JP6722893B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関するものである。

分散型エネルギー供給源として、燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）を用いた燃料電池システムの開発が進められている。燃料電池は、小型装置ではあるが、高効率に発電を行うことができる。特許文献１には、燃料電池システムの一例が記載されている。

燃料電池システムの発電部の本体は、燃料電池である。燃料電池には、水素含有ガスと酸素含有ガスとが供給される。これにより、水素と酸素との電気化学反応が進行する。燃料電池システムでは、このようにして、化学的なエネルギーが、電気的なエネルギーとして取り出される。

一般的には、水素含有ガスは、インフラストラクチャーから供給されていない。このため、燃料電池システムには、改質器が設けられている。改質器では、既存のインフラストラクチャーから供給される都市ガス又はＬＰＧ等が原料として用いられる。

具体的には、改質器は、改質部を備えている。改質部は、Ｒｕ触媒、Ｎｉ触媒等の改質触媒を備えている。改質部では、６００〜７００℃の温度で上記原料と水蒸気との改質反応が行われる。これにより、水素含有ガスが生成される。

改質反応により得られる水素含有ガスは、通常、原料に由来する一酸化炭素を含んでいる。一酸化炭素の濃度が高いと、燃料電池の発電特性が低下する。この問題を緩和するために、改質器は、さらに、変成部を備えている場合がある。変成部は、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒、貴金属系触媒等の変成触媒を備えている。変成部では、２００℃〜３５０℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応が進行する。これにより、一酸化炭素が低減される。

改質器は、さらに、選択酸化部を備えている場合もある。選択酸化部は、Ｒｕ触媒、ＰＴ触媒等の選択酸化触媒を備えている。選択酸化部では、１００℃〜２００℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させる。これにより、一酸化炭素がさらに低減される。

燃料電池の発電時にアノードから排出される水素含有ガス（以下、「アノードオフガス」という）を改質器で燃焼させ、改質反応に用いることもある。このようにすれば、燃料電池システムの効率を向上させることができる。

特開２００４−３１２８０号公報

本発明者らの検討によれば、特許文献１の技術には、改質器の触媒の劣化を防止する観点から、改善の余地がある。

本開示は、
原料ガスと水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させることにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスにおける一酸化炭素の濃度を変成触媒を用いて低減させる変成部と、可燃性ガスを燃焼させて熱を生成する燃焼部と、を有する改質器と、
前記改質器から供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記改質器に前記原料ガスを供給する原料供給部と、
前記改質触媒の温度を検出する改質温度検出部と、
前記変成触媒の温度を検出する変成温度検出部と、
前記燃料電池が発電しているときにおいて前記改質温度検出部の検出温度が目標温度となるように前記原料供給部を制御する制御部と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記可燃性ガスは、（ｉ）前記原料ガス、（ii）前記燃料電池に供給される前の前記燃料ガス及び（iii）前記燃料電池から排出された前記燃料ガスであるオフ燃料ガスのうちの少なくとも１つであり、
前記燃料電池の発電量を第１目標発電量に上昇させる制御を第１立ち上がり制御と定義し、前記第１目標発電量よりも小さい目標発電量を第２目標発電量と定義し、前記燃料電池の発電量を前記第２目標発電量に上昇させる制御を第２立ち上がり制御と定義し、前記変成温度検出部の検出温度が第１温度よりも高い状態を第１状態と定義したとき、前記制御部は、前記第１立ち上がり制御の開始後における前記第１状態の累積期間が第１期間に達した場合に、前記燃料電池を一旦停止させ、前記第２立ち上がり制御を実行する、燃料電池システムを提供する。

本開示に係る技術は、改質器の触媒の劣化を防止するのに適している。

実施の形態に係る燃料電池システムの構成図 実施の形態に係る燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャート 実施の形態に係る燃料電池システムにおける発電量、原料ガス流量及び各種温度の時系列変化を示すグラフ 実施の形態に係る燃料電池システムにおける発電量、原料ガス流量及び各種温度の時系列変化を示すグラフ 比較形態に係る燃料電池システムにおける発電量、原料ガス流量及び各種温度の時系列変化を示すグラフ

（本発明者らによる知見）
改質器の触媒は、高温になると、劣化することがある。触媒は、著しく高温になると、メルトダウンすることもある。このため、触媒の温度は適切に管理される必要がある。そのような触媒としては、改質触媒、変成触媒及び選択酸化触媒が例示される。

