JP4870909B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され且つ酸素極に酸素含有ガスが供給されて発電するように構成された燃料電池発電部と、
前記燃料極に供給される燃料ガスに酸素含有ガスを添加する酸素含有ガス添加手段とが設けられた燃料電池発電装置に関する。
かかる燃料電池発電装置は、燃料極に燃料ガスを供給し、酸素極に酸素含有ガスを供給して発電させるものである。そして、燃料極に供給される燃料ガスに一酸化炭素が含まれている場合や、燃料極等で一酸化炭素が生成される場合があり、そのようにして存在することになる一酸化炭素により電極触媒が被毒すると、発電性能が低下することにより耐久性が低下するので、燃料極に供給する燃料ガスに酸素含有ガス添加手段にて酸素含有ガスを添加して、燃料ガスと酸素含有ガスとが混合された混合ガスを燃料極に供給するようにして、その酸素含有ガス中の酸素により、燃料ガスに含まれる一酸化炭素や燃料極等で生成される一酸化炭素を酸化することにより一酸化炭素を除去して、電極触媒の一酸化炭素被毒を抑制するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
上述の一酸化炭素により電極触媒が被毒すると発電性能が低下する点について説明を加えると、燃料極の電極触媒に一酸化炭素が吸着して電極触媒が被毒すると、燃料極での発電反応が阻害されて燃料極の電位が高くなるので、燃料極と酸素極との間の電極間電位差が低下して発電性能が低下するのである。
又、燃料ガスに一酸化炭素が含まれる点について説明を加えると、炭化水素系の原燃料を水蒸気により水素ガスを主成分とするガスに改質処理して、前記燃料電池発電部に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部を設ける場合があり、そのように炭化水素系の原燃料を水蒸気により改質処理した改質ガスには一酸化炭素が含まれることから、燃料ガスに一酸化炭素が含まれることになる。
又、燃料極等で一酸化炭素が生成される点について説明を加えると、燃料ガス中に水素の他に二酸化炭素が含まれていると、燃料極等において、水素と二酸化炭素が反応して一酸化炭素と水が発生する反応が起こり、燃料極等で一酸化炭素が生成されるのである。
前記特許文献１には明確には記載されていないが、従来の燃料電池発電装置では、燃料極に燃料ガスを供給して燃料電池発電部を運転する燃料電池発電部の運転中は、酸素含有ガス添加手段により、常時、燃料極へ供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加する酸素含有ガスの比率である酸素含有ガス添加比率を一定に維持する状態で、燃料極へ供給される燃料ガスに酸素含有ガスを添加するようになっていた。
特表平９−５０４９０１号公報
しかしながら、本願発明の発明者らは、従来のように、酸素含有ガス添加手段により、燃料電池発電部の運転中は燃料極へ供給される燃料ガスに常時酸素含有ガスをその酸素含有ガス添加比率を一定に維持する状態で添加するようにすると、十分に電極触媒の一酸化炭素被毒を抑制することができなくて耐久性が低下したり、酸素含有ガスを添加したことにより却って燃料電池発電部の発電効率が低下すると共に、燃料極の電極触媒が劣化して耐久性が低下するという問題があることを見出した。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電効率の低下を抑制しながら耐久性を向上し得る燃料電池発電装置を提供することにある。
本発明の燃料電池発電装置は、燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され且つ酸素極に酸素含有ガスが供給されて発電するように構成された燃料電池発電部と、
炭化水素系の原燃料と水蒸気とを改質器バーナの加熱により改質反応させて水素ガスを主成分とするガスを生成する改質器を備えて、前記燃料電池発電部に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、
前記燃料ガス生成部にて生成されて前記燃料極に供給される燃料ガスに酸素含有ガスを添加する酸素含有ガス添加手段とが設けられ、
前記改質器バーナに、前記燃料極から排出された燃料極側排ガスを導く燃料極側排ガス路が接続された燃料電池発電装置であって、
その第１〜第６特徴構成における共通構成は、前記燃料極へ供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加する酸素含有ガスの量の比率である酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足される状態となると増大するように、前記酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量を変更する制御手段が設けられている点を特徴とする。
即ち、制御手段により、酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足される状態になると増大するように、酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量が変更されることから、比率増大条件として、その比率増大条件が満足される状態となって酸素含有ガス添加比率を増大させると発電効率を向上すると共に燃料極の電極触媒の一酸化炭素被毒を抑制することができるような条件に設定することにより、発電効率の低下を抑制しながら耐久性を向上することが可能になる。
つまり、本願発明の発明者らは種々検証を行って、従来のように、燃料電池発電部の運転中は常時酸素含有ガスを一定の酸素含有ガス添加比率で燃料ガスに添加すると、発電効率が低下すると共に耐久性が低下し、一方、酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足される状態になると増大するようにすると、発電効率の低下を抑制しながら耐久性を向上することが可能になることを見出した。
以下、上記の検証結果を図４ないし図７に基づいて説明を加える。
尚、この検証試験における燃料電池発電装置の運転条件は以下の通りである。
セルの面積：５ｃｍ×５ｃｍ
燃料ガス：水素ガスと二酸化炭素ガスの混合ガス。一酸化炭素の影響を検証するために、一酸化炭素ガスを混合させないものや、所定の濃度で一酸化炭素ガスを混合させたものを用いた。
酸素極に供給する反応用の酸素含有ガス：空気
燃料利用率：８０％
酸素利用率：５０％
セルの温度：７０°Ｃ
反応用空気及び燃料ガスの加湿条件：飽和加湿
電流密度：３０００Ａ／ｍ2
図４は、燃料極に燃料ガスを供給し且つ酸素極に酸素含有ガスを供給して燃料電池発電部にて発電させたときの１枚のセルの電圧（以下、単セル電圧と称する場合がある）の経時変化を示し、図中の「黒塗り線及び●」は、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍの燃料ガスを、酸素含有ガスを添加することなく燃料極に供給して発電させたときの単セル電圧の経時変化を示し、図中の「白抜き線及び○」は、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍの燃料ガスを、その燃料ガスの量に対して１％の量の空気を酸素含有ガスとして常時添加する状態で、燃料極に供給して発電させたときの単セル電圧の経時変化を示す。ちなみに、燃料ガス中の一酸化炭素濃度として、１０ｐｐｍは、燃料電池発電装置が通常に適正に運転されている状態のときの通常の値であり、運転状態が変動すると一酸化炭素濃度が例えば１００ｐｐｍのように１０ｐｐｍよりも高くなる。
「黒塗り線及び●」にて示すように、酸素含有ガスを添加しない場合は、運転時間の経過に伴って徐々に単セル電圧が低下し、約１６０００時間を過ぎると単セル電圧が急激に低下した。又、約２００００時間を経過して単セル電圧の低下が急激な状態のときに、供給する燃料ガスを一酸化炭素を含有しないものに切り換えると、単セル電圧が約５３０ｍＶから約６５０ｍＶに約１２０ｍＶ上昇し、単セル電圧の低下が耐一酸化炭素被毒性の低下によるものであることが分かる。
一方、「白抜き線及び○」にて示すように、酸素含有ガスを添加する場合は、１８０００時間が経過すると単セル電圧が急激に低下して、単セル電圧が急激に低下するまでの時間が酸素含有ガスを添加しない場合に比べて延びるものの、運転時間の経過の伴う単セル電圧の低下は、酸素含有ガスを添加しない場合に比べて大きく、単セル電圧が燃料電池の出力電圧として必要な所定の下限単セル電圧（例えば、図４では６５０ｍＶ）以上に維持される状態で運転可能な時間が短くなり、耐久性が低下することが分かる。又、約１９０００時間を経過して単セル電圧の低下が急激な状態のときに、供給する燃料ガスを一酸化炭素を含有しないものに切り換えると、単セル電圧が約５７５ｍＶから約６２０ｍＶに約４５ｍＶ上昇した。
つまり、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍの燃料ガスに対して、その燃料ガスの量に対する比率が１％の量の空気を酸素含有ガスとして常時添加する状態では、酸素含有ガスが燃料ガス中の一酸化炭素を酸化するには過剰であることから、燃料ガス中の水素が触媒燃焼して電極触媒が劣化し、耐久性が低下するものと考えられる。
