JP2021163687A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】脱硫器が発電モジュールに熱伝達可能に設置されると共に発電モジュール内に温度センサが設置されたものにおいて、システム起動に際して、脱硫器において燃料成分の吸着が飽和状態に達するために必要な量の原燃料ガスを過不足なく供給する。【解決手段】燃料電池システムは、システム停止に際して原燃料ガスの供給を停止したときに温度センサにより検出される温度を停止時温度として記憶し、次回にシステム起動する際に温度センサにより検出される温度を起動時温度として、吸着処理において、起動時温度に基づいて推定される脱硫器の飽和吸着量と停止時温度を増加側に補正した補正後の停止時温度に基づいて推定される脱硫器の飽和吸着量との差分に基づいて脱硫器への原燃料ガスの供給量を制御する。【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、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と原燃料ガス（改質用原料）を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部とを含む燃料電池モジュールと、原燃料ガス中の硫黄成分を脱硫して改質部へ供給する脱硫器と、を備え、起動運転の際に燃料成分（吸着質）の吸着が飽和吸着量に達するまで脱硫器に原燃料ガスを供給する燃料吸着処理を行なうものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、原燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止して停止運転が終了した際に、停止運転終了時点で燃料電池温度センサにより検出された燃料電池温度を停止運転終了時温度として記憶しておき、次の起動運転の際に、燃料電池温度センサにより検出される燃料電池温度を起動運転開始時温度として、停止運転終了時温度から導出される停止運転終了時点の吸着飽和量（停止運転終了時飽和量）と起動運転開始時温度から導出される起動運転開始時点の吸着飽和量（起動運転開始時飽和量）との差分を吸着可能量に設定し、設定した吸着可能量に基づいて原燃料ガスの供給量を制御する。

特開２０１０−１１４０００号公報

脱硫器が燃料電池モジュール（発電モジュール）に熱伝達可能に設置されたものにおいて、燃料電池温度に基づいて脱硫器の飽和吸着量を推定する場合、停止運転を終了（原燃料ガスの供給を停止）した直後は、燃料電池温度と脱硫器の実際の温度との間に比較的大きな乖離が生じており、燃料電池モジュールの予熱により脱硫器が一時的に温度上昇する場合が生じる。脱硫器が温度上昇すると、その飽和吸着量は減少するから、原燃料ガスの供給が停止された直前において脱硫器に飽和吸着量まで吸着されていた燃料成分の一部は、脱硫器の一時的な温度上昇によって放出される。このため、次の起動運転の際に停止運転終了時飽和量と起動運転開始時飽和量との差分を吸着可能量として原燃料ガスの供給量を制御するものとすると、飽和吸着量に達するのに必要な燃料が不足したまま燃料吸着処理が終了し、その後の着火処理において供給した原燃料ガス中の燃料成分が脱硫器に吸着されて燃焼部へ供給される燃料が不足することで着火不良が生じる等、起動運転を正常に行なうことができないおそれがある。

本発明の燃料電池システムは、脱硫器が発電モジュールに熱伝達可能に設置されると共に発電モジュール内に温度センサが設置されたものにおいて、システム起動に際して、脱硫器において燃料成分の吸着が飽和状態に達するために必要な量の原燃料ガスを過不足なく供給することができる燃料電池システムを提供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、
燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、原燃料ガスを水蒸気改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃料部と、を含む発電モジュールと、
前記発電モジュールと熱伝達可能に設置され、前記原燃料ガスに含まれる硫黄成分を脱硫して前記改質部へ供給する脱硫器と、
前記脱硫器へ前記原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池へ前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記発電モジュールに設けられた温度センサと、
システム起動に際して、前記脱硫器への前記原燃料ガス中の燃料成分の吸着が飽和状態に達するように前記脱硫器へ前記原燃料ガスを供給する吸着処理を行なう制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、システム停止に際して前記原燃料ガスの供給を停止したときに前記温度センサにより検出される温度を停止時温度として記憶し、次回にシステム起動する際に前記温度センサにより検出される温度を起動時温度として、前記吸着処理において、前記起動時温度に基づいて推定される前記脱硫器の飽和吸着量と前記停止時温度を増加側に補正した補正後の停止時温度に基づいて推定される前記脱硫器の飽和吸着量との差分に基づいて前記脱硫器への前記原燃料ガスの供給量を制御する、
ことを要旨とする。

