JP4634071B2

JP4634071B2 - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP4634071B2
Application number: JP2004176886A
Authority: JP
Inventors: 悦朗坂田; 雅弘小川
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-06-15
Also published as: JP2006004654A

Description

本発明は、特に自動診断機能を有する燃料電池発電システムに関する。

近年、例えば都市ガスなどの原燃料から発電する燃料電池発電システムの開発が推進されている。燃料電池発電システムは、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素とを電気化学的に反応させて、直接的に電力を発生するものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる。また、燃料電池発電システムは、大気汚染物質の排出が少なく、騒音も小さいため、環境性に優れた発電システムである。

燃料電池発電システムの基本的構造は、燃料処理器及び燃料電池本体からなる。燃料処理器は、原燃料入口から導入された原燃料を改質して水素リッチガスを生成し、燃料電池本体に供給する。燃料電池本体は、燃料処理器から導入された当該水素リッチガスを燃料ガスとして使用することで発電する。燃料電池本体には、燃料ガスと電気化学的反応を行なうための酸化剤ガス、及び当該本体を冷却するための冷却水が導入される。

このような燃料電池発電システムにおいて、長時間運転による経時劣化等により燃料処理器が劣化すると、原燃料の改質効率が低下し、水素リッチガス中に含まれる水素濃度が低下する事態となる。この結果として、燃料電池本体に供給される水素ガス量が不足し、アノード側（マイナス電極）のカーボン腐食が生じることが確認されている。このカーボン腐食とは、水素が不足することで通常の燃料電池本体内の化学反応「Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ」の代りに、アノード極を形成するカーボン材が酸化剤ガスと反応する化学反応「Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２」の進行により生じる。

アノードのカーボン腐食が進行すると、燃料電池本体では急激な電圧低下を招くと共に、当該本体の寿命が大幅に低下する。先行技術として、運転中に燃料電池本体に供給される酸化剤ガス量または燃料ガスの一方、および酸化剤ガスへの加湿量等を一時的に変化させることで、燃料電池本体の性能劣化を一時的に回復させるという運転方法が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。しかしながら、燃料電池発電システムの健全性を積極的に診断することで、燃料電池本体の劣化を未然に防止するような方法は提案されていない。
特公平８−２４０５０号公報特開２００２−１４１０９０号公報

燃料電池発電システムの健全性を積極的に診断する方法として、燃料処理器の健全性を把握するために、燃料処理器で生成された燃料ガス組成をガスクロマトグラフィ等により定期的に測定する方法が有効と考えられる。

しかし、燃料電池発電システムが実用化されて普及が進んだ時に、各々の燃料電池発電システムにおいて燃料ガス組成の測定を実施することは困難であり、一般的に、燃料電池本体の電圧低下が生じるまで、燃料処理器の劣化を検知できない。

さらに、燃料電池発電システムを長期運転する際に、燃料電池発電システムを構成する燃料処理器等の機器に劣化が生じると、運転初期時の機器特性とは必ずしも一致しない。機器、装置の劣化を適切に検知できないため、ある程度のマージンをもたせた運転をせざるを得ないという課題があった。

本発明の目的は、燃料処理器等の機器の劣化を積極的に自動診断する機能を実現することにより、マージンの少ない高い効率での運転を可能とする燃料電池発電システムを提供することにある。

本発明の観点は、燃料処理器等の機器の劣化を自動診断する機能を実現して、当該診断結果に基づいて燃料などの供給を適合させる運転操作制御手段を有する燃料電池発電システムである。

本発明の観点に従った燃料電池発電システムは、原燃料供給源から供給された原燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体とを有する燃料電池発電システムにおいて、システムの運転中に、前記原燃料の流量設定値を増大させたときに、前記燃料電池本体の発電に伴なう電圧変化量を測定し、前記燃料電池本体に対して許容範囲の燃料ガスが供給されている場合での電圧変化量の最適値に相当する予め設定された基準値と前記電圧変化量の電圧上昇量とを比較判定する診断手段と、前記診断手段の診断結果に基づいて、前記電圧上昇量が前記基準値以上の場合には前記診断手段により増大された前記流量設定値を維持し、前記電圧上昇量が前記基準値未満の場合には前記診断手段により増大された前記流量設定値を元の値に戻すように前記流量設定値を制御する操作制御手段とを備えた構成である。

本発明の構成であれば、燃料電池発電システムにおいて、燃料処理器等の機器の劣化を自動診断し、当該診断結果を利用して燃料電池本体に対する燃料ガスの供給量を最適化して、マージンの少ない高い効率での運転操作を実現することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（燃料電池発電システムの構成）
図１は、各実施形態に関する燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。

