JP6265829B2

JP6265829B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法

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Publication number: JP6265829B2
Application number: JP2014103079A
Authority: JP
Inventors: 寿典石野; 美妃堂腰; 藥丸　雄一; 雄一藥丸; 森田　純司; 純司森田; 大白▲濱▼; 大塚　俊治; 俊治大塚
Original assignee: Toto Ltd; Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Toto Ltd; Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-05-19
Also published as: JP2015220113A

Description

本発明は燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。

需要先に対して、燃料電池の発電電力を安定かつ高効率に供給するには、燃料電池の発電性能を維持し得る温度範囲内に、燃料電池の温度を制御する必要がある。燃料電池の温度制御の方法として、例えば、原料ガス供給量、酸化剤ガス供給量を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２７７５２５号公報

しかし、特許文献１は、燃料電池の温度を下げる制御において、燃料電池の劣化及び燃料電池システムの効率低下の影響については十分に検討されていない。

本発明の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の温度を下げる制御において、従来に比べ、燃料電池の劣化を抑えつつ、燃料電池システムの効率低下を抑制し得る燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様の燃料電池システムは、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検知する温度検知器と、原料の供給量を調整する原料供給器と、酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池のアノードオフガスを用いて燃焼し、前記燃料電池を加熱する燃焼器と、前記酸化剤ガス供給器により酸化剤ガスの供給量を増加させて、前記燃料電池の温度が低下するよう制御しているときに前記酸化剤ガス供給器の動作量が最大動作量よりも小さい閾値以上になると、前記酸化剤ガス供給器の動作量の増加を制限し、前記燃料電池の燃料利用率が上がるように前記原料供給器を制御する制御器と、を備える。

また、本発明の一態様の燃料電池システムの運転方法は、改質器で原料を用いて水素含有ガスを生成するステップ（ａ）と、燃料電池で水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電するステップ（ｂ）と、燃焼器で前記燃料電池のアノードオフガスを用いて燃焼し、前記燃料電池を加熱するステップ（ｃ）と、酸化剤ガス供給器により酸化剤ガスの供給量を増加させて、前記燃料電池の温度を低下させるステップ（ｄ）と、ステップ（ｄ）において、前記酸化剤ガス供給器の動作量が最大動作量よりも小さい閾値以上になると、前記酸化剤ガス供給器の動作量の増加を制限し、前記燃料電池の燃料利用率が上がるように前記原料供給器が動作するステップ（ｅ）と、を備える。

本発明の一態様の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、燃料電池の温度を下げる制御において、従来に比べ、燃料電池の劣化を抑えつつ、燃料電池システムの効率低下を抑制し得る。

図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。図２は、第１実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。図３は、第１実施形態の変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。図４は、第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。図５は、第２実施形態の第１変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。図６は、第２実施形態の第２変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。図７は、第３実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。図８は、第４実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
本発明者らは、燃料電池の温度を下げる制御において、燃料電池の劣化及び燃料電池システムの効率低下の影響について鋭意検討し、以下の知見を得た。

燃料電池の温度制御において、燃料電池の温度を上げるには、酸化剤ガス供給量を減らし、原料供給量を増やすことで対応できる。逆に、燃料電池の温度を下げるには、酸化剤ガス供給量を増やし、原料供給量を減らすことで対応できる。

ここで、酸化剤ガス供給量を増加させると、その分、酸化剤ガス供給器の消費電力が増大する。燃料電池システムの発電効率は、燃料電池システムを動作させるために必要な補機の消費電力も含めて算出される。このため、補機の一種である酸化剤ガス供給器の消費電力が増えるほど、燃料電池システムの発電効率は低下する。

一方、原料供給量を減らすことにより、燃料電池の温度を下げることもできる。しかし、原料供給量を減らすと、燃料電池における燃料枯れが起きる場合がある。燃料枯れが生じることで、燃料電池は電極酸化で劣化する可能性がある。これにより、燃料電池の信頼性が低下する。

そこで、本発明者らは、燃料電池の温度を低下させる制御においては、酸化剤ガス供給器の動作量の制御を、原料供給器の動作量の制御よりも優先的に実行するという着想に到達した。

