JP5062800B2

JP5062800B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5062800B2
Application number: JP2004227479A
Authority: JP
Inventors: 井輝浩桜; 端康晴川
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: JP2006049056A

Description

本発明は、例えば固体酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)や溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)の様な高温作動型の燃料電池システムに関する。

発電システムとして、固体酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)や溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)の様な高温作動型燃料電池は、炭化水素系燃料を水素リッチガスに改質して利用しており、例えばＳＯＦＣでは６００〜１０００℃以上、ＭＣＦＣでは約５００〜９００℃以上の高温で作動させる。

そのような高温作動型燃料電池では、供給燃料の全てが電池内での発電に利用されることはなく、定格運転時でも６０〜８０％程度の燃料が発電に用いられ、残りの２０〜４０％程度は未反応燃料として電池外に排出される。
未反応燃料はオフガス燃焼室等で燃焼し、その発生熱の一部は燃料電池システムの高温維持に利用される。また、燃料電池内においても、発電時に内部発熱が生じ、その熱によっても燃料電池システムは高温維持される。
なお、供給燃料の発熱量に対する燃料電池の発電反応に相当する熱量（燃料電池の発電電力に相当する熱量と、燃料電池における発熱に相当する熱量の和）の比は、「燃料利用率」と呼ばれる。

燃料供給量が同じ場合でも、燃料利用率が異なると電池における発熱とオフガス燃焼による発熱のバランスが大きく変化する。
例えば燃料供給量を定格運転時と同一にして燃料利用率を下げることによって、燃料電池の出力を低下させることは可能であるが、その場合には電池内での内部発熱が減少し、電池温度が低下する。一方、オフガス燃焼する燃料量が増加するため、オフガス部の温度は高温化する。
しかし、オフガス燃焼部の熱が、必ずしも電池部分へ効率良く伝わるとは限らず、効率良く伝わらない場合には燃料電池温度が低下し、結果的に、燃料電池の熱自立運転が困難となってしまう場合もある。

また燃料の供給と同様に、燃料電池に供給する酸化剤中の酸素（ＭＣＦＣの場合は二酸化炭素も含む）も、その全てが発電に利用されるわけではなく、一般に２０〜４０％程度が利用される。係る比率（供給された酸化剤量に対する発電に利用される酸化剤量の比率）は、「酸化剤利用率」と呼ばれる。

燃料電池の構成材料が、急激な温度変化や、常温と電池作動温度間の頻繁な熱サイクルによる耐久性を持たないことや、高温の作動温度まで燃料電池システムを昇温させるために費やすエネルギが大きく、作動温度に達するまでに長時間を要するため、高温作動型燃料電池では、発電出力を一定に保ち、且つ、電池内部の熱バランスを保つことで、燃料電池システムの温度を一定に維持しながら運転する（熱自立運転）のが一般的である。

また、燃料電池を効率良く且つ安全に運用するためには、燃料電池システムの温度維持のほかに、燃料利用率、酸化剤利用率、燃料供給量、酸化剤供給量のバランスを最適に保つことが重要である。
例えば燃料電池システムの温度が最適に保たれ、燃料供給量、酸化剤利用率、酸化剤供給率が同じ状態で、燃料利用率だけが増加した場合には、燃料が全て燃料電池内で消費され尽くし、燃料電池内で燃料不足となった際に燃料極内に酸化剤が流入し、燃料極を破損する（燃料枯れ）恐れがある。一方、酸化剤供給量が減少して、オフガス燃焼した高温ガスや未反応の燃料ガスが酸化剤極と接触すると、酸化剤極が破損する（酸化剤枯れ）恐れがある。

プロパンやブタン等の炭化水素系燃料を含む燃料を高温作動型燃料電池に用いる場合、当該燃料に供給量を制御（調量）した水蒸気を添加し、改質触媒を用いてメタンに分解する（予備改質）。そして、別の改質触媒でメタンを水素と一酸化炭素に改質（本改質）して燃料電池に供給する。
ここで、予備改質を行わないで本改質を行ってしまうと、あるいは、予備改質の際に供給する水蒸気量が適量ではないと、本改質の触媒上に炭素が析出（コーキング）し、改質器が機能しなくなってしまうという問題が存在する。

さらに、ＬＰＧガスや、ＬＮＧのバルク供給（ガスパイプライン等からではなく、個別のタンクからの供給等）では、供給地の気温等の影響によって、供給燃料の組成や単位体積当りの発熱量が変化する場合がある。例えばＬＰＧのボンベ供給やバルク供給の場合、満タンで供給を開始する時点では、プロパン割合が比較的高いガスが流れ、ボンベ残量が減少した最後の段階では、ブタンの割合が比較的高いガスが出てくる。すなわち、ボンベが満タンの時と残量が減少した時とでは、同じボンベから供給されるガスであっても、組成が相違するのである。

これに加えて、メタン発酵や水素発酵、熱分解技術などを用いて、有機性廃棄物から燃料ガスを取り出して燃料電池に供給する場合も存在する。一般的に、有機性廃棄物からメタン発酵や水素発酵、熱分解技術などの技術によって取り出されるガスは、不活性ガスの混入割合も高く、結果として単位体積当りの発熱量が都市ガスやプロパンガス等と比較して低い。そのため、これらのガスは低カロリーガス（ＬＣＧ）と称されることが多い。
ここで、有機性廃棄物からメタン発酵や水素発酵、熱分解技術などの技術によって取り出される低カロリーガスでは、その熱量や組成は、有機性廃棄物の組成や発酵菌の活性状態などによって大きく変化する。

従来技術においても、上述したような供給燃料の組成や熱量が変動する場合に、出力と高効率運転を維持しながら、安全に内燃機関の運転制御を行う手法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、供給燃料の組成や熱量が変動する場合に、出力と高効率運転を維持しながら、安全に内燃機関の運転制御を行う上述の技術（特許文献１）では、利用する発電装置が内燃機関に限定されているため、燃料電池の燃料改質や熱自立運転維持、燃料枯れや酸化剤枯れを回避する利用率に関する制御の言及は無い。
即ち、供給燃料の組成や熱量が変動する場合には、制御するべき要素や、制御しないことによる不具合が内燃機関の場合と燃料電池の場合とでは大きく相違している。しかし、上述の技術（特許文献１）では、燃料電池に適用する場合について、必要な制御について言及されていないので、燃料電池における上述の問題点を解消することは出来ない。

その他の従来技術として、特に消化ガスを利用する燃料電池システムに関し、消化ガス（ＣＨ_４とＣＯ_２の混合気）を水蒸気改質し、或いは二酸化炭素改質し、得られた改質ガス（Ｈ_２とＣＯの混合気）に対してＣＯ変成（ＣＯをＣＯ_２に変化）させた後、ＣＯ_２を分離して燃料電池に供給する技術が提案されている（例えば特許技術２参照）。

