以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1は燃料電池システム1の概要を示す概要図である。燃料電池システム1は、発電ユニット10および貯湯槽21を備えている。発電ユニット10は、筐体10a、燃料電池モジュール11(30)、熱交換器12、インバータ装置13、水タンク14、および制御装置15を備えている。
燃料電池モジュール11は、後述するように燃料電池34を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール11は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている(後述する)。
熱交換器12は、燃料電池モジュール11から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽21からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽21は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する(図にて矢印の方向に循環する)貯湯水循環ライン22が接続されている。貯湯水循環ライン22上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ22aおよび熱交換器12が配設されている。熱交換器12は、燃料電池モジュール11からの排気管11dが接続(貫設)されている。熱交換器12は、水タンク14に接続されている凝縮水供給管12aが接続されている。
熱交換器12において、燃料電池モジュール11からの燃焼排ガスは、排気管11dを通って熱交換器12内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ冷却されるとともに燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮される。冷却後の燃焼排ガスは排気管11dを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管12aを通って水タンク14に供給される。なお、水タンク14は、凝縮水を、イオン交換樹脂によって純水化し、かつ、改質水として貯留する。上述した熱交換器12、貯湯槽21および貯湯水循環ライン22から、排熱回収システム20が構成されている。排熱回収システム20は、燃料電池モジュール11の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
さらに、インバータ装置13は、燃料電池34から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源16aおよび外部電力負荷16c(例えば電化製品)に接続されている電源ライン16bに出力する。また、インバータ装置13は、系統電源16aからの交流電圧を電源ライン16bを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機(各ポンプ、ブロワなど)や制御装置15に出力する。制御装置15は、燃料電池34を少なくとも制御する。
燃料電池モジュール11(30)は、ケーシング31、蒸発部32、改質部33および燃料電池34を備えている。ケーシング31は、断熱性材料で箱状に形成されている。
蒸発部32は、改質水から水蒸気を生成するものである。蒸発部32は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、改質水を蒸発させて水蒸気(改質用水蒸気)を生成して導出する。また、蒸発部32は、供給された改質用原料を予熱する。そして、蒸発部32は、改質水を蒸発させて生成された水蒸気(改質用水蒸気)と予熱された改質用原料を混合して改質部33へ導出する。改質用原料としては天然ガス(メタンガス)、都市ガス、LPG(液化石油ガス)などの改質用気体燃料があり、本実施形態においては、プロパン等を主成分とするガスであるLPGにて説明する。なお、改質用原料には、例えば改質用原料が漏れたことを臭いによって感知しやすくするために、付臭剤が添加されている。付臭剤は、有機硫黄化合物であり、例えばターシャリーブチルメルカプタンやジメチルサルファイドである。
この蒸発部32には、水タンク14からの改質水が給水管41を介して供給されている。給水管41には、改質水ポンプ41aが設けられている。改質水ポンプ41aは、蒸発部32に改質水を供給する。改質水ポンプ41aは、制御装置15からの制御指令値にしたがって、改質水の流量(単位時間あたりの流量)を調整する。
また、蒸発部32には、供給源Gsからの改質用原料が原料供給管42を介して供給されている。供給源Gsは、例えばLPGのガスボンベである。原料供給管42には、上流から順番に、原料ポンプ42a(本発明の燃料供給装置に相当)および脱硫器42b(本発明の吸着装置に相当)が設けられている。
原料ポンプ42aは、供給源Gsから改質用原料の供給を行うものである。原料ポンプ42aは、具体的には、供給源Gsと脱硫器42bとの間に配置され、供給源Gsから改質用原料を脱硫器42bひいては蒸発部32に供給する。原料ポンプ42aは、制御装置15からの制御指令値にしたがって、改質用原料の流量(単位時間あたりの流量)を調整する。
脱硫器42bは、供給源Gsと燃料電池34との間に配設され、吸着質を脱離可能に吸着する吸着部42b1を有している。脱硫器42bは、具体的には、原料ポンプ42aと、蒸発部32との間に配置されている。吸着質は、改質用原料に添加されている付臭剤(有機硫黄化合物)である。吸着部42b1には、吸着質を吸着する吸着剤が収容されている。吸着剤は、例えば銀や銅等の金属を担持したゼオライト等の多孔質材料である。脱硫器42bは、改質用原料に添加された付臭剤に対する吸着(脱硫)性能を確保するため、吸着部42b1の温度を比較的高温(およそ50℃以上)にするように配設されている。脱硫器42bは、具体的には、吸着部42b1が燃料電池モジュール30から受熱するように、ケーシング31の外壁面に接触または近接させて配置されている。燃料電池モジュール30の温度は、燃料電池34の発電により生じる熱によって燃料電池34の温度とともに上昇する。よって、燃料電池モジュール30から受熱する脱硫器42bの吸着部42b1の温度は、燃料電池34の温度が高くなるにしたがって高くなる。したがって、吸着部42b1の温度は、燃料電池34の温度と相関を有して温度変化する。このように、脱硫器42bは、燃料電池34の温度と相関を有して温度変化する部位(ケーシング31)に配設されている。