この本発明の燃料電池システムは、発電モジュールと熱伝達可能に設置される脱硫器と、発電モジュールに設けられた温度センサと、を備える。この燃料電池システムにおいて、システム停止に際して原燃料ガスの供給を停止したときに温度センサにより検出される温度を停止時温度として記憶し、次回にシステム起動する際に温度センサにより検出される温度を起動時温度として、吸着処理において、起動時温度に基づいて推定される脱硫器の飽和吸着量と停止時温度を増加側に補正した補正後の停止時温度に基づいて推定される脱硫器の飽和吸着量との差分に基づいて脱硫器への原燃料ガスの供給量を制御する。システム停止に伴い原燃料ガスの供給を停止したときの発電モジュール内の温度と脱硫器の温度との間には比較的大きな乖離が生じており、発電モジュールの予熱により脱硫器が一時的に温度上昇する場合が生じる。脱硫器が温度上昇すると、その飽和吸着量は減少するから、原燃料ガスの供給が停止された直前において脱硫器に飽和吸着量まで吸着されていた燃料成分の一部は、脱硫器の一時的な温度上昇によって放出される。本発明の燃料電池システムでは、発電モジュールの予熱による脱硫器の一時的な温度上昇により脱硫器から放出される燃料成分の放出分を考慮して、次にシステム起動する際の吸着処理において脱硫器への原燃料ガスの供給量を制御することができる。これにより、脱硫器において燃料成分の吸着が飽和状態に達するために必要な量の原燃料ガスを過不足なく供給することができる。

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記停止時温度が高いほど大きな増加量で前記停止時温度を補正した前記補正後の停止時温度を設定するものとしてもよい。これは、停止時温度が高いほど、温度センサにより検出される温度と脱硫器の実際の温度との間の乖離が大きくなり、発電モジュールの予熱による脱硫器の一時的な温度上昇が大きくなることに基づく。

燃料電池システムの概略構成図である。 運転制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 起動処理の一例を示すフローチャートである。 温度補正値設定用マップの一例を示す説明図である。 温度Ｔ４と脱硫器の飽和吸着量Ａとの関係を示す説明図である。 システム停止した際の脱硫器温度の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について図面を参照しながら説明する。

図１は、燃料電池システムの概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの水蒸気改質に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０で発生した排熱を回収するための排熱回収装置６０と、燃料電池スタック２１の出力端子に接続されると共にリレーを介して電力系統２から負荷４への電力ライン３に接続されるパワーコンディショナ７０と、を備える。これらは、筐体１２に収容されている。筐体１２には、吸気口１２ａと排気口１２ｂとが形成されており、吸気口１２ａの近傍には、外気を取り込んで筐体１２の内部を換気するための換気ファン１４が設置されている。

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、２つの改質器２３を含み、これらは、本実施形態の燃料電池ケースとしてのモジュールケース２９に収容されている。本実施形態では、発電モジュール２０は、２つの燃料電池スタック２１を有し、２つの燃料電池スタック２１は、間隔をおいて互いに対向するようにモジュールケース２９内に配置されたマニホールド２４上に設置される。

各燃料電池スタック２１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該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それぞれ有すると共に図１中、左右方向（水平方向）に配列された複数の固体酸化物形の単セルを有する。各単セルのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が単セルの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。また、各単セルのカソード電極の周囲には、カソードガスを流通させる図示しないカソードガス通路が単セルの配列方向に直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。各単セルのアノードガス通路は、マニホールド２４に接続され、各単セルのカソードガス通路は、モジュールケース２９内のエア通路に接続される。更に、２つの燃料電池スタック２１の間（近傍）には、両者との距離が同一となるように温度センサ９４が設置されている。温度センサ９４は、各燃料電池スタック２１の温度に相関する温度Ｔ４を検出する。

