されるデューティ比に基づいて燃料の種別を判定するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池システムでは、異なる組成（比重）の燃料が供給されると、フィードバック制御によって設定されるデューティ比に差が生じることから、その値に基づいて燃料の種別を判定することで、燃料電池に供給する燃料の熱量を適切に制御することができると共に、燃料電池システムに使用できない燃料を判別することができる、としている。

特開２０１４−１２５３８７号公報 特開２０１５−１８５２６７号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、水添脱硫器の酸化劣化を抑制するためにその都度原料供給動作を停止すると、運転効率が悪化してしまう。また、特許文献２の燃料電池システムでは、酸素と拡散速度や分子量が近い分子を含む燃料（例えば、窒素）が供給されると、酸素と判別することができないため、この場合に酸素濃度の高い燃料が供給されると、脱硫器が酸化劣化してしまう。

本発明の燃料電池システムは、脱硫器の酸化劣化を抑制すると共に燃料電池を効率よく安定して運転できるようにすることを主目的とする。

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の燃料電池システムは、
水素含有ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置と、
前記原燃料ガス供給装置により供給された原燃料ガスに含まれる酸素を熱の出入りを伴う化学反応により除去する脱酸器と、
前記脱酸器を通過した原燃料ガスに含まれる硫黄分を脱硫する脱硫器と、
前記脱硫器を通過した原燃料ガスを改質して前記水素含有ガスとして前記燃料電池に供給する改質器と、
前記酸素含有ガスを前記燃料電池に供給する酸素含有ガス供給装置と、
前記脱酸器の温度を検出する脱酸器温度検出装置と、
前記脱酸器の温度変化に基づいて増減するよう前記原燃料ガスの目標供給量を補正して前記原燃料ガス供給装置を制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の燃料電池システムは、原燃料ガス供給装置により供給される原燃料ガスに含まれる酸素を除去する脱酸器を、脱硫器の上流に設ける。これにより、酸素を含有する原燃料ガスが原燃料ガス供給装置によって供給されるものとしても、原燃料ガスの供給を停止させることなく、脱硫器の酸化劣化を抑制することができる。また、脱酸器の温度を脱酸器温度検出装置により検出し、脱酸器の温度変化に基づいて増減するよう原燃料ガスの目標供給量を補正する。脱酸器は、原燃料ガスに含まれる酸素を熱の出入りを伴う化学反応により除去するため、脱酸器の温度変化によって反応した酸素の量、即ち、原燃料ガス中の酸素の含有量を推定することができる。原燃料ガスの熱量と原燃料ガスに含まれる酸素の含有量との間に相関関係を有する場合、脱酸器の温度変化に基づいて原燃料ガスの熱量を推定することができる。したがって、脱酸器の温度変化に基づいて原燃料ガスの目標供給量を補正することにより、熱量が異なる原燃料ガスが供給されても、燃料電池システムを安定して運転させることができる。こうした本発明の燃料電池システムにおいて前記脱酸器は、前記酸素を吸熱反応によって除去する脱酸素触媒を有し、前記制御装置は、前記脱酸器の温度低下が大きいほど大きく減少するよう前記目標供給量を補正するものとしてもよい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記脱酸器の温度変化量の増減に対してヒステリシスをもった補正値により前記目標供給量を補正するものとしてもよい。こうすれば、供給される原燃料ガスの組成（熱量）が変化する過渡時においても、燃料電池システムの運転を安定させることができる。

さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池で利用されなかった余剰の水素含有ガスを燃焼させる燃焼部を備え、前記脱酸器は、前記燃焼部で発生する熱によって加熱され、前記制御装置は、所定のタイミングで前記脱酸器温度検出装置により検出される温度に基づいて基準温度を設定し、前記基準温度を設定した後、前記燃料電池の出力状態と前記基準温度と前記脱酸器温度検出装置により検出される温度とに基づいて前記脱酸器の温度変化量を算出するものとしてもよい。燃料電池はその出力状態によって燃料利用率が変化することが知られている。例えば、低出力状態のときには、原燃料ガス供給装置からの原燃料ガスの供給量が減少する一方、燃料電池での燃料利用率が低下して取り出される電気エネルギの割合が減少すると共に余剰の水素含有ガスの割合が増加する。脱酸器は余剰の水素含有ガスが燃焼部にて燃焼されることによって加熱されるから、出力状態の変化は、脱酸器温度検出装置の検出値に影響を及ぼす。したがって、燃料電池の出力状態と基準温度と脱酸器温度検出装置により検出される温度とに基づいて脱酸器の温度変化量を算出することにより、出力状態に拘わらず原燃料ガスの目標供給量を適切に補正することができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システム内の雰囲気温度を検出する雰囲気温度検出装置を備え、前記制御装置は、所定のタイミングで前記脱酸器温度検出装置により検出される温度に基づいて基準温度を設定し、前記基準温度を設定した後、前記燃料電池システム内の雰囲気温度と前記基準温度と前記脱酸器温度検出装置により検出される温度とに基づいて前記脱酸器の温度変化量を算出するものとしてもよい。脱酸器の温度は燃料電池システム内の雰囲気温度によって影響を受けるため、これを考慮することにより、原燃料ガスの目標供給量をより正確に補正することができる。

本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。 脱酸器３２の温度低下量と原燃料ガス中の酸素濃度との関係を示す説明図である。 原燃料ガス供給制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 第１調整係数設定用マップの一例を示す説明図である。 第２調整係数設定用マップの一例を示す説明図である。 補正係数設定用マップの一例を示す説明図である。 脱酸器温度Ｔｄと補正係数ｋの時間変化の様子を示す説明図である。

本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池システム１０は、図１に示すように、水素を含む原燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池ＦＣを有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０とを備える。

発電ユニット２０は、原燃料ガス（例えば、天然ガスやＬＰガス、ピークシェービングガスなどの炭化水素系燃料）の供給を受けて原燃料ガスに含まれる酸素を除去する脱酸器３２と、脱酸器３２を通過した原燃料ガスに含まれる硫黄分を除去する脱硫器３４と、改質水と脱硫器３４を通過した原燃料ガスとの供給を受けてこれらを加熱することにより改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原燃料ガスを予熱する気化器３５と、気化器３５からの原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器３６と、改質ガスとエアとの供給を受けて発電する燃料電池ＦＣとを有する発電モジュール３０を備える。また、発電ユニット２０は、供給源１からの原燃料ガスを脱酸器３２に供給する原燃料ガス供給装置４０と、燃料電池ＦＣにエアを供給するエア供給装置５０と、気化器３５に改質水を供給する改質水供給装置５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０とを備える。

脱酸器３２と脱硫器３４と気化器３５と改質器３６と燃料電池ＦＣは、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池ＦＣの起動や脱酸器３２における脱酸素反応、脱硫器３４における脱硫反応、気化器３５における水蒸気の生成、改質器３６における水蒸気改質反応などに必要な熱を供給するための燃焼部３７が設けられている。燃焼部３７には燃料電池ＦＣで利用されなかった余剰の水素含有ガス（アノードオフガス）と余剰の酸素含有ガス（カソードオフガス）とが供給され、これらの混合ガスが点火ヒータ３８により点火されることにより燃焼して燃料電池ＦＣや脱酸器３２、脱硫器３４、気化器３５、改質器３６を加熱する。

脱酸器３２は、例えば、ロジウムや白金、パラジウムなどの脱酸素触媒をアルミナなどの担体に担持させたものとして構成されており、水素化処理による脱酸素反応（水素化脱酸素反応）によって原燃料ガスに含まれる酸素を除去する。水素化脱酸素反応は、吸熱反応であるため、本実施例では、脱酸器３２は、脱酸素反応に適した温度（例えば、３００℃〜３５０℃程度）となるように、モジュールケース３１内に収容され、燃焼部３７で発生する熱によって加熱されるものとした。また、脱酸器３２には、その内部温度を検出するための温度センサ３３が設けられている。図２に、脱酸器３２の温度低下量と原燃料ガス中の酸素濃度との関係を示す。上述したように、水素化脱酸素反応は吸熱反応であるため、脱酸器３２の温度は、図２に示すように、原燃料ガスに含まれる酸素の濃度が高いほど、大きく低下する傾向を示す。