すなわち、第１実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池の温度を検知する温度検知器と、原料の供給量を調整する原料供給器と、酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤ガス供給器と、燃料電池のアノードオフガスを用いて燃焼し、燃料電池を加熱する燃焼器と、酸化剤ガス供給器により酸化剤ガスの供給量を増加させて、燃料電池の温度が低下するように制御しているときに酸化剤ガス供給器の動作量が最大動作量よりも小さい閾値以上になると、酸化剤ガス供給器の動作量の増加を制限し、燃料電池の燃料利用率が上がるように原料供給器を制御する制御器と、を備える。

また、第１実施形態の燃料電池システムの運転方法は、改質器で原料を用いて水素含有ガスを生成するステップ（ａ）と、燃料電池で水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電するステップ（ｂ）と、燃焼器で燃料電池のアノードオフガスを用いて燃焼し、燃料電池を加熱するステップ（ｃ）と、酸化剤ガス供給器により酸化剤ガスの供給量を増加させて、燃料電池の温度を低下させるステップ（ｄ）と、ステップ（ｄ）において、酸化剤ガス供給器の動作量が最大動作量よりも小さい閾値以上になると、酸化剤ガス供給器の動作量の増加を制限し、燃料電池の燃料利用率が上がるように原料供給器が動作するステップ（ｅ）と、を備える。

以上により、燃料電池の温度を下げる制御において、酸化剤ガス供給器の動作量が閾値より小さい場合、酸化剤ガス供給器の動作量の制御を優先的に実行しているので、従来に比べ、燃料電池の劣化を抑制できる。また、酸化剤ガス供給器の動作量が閾値以上になると、酸化剤ガス供給器の動作量の増加を制限し、燃料電池の燃料利用率が上がるように原料供給器を制御する。よって、従来に比べ、燃料電池システムの効率低下を抑制できる。

［装置構成］
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、改質器１２と、燃料電池１０と、温度検知器１５と、原料供給器１１と、酸化剤ガス供給器１３と、燃焼器１４と、制御器１６と、を備える。

改質器１２は、原料を用いて水素含有ガスを生成する。改質器１２における改質反応は、いずれの形態であってもよい。例えば、改質反応として、水蒸気改質反応、オートサーマル反応又は部分酸化反応等が例示される。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器等が設けられる。改質反応が部分酸化、又はオートサーマル反応であれば、更に、空気を供給する空気供給器が設けられる。

燃料電池１０は、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する。燃料電池１０としては、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。

温度検知器１５は、燃料電池１０の温度を検知する。温度検知器１５は、燃料電池１０の温度を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、燃料電池１０中に温度検知器１５を設け、燃料電池１０の温度を直接的に検知しても構わないし、燃料電池１０の温度と相関する所定の箇所に温度検知器１５を設け、燃料電池１０の温度を間接的に検知しても構わない。本実施形態では、燃料電池１０中に、温度検知器１５が配置されている。温度検知器１５として、例えば、熱電対、サーミスタ等が例示される。

原料供給器１１は、原料の供給量を調整する。原料供給器１１により、原料が改質器１２に供給される。また、原料供給器１１により、改質器１２からの水素含有ガスが燃料電池１０のアノードに供給される。

原料供給器１１は、原料の供給量を調整できれば、どのような構成であっても構わない。原料供給器１１は、例えば、昇圧器と流量調整弁等により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプ等が用いられるが、これに限定されるものではない。なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス又はＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む。原料は、原料供給源より供給される。原料供給源は、所定の供給圧を備えており、例えば、原料ボンベ、原料インフラ等が例示される。

酸化剤ガス供給器１３は、酸化剤ガスの供給量を調整する。酸化剤ガス供給器１３により、酸化剤ガスが燃料電池１０に供給される。酸化剤ガス供給器１３は、酸化剤ガスの供給量を調整できれば、どのような構成であっても構わない。酸化剤ガス供給器１３として、例えば、送風機等が例示される。送風機として、例えば、ブロア、ファン等が例示される。酸化剤ガスとして、例えば、空気等の酸素含有ガスが例示される。