又、単セル電圧の低下が急激な状態になっているときに燃料極に供給する燃料ガスを一酸化炭素を含有するものから一酸化炭素を含有しないものに切り換えたときの単セル電圧の上昇量は、酸素含有ガスを添加していたものの方が酸素含有ガスを添加していなかったものよりも小さくて、酸素含有ガスを添加していたものの方が性能回復の程度が小さいことから、酸素含有ガスを常時一定の酸素含有ガス添加比率で添加すると、耐一酸化炭素被毒性が低下して、耐久性が一層低下するものと考えられる。
又、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ程度と低く、燃料電池発電装置が通常に適正に運転されている状態のときの通常の値のときは、燃料ガスに酸素含有ガスを添加しなくとも、耐久性はそれ程低下しないことが分かった。
又、図４の「◆」は、一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍの燃料ガスを、酸素含有ガスを添加することなく燃料極に供給して発電させたときの単セル電圧の経時変化を示し、「◇」は、一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍの燃料ガスを、その燃料ガスの量に対して１％の量の空気を酸素含有ガスとして常時添加する状態で、燃料極に供給して発電させたときの単セル電圧の経時変化を示す。
「◆」にて示すように、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍと高いときに、酸素含有ガスを添加しない場合は、図４の「黒塗り線及び●」にて示す一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍと低い場合に比べて、運転開始時の単セル電圧が約５０ｍＶ程度低く、しかも、運転時間の経過に伴う単セル電圧の低下率が大きく、約２０００時間を経過した時点で単セル電圧が急激に低下した。又、単セル電圧の低下が急激な状態のときに、供給する燃料ガスを一酸化炭素を含有しないものに切り換えると、単セル電圧が約４５０ｍＶから６２０ｍＶに１７０ｍＶ上昇し、単セル電圧の低下が耐一酸化炭素被毒性の低下によりものであることが分かる。
一方、「◇」にて示すように、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍと高いときでも、酸素含有ガスを添加する場合は、運転開始時の単セル電圧は一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍと低い場合と同程度に高くなり、しかも、酸素含有ガスを添加しない場合に比べて、運転時間の経過に伴う単セル電圧の低下率が小さく、又、約９０００時間を経過した時点で単セル電圧が急激に低下することから、単セル電圧が急激に低下するまでの時間が酸素含有ガスを添加しない場合に比べて延びた。又、単セル電圧の低下が急激な状態のときに、供給する燃料ガスを一酸化炭素を含有しないものに切り換えると、単セル電圧が約４１０ｍＶから６２０ｍＶに約２１０ｍＶ上昇した。
一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍと高い燃料ガスを燃料極に供給して発電させて、単セル電圧の低下が急激な状態になって耐久性が低下した時点で、燃料極に供給する燃料ガスを一酸化炭素を含有するものから一酸化炭素を含有しないものに換えたときの単セル電圧の上昇量は、酸素含有ガスを添加していたものの方が酸素含有ガスを添加していなかったものよりも大きいことから、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高い場合に、その燃料ガスに酸素含有ガスを添加して燃料極に供給すると、耐一酸化炭素被毒性が向上して、耐久性が向上していることが分かる。
つまり、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍと高いときに、酸素含有ガスを添加しない場合は、単セル電圧が低くなると共に耐久性の低下が著しく、一方、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍと高いときでも、その燃料ガスの量に対する比率が１％の量の空気を酸素含有ガスとして添加すると、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍと低い場合と同等の単セル電圧が得られると共に、耐久性の低下を酸素含有ガスを添加しないときよりも抑制することができることが分かる。
図５及び図６は、燃料極に燃料ガスを供給し且つ酸素極に酸素含有ガスを供給して発電させたときの単セル電圧の経時変化を示し、図５は、酸素含有ガスを添加しない状態で、燃料極に供給する燃料ガスを一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍものと１０ｐｐｍのものとに所定周期（５０時間）で切り換えたときの、単セル電圧の経時変化を示し、図６は、一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍの燃料ガスを供給するときにその燃料ガスの量に対して１％の量の空気を酸素含有ガスとして添加する状態で、燃料極に供給する燃料ガスを一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍものと１０ｐｐｍのものとに前記所定周期で切り換えたときの、単セル電圧の経時変化を示す。
図５及び図６に示すように、燃料極に供給する燃料ガスを一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍものと１０ｐｐｍのものとに前記所定周期で切り換える場合、一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍの燃料ガスを供給するときに、一酸化炭素を十分に酸化可能な酸素含有ガス添加すると、酸素含有ガスを常時添加しない場合に比べて、時間経過に伴う単セル電圧の低下率が小さくなることが分かる。
従って、図４ないし図６に示す検証結果から、以下のことが分かる。
即ち、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度は一定ではなく、運転状態の変動等により変動するのが通常であるので、従来のように、酸素含有ガス添加比率として、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高いときでも一酸化炭素を十分に酸化可能な値に設定して、燃料電池発電部の運転中は常時酸素含有ガスを一定の酸素含有ガス添加比率で燃料ガスに添加すると、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が低い通常のときは、酸素含有ガスが過剰となるため、燃料ガス中の水素の一部が燃料極の電極触媒の作用により触媒燃焼して発電効率が低下すると共に、そのように燃料ガス中の水素の一部が触媒燃焼することにより、電極触媒の温度が上昇して電極触媒が不可逆的に劣化し、燃料電池発電部の出力電圧が低下したり耐一酸化炭素被毒性（一酸化炭素被毒に対する耐性）が低下して、耐久性が低下することになる。
又、従来のように、燃料電池発電部の運転中は常時酸素含有ガスを一定の酸素含有ガス添加比率で燃料ガスに添加する場合に、酸素含有ガスが過剰となることによる発電効率の低下及び電極触媒の劣化を抑制するために、燃料極へ供給される燃料ガスへの酸素含有ガスの添加量を少なくして酸素含有ガス添加比率を小さくすることが考えられるが、この場合、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなったときには、一酸化炭素を十分に酸化することができなくなって、電極触媒が劣化して耐久性が低下し、しかも、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高い状態で発電することになるため、燃料極の電位が上昇して、電極触媒に用いられている触媒金属が酸化したり溶出し、不可逆的に燃料極の耐一酸化炭素被毒性が低下するので、電極触媒が一酸化炭素被毒の影響を受け易くなって電極触媒の劣化が進行して、耐久性が一層低下することになる。
尚、燃料極の耐一酸化炭素被毒性が上述の如く低下する点について補足説明すると、一般に、燃料極の電極触媒には、白金に加えて、一酸化炭素被毒の影響を受け難いルテニウムを混合させているが、ルテニウムは白金に比べて酸化し易いことから、燃料極の電位が上昇すると、ルテニウムが酸化したり溶出して、燃料極の耐一酸化炭素被毒性が低下するのである。
そして、燃料極へ供給される燃料ガスへの酸素含有ガスの添加量を少なくして酸素含有ガス添加比率を小さくする状態において、比率増大条件を、燃料極の電極触媒が一酸化炭素により被毒し易くなる状態になることに対応して設定し、その比率増大条件が満足されると酸素含有ガス添加比率を増大するようにすると、発電効率の低下を抑制しながら耐久性を向上することが可能になることが分かる。
図７中の「黒塗り線」は、一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍの燃料ガスを酸素含有ガスを添加することなく燃料極に供給して発電させたときの単セル電圧の経時変化を示し、図７中の「白抜き線」は、燃料電池発電部の実運転経過がある程度経過するまでの間は、一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍの燃料ガスを酸素含有ガスを添加することなく燃料極に供給し、実運転経過がある程度経過すると、一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍの燃料ガスをその燃料ガスの量に対して１％の量の空気を酸素含有ガスとして常時添加する状態で燃料極に供給して発電させたときの単セル電圧の経時変化を示す。