また、吸着部42b1は、改質用原料に含有される付臭剤を吸着するだけでなく改質用原料そのもの(主として炭化水素)をも吸着可能である。すなわち、付臭剤だけでなく改質用原料も、吸着質に相当する。また、吸着部42b1に吸着可能な吸着質の量である吸着飽和量は、吸着部42b1の温度によって変化する。具体的には、吸着部42b1の温度が低下するにしたがって、吸着飽和量が増加する。吸着飽和量は、吸着部42b1の温度が変化することにより、吸着質が吸着部42b1より吸着したり脱離したりする平衡状態における吸着質の量である。なお、改質用原料に含まれる付臭剤の量が、極めて少ない(およそ10ppm)ため、吸着剤に対する吸着質の吸着量が吸着飽和量に近づいた場合においても、吸着剤の吸着質が吸着していない部分にて、付臭剤が吸着される。
改質部33は、蒸発部32からの水蒸気を用いて改質用原料を改質(水蒸気改質)するものである。改質部33は、改質用原料と水蒸気とから改質ガス(本発明の改質燃料および燃料に相当)を生成する。具体的には、改質部33は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部32から供給された混合ガス(改質用原料、改質用水蒸気)から改質ガスを生成して導出する。改質部33内には、触媒(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(改質ガス)は燃料電池34の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質のプロパン、改質に使用されなかった改質水(水蒸気)を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
また、改質部33には、改質部33の内部の温度を検出する改質部温度センサ33a(本発明の第二温度センサに相当)が設けられている。改質部温度センサ33aは、改質部33の内部における蒸発部32からの水蒸気の導入口側に設けられ、蒸発部32からの水蒸気が導入された場合、その水蒸気の温度を検出する。蒸発部32において水蒸気が発生している場合、蒸発部32の温度は、水蒸気の温度である。一方、蒸発部32にて水蒸気が発生しておらず、蒸発部32から水蒸気が導入されない場合、改質部温度センサ33aは、その配置された位置の改質部33の温度を検出する。また、この場合、改質部33と蒸発部32とが連通しているため、改質部温度センサ33aによって検出される温度である改質部検出温度(本発明の第二検出温度に相当)と蒸発部32の温度とがおよそ同じ温度になっている。すなわち、改質部温度センサ33aは、蒸発部32の温度と相関を有する温度を検出する。
燃料電池34は、燃料(燃料ガス)と酸化剤ガス(カソードガス)とにより発電を行うものである。燃料(燃料ガス)は、供給源Gsから供給され、かつ、付臭剤が添加された改質用原料が改質された改質ガス(本発明の改質燃料に相当)である。酸化剤ガス(カソードガス)は、空気(カソードエア)である。燃料電池34は、燃料極、空気極(酸化剤極)、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル34aが図1における左右方向に沿って積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池34の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、プロパンガスなどが供給される。動作温度は400〜1000℃程度である。
セル34aの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路34bが形成されている。セル34aの空気極側には、空気(カソードエア)が流通する空気流路34cが形成されている。
燃料電池34は、マニホールド35上に設けられている。マニホールド35には、改質部33からの改質ガスが改質ガス供給管38を介して供給される。燃料流路34bは、その下端(一端)がマニホールド35の燃料導出口(図示なし)に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。一方、カソードエアブロワ43aによって送出された空気は、カソードエア供給管43を介して供給され、空気流路34cの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
カソードエアブロワ43a(本発明の酸化剤ガス供給装置に相当)は、燃料電池34に空気(カソードエア)を供給するものである。カソードエアブロワ43aは、発電ユニット10内に配設され、発電ユニット10内の空気を吸入し燃料電池34の空気極に吐出する。カソードエアブロワ43aは、制御装置15からの制御指令値にしたがって、空気の流量(単位時間あたりの流量)を調整する。
燃料電池34においては、燃料極に供給された改質ガスと空気極に供給された酸化剤ガス(空気)によって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化1及び化2に示す反応が生じ、空気極では、下記化3に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン(O2−)が、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路34b及び空気流路34cからは、発電に使用されなかった燃料(改質ガス)及び酸化剤ガス(空気)が導出する。
(化1)
H2+O2−→H2O+2e−
(化2)
CO+O2−→CO2+2e−
(化3)
1/2O2+2e−→O2−
また、燃料電池34には、燃料電池34の温度を検出する燃料電池温度センサ34d(本発明の第三温度センサに相当)が設けられている。燃料電池温度センサ34dは、配置された位置の燃料電池34の温度を検出する。上述したように、吸着部42b1の温度は、燃料電池34の温度と相関を有する。よって、燃料電池温度センサ34dは、本発明の第一温度センサに相当する。また、燃料電池34は、本発明の所定部位に相当する。
また、燃料電池34と蒸発部32および改質部33との間には、燃焼部36が設けられている。燃焼部36は、燃料電池34からの発電に使用されなかった燃料である改質ガス(アノードオフガス(本発明の燃料オフガスに相当))と燃料電池34からの発電に使用されなかった酸化剤ガス(カソードオフガス(本発明の酸化剤オフガスに相当))とを燃焼させるものである。燃焼部36は、アノードオフガスとカソードオフガスとが燃焼されて燃焼ガス(火炎37)が発生している。その燃焼ガスが蒸発部32および改質部33を加熱する。さらに、燃焼ガスは、燃料電池モジュール30内の温度を燃料電池34の動作温度にする。燃焼部36には、アノードオフガスを点火させるための一対の点火ヒータ36a1,36a2が設けられている。また、燃焼部36では、アノードオフガスが燃焼されて、比較的高温の燃焼排ガスが発生している。その燃焼排ガスは排気管11dを介して燃料電池モジュール30から排気される。