燃焼器１４は、燃料電池１０のアノードオフガスを用いて燃焼し、燃料電池１０を加熱する。つまり、燃焼器１４の燃料は、燃料電池１０のアノードより排出される水素ガス含有のアノードオフガスが用いられる。燃焼器１４は、燃料電池１０のアノードオフガスを用いて燃焼し、燃料電池１０を加熱できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、燃焼器１４は、予混合燃焼バーナであってもいいし、拡散燃焼バーナであっていい。

制御器１６は、酸化剤ガス供給器１３により酸化剤ガスの供給量を増加させて、燃料電池１０の温度が低下するように制御しているときに酸化剤ガス供給器１３の動作量が最大動作量よりも小さい閾値以上になると、酸化剤ガス供給器１３の動作量の増加を制限し、燃料電池１０の燃料利用率が上がるように原料供給器１１を制御する。制御器１６は、制御機能を備えるものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器１６は、例えば、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵ等が例示される。記憶部としては、例えば、メモリー等が例示される。制御器１６は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもいいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもいい。

［動作］
図２は、第１実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１６の制御プログラムにより行われる。

燃料電池システム１００の発電中、改質器１２で原料を用いて水素含有ガスが生成される。また、燃料電池１０で水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電が行われる。また、燃焼器１４で燃料電池１０のアノードオフガスを用いて燃焼が行われ、これにより、燃料電池１０が加熱される。

ここで、需要先に対して、燃料電池１０の発電電力を安定かつ高効率に供給するには、燃料電池１０の温度Ｔを所定の目標値Ｇとなるように制御する必要がある。なお、この目標値Ｇは、燃料電池システム１００の構成又は動作条件等に対応して適宜の値を設定しても構わない。目標値Ｇは、一定の閾値温度だけでなく、燃料電池１０の温度Ｔの目標範囲であってもよい。

よって、図２に示すように、ステップＳ１０１で、燃料電池１０の温度Ｔが、目標値Ｇよりも高いか否かが判定される。なお、目標値Ｇが、燃料電池１０の温度Ｔの目標範囲である場合は、ステップＳ１０１で、燃料電池１０の温度Ｔが、目標値Ｇとしての上記目標範囲の上限値よりも高いか否かが判定される。

ステップＳ１０１において、燃料電池１０の温度Ｔが、目標値Ｇ以下の場合、ステップＳ１０１の判定動作が、そのまま継続される。

一方、燃料電池１０の温度Ｔが、目標値Ｇよりも高い場合、次の判定ステップに進み、ステップＳ１０２で、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃが、最大動作量よりも小さい閾値Ｓ以上か否かが判定される。

ステップＳ１０２において、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃが閾値Ｓよりも小さい場合、ステップＳ１０４で、酸化剤ガス供給器１３により酸化剤ガスの供給量が増加され、燃料電池１０の温度Ｔが低下するように酸化剤ガス供給器１３が制御される。このとき、ステップＳ１０４において、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃが閾値Ｓ以上になると、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃの増加が制限され、ステップＳ１０３で、燃料電池１０の燃料利用率が上がるように原料供給器１１が制御される。具体的には、燃料電池１０への原料供給量を減少させて燃料電池１０の燃料利用率を上げることで、燃料電池１０の温度Ｔが低下するように原料供給器１１が制御される。

すなわち、酸化剤ガス供給器１３の動作量が、閾値Ｓよりも小さい場合については、原料供給器１１の動作量制御を行わずに、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃの制御のみで、燃料電池１０の温度制御を行う。これは、以下の理由による。

原料供給器１１により原料の供給量を減らすことは、燃料電池１０における燃料枯れが起きて、これにより、燃料電池１０は電極酸化で劣化する可能性がある。よって、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃの制御を優先的に行うことで、従来に比べ、燃料枯れによる燃料電池１０の劣化を抑制できる。