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２９内の２つの燃料電池スタック２１の上方に両者と間隔をおいて配設される。本実施形態では、一方の燃料電池スタック２１の上方に気化器２２および一方の改質器２３が配置され、他方の燃料電池スタック２１の上方に他方の改質器２３が配置される。更に、一方の燃料電池スタック２１と気化器２２および一方の改質器２３との間、並びに他方の燃料電池スタック２１と他方の改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼部２５が画成されている。各燃焼部２５には、着火ヒータ２６が設置されている。

気化器２２は、燃焼部２５からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。また、改質器２３には、当該改質器２３に流入する混合ガスの温度Ｔ１を検出する温度センサ９１が設置されている。

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部２５からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、配管やマニホールド２４を介して各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。

また、燃料電池スタック２１の各単セルのカソード電極には、モジュールケース２９内に形成されたエア通路を介してカソードガスとしてのエアが供給される。各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ₂ ^-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、各単セルのアノードガス通路やカソードガス通路から上方の燃焼部２５へと流出する。

各単セルから燃焼部２５に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルから燃焼部２５に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、着火ヒータ２６により点火させられて燃焼部２５でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼部２５では、未燃燃料や水蒸気を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼触媒２７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒２７は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。更に、燃焼触媒２７が設けられたガス通路には、燃焼触媒２７を暖機するための触媒ヒータ２８や、燃焼排ガスの温度Ｔ８を検出する温度センサ９８が設置されている。

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に組み込まれた開閉弁（２連弁）３２，３３、オリフィス３４、ガスポンプ３５および脱硫器３６とを有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３５を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３６を介して気化器２２へと圧送（供給）される。脱硫器３６は、例えば常温脱硫式の脱硫器として構成され、発電モジュール２０と熱伝達可能にモジュールケース２９と接触するように設置されている。また、原燃料ガス供給管３１の開閉弁３３とオリフィス３４との間には、原燃料ガス供給管３１内の圧力を検出する圧力センサ３７や、原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量（ガス流量Ｑｇ）を検出する流量センサ３８が設置されている。

改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に組み込まれた改質水ポンプ４３とを有する。改質水タンク４２内の改質水は、改質水ポンプ４３を作動させることで、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。

エア供給装置５０は、モジュールケース２９内に形成されたエア通路に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に組み込まれたエアポンプ５３とを有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、モジュールケース２９内のエア通路を経て各燃料電池スタック２１へと圧送（供給）される。

排熱回収装置６０は、湯水を貯留する貯湯タンク６３と、発電モジュール２０の燃焼部２５で生成された燃焼排ガスと湯水とを熱交換する熱交換器６２と、貯湯タンク６３と熱交換器６２とを接続する循環配管６１と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６４とを有する。貯湯タンク６３内に貯留されている湯水は、循環ポンプ６４を作動させることで、熱交換器６２へと導入され、熱交換器６２で燃焼排ガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク６３へと返送される。熱交換器６２で湯水との熱交換によって燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮し、これにより凝縮水が得られる。

また、排熱回収装置６０の熱交換器６２は、配管６６を介して改質水タンク４２と接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮することにより得られた凝縮水は、当該配管６６を介して改質水タンク４２内へと導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、燃焼排ガス排出管６７に接続されている。これにより、発電モジュール２０の燃焼部２５から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、燃焼排ガス排出管６７を介して大気中に排出される。

パワーコンディショナ７０は、燃料電池スタック２１から出力された直流電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ〜３００Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータや、変換された直流電圧を電力系統２と連系可能な交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するインバータを有する。燃料電池スタック２１の出力端子には、当該燃料電池スタック２１から出力される電流Ｉを検出する図示しない電流センサが設けられ、燃料電池スタック２１の出力端子間には、燃料電池スタック２１の端子間電圧を検出する図示しない電圧センサが設けられている。パワーコンディショナ７０は、システムに要求される要求発電電力に応じた電流が燃料電池スタック２１から出力されるようＤＣ／ＤＣコンバータやインバータが備えるスイッチング素子をスイッチング制御する。

