JP5770622B2

JP5770622B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5770622B2
Application number: JP2011288318A
Authority: JP
Inventors: 覚上野山; 卓若林; 岩田　伸; 伸岩田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP2013137932A

Description

本発明は、炭化水素系の燃料ガスを燃料として用いて発電を行う燃料電池システムに関する。

炭化水素系の燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガスなど）を用いて発電を行う燃料電池システム（例えば、固体酸化物形燃料電池システム）として、燃料ガス供給流路に配設された燃料ガス流量制御手段と、水供給流路に配設された水流量制御手段と、燃料ガスを改質用水を用いて水蒸気改質するための改質器と、改質器からの改質燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池（例えば、燃料電池セルスタック）と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。燃料ガス流量制御手段（例えば、燃料ポンプ）は、燃料ガス供給流路を通して改質器に供給される燃料ガスの供給流量を制御し、水流量制御手段（例えば、水ポンプ）は、水供給流路を通して改質器に供給される改質用水の供給流量を制御し、改質器は、燃料ガス供給流路を通して供給された燃料ガスを水供給流路を通して供給された改質用水を用いて水蒸気改質する。改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガスは燃料電池に送給され、この燃料電池は、改質燃料ガスをアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う。

このような燃料電池システムにおいては、システムの耐久性及び発電効率の観点から、改質器での水蒸気改質反応において水蒸気モル数（Ｓ）と炭化水素系の燃料ガス中の炭化モル数（Ｃ）との比率（Ｓ／Ｃ）（以下、この比率を「Ｓ／Ｃ」という）を最適な値に維持することが望まれる。Ｓ／Ｃの値が所定範囲より小さいと、燃料電池（燃料電池セルスタック）において燃料ガス中のカーボンが析出して燃料電池の劣化が速まり、またＳ／Ｃ値が所定範囲よりも大きいと、燃料電池の発電効率が低下する。

また、燃料電池システムの燃料利用率についても、システムの耐久性及び発電効率の観点から、最適な値に維持することが望まれる。燃料利用率とは、供給した燃料（燃料ガス）のうち発電に寄与した燃料（燃料ガス）の割合であり、この燃料利用率が所定範囲より小さいと、燃料電池（燃料電池セルスタック）の発電効率が低下し、また燃料利用率が所定範囲より大きいと、燃料電池の耐久性が低下する。

一定の出力で発電している燃料電池（燃料電池セルスタック）に供給される燃料ガスの組成が一定である場合、Ｓ／Ｃ及び燃料利用率は変動せず、一定に維持することができる。しかし、燃料ガスの組成が変動した場合、燃料電池（燃料電池スタック）の発電に必要な燃料ガスの供給流量が変動する。即ち、燃料ガスの組成変化により水蒸気改質反応で生成される水素量（換言すると、発電に寄与する電子数）が変化するためであり、また、燃料ガスの流量を検知するために熱式流量計を用いた場合、熱式流量計が燃料ガスの熱量とその流量との関係を利用して計測するものであるために、燃料ガスの組成変動が生じるとその熱量が変化し、これによって、その流量も変化するためである。このようなことから、燃料ガスの組成が変動すると、Ｓ／Ｃ及び燃料利用率も変動し、発電効率の低下、燃料電池（燃料電池セルスタック）の耐久性低下が生じるおそれがある。

燃料ガスの組成変動によるこのような問題を解消するために、燃料ガス供給流路に熱式流量計を配設してその組成変動を検知して制御するようにしたものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。このシステムにおいては、熱式流量計の検知信号に基づいて燃料ガス中の炭素の質量流量が演算され、この演算結果に基づいて水蒸気の供給流量が制御され、このように制御することによって、Ｓ／Ｃを所定値に維持することができる。

特開２０１１−２２２４７８号公報特許第４１６２９３８号公報

しかしながら、このような熱式流量計を上述の燃料電池システムに適用したとしても、燃料ガスの組成変動による燃料利用率の変動を制御することができず、この組成変動による発電効率の低下、燃料電池の耐久性の低下を解消することができない。また、燃料ガスの組成変動に伴う燃料電池システムの稼働制御を行ったとしても、制御切換えの際の過渡的期間において過渡的なＳ／Ｃ及び燃料利用率の変化を制御することができず、このことに起因して、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。

本発明の目的は、燃料ガスの組成変動に伴う稼働制御を行った場合において過渡的期間における燃料電池の耐久性の低下を抑えることができる燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、炭化水素系の燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス流量制御手段と、改質用水を供給する水供給流路と、前記水供給流路を通して供給される前記改質用水の供給量を制御する水流量制御手段と、前記燃料ガス供給流路からの前記燃料ガスを前記水供給流路からの前記改質用水を用いて水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガスをアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池と、前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御するための制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路には、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの流量を検知するための熱式質量流量検知手段、及び供給される前記燃料ガスの熱量を検知するための熱量検知手段が設けられ、前記熱量検知手段による検知熱量が減少したとき、変動後の前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御する組成変動後運転の前の過渡的期間において、前記制御手段は前記改質器に供給される前記改質用水の供給量を増大するように前記水流量制御手段を制御し、また前記熱量検知手段による検知熱量が増大したとき、前記過渡的期間において、前記制御手段は前記改質器に供給される前記燃料ガスの供給量を増大するように前記燃料ガス流量制御手段を制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記過渡的期間において、変動前の前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御する組成変動前運転における前記改質用水の供給量以上となるように前記水流量制御手段を制御することを特徴とする。
請求項１に記載の燃料電池システム。

