JP5081574B2 - 燃料電池システムの負荷増加時の運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを備える燃料電池システムの負荷増加時の運転方法に関する。
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガス、ＣＯ、メタンが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
この種の燃料電池では、負荷増加時の負荷追従性を高める必要があり、例えば、特許文献１に開示された燃料電池発電装置の制御方法が知られている。この燃料電池発電装置は、図９に示すように、水素を含むアノードガス１ａと酸素を含むカソードガス２ａとから発電する燃料電池３と、この燃料電池３を出たアノード排ガス１ｂをカソード排ガス２ｂの一部で燃焼させ、その熱で水蒸気４を含む燃料ガスをアノードガスに改質する改質器５と、この改質器５を出た燃焼排ガス６を前記燃料電池３に入るカソードガス２ａに供給する排ガス循環ライン７とを備えている。
さらに、燃料電池発電装置は、複数の流量調節弁８ａ〜８ｄ及びブロア９ａ〜９ｃを備えており、フィードバック制御により各流量調節弁８ａ〜８ｄ及び各ブロア９ａ〜９ｃをそれぞれ個別にフィードバック制御し、且つ負荷変動時の出力指令に基づき、演算制御装置により出力指令に応じた各流量調節弁８ａ〜８ｄの開度と各ブロア９ａ〜９ｃの回転数をそれぞれ演算し、フィードバック制御に先立ち、各流量調節弁８ａ〜８ｄの開度と各ブロア９ａ〜９ｃの回転数をそれぞれ演算結果に設定している。
また、特許文献２に開示されている固体酸化物形燃料電池では、炭化水素系燃料を直接用いて、該炭化水素系燃料の部分酸化反応を優先的に発電反応とする固体酸化物形燃料電池において、燃料ガスにおけるスチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）が、０より大きく０．５以下となるように水蒸気を供給する手段である水蒸気供給装置、適応制御部、炭素析出予測・検知部、他の燃料電池を有している。
特開平７−２２０４５号公報 特開２００３−８６２２５号公報
しかしながら、上記の特許文献１では、負荷変動時の出力指令に基づき、各流量調節弁８ａ〜８ｄの開度と各ブロア９ａ〜９ｃの回転数を演算し、フィードバック制御を行っているが、これらの順序は規定されていない。このため、負荷増加時に、例えば、最初に燃料ガスを増加させると、燃料電池発電装置の過昇温によるセパレータの酸化や、空気枯渇及び炭素析出（コーキング）によるＭＥＡの劣化が惹起するという問題がある。
また、上記の特許文献２では、負荷変動時の炭素析出を抑制することを目的としており、炭素析出以外のスタック温度の過昇温、及び空気枯渇等の抑制を適切に行うことができないという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、負荷増加時の負荷追従性を損なうことなく、燃料利用率の過上昇、燃料電池スタック温度の過上昇、空気枯渇又は炭素析出によるＭＥＡの劣化やセパレータの酸化等を抑制することが可能な燃料電池システムの負荷増加時の運転方法を提供することを目的とする。
本発明は、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モジュールと、前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを備える燃料電池システムの負荷増加時の運転方法に関するものである。
この運転方法は、燃料電池モジュールの目標発電量を設定する第１の工程と、燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガスを増加させる第２の工程と、前記第２の工程が開始された後、前記燃料電池モジュールに供給する水を増加させる第３の工程と、前記第３の工程が開始された後、前記燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを増加させる第４の工程と、前記第４の工程が開始された後、前記燃料電池モジュールの燃料利用率が設定範囲内であると判断された際、及び、前記燃料電池モジュールが空気枯渇にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールの発電量を増加させる第５の工程と、前記第５の工程が開始された後、前記燃料電池モジュールの発電量が前記目標発電量以上に至ったか否かを検出する第６の工程とを有している。
また、燃料電池モジュールは、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする燃料ガスである原燃料と前記水を蒸発させた水蒸気との混合燃料を生成する蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを有することが好ましい。このため、平板形燃料電池が積層される燃料電池スタックにも、効果的に適用することができる。
ここで、燃料ガスとは、改質器により改質された改質ガスの他、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料も含む燃料となるガスの総称である。
さらに、第２の工程では、燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガスを連続的又は段階的に増加させることが好ましい。従って、負荷増加時の負荷追従性が容易且つ効率的に遂行可能になる。
さらにまた、第３の工程では、燃料電池モジュールに供給する水を連続的又は段階的に増加させることが好ましい。これにより、負荷増加時の負荷追従性が容易且つ効率的に遂行される。