パワーコンディショナ７０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、燃料電池スタック２１からの直流電圧や電力系統２からの交流電圧を補機類の作動に適した直流電圧に変換して当該補機類に供給するものである。実施形態では、補機類としては、換気ファン１４や開閉弁３２，３３、ガスポンプ３５、改質水ポンプ４３、エアポンプ５３、循環ポンプ６４などを挙げることができる。

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、図示しない不揮発性メモリと、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３７や流量センサ３８、温度センサ９１，９４，９８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、換気ファン１４のファンモータや開閉弁３２，３３のソレノイド、ガスポンプ３５のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、エアポンプ５３のポンプモータ、循環ポンプ６４のポンプモータ、パワーコンディショナ７０のＤＣ／ＤＣコンバータやインバータ、電源基板７２、着火ヒータ２６、触媒ヒータ２８などへの各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。

次に、こうして構成された本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。図２は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される運転制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

運転制御ルーチンでは、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、システム起動が指示されるのを待つ（ステップＳ１００）。システム起動が指示されると、後述する起動処理を実行する（ステップＳ１１０）。そして、起動処理を実行した後、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が予め定められた発電許可温度以上となるのを待って（ステップＳ１２０，Ｓ１３０）、発電処理を開始する（ステップＳ１４０）。発電処理では、システムに要求される要求発電出力に応じた目標電流Ｉｔａｇが燃料電池スタック２１から出力されるよう原燃料ガス、改質水およびエア（空気）の供給量を制御する。原燃料ガスの供給量の制御は、目標電流Ｉｔａｇに応じたガス流量を燃料利用率Ｕｆに基づいて増加側に補正した目標ガス流量Ｑｇｔａｇを設定し、流量センサ３８により検出されるガス流量Ｑｇが設定した目標ガス流量Ｑｇｔａｇに一致するようガスポンプ３５を制御することにより行なわれる。改質水の供給量の制御は、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣ（原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比）が予め定められた目標比ＳＣｔａｇに一致するよう目標改質水流量Ｑｗｔａｇを設定し、設定した目標改質水流量Ｑｗｔａｇの改質水が供給されるよう改質水ポンプ４３を制御することにより行なわれる。エアの供給量の制御は、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が予め定められた目標温度Ｔ４ｔａｇに一致するようフィードバック制御により目標エア流量Ｑａｔａｇを設定し、設定した目標エア流量Ｑａｔａｇのエアが供給されるようエアポンプ５３を制御することにより行なわれる。

発電処理を開始すると、システム停止が指示されるまで（ステップＳ１５０）、発電処理を実行し、システム停止が指示されると、発電処理を終了し、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が停止許可温度以下となるまで、高温雰囲気下において燃料電池スタック２１（電極）が酸化劣化しない程度の流量（一定流量）を目標ガス流量Ｑｇｔａｇに設定してガスポンプ３５を制御すると共に燃料電池スタック２１を冷却するのに必要な流量（一定流量）を目標エア流量Ｑａｔａｇに設定してエアポンプ５３を制御する（ステップＳ１６０〜Ｓ１８０）。停止許可温度は、例えば、ステップＳ１５０においてシステム停止が指示されたときに温度センサ９４により検出される温度Ｔ４に基づいて、温度Ｔ４が高いほど高くなる傾向に定められる。温度Ｔ４が停止許可温度以下になると、原燃料ガスの供給を停止し（ステップＳ１９０）、温度Ｔ４を停止時温度ＴｓｔｏｐとしてＲＡＭ８３あるいは不揮発性メモリに記憶して（ステップＳ２００）、運転制御ルーチンを終了する。なお、エアの供給停止は、原燃料ガスの供給停止と略同時に行なわれてもよいし、原燃料ガスが供給停止された後、温度Ｔ４が更に停止許可温度よりも低い温度まで下がるのを待ってから行なわれてもよい。