しかし、係る技術（特許文献２）では、消化ガスに限定されているため、ガス化ガスや工場プロセスでの副生ガスのほか、ＬＰＧボンベやＬＮＧサテライト供給等における供給燃料の熱量変動に対応していない。

また、消化ガスは廃棄物組成や発酵菌の活性状態等により、その熱量や組成が大きく変動するため、消化ガス単体で利用する場合には、発生する水素量が大きく変動し、結果的に燃料電池の運転状態や出力が大きく変動してしまう。

さらに、ＭＣＦＣやＳＯＦＣと言った高温作動型燃料電池では、Ｈ_２だけでなくＣＯも燃料として利用できるが、上述の（特許文献２の）技術ではＣＯを燃料として利用しないため、ＣＯの分だけエネルギ利用効率が低くなってしまう。その上、ＣＯを変成してＣＯ_２を分離するプロセスでは、特にＣＯ_２分離において多大なエネルギを消費することとなり、エネルギ利用効率が更に低下してしまう。

これに加えて、燃料と酸化剤の供給量や、燃料利用率と酸化剤利用率の適正化を行わずに、単に改質した燃料を燃料電池に供給するだけでは、熱量変動に伴って燃料電池やオフガス燃焼部での熱発生バランスが崩れ、燃料電池の熱自立運転が維持できない可能性が高い。仮に熱量変動や組成変動の下で熱自立運転が維持できても、特に燃料利用率や酸化剤利用率の適正化を行わないで出力一定運転をすれば、燃料枯れや酸化剤枯れを引き起こし、燃料電池を破損させてしまうという問題を有している。
特開２００３−１４８１８７号公報特開２００３−２２１２０４号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、単位体積当りの組成や熱量が変化する燃料が供給される高温作動型燃料電池において、供給燃料の熱量（単位体積当りの発熱量）や組成が変化しても、燃料枯れや酸化剤枯れを起こすことなく、高温作動型燃料電池の発電出力、高効率の熱自立運転状態を維持した運転を可能とする燃料電池システムの提供を目的としている。

本発明によれば、高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記複数の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）を備え、前記混合管（４）に設けた改質器（９、１０）の上流側に蒸気流量調整弁（１４）を有する蒸気管（１１）が接続されており、混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）からの信号を受けて前記蒸気流量調整弁（１４）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は、前記混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により計測された混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ１）、その混合燃料に含まれる高級炭化水素成分の比率から炭素分を求め、その時点の水蒸気供給量から水素分を求めて炭素と水素との比率を演算し（Ｓ２）、その演算された炭素と水素との比率が１：５乃至１：１５の範囲内にあるか否かを判断し（Ｓ３）、その範囲外であれば前記蒸気流量調整弁（１４）を制御して混合燃料の炭素および水素の比率を前記範囲内になるように水蒸気量を調節し（Ｓ４）、その範囲内にあれば水蒸気供給量を維持する（Ｓ５）機能を有している。

また、本発明によれば、高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記第１および第２の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）を備え、前記複数の燃料供給系（４１、４２）にはそれぞれ第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）が設けられ、前記混合管（４）には混合燃料調整弁（５）が設けられ、燃料供給系の第１および第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ１、Ｓｆ２）と前記混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とからの信号を受けて前記第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）および混合燃料調整弁（５）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により供給される混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、第１の燃料性状計測手段（Ｓｆ１）により第１の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、かつ第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ２）により第２の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ１１）、計測された混合燃料の単位体積当りの発熱量を基に混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定の範囲内か否かを判断し（Ｓ１２）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲以内でなければ、その発熱量が所定範囲を上回っているか又は下回っているかを判断し（Ｓ１５）、その発熱量が所定範囲を上回っていれば、燃料利用率を一定としたまま混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を減少させ（Ｓ１７）、前記単位体積当りの発熱量が所定範囲を下回っていれば燃料利用率を一定としたまま混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を増加し（Ｓ１６）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定の範囲内であれば、現在の運転を維持し（Ｓ１３）、そして所定時間が経過した後に（Ｓ１４）、リターンする機能を有している。

そして、本発明によれば、高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記複数の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）を備え、第１および第２の燃料供給系の第１および第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ１、Ｓｆ２）と前記混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とからの信号を受けて燃料電池（１）の電流密度と第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）および混合燃料調整弁（５）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により供給される混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、それと共に第１の燃料性状計測手段（Ｓｆ１）により第１の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、かつ第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ２）により第２の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ２１）、計測された混合燃料の単位体積当りの発熱量を基に混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定の範囲内か否かを判断し（Ｓ２２）、その混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲を上回っているのか或は下回っているかを判断し（Ｓ２５）、単位体積当りの発熱量が所定範囲を上回っていれば前記電流密度制御手段（３）で制御する電流密度を一定としたまま混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を減少させ（Ｓ２７）、前記単位体積当りの発熱量が所定範囲を下回っていれば、電流密度を一定としたまま混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を増加し（Ｓ２８）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内であれば現在の運転を維持し（Ｓ２３）、そして所定時間が経過した後に（Ｓ２４）、リターンする機能を有している。

さらに、本発明によれば、高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記複数の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）を備え、前記複数の燃料供給系（４１、４２）にはそれぞれ第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）が設けられ、前記混合管（４）には混合燃料調整弁（５）が設けられ、燃料供給系の第１および第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ１、Ｓｆ２）と前記混合管（４）の燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とからの信号を受けて前記第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）および混合燃料調整弁（５）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により計測された混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、それと共に第１の燃料性状計測手段（Ｓｆ１）により第１の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、かつ第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ２）により第２の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ３１）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内か否かを判断し（Ｓ３２）、単位体積当りの発熱量が所定範囲を上回っているか或は下回っているかを判断し（Ｓ３５）、その発熱量が所定範囲を上回っていれば、前記電流密度制御手段（３）で制御する電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を減少させ（Ｓ３７）、前記単位体積当りの発熱量が所定範囲を下回っていれば電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を増加させ（Ｓ３６）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内であれば現在の運転を維持し（Ｓ３３）、所定時間が経過した後に（Ｓ３４）、リターンする機能を有している。