燃料ガスをそれに酸素含有ガスを添加することなく燃料極に供給して発電させた場合は、実運転時間が約１２０００時間に達すると、単セル電圧の低下率が急激に大きくなるが、燃料ガスをそれに素含有ガスを添加することなく燃料極に供給して発電させていても、そのように単セル電圧の低下率が急激に大きくなる前に、燃料ガスにその燃料ガス中の一酸化炭素を十分に酸化することができる量の酸素含有ガスを添加すると、単セル電圧が６６０ｍＶから約６７５ｍＶに約１５ｍＶ上昇すると共に、それ以降の単セル電圧の低下率が酸素含有ガスを添加しない場合に比べて小さくなり、耐久性が向上していることが分かる。
上述のように、比率増大条件を燃料極の電極触媒が一酸化炭素により被毒し易くなる状態になることに対応して設定した場合は、以下の作用効果を奏する。
即ち、燃料極の電極触媒が一酸化炭素により被毒し難くて、比率増大条件が満足されない状態のときは、燃料ガスに酸素含有ガスを添加しない状態で、又は、燃料ガスに小さい酸素含有ガス添加比率にて酸素含有ガスを添加する状態で運転するので、酸素含有ガスが燃料ガス中の一酸化炭素を酸化するには過剰となるのを抑制して、酸素含有ガスが過剰になることによる発電効率の低下及び電極触媒の劣化を抑制することが可能となり、燃料極の電極触媒が一酸化炭素により被毒し易くなって、比率増大条件が満足される状態になると、燃料ガスに酸素含有ガスを添加しない状態から添加する状態に切り換えて、又は、酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足されない状態のときから増大して運転するので、酸素含有ガスが過剰となるのを十分に抑制しながら燃料ガス中の一酸化炭素を十分に酸化して電極触媒の一酸化炭素被毒を十分に抑制することが可能になって耐久性を向上することが可能になる。
燃料電池発電装置の第１特徴構成は、上記共通構成に加えて、
前記比率増大条件が、前記燃料極に供給される燃料ガス中の水素の量に対するその燃料ガス中の水素のうち前記燃料極にて発電に使用される量の比率である燃料利用率が高くなる条件である点を特徴とする。
即ち、燃料利用率が高くなって、比率増大条件が満足される状態になると、酸素含有ガス添加比率を増大するように、酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量が変更される。
つまり、燃料利用率が高くなるほど、燃料極を通流している燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなるので、燃料極の電極触媒の一酸化炭素被毒が起こり易くなる。このような燃料利用率が高くなる条件は、燃料極の電極触媒が一酸化炭素により被毒し易くなる状態になることに対応して設定する場合の比率増大条件の一例である。
そして、燃料利用率が低くて、比率増大条件が満足されない状態のときは、燃料ガスに酸素含有ガスを添加しない状態で、又は、燃料ガスに小さい酸素含有ガス添加比率にて酸素含有ガスを添加する状態で運転するので、酸素含有ガスが燃料ガス中の一酸化炭素を酸化するには過剰となるのを抑制して、酸素含有ガスが過剰になることによる発電効率の低下及び電極触媒の劣化を抑制することが可能となり、燃料利用率が高くなって、比率増大条件が満足される状態になると、燃料ガスに酸素含有ガスを添加しない状態から添加する状態に切り換えて、又は、酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足されない状態のときから増大して運転するので、酸素含有ガスが過剰となるのを十分に抑制しながら燃料ガス中の一酸化炭素を十分に酸化して電極触媒の一酸化炭素被毒を十分に抑制することが可能になって耐久性を向上することが可能になる。
以下、燃料利用率が高くなる具体的条件について、説明を加える。
即ち、燃料極へ供給される燃料ガス中の水素濃度が低くなったり、燃料極への燃料ガス供給量の調節のバラツキ等により燃料極への燃料ガス供給量が少なくなると、燃料利用率が高くなることになる。
そして、燃料利用率が高くなると、燃料ガス中に残留する水素量が少なくなるので、燃料極を通流する燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなり、下記のように、発電出力の増大途中、発電出力増大直後、発電出力の減少途中、及び、発電出力減少直後は、燃料利用率が高くなることになって、一酸化炭素被毒の影響が顕著となる。
以下、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなる具体的条件について、説明を加える。
即ち、かかる燃料電池発電装置においては、通常、炭化水素系の原燃料を水蒸気により水素ガスを主成分とするガスに改質処理して、燃料電池発電部に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部を設ける。
そして、燃料ガス生成部を設けて、電力負荷の変動に対応して燃料電池発電部の発電出力を変更調整する負荷追従運転を行う場合、発電出力を上昇させるために燃料ガスの生成量を増加させるときは、原燃料の供給量の増加に対して水蒸気生成量の増加が遅れて、水蒸気が少ない状態で運転されるので、生成される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなり易く、発電出力の増大途中や、発電出力増大直後は、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなる。
又、発電出力を減少させるときは、水蒸気不足にはなり難いものの、原燃料供給量の減少調節、及び、水蒸気生成用の原料水の供給量の減少調節が実行され、その際、それらのバランスがずれて水蒸気が少ない状態で運転される場合があり、発電出力の減少途中や、発電出力減少直後は、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなる場合がある。
要するに、燃料利用率の変動に拘らず、発電効率の低下を抑制しながら耐久性を向上することができるようになった。
燃料電池発電装置の第２特徴構成は、上記共通構成に加えて、
前記比率増大条件が、前記燃料電池発電部の発電出力が増大する条件である点を特徴とする。
即ち、燃料電池発電部の発電出力が増大して、比率増大条件が満足される状態になると、酸素含有ガス添加比率を増大するように、酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量が変更される。
つまり、先に第１特徴構成について説明する欄で記載したように、かかる燃料電池発電装置においては、通常、燃料ガス生成部を設けるものであり、そのように燃料ガス生成部を設けて負荷追従運転を行う場合、発電出力の増大時に、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなり易くなる。このような燃料電池発電部の発電出力が増大する条件は、燃料極の電極触媒が一酸化炭素により被毒し易くなる状態になることに対応して設定する場合の比率増大条件の一例である。
そして、発電出力を変化させないとき又は減少させるときで、比率増大条件が満足されない状態のときは、燃料ガスに酸素含有ガスを添加しない状態で、又は、燃料ガスに小さい酸素含有ガス添加比率にて酸素含有ガスを添加する状態で運転するので、酸素含有ガスが燃料ガス中の一酸化炭素を酸化するには過剰となるのを抑制して、酸素含有ガスが過剰になることによる発電効率の低下及び電極触媒の劣化を抑制することが可能となり、発電出力を上昇させるときで、比率増大条件が満足される状態になると、燃料ガスに酸素含有ガスを添加しない状態から添加する状態に切り換えて、又は、酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足されない状態のときから増大して運転するので、酸素含有ガスが過剰となるのを十分に抑制しながら燃料ガス中の一酸化炭素を十分に酸化して電極触媒の一酸化炭素被毒を十分に抑制することが可能になって耐久性を向上することが可能になる。
従って、負荷追従運転をする場合にも、発電効率の低下を抑制しながら耐久性を向上することができるようになった。
従って、発電効率及び耐久性を一層向上することができるようになった。
燃料電池発電装置の第３特徴構成は、上記共通構成に加えて、
前記燃料極に供給される燃料ガス中の水素濃度又は前記燃料極から排出される燃料極側排ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段が設けられ、
前記比率増大条件が、前記水素濃度検出手段にて検出される水素濃度が設定水素濃度以下になる条件である点を特徴とする。
即ち、水素濃度検出手段により、燃料極に供給される燃料ガス中の水素濃度又は燃料極から排出される燃料極側排ガス中の水素濃度が検出され、その水素濃度検出手段にて検出される水素濃度が設定水素濃度以下になって、比率増大条件が満足される状態になると、酸素含有ガス添加比率を増大するように、酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量が変更される。