本システムは、燃料ガスブロワ２と、燃料処理器３と、燃料電池本体４と、電圧検出器９と、制御装置１０とを有する。

燃料ガスブロワ２は、原燃料入口１から導入された原燃料１００を、燃料処理器３に供給する。原燃料１００は、例えば都市ガス（天然ガス）等である。燃料処理器３は、水（水蒸気）３００または空気（酸素）３１０を導入し、これらの一方または両方を使用して供給された原燃料１００を改質して水素リッチガス２００を生成する。

燃料電池本体４は、アノード（極）部４０に導入された水素リッチガス２００である燃料ガスと、酸化剤ガスブロワ５によってカソード（極）部４１に導入される酸化剤ガス４００との電気化学的反応により発電する。また、燃料電池本体４は、冷却部４２に導入される冷却水５００により冷却される。冷却水５００は、ラジエータ６においてラジエータ冷却ファン７によって冷却された後に、冷却水循環ポンプ８により燃料電池本体４に導入される。なお、アノード部４０及びカソード部４１からは、反応後の排ガス２１０，４１０がそれぞれ排出される。また、冷却部４２からは、冷却後の水５１０が排出される。

電圧検出器９は、燃料電池本体４の出力電圧を測定する。

制御装置１０は、コンピュータをメイン要素とし、燃料ガスブロワ２、酸化剤ガスブロワ５及び冷却水循環ポンプ８の回転数等を制御して、原燃料１００、酸化剤ガス４００及び冷却水５００の流量を調整する。さらに、制御装置１０は、電圧検出器９からの測定結果により燃料電池本体４の電圧変化を監視する。制御装置１０は、後述するように、燃料電池本体４の電圧検出結果に基づいて、燃料処理器３の劣化状態を自動診断し、かつ当該診断結果に基づいてシステムの最適な運転操作を制御する。

（第１の実施形態の作用効果）
図２は、本実施形態に関するシステムの動作を説明するためのフローチャートである。

制御装置１０は、図２に示すように、燃料電池発電システムの運転を開始し、その運転中に一定条件を満したときに、運転点診断処理を開始する（ステップＳ１のＹＥＳ，Ｓ２）。一定条件とは、例えば運転時間が１００時間経過した場合や、電圧検出器９により燃料電池本体４の電圧が許容範囲を超えて低下したような場合である。

制御装置１０は、燃料ガスブロワ２を制御して、原燃料１００の流量を増大させて、燃料ガス（水素ガス）の流量設定値を増大させる（ステップＳ３）。通常では、原燃料１００の流量を増大させると、燃料処理器３から燃料電池本体４のアノード部４０に供給される水素ガス量は増大する。

図３は、当該システムにおける燃料利用率と燃料電池本体４のセル電圧との関係を示す図である。セル電圧とは、燃料電池本体４を構成する各セル毎の出力電圧である。一般的に、燃料電池本体４に供給される水素ガス量が増大すると、セル電圧は上昇するが、十分な水素ガス量が供給されている状態（供給水素量が健全な状態）では、その電圧上昇量（Ｖｉとする）は低下する。換言すれば、図３に示すように、運転点Ａ２，Ｂ０，Ｂ１の領域では、燃料利用率に対する電圧上昇の感度は鈍く、電圧変化の程度が小さい。

一方、燃料処理器３の劣化などの要因により、アノード部４０に供給される水素ガス量が減少して、燃料電池本体４の燃料利用率が許容範囲より高くなり始めている状態では、供給水素量が健全である状態と比較して、電圧上昇量Ｖｉは大きくなる。換言すれば、図３に示すように、運転点Ａ０，Ａ１の領域では、燃料利用率に対する電圧上昇の感度が大きく、電圧変化の程度が大きくなる。

制御装置１０は、燃料ガス（水素ガス）の流量設定値を増大させる操作を実施することにより、結果として燃料電池本体４の燃料利用率を例えば５％程度下げる。制御装置１０は、電圧検出器９からの電圧検出値に基づいて、セル電圧の電圧上昇量Ｖｉを測定し、予め設定されている基準値Ｖsetと比較する（ステップＳ４，Ｓ５）。

この基準値Ｖsetは、流量パラメータにより異なる値であり、当該流量パラメータに対応するシステムの運転データに基づいて予め算出された最適値に相当する。流量パラメータとは、燃料ガス（水素ガス）流量、酸化剤ガス流量、冷却水流量などを意味する。ここでは、基準値Ｖsetは、燃料ガス（水素ガス）流量に対応する最適値であり、例えば０.１Ｖである。