特許文献１の燃料電池システムには、原料供給部が設けられている。この原料供給部は、ブースターポンプを有している。特許文献１には、原料供給部によって改質器に供給される原料の供給量を制御することが記載されている。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、原料供給部により原料の供給量を制御するのみでは、改質器の触媒の温度の過上昇を防止することが難しい場合がある。特に、外気温が高いときに燃料電池システムを立ち上げると、触媒の温度が著しくオーバーシュートするおそれがある。触媒の温度のオーバーシュートは、触媒を劣化させる。

本開示の第１態様は、
原料ガスと水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させることにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスにおける一酸化炭素の濃度を変成触媒を用いて低減させる変成部と、可燃性ガスを燃焼させて熱を生成する燃焼部と、を有する改質器と、
前記改質器から供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記改質器に前記原料ガスを供給する原料供給部と、
前記改質触媒の温度を検出する改質温度検出部と、
前記変成触媒の温度を検出する変成温度検出部と、
前記燃料電池が発電しているときにおいて前記改質温度検出部の検出温度が目標温度となるように前記原料供給部を制御する制御部と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記可燃性ガスは、（ｉ）前記原料ガス、（ii）前記燃料電池に供給される前の前記燃料ガス及び（iii）前記燃料電池から排出された前記燃料ガスであるオフ燃料ガスのうちの少なくとも１つであり、
前記燃料電池の発電量を第１目標発電量に上昇させる制御を第１立ち上がり制御と定義し、前記第１目標発電量よりも小さい目標発電量を第２目標発電量と定義し、前記燃料電池の発電量を前記第２目標発電量に上昇させる制御を第２立ち上がり制御と定義し、前記変成温度検出部の検出温度が第１温度よりも高い状態を第１状態と定義したとき、前記制御部は、前記第１立ち上がり制御の開始後における前記第１状態の累積期間が第１期間に達した場合に、前記燃料電池を一旦停止させ、前記第２立ち上がり制御を実行する、燃料電池システムを提供する。

第１態様では、第１立ち上がり制御の開始後に第１状態の累積期間が第１期間に達した場合に、燃料電池を停止させる。このようにすれば、変成触媒の温度の過上昇を防止することができる。これにより、変成触媒の劣化を防止することができる。また、この劣化に伴う変成触媒の耐久性低下を防止することができる。

第１態様では、燃料電池を一旦停止させた後に、第２立ち上がり制御を実行する。第２立ち上がり制御では、第１立ち上がり制御に比べ、目標発電量が低い。目標発電量が低いため、燃料電池での発電で必要となる水素量が少なくて済み、改質器における水素改質反応をある程度抑制することができる。つまり、原料ガスの単位体積あたりのガス熱量をある程度抑制しても、水素不足による発電の不安定化を招き難い。従って、第１態様は、燃料電池の発電を安定的に継続させつつ、変成触媒の温度のオーバーシュートを防止する観点から有利である。また、第１態様によれば、変成触媒の劣化を防止しつつ改質触媒の温度を目標温度まで上昇させることができる。

以上の理由で、第１態様に係る技術は、改質器の触媒の劣化を防止するのに適している。

本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記燃料電池の発電量を前記第２目標発電量に追従させる制御を第２追従制御と定義し、前記燃料電池の発電量を前記第２目標発電量から前記第１発電量に増加させる制御を増加制御と定義したとき、前記制御部は、前記第２立ち上がり制御を実行することによって前記燃料電池の発電量が前記第２目標発電量に達した後に、前記第２追従制御を実行し、その後、前記増加制御を実行する、燃料電池システムを提供する。

第２態様によれば、変成触媒の温度が高過ぎないレベルで安定してから燃料電池の発電量を第１目標発電量に増加させることができる。このことは、変成触媒の温度のオーバーシュートによる変成触媒の劣化を防止する観点から有利である。

本開示の第３態様は、第２態様に加え、
前記変成温度検出部の検出温度が前記第１温度以下である状態を第２状態と定義したとき、前記制御部は、前記第２追従制御の開始後における前記第２状態の累積期間が第２期間に達した場合に、前記増加制御を実行する、燃料電池システムを提供する。

第２状態の累積期間は、変成触媒の温度が高過ぎないレベルで安定しているか否かを判断する指標として利用することができる。第３態様では、その累積期間に基づいて増加制御を実行するか否かが決定される。このことは、変成触媒の温度のオーバーシュートによる変成触媒の劣化を防止する観点から有利である。