かつ、本発明によれば、高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記複数の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）と燃料電池（１）に酸化剤を供給するために酸化剤調整弁（７）を介装した酸化剤供給ライン（６）とを備え、第１および第２の燃料供給系（４１、４２）にはそれぞれ第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）が設けられ、前記混合管（４）には混合燃料調整弁（５）が設けられ、第１および第２の燃料供給系の第１および第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ１、Ｓｆ２）と前記混合管（４）の燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とからの信号を受けて前記第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）および混合燃料調整弁（５）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は混合管（４）の燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により計測された混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、それと共に第１の燃料性状計測手段（Ｓｆ１）により第１の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、かつ第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ２）により第２の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ４１）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内か否かを判定し（Ｓ４２）、その発熱量が所定範囲内になければ、その発熱量が上回っているか或は下回っているかを判断し（Ｓ４５）、その発熱量が所定範囲を上回っていれば、前記電流密度制御手段（３）で制御する電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を減少させ、かつ燃料電池の熱自立運転が維持されて燃料枯れが生じないように酸化剤供給量を減少させ（Ｓ４７）、前記単位体積当りの発熱量が所定範囲を下回っていれば、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を増加させ、かつ電池の熱自立運転が維持されて酸化剤枯れが生じないように酸化剤供給量を調量増加させ（Ｓ４６）、前記混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内にあれば、その時点の運転状態を維持し（Ｓ４３）、そして所定時間が経過した後に（Ｓ４４）、リターンする機能を有している。

本発明の燃料電池システム（請求項１、請求項２）およびその制御方法（請求項６、請求項７）によれば、燃料電池へ供給される燃料の性状（例えば、単位体積当りの熱量及び／又は組成）が変動しても、燃料電池の作動パラメータ、例えば温度を計測して、熱自立運転状態か否かを判定して、熱自立状態の維持が困難な場合に、水蒸気供給量、燃料供給量、酸化剤供給量、燃料利用率、酸化剤利用率、電流密度、出力電圧、出力電流の何れかを制御して、熱自立状態を常に維持することが出来る。

それと共に、燃料ガス枯れや酸化剤枯れを起こすこと無く、高温作動型燃料電池の発電出力や、高効率の熱自立運転状態を維持させることが出来る。
また、水蒸気供給量を制御することにより、改質触媒における炭素の析出（コーキング）を防止することが出来る。
さらに、燃料の性状の変化に対応することが出来るため、高温作動型燃料電池に対して、例えば、ＬＰＧボンベから燃料ガスを供給すること、燃料電池の燃料ガスとして有機性廃棄物からの消化ガスやガス化ガス、工場プロセスから生じる副生ガスを利用することが可能となる。

ここで、燃料を水蒸気改質するに際しては、燃料の炭素に対応する（ｍｏｌ数の）水素を供給する必要がある。換言すれば、炭素と水素との比率（Ｃ：Ｈ）が所定値以上で無ければならない。炭素に対する水素の比率が所定値よりも小さ過ぎると、改質触媒上で炭素が析出（コーキング）してしまうからである。一方、炭素に対する水素の比率が所定値よりも大き過ぎると、燃料が薄まって燃料電池出力が低下してしまう。

本発明の燃料電池システム（請求項３）及び制御方法（請求項８）によれば、混合燃料を水蒸気改質する際に、燃料における炭素と、燃料及び水蒸気における水素との比率が、１：５〜１：１５（より好ましくは、１：８〜１：１０）となる様に水蒸気が供給されるので、炭素が析出（コーキング）してしまうことが無く、且つ、燃料電池出力が低下してしまうことも防止される。

ここで、炭素と水素との比率が１：５よりも小さいと、改質触媒上で炭素が析出（コーキング）してしまう恐れがある。一方、１：１５よりも大きいと、燃料中の水蒸気の割合が大きいため、燃料が薄まってしまい、燃料電池出力が低下してしまう。そのため、本発明の燃料電池システム（請求項３）及び制御方法（請求項８）では、炭素と水素との比率が１：５〜１：１５となる様に、設定されている（ステップＳ３〜Ｓ５））。

また、本発明の燃料電池システム（請求項４）及び制御方法（請求項９）によれば、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合には、燃料利用率及び／又は電流密度を一定としたままで燃料供給量を増加させる（Ｓ１６、Ｓ２６、Ｓ３６）ので、熱自立運転状態を維持しつつ、燃料枯れの発生を未然に回避出来る。
一方、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、燃料利用率を一定としたままで燃料供給量を減少させる（Ｓ１７、Ｓ２７、Ｓ３７）ことによって、熱自立運転状態を維持しつつ、酸化剤枯れを防止出来る。

また、本発明の燃料電池システム（請求項５）及び制御方法（請求項１０）によれば、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合には、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を増加させ、且つ、酸化剤供給量を増加している（Ｓ４６）ので、燃料電池の熱自立運転が維持され、酸化剤枯れが生じない。
一方、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を減少させ、且つ酸化剤供給量を減少する（Ｓ４７）ので、燃料電池の熱自立運転が維持されて、燃料枯れが生じない。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１を参照して本発明の燃料電池システムの実施形態の構成を説明する。
図1において、全体を符号Ａで示す燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）或いは溶融炭酸塩方燃料電池（ＭＣＦＣ）の様な高温作動型の燃料電池であって且つ炭化水素系燃料を用いる高温作動型燃料電池１と、燃料電池１の反応温度等（運転状態を示すパラメータ）を計測し、当該燃料電池１の熱自立状態を判定する燃料電池監視装置（燃料電池運転状態判定手段）２とを有している。

燃料電池システムＡは、組成及び単位体積当りの発熱量（単位体積当りの発熱量を、以下、単に「熱量」と言う）が変動する第１の燃料供給系統４１と、都市ガスなどの高カロリーガスである第２の燃料を供給する第２の燃料供給系統４２を有している。

前記第１の燃料供給系統４１には第１の燃料調整弁５１が介装され、第２の燃料供給系統４２には第２の燃料調整弁５２が介装されている。
第１の燃料調整弁５１の上流側には第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１が介装され、第２の燃料調整弁５２の上流側には第２の燃料性状計測手段Ｓｆ２が介装されている。

図２に詳細を示すように、第１の燃料供給系４１において、第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１の更に上流側には、メタン発酵槽４ｍを備えており、そのメタン発酵槽４ｍと前記第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１との間の領域には、脱硫装置４ｓが介装されている。

前記第１及び第２の燃料供給系統４１、４２は、合流管４０に接続されており、合流管４０は接続点４０ａで混合燃料供給管４に接続される。換言すれば、合流管４０は第１及び第２の燃料供給系統４１，４２から供給される２種類の燃料を混合する機能を有しており、当該２種類の燃料の一方は、その組成及び熱量が変動するのである。

混合燃料供給管４は、接続点４０ａから燃料電池１まで連通しており、接続点４０ａから燃料電池１に向けて、順番に、混合燃料性状計測手段Ｓｆｍ、混合燃料流量調整弁５（混合燃料供給量制御手段）、予備改質器９、本改質器１０が介装されている。
なお、混合燃料性状計測手段Ｓｆｍは混合燃料の性状、すなわち組成、発熱量及び流量を計測する

混合燃料供給管４の混合燃料調整弁５と予備改質器９との間の領域には、混合燃料を水蒸気で改質するために、改質用の水蒸気を供給する蒸気供給管１１が接続されている。蒸気供給管１１は改質用水供給管１３に接続されており、蒸発器１２が介装されている。
また蒸気供給管１１には、水蒸気の供給量を調整するための蒸気流量調整弁１４が介装されている。