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムは、炭化水素系の燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス流量制御手段と、改質用水を供給する水供給流路と、前記水供給流路を通して供給される前記改質用水の供給量を制御する水流量制御手段と、前記燃料ガス供給流路からの前記燃料ガスを前記水供給流路からの前記改質用水を用いて水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガスをアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池と、前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御するための制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路には、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの流量を検知するための熱式質量流量検知手段、及び供給される前記燃料ガスの組成変化による熱量を検知するための熱量検知手段が設けられ、前記熱量検知手段による検知熱量が増大したとき、変動後の前記燃料ガスの組成変化に基づいて前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御する組成変更後運転の前の過渡的期間において、前記制御手段は前記改質器に供給される前記燃料ガスの供給量を増大するように前記燃料ガス流量制御手段を制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記過渡的期間において、変動前の前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御する組成変動前運転における前記燃料ガスの供給量以上となるように前記燃料ガス流量制御手段を制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムでは、前記熱量検知手段は、前記燃料ガスの音速を利用し、前記音速−発熱量関係指標に基づいて前記燃料ガスの熱量を検知することを特徴とする。

更に、本発明の請求項６に記載の燃料電池システムでは、前記熱量検知手段は、前記燃料ガスの燃焼熱を利用して前記燃料ガスの熱量を検知することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、炭化水素系の燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路に燃料ガス供給流路を通して供給される燃料ガスの流量を検知するための熱式質量流量検知手段、及び供給される燃料ガスの熱量を検知するための熱量検知手段が設けられ、この熱量検知手段による検知熱量が減少したとき、組成変動後の運転に移行する前の過渡的期間において改質用水の供給量を増大するように水流量制御手段が制御されるので、この過渡的期間において改質用水の供給量が一時的に増大してＳ／Ｃが上昇し、その結果、Ｓ／Ｃが低下した状態での稼働運転が回避され、燃料電池（例えば、燃料電池セルスタック）の耐久性低下を抑えることができる。また、熱量検知手段による検知熱量が増大したときに、過渡的期間において燃料ガスの供給量を増大するように燃料ガス流量制御手段が制御されるので、改質器に供給される燃料ガスが一時的に増大して燃料ガスの利用率が低下し、その結果、燃料利用率が上昇した状態での稼働運転が回避され、燃料電池の耐久性低下を抑えることができる。

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、過渡的期間においては、燃料ガスの組成変動前の運転における改質用水の供給量以上となるように水流量制御手段が制御されるので、比較的簡単な制御でもって改質用水の供給量を増大させて燃料電池の耐久性低下を抑えることができる。

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムによれば、熱量検知手段による検知熱量が増大したときに、変動後の燃料ガスの組成変化に基づいて燃料ガス流量制御手段及び水流量制御手段を制御する組成変更後運転の前の過渡的期間において、燃料ガスの供給量を増大するように燃料ガス流量制御手段が制御されるので、改質器に供給される燃料ガスが一時的に増大して燃料ガスの利用率が低下し、その結果、燃料利用率が上昇した状態での稼働運転が回避され、燃料電池の耐久性低下を抑えることができる。

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、過渡的期間においては、組成変動前運転における燃料ガスの供給量以上となるように燃料ガス流量制御手段が制御されるので、比較的簡単な制御でもって燃料ガスの供給量を増大させて燃料電池の耐久性低下を抑えることができる。

また、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムによれば、熱量検知手段は、燃料ガスの音速を利用し、音速−発熱量関係指標に基づいてその熱量を検知するので、燃料ガスの熱量を精度よく検知することができる。

更に、本発明の請求項請求項６に記載の燃料電池システムによれば、熱量検知手段は、燃料ガスの燃焼熱を利用してその熱量を検知するので、燃料ガスの熱量を精度よく検知することができる。

本発明に従う燃料電池システムの一実施形態を示す簡略図。図１の燃料電池システムの制御系を示すブロック図。図２の制御系による制御を示すフローチャート。燃料ガスの熱量と価数との関係を示す図。燃料ガスの熱量と燃料利用率との関係を示す図。熱量減少となるように燃料ガスの組成が変動したときのＳ／Ｃ及び燃料利用率の変化を示す図。燃料減少となるように燃料ガスの組成が変動したときに本実施形態の制御を適用したときのＳ／Ｃ及び燃料利用率の変化を示す図。燃料増大となるように燃料ガスが変動したときのＳ／Ｃ及び燃料利用率の変化を示す図。燃料増加となるように燃料ガスの組成が変動したときに本実施形態の制御を適用したときのＳ／Ｃ及び燃料利用率の変化を示す図。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態について説明する。尚、この実施形態では、燃料電池システムとして固体酸化物形燃料電池システムに適用して説明するが、燃料ガスを水蒸気改質する改質器を備えた他の形態の燃料電池システムにも同様に適用することができる。