本開示の第４態様は、
原料ガスと水蒸気との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器であって、改質触媒を含む少なくとも１つの触媒と、可燃性ガスを燃焼させて熱を生成する燃焼部と、を有する改質器と、
前記改質器から供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記改質器に前記原料ガスを供給する原料供給部と、
前記燃料電池が発電しているときにおいて前記改質触媒の温度が目標温度となるように前記原料供給部を制御する制御部と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記可燃性ガスは、（ｉ）前記原料ガス、（ii）前記燃料電池に供給される前の前記燃料ガス及び（iii）前記燃料電池から排出された前記燃料ガスであるオフ燃料ガスのうちの少なくとも１つであり、
前記燃料電池の発電量を第１目標発電量に上昇させる制御を第１立ち上がり制御と定義し、前記第１目標発電量よりも小さい目標発電量を第２目標発電量と定義し、前記燃料電池の発電量を前記第２目標発電量に上昇させる制御を第２立ち上がり制御と定義し、前記改質触媒又は前記少なくとも１つの触媒における前記改質触媒以外の１つの触媒を対象触媒と定義し、前記対象触媒の温度が第１温度よりも高い状態を第１状態と定義したとき、前記制御部は、前記第１立ち上がり制御の開始後における前記第１状態の累積期間が第１期間に達した場合に、前記燃料電池を一旦停止させ、前記第２立ち上がり制御を実行する、燃料電池システムを提供する。

第４態様では、第１立ち上がり制御の開始後に第１状態の累積期間が第１期間に達した場合に、燃料電池を停止させる。このようにすれば、対象触媒の温度の過上昇を防止することができる。これにより、対象触媒の劣化を防止することができる。また、この劣化に伴う対象触媒の耐久性低下を防止することができる。

また、第４態様では、燃料電池を一旦停止させた後に、第２立ち上がり制御を実行する。第２立ち上がり制御では、第１立ち上がり制御に比べ、目標発電量が低い。目標発電量が低いため、燃料電池での発電で必要となる水素量が少なくて済み、改質器における水素改質反応をある程度抑制することができる。つまり、原料ガスの単位体積あたりのガス熱量をある程度抑制しても、水素不足による発電の不安定化を招き難い。従って、第４態様は、燃料電池の発電を安定的に継続させつつ、対象触媒の温度のオーバーシュートを防止する観点から有利である。また、第４態様によれば、対象触媒の劣化を防止しつつ改質触媒の温度を目標温度まで上昇させることができる。

以上の理由で、第４態様に係る技術は、改質器の触媒の劣化を防止するのに適している。

本開示の第５態様は、第４態様に加え、
（ａ）前記対象触媒は前記改質触媒であり、前記燃料電池システムは前記改質触媒の温度を検出する改質温度検出部を備えており、前記第１温度は前記目標温度よりも高い、
（ｂ）前記対象触媒は変成触媒であり、前記燃料電池システムは前記変成触媒の温度を検出する変成温度検出部を備えている、又は、
（ｃ）前記対象触媒は選択酸化触媒であり、前記燃料電池システムは前記選択酸化触媒の温度を検出する選択酸化触媒温度検出部を備えている、燃料電池システムを提供する。

第５態様の対象触媒は、対象触媒の具体例である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施の形態に限定されない。

〈燃料電池システムの構成〉
図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１００の概略構成図である。

燃料電池システム１００は、水素生成装置１と、燃料電池８と、水素ガス供給経路１２と、オフガス供給経路１４とを備えている。水素生成装置１は、水素含有ガスを生成する。燃料電池８は、水素生成装置１から供給された水素含有ガスと、酸化剤ガス（典型的には空気中の酸素）と、を用いて発電を行う。水素ガス供給経路１２は、水素生成装置１から切換弁９Ａを介して燃料電池８へと水素含有ガスを供給する。オフガス供給経路１４は、燃料電池８で排出されるアノードオフガス（燃焼オフガス）を、切換弁９Ｂを介して水素生成装置１の燃焼部２へと供給する。切換弁９Ａ及び切換弁９Ｂは、燃料電池バイパス経路２３によって接続されている。

水素生成装置１は、水供給部３と、脱硫部５と、改質器２２と、原料供給部４と、制御部１６とを備えている。水供給部３は、水素生成装置１への水の供給量を調節するのに用いられる。脱硫部５には、硫黄成分を含む炭化水素系の原料ガスが流入する。原料ガスが脱硫部５を通過することによって、原料ガスに含まれる硫黄成分は、脱硫部５に吸着し、除去される。改質器２２は、脱硫部５を通過した後の原料ガスと水供給部３から供給される水とを用いて水素含有ガスを生成させる。原料供給部４は、脱硫部５に供給される原料ガスの流量を制御するのに用いられる。制御部１６は、原料供給部４及び水供給部３の動作を制御する。