制御装置１０は、電圧上昇量Ｖｉと基準値Ｖsetとの比較結果において、セル電圧の上昇量Ｖｉが基準値Ｖset（０.１Ｖ）以上の場合には、電圧変化の程度が許容範囲を超えて大きく、結果として、燃料電池本体４に供給される水素ガス量が不足気味の状態であると判断する（ステップＳ５のＹＥＳ）。

即ち、制御装置１０は、自動診断処理により、診断前の状態では、燃料処理器３の劣化などの要因により、燃料電池本体４に供給される水素ガス量が許容範囲より減少して、所定の出力電圧仕様に対する燃料電池本体４の燃料利用率が許容範囲を超えて高くなっていることを意味する診断結果を出力する。

この診断結果に基づいて、制御装置１０は、診断処理時に変更した燃料ガス量（水素ガス量）の流量設定値を増大した値で維持する（ステップＳ７）。これにより、図３に示すように、燃料電池本体に供給される水素が不足している状態（運転点Ａ０）にて運転されている場合には、十分な水素が供給されている状態（運転点Ａ２）に移行することができる。

一方、制御装置１０は、セル電圧の上昇量Ｖｉが基準値Ｖset（０.１Ｖ）未満の場合には、電圧変化の程度が小さく、結果として、燃料電池本体４には水素ガス量が十分に供給されている状態であると判断する（ステップＳ５のＮＯ）。この診断結果に基づいて、制御装置１０は、診断開始前に設定した元の流量設定値に戻す（ステップＳ６）。これにより、図３に示すように、供給水素量が健全な状態である例えば運転点Ｂ０またはＢ１での運転を維持することができる。

以上のような自動診断処理を繰り返し実行することにより、結果として、燃料電池本体４に十分な燃料ガス（水素ガス）を供給している健全な状態での運転を維持することができる。本実施形態の具体的効果は以下の通りである。

即ち、燃料処理器３の特性変化（劣化）等により燃料ガス中の水素濃度が低くなってくると、燃料電池本体４の燃料利用率が上昇し、アノード部４０にてカーボン腐食が生じる。このカーボン腐食が生じ始めると、燃料電池本体４の電圧が急激に低下し、かつ寿命が大幅に低下する。

そこで、本実施形態の自動診断及び運転操作により、運転中に燃料電池本体４の状態を監視し、結果として燃料電池本体４に十分な水素ガスを供給する正常な運転操作を実現できる。従って、アノード部４０でのカーボン腐食及び電圧低下を未然に抑制することが可能となる。
この操作は、システムの燃料ガスブロワ２の流量特性が初期より低下した場合等にも対応できる。要するに、燃料電池発電システムの状態変化に応じて、最適な燃料流量設定値に自動調整することができる。

（第２の実施形態）
次に、図３と共に、図５のフローチャートを参照して、第２の実施形態を説明する。なお、システムの構成は、図１に示すように、第１の実施形態の場合と同様である。

制御装置１０は、図５に示すように、燃料電池発電システムの運転を開始し、その運転中に一定条件を満したときに、運転点診断処理を開始する（ステップＳ１１のＹＥＳ，Ｓ１２）。一定条件とは、例えば運転時間が１００時間経過した場合である。

制御装置１０は、燃料ガスブロワ２を制御して、燃料ガス（水素ガス）の流量設定値を低下させる（ステップＳ１３）。通常では、燃料ガス流量を低下させると、燃料処理器３から燃料電池本体４のアノード部４０に供給される水素ガス量は減少する。

制御装置１０は、燃料ガス（水素ガス）の流量設定値を低下させる操作を実施することにより、結果として燃料電池本体４の燃料利用率を例えば５％程度上げる。制御装置１０は、電圧検出器９からの電圧検出値に基づいて、セル電圧の電圧低下量Ｖｄを測定し、予め設定されている基準値Ｖsetと比較する（ステップＳ１４，Ｓ１５）。

制御装置１０は、電圧低下量Ｖｄと基準値Ｖsetとの比較結果において、セル電圧の低下量Ｖｄが基準値Ｖset（例えば０.１Ｖ）以上の場合には、電圧低下が許容範囲を超えて、燃料電池本体４での燃料利用率が高くなっていると判断する（ステップＳ１５のＮＯ）。従って、これ以上、燃料流量を減少させることはできないため、制御装置１０は、診断開始前の流量設定値に戻す（ステップＳ１７）。