そして、予備改質器９及び本改質器１０において、混合燃料供給管４の接続点４０ａ側で蒸気供給管１１を介して吹き込まれた水蒸気をも用いて、混合燃料供給管４を流過する混合燃料をメタンガスに改質した後、本改質触媒を用いてＨ_２、ＣＯの混合ガスに改質される。この時、混合ガス中のＣＯ_２やＮ_２といった不活性ガスは、分離した後に、水蒸気吹き込み前か、燃料改質流路上で分離しても良い。

一方、燃料電池１には、酸化剤調整弁７を介装した酸化剤供給ライン６が接続され燃料電池１に酸化剤が供給される様に構成されている。

燃料電池１の出力側は、燃料電池１の出力である電流密度を制御する手段であるパワーコンディショナー３（出力制御手段）を介装した電力ラインＬｅ１によって双方向インバータ１５に接続され、双方向インバータ１５は電力ラインＬｅ２によって電力需要１６に接続されている。

当該燃料電池システムＡは、燃料電池制御手段であるコントロールユニット８を備えている。そのコントロールユニット８は、データベース８０と接続し、そのデータベースには、供給される燃料の性状と発熱量の関係、複数の燃料を混合した場合における混合率と混合する前の各燃料の発熱量及び混合後の燃料の発熱量の関係や、燃料電池出力、燃料の供給流量と酸化剤の供給流量と燃料電池１の自立運転限界温度の関係等が、例えばマップや特性等として記憶されている。

コントロールユニット８は、燃料電池監視装置２、第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１、第２の燃料性状計測手段Ｓｆ２、混合燃料の燃料性状計測手段Ｓｆｍ、および電力需要１６の各々に対して、入力信号ラインＬｉ１〜Ｌｉ５によって接続されている。
また、コントロールユニット８は、酸化剤調整弁７、第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２、混合燃料調整弁５、蒸気流量調整弁１４及びパワーコンディショナー３の各々に対して、制御信号ラインＬｏ１〜Ｌｏ６によって接続されている。

なお、第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１と、第２の燃料性状計測手段Ｓｆ２と、混合燃料性状計測手段Ｓｆｍとは、公知の技術を適用して構成されている。例えば、熱量の検出については従来のカロリーメーターの構成を流用することが出来て、組成分析についてはガスクロマトグラフィーによる自動分析を行う機構を適用することが可能である。

次に、図３〜図７に基づいて、図１、図２で示す燃料電池システムにおける制御について説明する。

先ず、供給される燃料に含まれる高級炭化水素成分の比率が変更する場合について、主として図３に基づいて、図１をも参照して説明する。

図３で示す制御を実施するに際して、コントロールユニット８は、蒸気流量調整弁１４を制御して、供給される燃料（混合燃料）に含まれる高級炭化水素成分の比率が高くなる場合には水蒸気改質のために供給する水蒸気量を増加させ、高級炭化水素成分の比率が低くなる場合には水蒸気量を減少させるように構成されている。

図３のステップＳ１において、混合燃料の燃料性状計測手段Ｓｆｍにより、供給される混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測される。そして、混合燃料に含まれる高級炭化水素成分の比率が決定される。

より具体的には、炭素と水素との比率が１：５よりも小さいと、改質触媒上で炭素が析出（コーキング）してしまう恐れがある。一方、１：１５よりも大きいと、燃料中の水蒸気の割合が大きいため、燃料が薄まってしまい、燃料電池出力が低下してしまう。そのため、図３で示す制御では、炭素と水素との比率が１：５〜１：１５となる様に、設定されている。
但し、安全率を含めて考慮すると、炭素と水素との比率は、１：８〜１：１０が好適である。

ステップＳ２では、コントロールユニット８は、混合燃料に含まれる高級炭化水素成分の比率から、予備改質器９及び本改質器１０に供給される混合燃料における炭素分を求める。それと共に、コントロールユニット８は、その時点における水蒸気供給量から、予備改質器９及び本改質器１０に供給される水素分を求め、炭素と水素との比率を演算する（燃料における炭素と、燃料及び水蒸気における水素との比率を求める工程）。

例えば、燃料であるメタンガス（ＣＨ_４）１ｍｏｌに対して、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）供給量が１ｍｏｌである場合、炭素と水素の比率は１：６となる。ここで、水素の「６」と言う割合は、メタンにおける水素の割合「４」に、水蒸気における水素の割合「２」を加えた数値（４＋２＝６）である。
また、燃料を都市ガス（Ｃ_１．２Ｈ_４．４）とした場合、都市ガス（Ｃ_１．２Ｈ_４．４）１ｍｏｌに対して水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を２．５ｍｏｌ加えたならば、炭素と水素との比率は、１．２：９．４となる（概略１：７．８）。ここで、水素ガスの割合である「９．４」と言う数値は、都市ガス１ｍｏｌにおける水素「４．４」に、水蒸気２．５ｍｏｌにおける水素「２×２．５＝５」を加えた数値（４．４＋５＝９．４）である。

上述した様に、炭素と水素との比率は１：５〜１：１５の範囲（より好ましくは、１：８〜１：１０）内でないと、改質触媒上の炭素析出（コーキング）、或いは、燃料電池出力低下という不都合が発生する恐れがある。
そのため、ステップＳ３では、燃料における炭素と、燃料及び水蒸気における水素との比率が１：５〜１：１５の範囲内にあるか否かを判定する。

燃料における炭素と、燃料及び水蒸気における水素との比率が１：５〜１：１５の範囲内にあれば（ステップＳ３がＹｅｓ）、蒸気供給管１１、蒸発器１２、改質用水供給管１３、蒸気流量調整弁１４を介して供給される水蒸気量は、維持される（ステップＳ４）。
これに対して、燃料における炭素と、燃料及び水蒸気における水素との比率が１：５〜１：１５の範囲内になければ（ステップＳ３がＮｏ）、蒸気供給管１１、蒸発器１２、改質用水供給管１３、蒸気流量調整弁１４を介して供給される水蒸気量を調節して、炭素と水素との比率を１：５〜１：１５の範囲内にせしめる（ステップＳ５）。

ステップＳ５の例として、例えば、燃料であるメタンガス（ＣＨ_４）３ｍｏｌに対して、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）供給量が１ｍｏｌしか供給されない場合、炭素と水素の比率は３：１４（４×３＋２＝１４）となり、１：５〜１：１５の範囲から外れてしまう。その様な場合、水蒸気量を０．５ｍｏｌ増量して、１．５ｍｏｌとすれば、炭素と水素の比率は３：１５（４×３＋２×１．５＝１５）となり、１：５〜１：１５の範囲内になる。