改質器２２は、水蒸気発生部１５と、改質部２０と、変成部１３と、選択酸化部１７と、を備えている。改質器２２には、改質温度検出部２１と、変成温度検出部２４とが設けられている。水蒸気発生部１５は、水供給部３から供給される水を蒸発させるとともに、原料ガスと水蒸気の混合ガスを予熱する。改質部２０は、原料ガスと水蒸気との改質反応を進行させる。変成部１３は、改質部２０で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる。選択酸化部１７は、変成部１３を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給部１９から変成部１３を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する。改質部２０は、Ｒｕ系の改質触媒を有している。変成部１３は、Ｃｕ−Ｚｎ系の変成触媒を有している。選択酸化部１７は、Ｒｕ系の選択酸化触媒を有している。改質温度検出部２１は、改質部２０における改質触媒の温度を検出する。変成温度検出部２４は、変成部１３における変成触媒の温度を検出する。「改質触媒の温度を検出する」は、改質触媒の温度を直接的に検出する態様のみならず、改質触媒の温度を改質部２０における水素含有ガスの反応温度の検出を通じて間接的に検出する態様を含む。「変成触媒の温度を検出する」は、変成触媒の温度を直接的に検出する態様のみならず、変成触媒の温度を変成部１３における水素含有ガスの反応温度の検出を通じて間接的に検出する態様を含む。

また、改質器２２は、燃焼部２を備えている。燃焼部２は、改質部２０における改質反応に必要な反応熱を供給する。燃焼部２は、バーナーと、燃焼ファン１８とを有している。バーナーは、加熱源となる可燃性ガスを燃焼させる。燃焼ファン１８は、燃焼部２に燃料用空気を供給する。燃焼部２で燃焼させる可燃性ガスは、水素ガス供給経路１２と、燃料電池バイパス経路２３又は燃料電池８と、オフガス供給経路１４とをこの順に通り、燃焼部２に供給される。なお、バイパス経路２３、切換弁９Ａ及び切換弁９Ｂを省略し、燃焼部２で燃焼させる可燃性ガスとしてアノードオフガスのみが用いられる態様も採用され得る。また、可燃性ガスは、原料ガスであってもよい。改質器２２によって生成された水素含有ガスは、水素ガス供給経路１２を介して燃料電池８に供給される。

改質器２２は、燃焼部２で発生した燃焼排ガスの熱が内筒１１の壁面を介して改質部２０及び水蒸気発生部１５に供給されるように構成されている。また、改質器２２は、水蒸気発生部１５が中筒２５の壁面を介して変成部１３及び選択酸化部１７と熱交換するように構成されている。

脱硫部５に供給される炭化水素系の原料ガスは、少なくとも炭素及び水素元素を構成要素とする有機化合物（例えば、炭化水素）を含んでいればよい。そのような原料ガスとしては、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等が例示される。図示の例では、原料ガスの供給源として都市ガスのガスインフラライン６を用いられ、そのガスインフラライン６に脱硫部５が接続されている。脱硫部５は、その上流側及び下流側に配置された脱硫接続部７に着脱可能な形状を有している。脱硫部５は、脱硫部５の硫黄成分に対する吸着量が飽和して吸着特性が低下すると、新しい脱硫部５に交換できるように構成されている。本実施の形態における脱硫部５には、ゼオライト系吸着除去剤が充填されている。ゼオライト系吸着除去剤には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させることができる。また、脱硫接続部７は、原料ガスの流通を制御する弁機能を有している。具体的に、脱硫接続部７は、電磁弁が設けられたものであってもよい。脱硫部５は、水添脱硫を用いたものであってもよい。

水供給部３は、流量調節機能を有するポンプを有している。原料供給部４は、脱硫部５と改質器２２とを接続する原料供給経路１０に配置されている。原料供給部４を用いて改質器２２に供給される原料ガスの流量を制御することによって、ガスインフラライン６から脱硫部５に供給される原料ガスの流量を制御することができる。なお、原料供給部４は、脱硫部５に供給される原料ガスの流量を制御できればよく、原料供給部４の下流側に配置されていてもよい。原料供給部４は、ブースターポンプで構成され、例えば入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、脱硫部５に供給される原料ガスの流量を調節する機能を有している。

制御部１６は、改質器２２の水素含有ガスの生成動作を制御する。制御部１６は、原料供給部４から改質器２２に供給される原料ガスの供給量を制御する。制御部１６は、水供給部３から改質器２２に供給される水の供給量を制御する。制御部１６は、接続部７及び切換弁９Ａ、９Ｂの動作を制御する。また、制御部１６は、燃料電池８の運転動作も制御する（詳細な動作説明は省略する）。本実施の形態では、運転制御部１６は、半導体メモリー、ＣＰＵ等により、改質器２２の運転動作シーケンス、原料積算流量等の運転情報等を記憶している。そして、運転制御部１６は、状況に応じた適切な動作条件を演算し、かつ、水供給部３、原料供給部４等の運転に必要な要素に動作条件を指令する。