この診断結果に基づいて、制御装置１０は、燃料ガス量（水素ガス量）の流量設定値を診断前の相対的に大きい値に戻す。そして、前述の第１の実施形態での運転操作により、さらに流量設定値を増大させて、図３に示すように、燃料電池本体に供給される水素が不足している状態（運転点Ａ０）にて運転されている場合には、十分な水素が供給されている状態（運転点Ａ２）に移行することができる。

一方、制御装置１０は、セル電圧の低下量Ｖｄが基準値Ｖset（０.１Ｖ）未満の場合には、電圧変化の程度が小さく、結果として、燃料電池本体４には水素ガス量が十分に供給されている状態であると判断する（ステップＳ１５のＹＥＳ）。この診断結果に基づいて、制御装置１０は、診断開始時に設定した流量設定値を維持する（ステップＳ１６）。これにより、図３に示すように、供給水素量が健全な状態である例えば運転点Ｂ０またはＢ１での運転を維持することができる。

以上のような自動診断処理を繰り返し実行することにより、結果として、燃料電池本体４に十分な量の水素が供給されている状態（点Ｂ１）にて運転されている場合には、流量マージンの少ない運転点（点Ｂ０および点Ａ２）に移行することができる。また、燃料電池本体に供給される水素が不足している状態（点Ａ１）にて運転されている場合には、運転点Ａ１での運転を維持し、第１の実施形態での運転操作を組み合わせることより燃料電池本体に十分な量の水素が供給されている状態（点Ａ２）に移行することができる。

なお、本実施形態の運転点診断操作は、一定の運転経過時間毎に実施する。また、運転経過時間、流量設定値下げ操作による流量減少量、診断基準となる基準値Ｖsetについて、０．１Ｖは一例であり、実際には燃料電池発電システムの運転データに基づいた最適値を選択するものである。

本実施形態の具体的効果は以下の通りである。

燃料電池発電システムを長期運用する場合、装置、機器等の各々の劣化を適切に判断できないため、あらかじめ流量に一定のマージンをもたせて運転する必要があった。よって、本実施形態の自動診断及び操作制御を運転中に繰り返し実施することで、常に流量マージンの少ない最適な運転点でのシステム運用が可能となり、信頼性を低下させることなく、効率の向上が実現可能となる。

（第３の実施形態）
次に、第１の実施形態と同様の図２のフローチャート及び図４を参照して、第３の実施形態を説明する。なお、システムの構成は、図１に示すように、第１の実施形態の場合と同様である。図４は、燃料電池発電システムでの酸化剤ガス利用率と電池本体の電圧との関係を示す図である。

制御装置１０は、酸化剤ガスブロワ５を制御して、酸化剤ガス４００の流量設定値を増大させて、カソード部４１に供給される酸化剤ガス量を増大させる（ステップＳ３）。カソード部４１に供給する酸化剤ガス量を増大させた際に、図４に示すように、燃料電池本体４に十分な量の酸化剤ガスが供給されている状態では、酸化剤ガス利用率に対する電圧上昇の感度は鈍く（電圧上昇量Ｖｉは低い）、電圧変化の程度が小さい。

一方、酸化剤ガスブロワ５の劣化等により、カソード部４１に供給される酸化剤ガス量が減少して、燃料電池本体４の酸化剤ガス利用率が許容範囲より高くなり始めている状態では、酸化剤ガス量が健全である状態と比較して、電圧上昇の感度は大きくなる（電圧上昇量Ｖｉは大きくなる）。

制御装置１０は、酸化剤ガスの流量設定値を増大させる操作を実施することにより、結果として燃料電池本体４の酸化剤ガス利用率を例えば５％程度下げる。制御装置１０は、電圧検出器９からの電圧検出値に基づいて、セル電圧の電圧上昇量Ｖｉを測定し、予め設定されている基準値Ｖsetと比較する（ステップＳ４，Ｓ５）。

この基準値Ｖsetは、流量パラメータにより異なる値であり、当該流量パラメータに対応するシステムの運転データに基づいて予め算出された最適値に相当する。ここでは、基準値Ｖsetは、酸化剤ガス流量に対応する最適値であり、例えば０.０７Ｖである。

制御装置１０は、電圧上昇量Ｖｉと基準値Ｖsetとの比較結果において、セル電圧の上昇量Ｖｉが基準値Ｖset（０.０７Ｖ）以上の場合には、電圧変化の程度が許容範囲を超えて大きく、結果として、燃料電池本体４に供給される酸化剤ガス量が不足気味の状態であると判断する（ステップＳ５のＹＥＳ）。