ステップＳ４或いはステップＳ５が完了すれば、リターンしてステップＳ１以下を繰り返す。

本発明の燃料電池システム（請求項３）及び制御方法（請求項８）によれば、混合燃料を水蒸気改質する際に、改質燃料における炭素と水素との比率が１：５〜１：１５（より好ましくは、１：８〜１：１０）となる量の水蒸気が供給されるので、炭素が析出（コーキング）してしまうことが無く、且つ、燃料電池出力が低下してしまうことも防止される。

次に、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が所定の範囲内ではない場合に、燃料利用率を一定にしたまま燃料供給量を調整して対処する制御（第２の制御方法）を図４に基づいて、図１をも参照して説明する。

図４で示す制御を行うために、前記コントロールユニット８は、第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２及び混合燃料調整弁５の何れかを（少なくとも１つ）開度制御することによって、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合に、燃料利用率を一定としたままで燃料供給量を増加させ、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合に燃料利用率を一定としたままで燃料供給量を減少させるように構成されている。

図４のステップＳ１１において、混合燃料の燃料性状計測手段Ｓｆｍにより、供給される混合燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測される。それと共に、第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１により、第１の燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測され、且つ、第２の燃料性状計測手段Ｓｆ２により、第２の燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測される。

ステップＳ１２では、コントロールユニット８は、混合燃料の熱量が所定の範囲内か否かを判断し、所定の範囲内であれば（ステップＳ１２のＹＥＳ）ステップＳ１３に進む。一方、所定の範囲内ではない場合（ステップＳ１２のＮＯ）、ステップＳ１５に進む。
ここで、前記「所定の範囲」は、ケース・バイ・ケースに定められる。

ステップＳ１３では、現在の運転状態（当該時点における運転状態）を維持してステップＳ１４に進む。そしてステップＳ１４では、所定時間（ケース・バイ・ケースに定められる）が経過したか否かを判断する。
すなわち、ステップＳ１３、Ｓ１４では、（ケース・バイ・ケースに定められる）所定時間が経過するまで（ステップＳ１４が「ＮＯ」のループ）は、その時点における運転状態（現在の運転状態）を維持し、所定時間が経過したならば（ステップＳ１４がＹＥＳ）ステップＳ１１まで戻り（リターン）、再びステップＳ１１以降を繰り返す。

ステップＳ１５（ステップＳ１２で、混合燃料の熱量が所定の範囲内ではない場合）では、コントロールユニット８は、混合燃料の熱量が所定範囲を下回っているか、或いは、混合燃料の熱量が所定範囲を上回っているかを判断する。

混合燃料の熱量が所定範囲を下回っている場合は（ステップＳ１５で「下回っている」）、ステップＳ１６に進み、燃料利用率を一定としたまま、混合燃料の供給量を増加する。その後、ステップＳ１１まで戻り（リターン）、再びステップＳ１１以降を繰り返す。

ここで、混合燃料調整弁５を所定開度まで開いて混合燃料の供給量を増加するに際しては、例えば、第１の燃料調整弁５１及び第２の燃料調整弁５２の弁開度を共に増加しても良いし、或いは、第１の燃料調整弁５１か第２の燃料調整弁５２の何れか一方の弁開度のみを増加しても良い。
そして、第１の燃料調整弁５１及び第２の燃料調整弁５２の弁開度を共に増加する場合には、混合燃料における第１の燃料と第２の燃料との比率（組成）を変化させない様に制御することも可能であるし、第１の燃料と第２の燃料との比率（組成）を変化させても良い。
さらに、第１の燃料調整弁５１か第２の燃料調整弁５２の何れか一方の弁開度を増加して、他方の弁開度を減少することも可能である。例えば、高カロリーガスである第２の燃料の比率を高める場合には、低カロリーガスである第１の燃料の供給量を減少しても良い。

何れの場合においても、燃料性状計測手段Ｓｆｍ、第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１、第２の燃料性状計測手段Ｓｆ２によって計測された第１の燃料の性状、第２の燃料の性状、第３の燃料の性状に基いて、燃料利用率を一定に保持するように、混合燃料調整弁５、第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２の弁開度は制御される。

一方、混合燃料の熱量が所定範囲を上回っていれば（ステップＳ１５で「上回っている」）、ステップＳ１７に進み、燃料利用率を一定としたまま、混合燃料調整弁５を所定開度まで絞って混合燃料の供給量を減少させる。その後、ステップＳ１１まで戻り（リターン）、再びステップＳ１１以降を繰り返す。

ここで、混合燃料調整弁５を所定開度まで絞って混合燃料の供給量を減少するに際しても、（混合燃料の供給量を増加する場合と同様に、）例えば、第１の燃料調整弁５１及び第２の燃料調整弁５２の弁開度を共に減少しても良いし、或いは、第１の燃料調整弁５１か第２の燃料調整弁５２の何れか一方の弁開度のみを減少しても良い。
そして、第１の燃料調整弁５１及び第２の燃料調整弁５２の弁開度を共に減少する場合には、混合燃料における第１の燃料と第２の燃料との比率（組成）を変化させない様に制御することも可能であるし、第１の燃料と第２の燃料との比率（組成）を変化させても良い。
さらに、第１の燃料調整弁５１か第２の燃料調整弁５２の何れか一方の弁開度を減少して、他方の弁開度を増加することも可能である。

燃料供給量を減少する上述の何れの場合においても、燃料性状計測手段Ｓｆｍ、第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１、第２の燃料性状計測手段Ｓｆ２によって計測された第１の燃料の性状、第２の燃料の性状、第３の燃料の性状に基いて、燃料利用率を一定に保持するように、混合燃料調整弁５、第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２の弁開度は制御される。

上述した実施形態の制御方法（第２の制御方法）によれば、供給される混合燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合には、燃料利用率を一定としたままで燃料供給量を増加させているので、燃料枯れの発生を未然に回避出来る。
一方、供給される混合燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、燃料利用率を一定としたままで燃料供給量を減少させているのが、酸化剤枯れが生じることが無い。
そして、供給される混合燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合と、発熱量が増加した場合の何れにおいても、燃料利用率を一定に保持した状態で混合燃料の供給量を調整しているので、燃料電池１の出力（燃料利用率と直結するパラメータ）と、燃料電池１の熱バランスを変化させてしまうことが防止できる。

次に、供給される燃料の熱量（単位体積当りの発熱量）が所定の範囲内ではない場合に、電流密度を一定にしたまま燃料供給量を調整する制御（第３の制御方法）について、主として図５に基づいて説明する。

図５の制御を行う場合に、前記コントロールユニット８は、前記第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２及び混合燃料調整弁５の何れかを（少なくとも１つ）開度制御することによって、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合に当該燃料電池から得る電流密度を一定としたままで燃料供給量を増加させ、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合に当該燃料電池から得る電流密度を一定としたままで燃料供給量を減少させる制御を行うように構成されている。