つまり、燃料利用率が高くなるほど、燃料極の電極触媒の一酸化炭素被毒が起こり易くなり、その燃料利用率は、燃料極に供給される燃料ガス中の水素濃度又は燃料極から排出される燃料極側排ガス中の水素濃度が低くなるほど高くなる。
そして、燃料利用率が高くなると酸素含有ガス添加比率を増大するようにするに当たって、前述の如き水素濃度検出手段を設けて、その水素濃度検出手段の検出情報に基づいて燃料利用率の高低を知るようにすることにより、燃料利用率が低くて電極触媒の一酸化炭素被毒が起こり難いときは、的確に、酸素含有ガスを添加しないようにする又は酸素含有ガス添加比率を小さくすることが可能になり、又、燃料利用率が高くなって電極触媒の一酸化炭素被毒が起こり易くなると、的確に、酸素含有ガスを添加しない状態から添加する状態に切り換える又は酸素含有ガス添加比率を大きくすることが可能になる。
従って、発電効率及び耐久性を一層向上することができるようになった。
即ち、燃料ガス生成部により、炭化水素系の原燃料が水蒸気により改質処理されて燃料ガスが生成され、温度検出手段により、燃料ガス生成部の温度が検出され、その温度検出手段にて検出される温度が設定温度範囲から外れて、比率増大条件が満足される状態になると、酸素含有ガス添加比率を増大するように、酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量が変更される。
燃料電池発電装置の第４特徴構成は、上記共通構成に加えて、
前記燃料電池発電部が、前記燃料極と前記酸素極とを備えたセルの複数を備えて構成され、
前記複数のセル夫々の電圧を計測する単セル電圧計測手段が設けられ、
前記制御手段が、前記単セル電圧計測手段の計測情報に基づいて、前記複数のセルの電圧のバラツキの程度を示すバラツキ度を求めるように構成され、
前記比率増大条件が、求めたバラツキ度が設定バラツキ度以上になる条件である点を特徴とする。
即ち、単セル電圧計測手段により、複数のセル夫々の電圧が計測され、制御手段により、単セル電圧計測手段の計測情報に基づいて、複数のセルの電圧のバラツキ度が求められ、その求められたバラツキ度が設定バラツキ度以上になって、比率増大条件が満足される状態になると、酸素含有ガス添加比率を増大するように、酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量が変更される。
つまり、燃料ガスは複数のセルに分配されて供給されるが、その分配量にバラツキがある場合、供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなると、分配量の少ないセルほど燃料利用率が高くなるので、一酸化炭素被毒の影響が顕著なものとなって電圧の低下が大きくなり、延いては、複数のセルの電圧のバラツキ度が大きくなる。
従って、複数のセルの電圧のバラツキ度を求めて、その大小を判別することにより、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の高低を知ることができる。
そして、単セル電圧計測手段により複数のセル夫々の電圧を計測して、その計測情報に基づいて、複数のセルの電圧のバラツキ度を求め、その求めたバラツキ度が設定バラツキ度以上になると、酸素含有ガス添加比率を増大するようにすることにより、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が低くて電極触媒の一酸化炭素被毒が起こり難いときは、的確に、酸素含有ガスを添加しないようにする又は酸素含有ガス添加比率を小さくすることが可能になり、又、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなって電極触媒の一酸化炭素被毒が起こり易くなると、的確に、酸素含有ガスを添加しない状態から添加する状態に切り換える又は酸素含有ガス添加比率を大きくすることが可能になる。
従って、発電効率及び耐久性を一層向上することができるようになった。
燃料電池発電装置の第５特徴構成は、上記共通構成に加えて、
前記燃料電池発電部が、前記燃料極と前記酸素極とを備えたセルの複数を備えて構成され、
前記複数のセル夫々の電圧を計測する単セル電圧計測手段が設けられ、
前記制御手段が、前記単セル電圧計測手段の計測情報に基づいて、前記セル夫々の設定時間当たりの電圧の変動の程度を示すセル毎電圧変動度を求めるように構成され、
前記比率増大条件が、求めたセル毎電圧変動度が設定電圧変動度以上になる条件である点を特徴とする。
即ち、単セル電圧計測手段により、複数のセル夫々の電圧が計測され、制御手段により、単セル電圧計測手段の計測情報に基づいてセル毎電圧変動度が求められ、その求められた複数のセル毎電圧変動度のうちの少なくとも一つが設定電圧変動度以上になって、比率増大条件が満足される状態になると、酸素含有ガス添加比率を増大するように、酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量が変更される。
つまり、燃料ガスは複数のセルに分配されて供給されるが、その分配量にバラツキがある場合、供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなると、分配量の少ないセルほど燃料利用率が高くなるので、一酸化炭素被毒の影響が顕著なものとなって、セル毎電圧変動度が大きくなる。
従って、複数のセル夫々についてセル毎電圧変動度を求めて、夫々のセル毎電圧変動度の大小を判別することにより、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の高低を知ることができる。
そして、単セル電圧計測手段により複数のセル夫々の電圧を計測して、その計測情報に基づいて、複数のセル夫々についてセル毎電圧変動度を求め、その求めた複数のセル毎電圧変動度のうちの少なくとも一つが設定電圧変動度以上になると、酸素含有ガス添加比率を増大するようにすることにより、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が低くて電極触媒の一酸化炭素被毒が起こり難いときは、的確に、酸素含有ガスを添加しないようにする又は酸素含有ガス添加比率を小さくすることが可能になり、又、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなって電極触媒の一酸化炭素被毒が起こり易くなると、的確に、酸素含有ガスを添加しない状態から添加する状態に切り換える又は酸素含有ガス添加比率を大きくすることが可能になる。
従って、発電効率及び耐久性を一層向上することができるようになった。
燃料電池発電装置の第６特徴構成は、上記第１〜第５特徴構成のいずれかに加えて、
前記制御手段は、前記比率増大条件に応じて酸素含有ガス添加比率を増大したことに伴う前記燃料電池発電部の出力電圧増大値が一酸化炭素被毒を防止する必要がある設定値以上のときは、その酸素含有ガス添加比率の増大を継続し、前記出力電圧増大値が前記設定値未満のときは、前記酸素含有ガス添加比率を増大前の値に戻すように構成されている点を特徴とする。
即ち、比率増大条件に応じて酸素含有ガス添加比率を増大したことに伴う燃料電池発電部の出力電圧増大値が設定値以上のときは、その酸素含有ガス添加比率の増大が継続され、出力電圧増大値が設定値未満のときは、酸素含有ガス添加比率が増大前の値に戻される。
つまり、比率増大条件が満足されたと判断しても、電極触媒が一酸化炭素被毒され易い程度にまで、実際に燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなっていたり、実際に燃料利用率が高くなっているとは限らない。
そして、このように比率増大条件が満足されたと判断して酸素含有ガス添加比率を増大したときに、実際に燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなっていたり、実際に燃料利用率が高くなっていたりするほど、一酸化炭素が酸化されて燃料極の電位が下がり、出力電圧が高くなる。
そこで、比率増大条件に応じて酸素含有ガス添加比率を増大したことに伴う燃料電池発電部の出力電圧増大値が設定値以上のときは、その酸素含有ガス添加比率の増大が継続され、出力電圧増大値が設定値未満のときは、酸素含有ガス添加比率が増大前の値に戻されるようにすることにより、一酸化炭素被毒を防止する必要のあるときは、酸素含有ガス添加比率の増大を継続して、酸素含有ガスが過剰となるのを十分に抑制しながら燃料ガス中の一酸化炭素を十分に酸化して電極触媒の一酸化炭素被毒を十分に抑制し、一方、一酸化炭素被毒を防止する必要のないときは、酸素含有ガス添加比率を増大前の値に戻して、不必要に燃料ガス中の水素が燃焼させて発電効率を低下させるのを防止することが可能になるのである。
従って、発電効率及び耐久性を一層向上することができるようになった。
〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明の第１実施形態を説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置は、燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され且つ酸素極に酸素含有ガスが供給されて発電するように構成された燃料電池発電部１、炭化水素系の原燃料を水蒸気により水素ガスを主成分とするガスに改質処理して、前記燃料電池発電部１に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部Ｒ、燃料電池発電部１に発電反応用の酸素含有ガスとして反応用空気を供給する反応用送風機２、その反応用送風機２にて燃料電池発電部１に供給される反応用空気を加湿する加湿器３、前記燃料ガス生成部Ｒにて生成されて前記燃料電池発電部１に供給される燃料ガスに、その燃料ガスに含まれる一酸化炭素を酸化するための酸素含有ガス（以下、ブリード用酸素含有ガスと称する場合がある）を供給する酸素含有ガス添加手段Ｓ、及び、燃料電池発電装置の各種制御を司る制御部４等を備えて構成してある。