以上の説明から理解されるように、燃料電池システム１００は、水素生成装置１と、燃料電池８と、原料供給部４と、燃焼部２と、制御部１６と、を備えている。水素生成装置１は、原料ガスと水蒸気との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する装置である。水素生成装置１は、改質触媒を含む少なくとも１つの触媒を有している。燃料電池８は、水素生成装置１から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。原料供給部４は、改質器２２に原料ガスを供給する。燃焼部２は、可燃性ガスを燃焼させて熱を生成する。本実施の形態では、改質器２２は、改質部２０と、変成部１３とを有している。改質部２０は、原料ガスと水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させることにより水素を含む燃料ガスを生成する。変成部１３は、燃料ガスにおける一酸化炭素の濃度を変成触媒を用いて低減させる。また、本実施の形態では、燃料電池システム１００は、改質温度検出部２１と、変成温度検出部２４と、を有している。改質温度検出部２１は、改質触媒の温度を検出する。変成温度検出部２４は、変成触媒の温度を検出する。

〈燃料電池システムの運転動作〉
次に、燃料電池システム１００の起動動作、発電時の運転動作及び停止動作を、水素生成装置１の動作を中心にして説明する。

停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、制御部１６からの指令により、原料ガスは原料供給部４から原料供給経路１０を通して改質器２２へ供給される。原料ガスは、水蒸気発生部１５、改質部２０、変成部１３、選択酸化部１７、水素ガス供給経路１２、燃料電池バイパス経路２３及びオフガス供給経路１４をこの順に通り、その後燃焼部２へと供給される。原料ガスは、燃焼部２で着火される。これにより、改質器２２の加熱が開始される。

燃焼部２での加熱開始後に、水供給部３を動作させる。これにより、改質器２２に水が給され、水と原料ガスとの改質反応が開始される。メタンを主成分とする都市ガスを原料ガスとした場合、水供給部３からの水供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように制御される（Ｓ／Ｃで３程度；なお、「Ｓ／Ｃ」は、スチームカーボン比である）。さらに、空気供給部１９を動作させる。これにより、改質器２２に空気が供給される。空気供給部１９からの空気供給量は、水素含有ガスに含まれる酸素量が一酸化炭素の約２倍のモル数となるよう制御される。改質器２２では、改質部２０で水蒸気改質反応が進行する。変成部１３では、変成反応が進行する。選択酸化部１７では、一酸化炭素の選択酸化反応が進行する。これらの進行中において、改質温度検出部２１で検出される温度に基づいて、改質部２０、変成部１３及び選択酸化部１７が各反応に適した温度になるように、燃焼部２の燃焼が制御される。

一酸化炭素濃度を所定濃度（本実施の形態では、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）まで低減させた後、切換弁９Ａ及び９Ｂを動作させ、水素ガス供給経路１２を通して水素含有ガスを燃料電池８に供給する。そして、燃料電池８において発電動作が行われる。燃料電池８で排出されるアノードオフガスは、オフガス供給経路１４を通り、燃焼部２へ供給される。なお、発電運転の際には、制御部１６は、改質温度検出部２１の検出温度が所定温度（目標温度）となるよう、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９及び燃焼ファン１８の動作を制御する。具体的には、制御部１６は、原料供給量、水供給量、空気供給量及び燃焼空気供給量を制御する。

以上の説明から理解されるように、燃焼部２で燃焼される可燃性ガスは、（ｉ）原料ガス、（ii）燃料電池８に供給される前の燃料ガス及び（iii）燃料電池８から排出された燃料ガスであるオフ燃料ガス（アノードオフガス）のうちの少なくとも１つである。

燃料電池システム１００の運転を停止させる場合、運転制御部１６からの指令により、切換弁９Ａ及び９Ｂを動作させて、燃料電池８への水素含有ガスの供給を停止し、水素含有ガスを燃料電池バイパス経路２３を通して燃焼部２に供給する。その後、水供給部３と原料供給部４と空気供給部１９の動作を停止させて、水と原料ガスと空気の供給を停止させ、水素生成装置１の動作を停止させる。なお、水素生成装置１の停止動作は、切換弁９Ａ及び９Ｂを動作させて改質器２２を封止する動作や、改質器２２が降温して体積減少する量に相当する量の原料ガスを供給する動作等の、改質器２２内に外気の混入を極力防止する動作を含んでいることが好ましい。

＜制御部１６による制御の詳細＞
本実施の形態の制御部１６は、燃料電池８が発電しているときにおいて、改質温度検出部２１の検出温度が目標温度となるように原料供給部４を制御する。