図５のステップＳ２１において、混合燃料の燃料性状計測手段Ｓｆｍにより、供給される混合燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測される。それと共に、第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１により、第１の燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測され、且つ、第２の燃料性状計測手段Ｓｆ２により、第２の燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測される。

ステップＳ２２では、コントロールユニット８は、混合燃料の熱量が所定の範囲内か否かを判断し、所定の範囲内であれば（ステップＳ２２のＹＥＳ）ステップＳ２３に進む。一方、所定の範囲内ではない場合（ステップＳ２２のＮＯ）、ステップＳ２５に進む。

混合燃料の熱量が所定の範囲内である場合（ステップＳ２３）は、現在の運転状態（その時点における運転状態）を維持し、ステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では、所定時間が経過したか否かが判定され、所定時間が経過するまで（ステップＳ２４がＮＯのループ）は「現在の状態（その時点における運転状態）」を維持し、所定時間が経過したならば（ステップＳ２４がＹＥＳ）ステップＳ２１まで戻り（リターン）、再びステップＳ２１以降を繰り返す。

混合燃料の熱量が所定の範囲内ではない（ステップＳ２２がＮＯ）ステップＳ２５では、コントロールユニット８は、混合燃料の熱量が（ケース・バイ・ケースで設定される）所定範囲を下回っているか、或いは、混合燃料の熱量が上回っているかを判断する。
混合燃料の熱量が所定範囲を下回っていれば（ステップＳ２５で「下回っている」）、ステップＳ２６に進み、電流密度を一定としたまま、混合燃料調整弁５を所定開度まで開いて燃料供給量を増加する。そして、ステップＳ２１まで戻り（リターン）、再びステップＳ２１以降を繰り返す。

ここで、混合燃料調整弁５を所定開度まで開いて混合燃料の供給量を増加するに際しては、例えば、第１の燃料調整弁５１及び第２の燃料調整弁５２の弁開度を共に増加しても良いし、或いは、第１の燃料調整弁５１か第２の燃料調整弁５２の何れか一方の弁開度のみを増加しても良い。
そして、第１の燃料調整弁５１及び第２の燃料調整弁５２の弁開度を共に増加する場合には、混合燃料における第１の燃料と第２の燃料との比率（組成）を変化させない様に制御することも可能であるし、第１の燃料と第２の燃料との比率（組成）を変化させても良い。
さらに、第１の燃料調整弁５１か第２の燃料調整弁５２の何れか一方の弁開度を増加して、他方の弁開度を減少することも可能である。

一方、混合燃料の熱量が所定範囲を上回っていれば（ステップＳ２５で「上回っている」）、ステップＳ２７に進み、電流密度を一定としたまま、混合燃料調整弁５を所定開度まで絞って燃料供給量を減少させる。そして、ステップＳ２１まで戻り（リターン）、再びステップＳ２１以降を繰り返す。

ここで、混合燃料調整弁５を所定開度まで絞って混合燃料の供給量を減少するに際しては、例えば、第１の燃料調整弁５１及び第２の燃料調整弁５２の弁開度を共に減少しても良いし、或いは、第１の燃料調整弁５１か第２の燃料調整弁５２の何れか一方の弁開度のみを減少しても良い。
そして、第１の燃料調整弁５１及び第２の燃料調整弁５２の弁開度を共に減少する場合には、混合燃料における第１の燃料と第２の燃料との比率（組成）を変化させない様に制御することも可能であるし、第１の燃料と第２の燃料との比率（組成）を変化させても良い。
さらに、第１の燃料調整弁５１か第２の燃料調整弁５２の何れか一方の弁開度を減少して、他方の弁開度を増加することも可能である。

ここで、燃料供給量を増加する場合と、減少する場合の双方において、電流密度を一定に保持するように、混合燃料調整弁５、第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２の弁開度は制御されるのである。

上述した実施形態の制御方法（第３の制御方法）によれば、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合には、燃料電池１から得る電流密度を一定としたままで燃料供給量を増加させているので、燃料枯れの発生を未然に回避出来る。
一方、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、燃料電池１から得る電流密度を一定としたままで燃料供給量を減少させることによって、酸化剤枯れを防止出来る。
これに加えて、供給される混合燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合と、発熱量が増加した場合の何れにおいても、電流密度を一定に保持した状態で混合燃料の供給量を調整しているので、燃料電池１の出力（電流密度と直結するパラメータ）と、燃料電池１の熱バランスを変化させてしまうことが防止できる。

次に、供給される燃料の熱量（単位体積当りの発熱量）が所定の範囲内ではない場合に、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を調整する制御（第４の制御方法）について、主として図６を参照して説明する。

図６で示す制御では、前記コントロールユニット８は、前記第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２及び混合燃料調整弁５の何れかを（少なくとも１つ）開度制御することによって、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合に電流密度と燃料利用率の双方を一定としたままで燃料供給量を増加させ、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合に電流密度と燃料利用率の双方を一定としたままで燃料供給量を減少させる制御を行うように構成されている。

ステップＳ３１において、混合燃料の燃料性状計測手段Ｓｆｍにより、供給される混合燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測される。それと共に、第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１により、第１の燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測され、且つ、第２の燃料性状計測手段Ｓｆ２により、第２の燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測される。

ステップＳ３２では、コントロールユニット８は、混合燃料の熱量が所定の範囲内か否かを判断し、所定の範囲内であれば（ステップＳ３２のＹＥＳ）ステップＳ３３に進む。一方、所定の範囲内ではない場合（ステップＳ３２のＮＯ）、ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３３では、現在の運転状態（その時点における運転状態）を維持し、ステップＳ３４に進む。ステップＳ３４では、所定時間が経過したか否かが判定される。そして、所定時間が経過するまで（ステップＳ３４がＮＯのループ）現在の状態を維持（その時点における運転状態）する。所定時間が経過したならば（ステップＳ３４がＹＥＳ）、ステップＳ３１まで戻り（リターン）、再びステップＳ３１以降を繰り返す。

ステップＳ３５では、コントロールユニット８は、混合燃料の熱量が所定範囲を下回っているか、或いは、混合燃料の熱量が所定範囲を上回っているかを判断する。

混合燃料の熱量が所定範囲を下回っている場合（ステップＳ３５で「下回っている」）には、ステップＳ３６に進み、電流密度及び燃料利用率の双方を一定に維持できるように、混合燃料調整弁５を所定開度まで開いて燃料供給量を増加する。そして、ステップＳ３１まで戻り（リターン）、再びステップＳ３１以降を繰り返す。
ここで、図４、図５の制御に関して述べたのと同様に、燃料供給量を増加するに際しては、混合燃料調整弁５の開度を増加するのみならず、第１の燃料調整弁５１及び／又は第２の燃料調整弁５２の弁開度も調整される。