そして、燃料電池発電部１にて発電される電力を電力消費部（図示省略）に出力ライン５を通じて出力するように構成してあり、前記出力ラインに５には、燃料電池発電部１からの出力電流を計測する電流計測器６及び出力電圧を計測する電圧計測器７を設けてある。
以下、燃料電池発電装置を構成する各部について説明を加える。
前記燃料電池発電部１は周知であるので、詳細な説明は省略して、以下、簡単に説明する。
この燃料電池発電部１は、電解質層としての高分子膜（図示省略）の両側に酸素極（図示省略）と燃料極（図示省略）とを振り分けて配置した固体高分子型のセル（図示省略）の複数を隣接セル間に冷却水通流部（図示省略）を介在させた状態で積層状態に設けたセルスタック（図示省略）を備えて構成し、並びに、前記燃料ガス生成部Ｒから燃料ガス供給路８を通じて供給される燃料ガスが各セルの燃料極に均等に分配供給され、前記反応用送風機２から反応用空気供給路９を通じて供給される反応用空気が各セルの酸素極に均等に分配供給され、冷却水循環路１０を通じて供給される冷却水が各冷却水通流部に均等に分配供給されるように構成してある。
そして、各セルが冷却水通流部にて冷却される状態で、各セルにて水素と酸素との電気化学的な反応により発電を行うようになっている。
前記冷却水循環路１０には、冷却水を圧送する冷却水ポンプ１１、通流する冷却水から気体を分離する気液分離部１２、及び、通流する冷却水から保有熱を回収する排熱回収用熱交換器１３を設けてある。
前記燃料電池発電部１から流出して前記排熱回収用熱交換器１３に流入する前の冷却水の温度は、燃料電池発電部１の各セルの温度と同じ又は略同じであることから、燃料電池発電部１の温度を検出する電池温度センサ１４を、燃料電池発電部１から流出して排熱回収用熱交換器１３に流入する前の冷却水の温度を燃料電池発電部１の温度を検出するように設けてある。
前記燃料ガス生成部Ｒは、原燃料供給路１５を通じて供給される都市ガス（例えば、天然ガスベースの都市ガス１３Ａ）等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫器１６、原料水供給路１７を通じて供給される原料水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸気生成器１８、前記脱硫器１６から供給される脱硫原燃料ガスと前記水蒸気生成器１８から供給される水蒸気とを改質器バーナ１９ｂの加熱により改質反応させて水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器１９、その改質器１９から供給される改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成器２０、及び、その変成器２０から供給される改質ガス中の一酸化炭素を別途供給される選択酸化用空気にて選択酸化する一酸化炭素除去器２１を備えて構成して、改質ガス中の一酸化炭素を変成処理及び選択酸化処理により低減した一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）改質ガスを生成するように構成してある。
そして、一酸化炭素を変成処理及び選択酸化処理により低減した改質ガスを、燃料ガスとして前記燃料ガス供給路８を通じて前記燃料電池発電部１に供給するようにしてある。
前記原燃料供給路１５には、燃料ガス生成部Ｒへの原燃料ガスの供給量を調節する原燃料供給量調節弁２２を設けてあり、この原燃料供給量調節弁２２により燃料ガス生成部Ｒへの原燃料ガスの供給量を調節することにより、前記燃料電池発電部１に供給する燃料ガスの供給量、延いては、前記燃料極への燃料ガスの供給量を調節するように構成してある。
前記改質器バーナ１９ｂには、各セルの前記燃料極から排出された燃料極側排ガスを合流させて導く燃料極側排ガス路２３、及び、燃焼用送風機２４からの燃焼用空気を導く燃焼用空気路２５を接続して、前記改質器バーナ１９ｂにて燃料極側排ガスの全量を燃焼させて、改質器１９を改質反応が可能なように加熱するようにしてある。又、前記改質器バーナ１９ｂには、燃料の供給用として、前記燃料極側排ガス路２３以外に、都市ガス等のガス燃料を供給するバーナ燃料供給路２６を接続して、そのバーナ燃料供給路２６により、前記燃料ガス生成部Ｒにて燃料ガスの生成を開始する燃料電池発電装置の起動運転時に前記改質器バーナ１９ｂにガス燃料を供給したり、前記改質器１９を所定の設定改質処理温度に維持するために前記燃料極側排ガスでは不足するときに、その不足分に相当するガス燃料を前記改質器バーナ１９ｂに供給するようにしてある。
前記燃料極側排ガス路２３には、前記燃料極側排ガスから保有熱を回収すると共に、その燃料極側排ガスから水蒸気を凝縮させて回収する排熱回収用熱交換器２７を設けてある。
前記改質器バーナ１９ｂの燃焼排ガスは、燃焼排ガス路２８を通じて排出するようにし、その燃焼排ガス路２８を通流する燃焼排ガスを前記水蒸気生成器１８を通過させるようにして、前記水蒸気生成器１８にて、前記原料水を前記燃焼排ガスを熱源として蒸発させて水蒸気を生成するように構成してある。又、燃焼排ガス路２８における前記水蒸気生成器１８の設置箇所よりも下流側の部分には、前記燃焼排ガスから保有熱を回収すると共に、その燃焼排ガスから水蒸気を凝縮させて回収する排熱回収用熱交換器２９を設けてある。
前記反応用送風機２からの空気を反応用空気として前記燃料電池発電部１に供給するための前記反応用空気供給路９には、前記燃料電池発電部１に供給する反応用空気の供給量、延いては、前記空気極への反応用空気の供給量を調節する反応用空気供給量調節弁３１を設けてある。
又、各セルの前記酸素極から排出された酸素極側排ガスは、酸素極側排ガス路３２を通じて排出するようにしてある。
前記加湿器３は周知であるので、詳細な説明及び図示を省略して簡単に説明すると、この加湿器３は、前記酸素極側排ガス路３２を通流する酸素極側排ガスから保有熱並びに水蒸気を回収して、前記反応用空気供給路９を通流する反応用空気を回収熱により予熱し並びに回収水蒸気により加湿するように構成してある。
前記酸素含有ガス添加手段Ｓについて説明を加える。
前記反応用送風機２からの空気を導くブリード用ガス供給路３３を、そのブリード用ガス供給路３３からの空気の流入流量を調節すると共にその空気を前記燃料ガス供給路８を通流する燃料ガスに混合するブリード用ガス調節弁３４を介して前記燃料ガス供給路８に接続し、そのブリード用ガス供給路３３にはそれを開閉するブリード用開閉弁３５を設けてある。
つまり、ブリード用開閉弁３５を開弁することにより、前記反応用送風機２からの空気がブリード用酸素含有ガスとして、前記燃料ガス供給路８を通じて前記燃料電池発電部１に供給される燃料ガスに添加されると共に、そのブリード用酸素含有ガスの添加量がブリード用ガス調節弁３４により調節され、又、ブリード用開閉弁３５を閉弁すると、前記燃料ガスへのブリード用酸素含有ガスの添加が停止されるようになっている。
要するに、前記酸素含有ガス添加手段Ｓは、前記反応用送風機２、前記ブリード用ガス供給路３３、前記ブリード用ガス調節弁３４及び前記ブリード用開閉弁３５等を備えて、燃料極に供給される燃料ガスに空気をブリード用酸素含有ガスとして添加するように構成してある。
又、前記酸素含有ガス添加手段Ｓは、燃料極に供給される燃料ガスへブリード用酸素含有ガスを添加するブリード用ガス供給状態と添加しないブリード用ガス停止状態とに切り換え操作自在なように構成すると共に、燃料極に供給される燃料ガスへのブリード用酸素含有ガスの添加量を調節操作自在なように構成してある。
次に、前記制御部４について説明を加える。
制御部４は、前記燃料電池発電部１への前記燃料ガスの供給量及び前記燃料電池発電部１への前記反応用空気の供給量夫々を前記燃料電池発電部１の出力電流に応じた量になるように調節する発電用ガス供給量調節制御、前記燃料電池発電部１の温度が設定電池温度になるように前記燃料電池発電部１への冷却水の循環量を調節する電池温度調節制御、並びに、前記燃料極へ供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加する酸素含有ガスの量の比率である酸素含有ガス添加比率を比率増大条件に応じて増大するように、前記酸素含有ガス添加手段Ｓにて添加される酸素含有ガスの量を変更するブリード用ガス供給制御等を実行する。
ちなみに、前記燃料ガス供給路８を通じて前記燃料電池発電部１に供給される燃料ガスは各セルの燃料極に均等に分配供給されることから、燃料電池発電部１に供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加するブリード用酸素含有ガスの量の比率と、前記燃料極へ供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加するブリード用酸素含有ガスの量の比率とは同一であるので、以下では、燃料電池発電部１に供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加するブリード用酸素含有ガスの量の比率も、酸素含有ガス添加比率と称する場合がある。そして、実際は、前記原燃料供給量調節弁２２により前記燃料電池発電部１に供給する燃料ガスの供給量を調節し、前記ブリード用ガス調節弁３４により、前記燃料ガス供給路８を通じて前記燃料電池発電部１に供給される燃料ガスへのブリード用酸素含有ガスの添加量を調節することにより、酸素含有ガス添加比率を調節する。