一方、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃの制御では、酸化剤ガスの供給量を増やすため、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃが増加する。本動作量Ｃの増加に伴い、酸化剤ガス供給器１３の消費電力が大きくなる。発電中の燃料電池システム１００において、酸化剤ガス供給器１３等の補機の動作に必要な電力には、燃料電池１０の発電電力が用いられる。このため、補機による消費電力が増えるほど、燃料電池システム１００の発電効率は低下する。また、酸化剤ガス供給器１３は、例えば、ブロワ又はファン等が用いられ、ブロア又はファンは、一般的に、燃料電池システム１００における補機消費電力量の占有率が高い。よって、高効率な燃料電池システム１００の実現には、酸化剤ガス供給器１３による消費電力を減らすことが重要である。

そこで、本実施形態では、上記のとおり、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃに対して、酸化剤ガス供給器１３の最大動作量よりも小さい閾値Ｓが設けられ、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃが本閾値Ｓ以上にならないように酸化剤ガス供給器１３が制御されている。例えば、酸化剤ガス供給器１３がブロワ又はファンである場合、ブロア又はファンの回転体の回転数に対して、この回転体の最大回転数よりも小さい閾値が設けられ、ブロア又はファンの回転体の回転数が本閾値以上にならないようにブロア又はファンが制御されている。

なお、この閾値Ｓは、酸化剤ガス供給器１３の最大動作量よりも小さい範囲であれば、燃料電池システム１００の構成等に対応して適宜の値を設定しても構わない。例えば、閾値Ｓを燃料電池システム１００の発電効率目標値達成のための酸化剤ガス供給器１３の消費電力の限界値として設定してもよい。これにより、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃの増加に伴う燃料電池システムの発電効率の低下を抑制できる。

このようにして、本実施形態では、燃料電池１０の温度を下げる制御において、従来に比べ、燃料電池１０の劣化を抑えつつ、燃料電池システム１００の効率低下を抑制し得る。

（変形例）
第１実施形態の変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、燃料電池の燃料利用率が上がるように原料供給器からの原料供給量を調整する制御を実行した後、この制御を停止し、酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガス供給量の調整による燃料電池の温度制御を再開する。

かかる構成により、燃料電池の燃料利用率が上がるように原料供給器からの原料供給量を調整する制御を限定的に実行できる。つまり、原料供給器からの原料供給量を減らして燃料電池の燃料利用率を上げる時間を限定できる。よって、燃料電池の燃料利用率が上がるように原料供給器からの原料供給量を調整する制御を実行した後、本制御を停止しない場合に比べ、燃料枯れによる燃料電池の劣化を抑制できる。

本変形例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
本変形例の燃料電池システム１００の装置構成は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様であるので説明を省略する。

［動作］
図３は、第１実施形態の変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１６の制御プログラムにより行われる。

図３のステップＳ１０１−ステップＳ１０４は、第１実施形態の燃料電池システム１００の動作と同様であるので説明を省略する。

燃料電池１０の温度を下げるため、原料供給器１１からの原料供給量を減らすことは、上記のとおり、燃料電池１０が劣化する可能性がある。このため、原料供給器１１からの原料供給量を減らして燃料電池１０の燃料利用率を上げる時間は短い方がよい。

そこで、本変形例では、燃料電池１０の燃料利用率が上がるように原料供給器１１からの原料供給量を調整する制御を実行した後、ステップＳ１０５で、所定のタイミングに到達したか否かが判定される。

そして、所定のタイミングに到達した時、ステップＳ１０６で、燃料電池１０の燃料利用率が上がるように原料供給器１１からの原料供給量を調整する制御が停止され、酸化剤ガス供給器１３からの酸化剤ガス供給量の調整による燃料電池１０の温度制御が再開される。

なお、ステップＳ１０５の所定のタイミングは、燃料電池システム１００の構成又は動作条件等に対応して適宜の値を設定しても構わない。例えば、所定のタイミングは、燃料電池１０の温度Ｔが、原料供給量の制御を開始した時点での燃料電池１０の温度Ｔが、所定の温度だけ下降したタイミングであってもいいし、燃料電池１０の温度Ｔが下降に転じ、本温度Ｔの下降速度が、所定速度に達したタイミングであってもいい。