次に、ステップＳ１１０における起動処理について説明する。図３は、起動処理の一例を示すフローチャートである。起動処理では、ＣＰＵ８１は、まず、飽和吸着量に達するまで脱硫器３６に燃料成分を吸着させる燃料吸着処理を行なう。燃料吸着処理では、温度センサ９４からの温度Ｔ４や運転制御ルーチンのステップＳ２００で記憶した停止時温度Ｔｓｔｏｐなどの処理に必要なデータを入力し（ステップＳ３００）、入力した温度Ｔ４を起動時温度Ｔｓｔａｒｔに設定する（ステップＳ３１０）。続いて、入力した停止時温度Ｔｓｔｏｐに基づいて温度補正値δを設定し（ステップＳ３２０）、停止時温度Ｔｓｔｏｐに設定した温度補正値δを加えることにより停止時温度Ｔｓｔｏｐを補正した補正後停止時温度Ｔｓｔｏｐ’を設定する（ステップＳ３３０）。温度補正値δの設定は、停止時温度Ｔｓｔｏｐと温度補正値δとの関係を予め求めて温度補正値設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、停止時温度Ｔｓｔｏｐが与えられると、マップから対応する温度補正値δを導出することにより行なわれる。温度補正値設定用マップの一例を図４に示す。図示するように、温度補正値δは、停止時温度Ｔｓｔｏｐが高いほど大きくなるように定められる。したがって、補正後停止時温度Ｔｓｔｏｐ’には、停止時温度Ｔｓｔｏｐが高いほど大きな増加量で停止時温度Ｔｓｔｏｐを増加（補正）させた温度が設定されることになる。

次に、起動時温度Ｔｓｔａｒｔに基づいてシステム起動時の脱硫器３６における燃料成分の飽和吸着量（起動時飽和吸着量Ａｓｔａｒｔ）を設定すると共に（ステップＳ３４０）、補正後停止時温度Ｔｓｔｏｐ’に基づいてシステム停止時の脱硫器３６における燃料成分の飽和吸着量（停止時飽和吸着量Ａｓｔｏｐ’）を設定する（ステップＳ３５０）。起動時飽和吸着量Ａｓｔａｒｔ，停止時飽和吸着量Ａｓｔｏｐ’の設定は、燃料電池スタック２１の温度に相関する温度Ｔ４と脱硫器３６の飽和吸着量との関係を予め求めて飽和吸着量設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、起動時温度Ｔｓｔａｒｔまたは補正後停止時温度Ｔｓｔｏｐ’が与えられると、マップから対応する起動時飽和吸着量Ａｓｔａｒｔまたは停止時飽和吸着量Ａｓｔｏｐ’を導出することにより行なわれる。飽和吸着量設定用マップの一例を図５に示す。飽和吸着量は脱硫器３６の温度が低いほど大きくなるが、本実施形態では、脱硫器３６の温度を直接検出することはできない。一方、本実施形態では、脱硫器３６は発電モジュール２０と熱伝達可能に設置されているから、発電モジュール２０内に設置された温度センサ９４からの温度Ｔ４に基づいて脱硫器３６の温度を推定し、脱硫器３６の飽和吸着量を導出するものとした。

こうして起動時飽和吸着量Ａｓｔａｒｔと停止時飽和吸着量Ａｓｔｏｐ’とを設定すると、両者の差分（Ａｓｔａｒｔ−Ａｓｔｏｐ’）を脱硫器３６が燃料成分を吸着可能な吸着可能量ΔＡに設定し（ステップＳ３６０）、設定した吸着可能量ΔＡに基づいて供給時間ｔｒｅｆを設定する（ステップＳ３７０）。ここで、供給時間ｔｒｅｆは、脱硫器３６へ原燃料ガスを一定流量で供給した場合に脱硫器３６において燃料成分の吸着量が吸着可能量ΔＡに達するまでに要する所要時間であり、吸着可能量ΔＡを原燃料ガスの単位時間当たりの流量で除した値に基づいて決定される。したがって、原燃料ガスの供給量（一定流量）を予め定めておくことで、吸着可能量ΔＡに基づいて供給時間ｔｒｅｆを設定することができる。続いて、原燃料ガスの供給が開始されるよう目標ガス流量Ｑｇｔａｇに上記一定流量を設定してガスポンプ３５を制御すると共に（ステップＳ３８０）、タイマｔの計測を開始する（ステップＳ３９０）。タイマｔの計測を開始すると、タイマｔが供給時間ｔｒｅｆ以上となるのを待って（ステップＳ４００）、原燃料ガスの供給を停止する（ステップＳ４１０）。これにより、脱硫器３６には吸着可能量ΔＡに相当する量の燃料成分が吸着されて燃料成分の吸着が飽和状態に達することになる。