また、燃焼部36には、燃焼部36の温度を検出する燃焼部温度センサ36bが設けられている。燃焼部温度センサ36bは、配置された位置の燃焼部36の温度を検出する。上述したように、燃焼部36は改質部33を加熱するため、燃焼部36の温度が高くなるにしたがって、改質部33の温度が高くなる。すなわち、燃焼部36の温度と改質部33の温度とは相関を有している。よって、燃焼部温度センサ36bは、改質部33の温度と相関を有する温度を検出する。また、燃焼部温度センサ36bは、改質部33の触媒の温度と、特に相関を有する。
制御装置15は、演算処理を実行するCPU部(図示なし)、ROMなどの記憶部(図示なし)、および、入力パラメータの入力および制御信号を出力するための入出力部(図示なし)を備えて構成されている。記憶部には、後述する所定相関関係が記憶されている。制御装置15は、補機を駆動して燃料電池システム1の運転を制御する。燃料電池システム1の運転は、運転モードおよび待機モードを有している。運転モードは、起動運転、発電運転および停止運転の順に燃料電池システム1の運転が行われるモードである。
起動運転は、燃料電池34の発電の準備を行う運転である。起動運転の詳細は後述する。起動運転が終了した場合、発電運転が開始される。
発電運転は、燃料電池34の発電を行う運転である。発電運転においては、制御装置15は、燃料電池34の発電電力を外部電力負荷16cの消費電力となるように補機を制御する(負荷追従運転)。
停止運転は、燃料電池34の発電を停止する運転である。発電運転中に、ストップスイッチ(図示なし)が押されて発電運転が停止される場合、または運転計画にしたがって発電運転が停止される場合に停止運転が開始される。停止運転においては、制御装置15は、改質用原料および改質水の蒸発部32への供給を停止し、改質ガスおよび空気の燃料電池34への供給を停止する。残原料による燃料電池34の発電が終了すれば、停止運転は終了する。停止運転が終了した場合、運転モードが停止して、待機モードが開始される。なお、停止運転が終了した場合、停止運転終了時点の燃料電池温度センサ34dによって検出される温度が、後述する停止運転終了時温度Th2として記憶される。
待機モードは、燃料電池34による発電が行われずに運転モードの開始を待機しているモードである。燃料電池システム1が待機モードである場合、起動スイッチ(図示なし)がオンされたとき、または運転計画にしたがって運転モードを開始するとき、待機モードが終了し、運転モードが開始される。
次に、待機モードである燃料電池システム1が運転モードを開始され、起動運転を終了するまでの燃料電池システム1の動作について、図2に示すフローチャートに沿って説明する。燃料電池システム1が待機モードである場合、制御装置15は、ステップS102にて起動スイッチ(図示なし)がオンされたか否かを確認する。起動スイッチがオンされない場合、制御装置15は、ステップS102にて「NO」と判定し、ステップS102を繰り返し実行する。一方、起動スイッチがオンされた場合、制御装置15は、ステップS102にて「YES」と判定し、ステップS104にて、待機モードを終了して運転モードを開始する。
続けて、制御装置15は、ステップS106にて、後述する起動運転が開始された際において、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給が行われた場合に改質部33または燃料電池34がコーキングを発生するか否かを判定する(コーキング判定部)。コーキングは、改質用原料の炭素が析出する現象である。改質部33および燃料電池34がコーキングを発生した場合、改質部33の触媒および燃料電池34の劣化が生じる。改質部33がコーキングを発生する場合は、改質部33の温度が比較的高いときに、改質部33が改質用原料を改質できない状態にて、改質用原料が供給された場合である。また、燃料電池34がコーキングを発生する場合は、燃料電池34の温度が比較的高いときに、改質用原料が改質されずに供給された場合である。
制御装置15は、具体的には、運転モード開始時点の改質部温度センサ33aの改質部検出温度、燃料電池温度センサ34dによって検出された温度である燃料電池検出温度(本発明の第三検出温度に相当)、および、燃焼部温度センサ36bによって検出された温度である燃焼部検出温度を取得する。そして、制御装置15は、改質用原料が改質されるか否かを判定するために、蒸発部32の温度が改質水を蒸発可能な温度であるか否かを判定する。制御装置15は、具体的には、蒸発部32の温度と相関する改質部温度センサ33aの改質部検出温度が第一所定温度(例えば100℃)以上であるか否かを判定する。改質部検出温度が第一所定温度以上である場合、改質水が蒸発して水蒸気が生成されることにより、改質部33にて改質用原料が改質される。改質された改質用原料が供給される場合、燃料電池検出温度および燃焼部検出温度に関わらず、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない。
一方、改質部検出温度が第一所定温度より低い場合、改質水が蒸発しないため、水蒸気が生成されないことにより、改質用原料が改質されない。この場合、改質部33の温度が比較的低いときには、改質部33がコーキングを発生しない。この場合、制御装置15は、改質部33の温度と相関を有する燃焼部温度センサ36bの燃焼部検出温度が第二所定温度(例えば、280℃)以下であるか否かを判定する。燃焼部検出温度が第二所定温度より高い場合、改質部33がコーキングを発生する。一方、燃焼部検出温度が第二所定温度以下である場合、改質部33がコーキングを発生しない。
さらに、改質用原料が改質されない場合(改質部検出温度が第一所定温度より低い場合)、燃料電池34の温度が比較的低いときには、燃料電池34がコーキングを発生しない。この場合、制御装置15は、燃料電池温度センサ34dの燃料電池検出温度が第三所定温度(例えば、70℃;本発明の所定温度に相当)以下であるか否かを判定する。燃料電池検出温度が第三所定温度より高い場合、燃料電池34がコーキングを発生する。一方、燃料電池検出温度が第三所定温度以下である場合、燃料電池34がコーキングを発生しない。各所定温度は、予め実験等により実測されて導出されており、改質用原料の種類によって異なる温度にそれぞれ設定される。