このようにして、本変形例では、原料供給器１１からの原料供給量を調整する制御を限定的に実行できる。よって、燃料電池１０の燃料利用率が上がるように原料供給器１１からの原料供給量を調整する制御を実行した後、本制御を停止しない場合に比べ、燃料枯れによる燃料電池１０の劣化を抑制できる。

（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、燃料電池の燃料利用率が上がるように原料供給器からの原料供給量を調整する制御を実行しても、燃料電池の温度が低下しないと、酸化剤ガス供給器の動作量の制限を解除し、酸化剤ガス供給器の動作量を増加させる。

燃料電池の燃料利用率が上がるように原料供給器からの原料供給量を調整する制御を実行しても、燃料電池の温度が低下しない場合、そのままの状態で発電を継続すると、燃料電池の過昇温により燃料電池セル材料において不純物の生成が促進されて燃料電池が劣化する可能性がある。よって、上記の構成により、酸化剤ガス供給器の動作量の制限を解除し、酸化剤ガス供給器の動作量を増加させることで燃料電池の温度を下げることができるので、燃料電池を劣化させずに、発電を継続できる。

本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
本実施形態の燃料電池システム１００の装置構成は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様であるので説明を省略する。

［動作］
図４は、第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１６の制御プログラムにより行われる。

図４のステップＳ１０１−ステップＳ１０４は、第１実施形態の燃料電池システム１００の動作と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ１０３で、燃料電池１０の燃料利用率が上がるように原料供給器１１からの原料供給量を調整する制御が行われても、燃料電池１０の温度が低下しない場合、そのままの状態で発電を継続すると、燃料電池１０の過昇温により燃料電池１０が劣化する可能性がある。

そこで、本実施形態では、ステップＳ２０１で、燃料電池の温度Ｔが低下したか否かが判定される。ステップＳ２０１の判定条件は、燃料電池システム１００の構成又は動作条件等に対応して適宜の条件を設定しても構わない。例えば、２分間の間に、燃料電池１０の温度Ｔが約１℃以上、低下した場合に、燃料電池１０の温度Ｔが低下したと判定してもよい。なお、これらの数値は、例示であって、本例に限定されない。

ステップＳ２０１において、燃料電池１０の温度が低下しないと、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃの制限が解除され、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃが増加される（ステップＳ２０２）。つまり、ステップＳ１０２において、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃが閾値Ｓ以上にならないように制限されていたが、本閾値Ｓによる制限が解除されて、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃが、閾値Ｓ以上になることが許容される。

これにより、酸化剤ガス供給量を増やすことで燃料電池１０の温度Ｔを低下できるので、燃料電池１０を劣化させずに、発電を継続できる。つまり、酸化剤ガス供給器１３の消費電力が増えるので、燃料電池システム１００の発電効率は低下するが、燃料電池１０の過昇温により燃料電池１０が劣化しないように対応できる。

（第１変形例）
第２実施形態の第１変形例の燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システムにおいて、上記の酸化剤ガス供給器の動作量を増加させても、燃料電池の温度が低下しないと、制御器は、燃料電池の発電量の上限値を低下させる。

酸化剤ガス供給器の動作量を増加させても、燃料電池の温度が低下しない場合、そのままの状態で発電を継続すると、燃料電池の過昇温により燃料電池セル材料において不純物の生成が促進されて燃料電池が劣化する可能性がある。よって、上記の構成により、燃料電池の発電量の上限値を低下させることで燃料電池の過昇温を抑制できるので、燃料電池を劣化させずに、発電を継続できる。

本変形例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第２実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［動作］
図５は、第２実施形態の第１変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１６の制御プログラムにより行われる。

図５のステップＳ１０１−ステップＳ１０４及びステップＳ２０１、Ｓ２０２は、第２実施形態の燃料電池システム１００の動作と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ２０２で、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃを増加させても、燃料電池１０の温度が低下しない場合、そのままの状態で発電を継続すると、燃料電池１０の過昇温により燃料電池１０が劣化する可能性がある。

そこで、本変形例では、ステップＳ２０３で、燃料電池１０の温度Ｔが低下したか否かが判定される。なお、ステップＳ２０３の判定の具体例は、ステップＳ２０１と同様であっても構わない。