図１において、燃料電池システム２は、炭化水素系の燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガスなど）を消費して発電を行うものであり、改質用水を気化させて水蒸気を生成するための気化器４と、燃料ガスを水蒸気を用いて改質するための改質器６と、改質器６にて改質された改質燃料ガスをアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池セルスタック８（燃料電池を構成する）と、を備えている。

この燃料電池セルスタック８は、例えば、複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成され、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた空気極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。

燃料電池セルスタック８の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路１０を介して改質器６に接続され、この改質器６は、ガス・水蒸気送給流路１２を介して気化器４に接続されている。気化器４は、燃料ガス供給流路１４を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源１６（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続され、この燃料ガス供給流路１４に熱式質量流量検知手段１８（例えば、熱線式流量計）、熱量検知手段１９（例えば、熱量計）及び燃料ポンプ２０（燃料ガス流量制御手段を構成する）が配設されている。燃料ポンプ２０は、燃料ガス供給源１６からの燃料ガスを気化器４に送給し、熱式質量流量検知手段１８は燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスの流量を検知し、熱量検知手段１９は燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスの熱量を測定する。この熱式質量流量検知手段１８及び熱量検知手段１９については後述する。尚、燃料ガス供給流路１４を気化器４に接続することに代えて、改質器６に直接的に接続するようにしてもよい。

この実施形態では、燃料ポンプ２０は電圧に比例して回転数が変動する形態のものであり、供給される電圧が上がる（又は下がる）と、その回転数が上昇（又は低下）し、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの供給流量が増大（又は減少）する。従って、この燃料ポンプ２０は、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの供給流量を制御する燃料ガス流量制御手段としても機能する。尚、燃料ガス流量制御手段として専用の流量制御弁などを用いるようにしてもよい。

気化器４は、水供給流路２２を介して水供給源２４（例えば、水タンクなど）に接続され、この水供給流路２２に水ポンプ２６が配設されている。この水ポンプ２６は、水供給源２４からの改質用水を気化器４に供給する。

この実施形態では、水ポンプ２６も、燃料ポンプ２０と同様に、電圧に比例して回転数が変動する形態のものであり、供給される電圧が上がる（又は下がる）と、その回転数が上昇（又は低下）し、水供給流路２２を通して供給される改質用水の供給流量が増大（又は減少）する。従って、この水ポンプ２６は、水供給流路１４を通して供給される改質用水の供給流量を制御する水流量制御手段としても機能する。尚、水流量制御手段として専用の流量制御弁などを用いるようにしてもよい。

このように構成されているので、燃料ガス供給源１６からの炭化水素系の燃料ガスは、燃料ガス供給流路１４を通して気化器４に送給され、この気化器４からガス・水蒸気送給流路１２を通して改質器６に送給される。また、水供給源２４からの改質用水は、水供給流路２２を通して気化器４に送給され、この気化器４において気化されて水蒸気となり、この水蒸気がガス・水蒸気送給流路１２を通して改質器６に送給される。改質器６では、燃料ガスが水蒸気により水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路１０を通して燃料電池セルスタック８の燃料極側に送給される。

この燃料電池セルスタック８の空気極の導入側は、空気供給流路２８を介して大気に開放されており、かかる空気供給流路２８に空気ブロア３０及び空気流量計３２が配設されている。空気ブロア３０は、カソードガスとしての空気を燃料電池セルスタック８の空気極側に送給し、空気流量計３２は空気供給流路２８を流れる空気の供給流量を計測する。

この実施形態では、空気ブロア３０も、燃料ポンプ２０及び水ポンプ２６と同様に、電圧に比例して回転数が変動する形態のものであり、供給される電圧が上がる（又は下がる）と、その回転数が上昇（又は低下）し、空気供給流路２８を通して供給される空気の供給流量が増大（又は減少）する。従って、この空気ブロア３０は、空気供給流路２８を通して供給される空気の供給流量を制御する空気流量制御手段としても機能する。

燃料電池セルスタック８の燃料極及び空気極の排出側には燃焼室３４が設けられ、燃料電池セルスタック８の一端から排出された反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）と空気極側から排出された空気（酸素を含んでいる）とが、この燃焼室３４に送給されて燃焼される。燃焼室３４には排気ガス排出流路３６が接続され、その排出側は大気に開放され、燃焼室３４からの排気ガスが排気ガス排出流路３６を通して大気に排出される。

この実施形態では、気化器４、改質器６、燃料電池セルスタック８及び燃焼室３４が収容ハウジング３８に収容されている。図示の収容ハウジング３８は、金属製（例えば、ステンレス鋼製）のハウジング本体４０を備え、このハウジング本体４０の内面を覆うように断熱部材（図示せず）が配設され、この断熱部材の内側に高温室４２が規定され、気化器４、改質器６及び燃料電池セルスタック８が高温室４２内で高温状態に保たれ、高温室４２内の熱を利用して、気化器４において改質用水の気化が行われ、また改質器６において燃料ガスの水蒸気改質が行われる。