このように、制御装置15は、起動運転が開始される前に、運転モードの開始時点に改質部温度センサ33aによって検出される改質部検出温度、燃料電池温度センサ34dによって検出される燃料電池検出温度、および、燃焼部温度センサ36bによって検出される燃焼部検出温度に基づいて、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給が行われた場合に改質部33または燃料電池34がコーキングを発生するか否かを判定する。
改質部検出温度が第一所定温度以上である場合、または、改質部検出温度が第一所定温度より低い場合において、燃焼部検出温度が第二所定温度以下であるとき、かつ、燃料電池検出温度が第三所定温度以下であるとき、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない。この場合、制御装置15は、ステップS106にて「NO」と判定し、プログラムをステップS110に進める。
一方、改質部検出温度が第一所定温度より低い場合において、燃焼部検出温度が第二所定温度より高いとき、または、燃料電池検出温度が第三所定温度より高いとき、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生する。よって、このとき、制御装置15は、ステップS106にて「YES」と判定し、ステップS108にて温度低下制御を実行する(温度低下制御部)。そして、制御装置15は、温度低下制御が完了した後、プログラムをステップS110に進める。
温度低下制御について、図3に示すフローチャートに沿って説明する。温度低下制御は、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生すると判定された場合、改質部33および燃料電池34の温度を、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない温度まで低下させる制御である。
制御装置15は、ステップS202にて、カソードエアブロワ43aの駆動を所定の駆動量にて開始する。カソードエアブロワ43aの駆動により供給される空気が、燃料電池34の空気流路34cを流通することにより燃料電池34を冷却する。さらに、この空気が空気流路34cの上端から導出して、改質部33(および蒸発部32)を冷却する。
続けて、制御装置15は、ステップS204にて、燃焼部検出温度が第二所定温度以下、かつ、燃料電池検出温度が第三所定温度以下であるか否かを判定する。空気によって改質部33および燃料電池34が冷却された場合においても、燃焼部検出温度が第二所定温度より高い場合または燃料電池検出温度が第三所定温度より高い場合、制御装置15は、ステップS204にて「NO」と判定し、ステップS204を繰り返し実行する。
一方、空気によって改質部33および燃料電池34が冷却された結果、燃焼部検出温度が第二所定温度以下、かつ、燃料電池検出温度が第三所定温度以下となった場合、制御装置15は、ステップS204にて「YES」と判定し、ステップS206にてカソードエアブロワ43aの駆動を停止する。なお、温度低下制御が開始された時点の改質部検出温度は、第一所定温度より低い。また、温度低下制御によって蒸発部32も冷却される。よって、温度低下制御が実行された場合、蒸発部32の温度ひいては改質部検出温度が第一所定温度より低いため、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない。このように、制御装置15は、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生すると判定された場合、改質部33および燃料電池34にカソードエアブロワ43aによって空気を供給することにより、改質部33の温度を、改質部33がコーキングを発生しない第二所定温度以下、かつ、燃料電池34の温度を、燃料電池34がコーキングを発生しない第三所定温度以下に低下させる温度低下制御を実行する。
図2に戻ってフローチャートの説明を続ける。
制御装置15は、ステップS110にて起動運転を開始する(起動運転開始部)。このように、制御装置15は、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しないと判定された場合、起動運転を開始する。一方、制御装置15は、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生すると判定された場合、温度低下制御が完了した後、起動運転を開始する。
制御装置15は、ステップS112にて、現時点の吸着可能量Qcを導出する(吸着可能量導出部)。吸着可能量Qcは、吸着部42b1が吸着可能な吸着質の量である。上述したように、吸着部42b1の温度が低下するにしたがって、吸着部42b1に吸着可能な吸着質の飽和量である吸着飽和量が増加する。また、吸着部42b1の温度は、燃料電池34の温度と相関を有している。よって、燃料電池34の温度と吸着部42b1の吸着飽和量とは、図4に示すように、燃料電池34の温度(燃料電池検出温度)が低下するにしたがって、吸着飽和量が増加する関係を示す所定相関関係を有している。
ここで、現時点の吸着部42b1の状態について説明する。発電運転中においては、改質用原料が供給され、かつ、燃料電池34が動作温度になっているため、吸着部42b1は、およそ吸着飽和量の改質用原料が吸着した状態になっている。そして、停止運転が終了した停止運転終了時点においても同様に、吸着部42b1が、およそ吸着飽和量の改質用原料が吸着した状態になっている。そして、運転モードが終了し、待機モードが開始した場合、待機モードにおいては、発電が行われないため、燃料電池34の温度の低下とともに吸着部42b1の温度が低下することにより、吸着部42b1の吸着飽和量が増加する。また、待機モードにおいては、改質用原料が供給されないため、吸着部42b1に吸着している改質用原料の量は、停止運転終了時点の量とおよそ同じままである。よって、待機モードが終了して運転モードが再度開始された現時点においては、吸着部42b1が吸着質(改質用原料)を吸着可能な状態になっている。
制御装置15は、具体的には、現時点の吸着可能量Qcを次のように導出する。制御装置15は、現時点の燃料電池検出温度を取得する。現時点の燃料電池検出温度は、現在の運転モードにおける起動運転開始時点の燃料電池検出温度(以下、起動運転開始時温度Th1とする。)である。そして、制御装置15は、図4に示すように、記憶部に記憶されている所定相関関係に基づいて、起動運転開始時温度Th1から起動運転開始時点の吸着飽和量である起動運転開始時飽和量Q1を導出する。
