JP5380039B2 - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックに水素含有ガス及び空気をそれぞれ供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池発電システム及びその運転方法に関するものである。

燃料電池発電システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池発電システムは、比較的小型であるにもかかわらず、高効率で、環境性に優れるという特徴を持つ。また、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能である。

このような燃料電池本体は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、なかでも、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。

この固体高分子形燃料電池発電システムは、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムを例にとると、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスと大気中の空気を燃料極及び酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、及び発電に伴う発熱を回収する熱利用系等から構成されている。

ここで、燃料に都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料の代わりに純水素を燃料として供給するシステムにおいては、システム内に改質装置を設置する必要がないため、起動時間の短縮化、コンパクト化を実現することができる。このような純水素燃料電池発電システムは、集合住宅用のコージェネレーションシステムとしての適用が期待されている。

このような純水素燃料電池発電システムでは、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料極に水素、酸化剤極に空気を供給して発電を行うと共に、燃焼排ガスを触媒燃焼器で燃焼させ、発生する熱量を回収する熱交換器とからなるシステム構成となっている。

また、水素排ガスを燃料極に循環させて運転する純水素燃料電池発電システムにおいては、徐々に燃料極の窒素分圧や水蒸気分圧が上昇するため、例えば、特許文献２に記載されているように、定期的に排出する必要があるアノード排ガスを、燃焼器や排出処理装置に供給して、排熱回収または排ガス処理するシステムも考案されている。このような構成は車載用システムにおいても適用されている。

さらに、特許文献３に記載されているように、上述したような純水素燃料電池発電システムにおいて、燃料極から排出される水素含有ガスを酸化剤極に還流させて酸化剤極で処理し、燃料極出口に配設されていた触媒燃焼器等の水素処理装置を省略または小型化を実現したシステムも考案されている。
特開２００６−８６０８０号公報 特開２００５−２８５５２５号公報 特開２００８−１４６９００号公報

しかしながら、上述したような純水素燃料電池発電システムにおいては、いずれも集合住宅向けあるいは車載用のように設置スペースが限られる場合には、システムのさらなる簡素化及びコンパクト化の実現が望まれる。

また、特許文献３に示されているように、上述したような燃料電池発電システムにおいては、酸化剤極に空気が供給されている間は、酸化剤極入口における水素濃度が、爆発限界である４％（１００％ＬＥＬ）未満、より好ましくは安全率を考慮して１％（２５％ＬＥＬ）未満となるように留意する必要があるため、この条件を常に満たすことができる簡便な運転方法の開発が切望されている。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、システムのさらなる簡素化及びコンパクト化を可能とすると共に、安全性に優れた燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項２に記載の発明は、燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックの発電時における酸素利用率が、前記燃料極に供給する燃料の燃料利用率により決定される所定値以下となるように、前記酸化剤極に供給する空気流量を制御する燃料電池発電システムの運転方法において、前記酸化剤極の出口温度を計測し、この温度が予め設定された所定値を超えた場合に、前記酸化剤極に供給する空気流量の設定値を増加する処理を行うことを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項２に記載の発明によれば、酸化剤極出口温度を監視し、この検出値に基づいて、空気ブロワの回転数の設定値を所定量増加させる補正を行うことにより、常に、酸化剤極入口の水素濃度が所定値以下となるように制御することができるので、簡便で、安全性の高い燃料電池発電システムの運転方法を提供することができる。

請求項７に記載の発明は、燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックの発電時における酸素利用率が、前記燃料極に供給する燃料の燃料利用率により決定される所定値以下となるように、前記酸化剤極に供給する空気流量を制御する燃料電池発電システムの運転方法において、前記酸化剤極の出口温度を計測し、この温度が予め設定された所定値を超えた場合に、前記燃料極から前記酸化剤極入口に還流させる水素量の設定値を減少する処理を行うことを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項７に記載の発明によれば、酸化剤極出口温度を監視し、この検出値に基づいて、燃料排出用比例弁の開度の設定値を所定量増加させる補正を行うことにより、常に、酸化剤極入口の水素濃度が所定値以下となるように制御することができるので、簡便で、安全性の高い燃料電池発電システムの運転方法を提供することができる。

以上のような本発明によれば、システムのさらなる簡素化及びコンパクト化を可能とすると共に、安全性に優れた燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することができる。

以下、本発明を適用した実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図１及び図９は本発明に係る燃料電池発電システム及びその運転方法に関する実施形態を示す構成図であり、図中の実線はガス配管、破線は電気配線の結線図、太い点線は後述する制御装置による制御をそれぞれ示している。

（１）第１実施形態
本実施形態の概要は、酸化剤極の出口に配設した温度計の検出値に基づいて、空気ブロワの回転数の設定値を適宜補正することにより、酸化剤極入口における水素濃度が、爆発限界である４％（１００％ＬＥＬ）未満、より好ましくは安全率を考慮して１％（２５％ＬＥＬ）未満となるように制御するというものである。