このような燃料電池システム２では、燃料電池セルスタック８の耐久性の低下、発電効率の低下を抑えるために、改質器６における水蒸気改質反応ではＳ／Ｃ（炭化水素系燃料ガス中の炭素モル数に対する水蒸気モル数の比率）及び燃料利用率（ＵＦ）を一定値に維持する、即ちＳ／Ｃを例えば２．０に、燃料利用率を例えば６０％に維持するのが望ましく、燃料ガスの組成が変動したときにも、その組成の変動に対応してＳ／Ｃ及び燃料利用率がこれらの値に維持するのが望ましい。尚、Ｓ／Ｃについては、
Ｓ／Ｃ＝〔（水流量）／１８〕／〔（燃料流量）×（価数）／２２．４〕・・・（１）
で表すことができ、また燃料利用率（ＵＦ）については、
ＵＦ＝〔２２．４×（電流（Ａ））〕／〔９６４８５（ｃ／ｍｏｌ）×（価数）×（燃料流量（Ｌ／ｓｅｃ））〕・・・（２）
で表すことができる。
このようなことから、この燃料電池システム２では、上述したように、燃料ガス供給流路１４に熱量検知手段１９が設けられる。この熱量検知手段１９は、燃料ガス供給流路１４を通して改質器６に供給される燃料ガスの熱量（即ち、燃料ガスの組成に基づく熱量）を検知する。このような熱量検知手段１９は、燃料ガスの音速（この音速とは、燃料ガス中での音波の伝搬速度をいう）を利用し、予め発熱量が判明し組成の異なる複数の標準ガスの各々の音速−温度−圧力の関係指標からこの燃料ガスの温度、圧力における音速と発熱量との関係として求まる音速−発熱量関係指標に基づきこの燃料ガスの熱量を求めるものを用いることができ、例えば、特許第３６１１４１６号公報に開示されているものを好都合に用いることができる。

熱量検知手段１９としては、上述したものに代えて、燃料ガスの燃焼熱を利用したものを用いるようにしてもよく、このような熱量検知手段は、例えば燃料ガスをバーナーで燃焼させ、その燃焼排ガスの温度と燃焼空気の入り口温度の差から熱量を検知するものである。

燃料ガスの組成が変動すると、この変動に伴い燃料電池セルスタック８にて発電に寄与する電子数も変化し、Ｓ／Ｃを一定に維持するにはこの電子数の変化に伴い燃料ガスの供給流量も変化させる必要がある。更に説明すると、炭化水素系の燃料ガス中に含まれるメタン、エタンなどは、ガス種によって発電に寄与する電子数が決まっている。例えば、メタンの場合、
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋４Ｈ２（４Ｈ２ → ８Ｈ^＋＋８ｅ⁻）
となり、メタンの電子数（「価数」ともいう）は「８」となる。同様に、エタンについては、
Ｃ２Ｈ６＋４Ｈ２０ → ２ＣＯ^２＋７Ｈ２（７Ｈ２ → １４Ｈ^＋＋１４ｅ⁻）
となり、エタンの電子数（価数）は「１４」となる。同様にして、プロパン（Ｃ２Ｏ８）の電子数は「２０」となり、ブタン（Ｃ４Ｏ１０）の電子数は「２６」となる。燃料ガスの組成が表１に示すように各種変化すると、その組成の電子数（価数）は、表１の最下欄に示すようになる。

例えば、燃料ガスの熱量が４５ＭＪ／ｍ^３から４０ＭＪ／ｍ^３に変動した場合、電子数（価数）は、８．９９３から８．０１４に下がる。この燃料ガスの熱量（ＨＨＶ）とその電子数（価数）との関係は、図４に示す通りの一次関数、即ち、
価数（ｙ）＝０，２０３７×〔熱量（ｘ）〕−０．１２８６・・・（３）
と表すことができる。従って、燃料電池セルスタック８にて必要な燃料流量Ｖは、変動前の燃料ガスの流量をＶ０とすると、
Ｖ＝Ｖ０×（８．９９３／８．０１４）・・・（４）
となり、燃料ガスの組成変動によりガス熱量が下がるとその価数が下がるために、燃料ガスの供給流量を増やす必要があり、これとは反対に、ガス熱量が上がるとその価数が上がるために、燃料ガスの供給流量を減らす必要がある。

また、燃料ガスの熱量（ＨＨＶ）とその燃料利用率との関係は、図５に示す通りの一次関数、即ち、
燃料利用率（ｙ）＝−０．０１１２×〔熱量（ｘ）〕＋１．１８４・・・（５）
となり、燃料ガスの組成変動によりガス熱量が下がると燃料利用率が下がるために、燃料ガスの供給流量を増やす必要があり、これとは反対に、ガス熱量が上がると燃料利用率が下がるために、燃料ガスの供給流量を減らす必要がある。

熱式質量流量検知手段１８は、燃料ガスの持つ熱拡散作用を用いて質量流量を測定するものであり、この種の熱式質量流量検知手段１８（例えば、熱線式流量計）においては、流れるガスの種類によって流量と熱拡散作用との関係は変化する。このガス種の流量とその熱拡散作用との関係を表した値がコンバージョンファクタ（以下、「ＣＦ」としても表す）と称され、このＣＦは、窒素（Ｎ２）及び空気を基準値「１」とし、各ガス種のＣＦは、表２に示す通りである。例えば、窒素で設定された熱式質量流量検知手段１８（例えば、熱線式流量計）にヘリウム（Ｈｅ）を流すと、ＣＦが１．４０である故に、熱式質量流量検知手段１８の計測値の１．４倍の流量が流れる（熱式質量流量検知手段１８の計測表示値が例えば１００ｃｃ／ｍｉｎであると、実際の流量は１４０ｃｃ／ｍｉｎとなる）。