さらに、制御装置15は、記憶部に記憶されている現在の運転モードの直前の運転モードの停止運転終了時点の燃料電池検出温度である停止運転終了時温度Th2を取得するとともに、所定相関関係に基づいて、停止運転終了時温度Th2から停止運転終了時点の吸着飽和量である停止運転終了時飽和量Q2を導出する。上述したように、停止運転終了時点から現時点までの間、改質用原料の供給が行われていないため、停止運転終了時点から現時点までの間に、吸着部42b1に吸着した改質用原料の量はゼロである。よって、現時点において吸着部42b1に吸着している改質用原料の量は、停止運転終了時点の停止運転終了時飽和量Q2とおよそと同じである。したがって、制御装置15は、起動運転開始時飽和量Q1と停止運転終了時飽和量Q2との差分を、吸着可能量Qcとして導出する。なお、後述するように、停止運転終了時点から現時点までの間において、吸着部42b1に吸着した改質用原料の量がゼロでない場合、制御装置は、この改質用原料の量を、現時点の吸着飽和量と停止運転終了時飽和量Q2との差分から差し引いた値を吸着可能量Qcとして導出する。
このように、制御装置15は、現在の運転モードが開始された後、起動運転が開始された場合、所定相関関係に基づいて、現在の運転モードにおける起動運転の開始時点の燃料電池温度センサ34dによって検出された燃料電池検出温度である起動運転開始時温度Th1、および、現在の運転モードの直前の運転モードにおける停止運転の終了時点の燃料電池検出温度である停止運転終了時温度Th2から、現在の運転モードにおける起動運転の開始時点に、吸着部42b1が吸着可能な吸着質の量である吸着可能量Qcを導出する。
図2に戻ってフローチャートの説明を続ける。
制御装置15は、ステップS114にて、吸着時間を導出する(吸着可能量導出部)。吸着時間は、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給を第一所定流量(本発明の所定流量に相当)にて行った場合に、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給の開始時点から、吸着部42b1に供給される改質用原料の総量が吸着可能量Qcとなる時点までの時間である。第一所定流量は、改質用原料が燃料電池34および燃焼部36を通って排気管11dから外部に排気された場合において、改質用原料の濃度が改質用原料の爆発下限界(LEL)に所定の安全率を考慮した濃度以下となる流量に設定されている。制御装置15は、導出された吸着可能量Qcを第一所定流量にて除算した除算結果を吸着時間として導出する。
そして、制御装置15は、ステップS116にて、改質水を蒸発部32に供給した場合に水蒸気が発生するか否かを判定する。制御装置15は、具体的には、改質部検出温度を取得するとともに、改質部検出温度が第一所定温度以上であるか否かを判定する。改質部検出温度が第一所定温度以上である場合、上述したように水蒸気が発生するため、制御装置15は、ステップS116にて「YES」と判定し、ステップS118にて改質水ポンプ41aを駆動させて改質水の供給を開始する。この改質水によって発生する水蒸気によって、後述する吸着制御による改質用原料の供給が行われた場合において、改質用原料が改質されるため、コーキングの発生が抑制される。そして、制御装置15は、プログラムをステップS120に進める。
一方、改質部検出温度が第一所定温度より低い場合、水蒸気が発生しないため、制御装置15は、ステップS116にて「NO」と判定し、改質水の供給を行わずにプログラムをステップS120に進める。なお、この場合、改質部33および燃料電池34の温度が比較的低いため、後述する吸着制御による改質用原料の供給が行われた際に改質用原料が改質されないときにおいても、コーキングの発生が抑制される。
続けて、制御装置15は、ステップS120にて吸着制御を開始する(吸着制御部)。吸着制御は、導出された吸着可能量Qcだけ、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給を行うことにより、吸着質を吸着部42b1に吸着させる制御である。吸着制御は、具体的には、第一所定流量にて吸着時間だけ、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給を行う制御である。すなわち、制御装置15は、ステップS120にて改質用原料の供給を第一所定流量にて開始する。現時点においては、上述したように、吸着部42b1が吸着質を吸着可能な状態になっているため、改質用原料が吸着部42b1に吸着する。
そして、制御装置15は、ステップS122にて吸着時間が経過したか否かを判定する。吸着時間が経過していない場合、制御装置15は、ステップS122にて「NO」と判定し、ステップS124にて改質部33または燃料電池34がコーキングを発生するか否かを判定する。すなわち、制御装置15は、吸着制御が実行されている時に、改質部検出温度、燃焼部検出温度および燃料電池検出温度を取得し、かつ、上述したように、改質部検出温度、燃焼部検出温度および燃料電池検出温度に基づいて、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生するか否かを判定する。
改質部検出温度が第一所定温度以上である場合、または、改質部検出温度が第一所定温度より低い場合において、燃焼部検出温度が第二所定温度以下であるとき、かつ、燃料電池検出温度が第三所定温度以下であるとき、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない。この場合、制御装置15は、ステップS124にて「NO」と判定し、プログラムをステップS122に戻す。すなわち、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない場合、制御装置15は、ステップS122,124を繰り返し実行する。
改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない場合が継続して、吸着時間が経過した時、制御装置15はステップS122にて「YES」と判定し、ステップS126にて吸着制御を終了する。この時、吸着部42b1に吸着している改質用原料の量は、およそ吸着飽和量になっている。