また、第４の工程では、燃料電池スタックの温度が設定温度内であると判断された際、燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを増加させることが好ましい。このため、燃料電池モジュールの過昇温によるセパレータの酸化を抑制しながら、燃料ガスを増加させることができ、負荷増加時の負荷追従における信頼性及び耐久性の向上が図られる。
さらに、第４の工程では、少なくとも燃料電池モジュールに供給される酸化剤ガスの流量、燃料ガスの流量又は前記燃料電池モジュールの電流に基づいて前記燃料電池モジュールが空気枯渇にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガスを増加させることが好ましい。従って、空気枯渇によるＭＥＡの劣化を抑制しながら、燃料ガスを増加させることが可能になり、負荷増加時の負荷追従における信頼性及び耐久性がさらに向上する。
さらにまた、第４の工程では、少なくとも燃料電池モジュールに供給される燃料ガスの流量、水の流量、蒸発器の温度又は改質器の温度に基づいて前記燃料電池モジュールが炭素析出にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガスを増加させることが好ましい。これにより、炭素析出によるＭＥＡの劣化を抑制しながら、燃料ガスを増加させることができ、負荷増加時の負荷追従における信頼性及び耐久性がさらに向上する。
また、第４の工程では、燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを連続的又は段階的に増加させることが好ましい。このため、負荷増加時の負荷追従性が容易且つ効率的に遂行される。
さらに、第５の工程では、少なくとも燃料電池モジュールに供給される燃料ガスの流量、又は前記燃料電池モジュールの電流に基づいて前記燃料電池モジュールの燃料利用率が設定範囲内であると判断された際、前記燃料電池モジュールの発電量を増加させることが好ましい。従って、燃料利用率の過上昇によるＭＥＡの劣化を抑制しながら、発電量を増加させることが可能になり、負荷増加時の負荷追従における信頼性及び耐久性がさらに向上する。
さらにまた、第５の工程では、少なくとも燃料電池モジュールに供給される酸化剤ガスの流量、燃料ガスの流量又は前記燃料電池モジュールの電流に基づいて前記燃料電池モジュールが空気枯渇にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールの発電量を増加させることが好ましい。これにより、空気枯渇によるＭＥＡの劣化を抑制しながら、発電量を増加させることができ、負荷増加時の負荷追従における信頼性及び耐久性がさらに向上する。
また、第５の工程では、燃料電池モジュールの発電量を連続的又は段階的に増加させることが好ましい。このため、負荷増加時の負荷追従性が容易且つ効率的に遂行される。
さらに、第６の工程では、発電量が目標発電量未満であると判断された際、第２の工程に戻ることが好ましい。従って、負荷増加時に、信頼性及び耐久性を損なうことなく、きめ細かな負荷追従が可能となる。
さらにまた、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。すなわち、運転温度が高く、負荷変動時の温度変化が比較的広範囲である高温型燃料電池に最適である。
本発明によれば、酸化剤ガスの増加工程、水の増加工程、燃料ガスの増加工程及び発電量の増加工程の順に、処理が行なわれている。これにより、燃料利用率の過上昇、燃料電池スタック温度の過上昇、空気枯渇又は炭素析出によるＭＥＡの劣化やセパレータの酸化を抑制することが可能になるとともに、負荷増加時の負荷追従における信頼性及び耐久性を向上させることができる。
図１は、本発明の実施形態に係る負荷増加時の運転方法が適用される燃料電池システム１０の機械系回路を示す概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の回路図である。
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２４とを備える。
図３に示すように、燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２８とセパレータ３０とが積層される固体酸化物形の燃料電池３２を設け、複数の前記燃料電池３２が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３４を備える。
燃料電池スタック３４の積層方向上端側（又は積層方向下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３４に供給する前に加熱する熱交換器３６と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器４０とが配設される（図１及び図３参照）。
燃料電池スタック３４の積層方向下端側（又は積層方向上端側）には、前記燃料電池スタック３４を構成する燃料電池３２に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構４２が配設される（図２参照）。
改質器４０は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ ８ ）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主としてメタン（ＣＨ４）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