脱硫器３４は、例えば、水添脱硫剤が充填されて構成され、硫黄化合物を水素と反応させて硫化水素に変換し、変換した硫化水素を吸着除去する水添脱硫器を用いることができる。この場合、脱硫反応に必要な水素は、改質器３６に生成された改質ガスを脱硫器３４へリサイクルすることによって賄うことができる。また、水添脱硫剤は、硫黄化合物を硫化水素に変換すると共に硫化水素の吸着除去も可能なＣｕＺｎ系触媒により構成したり、硫黄化合物を硫化水素へ変換するＣｏＭｏ系触媒とその下流に設けられて硫化水素を吸着除去するＺｎＯ系触媒またはＣｕＺｎ系触媒とにより構成したりすることができる。これらの脱硫剤（触媒）は、酸素に曝されると、劣化（酸化劣化）が進行することが知られている。また、脱硫器３４は、脱硫反応に適した温度（例えば、２００℃〜３００℃程度）となるように、モジュールケース３１内に収容され、燃焼部３７で発生する熱によって加熱されるものとした。

ここで、供給源１から供給される原燃料ガスとしては、上述したように、天然ガスやＬＰガス、ピークシェービングガスなどが挙げられる。ピークシェービングガスは、ピーク時期の需要に合わせて必要な量だけ天然ガスなどと混合あるいは置き換えて供給されるものであり、例えば、ブタンを主成分とし、メタンを主成分とする天然ガスに比して単位体積当たりの熱量が大きい。また、ピークシェービングガスは、酸素を含有しており、ピークシェービングガスが供給源１から脱硫器３４に直接に供給されると、ピークシェービングガスに含まれる酸素により脱硫器３４の酸化劣化が進行し、正常に運転することができなくなる虞がある。本実施例では、脱硫器３４の上流に脱酸器３４を配置して原燃料ガス（ピークシェービングガス）に含まれる酸素を除去することにより、後段の脱硫器３４に酸化劣化が生じるのを抑制するものとしている。

また、ピークシェービングガスのように供給源１から一時的に異なる種別の原燃料ガスが供給される場合、それまでに供給されていた原燃料ガス（天然ガスなど）と組成、すなわち熱量が変化する。例えば、燃料電池に供給される燃料の熱量が不足すると、燃料電池の発電に必要な水素含有ガスが不足し、十分な出力が得られない場合が生じる。一方、燃料電池に供給される燃料の熱量が過剰となると、燃料電池で利用されない余剰の水素含有ガス（アノードオフガス）が増え、これが燃焼部３７で燃焼される結果、発電モジュール３０内の温度が異常上昇する場合が生じる。上述したように、脱酸器３２の温度は、原燃料ガスに含まれる酸素の濃度が高いほど、大きく低下するため、温度センサ３３を用いて脱酸器３２の温度低下量を測定することにより、供給源１から供給されている原燃料ガスに含まれる酸素の濃度、即ち原燃料ガスに占めるピークシェービングガスの割合を推定することができ、原燃料ガスの熱量を推定することができる。したがって、原燃料ガスの熱量に応じて原燃料ガス供給装置４０による原燃料ガスの供給量を制御することにより、燃料電池システム１０（発電ユニット２０）を安定して運転することができる。

原燃料ガス供給装置４０は、供給源１と脱酸器３２とが原燃料ガス供給管４１により接続され、原燃料ガスポンプ４４の駆動により供給源１からの原燃料ガスを原燃料ガス供給弁（電磁弁）４２，４３を介して脱酸器３２へ供給する。脱酸器３２へ供給された原燃料ガスは、脱酸器３２，脱硫器３４，気化器３５を経て改質器３６へ供給され、水素を含む改質ガスへと改質される。原燃料ガス供給弁４２，４３は、直列に接続された２連弁として構成される。また、原料ガス供給管４１には、当該原料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７や原料ガス供給管４１を流れる原燃料ガスの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ４８が設けられている。

エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池ＦＣとがエア供給管５１により接続され、エアブロワ５３の駆動により外気をフィルタ５２を介して燃料電池ＦＣへ供給する。エア供給管５１には、当該エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ５４が設けられている。

改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３５とが改質水供給管５６により接続され、改質水供給管５６に設けられた改質水ポンプ５８の駆動により改質水タンク５７の改質水を気化器３５へ供給する。気化器３５へ供給された改質水は、気化器３５で水蒸気とされ、改質器３６における水蒸気改質反応に利用される。改質水タンク５７には、貯蔵される改質水を精製する図示しない水精製器が設けられている。