従って、ブリード用ガス供給制御では、実際は、燃料電池発電部１に供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加するブリード用酸素含有ガスの量の比率である酸素含有ガス添加比率を比率増大条件に応じて増大するように、前記酸素含有ガス添加手段Ｓにて添加される酸素含有ガスの量を変更することになる。
前記発電用ガス供給量調節制御では、前記制御部４は、前記電流計測器６にて検出される出力電流に基づいて、前記燃料電池発電部１への原燃料ガスの供給量が前記燃料電池発電部１の出力電流に応じて予め設定された設定原燃料ガス供給量になるように原燃料供給量調節弁２２を制御し、且つ、前記電流計測器６にて検出される出力電流に基づいて、前記燃料電池発電部１への反応用空気の供給量が前記燃料電池発電部１の出力電流に応じて予め設定された設定反応用空気供給量になるように前記反応用空気供給量調節弁３１を制御する。
尚、前記設定原燃料ガス供給量は、燃料利用率を設定燃料利用率に維持する状態で、燃料電池発電部１の出力電流に応じた量に予め設定されるものであり、前記設定反応用空気供給量は、酸素利用率を設定酸素利用率に維持する状態で、燃料電池発電部１の出力電流に応じた量に予め設定されるものである。ちなみに、前記設定燃料利用率は、例えば８０％程度に設定し、前記設定酸素利用率は、例えば５０％程度に設定してある。
前記電池温度調節制御では、前記制御部４は、前記電池温度センサ１４の検出温度に基づいて、前記燃料電池発電部１の温度が設定電池温度になるように前記冷却水ポンプ１１を制御する。
ちなみに、前記設定電池温度は、例えば７０°Ｃに設定してある。
前記ブリード用ガス供給制御では、前記制御部４は、前記比率増大条件が満足されると、前記ブリード用ガス停止状態から前記ブリード用ガス供給状態に切り換えることにより、前記酸素含有ガス添加比率を増大する。そして、そのブリード用ガス供給状態における酸素含有ガス添加比率として、高位側設定比率を設定してあり、その高位側設定比率は、例えば、前記燃料電池発電部１に供給される燃料ガスの量に対するブリード用酸素含有ガスである空気の量の比率で１％に設定してある。
又、前記制御部４は、前記比率増大条件に応じて酸素含有ガス添加比率を増大したことに伴う前記燃料電池発電部１の出力電圧増大値が設定値以上のときは、その酸素含有ガス添加比率の増大を継続し、前記出力電圧増大値が前記設定値未満のときは、前記酸素含有ガス添加比率を増大前の値に戻す。ちなみに、前記燃料電池発電部１の出力電圧増大値は、セル１枚当たりの出力電圧増大値に換算して求め、前記設定値としては、具体的には、例えば１０ｍＶ程度に設定する
又、この第１実施形態では、前記比率増大条件は、前記燃料ガス生成部Ｒから前記燃料電池発電部１へ燃料ガスの供給を開始して前記燃料電池発電部１にて発電を開始する起動運転中である条件と、燃料電池発電部１の発電出力が増大する条件と、実運転経過に伴って前記燃料電池発電部１の出力電圧が設定出力電圧以下に低下する条件である。
つまり、この第１実施形態のブリード用ガス供給制御では、実運転経過に伴って前記燃料電池発電部１の出力電圧が設定出力電圧以下に低下するまでの間は、起動運転中は酸素含有ガス添加比率を増大し、その起動運転後の通常運転中は燃料電池発電部１の発電出力が増大すると酸素含有ガス添加比率を増大し且つ燃料電池発電部１の発電出力が増大しなくなると酸素含有ガス添加比率を低下するように運転し、実運転経過に伴って前記燃料電池発電部１の出力電圧が設定出力電圧以下に低下すると、酸素含有ガス添加比率を増大し、以降、この酸素含有ガス添加比率を増大した状態を維持する。
ちなみに、前記設定出力電圧は、セル１枚当たりの出力電圧に設定し、具体的には、例えば、６５０ｍＶ程度に設定する。又、実運転経過による劣化等により経時的には低下するものの、短い時間では前記燃料電池発電部１の出力電圧は略一定であり、燃料電池発電部１の発電出力は燃料電池発電部１の出力電流に比例するので、前記発電出力が増大する条件としては、設定時間間隔（例えば１分間）当たりの燃料電池発電部１の出力電流の上昇が設定上昇電流値以上になる条件に設定してある。
燃料電池発電装置を運転する運転時間帯として、１日のうちの一部の時間帯に設定して、その運転時間帯で燃料電池発電装置を運転することにより、燃料電池発電装置を断続的に運転するようになっている。
そして、前記制御部４は、前記運転時間帯の開始時刻になると起動運転を実行した後、通常運転を実行し、その通常運転を運転時間帯の終了時刻になるまで継続して、その終了時刻になると燃料電池発電装置を停止する。
前記起動運転では、前記バーナ燃料供給路２６を通じて前記改質器バーナ１９ｂにガス燃料を供給して改質器バーナ１９ｂを燃焼させて前記改質器１９を前記設定改質処理温度に加熱した後、前記原燃料供給路１５を通じて前記燃料ガス生成部Ｒへ原燃料ガスを供給して燃料ガスの生成を開始すると共に、その生成燃料ガスを前記燃料電池発電部１へ供給して発電を開始し、更に、燃料電池発電部１の発電出力をそのときの前記電力消費部の電力負荷にまで上昇させる。
前記通常運転では、電力負荷の変動に対応して燃料電池発電部１の発電出力を変更調整する負荷追従運転を行う。
前記ブリード用ガス供給制御における前記制御部４の制御動作について説明を加える。
このブリード用ガス供給制御では、前記制御部４は、前記電圧計測器７の計測電圧を前記燃料電池発電部１を構成するセルの枚数で除して、平均単セル電圧を求める。
そして、後述する通常運転において求める平均単セル電圧が前記設定出力電圧よりも高い間の初期状態における起動運転中では、前記ブリード用開閉弁３５を開弁してブリード用ガス供給状態に切り換えると共に、前記酸素含有ガス添加比率が前記高位側設定比率になるようにブリード用ガス調節弁３４を調節し、起動運転が終了すると、前記ブリード用開閉弁３５を閉弁してブリード用ガス停止状態に切り換える。
又、前記平均単セル電圧が前記設定出力電圧よりも高い間の通常運転中は、前記電流計測器６の計測情報に基づいて、前記設定時間間隔当たりの出力電流の上昇が設定上昇電流値以上になると、前記ブリード用開閉弁３５を開弁してブリード用ガス供給状態に切り換えると共に、前記酸素含有ガス添加比率が前記高位側設定比率になるようにブリード用ガス調節弁３４を調節し、前記設定時間間隔当たりの出力電流の上昇が設定上昇電流値未満になると、前記ブリード用開閉弁３５を閉弁してブリード用ガス停止状態に切り換える。
又、実運転の経過に伴って前記平均単セル電圧が前記設定出力電圧以下になると、前記ブリード用開閉弁３５を開弁してブリード用ガス供給状態に切り換えると共に、前記酸素含有ガス添加比率が前記高位側設定比率になるようにブリード用ガス調節弁３４を調節し、以降は、その状態を維持する。
又、前記平均単セル電圧が前記設定出力電圧よりも高い間は、前記ブリード用ガス供給状態に切り換えたことに伴う前記平均単セル電圧の増大値が前記設定値以上のときは、そのブリード用ガス供給状態を継続し、前記出力電圧増大値が前記設定値未満のときは、前記ブリード用開閉弁３５を閉弁してブリード用ガス停止状態に切り換える。
つまり、この第１実施形態には、請求項２及び請求項６夫々に記載の発明が含まれる。
又、発電出力を上昇させるときは、前述したように、燃料利用率が高くなるので、この第１実施形態には、請求項１に記載の発明も含まれる。
以下、本発明の第２ないし第５の各実施形態を説明するが、各実施形態においては、主として前記ブリード用ガス供給制御の構成が異なる以外は前記第１実施形態と同様に構成してあるので、第１実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、重複説明を避けるために、同じ符号を付すことにより説明を省略し、主としてブリード用ガス供給制御について説明する。
〔第２実施形態〕
以下、図２に基づいて、本発明の第２実施形態を説明する。
この第２実施形態においては、前記燃料ガス供給路８を通じて燃料電池発電部１に供給される燃料ガス、即ち、前記燃料極に供給される燃料ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段としての水素センサ３７を設け、前記比率増大条件としては、第１実施形態における起動運転中である条件及び燃料電池発電部１の発電出力が増大する条件に代えて、前記水素センサ３７にて検出される水素濃度が設定水素濃度以下になる条件を設定してある。そして、設定水素濃度は、例えば７０％に設定する。
前記ブリード用ガス供給制御における前記制御部４の制御動において、前記比率増大条件を第１実施形態から変更したことにより第１実施形態と異なる点は、以下の通りである。
前記制御部４は、前記平均単セル電圧が前記設定出力電圧よりも高い間は、前記水素センサ３７にて検出される水素濃度が前記設定水素濃度よりも高いときは、前記ブリード用開閉弁３５を閉弁してブリード用ガス停止状態に維持し、前記水素センサ３７にて検出される水素濃度が前記設定水素濃度以下になると、前記ブリード用開閉弁３５を開弁してブリード用ガス供給状態に切り換えると共に、前記酸素含有ガス添加比率が前記高位側設定比率になるようにブリード用ガス調節弁３４を調節する。