燃料電池３２は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２８では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯがアノード電極に供給される。
熱交換器３６は、図３に示すように、燃料電池スタック３４から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガスともいう）を流すための第１排ガス通路４４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路４６とを有する。第１排ガス通路４４は、蒸発器３８に水を蒸発させるための熱源として排ガスを供給するための第２排ガス通路４８に連通する。第１排ガス通路４４は、排気管５０に連通する。空気通路４６の上流側は、空気供給管５２に連通するとともに、前記空気通路４６の下流側は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に連通する。
蒸発器３８は、互いに同軸上に配設される外管部材５４ａと内管部材５４ｂとを備える２重管構造を採用し、この２重管は、第２排ガス通路４８内に配置される。外管部材５４ａと内管部材５４ｂとの間には、原燃料通路５６が形成されるとともに、前記内管部材５４ｂ内には、水通路５８が形成される。蒸発器３８の第２排ガス通路４８は、主排気管６０に連通する。
外管部材５４ａには、改質器４０の入口部に連結される混合燃料供給管６２が接続される。改質器４０の出口側には、改質ガス供給路６４の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路６４の他端は、燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に連通する。なお、蒸発器３８は、上記の二重管構成に代えて、加熱部と混合部（例えば、エジェクタ型混合部）とを備える構成を採用してもよい。
図１及び図２に示すように、原燃料供給装置１６は、原燃料通路５６に接続される。酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管５２に接続されるとともに、水供給装置２０は、水通路５８に接続される。
原燃料供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０は、制御装置２４により制御されるとともに、前記制御装置２４には、燃料ガスを検知する検知器６８が電気的に接続される。電力変換装置２２には、例えば、商用電源７０（又は、負荷や２次電池等）が接続される。
図１及び図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック３４の温度を検出する第１温度センサ７２ａ、改質器４０の温度を検出する第２温度センサ７２ｂ、蒸発器３８の温度を検出する第３温度センサ７２ｃ、原燃料供給装置１６から蒸発器３８に供給される原燃料（燃料ガス）の流量を検出する第１流量センサ７４ａ、水供給装置２０から前記蒸発器３８に供給される水の流量を検出する第２流量センサ７４ｂ、及び酸化剤ガス供給装置１８から熱交換器３６に供給される空気（酸化剤ガス）の流量を検出する第３流量センサ７４ｃを備える。第１温度センサ７２ａ〜第３温度センサ７２ｃと第１流量センサ７４ａ〜第３流量センサ７４ｃとは、制御装置２４に接続される。
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
図１及び図２に示すように、原燃料供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路５６には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路５８には、水が供給されるとともに、空気供給管５２には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
図３に示すように、蒸発器３８では、原燃料通路５６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、混合燃料供給管６２を介して改質器４０の入口部に供給される。混合燃料は、改質器４０内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、改質器４０の出口部に連通する改質ガス供給路６４を通って燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガス、ＣＯが得られ、この水素ガス、ＣＯを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
一方、空気供給管５２から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６の空気通路４６に沿って移動する際、第１排ガス通路４４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に供給され、図示しないカソード電極に供給される。
従って、電解質・電極接合体２８では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２８の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３６の第１排ガス通路４４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
この排ガスは、第２排ガス通路４８に沿って移動することにより、水通路５８を通過する水を蒸発させる。蒸発器３８を通過した排ガスは、主排気管６０を介して外部に排出される。