排熱回収装置６０は、燃焼部３７の燃焼による燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とが循環配管６１により接続され、循環配管６１に設けられた循環ポンプ６３の駆動により熱交換器６２にて貯湯タンク１０１からの貯湯水が燃焼排ガスとの熱交換により加温されて貯湯タンク１０１に貯湯されるようになっている。熱交換器６２は凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して外気と接続されており、熱交換器６２に供給された燃焼排ガスは貯湯水との熱交換によって水蒸気成分が凝縮されて改質水タンク５７に回収されると共に残りの排気ガスが排気ガス排出管６７を介して外気へ排出されるようになっている。

燃料電池ＦＣは、電解質とこの電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とを含む単セルが複数積層された固体酸化物燃料電池として構成されており、改質ガス中の水素とエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池ＦＣの出力端子にはインバータとＤＣ／ＤＣコンバータとを含むパワーコンディショナ７１を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されており、燃料電池ＦＣからの直流電力が交流電力に変換されて商用電源２からの交流電力に付加されて負荷４に供給できるようになっている。パワーコンディショナ７１から分岐した電力ラインには電源基板７２が接続されている。

電源基板７２は、原燃料ガス供給弁４２，４３やエアブロワ５３、原燃料ガスポンプ４４、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、温度センサ３３，７３、圧力センサ４７、流量センサ４８，５４、可燃ガスセンサ９１などの補機に直流電力を供給する直流電源として機能する。これらの補機は、一部または全部が図示しない補機室に収容されている。補機室の上部には、筐体２２内の雰囲気温度を検出するための温度センサ７３が設けられている。

制御装置８０は、ＣＰＵ８１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ８１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ８２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３と、計時を行なうタイマ８４と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置８０には、圧力センサ４７や流量センサ４８，５４、温度センサ３３，７３、可燃ガスセンサ９１などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、筐体２２の吸気口２２ａに設けられた換気ファン２４のファンモータへの駆動信号や原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原燃料ガスポンプ４４のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ５８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ７１のインバータやＤＣ／ＤＣコンバータへの制御信号、点火ヒータ３８への駆動信号、表示パネル９０への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。

制御装置８０は、負荷４の負荷指令を入力し、入力した負荷指令に応じた流量により原燃料ガスやエア等が供給されるよう原燃料ガス供給装置４０やエア供給装置５０等を制御する。例えば、原燃料ガス供給装置４０の制御は、入力した負荷指令に基づいて原燃料ガス供給装置４０が供給すべき目標流量Ｑ＊を設定し、設定した目標流量Ｑ＊と流量センサ４８により検出される流量との偏差に基づくフィードバック制御により目標デューティ比を設定すると共に設定した目標デューティ比により原燃料ガスポンプ４４のポンプモータを駆動制御することにより行なわれる。また、エア供給装置５０の制御は、原燃料ガスの流量に対する流量比が所定の比率となるようにエア供給装置５０が供給すべき目標流量を設定し、設定した目標流量と流量センサ５４により検出される流量との偏差に基づくフィードバック制御により目標デューティ比を設定すると共に設定した目標デューティ比によりエアブロワ５３のブロワモータを駆動制御することにより行なわれる。

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作、特に、供給源１からの原燃料ガスの組成（熱量）が変化する際の原燃料ガス供給装置４０（原燃料ガスポンプ４４）の動作について説明する。図３は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される原燃料ガス供給制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、燃料電池ＦＣが起動したときに実行される。

原燃料ガス供給制御ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、燃料電池ＦＣが起動してからその運転状態が安定するまでのＡ期間（例えば、１時間）と脱酸器温度Ｔｄの検出期間であるＢ期間（例えば、５分）が経過するまで待つ（ステップＳ１００）。Ａ期間とＢ期間とが経過すると、Ｂ期間に亘って温度センサ３３により検出された温度の平均値を脱酸器温度Ｔｄとして入力し（ステップＳ１１０）、入力した脱酸器温度Ｔｄを脱酸器３２の基準温度Ｔｃに設定する（ステップＳ１２０）。なお、基準温度Ｔｃの設定は、入力した脱酸器温度Ｔｄが予め定められた適正範囲内にあるか否かを判定し、脱酸器温度Ｔｄが適正範囲内にあるときにはその脱酸器温度Ｔｄを基準温度Ｔｃに設定し、脱酸器温度Ｔｄが適正範囲外にあるときには適正範囲内となるまで所定時間の経過を待って脱酸器温度Ｔｄを再検出するものとしてもよい。