また、制御部１６は、第１立ち上がり制御と、第１追従制御と、第２立ち上がり制御と、第２追従制御と、増加制御と、を実行することができるように構成されている。第１立ち上がり制御は、燃料電池８の発電量を第１目標発電量に上昇させる制御である。第１追従制御は、燃料電池８の発電量を第１目標発電量に追従させる制御である。第２立ち上がり制御は、燃料電池８の発電量を第２目標発電量に上昇させる制御である。第２目標発電量は、第１目標発電量よりも小さい目標発電量である。第２目標発電量は、例えば、第１目標発電量の１／３〜２／３である。第２追従制御は、燃料電池８の発電量を第２目標発電量に追従させる制御である。増加制御は、燃料電池８の発電量を第２目標発電量から第１発電量に増加させる制御である。以下、制御部１６の制御の詳細について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。以下の説明では、第１状態及び第２状態という用語を用いる。第１状態は、変成温度検出部２４の検出温度が第１温度よりも高い状態を指す。第２状態は、変成温度検出部２４の検出温度が第１温度以下である状態を指す。

ステップＳ１０１において、制御装置１６は、第１立ち上がり制御を開始する。本実施の形態では、第１立ち上がり制御により燃料電池８の発電量が第１目標発電量に達したときに、第１追従制御が開始される。ステップＳ１０１が終了すると、フローは、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２において、改質温度検出部２１及び変成温度検出部２４は、改質温度Ｔ_k及び変成温度Ｔ_hを取得する。改質温度Ｔ_kは、改質触媒の温度である。変成温度Ｔ_hは、変成触媒の温度である。ステップＳ１０２が終了すると、フローは、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３において、制御装置１６は、変成温度Ｔ_hが変成温度上限値Ｔ_hHよりも大きいか否かを判断する。変成温度Ｔ_hが変成温度上限値Ｔ_hHよりも大きい場合（ステップＳ１０３でＹＥＳの場合）、ステップＳ１０４に進む。変成温度Ｔ_hが変成温度上限値Ｔ_hH以下である場合（ステップＳ１０３でＮＯの場合）、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５において、制御装置１６は、終了条件が成立しているか否かを判断する。終了条件は、例えば、燃料電池８の発電量が第１目標発電量に達した後に所定時間経過したという条件である。終了条件が成立している場合（ステップＳ１０５でＹＥＳである場合）、フローは終了する。終了条件が成立していない場合（ステップＳ１０５でＮＯの場合）、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０４において、制御装置１６は、累積期間ｓ_aが第１期間ｓ_th1以上であるか否かを判断する。累積期間ｓ_aは、ステップＳ１０１により第１立ち上がり制御を開始した後における変成温度Ｔ_hが第１温度（変成温度上限値）Ｔ_hHよりも大きい期間の累積値である。改めて断るまでもないが、変成温度Ｔ_hが変成温度上限値Ｔ_hHよりも大きい期間が連続した期間である場合は、累積期間はその連続した期間と同じである。変成温度Ｔ_hが変成温度上限値Ｔ_hHよりも大きい期間が断続的に現れる場合には、累積期間はその断続的に現れる期間の合計である。別の言い方をすると、ステップＳ１０４において、制御装置１６は、第１状態の累積期間ｓ_aが第１期間ｓ_th1以上であるか否かを判断する。累積期間ｓ_aが第１期間ｓ_th1以上である場合（ステップＳ１０４でＹＥＳである場合）、ステップＳ１０６に進む。累積期間ｓ_aが第１期間ｓ_th1よりも小さい場合（ステップＳ１０４でＮＯである場合）、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０６において、制御装置１６は、燃料電池８を停止させる。これにより、燃料電池８の発電量はゼロになる。また、改質器２２への原料ガスの供給量はゼロになる。ステップＳ１０６が終了すると、フローは、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７において、制御装置１６は、累積期間ｓ_bが第３期間ｓ_th3以上であるか否かを判断する。累積期間ｓ_bは、ステップＳ１０６により燃料電池８を停止した後における変成温度Ｔ_hが第３温度（起動時変成温度）Ｔ_h1よりも小さい期間の累積値である。典型的には、累積期間ｓ_bは、変成温度Ｔ_hが第３温度Ｔ_h1よりも小さい連続した期間である。累積期間ｓ_bが第３期間ｓ_th3以上である場合（ステップＳ１０７でＹＥＳである場合）、ステップＳ１０８に進む。累積期間ｓ_bが第３期間ｓ_th3よりも小さい場合（ステップＳ１０７でＮＯである場合）、ステップＳ１０７を繰り返す。