次いで、第１の実施形態に係る負荷増加時の運転方法について、図４に示すフローチャート及び図５に示す各種増加工程に伴う現象説明図に沿って、以下に説明する。
燃料電池システム１０の負荷増加時には、原燃料、水及び空気を増加させるとともに、発電量を増加させる工程が行われる。その際、燃料利用率の過上昇、スタック温度の過昇温、空気枯渇の可能性又は炭素析出の可能性等が発生し易い。
具体的には、図５に示すように、原燃料を増加させると、燃料利用率が低下する一方、スタック温度、空気枯渇の可能性及び炭素析出の可能性が上昇し易い。また、水を増加させると、炭素析出の可能性が低下するとともに、空気を増加させると、スタック温度及び空気枯渇の可能性が低下する。さらに、発電量を増加させると、スタック温度が低下する一方、燃料利用率及び空気枯渇の可能性が上昇し易い。
ここで、燃料利用率が過上昇することにより過剰の酸素イオンが存在し、この酸素イオンがアノード電極側に移動する。このため、アノード電極が酸化し易くなり、電解質・電極接合体２８が劣化するおそれがある。また、スタック温度の過昇温によってセパレータ３０が酸化するおそれがあり、空気枯渇によってカソード電極が還元され、電解質・電極接合体２８が劣化するおそれがある。さらに、炭素析出によって、電解質・電極接合体２８が劣化するおそれがある。
この場合、燃料利用率は、原燃料供給装置１６から供給される原燃料の流量（第１流量センサ７４ａによる検出流量）と、燃料電池モジュール１２の電流とから算出される。空気枯渇は、原燃料供給装置１６から供給される原燃料の流量と、酸化剤ガス供給装置１８から供給される空気の流量（第３流量センサ７４ｃによる検出流量）と、燃料電池モジュール１２の電流とに基づいて、Ａ（空気）／Ｆ（原燃料）より求められる。
さらに、炭素析出は、原燃料供給装置１６から供給される原燃料の流量と、水供給装置２０から供給される水の流量（第２流量センサ７４ｂによる検出流量）とにより、Ｓ（水蒸気）／Ｃ（炭素）（モル比）から求められる。
燃料利用率は、例えば、８０％以下の範囲内が設定範囲内であり、スタック温度は、例えば、６００〜８００℃が設定温度範囲内である。空気枯渇にならない範囲として、例えば、Ａ／Ｆ≧２．４が設定されるとともに、炭素析出にならない範囲として、例えば、Ｓ／Ｃ≧１．０に設定される。
そこで、燃料電池システム１０の負荷増加時には、先ず、この燃料電池モジュール１２の目標発電量が設定される（図４中、ステップＳ１）。そして、酸化剤ガス供給装置１８が駆動制御され、熱交換器３６に供給される空気の流量が増加される（ステップＳ２）。
次に、水供給装置２０が駆動制御されることにより、蒸発器３８に供給される水の流量が増加される（ステップＳ３）。続いて、ステップＳ４に進み、原燃料供給装置１６が駆動制御されて、蒸発器３８に供給される原燃料の流量が増加された後、燃料電池モジュール１２の発電量が増加される（ステップＳ５）。空気、水、原燃料及び発電量は、図６に示すように、連続的に増加される。
制御装置２４では、燃料電池モジュール１２の発電量が検出され（ステップＳ６）、この検出された発電量が目標発電量以上に至ったか否かが判断される（ステップＳ７）。その際、実際の発電量が、目標発電量未満であると判断されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻って、上記の工程が順次行われる。一方、実際の発電量が、目標発電量以上に至ったと判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、燃料電池システム１０の負荷増加工程が終了する。
この場合、燃料電池システム１０の負荷増加時に、空気を増加させると、図５に示すように、燃料利用率及び炭素析出の可能性は変化することがなく、スタック温度及び空気枯渇の可能性が低下し易い。さらに、水を増加させると、燃料利用率、スタック温度及び空気枯渇の可能性は変化することがなく、炭素析出の可能性が低下し易い。すなわち、空気の増加及び水の増加では、信頼性及び耐久性を損なうことがない。
一方、原燃料を増加させると、燃料利用率は低下するものの、スタック温度、空気枯渇の可能性及び炭素析出の可能性が上昇し易い。また、発電量を増加させると、スタック温度は低下するものの、燃料利用率及び空気枯渇の可能性が上昇し易い。
そこで、第１の実施形態では、原燃料の増加に伴って発生し易いスタック温度及び空気枯渇の可能性の上昇を抑制するために、先ず、燃料電池モジュール１２に供給される空気の流量を増加させる工程が行われている。次いで、原燃料の増加に伴って発生し易い炭素析出の可能性の上昇を抑制するために、水の増加工程が行われている。さらに、発電量の増加に伴い惹起し易い燃料利用率の過上昇を抑制するために、この発電量の増加工程の前に、原燃料の増加工程が行われている。
従って、原燃料を増加させる工程では、予め空気の増加工程が終了しており、スタック温度の過昇温によるセパレータ３０の酸化や、空気枯渇による電解質・電極接合体２８の劣化が抑制され、負荷増加時の負荷追従における信頼性及び耐久性が向上するという効果がある。
さらに、原燃料の増加工程の前には、水の増加工程が行われている。このため、炭素析出による電解質・電極接合体２８の劣化が抑制され、同様に、負荷増加時の負荷追従における信頼性及び耐久性が向上する。
さらにまた、発電量の増加工程は、空気の増加工程よりも後に行われている。これにより、空気枯渇による電解質・電極接合体２８の劣化を抑制することができる。一方、発電量の増加工程は、原燃料の増加工程の後に行われるため、燃料利用率の過上昇による電解質・電極接合体２８の劣化が抑制される。これにより、負荷増加時の負荷追従性における信頼性及び耐久性が向上するという利点が得られる。