即ち、制御装置１０は、自動診断処理により、診断前の状態では、酸化剤ガスブロワ５の劣化などの要因により、燃料電池本体４に供給される酸化剤ガス量が許容範囲より減少して、所定の出力電圧仕様に対する燃料電池本体４の酸化剤ガス利用率が許容範囲を超えて高くなっていることを意味する診断結果を出力する。

この診断結果に基づいて、制御装置１０は、診断処理時に変更した酸化剤ガス量の流量設定値を増大した値で維持する（ステップＳ７）。これにより、図４に示すように、燃料電池本体４に供給される酸化剤ガスが不足している状態（運転点Ｃ０）にて運転されている場合には、酸化剤ガス流量を増大させる。これにより、運転点Ｃ２での運転状態に移行することができる。

一方、制御装置１０は、セル電圧の上昇量Ｖｉが基準値Ｖset（０.０７Ｖ）未満の場合には、電圧変化の程度が小さく、結果として、燃料電池本体４には酸化剤ガス量が十分に供給されている状態であると判断する（ステップＳ５のＮＯ）。この診断結果に基づいて、制御装置１０は、診断開始前に設定した元の流量設定値に戻す（ステップＳ６）。これにより、図４に示すように、燃料電池本体４に供給される酸化剤ガス量が適切である健全な状態での運転点Ｄ０での運転を維持することができる。

なお、この運転点診断操作は、第１の実施形態と同様に、一定の運転経過時間、あるいは電圧の低下がみられた場合に実施する。なお、流量設定値上げ操作による流量増加量、診断基準となる基準値については一例であり、実際には燃料電池発電システムの運転データに基づいた最適値を選択するものである。

本実施形態の具体的効果は以下の通りである。

図１に示す酸化剤ガスブロワ５の特性低下（劣化）により、燃料電池本体４に対する酸化剤ガス流量が減少すると、燃料電池本体４の酸化剤ガス利用率が上昇し、電圧低下が生じる。本実施形態の自動診断及び運転操作により、運転中に燃料電池本体４の状態を監視し、結果として燃料電池本体４に十分な酸化剤ガスを供給する正常な運転操作を実現できる。すなわち、機器特性の状態変化に応じた酸化剤ガス流量設定値に自動調整することができる。

（第４の実施形態）
次に、図４と共に、図６のフローチャートを参照して、第４の実施形態を説明する。なお、システムの構成は、図１に示すように、第１の実施形態の場合と同様である。

制御装置１０は、図６に示すように、燃料電池発電システムの運転を開始し、その運転中に一定条件を満したときに、運転点診断処理を開始する（ステップＳ２１のＹＥＳ，Ｓ２２）。一定条件とは、例えば運転時間が１００時間経過した場合である。

制御装置１０は、酸化剤ガスブロワ５を制御して、酸化剤ガスの流量設定値を低下させる（ステップＳ２３）。この流量設定値を低下させる操作を実施することにより、結果として燃料電池本体４の燃料利用率を例えば５％程度上げる。制御装置１０は、電圧検出器９からの電圧検出値に基づいて、セル電圧Ｖ及び電圧低下量Ｖｄを測定し、予め設定されている基準値Ｖset及びＶset1と比較する（ステップＳ２４，Ｓ２５）。

制御装置１０は、電圧低下量Ｖｄと基準値Ｖsetとの比較結果において、セル電圧の低下量Ｖｄが基準値Ｖset（例えば０.０７Ｖ）以上で、かつセル電圧Ｖが基準値Ｖset1（例えば０．６Ｖ）未満の場合には、電圧低下が許容範囲を超えて、燃料電池本体４での酸化剤ガス利用率が高くなっていると判断する（ステップＳ２５のＮＯ）。従って、これ以上、酸化剤ガス流量を減少させることはできないため、制御装置１０は、診断開始前の流量設定値に戻す（ステップＳ２７）。

この診断結果に基づいて、制御装置１０は、酸化剤ガス量の流量設定値を診断前の値に戻す。そして、前述の第３の実施形態での運転操作により、さらに流量設定値を増大させる。

一方、制御装置１０は、セル電圧の低下量Ｖｄが基準値Ｖset（０.１Ｖ）未満で、かつセル電圧Ｖが基準値Ｖset1（０．６Ｖ）以上の場合には、電圧低下が許容範囲の場合には、電圧変化の程度が小さく、結果として、燃料電池本体４には酸化剤ガス量が十分に供給されている状態であると判断する（ステップＳ２５のＹＥＳ）。この診断結果に基づいて、制御装置１０は、診断開始時に設定した流量設定値を維持する（ステップＳ２６）。