（１−１）構成
図１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池スタック１の燃料極１ａに燃料供給ライン４が接続され、この燃料供給ライン４を介して、水素供給源２から水素が供給されるように構成されている。また、燃料極１ａからの排出ガスは、水素還流ライン５を経由して酸化剤極１ｂへ還流されるように構成されている。なお、前記燃料供給ライン４には、水素供給弁１０ａが設けられている。

一方、燃料電池スタック１の酸化剤極１ｂには、酸化剤供給ライン６及び酸化剤排出ライン７が接続され、この酸化剤供給ライン６を介して、空気ブロワ３からの空気が供給されるように構成されている。また、前記酸化剤排出ライン７には、酸化剤極１ｂの出口側に酸化剤極出口温度を検出する温度計２０が設置されている。なお、前記酸化剤供給ライン６には空気供給弁１０ｂが、また、酸化剤排出ライン７には空気排出弁１０ｄが設けられている。さらに、前記酸化剤排出ライン７には前記空気排出弁１０ｄの下流側に、簡易触媒燃焼器８及び熱交換器９が接続されている。

なお、前記簡易触媒燃焼器８としては、従来から用いられている燃料極排出ガスを連続的に処理する触媒燃焼器または水素処理器とは大きく異なり、空気ブロワ等による空気供給等の複雑な操作及び複雑な構造を必要とせず、例えば、ハニカム状の構造体に銅系や貴金属系などの酸化触媒を添着させたものが用いられる。

また、燃料電池スタック１の冷却板１１を流通する冷媒は、冷却水ポンプ１２を介して前記熱交換器９に導入されるように構成され、この熱交換器９によって、冷却板１１を流通する冷媒及び酸化剤極排ガスの排熱が回収され、貯湯槽１３に蓄熱されるように構成されている。

また、燃料電池スタック１で得られた直流電力は、電気制御装置１４により交流電力に変換されて、外部負荷１５に供給されるように構成されている。なお、この電気制御装置１４は燃料電池スタック１の負荷電流を制御する機能も有している。

そして、本実施形態においては、制御装置３０によって、前記水素供給弁１０ａ、空気供給弁１０ｂ、空気排出弁１０ｄの開閉が制御されると共に、後述するフローチャートに示したように、前記温度計２０の検出値に基づいて、前記空気ブロワ３の回転数の設定値が適宜補正されるように構成されている。

上述したように、上記のような燃料電池発電システムにおいては、酸化剤極に空気が供給されている間は、酸化剤極入口における水素濃度が、爆発限界である４％（１００％ＬＥＬ）未満、より好ましくは安全率を考慮して１％（２５％ＬＥＬ）未満となるように留意する必要があるため、制御装置３０によって、この条件を満たすように制御される。

すなわち、制御装置３０によって、発電時には所定範囲の燃料利用率、酸素利用率で運転すると共に、起動停止時には水素流量、空気流量を制御すると共に、前記水素供給弁１０ａ、空気供給弁１０ｂ、空気排出弁１０ｄの開閉を制御するように構成されている。また、燃料電池発電システムの安全性を監視すべく、酸化剤極入口に水素濃度検出器（図示せず）を設置し、必要に応じてシステムを停止する機能を持たせている。

ここで、制御装置３０について説明する。制御装置３０は、図２に示すように、温度計２０を監視してその検出値を取得する検出部３１と、この検出値が予め設定された判定基準を満たすか否かを判定する判定部３２と、その検出値が判定基準を満たしていない場合に空気ブロワ３の回転数の設定値を補正する補正部３３と、補正された空気ブロワ３の回転数の設定値を記憶する記憶部３４と、補正された空気ブロワ３の回転数の設定値に基づいてシステムの運転制御を行う制御部３５とを備えている。

（１−２）運転方法
（１−２−１）起動時
本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法の概略は以下の通りである。すなわち、起動時には、前記水素供給弁１０ａ、空気供給弁１０ｂ及び空気排出弁１０ｄはすべて遮断され、燃料電池スタック１は密封された状態にある。この状態で起動指令がなされると、まず燃料極入口の水素供給弁１０ａ及び空気排出弁１０ｄが開かれ、燃料極１ａに水素が供給される。その後、空気ブロワ３が稼動されると共に空気供給弁１０ｂが開かれ、酸化剤極１ｂに空気が供給される。酸化剤極１ｂへの空気供給直後に、電気制御装置４により燃料電池スタックの負荷電流を上昇させ、定格発電に移行した後、起動を完了する。

なお、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、上述したように、燃料極１ａに供給する水素量及び酸化剤極１ｂに供給する空気量は、酸化剤極入口における水素濃度が４％（１００％ＬＥＬ）未満となるように制御されている。