燃料ガスの組成が変化した際の熱量、価数（電子数）、ＣＦ、燃料利用率及びＳ／Ｃの関係を表３に示す。表３は、燃料電池セルスタック８の出力電力（発電電力）が５００Ｗの場合のこれらの関係を示し、このような関係の表は、燃料電池セルスタック８の各出力電力（例えば、５００Ｗ、６００Ｗ、７００Ｗなど）に対応して設けられる。燃料ガスの熱量と価数（電子数）とは、上述したように上記（３）式（図４も参照）に示す通りの関係があり、燃料ガスの熱量からその価数を算出することができる。また、燃料ガスの熱量と燃料利用率とは、上述したように上記（４）式（図５も参照）に示す通りの関係があり、燃料ガスの熱量から燃料利用率を算出することができる。

燃料ガスの組成が変動したときの燃料ガスの価数変動に伴う燃料ガスの供給流量の補正及び熱式質量流量検知手段１８の計測流量の変動に伴う燃料ガス供給流量の補正について説明すると、次の通りである。燃料電池システム２の効率的な運転を行うために、例えば、Ｓ／Ｃが例えば２．０に、また燃料利用率（ＵＦ）が例えば６０％に設定されている場合を一例として説明すると、例えば、電力負荷に応じて燃料電池セルスタック８の出力電力（即ち、発電電力）が設定され、これによって、燃料電池スタック８から取り出す電流値が設定され、燃料利用率が例えば６０％であることから、この電流値を発電するに要する燃料ガスの供給流量（この供給流量に対応する燃料ポンプ２０の回転数）が設定される。また、このように設定された燃料ガスの供給流量を基に、Ｓ／Ｃが例えば２．０に設定されることから、燃料ガスを水蒸気改質するための改質用水の供給流量（この供給流量に対応する水ポンプ２６の回転数）が設定され、このようにして発電電力に対応する燃料ガス及び改質用水の供給流量が設定される。

例えば、熱量４５ＭＪ／ｍ^３の燃料ガスを用いて燃料電池セルスタック８が例えば発電電力５００Ｗで運転状態されているときの燃料ガスの供給流量が例えば２．０Ｌ／ｍｉｎ、また改質用水の供給流量が例えば４．３５ｍＬ／ｍｉｎとし、このような運転状態において燃料ガスの組成変動によりその熱量が例えば４０ＭＪ／ｍ^３に変動したとすると、燃料ガスの価数（電子数）の変化及びＣＦの変化を考慮すると、表３から明らかなように、燃料利用率（ＵＦ）は６２．３％に、またＳ／Ｃは２．１５に変わる。

燃料ガスの組成変動により上昇した燃料利用率（ＵＦ）を６２．３％から６０％に下げるためには、燃料ガスの供給流量（Ｗ１）を２．０５Ｌ／ｍｉｎ〔２．０（Ｌ／ｍｉｎ）×１０２．３＝２．０５（Ｌ／ｍｉｎ）〕にすることによって、変動した燃料利用率（ＵＦ）を元の設定値の６０％に戻すことができる。また、このように燃料ガスの供給流量を２．０５Ｌ／ｍｉｎに変更することによって、Ｓ／Ｃが２．１５から２．１０に変わるので、このＳ／Ｃを２．１０から２．０に下げるためには、水供給流量を４．１４ｍＬ／ｍｉｎ（上記（２）式を用いて演算する）にすることによって、変動したＳ／Ｃを元の設定値の２．０に戻すことができる。

上述したように水供給流量、燃料ガス供給流量を制御することによって、燃料ガスの組成が変動してもＳ／Ｃ及び燃料利用率を所定値に維持することができ、この燃料電池システム２では、このように制御するとともに、燃料ガスの組成変動の際の過渡的時期における不都合を解消するために、図２に示す制御系を備えている。

この燃料電池システム２の制御系は、例えば、マイクロプロセッサなどから構成されるコントローラ６２を備え、このコントローラ６２は、出力電流設定手段６４、燃料ガス流量演算手段６６、水流量演算手段６７、ガス組成変動判定手段６８、Ｓ／Ｃ演算手段７０及び燃料利用率演算手段７２を含んでいる。出力電力設定手段６４は、例えば、燃料電池システム２の発電電力を消費する電力負荷（図示せず）に関連して設けられる電力負荷検知手段７２の検知負荷状態に応じて出力電力（発電電力）を設定し、例えば電力負荷をまかなうように出力電力を設定する。例えば、電力負荷が５００Ｗであるときには、燃料電池セルスタック８の出力電力が５００Ｗとなるように設定する。燃料ガス流量演算手段６６は、燃料利用率が例えば６０％に維持されるように燃料ガスの供給流量を演算し、また水流量演算手段６７は、燃料ガスを上述した供給流量流したときにＳ／Ｃが２．０となるように改質用水の供給流量を演算する。