ステップＳ１０８において、制御装置１６は、第２立ち上がり制御を開始する。本実施の形態では、第２立ち上がり制御により燃料電池８の発電量が第２目標発電量に達したときに、第２追従制御が開始される。ステップＳ１０８が終了すると、フローは、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９において、改質温度検出部２１及び変成温度検出部２４は、改質温度Ｔ_k及び変成温度Ｔ_hを取得する。ステップＳ１０９が終了すると、フローは、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０において、制御装置１６は、変成温度Ｔ_hが変成温度上限値Ｔ_hHよりも大きいか否かを判断する。変成温度Ｔ_hが変成温度上限値Ｔ_hHよりも大きい場合（ステップＳ１１０でＹＥＳの場合）、ステップＳ１１１に進む。変成温度Ｔ_hが変成温度上限値Ｔ_hH以下である場合（ステップＳ１１０でＮＯの場合）、ステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１１において、制御装置１６は、累積期間ｓ_cが第１期間ｓ_th1以上であるか否かを判断する。累積期間ｓ_cは、ステップＳ１０８により第２立ち上がり制御を開始した後における変成温度Ｔ_hが第１温度（変成温度上限値）Ｔ_hHよりも大きい期間の累積値である。つまり、ステップＳ１１１において、制御装置１６は、第１状態の累積期間ｓ_cが第１期間ｓ_th1以上であるか否かを判断する。累積期間ｓ_cが第１期間ｓ_th1以上である場合（ステップＳ１１１でＹＥＳである場合）、ステップＳ１０６に進む。累積期間ｓ_cが第１期間ｓ_th1よりも小さい場合（ステップＳ１１１でＮＯである場合）、ステップＳ１１２進む。

ステップＳ１１２において、制御装置１６は、累積期間ｓ_dが第２期間ｓ_th2以上であるか否かを判断する。累積期間ｓ_dは、第２追従制御を開始した後における変成温度Ｔ_hが第１温度（変成温度上限値）Ｔ_hH以下である期間の累積値である。つまり、ステップＳ１１２において、制御装置１６は、第２の状態の累積期間ｓ_dが第２期間ｓ_th2以上であるか否かを判断する。累積期間ｓ_dが第２期間ｓ_th2以上である場合（ステップＳ１１２でＹＥＳの場合）、ステップＳ１１３に進む。累積期間ｓ_dが第２期間ｓ_th2よりも小さい場合（ステップＳ１１２でＮＯの場合）、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１１３において、制御装置１６は、増加制御を開始する。これにより、燃料電池８の発電量が第２目標発電量から第１発電量に増加する。

本実施の形態では、ステップＳ１１３により燃料電池８の発電量が第１発電量に達したときに、制御装置１６は、第１追従制御と同じ制御を開始する。

仮に、第１立ち上がり制御を変成温度Ｔ_hとは無関係に継続させたとする。その場合の燃料電池システムの挙動を、図５に示す。図５の横軸は、時刻である。時刻ｔ₂₁において、原料ガス流量がゼロから増加し始めている。ここで、原料ガス流量は、原料供給部４を通じた改質器２２への原料ガスの供給量である。原料ガス流量は、所定値まで増加し、その後時刻ｔ₂₂まで該所定値に維持されている。時刻ｔ₂₂において、燃料電池の発電が開始されている。燃料電池の発電量は、時刻ｔ₂₂から増加し始め、時刻ｔ₂₃において第１目標発電量に達し、時刻ｔ₂₃以降において第１目標発電量に維持されている。また、原料ガス流量は、時刻ｔ₂₂から再度増加し始め、時刻ｔ₂₃で上げ止まり、その後一定値に維持されている。改質温度及び変成温度は、時刻ｔ₂₁から上昇し始め、時刻ｔ₂₃よりも後にピークを迎え、その後低下している。本発明者らの検討によれば、第１立ち上がり制御を変成温度とは無関係に継続させた場合、これらのピークは高くなり易い。変成温度のピークが高いと、変成触媒は、劣化することがある。変成触媒がメルトダウンするおそれもある。第１立ち上がり制御を変成温度とは無関係に継続させた場合、改質温度が目標温度になるように原料供給部４を制御しても、改質温度は目標温度よりも大幅に高くなることがあり、従って変成触媒の温度も過度に高くなるおそれがあるのである。

これに対し、本実施の形態では、制御部１６は、第１立ち上がり制御の開始後における第１状態の累積期間が第１期間に達した場合に、燃料電池８を一旦停止させ、第２立ち上がり制御を実行する。このように、本実施の形態では、変成温度Ｔ_hが高い状態が続いた場合には、燃料電池８を停止させる。燃料電池８の停止後には、燃料電池８の発電量を第１目標発電量まで増加させるのではなく、同発電量を低めの第２目標発電量で上げ止める。このことは、変成触媒の温度のオーバーシュートを防止する観点から有利である。