図３は、起動時におけるより詳細なタイミングチャートを示したものである。すなわち、起動指令がなされると（図中、時刻Ｔ０）、燃料極入口の水素供給弁１０ａ及び空気排出弁１０ｄが開かれ（図中、Ａ点及びＢ点）、燃料極１ａに水素が供給される。

起動指令がなされた後（図中時刻Ｔ０）、燃料極１ａに水素供給を開始し、水素還流ライン６を経由して、水素含有ガスが酸化剤極１ｂに到達する前に（図中時刻Ｔ１）、酸化剤極１ｂへの空気供給を開始すると共に、酸化剤極入口における水素濃度が４％以下、より好ましくは１％以下となるように空気流量を決定するように制御される。その後、水素流量及び負荷電流の上昇を開始し（図中時刻Ｔ２）、水素流量と負荷電流を同期させて負荷電流を上昇させ、起動操作を完了させる（図中時刻Ｔ３）。

また、起動前に酸化剤極１ａに水素が封入されている場合には、起動直後には酸化剤極１ｂより水素が排出される。このような場合には、空気排出弁１０ｄの下流に設けられた簡易触媒燃焼器８を用いて、保管中に進入した空気により燃焼処理されるように構成されている。

（１−２−２）定格運転時
定格運転時には、電力需要により決定される負荷電流値に応じて水素流量を決定し、その水素流量に応じて酸化剤極入口における水素濃度が４％以下、より好ましくは１％以下となるように空気流量を決定するように制御される。すなわち、図４に示したように、水素濃度が４％未満、より好ましくは１％未満となる酸素利用率及び水素利用率において運転を行うように制御するように構成されている。

言い換えれば、燃料極１ａに供給される燃料の燃料利用率が、酸化剤極１ｂに供給される空気の酸素利用率により決定される所定値以上となるように、あるいは、酸化剤極１ｂに供給される空気の酸素利用率が、燃料極１ａに供給される燃料の燃料利用率により決定される所定値以下となるように、前記酸化剤極に供給する空気流量を制御するように構成されている。

（空気流量の制御方法）
本実施形態において、発電時の空気流量の制御は以下のようにして行われる。例えば、図４に示したように、発電時に水素利用率９６．２％相当の水素流量で発電を実施した場合には、酸素利用率を６０％未満で運転することにより、酸化剤極入口における水素濃度を１％未満にすることができる。一方、酸素利用率が増加した場合には酸化剤極出口温度が上昇するという点に着目し、温度計２０を監視して、酸化剤極出口温度の上昇が所定温度範囲となるまで空気ブロワ３の回転数の設定値を増加させるように制御する。

なお、その際に、水素流量の設定は、負荷電流の関数で求められた値を水素流量制御装置（図示せず）によって実現する。一方、空気流量は、予め空気ブロワの回転数を種々変化させて、酸素利用率が６０％未満となる流量値を求め、この流量値が得られる空気ブロワの回転数を、発電時のブロワ回転数の設定値“Ｒｒ”とする。

すなわち、図５のフローチャートに示すように、空気ブロワ３の回転数が、発電時空気流量“ＱＡｒ”に相当するブロワ回転数である“Ｒｒ”に設定された状態で（ステップ５０１）、温度計２０によって酸化剤極出口温度が計測され（ステップ５０２）、カウンターが“０”にセットされる（ステップ５０３）。そして、制御装置３０の判定部３２において、酸化剤極出口温度が予め設定された基準値と比較され（ステップ５０４）、該出口温度が基準値より高いと判定された場合には、制御装置３０の補正部３３によって、空気ブロワ３の回転数の設定値を所定量増加させる補正が行われる（ステップ５０５）。

次に、空気ブロワ３の回転数の設定値が補正後の値に置き換えられ（ステップ５０６）、カウンターが“１”進められる（ステップ５０７）。続いて、カウンター値が５以上か否かが判定され（ステップ５０８）、５未満の場合にはステップ５０４に戻り、再度ステップ５０４〜ステップ５０８の処理が行われる。一方、ステップ５０８において、カウンター値が５以上であると判定された場合には、燃料電池発電システムの異常を検知したとして、アラームを鳴らしたり、該システムを停止させるなどの処置がなされる。

また、ステップ５０４において、酸化剤極出口温度が基準値より低いと判定された場合には、酸化剤極１ｂに供給される空気の酸素利用率は正常範囲内にある、言い換えれば、燃料電池発電システムの運転状態は正常であるので、本処理を終了する。

（１−２−３）停止保管時
次に、停止指令がなされた場合には、図６のタイミングチャートに示したように、空気供給弁１０ｂ、空気排出弁１０ｄを閉止すると共に、負荷運転を継続する。徐々に電圧が低下し、所定の値を下回った時点で水素供給弁１０ａを閉止する。