また、第１の実施形態では、空気、水、原燃料及び発電量は、図６に示すように、それぞれ連続的に増加するように制御されている。従って、負荷増加時の負荷追従が容易且つ効率的に遂行可能になる。
さらに、原燃料の増加工程を行う際（ステップＳ４）には、燃料電池スタック３４の温度（第１温度センサ７２ａによる検出温度）が、設定温度内であると判断された際に行われている。このため、燃料電池スタック３４の過昇温によるセパレータ３０の酸化を抑制しながら、原燃料を増加させることができる。
さらにまた、原燃料の増加工程は、少なくとも燃料電池モジュール１２に供給される空気の流量、原燃料の流量又は前記燃料電池モジュール１２の電流に基づいて、前記燃料電池モジュール１２が空気枯渇にならないと判断された際に行われている。従って、空気枯渇による電解質・電極接合体２８の劣化を抑制しながら、原燃料を増加させることが可能になる。
また、原燃料の増加工程は、少なくとも燃料電池モジュール１２に供給される原燃料の流量、水の流量、蒸発器３８の温度（第３温度センサ７２ｃによる検出温度）又は改質器４０の温度（第２温度センサ７２ｂによる検出温度）に基づいて、前記燃料電池モジュール１２が炭素析出にならないと判断された際に行われている。これにより、炭素析出による電解質・電極接合体２８の劣化を抑制しながら、原燃料を増加させることができる。
さらに、発電量の増加工程（ステップＳ５）では、少なくとも燃料電池モジュール１２に供給される原燃料の流量、又は前記燃料電池モジュール１２の電流に基づいて、前記燃料電池モジュール１２の燃料利用率が設定範囲内であると判断された際、前記燃料電池モジュール１２の発電量が増加されている。従って、燃料利用率の過上昇による電解質・電極接合体２８の劣化を抑制しながら、発電量を増加させることが可能になる。
さらにまた、燃料電池モジュール１２の発電量の増加工程は、少なくとも前記燃料電池モジュール１２に供給される空気の流量、原燃料の流量又は前記燃料電池モジュール１２の電流に基づいて、空気枯渇にならないと判断された際に行われている。これにより、空気枯渇による電解質・電極接合体２８の劣化を抑制しながら、発電量を増加させることができる。
また、実際の発電量が、目標発電量未満であると判断されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻っている。このため、負荷増加時に、信頼性及び耐久性を損なうことなく、きめ細かな負荷追従が可能となる。
また、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形の燃料電池３２を用いている。このため、運転温度が高く、負荷変動時の温度変化が比較的広範囲である燃料電池３２に最適であるという利点がある。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る負荷増加時の運転方法の説明図である。
この第２の実施形態では、空気、水、原燃料及び発電量は、段階的に増加している。従って、負荷増加時の負荷追従性が容易且つ効率的に遂行される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
図８は、本発明の第３の実施形態に係る負荷増加時の運転方法の説明図である。
この第３の実施形態では、空気、水、原燃料及び発電量は、ステップ変化により増加している。これにより、負荷増加時の負荷追従性が容易且つ効率的に遂行される等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
本発明の実施形態に係る負荷増加時の運転方法が適用される燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの回路図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池モジュールの要部断面説明図である。 第１の実施形態に係る負荷増加時の運転方法を説明するフローチャートである。 各種増加工程に伴う現象の説明図である。 第１の実施形態に係る負荷増加時の運転方法の説明図である。 第２の実施形態に係る負荷増加時の運転方法の説明図である。 第３の実施形態に係る負荷増加時の運転方法の説明図である。 特許文献１に開示された燃料電池発電装置の制御方法の説明図である。
符号の説明
１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１６…原燃料供給装置 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置 ２２…電力変換装置
２４…制御装置 ２８…電解質・電極接合体
３０…セパレータ ３２…燃料電池
３４…燃料電池スタック ３６…熱交換器
３８…蒸発器 ４０…改質器
５２…空気供給管 ５６…原燃料通路
５８…水通路 ７２ａ〜７２ｃ…温度センサ
７４ａ〜７４ｃ…流量センサ

Claims (13)

  1. 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モジュールと、
    前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
    前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、
    前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
    を備える燃料電池システムの負荷増加時の運転方法であって、
    前記燃料電池モジュールの目標発電量を設定する第１の工程と、