次に、Ｂ期間が経過するのを待つ（ステップＳ１３０）。Ｂ期間が経過すると、Ｂ期間に亘って、温度センサ３３により検出された温度の平均値である脱酸器温度Ｔｄや温度センサ７３により検出された温度の平均値である雰囲気温度Ｔｅ、出力パワーＰｏを入力する（ステップＳ１４０）。ここで、出力パワーＰｏは、例えば、パワーコンディショナ７１に設けられた図示しない電力センサにより検出された電力の平均値を入力するものとしてもよいし、負荷指令に基づいて演算されるパワーの平均値を入力するものとしてもよい。なお、脱酸器温度Ｔｄや雰囲気温度Ｔｅ、出力パワーＰｏは、リアルタイムの値を用いるものとし、平均値を用いなくてもよい。続いて、入力した雰囲気温度Ｔｅに基づいて第１調整係数ｃ１を設定すると共に（ステップＳ１５０）、入力した出力パワーＰｏに基づいて第２調整係数ｃ２を設定し（ステップＳ１６０）、ステップＳ１２０で設定した基準温度Ｔｃに第１調整係数ｃ１と第２調整係数ｃ２とを乗じることにより基準温度Ｔｃを調整する（ステップＳ１７０）。そして、調整した基準温度Ｔｃから入力した脱酸器温度Ｔｄを減じることにより脱酸器３２の温度低下量ΔＴ（脱酸器温度Ｔｄが基準温度Ｔｃよりも低いときに正の値となる）を計算する（ステップＳ１８０）。

ここで、第１調整係数ｃ１は、筐体２２内の雰囲気温度が脱酸器３２の温度に影響を及ぼすことを考慮したものであり、雰囲気温度Ｔｅと第１調整係数ｃ１との関係を予め実験などにより求めて第１調整係数設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、雰囲気温度Ｔｅが与えられると、マップから対応する第１調整係数ｃ１を導出して設定するものとした。第１調整係数設定用マップの一例を図４に示す。第１調整係数設定用マップは、図示するように、雰囲気温度Ｔｅが高いほど、第１調整係数ｃ１が大きくなる、すなわち基準温度Ｔｃが高くなるように作成されている。

第２調整係数ｃ２は、出力パワーＰｏが脱酸器３２の温度に影響を及ぼすことを考慮したものであり、出力パワーＰｏと第２調整係数ｃ２との関係を予め実験などにより求めて第２調整係数設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、出力パワーＰｏが与えられると、マップから対応する第２調整係数ｃ２を導出して設定するものとした。第２調整係数設定用マップの一例を図５に示す。第２調整係数設定用マップは、図示するように、出力パワーＰｏが高いほど、第２調整係数ｃ２が小さくなる、すなわち基準温度Ｔｃが低くなるように作成されている。ここで、燃料電池ＦＣは、その出力状態によって燃料利用率が変化することが知られている。例えば、低出力状態のときには、原燃料ガス供給装置４０からの原燃料ガスの供給量が減少する一方、燃料電池ＦＣでの燃料利用率が低下して取り出される電気エネルギの割合が減少すると共に余剰の水素含有ガス（アノードオフガス）の割合が増加する。脱酸器３２は余剰の水素含有ガスが燃焼部３７にて燃焼されることによって加熱されるから、出力状態の変化は、温度センサ３３により検出される脱酸器温度Ｔｄに影響を及ぼす。したがって、出力パワーＰｏに基づいて基準温度Ｔｃを調整して基準温度Ｔｃを現在の出力パワーＰｏに対応する温度に換算することで、出力パワーＰｏ（燃料利用率）の変化に拘わらず、温度低下量ΔＴを適切に算出することができる。