以上のような自動診断処理を繰り返し実行することにより、結果として、燃料電池本体４に十分な量の水素が供給されている状態（運転点Ｄ１）にて運転されている場合には、流量マージンの少ない運転点（点Ｄ０）に移行することができる。また、燃料電池本体に供給される水素が不足している状態（点Ｃ１）にて運転されている場合には、当該運転点Ｃ１での運転を維持し、第３の実施形態での運転操作を組み合わせることより燃料電池本体に十分な量の酸化剤ガスを供給することができる。

なお、本実施形態の運転点診断操作は、一定の運転経過時間毎に実施する。また、運転経過時間、流量設定値下げ操作による流量減少量、診断基準となる基準値Ｖset及びＶset1について、０．０７Ｖ及び０．６Ｖは一例であり、実際には燃料電池発電システムの運転データに基づいた最適値を選択するものである。

また、本実施形態の具体的効果は、前述の第２の実施形態と同様である。

（参考例）
次に、第１及び第２の実施形態と同様に、図２及び図５のフローチャートを参照して、参考例を説明する。なお、システムの構成は、図１に示すように、第１の実施形態の場合と同様である。

参考例のシステムは、図２及び図５に示すように、第１及び第２の実施形態と同様の動作を実行するが、運転点診断での流量設定値の増大または低下を実施する際に、変更する設定流量パラメータとして燃料ガス流量または酸化剤ガス流量の代わりに冷却水量を使用する。

参考例の具体的効果は以下の通りである。

参考例の自動診断及び運転操作を繰り返し実施することにより、燃料電池本体４の電圧低下を未然に防止すると共に、冷却水循環ポンプ７の流量マージンを少なくすることができる。なお、参考例は、燃料電池本体４のための冷却機能として冷却水５００を使用する燃料電池発電システムに限らず、冷却機能に空気冷却を使用する燃料電池発電システムにも適用できる。

（第６の実施形態）
次に、第１及び第２の実施形態と同様に、図２及び図５のフローチャートを参照して、第６の実施形態を説明する。なお、システムの基本的構成は、図１に示すように、第１の実施形態の場合と同様である。但し、本実施形態のシステムでは、燃料処理器３は、水蒸気改質器またはオートサーマル改質器の一方及び一酸化炭素変成器を含む構成、あるいは水蒸気改質器またはオートサーマル改質器の一方を含む構成である。

ここで、燃料処理器３に含まれる改質器は、水蒸気（水３００）を使用して、燃料ガスから二酸化炭素と水素を生成する改質方式の水蒸気改質器、酸素（空気３１０）を使用して燃料ガスから一酸化炭素と水素を生成する改質方式の部分酸化改質器、及び水蒸気と酸素を使用するオートサーマル（ＡＴＲ）改質器に大別される。

本実施形態のシステムは、図２及び図５に示すように、第１及び第２の実施形態と同様の動作を実行するが、運転点診断での流量設定値の増大または低下を実施する際に、変更する設定流量パラメータとして燃料ガス流量または酸化剤ガス流量の代わりに、水蒸気改質器またはオートサーマル改質器、あるいは一酸化炭素変成器に供給する水蒸気（水）流量を使用する。

本実施形態の具体的効果は以下の通りである。

本実施形態の自動診断及び運転操作を繰り返し実施することにより、燃料処理器３に含まれる水蒸気改質器またはオートサーマル改質器の改質効率、あるいは一酸化炭素変成器の一酸化炭素除去率を一定値に保持することができる。また、水蒸気改質器またはオートサーマル改質器の一方、または一酸化炭素変成器に供給する水蒸気（水）流量マージンの少ない最適な運転点にて運用することができる。

（第７の実施形態）
次に、第１及び第２の実施形態と同様に、図２及び図５のフローチャートを参照して、第７の実施形態を説明する。なお、システムの基本的構成は、図１に示すように、第１の実施形態の場合と同様である。但し、本実施形態のシステムでは、燃料処理器３は、オートサーマル改質器または部分酸化改質器の一方及び一酸化炭素選択酸化器を含む構成、あるいはオートサーマル改質器または部分酸化改質器の一方を含む構成である。

本実施形態のシステムは、図２及び図５に示すように、第１及び第２の実施形態と同様の動作を実行するが、運転点診断での流量設定値の増大または低下を実施する際に、変更する設定流量パラメータとして燃料ガス流量の代わりに、オートサーマル改質器または部分酸化改質器、あるいは一酸化炭素選択酸化器に供給する酸化剤ガス（酸素）流量を使用する。