ステップＳ２０３において、燃料電池１０の温度が低下しないと、ステップＳ２０４で、燃料電池１０の発電量の上限値が低下される。

これにより、燃料電池１０の発電量の上限値を低下させることで燃料電池１０の過昇温を抑制できるので、燃料電池１０を劣化させずに、発電を継続できる。

（第２変形例）
第２実施形態の第２変形例の燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システムにおいて、上記の酸化剤ガス供給器の動作量を増加させても、燃料電池の温度が低下しないと、制御器は、燃料電池の発電を停止する。

上記の酸化剤ガスの動作量を増加させても、燃料電池の温度が低下しない場合、そのままの状態で発電を継続すると、燃料電池の過昇温により燃料電池セル材料において不純物の生成が促進されて燃料電池が劣化する可能性がある。よって、上記の構成により、燃料電池の発電を停止することで燃料電池の劣化を抑制できる。

［動作］
図６は、第２実施形態の第２変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１６の制御プログラムにより行われる。

図６のステップＳ１０１−ステップＳ１０４及びステップＳ２０１、Ｓ２０２は、第２実施形態の燃料電池システム１００の動作と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ２０３において、燃料電池１０の温度が低下しないと、ステップＳ２０５で、燃料電池１０の発電が停止される。つまり、燃料電池１０の温度が低下しない場合、燃料電池１０の温度制御が困難な状況等の燃料電池システム１００の異常状態であると判定され、燃料電池１０の発電が停止される。

以上により、燃料電池１０の発電を停止することで、燃料電池１０の過昇温による燃料電池１０の劣化を抑制できる。

（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、燃料電池の燃料利用率を上げ、第１の利用率になるように原料供給器を制御した後、燃料電池の温度が低下しないと、燃料電池の燃料利用率が、第１の利用率よりも高い第２の利用率になるように原料供給器を制御する。

燃料電池の温度を下げる制御において、燃料電池の燃料利用率を急に上げるのではなく、上記のとおり、第１の利用率及び第２の利用率に分けて上げる。これにより、燃料電池の燃料利用率が第１の利用率になるように原料供給器を制御しても燃料電池の温度を低下しなかった場合のみ、第１の利用率よりも高い第２の利用率になるように原料供給器を制御できる。よって、燃料電池の燃料利用率を第１の利用率及び第２の利用率に分けて上げない場合に比べ、燃料枯れによる燃料電池の劣化を抑制できる。

［動作］
図７は、第３実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１６の制御プログラムにより行われる。

図７のステップＳ１０１、ステップＳ１０２及びステップＳ１０４は、第１実施形態の燃料電池システム１００の動作と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ１０４において、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃが閾値Ｓ以上になると、酸化剤ガス供給器１３の動作量Ｃの増加が制限され、ステップＳ３０１で、燃料電池１０の燃料利用率を上げ、第１の利用率Ｕｆ_１になるように原料供給器１１が制御される。具体的には、燃料電池１０への原料供給量を減少させて燃料電池１０の燃料利用率を第１の利用率Ｕｆ_１になるまで上げることで、燃料電池１０の温度Ｔが低下するように原料供給器１１が制御される。

そして、ステップＳ３０２で、燃料電池１０の温度Ｔが低下したか否かが判定される。なお、ステップＳ３０２の判定の具体例は、第２実施形態のステップＳ２０１と同様であっても構わない。

ステップＳ３０２において、燃料電池１０の温度が低下しない場合、ステップＳ３０３で、燃料電池１０の燃料利用率が、第１の利用率Ｕｆ_１よりも高い第２の利用率Ｕｆ_２になるように原料供給器１１が制御される。具体的には、燃料電池１０への原料供給量を更に減少させて燃料電池１０の燃料利用率を第１の利用率Ｕｆ_１よりも高い第２の利用率Ｕｆ_２になるまで上げることで、燃料電池１０の温度Ｔが低下するように原料供給器１１が制御される。