脱酸器３２の温度低下量ΔＴを計算すると、計算した脱酸器３２の温度低下量ΔＴに基づいて補正係数ｋを設定し（ステップＳ１９０）、設定した補正係数ｋに原燃料ガスの目標流量Ｑ＊を乗じたものを新たな目標流量Ｑ＊として設定する（ステップＳ２００）。ここで、補正係数ｋは、原燃料ガスの目標流量Ｑ＊を補正するための係数であり、本実施例では、脱酸器３２の温度低下量ΔＴと補正係数ｋとの関係を予め求めて補正係数設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、温度低下量ΔＴが与えられると、マップから対応する補正係数ｋを導出して設定するものとした。補正係数設定用マップの一例を図６に示す。

補正係数設定用マップは、図６に示すように、温度低下量ΔＴが大きいほど補正係数ｋが小さくなる、すなわち目標流量Ｑ＊が減量するように作成されている。原燃料ガスは、脱酸器３２の温度低下量ΔＴが大きいほど吸熱反応である水素化脱酸素反応が多く行なわれているから、原燃料ガスに含まれる酸素の濃度が高く、単位体積当たりの熱量が大きいピークシェービングガスの原燃料ガス中に占める割合が多いと考えられる。したがって、脱酸器３２の温度低下量ΔＴが大きいほど、補正係数ｋを小さくして、原燃料ガスの目標流量Ｑ＊を減量させることで、燃料電池ＦＣに供給される燃料の熱量（水素）に過不足が生じるのを抑制することができる。

また、補正係数設定用マップは、図６に示すように、温度低下量ΔＴの増減に対して補正係数ｋにヒステリシスが設けられている。すなわち、温度低下量ΔＴが大きくなる場合（単位体積当たりの熱量が大きいピークシェービングガスの原燃料ガスに占める割合が大きくなる場合）に対しては、原燃料ガスの目標流量Ｑ＊の減量を緩やかにしつつ、温度低下量ΔＴが小さくなる場合（単位体積当たりの熱量が大きいピークシェービングガスの原燃料ガスに占める割合が小さくなる場合）に対しては、原燃料ガスの目標流量Ｑ＊を速やかに増量する。これにより、燃焼部３７における水素含有ガス（アノードオフガス）の不足による失火の発生を抑制することができる。なお、補正係数ｋにこうしたヒステリシスを設けないものとしてもよい。

こうして目標流量Ｑ＊を補正すると、目標流量Ｑ＊に基づいて目標デューティ比を設定すると共に設定した目標デューティ比で原燃料ガスポンプ４４のポンプモータを駆動制御して（ステップＳ２１０）、ステップＳ１３０に戻り、処理を繰り返す。

図７は、脱酸器温度Ｔｄと補正係数ｋの時間変化の様子を示す説明図である。図示するように、燃料電池ＦＣが時刻ｔ１に起動してからＡ期間が経過すると（時刻ｔ２）、Ｂ期間に亘って温度センサ３３により検出される脱酸器温度Ｔｄに基づいて基準温度Ｔｃを設定する（時刻ｔ３）。その後、Ｂ期間が経過する度に、基準温度Ｔｃを基準とした脱酸器３２の温度低下量ΔＴが計算され、温度低下量ΔＴが大きくなるにつれて、原燃料ガスの目標流量Ｑ＊が減量するように、補正係数ｋが設定される。

以上説明した本実施例の燃料電池システム１０は、脱硫器３４の上流に、原燃料ガス供給装置４０により供給される原燃料ガスに含まれる酸素を除去するための脱酸器３２を備える。これにより、酸素を含む原燃料ガスが供給されても、原燃料ガスの供給を停止（燃料電池ＦＣの運転を停止）させることなく、脱硫器３４（脱酸素触媒）の酸化劣化を抑制することができる。脱酸器３２は、原燃料ガスに含まれる酸素を熱の出入りを伴う化学反応により除去するため、脱酸器３２の温度変化量によって反応した酸素の量、即ち、原燃料ガス中の酸素の含有量を推定することができる。そこで、天然ガスのように単位体積当たりの熱量が小さく酸素を含有しないガスと、ピークシェービングガスのように単位体積当たりの熱量が大きく酸素を含有するガスとが混在して供給源１から供給される場合に、脱酸器３２の温度低下量ΔＴに基づいて増減するよう原燃料ガス供給装置４０の目標流量Ｑ＊を補正することにより、燃料電池ＦＣに供給される燃料の熱量に過不足が生じないようにして、燃料電池システム１０を安定して運転させることができる。