つまり、この第２実施形態には、請求項３及び請求項６夫々に記載の発明が含まれる。
〔第３実施形態〕
以下、図２に基づいて、本発明の第３実施形態を説明する。
この第３実施形態においては、図２において破線にて示すように、前記燃料極側排ガス路２３を通じて排出される燃料極側排ガス、即ち、前記燃料極から排出される燃料極排ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段としての水素センサ３７を設け、前記比率増大条件としては、第１実施形態における起動運転中である条件及び燃料電池発電部１の発電出力が増大する条件に代えて、前記水素センサ３７にて検出される水素濃度が設定水素濃度以下になる条件を設定してある。そして、設定水素濃度は、例えば３７．５％に設定する。
前記ブリード用ガス供給制御における前記制御部４の制御動作は、上記の第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
つまり、この第３実施形態には、請求項３及び請求項６夫々に記載の発明が含まれる。
〔第４実施形態〕
以下、図３に基づいて、本発明の第４実施形態を説明する。
この第４実施形態においては、前記燃料電池発電部１の複数のセル夫々の単セル電圧を計測する単セル電圧計測手段としての単セル電圧計測器３９を設けてある。
又、前記制御部４は、前記単セル電圧計測器３９の計測情報に基づいて、前記複数のセルの電圧のバラツキの程度を示すバラツキ度を求めるように構成してある。
そして、前記比率増大条件としては、第１実施形態における起動運転中である条件及び燃料電池発電部１の発電出力が増大する条件に代えて、求めたバラツキ度が設定バラツキ度以上になる条件を設定してある。
ちなみに、前記バラツキ度としては、例えば、最大単セル電圧と最小単セル電圧との差である単セル電圧差、又は、単セル電圧の標準偏差を用いることができる。
そして、前記バラツキ度として前記単セル電圧差を用いるときは、前記設定バラツキ度として、例えば５０ｍＶに設定し、前記バラツキ度として前記単セル電圧の標準偏差を用いるときは、前記設定バラツキ度として、例えば１０ｍＶに設定する。
前記ブリード用ガス供給制御における前記制御部４の制御動作において、前記比率増大条件を第１実施形態から変更したことにより第１実施形態と異なる点は、以下の通りである。
前記制御部４は、前記平均単セル電圧が前記設定出力電圧よりも高い間は、前記単セル電圧計測器３９の計測情報に基づいて求めたバラツキ度が前記設定バラツキ度よりも小さいときは、前記ブリード用開閉弁３５を閉弁してブリード用ガス停止状態に維持し、前記単セル電圧計測器３９の計測情報に基づいて求めたバラツキ度が前記設定バラツキ度以上になると、前記ブリード用開閉弁３５を開弁してブリード用ガス供給状態に切り換えると共に、前記酸素含有ガス添加比率が前記高位側設定比率になるようにブリード用ガス調節弁３４を調節する。
ちなみに、前記バラツキ度が前記設定バラツキ度以上になることは、燃料利用率が高くなることであるので、前記比率増大条件は、燃料利用率が高くなる条件でもある。
つまり、この第４実施形態には、請求項４及び請求項６夫々に記載の発明が含まれる。
〔第５実施形態〕
以下、図３に基づいて、本発明の第５実施形態を説明する。
この第５実施形態においては、前記燃料電池発電部１の複数のセル夫々の単セル電圧を計測する単セル電圧計測手段としての単セル電圧計測器３９を設けてある。
又、前記制御部４は、前記単セル電圧計測器３９の計測情報に基づいて、前記セル夫々の設定時間当たりの電圧の変動の程度を示すセル毎電圧変動度を求めるように構成してある。
そして、前記比率増大条件としては、第１実施形態における起動運転中である条件及び燃料電池発電部１の発電出力が増大する条件に代えて、求めたセル毎電圧変動度が設定電圧変動度以上になる条件を設定してある。ちなみに、前記設定時間を例えば１分間に、前記設定電圧変動度を例えば、５ｍＶに夫々設定する。
前記ブリード用ガス供給制御における前記制御部４の制御動作において、前記比率増大条件を第１実施形態から変更したことにより第１実施形態と異なる点は、以下の通りである。
前記制御部４は、前記平均単セル電圧が前記設定出力電圧よりも高い間は、前記単セル電圧計測器３９の計測情報に基づいて求めた複数のセル夫々のセル毎電圧変動度の全てが前記設定電圧変動度よりも小さいときは、前記ブリード用開閉弁３５を閉弁してブリード用ガス停止状態に維持し、前記単セル電圧計測器３９の計測情報に基づいて求めた複数のセル夫々のセル毎電圧変動度のうちの少なくとも一つが前記設定電圧変動度以上になると、前記ブリード用開閉弁３５を開弁してブリード用ガス供給状態に切り換えると共に、前記酸素含有ガス添加比率が前記高位側設定比率になるようにブリード用ガス調節弁３４を調節する。
ちなみに、前記複数のセル夫々のセル毎電圧変動度のうちの少なくとも一つが前記設定電圧変動度以上になることは、燃料利用率が高くなることであるので、前記比率増大条件は、燃料利用率が高くなる条件でもある。
つまり、この第５実施形態には、請求項５及び請求項６夫々に記載の発明が含まれる。
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ） 上記の実施形態においては、前記比率増大条件が満足されると、前記酸素含有ガス添加比率を一気に高位側設定比率に増大させる場合について例示したが、前記電圧計測器７の計測電圧に基づいて平均単セル電圧を求めながら、その平均単セル電圧が上昇する間は前記酸素含有ガス添加比率を漸増し、前記平均単セル電圧が上昇しなくなると、前記酸素含有ガス添加比率の漸増を停止するようにしても良い。
（ロ） 上記の実施形態においては、前記比率増大条件が満足されないときは、ブリード用酸素含有ガスを添加しない状態とし、前記比率増大条件が満足されると、前記酸素含有ガス添加比率が前記高位側設定比率になるようにブリード用酸素含有ガスを添加することにより、前記酸素含有ガス添加比率を比率増大条件に応じて増大するように構成する場合について例示した。
これに代えて、ゼロよりも大きい低位側設定比率と、その低位側設定比率よりも大きい高位側設定比率とを設定して、前記比率増大条件が満足されないときは、前記酸素含有ガス添加比率が前記低位側設定比率になるようにブリード用酸素含有ガスを添加し、前記比率増大条件が満足されると、前記酸素含有ガス添加比率が前記高位側設定比率になるようにブリード用酸素含有ガスを添加することにより、前記酸素含有ガス添加比率を比率増大条件に応じて増大するように構成しても良い。ちなみに、前記高位側設定比率は、例えば、上記の実施形態と同様に、前記燃料電池発電部１に供給される燃料ガスの量に対するブリード用酸素含有ガスである空気の量の比率で１％となる比率に設定し、前記低位側設定比率はこの高位側設定比率よりも小さい比率に設定する。
又、このように、前記比率増大条件が満足されると前記酸素含有ガス添加比率を前記低位側設定比率から前記高位側設定比率に増大する場合においては、上記の各実施形態において、前記比率増大条件として、実運転経過に伴って燃料電池発電部１の出力電圧が設定出力電圧以下に低下する条件や、燃料電池発電装置の実運転経過を示す指標の積算値が設定判別値に達する条件を省略することが可能である。
（ハ） 上記の実施形態においては、前記比率増大条件が満足されることに伴う前記酸素含有ガス添加比率の増大調節を前記制御部４を用いて自動的に行わせるように構成する場合について例示したが、手動操作にて行うように構成しても良い。この場合は、比率増大条件を、実運転経過を示す指標の積算値が設定判別値に達する条件に設定して、その実運転経過を示す指標の積算値が設定判別値に達すると、メンテナンスを実行して、そのメンテナンスの作業者が手動にて前記酸素含有ガス添加比率の増大調節を行うようにしても良い。
（ニ） 比率増大条件に応じて酸素含有ガス添加比率を増大するに当たって、酸素含有ガス添加比率を一義的に増大するのではなく、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなるほど、燃料ガス中の水素濃度が低くなるほど、燃料利用率が高くなるほど、燃料電池発電部１の温度が低下するほど、燃料電池発電部１の設定時間間隔当たりの発電出力の上昇量が大きいほど、燃料ガス生成部Ｒの温度が設定温度範囲から大きく外れるほど、複数のセルの電圧のバラツキ度が大きくなるほど、セル毎電圧変動度が大きくなるほど等、比率増大条件が厳しくなるほど酸素含有ガス添加比率を大きくなるように変更しても良い。
（ホ） 前記燃料ガス生成部Ｒの具体構成は、上記の実施形態において例示した構成に限定されるものではなく、例えば、前記一酸化炭素除去器２１を省略したり、前記変成器２０及び前記一酸化炭素除去器２１の両方を省略しても良い。
又、原燃料として、硫黄分を含まないものや硫黄分の含有量が少ないものを用いる場合は、前記脱硫器６を省略することが可能である。
（ヘ） 前記燃料極に供給される燃料ガスに添加する酸素含有ガスの具体例としては、上記の実施形態において例示した空気に限定されるものではない。
例えば、純酸素を用いることができる。
あるいは、前記酸素極から排出された酸素極側排ガスや、前記改質器バーナ１９ｂの燃焼排ガス等、空気よりも酸素濃度の低い酸素含有ガスを用いることができる。
（ト） 本発明は、上記の実施形態において例示した固体高分子型以外に、リン酸型等の種々の型式の燃料電池発電装置に適用することが可能である。