すなわち、図中、時刻Ｔ４にて停止指令がなされると、空気供給弁１０ｂ及び空気排出弁１０ｄが遮断され（図中、Ｄ点及びＥ点）、燃料電池スタックの酸化剤極への空気供給が停止される。また、時刻Ｔ４にて同時に電気制御装置１４の運転モードを固定抵抗運転モードに切り替え（図中、Ｆ点）、燃料電池スタック１に固定抵抗を接続して、酸化剤極１ｂの酸素を消費させる。このとき、酸化剤極１ｂでの酸素消費量に応じて水素還流ライン５から水素が充填されると共に、燃料電池スタック１の平均セル電圧は徐々に低下する。

燃料電池スタック１の平均セル電圧がＶ０（ここでは０．１Ｖ）を下回った時刻Ｔ５において、電気制御装置１４を停止モードに切り替え（図中、Ｇ点）、燃料電池スタック１に接続した固定抵抗を遮断すると共に、水素供給弁１０ａを遮断して燃料極１ａの水素供給を停止する（図中、Ｈ点）。このとき、燃料電池スタック１は水素及び窒素の混合雰囲気で密封される。

（１−３）効果
上述したように、本実施形態の燃料電池発電システムによれば、従来、酸素利用率を所定範囲に制御するために用いていた空気流量計や、排出燃料を酸化剤極に還流させて酸化剤極で処理する際に必要とされた触媒燃焼器等の水素処理装置が不要となるので、システムのコンパクト化、簡素化が可能となる。また、空気ブロワの性能低下等に起因する空気ブロワの出力特性の低下による空気流量の低下、すなわち酸素利用率増加に伴う、酸化剤極入口における水素濃度の増加を防止することができる。さらに、停止保管時に燃料電池スタックを水素封入することにより、触媒の劣化を防止することができる。

また、燃料電池スタックを密封するシステムにおいては、従来燃料極及び酸化剤極の出入口の合計４箇所に閉止弁を配置する必要があったが、本実施形態においては、排出燃料を酸化剤極に還流させているため、閉止弁を３箇所にすることができ、システムの簡素化が可能となる。

さらに、本実施形態の燃料電池発電システムの運転方法によれば、酸化剤極出口温度を監視し、この検出値に基づいて、空気ブロワの回転数の設定値を所定量増加させる補正を行うことにより、常に、酸化剤極入口の水素濃度が所定値以下となるように制御することができるので、簡便で、安全性の高い燃料電池発電システムの運転方法を提供することができる。

（１−４）第１実施形態の変形例１
図７は、上記第１実施形態で示した空気流量の制御方法の変形例における処理の流れを示すフローチャートである。すなわち、上記第１実施形態においては、燃料電池スタック１の酸化剤極１ｂの出口温度を計測し、その検出値に基づいて、空気ブロワ３の回転数を制御したが、本変形例は、燃料電池スタックの定格発電時における所定時間当たりの電圧低下量を計測し、この電圧低下量が予め設定された所定値よりも増大している場合には、空気流量の低下に伴う酸素利用率の増大と判断し、順次ブロワ回転数の設定値を増加させて、電圧低下量に対する応答性を測定し、ブロワ回転数の設定値を補正する構成としたものである。

すなわち、図７のフローチャートに示すように、空気ブロワ３の回転数が、発電時空気流量“ＱＡｒ”に相当するブロワ回転数である“Ｒｒ”に設定された状態で（ステップ７０１）、カウンターが“０”にセットされ（ステップ７０２）、燃料電池スタック電圧が測定される（ステップ７０３）。続いて、ディレイタイマーが例えば１０秒にセットされ（ステップ７０４）、この時間内における電圧低下量が測定される（ステップ７０５）。

そして、制御装置３０の判定部３２において、ステップ７０５で測定された電圧低下量が予め設定された基準値と比較され（ステップ７０６）、該電圧低下量が基準値より大きいと判定された場合には、制御装置３０の補正部３３によって、空気ブロワ３の回転数の設定値を所定量増加させる補正が行われる（ステップ７０７）。

次に、空気ブロワ３の回転数の設定値が補正後の値に置き換えられ（ステップ７０８）、カウンターが“１”進められる（ステップ７０９）。続いて、カウンター値が５以上か否かが判定され（ステップ７１０）、５未満の場合にはステップ７０３に戻り、再度ステップ７０３〜ステップ７１０の処理が行われる。一方、ステップ７１０において、カウンター値が５以上であると判定された場合には、燃料電池発電システムの異常を検知したとして、アラームを鳴らしたり、該システムを停止させるなどの処置がなされる。

また、ステップ７０６において、電圧低下量が基準値より小さいと判定された場合には、酸化剤極１ｂに供給される空気の酸素利用率は正常範囲内にある、言い換えれば、燃料電池発電システムの運転状態は正常であるので、本処理を終了する。