一方、所定範囲を上回っていれば（ステップＳ３５で「上回っている」）、ステップＳ３７に進み、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように、混合燃料調整弁５を所定開度まで絞って、燃料供給量を減少している。そしてステップＳ３１まで戻り（リターン）、再びステップＳ３１以降を繰り返す。
燃料供給量を減少する際も、混合燃料調整弁５の開度を減少するのみならず、第１の燃料調整弁５１及び／又は第２の燃料調整弁５２の弁開度も調整される。
そして、燃料供給量の増加或いは減少に際しては、第１の燃料の性状、第２の燃料の性状、第３の燃料の性状に基いて、電流密度及び燃料利用率の双方を一定に保持するように、混合燃料調整弁５、第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２の弁開度は制御される。

上述した実施形態の制御方法（第４の制御方法）によれば、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合に電流密度と燃料利用率の双方を一定としたままで燃料供給量を増加させ、或いは、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合に電流密度と燃料利用率の双方を一定としたままで燃料供給量を減少させることによって、供給される燃料の熱量が変化しても燃料電池１の出力を維持することが可能となる。

次に、供給される燃料の熱量（単位体積当りの発熱量）が所定の範囲内ではない場合に、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を調整すると共に、燃料電池１の熱自立運転が維持されて、燃料枯れ或いは酸化剤枯れが生じない様に、燃料及び酸化剤の供給量を調量する制御（第５の制御方法）を、主として図７に基づいて、図１をも参照して説明する。

図７で示す制御を実行するに際して、前記コントロールユニット８は、前記第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２及び混合燃料調整弁５の何れかを（少なくとも）一つ制御することによって、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が減少した場合には、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を増加させ、燃料電池１の熱自立運転が維持され且つ酸化剤枯れが生じない様に酸化剤供給量を制御し、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を減少させ、燃料電池１の熱自立運転が維持されて燃料枯れが生じない様に酸化剤供給量を調量供給するように構成されている。

図７のステップＳ４１において、混合燃料の燃料性状計測手段Ｓｆｍにより、供給される混合燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測される。それと共に、第１の燃料性状計測手段Ｓｆ１により、第１の燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測され、且つ、第２の燃料性状計測手段Ｓｆ２により、第２の燃料の組成と、単位体積当りの発熱量と、流量とが計測される。

ステップＳ４２では、コントロールユニット８は、混合燃料の熱量が所定の範囲内か否かを判断し、所定の範囲内であれば（ステップＳ４２のＹＥＳ）ステップＳ４３に進む。一方、所定の範囲内ではない場合（ステップＳ４２のＮＯ）、ステップＳ４５に進む。

ステップＳ４３では、現在の運転状態（その時点における運転状態）を維持し、ステップＳ４４に進む。ステップＳ４４では、所定時間が経過したか否かが判定される。そして、所定時間が経過するまで（ステップＳ４４がＮＯのループ）現在の状態を維持（その時点における運転状態）する。所定時間が経過したならば（ステップＳ４４がＹＥＳ）、ステップＳ４１まで戻り（リターン）、再びステップＳ４１以降を繰り返す。

ステップＳ４５では、コントロールユニット８は、混合燃料の熱量が所定範囲を下回っているか、或いは、上回っているかを判断し、混合燃料の熱量が所定範囲を下回った場合（ステップＳ４５で「下回っている」）はステップＳ４６に進み、一方、混合燃料の熱量が所定範囲を上回った場合（ステップＳ４５で「上回っている」）はステップＳ４７に進む。

混合燃料の熱量が所定範囲を下回ったステップＳ４６では、コントロールユニット８は、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように、混合燃料調整弁５を所定開度まで開いて燃料供給量を増加すると共に、燃料電池１の熱自立運転が維持されて酸化剤枯れが生じないように、酸化剤調整弁７の開度を調整して酸化剤供給量を増加する。そして、ステップＳ４１まで戻り（リターン）、再びステップＳ４１以降を繰り返す。

一方、混合燃料の熱量が所定範囲を上回ったステップＳ４７では、コントロールユニット８は、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように、混合燃料調整弁５を所定開度まで絞って燃料供給量を減少すると共に、燃料電池１の熱自立運転が維持されて燃料枯れが生じないように、酸化剤調整弁７の開度を調整して酸化剤供給量を減少する。そしてステップＳ４１まで戻り（リターン）、再びステップＳ４１以降を繰り返す。

ここで、図４〜図６と同様に、燃料供給量の増加或いは減少に際しては、混合燃料調整弁５の開度を減少するのみならず、第１の燃料調整弁５１及び／又は第２の燃料調整弁５２の弁開度も調整される。
また、燃料供給量の増加或いは減少に際して、第１の燃料の性状、第２の燃料の性状、第３の燃料の性状に基いて、電流密度及び燃料利用率の双方を一定に保持して且つ燃料枯れを起こさないように、混合燃料調整弁５、第１の燃料調整弁５１、第２の燃料調整弁５２の弁開度は制御される。

上述した実施形態の制御方法（第５の制御方法）によれば、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合には、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を増加させ、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を減少させているので、燃料の熱量が変化しても、オフガス燃焼による発熱を激変させて燃料電池１の熱自立運転状態が崩れてしまうこと無く、燃料電池１の出力を維持することができる。
また、燃料及び酸化剤の供給量を制御しているので、燃料枯れや酸化剤枯れを回避することができる。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。

本発明の燃料電池システムの実施形態の構成を示すブロック図。第１の燃料供給系統を更に詳しく示したブロック図。本発明の実施形態において、第１の制御方法を示すフローチャート。本発明の実施形態において、第２の制御方法を示すフローチャート。本発明の実施形態において、第３の制御方法を示すフローチャート。本発明の実施形態において、第４の制御方法を示すフローチャート。本発明の実施形態において、第５の制御方法を示すフローチャート。

符号の説明

１・・・燃料電池
２・・・燃料電池運転状況判定手段／電池監視装置
３・・・電流密度制御手段／パワーコンディショナー
４・・・混合燃料供給系統
５・・・混合燃料供給量制御手段／混合燃料調整弁
６・・・酸化剤供給系統
７・・・酸化剤供給量制御手段／酸化剤調整弁
８・・・燃料電池制御手段／コントロールユニット
９・・・予備改質器
１０・・・改質器
１１・・・蒸気供給管
１２・・・蒸発器
１３・・・改質用水供給ライン
１４・・・蒸気流量調整弁
１５・・・双方向インバータ
１６・・・電力需要
４１・・・第１の燃料供給系統
４２・・・第２の燃料供給系統
５１・・・第１の燃料流量調整弁
５２・・・第２の燃料流量調整弁
８０・・・データベース
Ａ・・・燃料電池システム
Ｌｉ１〜Ｌｉ５・・・入力信号ライン
Ｌｏ１〜Ｌｏ６・・・制御信号ライン
Ｌｅ１、Ｌｅ２・・・電力ライン
Ｓｆ１・・・第１の燃料性状計測手段
Ｓｆ２・・・第２の燃料性状計測手段
Ｓｆｍ・・・混合燃料の燃料性状計測手段