ガス組成変動判定手段６８は、熱量検知手段１９の検知信号に基づいてガス組成が変動したかを判定し、例えば、上記表３に示したように、燃料ガスの熱量が例えば「１」変化したときに燃料ガスの組成が変動したと判定する。Ｓ／Ｃ演算手段７０は、変動したガス組成によるＳ／Ｃを演算し、また燃料利用率演算手段７２は、変動したガス組成による燃料利用率を演算する。

このコントローラ６２は、更に、燃料ガス流量補正演算手段７６、水流量補正演算手段７８、制御手段８０、計時手段８２及びメモリ手段８４を含んでいる。燃料ガス流量補正演算手段７６は、組成変更前の燃料ガスの供給流量以上となるように、例えばこの供給流量よりも例えば５〜１０％程度多くなるように供給流量を演算する。また水流量補正演算手段７８は、組成変更前の改質用水の供給流量以上となるように、例えば、この供給流量よりも１０〜２０％程度多くなるように供給流量を演算する。

制御手段８０は、燃料ポンプ２０及び水ポンプ２６の回転数を制御して改質器４に送給される燃料ガス及び改質用水の供給流量を制御する。また、計時手段８２は計時を行い、この形態では、ガス組成変動判定手段６８がガス組成の変動を判定した後に計時を開始し、この計時開始から所定時間（例えば、５〜１５秒程度であって、例えば１０秒程度に設定される）を計時する。更に、メモリ手段８４には各種データ、例えば燃料ガスの組成変化に関するデータ（表３に関するデータ）、Ｓ／Ｃに関するデータ（上記（１）式に関するデータ）及び燃料利用率（ＵＦ）に関するデータ（上記（２）式に関するデータ）などが登録されている。

次に、上述した制御系による燃料電池システム２の稼働制御について説明する。主として図２及び図３を参照して、燃料ガスの組成変動前においては、変化前の燃料ガスの組成により燃料電池システム２が稼働運転される（ステップＳ１）。例えば、燃料利用率が６０％に、またＳ／Ｃが２．０に設定された稼働運転状態において、出力電力（発電電力）５００Ｗ時に熱量４５ＭＪ／ｍ^３の組成の燃料ガスが供給されているときには、燃料ガスの供給流量が例えば２．０Ｌ／ｍｉｎに、また改質用水の供給流量が例えば４．３５ｍＬ／ｍｉｎとなるように設定され、制御手段８０は、燃料ガス及び改質用水の供給流量が上述した供給流量となるように燃料ポンプ２０及び水ポンプ２６を作動制御し、このように制御することによって、燃料電池システム２（燃料電池セルスタック８）は、Ｓ／Ｃが２．０で、燃料利用率が６０％で稼働運転される。

このような稼働運転状態において、燃料ガスの組成が変動して例えば燃料ガス熱量が４０ＭＪ／ｍ^３に減少すると、ガス組成変動判定手段６８は、熱式流量検知手段１８からの検知信号に基づいてガス組成の変動有りと判定し、ステップＳ２からステップＳ３及びステップＳ４を経てステップＳ５に移る。

このようにガス組成の変動があると、計時手段８２が計時を開始する（ステップＳ５）。そして、燃料利用率演算手段７２は、変動した組成の燃料ガスの価数及びＣＦを考慮して、変動した組成の燃料ガスの燃料利用率を演算し（ステップＳ６）、またＳ／Ｃ演算手段７０は、変動した組成の燃料ガスのＳ／Ｃを演算し（ステップＳ７）、燃料利用率を設定の値（例えば６０％）に戻すために、燃料ガス流量演算手段６６は、上述したようにして燃料ガスの供給流量を演算し（ステップＳ８）、また水流量演算手段６７は、Ｓ／Ｃを設定値（例えば、２．０）に戻すために、上述したようにして改質用水の供給流量を演算し（ステップＳ９）、演算した燃料ガスの供給流量が例えば２．１Ｌ／ｍｉｎに、また演算した改質用水の供給流量が例えば４．１３ｍＬ／ｍｉｎとなる。

熱量検知手段１９がガス組成の変動した燃料ガスを検知したときには、この熱量検知手段１９の配設部位から燃料電池セルスタック８までの間の領域（気化器４及び改質器６などが存在する領域）に、変動前のガス組成の燃料ガス（即ち、４５ＭＪ／ｍ^３の燃料ガス）が存在しており、この燃料ガスが過渡的期間（具体的には、熱量検知手段１９にて検知された変動後の組成の燃料ガスが燃料電池スタック８に送給されるまでの期間に相当し、例えば１０〜１５秒程度に設定される）においては、この変動前のガス組成の燃料ガスが燃料電池セルスタック８に供給される。

このとき、燃料ガスの熱量が４５ＭＪ／ｍ^３から４０ＭＪ／ｍ^３に変化しており、従って、熱量検知手段１９により燃料流量をフィードバックした燃料流量値が、例えば２．１Ｌ／ｍｉｎとなり、この過渡的期間においては、変更前の組成の燃料ガス、即ち４５ＭＪ／ｍ^３の燃料ガスが２．１Ｌ／ｍｉｎで供給され、また改質用水が４．１３ｍＬ／ｍｉｎで供給されるようになり、図６で示すように、過渡的に燃料利用率（ＵＦ）が下がり、Ｓ／Ｃが低下するようになる。