また、本実施例の燃料電池システム１０は、温度低下量ΔＴの増減に対して目標流量Ｑ＊を補正するための補正係数ｋにヒステリシスを設ける。すなわち、温度低下量ΔＴが大きくなる場合に対しては、原燃料ガスの目標流量Ｑ＊の減量を緩やかにしつつ、温度低下量ΔＴが小さくなる場合に対しては、原燃料ガスの目標流量Ｑ＊を速やかに増量する。これにより、燃焼部３７における水素含有ガスの不足による失火の発生を抑制することができる。

さらに、本実施例の燃料電池システム１０は、起動後に温度センサ３３により検出された脱酸器温度に基づいて基準温度Ｔｃを設定し、その後、基準温度Ｔｃと温度センサ３３により検出された現在の脱酸器温度Ｔｄとの偏差（Ｔｃ−Ｔｄ）により脱酸器３２の温度低下量ΔＴを計算するものとし、現在の筐体２２内の雰囲気温度Ｔｅに基づいて基準温度Ｔｃを調整する。これにより、雰囲気温度Ｔｅが温度センサ３３により検出される脱酸器温度Ｔｄに与える影響を相殺して、脱酸器３２の温度低下量ΔＴを適切に計算することができる。

また、本実施例の燃料電池システム１０は、起動後に温度センサ３３により検出された脱酸器温度に基づいて基準温度Ｔｃを設定し、その後、基準温度Ｔｃと温度センサ３３により検出された現在の脱酸器温度Ｔｄとの偏差（Ｔｃ−Ｔｄ）により脱酸器３２の温度低下量ΔＴを計算するものとし、現在の出力パワーＰｏに基づいて基準温度Ｔｃを調整する。これにより、出力パワーＰｏ（燃料利用率）が温度センサ３３により検出される脱酸器温度Ｔｄに与える影響を相殺して、脱酸器３２の温度低下量ΔＴを適切に計算することができる。

実施例では、補機室の上部に設けられた温度センサ７３により筐体２２内の雰囲気温度を検出するものとしたが、筐体内２２の雰囲気温度を検出できれば、筐体２２内の他の如何なる場所に設置された温度センサにより雰囲気温度を検出するものとしてもよい。

実施例では、起動後に温度センサ３３により検出された脱酸器温度Ｔｄを基準温度Ｔｃに設定したが、これに限定されるものではなく、流量センサ４８により検出される原燃料ガスの流量や流量センサ５４により検出されるエアの流量などに基づいて基準温度Ｔｃを推定するものとしてもよい。

実施例では、雰囲気温度Ｔｅに基づいて基準温度Ｔｃを調整するものとしたが、雰囲気温度Ｔｅに基づいて脱酸器温度Ｔｄを調整するものとしてもよい。この場合、温度センサ３３により検出される脱酸器温度Ｔｄを第１調整係数ｃ１で除するものとすればよい。

実施例では、出力パワーＰｏに基づいて基準温度Ｔｃを調整するものとしたが、出力パワーＰｏに基づいて脱酸器温度Ｔｄを調整するものとしてもよい。この場合、温度センサ３３により検出される脱酸器温度Ｔｄを第２調整係数ｃ２で除するものとすればよい。

実施例やその変形例では、雰囲気温度Ｔｅと出力パワーＰｏとに基づいて基準温度Ｔｃあるいは脱酸器温度Ｔｄを調整するものとしたが、雰囲気温度Ｔｅのみに基づいて基準温度Ｔｃあるいは脱酸器温度Ｔｄを調整するものとしてもよいし、出力パワーＰｏのみに基づいて基準温度Ｔｃあるいは脱酸器温度Ｔｄを調整するものとしてもよい。また、こうした調整を行なわないものとしても構わない。

実施例では、起動後に温度センサ３３により検出された脱酸器温度に基づいて基準温度Ｔｃを設定し、基準温度Ｔｃと温度センサ３３により検出された現在の脱酸器温度Ｔｄとの偏差により脱酸器３２の温度低下量ΔＴを計算するものとした。しかしながら、所定時間前に温度センサ３３により検出された脱酸器温度を基準温度として、温度センサ３３により検出された現在の脱酸器温度Ｔｄと基準温度との偏差により脱酸器３２の温度低下量ΔＴを計算するものとしてもよい。この場合、起動後に行なわれる基準温度Ｔｃの設定に関するステップＳ１１０，Ｓ１２０の処理や、雰囲気温度Ｔｅや出力パワーＰｏに基づく基準温度Ｔｃの調整に関するステップＳ１５０〜Ｓ１７０の処理を省略するものとしてもよい。