このようにして、本実施形態では、燃料電池１０の温度Ｔを下げる制御において、燃料電池１０の燃料利用率を急に上げるのではなく、上記のとおり、第１の利用率Ｕｆ_１及び第２の利用率Ｕｆ_２に分けて上げる。これにより、燃料電池１０の燃料利用率が第１の利用率Ｕｆ_１になるように原料供給器１１を制御しても燃料電池１０の温度Ｔを低下しなかった場合のみ、第１の利用率Ｕｆ_１よりも高い第２の利用率Ｕｆ_２になるように原料供給器１１を制御できる。つまり、燃料電池１０の温度Ｔの低下を確認しながら、燃料電池１０の燃料利用率を段階的に上げることで、燃料電池１０の燃料利用率を、第１の利用率Ｕｆ_１よりも高い第２の利用率Ｕｆ_２に上げることによる燃料枯れの可能性が低減される。よって、燃料電池１０の燃料利用率を第１の利用率Ｕｆ_１及び第２の利用率Ｕｆ_２に分けて上げない場合に比べ、燃料枯れによる燃料電池１０の劣化を抑制できる。

なお、上記の第１の利用率Ｕｆ_１及び第２の利用率Ｕｆ_２は、Ｕｆ_２＞Ｕｆ_１の関係を満たすならば、燃料電池システム１００の構成又は動作条件等に対応して適宜の値を設定しても構わない。また、ここでは、燃料電池１０の燃料利用率として、第１の利用率Ｕｆ_１及び第２の利用率Ｕｆ_２の２つの利用率を用いて原料供給器１１を制御する例を説明したが、燃料電池１０の燃料利用率として３以上の利用率を用いて、原料供給器１１の動作を更に細かく制御しても構わない。

（第４実施形態）
第４実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、原料供給器からの原料供給量を調整して、燃料電池の温度制御を行うとき、燃料電池の燃料利用率を上げ、第１の利用率になるように原料供給器を制御し、原料供給器からの原料供給量を調整して、燃料電池の温度制御を行わないとき、前記燃料電池の燃料利用率が、第１の利用率よりも低い第３の利用率になるように原料供給器を制御する。

原料供給器からの原料供給量を調整して、燃料電池の温度制御を行わないとき、燃料電池の燃料利用率を第１の利用率よりも低い第３の利用率となるように原料供給器を制御することで、燃料電池の燃料利用率を上げることによる燃料枯れの可能性が低減する。よって、かかる燃料電池の燃料利用率を第１の利用率よりも低い第３の利用率となるように原料供給器を制御しない場合に比べ、燃料枯れによる燃料電池の劣化を抑制できる。

［動作］
図８は、第４実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器１６の制御プログラムにより行われる。

図８のステップＳ１０１、ステップＳ１０２及びステップＳ１０４は、第１実施形態の燃料電池システムの動作と同様であるので説明を省略する。

本実施形態では、原料供給器１１からの原料供給量を調整して、燃料電池１０の温度制御を行うとき、ステップＳ３０１で、燃料電池１０の燃料利用率を上げ、第１の利用率Ｕｆ_１になるように原料供給器１１が制御される。具体的には、燃料電池１０への原料供給量を減少させて燃料電池１０の燃料利用率を第１の利用率Ｕｆ_１になるまで上げることで、燃料電池１０の温度Ｔが低下するように原料供給器１１が制御される。

一方、原料供給器１１からの原料供給量を調整して、燃料電池１０の温度制御を行わないとき、ステップＳ４０１で、燃料電池１０の燃料利用率が、第１の利用率Ｕｆ_１よりも低い第３の利用率Ｕｆ_３になるように原料供給器１１が制御される。具体的には、ステップＳ１０１において、燃料電池１０の温度Ｔが、目標値Ｇ以下の場合、燃料電池１０への原料供給量を増加させて、燃料電池１０の燃料利用率を第１の利用率Ｕｆ_１よりも低い第３の利用率Ｕｆ_３まで下げる。