このような過渡的期間におけるＳ／Ｃの低下は、カーボンの析出の原因となり、燃料電池セルスタック８の劣化が速まり、その耐久性が低下するために、このような運転状態を避ける必要がある。尚、燃料利用率の低下は発電効率の低下となるが、可逆的な事象であるために、過渡的に避ける必要性は低くなる。

このようなことから、この燃料電池システム２においては、この過渡的期間においてＳ／Ｃの低下を回避するために、改質用水の供給流量を増大させ、ガス組成変動前の改質用水の供給流量以上となるように構成される。即ち、ステップＳ１０において、水流量補正演算手段７８は、水供給流量を増大させるように補正演算し、この実施形態では、ガス組成変動前の改質用水の供給流量の１０〜２０％増大するように演算し（ステップＳ１０）、その演算値が例えば５．１ｍＬ／ｍｉｎに設定される。そして、この過渡的期間においては、制御手段８０は、燃料ガスの供給流量が例えば２．１Ｌ／ｍｉｎになるように燃料ポンプ２０を作動制御するとともに、改質用水の供給流量が例えば５．１ｍＬ／ｍｉｎとなるように水ポンプ２６を作動制御する（ステップＳ１１）。従って、この過渡的期間の稼働運転においては、図７に示すように、この過渡的期間においてＳ／Ｃが２．１と上昇し、これによって、Ｓ／Ｃが低い状態で稼働運転されることが回避され、その結果、カーボンの析出が抑えられ、燃料電池セルスタック８の急激な劣化を抑えることができる。

この過渡的期間が終了する、換言すると計時手段８２が所定時間を計時すると、ステップＳ１２を経てステップＳ１３に移り、制御手段８０は、燃料ガスの流量を本来の供給流量、即ち燃料ガス流量演算手段６６により演算した供給流量（例えば、２．１Ｌ／ｍｉｎ）となるように燃料ポンプ２０を作動制御し、また改質用水の流量を本来の供給流量、即ち水流量演算手段６７により演算した供給流量（例えば、４．１３ｍＬ／ｍｉｎ）となるように水ポンプ２６を作動制御し、このような供給状態でもって燃料電池システム２が稼働運転される（ステップＳ１３）。従って、ガス組成変動後の燃料ガスによる運転においてもＳ／Ｃが例えば２，０で、燃料利用率が例えば６０％となり、燃料ガスのガス組成の変動によりその熱量が下がったにもかかわらず、ガス組成の変動前のＳ／Ｃ及び燃料利用率でもって燃料電池システム２を稼働運転することができる。

一方、燃料ガスの組成が変動してその熱量が例えば４０ＭＪ／ｍ^３から４５ＭＪ／ｍ^３に増加すると、ガス組成変動判定手段６８は、熱量検知手段１９からの検知信号に基づいてガス組成の変動有りと判定し、ステップＳ２からステップＳ３を経てステップＳ１４に移る。

このようにガス組成の変動があると、計時手段８２が計時を開始する（ステップＳ１４）。そして、燃料利用率演算手段７２は、変動した組成の燃料ガスの価数及びＣＦを考慮して、変動した組成の燃料ガスの燃料利用率を演算し（ステップＳ１５）、またＳ／Ｃ演算手段７０は、変動した燃料ガスのＳ／Ｃを演算し（ステップＳ１６）、燃料利用率を設定の値（例えば６０％）に戻すために、燃料ガス流量演算手段６６は、上述したようにして燃料ガスの供給流量を演算し（ステップＳ１７）、また水流量演算手段６７は、Ｓ／Ｃを設定値（例えば、２．０）に戻すために、上述したようにして改質用水の供給流量を演算し（ステップＳ１８）、演算した燃料ガスの供給流量が例えば２．１８Ｌ／ｍｉｎに、また演算した改質用水が例えば４．０９ｍＬ／ｍｉｎとなる。

熱量検知手段１９がガス組成の変動した燃料ガスを検知したときには、この熱量検知手段１９の配設部位から燃料電池セルスタック８までの間の領域においては、変動前のガス組成の燃料ガス（即ち、４０ＭＪ／ｍ^３の燃料ガス）が存在しており、この燃料ガスが上記過渡的期間において燃料電池セルスタック８に供給される。

このとき、燃料ガスの熱量が４０ＭＪ／ｍ^３から４５ＭＪ／ｍ^３に変化しており、従って、この過渡的期間においては、変更前の組成の燃料ガス、即ち４０ＭＪ／ｍ^３の燃料ガスが２．１８Ｌ／ｍｉｎで供給され、また改質用水が４．０９ｍＬ／ｍｉｎで供給されるようになり、図８で示すように、過渡的に燃料利用率（ＵＦ）が上がり、Ｓ／Ｃが上昇するようになる。

このような過渡的期間における燃料利用率の上昇は、耐久性の低下の原因となり、燃料電池セルスタック８の劣化が速まるために、このような運転状態を避ける必要がある。尚、Ｓ／Ｃの上昇は発電効率の低下となるが、可逆的な事象であるために、過渡的に避ける必要性は低くなる。