そして、制御装置15は、ステップS128にて燃焼部36を着火する(着火制御部)。制御装置15は、具体的には、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給を第二所定流量にて行い、かつ、改質水ポンプ41aによる改質水の供給を行うとともに、点火ヒータ36a1,36a2をオンする。これにより、アノードオフガスが点火されるため、燃焼部36が着火されることにより、アノードオフガスとカソードオフガスとが燃焼する。このように、制御装置15は、吸着制御が完了した後、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給を行い、かつ、燃焼部36を着火する。
続けて、制御装置15は、ステップS130にて、燃料電池検出温度が動作温度以上となったか否かを判定する。燃料電池34の温度が比較的低いことにより、燃料電池検出温度が動作温度より低い場合、制御装置15は、ステップS130にて「NO」と判定し、ステップS130を繰り返し実行する。一方、燃焼部36が着火して、燃料電池34の温度が上昇した結果、燃料電池検出温度が動作温度以上となった場合、制御装置15は、ステップS130にて「YES」と判定し、ステップS132にて起動運転を終了する。
また、上述した吸着制御が行われている場合において、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生する状態となったとき、すなわち、吸着制御中に改質部検出温度が第一所定温度より低くなった場合において、燃焼部検出温度が第二所定温度より高いとき、または、燃料電池検出温度が第三所定温度より高いとき、制御装置15は、ステップS124にて「YES」と判定し、ステップS134にて吸着制御を中断する。制御装置15は、具体的には、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給を停止する。
そして、制御装置15は、ステップS136にて、この時点における吸着制御によって原料ポンプ42aによる改質用原料の供給が行われた量である改質用原料供給量を記憶する(記憶部)。制御装置15は、具体的には、吸着制御の実行時間と第一所定流量との乗算結果を改質用原料供給量として記憶する。改質用原料供給量は、吸着制御によって現時点にて吸着部42b1に吸着している改質用原料の量に相当する。
続けて、制御装置15は、ステップS138にて改質水の供給を停止し、ステップS140にて上述した温度低下制御を実行する。制御装置15は、温度低下制御が完了した場合、プログラムをステップS112に戻す。制御装置15は、ステップS112にて現時点の吸着可能量Qcを再度導出する。この場合の現時点の燃料電池検出温度は、吸着可能量Qcを再度導出する時点の燃料電池検出温度(以下、再導出時温度とする。)である。そして、制御装置15は、所定相関関係に基づいて、再導出時温度から現時点の吸着飽和量である再導出時飽和量を導出するとともに、再導出時飽和量と停止運転終了時飽和量Q2との差分を導出する。また、停止運転終了時点から現時点までの間においては、吸着制御によって改質用原料供給量だけ改質用原料が吸着部42b1に吸着している。よって、制御装置15は、この差分から記憶部に記憶されている改質用原料供給量を差し引いた値を吸着可能量Qcとして導出する。
次に、上述したフローチャートに沿って吸着制御が行われた場合の燃料電池システム1の動作について説明する。待機モードである燃料電池システム1が直前の運転モード終了時から比較的短時間にて現在の運転モードを開始された場合について説明する。
直前の運転モード終了時から比較的短時間にて現在の運転モードが開始された場合(ステップS102,104)、燃料電池34の温度降下が比較的少ない。その結果、改質部検出温度が第一所定温度以上である場合、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない(ステップS106;コーキング判定部)。この場合、温度低下制御が実行されずに、起動運転が開始される(ステップS110;起動運転開始部)。続けて、燃料電池システム1は、吸着可能量Qcおよび吸着時間を導出する(ステップS112,114;吸着可能量導出部)。そして、改質部検出温度が第一所定温度以上であるため、燃料電池システム1は、改質水の供給を開始する(ステップS118)。この改質水が供給された場合、蒸発部32の温度が第一所定温度以上であるため、水蒸気が生成される。さらに、燃料電池システム1は、吸着制御を開始する(ステップS120;吸着制御部)。改質用原料が第一所定流量にて供給されることにより、吸着部42b1に改質用原料が吸着する。このとき、水蒸気が改質部33に流入していることにより、改質用原料が改質部33にて改質される。よって、改質された改質用原料が改質部33および燃料電池34に到達した場合においても、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない。
また、吸着制御が実行されている際に、蒸発部32、改質部33および燃料電池34の温度が低下して、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生する温度となった場合、吸着制御が中断され(ステップS134)、改質水の供給が停止されるとともに(ステップS138)、温度低下制御が実行される(ステップS140)。空気によって改質部33および燃料電池34が冷却されて、改質部33および燃料電池34の温度が改質部33および燃料電池34にてコーキングを発生しない温度にまで低下した場合(ステップS204)、温度低下制御が終了(完了)する。この場合、燃料電池システム1は、現時点の吸着部42b1の改質用原料の吸着量を考慮して、現時点の吸着可能量Qcおよび吸着時間を導出する(ステップS112,114)。また、このとき、温度低下制御によって、蒸発部32の温度が第一所定温度より低下しているため、燃料電池システム1は、改質水の供給を行わずに(ステップS116)、吸着制御を再開開始する(ステップS120)。
そして、吸着時間が経過した場合、吸着部42b1に吸着している改質用原料の量が、およそ吸着飽和量になっている。そして、燃料電池システム1は、吸着制御を終了し(ステップS126)、燃焼部36を着火する(ステップS130;着火制御部)。このとき、吸着部42b1に吸着している吸着質の量がおよそ吸着飽和量であることにより、改質用原料の吸着部42b1への吸着が抑制されるため、燃焼部36の燃焼に必要な流量の改質用原料が供給される。よって、燃焼部36が確実に着火される。そして、燃料電池34の温度が上昇した結果、燃料電池検出温度が動作温度以上となった場合(ステップS130)、起動運転が終了し(ステップS132)、発電運転が開始される。