実施例では、モジュールケース３１内に脱酸器３２を収容し、燃焼部３７からの熱によって脱酸器３２（脱酸素触媒）を加熱するものとしたが、脱酸器３２にヒータを内蔵し、ヒータからの熱によって脱酸素触媒を加熱するものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、燃料電池ＦＣが「燃料電池」に相当し、原燃料ガス供給装置４０が「原燃料ガス供給装置」に相当し、脱酸器３２が「脱酸器」に相当し、脱硫器３４が「脱硫器」に相当し、改質器３６が「改質器」に相当し、エア供給装置５０が「酸素含有ガス供給装置」に相当し、温度センサ３３が「脱酸器温度検出装置」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。また、燃焼部３７が「燃焼部」に相当する。また、温度センサ７３が「雰囲気温度検出装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

１ 供給源、２ 商用電源、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電ユニット、２２ 筐体、２２ａ 吸気口、２２ｂ 排気口、２４ 換気ファン、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３２ 脱酸器、３３ 温度センサ、３４ 脱硫器、３５ 気化器、３６ 改質器、３７ 燃焼部、３８ 点火ヒータ、４０ 原燃料ガス供給装置、４１ 原燃料ガス供給管、４２，４３ 原燃料ガス供給弁、４４ 原燃料ガスポンプ、４７ 圧力センサ、４８ 流量センサ、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ フィルタ、５３ エアブロワ、５４ 流量センサ、５５ 改質水供給装置、５６ 改質水供給管、５７ 改質水タンク、５８ 改質水ポンプ、６０ 排熱回収装置、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６６ 凝縮水供給管、６７ 排気ガス排出管、７１ パワーコンディショナ、７２ 電源基板、７３ 温度センサ、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８４ タイマ、９０ 表示パネル、９１ 可燃ガスセンサ、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、ＦＣ 燃料電池。

Claims (5)

1. 水素含有ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
   原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置と、
   前記原燃料ガス供給装置により供給された原燃料ガスに含まれる酸素を熱の出入りを伴う化学反応により除去する脱酸器と、
   前記脱酸器を通過した原燃料ガスに含まれる硫黄分を脱硫する脱硫器と、
   前記脱硫器を通過した原燃料ガスを改質して前記水素含有ガスとして前記燃料電池に供給する改質器と、
   前記酸素含有ガスを前記燃料電池に供給する酸素含有ガス供給装置と、
   前記脱酸器の温度を検出する脱酸器温度検出装置と、
   前記脱酸器の温度変化に基づいて増減するよう前記原燃料ガスの目標供給量を補正して前記原燃料ガス供給装置を制御する制御装置と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記脱酸器は、前記酸素を吸熱反応によって除去する脱酸素触媒を有し、
   前記制御装置は、前記脱酸器の温度低下が大きいほど大きく減少するよう前記目標供給量を補正する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記脱酸器の温度変化量の増減に対してヒステリシスをもった補正値により前記目標供給量を補正する、
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池で利用されなかった余剰の水素含有ガスを燃焼させる燃焼部を備え、
   前記脱酸器は、前記燃焼部で発生する熱によって加熱され、
   前記制御装置は、所定のタイミングで前記脱酸器温度検出装置により検出される温度に基づいて基準温度を設定し、前記基準温度を設定した後、前記燃料電池の出力状態と前記基準温度と前記脱酸器温度検出装置により検出される温度とに基づいて前記脱酸器の温度変化量を算出する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システム内の雰囲気温度を検出する雰囲気温度検出装置を備え、
   前記制御装置は、所定のタイミングで前記脱酸器温度検出装置により検出される温度に基づいて基準温度を設定し、前記基準温度を設定した後、前記燃料電池システム内の雰囲気温度と前記基準温度と前記脱酸器温度検出装置により検出される温度とに基づいて前記脱酸器の温度変化量を算出する、
   燃料電池システム。

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