    前記燃料電池モジュールに供給する前記酸化剤ガスを増加させる第２の工程と、
    前記第２の工程が開始された後、前記燃料電池モジュールに供給する前記水を増加させる第３の工程と、
    前記第３の工程が開始された後、前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガスを増加させる第４の工程と、
    前記第４の工程が開始された後、前記燃料電池モジュールの燃料利用率が設定範囲内であると判断された際、及び、前記燃料電池モジュールが空気枯渇にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールの発電量を増加させる第５の工程と、
    前記第５の工程が開始された後、前記燃料電池モジュールの発電量が前記目標発電量以上に至ったか否かを検出する第６の工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  2. 請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池モジュールは、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
    前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
    炭化水素を主体とする前記燃料ガスである原燃料と前記水を蒸発させた水蒸気との混合燃料を生成する蒸発器と、
    前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  3. 請求項１又は２記載の運転方法において、前記第２の工程では、前記燃料電池モジュールに供給する前記酸化剤ガスを連続的又は段階的に増加させることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転方法において、前記第３の工程では、前記燃料電池モジュールに供給する前記水を連続的又は段階的に増加させることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  5. 請求項２記載の運転方法において、前記第４の工程では、前記燃料電池スタックの温度が設定温度内であると判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガスを増加させることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の運転方法において、前記第４の工程では、少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される前記酸化剤ガスの流量、前記燃料ガスの流量又は前記燃料電池モジュールの電流に基づいて前記燃料電池モジュールが空気枯渇にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガスを増加させることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  7. 請求項２又は５記載の運転方法において、前記第４の工程では、少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される前記燃料ガスの流量、前記水の流量、前記蒸発器の温度又は前記改質器の温度に基づいて前記燃料電池モジュールが炭素析出にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガスを増加させることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の運転方法において、前記第４の工程では、前記燃料電池モジュールに供給する前記燃料ガスを連続的又は段階的に増加させることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の運転方法において、前記第５の工程では、少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される前記燃料ガスの流量、又は前記燃料電池モジュールの電流に基づいて前記燃料電池モジュールの燃料利用率が設定範囲内であると判断された際、前記燃料電池モジュールの発電量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の運転方法において、前記第５の工程では、少なくとも前記燃料電池モジュールに供給される前記酸化剤ガスの流量、前記燃料ガスの流量又は前記燃料電池モジュールの電流に基づいて前記燃料電池モジュールが空気枯渇にならないと判断された際、前記燃料電池モジュールの発電量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の運転方法において、前記第５の工程では、前記燃料電池モジュールの発電量を連続的又は段階的に増加させることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の運転方法において、前記第６の工程では、前記発電量が前記目標発電量未満であると判断された際、前記第２の工程に戻ることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の運転方法において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池システムの負荷増加時の運転方法。
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