（チ） 前記燃料ガス生成部Ｒにて燃料ガスを生成するための炭化水素系の原燃料としては、上記の実施形態において例示した都市ガスに限定されるものではなく、例えば、プロパンガス、メタノール等のアルコール類等、種々のものを用いることが可能である。
第１ないし第３の各実施形態に係る燃料電池発電装置のブロック図 第６及び第７の各実施形態に係る燃料電池発電装置のブロック図 第１３及び第１４の各実施形態に係る燃料電池発電装置のブロック図 単セル電圧の経時変化を示す図 単セル電圧の経時変化を示す図 単セル電圧の経時変化を示す図 単セル電圧の経時変化を示す図
符号の説明
１ 燃料電池発電部
４ 制御手段
１９ｂ改質器バーナ
２３ 燃料極側排ガス路
３６ 一酸化炭素濃度検出手段
３７ 水素濃度検出手段
３８ 温度検出手段
３９ 単セル電圧計測手段
Ｒ 燃料ガス生成部
Ｓ 酸素含有ガス添加手段

Claims (6)

  1. 燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され且つ酸素極に酸素含有ガスが供給されて発電するように構成された燃料電池発電部と、
    炭化水素系の原燃料と水蒸気とを改質器バーナの加熱により改質反応させて水素ガスを主成分とするガスを生成する改質器を備えて、前記燃料電池発電部に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、
    前記燃料ガス生成部にて生成されて前記燃料極に供給される燃料ガスに酸素含有ガスを添加する酸素含有ガス添加手段とが設けられ、
    前記改質器バーナに、前記燃料極から排出された燃料極側排ガスを導く燃料極側排ガス路が接続された燃料電池発電装置であって、
    前記燃料極へ供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加する酸素含有ガスの量の比率である酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足される状態となると増大するように、前記酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量を変更する制御手段が設けられ、
    前記比率増大条件が、前記燃料極に供給される燃料ガス中の水素の量に対するその燃料ガス中の水素のうち前記燃料極にて発電に使用される量の比率である燃料利用率が高くなる条件である燃料電池発電装置。
  2. 燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され且つ酸素極に酸素含有ガスが供給されて発電するように構成された燃料電池発電部と、
    炭化水素系の原燃料と水蒸気とを改質器バーナの加熱により改質反応させて水素ガスを主成分とするガスを生成する改質器を備えて、前記燃料電池発電部に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、
    前記燃料ガス生成部にて生成されて前記燃料極に供給される燃料ガスに酸素含有ガスを添加する酸素含有ガス添加手段とが設けられ、
    前記改質器バーナに、前記燃料極から排出された燃料極側排ガスを導く燃料極側排ガス路が接続された燃料電池発電装置であって、
    前記燃料極へ供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加する酸素含有ガスの量の比率である酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足される状態となると増大するように、前記酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量を変更する制御手段が設けられ、
    前記比率増大条件が、前記燃料電池発電部の発電出力が増大する条件である燃料電池発電装置。
  3. 燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され且つ酸素極に酸素含有ガスが供給されて発電するように構成された燃料電池発電部と、
    炭化水素系の原燃料と水蒸気とを改質器バーナの加熱により改質反応させて水素ガスを主成分とするガスを生成する改質器を備えて、前記燃料電池発電部に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、
    前記燃料ガス生成部にて生成されて前記燃料極に供給される燃料ガスに酸素含有ガスを添加する酸素含有ガス添加手段とが設けられ、
    前記改質器バーナに、前記燃料極から排出された燃料極側排ガスを導く燃料極側排ガス路が接続された燃料電池発電装置であって、
    前記燃料極へ供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加する酸素含有ガスの量の比率である酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足される状態となると増大するように、前記酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量を変更する制御手段が設けられ、
    前記燃料極に供給される燃料ガス中の水素濃度又は前記燃料極から排出される燃料極側排ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段が設けられ、
    前記比率増大条件が、前記水素濃度検出手段にて検出される水素濃度が設定水素濃度以下になる条件である燃料電池発電装置。
  4. 燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され且つ酸素極に酸素含有ガスが供給されて発電するように構成された燃料電池発電部と、
    炭化水素系の原燃料と水蒸気とを改質器バーナの加熱により改質反応させて水素ガスを主成分とするガスを生成する改質器を備えて、前記燃料電池発電部に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、
    前記燃料ガス生成部にて生成されて前記燃料極に供給される燃料ガスに酸素含有ガスを添加する酸素含有ガス添加手段とが設けられ、
    前記改質器バーナに、前記燃料極から排出された燃料極側排ガスを導く燃料極側排ガス路が接続された燃料電池発電装置であって、
    前記燃料極へ供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加する酸素含有ガスの量の比率である酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足される状態となると増大するように、前記酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量を変更する制御手段が設けられ、
    前記燃料電池発電部が、前記燃料極と前記酸素極とを備えたセルの複数を備えて構成され、
    前記複数のセル夫々の電圧を計測する単セル電圧計測手段が設けられ、
    前記制御手段が、前記単セル電圧計測手段の計測情報に基づいて、前記複数のセルの電圧のバラツキの程度を示すバラツキ度を求めるように構成され、
    前記比率増大条件が、求めたバラツキ度が設定バラツキ度以上になる条件である燃料電池発電装置。
  5. 燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され且つ酸素極に酸素含有ガスが供給されて発電するように構成された燃料電池発電部と、
    炭化水素系の原燃料と水蒸気とを改質器バーナの加熱により改質反応させて水素ガスを主成分とするガスを生成する改質器を備えて、前記燃料電池発電部に供給される燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、
    前記燃料ガス生成部にて生成されて前記燃料極に供給される燃料ガスに酸素含有ガスを添加する酸素含有ガス添加手段とが設けられ、
    前記改質器バーナに、前記燃料極から排出された燃料極側排ガスを導く燃料極側排ガス路が接続された燃料電池発電装置であって、
    前記燃料極へ供給される燃料ガスの量に対するその燃料ガスに添加する酸素含有ガスの量の比率である酸素含有ガス添加比率を比率増大条件が満足される状態となると増大するように、前記酸素含有ガス添加手段にて添加される酸素含有ガスの量を変更する制御手段が設けられ、
    前記燃料電池発電部が、前記燃料極と前記酸素極とを備えたセルの複数を備えて構成され、
    前記複数のセル夫々の電圧を計測する単セル電圧計測手段が設けられ、
    前記制御手段が、前記単セル電圧計測手段の計測情報に基づいて、前記セル夫々の設定時間当たりの電圧の変動の程度を示すセル毎電圧変動度を求めるように構成され、
    前記比率増大条件が、求めたセル毎電圧変動度が設定電圧変動度以上になる条件である燃料電池発電装置。
  6. 前記制御手段は、前記比率増大条件に応じて酸素含有ガス添加比率を増大したことに伴う前記燃料電池発電部の出力電圧増大値が一酸化炭素被毒を防止する必要のある設定値以上のときは、その酸素含有ガス添加比率の増大を継続し、前記出力電圧増大値が前記設定値未満のときは、前記酸素含有ガス添加比率を増大前の値に戻すように構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
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