上述したように、本実施形態では、脱硫器３６の温度を直接検出することができないため、発電モジュール２０内に設置された温度センサ９４により検出される温度Ｔ４に基づいて脱硫器３６の飽和吸着量を推定するものとしている。しかしながら、システム停止に伴って原燃料ガスの供給が停止された直後は温度Ｔ４と脱硫器３６の実際の温度との間に比較的大きな乖離が生じており、脱硫器３６の温度は、図６に示すように、原燃料ガスの供給が停止された後、発電モジュール２０の余熱によって一時的に上昇し、その後、時間の経過と共に徐々に下降していく。こうした脱硫器３６の一時的な温度上昇は、システム停止の際に原燃料ガスの供給停止とエアの供給停止とを略同時に行なう場合により顕著に現れる。脱硫器３６の温度が一時的に上昇すると、飽和吸着量が一時的に減少するため、原燃料ガスの供給が停止される直前に飽和吸着量まで脱硫器３６に吸着されていた燃料成分の一部は、飽和吸着量の一時的な減少によって放出される。この場合において、起動時温度Ｔｓｔａｒｔから推定される起動時飽和吸着量Ａｓｔａｒｔと停止時温度Ｔｓｔｏｐから推定される停止時飽和吸着量Ａｓｔｏｐとの差分（Ａｓｔａｒｔ−Ａｓｔｏｐ、すなわち図５中、ΔＡ１）により吸着可能量ΔＡを設定すると、飽和吸着量の一時的な減少により脱硫器３６から放出される燃料成分の分（図５中、ΔＡ２）だけ吸着可能量ΔＡに不足が生じる。そして、不足した吸着可能量ΔＡにしたがって原燃料ガスの供給量が制御される結果、脱硫器３６への燃料成分の吸着が飽和状態に達することなく燃料吸着処理が終了し、その後の着火処理において供給した原燃料ガス中の燃料成分が脱硫器３６で吸着されて燃焼部２５へ供給される燃料が不足することで着火不良が生じる等、システム起動を正常に行なうことができないおそれが生じる。そこで、本実施形態では、こうした事情を考慮し、図５に示すように、停止時温度Ｔｓｔｏｐを温度補正値δだけ増加側に補正した補正後停止時温度Ｔｓｔｏｐ’を設定し、起動時温度Ｔｓｔａｒｔから推定される起動時飽和吸着量Ａｓｔａｒｔと補正後停止時温度Ｔｓｔｏｐ’から推定される停止時飽和吸着量Ａｓｔｏｐ’との差分（Ａｓｔａｒｔ−Ａｓｔｏｐ’、すなわち図５中、ΔＡ１＋ΔＡ２）を吸着可能量ΔＡに設定する。これにより、システム起動に際して、脱硫器３６において燃料成分の吸着が飽和状態に達するために必要な原燃料ガスを過不足なく供給することができ、システム起動を正常に行なうことができる。

なお、本願の発明者らは、システム停止に伴い原燃料ガスの供給を停止したときに温度センサ９４により検出される温度Ｔ４（停止時温度Ｔｓｔｏｐ）が高いほど温度Ｔ４と脱硫器３６の実際の温度との間に大きな乖離が生じ、原燃料ガスの供給を停止した後の脱硫器３６の一時的な温度上昇が大きくなることを見出した。このため、本実施形態では、ステップＳ３２０において、温度補正値δは、停止時温度Ｔｓｔｏｐが高いほど大きくなるように設定される。これにより、温度センサ９４を用いて吸着可能量ΔＡをより正確に推定することができる。