次に、待機モードである燃料電池システム1が直前の運転モード終了時から比較的長時間経過した後、現在の運転モードを開始された場合について説明する。直前の運転モード終了時から比較的長時間経過した結果、改質部検出温度が第一所定温度より低く、燃焼部検出温度が第二所定温度より高く、かつ、燃料電池検出温度が第三所定温度より高い場合、改質用原料が供給されたときには、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生する(ステップS106;コーキング判定部)。この場合、燃料電池システム1が温度低下制御を実行する(ステップS108;温度低下制御部)。改質部33および燃料電池34が空気によって冷却されて、改質部33の温度および燃料電池34の温度が燃料電池34にてコーキングを発生しない温度まで低下した場合(ステップS204)、温度低下制御が完了して起動運転が開始される(ステップS110;起動運転開始部)。
なお、直前の運転モード終了時から比較的長時間経過した結果、改質部検出温度が第一所定温度より低く、燃焼部検出温度が第二所定温度以下であり、かつ、燃料電池検出温度が第三所定温度以下である場合、改質用原料が供給されたときにおいても、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない(ステップS106;コーキング判定部)。この場合、燃料電池システム1は、温度低下制御を実行せずに、起動運転を開始する(ステップS110;起動運転開始部)。
続けて、吸着可能量Qcおよび吸着時間が導出される(ステップS112,114;吸着可能量導出部)。蒸発部32の温度(改質部検出温度)が第一所定温度より低いため、改質水の供給がされずに、吸着制御が開始される(ステップS120;吸着制御部)。この場合、先の温度低下制御によって、改質部検出温度が第二所定温度より低く、かつ、燃料電池検出温度が第三検出温度より低くなっているため、吸着制御が実行されている間、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない状態が継続する。そして、吸着時間が経過した場合、吸着制御が終了し(ステップS126)、燃焼部36が着火される(ステップS128;着火制御部)。燃料電池34の温度が動作温度となった場合、起動運転が終了して(ステップS132)、発電運転が開始される。
本実施形態によれば、燃料電池システム1は、供給源Gsから供給され、かつ、付臭剤が添加された改質用原料が改質された改質燃料である燃料と、空気とにより発電を行う燃料電池34と、供給源Gsから改質用原料の供給を行う原料ポンプ42aと、燃料電池34からのアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させる燃焼部36と、供給源Gsと燃料電池34との間、かつ、燃料電池34の温度と相関を有して温度変化する部位に配設されるとともに、吸着質を脱離可能に吸着し、かつ、燃料電池34の温度と相関を有して温度変化する吸着部42b1を有する脱硫器42bと、燃料電池34を少なくとも制御する制御装置15と、を備えている。燃料電池システム1は、吸着部42b1の温度と相関を有する燃料電池34の温度を検出する燃料電池温度センサ34dをさらに備え、燃料電池34の発電の準備を行う起動運転、燃料電池34の発電を行う発電運転、および、燃料電池34の発電を停止する停止運転の順に燃料電池システム1の運転を行う運転モードと、運転モードが停止され、発電が行われずに運転モードの開始を待機している待機モードと、を有している。燃料電池34の温度は、燃料電池システム1が運転モードである場合より、待機モードである場合の方が低くなる。吸着質は、付臭剤および改質用原料である。制御装置15は、燃料電池34の温度が低下するにしたがって、吸着部42b1に吸着可能な吸着質の飽和量である吸着飽和量が増加する関係を示す所定相関関係を記憶する記憶部と、現在の運転モードが開始された後、起動運転が開始された場合、所定相関関係に基づいて、現在の運転モードにおける起動運転の開始時点の燃料電池温度センサ34dによって検出された燃料電池検出温度である起動運転開始時温度Th1、および、現在の運転モードの直前の運転モードにおける停止運転の終了時点の燃料電池検出温度である停止運転終了時温度Th2から、現在の運転モードにおける起動運転の開始時点に、吸着部42b1が吸着可能な吸着質の量である吸着可能量Qcを導出する吸着可能量導出部(ステップS112)と、吸着可能量導出部によって導出された吸着可能量Qcだけ、原料ポンプ42aよる供給を行うことにより、吸着質を吸着部42b1に吸着させる吸着制御を実行する吸着制御部(ステップS120)と、吸着制御部によって吸着制御が完了した後、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給を行い、かつ、燃焼部36を着火する着火制御部(ステップS128)と、を備えている。
これによれば、吸着可能量導出部が、現在の運転モードの直前の運転モードにおける停止運転の終了時点から、現在の運転モードにおける起動運転の開始時点までにおいて、燃料電池34の温度が低下したことにより、吸着部42b1に吸着可能となった吸着質の量である吸着可能量Qcを導出する。そして、吸着制御部が吸着制御を実行することにより、吸着部42b1に吸着している吸着質の量がおよそ吸着飽和量となる。その後、着火制御部が原料ポンプ42aによる供給を行って燃焼部36を着火する場合、改質用原料の吸着部42b1への吸着が抑制されるため、改質ガスが燃焼部36の着火に必要な流量にて供給される。よって、燃焼部36が確実に着火される。また、本発明の燃料電池システム1は、従来技術のように、吸着部42b1に吸着させる改質用原料を供給するための専用の部材が設けられていない。よって、燃料電池システム1は、比較的低コストにて、燃料電池システム1の起動運転において、脱硫器42bの吸着質の吸着量を飽和状態にして、燃料を燃焼に必要な流量にて供給することができる。
また、吸着可能量導出部は、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給を第一所定流量にて行った場合に、改質用原料の供給の開始時点から、吸着部42b1に供給される改質用原料の総量が吸着可能量Qcとなる時点までの吸着時間を導出する。吸着制御は、第一所定流量にて吸着時間だけ、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給を行う制御である。