（１−５）第１実施形態の変形例２
本変形例は、酸化剤極入口の水素濃度の増加を改善するための方法として、図３に示した起動時空気流量“ＱＡｏ”に相当する空気ブロワ回転数“Ｒｏ”を補正する（増加させる）ことで、空気流量を増加させるように制御するものである。

図８は、本変形例における処理の流れを示すフローチャートである。すなわち、本変形例においては、起動時において、平均開回路電圧（図３のＰ点）を測定すると共に、その値が予め設定された所定値未満の場合には、空気流量低下に伴う水素濃度増加と判断し、順次ブロワ回転数の設定値を増加させて、平均開回路電圧低下量に対する応答性を測定し、ブロワ回転数の設定値を補正する構成としたものである。

なお、上述したような水素濃度増加を判断するための平均開回路電圧としては、例えば０．９Ｖから０．９５Ｖの範囲で選定する。本構成を採用することにより、長期運転に伴って、電解質膜の水素クロスオーバー量の増加に伴う酸素利用率増加を補正することができる。

すなわち、図８のフローチャートに示すように、水素流量が起動時の初期設定値である“ＱＨｏ”に設定され（ステップ８０１）、ディレイタイマーがＴ１−Ｔｏにセットされ（ステップ８０２）、空気ブロワ３の回転数が起動時の空気流量“ＱＡｏ”に相当する空気ブロワ回転数“Ｒｏ”に設定され（ステップ８０３）、カウンターが“０”にセットされ（ステップ８０４）、平均開回路電圧が測定される（ステップ８０５）。

そして、制御装置３０の判定部３２において、ディレイタイマーの時間内における平均開回路電圧が予め設定された基準値と比較され（ステップ８０６）、該平均開回路電圧が基準値より低いと判定された場合には、空気流量低下に伴う水素濃度増加と判断され、制御装置３０の補正部３３によって、空気ブロワ３の起動時の設定値“Ｒｏ”を所定量増加させる補正が行われる（ステップ８０７）。

次に、起動時の空気ブロワ３の回転数の設定値“Ｒｏ”が補正後の値に置き換えられると共に、発電時の空気ブロワ３の回転数の設定値“Ｒｒ”も同様の補正がなされた後の設定値に置き換えられ（ステップ８０８）、カウンターが“１”進められる（ステップ８０９）。続いて、カウンター値が５以上か否かが判定され（ステップ８１０）、５未満の場合にはステップ８０６に戻り、再度ステップ８０６〜ステップ８１０の処理が行われる。一方、ステップ８１０において、カウンター値が５以上であると判定された場合には、燃料電池発電システムの異常を検知したとして、アラームを鳴らしたり、該システムを停止させるなどの処置がなされる。

また、ステップ８０６において、平均開回路電圧が基準値より高いと判定された場合には、酸化剤極１ｂに供給される空気の酸素利用率は正常範囲内にある、言い換えれば、燃料電池発電システムの運転状態は正常であるので、本処理を終了する。

なお、本変形例においては、空気流量低下に伴う水素濃度増加を、１セル当たりの平均開回路電圧で判定したが、平均開回路電圧の低下量の上限値、あるいは、燃料電池スタック全体の開回路電圧の下限値で判定する制御を用いても良い。

また、上述したように、ステップ８０８において、起動時の空気ブロワ３の回転数の設定値“Ｒｏ”と同時に、発電時の空気ブロワ３の回転数の設定値“Ｒｒ”を補正することにより、図３に示した発電時の空気流量設定値“ＱＡｒ”を予め増加させることができる。本構成を採用することにより、長期運転に伴って、電解質膜の水素クロスオーバー量の増加に伴う酸素利用率増加を補正することができる。

（２）第２実施形態
本実施形態の概要は、前記水素還流ライン５に分岐ライン４０を設け、この分岐ライン４０に燃料排出用比例弁４１を配設し、酸化剤極１ｂの出口に配設した温度計の検出値に基づいて、燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を適宜補正することにより、酸化剤極入口における水素濃度が、爆発限界である４％（１００％ＬＥＬ）未満、より好ましくは安全率を考慮して１％（２５％ＬＥＬ）未満となるように制御するというものである。

（２−１）構成
本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、図９に示すように、燃料極１ａからの排出ガスの一部を前記簡易触媒燃焼器８に還流させるために、前記水素還流ライン５に分岐ライン４０が設けられると共に、この分岐ライン４０には、燃料排出用比例弁４１が設けられている。また、前記酸化剤排出ライン７には、酸化剤極１ｂの出口側に酸化剤極出口温度を検出する温度計２０が設置されている。

また、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、制御装置３０は、前記温度計２０の検出値に基づいて、前記燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を適宜補正するように構成されている。具体的には、温度計２０の検出値が所定値より高い場合には、水素還流ライン５の分岐ライン４０に設けられた燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を増加させることによって、酸化剤極１ｂに還流される水素流量を減少させるように制御する。その他の構成は上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