このようにして、燃料電池１０の燃料利用率を上げることによる燃料枯れの可能性を低減できる。つまり、燃料電池１０の燃料利用率が、第１の利用率Ｕｆ_１になるように原料供給器１１を制御するのは、原料供給器１１からの原料供給量を調整して、燃料電池１０の温度制御を行う場合に限定される。よって、燃料電池１０の燃料利用率を第１の利用率Ｕｆ_１に調整する時間も、上記の場合に限定される。よって、原料供給器１１からの原料供給量を調整して、燃料電池１０の温度制御を行わないとき、燃料電池１０の燃料利用率を第１の利用率Ｕｆ_１よりも低い第３の利用率Ｕｆ_３となるように原料供給器１１を制御しない場合に比べ、燃料枯れによる燃料電池１０の劣化を抑制できる。

なお、上記の第１の利用率Ｕｆ_１及び第３の利用率Ｕｆ_３は、Ｕｆ_１＞Ｕｆ_３の関係を満たすならば、燃料電池システム１００の構成又は動作条件等に対応して適宜の値を設定しても構わない。

本発明の一態様は、燃料電池の温度を下げる制御において、従来に比べ、燃料電池の劣化を抑えつつ、燃料電池システムの効率低下を抑制し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法等に利用できる。

１０燃料電池
１１原料供給器
１２改質器
１３酸化剤ガス供給器
１４燃焼器
１５温度検知器
１６制御器
１００燃料電池システム

Claims

原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検知する温度検知器と、原料の供給量を調整する原料供給器と、酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池のアノードオフガスを用いて燃焼し、前記燃料電池を加熱する燃焼器と、前記酸化剤ガス供給器により酸化剤ガスの供給量を増加させて、前記燃料電池の温度が低下するように制御しているときに前記酸化剤ガス供給器の動作量が最大動作量よりも小さい閾値以上になると、前記酸化剤ガス供給器の動作量の増加を制限し、前記燃料電池の燃料利用率が上がるように前記原料供給器を制御する制御器と、を備える燃料電池システム。
前記制御器は、前記燃料電池の燃料利用率が上がるように前記原料供給器からの原料供給量を調整する制御を実行した後、該制御を停止し、前記酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガス供給量の調整による前記燃料電池の温度制御を再開する請求項１記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記燃料電池の燃料利用率が上がるように前記原料供給器からの原料供給量を調整する制御を実行しても、前記燃料電池の温度が低下しないと、前記酸化剤ガス供給器の動作量の制限を解除し、前記酸化剤ガス供給器の動作量を増加させる請求項１記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガス供給器の動作量を増加させても、前記燃料電池の温度が低下しないと、前記制御器は、前記燃料電池の発電量の上限値を低下させる請求項３記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガス供給器の動作量を増加させても、前記燃料電池の温度が低下しないと、前記制御器は、前記燃料電池の発電を停止する請求項３記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記燃料電池の燃料利用率を上げ、第１の利用率になるように前記原料供給器を制御した後、前記燃料電池の温度が低下しないと、前記燃料電池の燃料利用率が、前記第１の利用率よりも高い第２の利用率になるように前記原料供給器を制御する請求項１記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記原料供給器からの原料供給量を調整して、前記燃料電池の温度制御を行うとき、前記燃料電池の燃料利用率を上げ、第１の利用率になるように前記原料供給器を制御し、前記原料供給器からの原料供給量を調整して、前記燃料電池の温度制御を行わないとき、前記燃料電池の燃料利用率が、前記第１の利用率よりも低い第３の利用率になるように前記原料供給器を制御する請求項１記載の燃料電池システム。
改質器で原料を用いて水素含有ガスを生成するステップ（ａ）と、
燃料電池で水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電するステップ（ｂ）と、
燃焼器で前記燃料電池のアノードオフガスを用いて燃焼し、前記燃料電池を加熱するステップ（ｃ）と、
酸化剤ガス供給器により酸化剤ガスの供給量を増加させて、前記燃料電池の温度を低下させるステップ（ｄ）と、
ステップ（ｄ）において、前記酸化剤ガス供給器の動作量が最大動作量よりも小さい閾値以上になると、前記酸化剤ガス供給器の動作量の増加を制限し、前記燃料電池の燃料利用率が上がるように前記原料供給器が動作するステップ（ｅ）とを備える燃料電池システムの運転方法。