Claims

高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記複数の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）を備え、前記混合管（４）に設けた改質器（９、１０）の上流側に蒸気流量調整弁（１４）を有する蒸気管（１１）が接続されており、混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）からの信号を受けて前記蒸気流量調整弁（１４）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は、前記混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により計測された混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ１）、その混合燃料に含まれる高級炭化水素成分の比率から炭素分を求め、その時点の水蒸気供給量から水素分を求めて炭素と水素との比率を演算し（Ｓ２）、その演算された炭素と水素との比率が１：５乃至１：１５の範囲内にあるか否かを判断し（Ｓ３）、その範囲外であれば前記蒸気流量調整弁（１４）を制御して混合燃料の炭素および水素の比率を前記範囲内になるように水蒸気量を調節し（Ｓ４）、その範囲内にあれば水蒸気供給量を維持する（Ｓ５）機能を有することを特徴とする燃料電池システム。
高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記第１および第２の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）を備え、前記複数の燃料供給系（４１、４２）にはそれぞれ第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）が設けられ、前記混合管（４）には混合燃料調整弁（５）が設けられ、燃料供給系の第１および第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ１、Ｓｆ２）と前記混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とからの信号を受けて前記第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）および混合燃料調整弁（５）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により供給される混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、第１の燃料性状計測手段（Ｓｆ１）により第１の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、かつ第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ２）により第２の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ１１）、計測された混合燃料の単位体積当りの発熱量を基に混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定の範囲内か否かを判断し（Ｓ１２）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲以内でなければ、その発熱量が所定範囲を上回っているか又は下回っているかを判断し（Ｓ１５）、その発熱量が所定範囲を上回っていれば、燃料利用率を一定としたまま混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を減少させ（Ｓ１７）、前記単位体積当りの発熱量が所定範囲を下回っていれば燃料利用率を一定としたまま混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を増加し（Ｓ１６）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定の範囲内であれば、現在の運転を維持し（Ｓ１３）、そして所定時間が経過した後に（Ｓ１４）、リターンする機能を有することを特徴とする燃料電池システム。
高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記複数の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）を備え、第１および第２の燃料供給系の第１および第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ１、Ｓｆ２）と前記混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とからの信号を受けて燃料電池（１）の電流密度と第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）および混合燃料調整弁（５）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により供給される混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、それと共に第１の燃料性状計測手段（Ｓｆ１）により第１の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、かつ第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ２）により第２の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ２１）、計測された混合燃料の単位体積当りの発熱量を基に混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定の範囲内か否かを判断し（Ｓ２２）、その混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲を上回っているのか或は下回っているかを判断し（Ｓ２５）、単位体積当りの発熱量が所定範囲を上回っていれば前記電流密度制御手段（３）で制御する電流密度を一定としたまま混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を減少させ（Ｓ２７）、前記単位体積当りの発熱量が所定範囲を下回っていれば、電流密度を一定としたまま混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を増加し（Ｓ２８）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内であれば現在の運転を維持し（Ｓ２３）、そして所定時間が経過した後に（Ｓ２４）、リターンする機能を有することを特徴とする燃料電池システム。
高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記複数の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）を備え、前記複数の燃料供給系（４１、４２）にはそれぞれ第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）が設けられ、前記混合管（４）には混合燃料調整弁（５）が設けられ、燃料供給系の第１および第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ１、Ｓｆ２）と前記混合管（４）の燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とからの信号を受けて前記第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）および混合燃料調整弁（５）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は混合管（４）の混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により計測された混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、それと共に第１の燃料性状計測手段（Ｓｆ１）により第１の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、かつ第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ２）により第２の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ３１）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内か否かを判断し（Ｓ３２）、単位体積当りの発熱量が所定範囲を上回っているか或は下回っているかを判断し（Ｓ３５）、その発熱量が所定範囲を上回っていれば、前記電流密度制御手段（３）で制御する電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を減少させ（Ｓ３７）、前記単位体積当りの発熱量が所定範囲を下回っていれば電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を増加させ（Ｓ３６）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内であれば現在の運転を維持し（Ｓ３３）、所定時間が経過した後に（Ｓ３４）、リターンする機能を有することを特徴とする燃料電池システム。
高温作動型の燃料電池（１）とその燃料電池（１）に供給するための性状すなわち組成及び単位体積当りの発熱量が変動し性状が互いに異なる複数種類の燃料を各々供給する複数の燃料供給系（４１、４２）と、前記複数の燃料供給系（４１、４２）を合流して前記燃料電池（１）に接続された混合管（４）と、その混合管（４）に設けられ、混合燃料の性状及び流量を計測する混合燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とを有する燃料電池システムにおいて、電流密度を制御する電流密度制御手段（３）と燃料電池（１）に酸化剤を供給するために酸化剤調整弁（７）を介装した酸化剤供給ライン（６）とを備え、第１および第２の燃料供給系（４１、４２）にはそれぞれ第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）が設けられ、前記混合管（４）には混合燃料調整弁（５）が設けられ、第１および第２の燃料供給系の第１および第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ１、Ｓｆ２）と前記混合管（４）の燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）とからの信号を受けて前記第１および第２の燃料調整弁（５１、５２）および混合燃料調整弁（５）を制御する燃料電池制御手段（８）を設け、その燃料電池制御手段（８）は混合管（４）の燃料性状計測手段（Ｓｆｍ）により計測された混合燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、それと共に第１の燃料性状計測手段（Ｓｆ１）により第１の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され、かつ第２の燃料性状計測手段（Ｓｆ２）により第２の燃料の組成と単位体積当りの発熱量と流量とが計測され（Ｓ４１）、混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内か否かを判定し（Ｓ４２）、その発熱量が所定範囲内になければ、その発熱量が上回っているか或は下回っているかを判断し（Ｓ４５）、その発熱量が所定範囲を上回っていれば、前記電流密度制御手段（３）で制御する電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を減少させ、かつ燃料電池の熱自立運転が維持されて燃料枯れが生じないように酸化剤供給量を減少させ（Ｓ４７）、前記単位体積当りの発熱量が所定範囲を下回っていれば、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように混合燃料、第１の燃料および第２の燃料から選択された１つ又は複数の燃料の燃料供給量を増加させ、かつ電池の熱自立運転が維持されて酸化剤枯れが生じないように酸化剤供給量を調量増加させ（Ｓ４６）、前記混合燃料の単位体積当りの発熱量が所定範囲内にあれば、その時点の運転状態を維持し（Ｓ４３）、そして所定時間が経過した後に（Ｓ４４）、リターンする機能を有することを特徴とする燃料電池システム。