（２−２）還流水素量の制御方法
本実施形態において、発電時の還流水素量の制御は以下のようにして行われる。すなわち、酸素利用率が増加した場合には、酸化剤極出口温度が上昇するという点に着目し、温度計２０を監視して、酸化剤極出口温度の上昇が所定温度範囲となるまで燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を適宜補正するように構成されている。

すなわち、図１０のフローチャートに示すように、燃料排出用比例弁４１の開度が初期設定値である“Ｋｏ”に設定された状態で（ステップ１００１）、温度計２０によって酸化剤極出口温度が計測され（ステップ１００２）、カウンターが“０”にセットされる（ステップ１００３）。そして、制御装置３０の判定部３２において、酸化剤極出口温度が予め設定された基準値と比較され（ステップ１００４）、該出口温度が基準値より高いと判定された場合には、制御装置３０の補正部３３によって、燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を所定量増加させる補正が行われる（ステップ１００５）。

次に、燃料排出用比例弁４１の開度の設定値が補正後の値に置き換えられ（ステップ１００６）、カウンターが“１”進められる（ステップ１００７）。続いて、カウンター値が５以上か否かが判定され（ステップ１００８）、５未満の場合にはステップ１００４に戻り、再度ステップ１００４〜ステップ１００８の処理が行われる。一方、ステップ１００８において、カウンター値が５以上であると判定された場合には、燃料電池発電システムの異常を検知したとして、アラームを鳴らしたり、該システムを停止させるなどの処置がなされる。

また、ステップ１００４において、酸化剤極出口温度が基準値より低いと判定された場合には、酸化剤極１ｂに供給される空気の酸素利用率は正常範囲内にある、言い換えれば、燃料電池発電システムの運転状態は正常であるので、本処理を終了する。

（２−３）効果
本実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果が得られる。特に、本実施形態の燃料電池発電システムの運転方法によれば、酸化剤極出口温度を監視し、この検出値に基づいて、燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を所定量増加させる補正を行うことにより、常に、酸化剤極入口の水素濃度が所定値以下となるように制御することができるので、簡便で、安全性の高い燃料電池発電システムの運転方法を提供することができる。

（２−４）第２実施形態の変形例１
図１１は、上記第２実施形態で示した還流水素量の制御方法の変形例における処理の流れを示すフローチャートである。すなわち、上記第２実施形態においては、燃料電池スタック１の酸化剤極１ｂの出口温度を計測し、その検出値に基づいて、燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を増加させるように制御したが、本変形例においては、燃料電池スタックの定格発電時における所定時間当たりの電圧低下量を計測し、この電圧低下量が予め設定された所定値よりも増大している場合には、空気流量低下又は還流水素量増加に伴う酸素利用率の増大と判断し、順次燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を増加させて、電圧低下量に対する応答性を測定し、燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を補正する構成としたものである。

すなわち、図１１のフローチャートに示すように、燃料排出用比例弁４１の開度が初期設定値である“Ｋｏ”に設定された状態で（ステップ１１０１）、カウンターが“０”にセットされ（ステップ１１０２）、燃料電池スタック電圧が測定される（ステップ１１０３）。続いて、ディレイタイマーが例えば１０秒にセットされ（ステップ１１０４）、この時間内における電圧低下量が測定される（ステップ１１０５）。

そして、制御装置３０の判定部３２において、ステップ１１０５で測定された電圧低下量が予め設定された基準値と比較され（ステップ１１０６）、該電圧低下量が基準値より大きいと判定された場合には、空気流量低下又は還流水素量増加に伴う水素濃度増加と判断され、制御装置３０の補正部３３によって、燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を所定量増加させる補正が行われる（ステップ１１０７）。

次に、燃料排出用比例弁４１の開度の設定値が補正後の値に置き換えられ（ステップ１１０８）、カウンターが“１”進められる（ステップ１１０９）。続いて、カウンター値が５以上か否かが判定され（ステップ１１１０）、５未満の場合にはステップ１１０３に戻り、再度ステップ１１０３〜ステップ１１１０の処理が行われる。一方、ステップ１１１０において、カウンター値が５以上であると判定された場合には、燃料電池発電システムの異常を検知したとして、アラームを鳴らしたり、該システムを停止させるなどの処置がなされる。

また、ステップ１１０６において、電圧低下量が基準値より小さいと判定された場合には、酸化剤極１ｂに供給される空気の酸素利用率は正常範囲内にある、言い換えれば、燃料電池発電システムの運転状態は正常であるので、本処理を終了する。