このようなことから、この燃料電池システム２においては、この過渡的期間において燃料利用率の上昇を回避するために、燃料ガスの供給流量を増大させ、ガス組成変動前の燃料ガスの供給流量以上となるように構成される。即ち、ステップＳ１９において、燃料ガス流量補正演算手段７６は、燃料ガス供給流量を増大させるように補正演算し、この実施形態では、ガス組成変動前の燃料ガスの供給流量の５〜１０％増大するように演算し、その演算値が例えば２．５Ｌ／ｍｉｎに設定される。そして、この過渡的期間においては、制御手段８０は、燃料ガスの供給流量が例えば２．５Ｌ／ｍｉｎになるように燃料ポンプ２０を作動制御するとともに、改質用水の供給流量が例えば４．０９ｍＬ／ｍｉｎとなるように水ポンプ２６を作動制御する（ステップＳ２０）。従って、この過渡的期間の稼働運転においては、図９に示すように、この過渡的期間において燃料利用率が約５８％と低くなり、これによって、燃料利用率が高い状態で稼働運転されることが回避され、その結果、燃料電池セルスタック８の急激な劣化を抑えることができる。

この過渡的期間が終了する（換言すると、計時手段８２が所定時間を計時する）と、ステップＳ２１を経てステップＳ２２に移り、制御手段８０は、燃料ガスの流量を本来の供給流量、即ち燃料ガス流量演算手段６６により演算した供給流量（例えば、２．１８Ｌ／ｍｉｎ）となるように燃料ポンプ２０を作動制御し、また改質用水の流量を本来の供給流量、即ち水流量演算手段６７により演算した供給流量（例えば、４．０９ｍＬ／ｍｉｎ）となるように水ポンプ２６を作動制御し、このような供給状態でもって燃料電池システム２が稼働運転される。従って、ガス組成変動後の燃料ガスによる運転においてもＳ／Ｃが例えば２，０で、燃料利用率が例えば６０％となり、燃料ガスのガス組成の変動によりその熱量が上昇したにもかかわらず、ガス組成の変動前のＳ／Ｃ及び燃料利用率でもって燃料電池システム２を稼働運転することができる。

以上、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

例えば、上述した実施形態では、ガス組成の変動により燃料ガスの熱量が減少したときには、過渡的期間において改質用水の供給流量を増大させているが、これとともに、燃料ガスの供給流量を制御するようにしてもよい。また、燃料ガスの熱量が増大したときには、過渡的期間において燃料ガスの供給流量を増大させているが、これとともに、改質用水の供給流量を制御するようにしてもよい。

２燃料電池システム
４気化器
６改質器
８燃料電池（燃料電池セルスタック）
１４燃料ガス供給流路
１８熱式流量検知手段
１９熱量検知手段
２０燃料ポンプ（燃料ガス流量制御手段）
２６水ポンプ（水流量制御手段）
６２コントローラ
６８ガス組成変動判定手段
７０Ｓ／Ｃ演算手段
７２燃料利用率演算手段
７６燃料ガス流量補正演算手段
７８水流量補正演算手段

Claims

炭化水素系の燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス流量制御手段と、改質用水を供給する水供給流路と、前記水供給流路を通して供給される前記改質用水の供給量を制御する水流量制御手段と、前記燃料ガス供給流路からの前記燃料ガスを前記水供給流路からの前記改質用水を用いて水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガスをアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池と、前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御するための制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路には、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの流量を検知するための熱式質量流量検知手段、及び供給される前記燃料ガスの熱量を検知するための熱量検知手段が設けられ、前記熱量検知手段による検知熱量が減少したとき、変動後の前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御する組成変動後運転の前の過渡的期間において、前記制御手段は前記改質器に供給される前記改質用水の供給量を増大するように前記水流量制御手段を制御し、また前記熱量検知手段による検知熱量が増大したとき、前記過渡的期間において、前記制御手段は前記改質器に供給される前記燃料ガスの供給量を増大するように前記燃料ガス流量制御手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記過渡的期間において、変動前の前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御する組成変動前運転における前記改質用水の供給量以上となるように前記水流量制御手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
炭化水素系の燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス流量制御手段と、改質用水を供給する水供給流路と、前記水供給流路を通して供給される前記改質用水の供給量を制御する水流量制御手段と、前記燃料ガス供給流路からの前記燃料ガスを前記水供給流路からの前記改質用水を用いて水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガスをアノードガスとし、空気をカソードガスとして発電を行う燃料電池と、前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御するための制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路には、前記燃料ガス供給流路を通して供給される前記燃料ガスの流量を検知するための熱式質量流量検知手段、及び供給される前記燃料ガスの組成変化による熱量を検知するための熱量検知手段が設けられ、前記熱量検知手段による検知熱量が増大したとき、変動後の前記燃料ガスの組成変化に基づいて前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御する組成変更後運転の前の過渡的期間において、前記制御手段は前記改質器に供給される前記燃料ガスの供給量を増大するように前記燃料ガス流量制御手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記過渡的期間において、変動前の前記燃料ガスの組成に基づいて前記燃料ガス流量制御手段及び前記水流量制御手段を制御する組成変動前運転における前記燃料ガスの供給量以上となるように前記燃料ガス流量制御手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記熱量検知手段は、前記燃料ガスの音速を利用し、前記音速−発熱量関係指標に基づいて前記燃料ガスの熱量を検知することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記熱量検知手段は、前記燃料ガスの燃焼熱を利用して前記燃料ガスの熱量を検知することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。