本実施形態の具体的効果は以下の通りである。

本実施形態の自動診断及び運転操作を繰り返し実施することにより、燃料処理器３に含まれるオートサーマル改質器または部分酸化改質器の改質効率、あるいは一酸化炭素選択酸化器の一酸化炭素除去率を一定値に保持することができる。また、酸化剤ガス流量マージンの少ない最適な運転点にて運用することができる。

（第８の実施形態）
次に、図７及び図８を参照して、第８の実施形態を説明する。なお、システムの基本的構成は、図１に示すように、第１の実施形態の場合と同様である。但し、本実施形態のシステムでは、電圧検出器９は、図７に示すように、燃料電池本体４に含まれる複数のサブスタック１１-1乃至１１-ｎの各出力電圧Ｖ1〜Ｖｎを検出する。または、当該電圧検出器９は、図８に示すように、燃料電池本体４のセルの上半分１２-１と下半分１２-２の各出力電圧Ｖａ，Ｖｂを検出する。

前述の第１から第７の各実施形態は、燃料電池本体４に対する燃料ガスなどの流量を変化させた時の電圧変化を検知することで、システムの運転点診断を実行する自動診断機能を備えたシステムに関するものである。

本実施形態のシステムでは、制御装置１０は、燃料ガスなどの流量を変化させた時の燃料電池本体４の電圧変化ではなく、電圧検出器９を使用して、図７に示すように、燃料電池本体４のサブスタック１１-１乃至１１-ｎ間の電圧Ｖ1〜Ｖｎのばらつきを検知する。または、制御装置１０は、電圧検出器９を使用して、図８に示すように、燃料電池本体４を構成するセルの上半分１２-１と下半分１２-２の各出力電圧Ｖａ，Ｖｂの電圧差を検知する。

このような電圧Ｖ1〜Ｖｎのばらつき又は電圧差を利用して、本実施形態のシステムは、前述したようなシステムの自動診断処理を実行する。

ここで、電圧ばらつきを算出する一例としては、下記式（１）または式（２）のような方法がある。

なお、本実施形態の具体的効果は、前述の第１の実施形態または第２の実施形態と同様である。

（第９の実施形態）
次に、図９のフローチャートを参照して、第９の実施形態を説明する。なお、システムの構成は、図１に示すように、第１の実施形態の場合と同様である。

本実施形態の制御装置１０は、電圧の回復度をパラメータとして、第１の実施形態と同様の自動診断及び運転操作を実行する。一般的に、燃料電池本体４は、運転中に一時的な酸化剤ガス４００の供給不足状態に陥り、その状態を経た後で、性能が向上することが確認されている。

以下、本実施形態のシステムの動作を具体的に説明する。

制御装置１０は、図９に示すように、燃料電池発電システムの運転を開始し、その運転中に一定条件を満したときに、運転点診断処理（電圧回復）を開始する（ステップＳ３１のＹＥＳ，Ｓ３２）。一定条件とは、例えば運転時間が１００時間経過した場合や、燃料電池本体４の出力電圧が基準より低下した場合、運転開始時のセル電圧もしくはサブスタック電圧のばらつきと比較して、１０％以上のセル電圧低下または１０％以上大きいサブスタック電圧のばらつきがみられた場合などである。

制御装置１０は、燃料電池本体４の電圧回復操作を実行して、当該本体４に含まれるセル電圧回復量を測定する（ステップＳ３３）。そして、制御装置１０は、セル電圧回復量と予め設定されている基準値Ｖset（例えば０.５ｍＶ）と比較する（ステップＳ３４）。

制御装置１０は、比較結果がセル電圧回復量が基準値Ｖset以下の場合には、前述の第１または第３の各実施形態のような運転点診断である流量設定値の増大を実行し、燃料流量設定値または酸化剤ガス流量設定値を上げる。

電圧回復操作を実行しても電圧回復量に変化がみられない場合は、制御装置１０は、流量設定値を保持する（ステップＳ３４のＮＯ，Ｓ３５）。本操作は一定の運転経過時間、あるいは電圧の低下が検知された場合に実施するものだが、電圧回復度の低下がみられた場合には、本操作および他のプロセスの運転点診断を一通り実施する（ステップＳ３４のＹＥＳ，Ｓ３６，Ｓ３７のＹＥＳ）。

ここで、電圧回復がみられない場合には、燃料電池発電システムの一部に異常があると診断し、制御装置１０は、警報を通知する処理に移行する（ステップＳ３７のＮＯ）。

なお、運転経過時間、流量設定値上げ操作による流量増加量、電圧回復量の平均値を求める際の燃料流量設定値上げ操作の回数、診断基準となる電圧回復量Ｖsetは、本実施形態では一例を示すものであり、実際には燃料電池発電システムの運転データに基づいた最適値が選択される。なお、本実施形態の具体的効果は、第１または第３の各実施形態と同様である。