（２−５）第２実施形態の変形例２
図１２は、本変形例における処理の流れを示すフローチャートである。すなわち、本変形例においては、起動時において、平均開回路電圧（図３のＰ点）を測定すると共に、その値が予め設定された所定値未満の場合には、空気流量低下又は還流水素量増加に伴う水素濃度増加と判断し、順次燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を増加させて、平均開回路電圧低下量に対する応答性を測定し、燃料排出用比例弁４１の開度の設定値を補正する構成としたものである。

なお、上述したような水素濃度増加を判断するための平均開回路電圧としては、例えば０．９Ｖから０．９５Ｖの範囲で選定する。本構成を採用することにより、長期運転に伴って、電解質膜の水素クロスオーバー量の増加に伴う酸素利用率増加を補正することができる。

すなわち、図１２のフローチャートに示すように、水素流量が起動時の初期設定値である“ＱＨｏ”に設定され（ステップ１２０１）、燃料排出用比例弁４１の開度が起動時の設定値である“Ｋｏ”に設定され（ステップ１２０２）、ディレイタイマーがＴ１−Ｔｏにセットされ（ステップ１２０３）、空気ブロワ３の回転数が起動時の空気流量“ＱＡｏ”に相当するブロワ回転数“Ｒｏ”に設定され（ステップ１２０４）、カウンターが“０”にセットされ（ステップ１２０５）、平均開回路電圧が測定される（ステップ１２０６）。

そして、制御装置３０の判定部３２において、ディレイタイマーの時間内における平均開回路電圧が予め設定された基準値と比較され（ステップ１２０７）、該平均開回路電圧が基準値より低いと判定された場合には、空気流量低下又は還流水素量増加に伴う水素濃度増加と判断され、制御装置３０の補正部３３によって、燃料排出用比例弁４１の開度の起動時の設定値“Ｋｏ”を所定量増加させる補正が行われる（ステップ１２０８）。

次に、起動時の燃料排出用比例弁４１の開度の設定値“Ｋｏ”が補正後の値に置き換えられ（ステップ１２０９）、カウンターが“１”進められる（ステップ１２１０）。続いて、カウンター値が５以上か否かが判定され（ステップ１２１１）、５未満の場合にはステップ１２０７に戻り、再度ステップ１２０７〜ステップ１２１１の処理が行われる。一方、ステップ１２１１において、カウンター値が５以上であると判定された場合には、燃料電池発電システムの異常を検知したとして、アラームを鳴らしたり、該システムを停止させるなどの処置がなされる。

また、ステップ１２０７において、平均開回路電圧が基準値より高いと判定された場合には、酸化剤極１ｂに供給される空気の酸素利用率は正常範囲内にある、言い換えれば、燃料電池発電システムの運転状態は正常であるので、本処理を終了する。

なお、本変形例においては、空気流量低下又は還流水素量増加に伴う水素濃度増加を、１セル当たりの平均開回路電圧で判定したが、平均開回路電圧の低下量の上限値、あるいは、燃料電池スタック全体の開回路電圧の下限値で判定する制御を用いても良い。

（３）他の実施形態
本発明は、上述したような実施形態やその変形例に限定されるものではなく、上記の制御方法を組み合わせて適用しても良く、これにより、より信頼性の高い燃料電池発電システムを実現することができる。

また、上記第１実施形態においては、空気流量の設定値の補正を、空気ブロワの回転数を対象として行ったが、酸化剤供給ラインに空気供給用比例弁や空気流量計を設け、この比例弁の開度や空気流量計の設定値を補正するようにしても良い。

本発明に係る燃料電池発電システムの第１実施形態の構成を示す図。 制御装置３０の構成を示すブロック図。 本発明に係る燃料電池発電システムの起動時における発電起動動作を示すタイミングチャート。 本発明に係る燃料電池発電システムの定格運転時における燃料利用率と酸素利用率の関係を示す図。 本発明に係る燃料電池発電システムの第１実施形態における発電時の空気流量の補正処理の流れを示すフローチャート。 本発明に係る燃料電池発電システムの運転停止時における発電停止動作を示すタイミングチャート。 本発明に係る燃料電池発電システムの第１実施形態の変形例１における発電時の空気流量の補正処理の流れを示すフローチャート。 本発明に係る燃料電池発電システムの第１実施形態の変形例２における起動時の空気流量の補正処理の流れを示すフローチャート。 本発明に係る燃料電池発電システムの第２実施形態の構成を示す図。 本発明に係る燃料電池発電システムの第２実施形態における発電時の還流水素量の補正処理の流れを示すフローチャート。 本発明に係る燃料電池発電システムの第２実施形態の変形例１における発電時の還流水素量の補正処理の流れを示すフローチャート。 本発明に係る燃料電池発電システムの第２実施形態の変形例２における起動時の還流水素量の補正処理の流れを示すフローチャート。