こうして燃料吸着処理を行なうと、燃焼部２５内をエアの供給によってパージするパージ処理（ステップＳ４２０）、燃焼部２５に燃料とエアとを供給してその混合ガスに着火する着火処理（ステップＳ４３０）、気化器２２へ改質水を供給して水蒸気を生成させて改質器２３において水蒸気改質を行なう水蒸気改質処理（ステップＳ４４０）を順に実行して、起動処理を終了する。

上述した実施形態では、２つの燃料電池スタック２１の間（燃料電池スタック２１の近傍）に設置された温度センサ９４により検出される温度Ｔ４に基づいて脱硫器３６の飽和吸着量を推定するものとした。しかし、これに限定されるものではなく、改質器２３に設置された温度センサ９１により検出される温度Ｔ１に基づいて推定してもよいし、燃焼排ガスが流れるガス通路に設置された温度センサ９８により検出される温度Ｔ８に基づいて推定してもよい。また、燃焼部２５に温度センサが設置される場合には、その温度センサにより検出される温度に基づいて推定してもよい。さらに、気化器２２に温度センサが設置される場合には、その温度センサに基づいて検出される温度に基づいて推定してもよい。このように、発電モジュール２０に設置されると共に脱硫器３６の温度と相関する温度を検出する温度センサであれば、如何なる温度センサにより検出される温度に基づいて推定するようにしてもよい。

実施形態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。実施形態では、燃料電池スタック２１が「燃料電池」に相当し、改質器２３が「改質部」に相当し、燃焼部２５が「燃焼部」に相当し、発電モジュール２０が「発電モジュール」に相当し、脱硫器３６が「脱硫器」に相当し、原燃料ガス供給装置３０が「原燃料ガス供給装置」に相当し、エア供給装置５０が「酸化剤ガス供給装置」に相当し、温度センサ９４が「温度センサ」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。

なお、実施形態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、実施形態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、実施形態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形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態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 原燃料供給源、２ 電力系統、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、１２ 筐体、１２ａ 吸気口、１２ｂ 排気口、１４ 換気ファン、２０ 発電モジュール、２１ 燃料電池スタック、２２ 気化器、２３ 改質器、２４ マニホールド、２５ 燃焼部、２６ 着火ヒータ、２７ 燃焼触媒、２８ 触媒ヒータ、２９ モジュールケース、３０ 原燃料ガス供給装置、３１ 原燃料ガス供給管、３２，３３ 開閉弁、３４ オリフィス、３５ ガスポンプ、３６ 脱硫器、３７ 圧力センサ、３８ 流量センサ、４０ 改質水供給装置、４１ 改質水供給管、４２ 改質水タンク、４３ 改質水ポンプ、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ エアポンプ、６０ 排熱回収装置、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 貯湯タンク、６４ 循環ポンプ、６６ 配管、６７ 燃焼排ガス排出管、７０ パワーコンディショナ、７２ 電源基板、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８４ タイマ、９１，９４，９８ 温度センサ。

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、原燃料ガスを水蒸気改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃料部と、を含む発電モジュールと、
   前記発電モジュールと熱伝達可能に設置され、前記原燃料ガスに含まれる硫黄成分を脱硫して前記改質部へ供給する脱硫器と、
   前記脱硫器へ前記原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池へ前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記発電モジュールに設けられた温度センサと、
   システム起動に際して、前記脱硫器への前記原燃料ガス中の燃料成分の吸着が飽和状態に達するように前記脱硫器へ前記原燃料ガスを供給する吸着処理を行なう制御装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、システム停止に際して前記原燃料ガスの供給を停止したときに前記温度センサにより検出される温度を停止時温度として記憶し、次回にシステム起動する際に前記温度センサにより検出される温度を起動時温度として、前記吸着処理において、前記起動時温度に基づいて推定される前記脱硫器の飽和吸着量と前記停止時温度を増加側に補正した補正後の停止時温度に基づいて推定される前記脱硫器の飽和吸着量との差分に基づいて前記脱硫器への前記原燃料ガスの供給量を制御する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記停止時温度が高いほど大きな増加量で前記停止時温度を補正した前記補正後の停止時温度を設定する、
   燃料電池システム。

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