第１乃至第９の各実施形態は、燃料処理器３を備えた燃料電池発電システムにおける自動診断機能に関するものであるが、純水素を原燃料とした燃料電池発電システムにも適用することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の各実施形態に関する燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。第１、第３、第５から第７の実施形態に関する燃料電池発電システムの動作を説明するためのフローチャート。各実施形態に関する燃料電池発電システムでの燃料利用率と電池本体の電圧との関係を示す図。各実施形態に関する燃料電池発電システムでの酸化剤ガス利用率と電池本体の電圧との関係を示す図。第２の実施形態に関する燃料電池発電システムの動作を説明するためのフローチャート。第４の実施形態に関する燃料電池発電システムの動作を説明するためのフローチャート。第８の本実施形態に関する燃料電池本体の電圧計測構成図。第８の実施形態に関する燃料電池本体の電圧計測構成図。第９の実施形態に関する燃料電池発電システムの動作を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１…原燃料入口、２…燃料ガスブロワ、３…燃料処理器、４…燃料電池本体、
５…酸化剤ガスブロワ、６…ラジエータ、７…ラジエータファン、
８…冷却水循環ポンプ、９…電圧検出器、１０…制御装置、
１１-１〜１１−n…燃料電池本体サブスタック、
１２-１，１２-２…燃料電池本体のセルの上下部分。

Claims

原燃料供給源から供給された原燃料を改質して燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体とを有する燃料電池発電システムにおいて、
システムの運転中に、前記原燃料の流量設定値を増大させたときに、前記燃料電池本体の発電に伴なう電圧変化量を測定し、前記燃料電池本体に対して許容範囲の燃料ガスが供給されている場合での電圧変化量の最適値に相当する予め設定された基準値と前記電圧変化量の電圧上昇量とを比較判定する診断手段と、
前記診断手段の診断結果に基づいて、前記電圧上昇量が前記基準値以上の場合には前記診断手段により増大された前記流量設定値を維持し、前記電圧上昇量が前記基準値未満の場合には前記診断手段により増大された前記流量設定値を元の値に戻すように前記流量設定値を制御する操作制御手段と
を具備したことを特徴とする燃料電池発電システム。
前記診断手段は、前記原燃料の流量設定値を低下させたときに、前記基準値と前記電圧変化量の電圧低下量とを比較し、
前記操作制御手段は、前記診断手段の比較結果に基づいて、前記電圧低下量が前記基準値未満の場合には前記診断手段により低下された前記流量設定値を維持し、前記電圧低下量が前記基準値以上の場合には前記診断手段により低下された前記流量設定値を元の値に戻すように前記流量設定値を制御する制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
前記原燃料の流量設定値に代えて、前記酸化剤ガスの流量設定値を使用することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
前記燃料処理器は、水又は水蒸気を使用して前記原燃料の改質処理を行なう改質器を有し、
前記原燃料の流量設定値に代えて、前記水又は水蒸気の流量設定値を使用することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
前記燃料処理器は、酸化剤ガスを使用して前記原燃料の改質処理を行なう部分酸化改質器を有し、
前記水又は水蒸気の流量設定値の代りに、前記酸化剤ガスの流量設定値を使用することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
前記燃料電池本体を構成するセルの上半分と下半分の各電圧を検出する電圧検出手段を有し、
前記電圧上昇量の代わりに、前記電圧検出手段からの検出結果に基づいて前記各電圧差の減少量を使用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
前記燃料電池本体を構成するセルの上半分と下半分の各電圧を検出する電圧検出手段を有し、
前記電圧低下量の代わりに、前記電圧検出手段からの検出結果に基づいて前記各電圧差の増加量を使用することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
前記診断手段は、システムの運転時間が一定時間を経過した場合、または、前記燃料電池本体の出力電圧が基準値より低下したことが検知された場合に診断動作を開始するように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
前記診断手段は、前記燃料電池本体の出力電圧が基準値より低下したことが検知された場合に、前記燃料電池本体の出力電圧を基準値まで回復させる電圧回復操作を実行し、当該電圧回復量が基準値より減少した場合に、診断動作を開始するように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
前記診断手段は、システムの運転時間が一定時間を経過した場合に、前記燃料電池本体の出力電圧を基準値まで回復させる電圧回復操作を実行し、当該電圧回復量が基準値より減少した場合に、診断動作を開始するように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。