これによれば、制御装置15は、吸着部42b1に改質用原料を吸着可能量Qcだけ精度よく吸着させることができる。
また、燃料電池システム1は、改質水から水蒸気を生成する蒸発部32と、蒸発部32からの水蒸気を用いて改質用原料を改質する改質部33と、蒸発部32の温度と相関を有する温度を検出する改質部温度センサ33aと、燃料電池34の温度を検出する燃料電池温度センサ34dと、改質部33の温度と相関を有する温度を検出する燃焼部温度センサ36bをさらに備えている。制御装置15は、起動運転が開始される前に、運転モードの開始時点に改質部温度センサ33aによって検出される改質部検出温度、燃焼部温度センサ36bによって検出される燃焼部検出温度および燃料電池温度センサ34dによって検出される燃料電池検出温度に基づいて、原料ポンプ42aによる改質用原料の供給が行われた場合に、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生するか否かを判定するコーキング判定部(ステップS106)と、コーキング判定部によって燃料電池34がコーキングを発生しないと判定された場合、起動運転を開始する起動運転開始部(ステップS110)と、をさらに備えている。
改質部温度センサ33aの検出温度が第一所定温度より低い場合において、燃焼部温度センサ36bの検出温度が第二所定温度より高いとき、または、燃料電池温度センサ34dの燃料電池検出温度が第三所定温度より高いとき、または、制御装置15が吸着制御を実行することにより、改質用原料が改質部33および燃料電池34に到達して、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生することが考えられる。この知見に基づいて、制御装置15は、改質部33または燃料電池がコーキングを発生しないと判定した場合に、吸着制御を実行する。よって、改質部33および燃料電池がコーキングを発生することを抑制することができる。
また、燃料電池システム1は、燃料電池34に空気(カソードエア)を供給するカソードエアブロワ43aをさらに備えている。制御装置15は、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生すると判定された場合、燃料電池34にカソードエアブロワ43aによって空気を供給することにより、改質部33の温度を、改質部33がコーキングを発生しない第二所定温度以下、かつ、燃料電池34の温度を、燃料電池34がコーキングを発生しない第三所定温度以下に低下させる温度低下制御を実行する温度低下制御部(ステップS108)をさらに備えている。起動運転開始部は、コーキング判定部によって改質部33または燃料電池34がコーキングを発生すると判定された場合、温度低下制御部によって温度低下制御が完了した後、起動運転を開始する。
制御装置15は、改質部33または燃料電池34がコーキングを発生すると判定した場合に温度低下制御を実行することにより、改質部33の温度および燃料電池34の温度が低下する。温度低下制御が完了した場合、すなわち、改質部温度センサ33aの検出温度が第一所定温度より低くなるとともに、燃焼部検出温度が第二所定温度以下かつ、燃料電池検出温度が第三所定温度以下となった場合、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しない。したがって、温度低下制御が完了した後に、制御装置15が吸着制御を実行することにより、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生することを抑制しつつ、改質用原料を吸着部42b1に吸着させることができる。
なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した実施形態において、燃料電池34の燃料は、供給源Gsから供給され、かつ、付臭剤が添加された改質用原料が改質されたものであるが、これに代えて、供給源Gsから直接供給され、かつ、付臭剤が添加された直接燃料としても良い。直接燃料は、天然ガスや石炭ガスである。この場合、燃料電池システム1は、改質部33を省略して構成される。また、この場合、原料ポンプ42aは、供給源Gsから直接燃料を供給する。このとき、直接燃料とともに水蒸気を燃料電池34に直接供給しても良い。このように、燃料電池34は、供給源Gsから直接供給され、かつ、付臭剤が添加された直接燃料、または、供給源Gsから供給され、かつ、付臭剤が添加された改質用原料が改質された改質燃料である燃料と、酸化剤ガスとにより発電を行う。また、原料ポンプ42aは、供給源Gsから直接燃料または改質用原料の供給を行う。そして、吸着質は、付臭剤、直接燃料および改質用原料である。また、吸着可能量導出部は、原料ポンプ42aによる直接燃料または改質用原料の供給を第一所定流量にて行った場合に、直接燃料または改質用原料の供給の開始時点から、吸着部42b1に供給される直接燃料または改質用原料の総量が吸着可能量Qcとなる時点までの吸着時間を導出する。
また、上述した実施形態において、吸着制御が行われる前に、改質部温度センサ33aの改質部検出温度が第一所定温度以上である場合、改質水の供給が行われるが、これに代えて、改質部温度センサ33aの改質部検出温度が第一所定温度以上である場合においても、改質水の供給を行わないようにしても良い。このとき、コーキング判定部は、改質部検出温度に関わらず、燃焼部検出温度が第二所定温度以下である場合、かつ、燃料電池検出温度が第三所定温度以下である場合に、改質部33および燃料電池34がコーキングを発生しないと判定するようにしても良い。
また、上述した実施形態において、所定部位は燃料電池34であるが、これに代えて、所定部位をケーシング31とするようにしても良い。この場合、本発明の第一温度センサは、ケーシング31に配置される。
また、上述した実施形態において、第二温度センサは、改質部33に配設された改質部温度センサ33aであるが、これに代えて、第二温度センサを蒸発部32に配設するようにしても良い。
また、上述した実施形態において、改質部33の温度と相関を有する温度を検出する温度センサを燃焼部温度センサ36bとしているが、これに代えて、改質部33に配設された改質部温度センサ33aとしても良い。但し、改質部33に水蒸気が供給された場合、改質部温度センサ33aは、水蒸気の温度を検出するため、改質部33がコーキングを発生するか否かを判定するときにおいては、改質部33の温度を精度よく検出することができない。この場合においては、改質部33の温度と相関を有する温度を検出する燃焼部温度センサ36bの燃焼部検出温度に基づいて改質部33がコーキングを発生するか否かを判定する。