符号の説明

１…燃料電池スタック
１ａ…燃料極
１ｂ…酸化剤極
１ｃ…電解質膜
２…水素供給源
３…空気ブロワ
４…燃料供給ライン
５…水素還流ライン
６…酸化剤供給ライン
７…酸化剤排出ライン
８…簡易触媒燃焼器
９…熱交換器
１０ａ…水素供給弁
１０ｂ…空気供給弁
１０ｃ…水素排出弁
１０ｄ…空気排出弁
１１…冷却板
１２…冷却水ポンプ
１３…貯湯槽
１４…電気制御装置
１５…外部負荷
２０…温度計
３０…制御装置
４０…分岐ライン
４１…燃料排出用比例弁

Claims (10)

1. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムにおいて、
   前記酸化剤排出ラインには、酸化剤極の出口側に酸化剤極出口温度を検出する温度計が設置され、この温度計の検出値が予め設定された所定値を超えた場合に、前記酸化剤極に供給する空気流量の設定値を増加するように構成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムの運転方法であって、
   前記燃料電池スタックの発電時における酸素利用率が、前記燃料極に供給する燃料の燃料利用率により決定される所定値以下となるように、前記酸化剤極に供給する空気流量を制御する燃料電池発電システムの運転方法において、
   前記酸化剤極の出口温度を計測し、この温度が予め設定された所定値を超えた場合に、前記酸化剤極に供給する空気流量の設定値を増加する処理を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
3. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムの運転方法であって、
   前記燃料電池スタックの発電時における酸素利用率が、前記燃料極に供給する燃料の燃料利用率により決定される所定値以下となるように、前記酸化剤極に供給する空気流量を制御する燃料電池発電システムの運転方法において、
   前記燃料電池スタックの起電力の低下速度が、予め設定された所定値を超えた場合に、前記酸化剤極に供給する空気流量の設定値を増加する処理を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
4. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムの運転方法であって、
   前記燃料電池スタックの発電時における酸素利用率が、前記燃料極に供給する燃料の燃料利用率により決定される所定値以下となるように、前記酸化剤極に供給する空気流量を制御する燃料電池発電システムの運転方法において、
   発電開始過程において開回路電圧を計測し、この開回路電圧が予め設定された所定値を下回った場合に、発電開始過程又は発電時に前記酸化剤極に供給する空気流量の設定値を増加する処理を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
5. 前記酸化剤極に供給する空気流量の設定値を増加する処理が行われた場合に、増加後の設定値を、該処理後に酸化剤極に供給する空気流量の設定値として適用することを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
6. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムにおいて、
   前記水素還流ラインに分岐ラインが設けられ、この分岐ラインに燃料排出用比例弁が設置されると共に、前記酸化剤排出ラインには、酸化剤極の出口側に酸化剤極出口温度を検出する温度計が設置され、この温度計の検出値が予め設定された所定値を超えた場合に、前記酸化剤極に還流させる水素量の設定値を減少するように構成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムの運転方法であって、
   前記燃料電池スタックの発電時における酸素利用率が、前記燃料極に供給する燃料の燃料利用率により決定される所定値以下となるように、前記酸化剤極に供給する空気流量を制御する燃料電池発電システムの運転方法において、
   前記酸化剤極の出口温度を計測し、この温度が予め設定された所定値を超えた場合に、前記燃料極から前記酸化剤極入口に還流させる水素量の設定値を減少する処理を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
8. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムの運転方法であって、
   前記燃料電池スタックの発電時における酸素利用率が、前記燃料極に供給する燃料の燃料利用率により決定される所定値以下となるように、前記酸化剤極に供給する空気流量を制御する燃料電池発電システムの運転方法において、
   前記燃料電池スタックの起電力の低下速度が、予め設定された所定値を超えた場合に、前記燃料極から前記酸化剤極入口に還流させる水素量の設定値を減少する処理を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
9. 燃料極及び酸化剤極を備えた燃料電池スタックと、前記燃料極に水素含有ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤極に空気を供給する酸化剤供給ラインと、前記酸化剤極での既反応空気を排出する酸化剤排出ラインと、前記燃料極から排出される水素含有ガスを前記酸化剤極入口に還流させる水素還流ラインとが設けられた燃料電池発電システムの運転方法であって、
   前記燃料電池スタックの発電時における酸素利用率が、前記燃料極に供給する燃料の燃料利用率により決定される所定値以下となるように、前記酸化剤極に供給する空気流量を制御する燃料電池発電システムの運転方法において、
   発電開始過程において開回路電圧を計測し、この開回路電圧が予め設定された所定値を下回った場合に、前記燃料極から前記酸化剤極入口に還流させる水素量の設定値を減少する処理を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
10. 前記燃料極から前記酸化剤極入口に還流させる水素量の設定値を減少する処理が行われた場合に、減少後の設定値を、該処理後に前記酸化剤極入口に還流させる水素量の設定値として適用することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの運転方法。

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