図２のフローチャートに基づいた制御がなされた場合の燃料電池システム１００の挙動を、図３及び４に示す。図３により、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０７に基づく挙動が理解される。図４により、ステップＳ１０７〜Ｓ１１３に基づく挙動が理解される。図３及び４の横軸は、時刻である。

図３では、時刻ｔ₁において、原料ガス流量がゼロから増加し始めている。原料ガス流量は、所定値まで増加し、その後時刻ｔ₂まで該所定値に維持されている。時刻ｔ₂において、燃料電池８の発電が開始されている。燃料電池８の発電量は、時刻ｔ₂から増加し始め、時刻ｔ₃において第１目標発電量に達し、時刻ｔ₃から時刻ｔ₄までの期間において第１目標発電量に維持されている。また、原料ガス流量は、時刻ｔ₂から再度増加し始め、時刻ｔ₃で上げ止まり、時刻ｔ₃から時刻ｔ₄までの期間において一定値に維持されている。改質温度及び変成温度は、時刻ｔ₁から上昇し始め、時刻ｔ₄からは低下している。時刻ｔ₁は、ステップＳ１０１により第１立ち上がり制御が開始された時刻である。時刻ｔ₄は、ステップＳ１０４でＹＥＳと判断された時刻である。時刻ｔ₄でステップＳ１０６に従い燃料電池８が停止され、発電量及び原料ガス流量がゼロへと低下している。このため、時刻ｔ₄以降において、改質温度及び変成温度が低下している。このように、時刻ｔ₄以降における改質温度及び変成温度の上昇が防止されることによって、変成触媒の温度のオーバーシュートが防止されている。

図４では、時刻ｔ₅において、原料ガス流量がゼロから増加し始めている。原料ガス流量は、所定値まで増加し、その後時刻ｔ₆まで該所定値に維持されている。時刻ｔ₆において、燃料電池８の発電が開始されている。燃料電池８の発電量は、時刻ｔ₆から増加し始め、時刻ｔ₇において第２目標発電量に達し、時刻ｔ₇から時刻ｔ₈までの期間において２目標発電量に維持され、時刻ｔ₈から再度増加し始め、時刻ｔ₉において第１目標発電量に達し、時刻ｔ₉に以降において第１目標発電量に維持されている。原料ガス流量は、時刻ｔ₆から時刻ｔ₇までの期間において再度増加し、時刻ｔ₇以降において一旦低下した後再度増加し、時刻ｔ₉において上げ止まり、その後一定値に維持されている。改質温度及び変成温度は、時刻ｔ₅から上昇し始め、時刻ｔ₇よりも後に低めのピークを迎え、その後緩やかに低下している。時刻ｔ₅は、ステップＳ１０７でＹＥＳと判断された時刻である。時刻ｔ₅において、ステップＳ１０８に従い第２立ち上がり制御が開始されている。時刻ｔ₈は、ステップＳ１１２でＹＥＳと判断された時刻である。時刻ｔ₈において、ステップＳ１１３に従い増加制御が開始される。図４に示すように、燃料電池８の発電量は、一気に第１目標発電量まで増加していない。その代わりに、同発電量は、低めの第２目標発電量で一旦上げ止まり、その後第１目標発電量に増加している。第２目標発電量は低めであるため、燃料電池８での発電で必要となる水素量が一気に増加することがなく、改質器２２における水素改質反応による改質器２２の過度な温度上昇を回避し易い。つまり、原料ガスの単位体積あたりのガス熱量の上昇は、水素不足による発電の不安定化を招き難い。従って、燃料電池８の発電を安定的に継続させつつ、変成触媒の温度のオーバーシュートを防止することができる。

上記の説明から理解されるように、本実施の形態では、制御部１６は、第２立ち上がり制御を実行することによって燃料電池８の発電量が第２目標発電量に達した後に、第２追従制御を実行し、その後、増加制御を実行する。このようにすれば、変成触媒の温度が高過ぎないレベルで安定してから燃料電池８の発電量を第１目標発電量に増加させることができる。このことは、変成触媒の温度のオーバーシュートによる変成触媒の劣化を防止する観点から有利である。

具体的には、本実施の形態では、制御部１６は、第２追従制御の開始後における第２状態の累積期間が第２期間に達した場合に、増加制御を実行する。第２状態の累積期間は、変成触媒の温度が高過ぎないレベルで安定しているか否かを判断する指標として利用することができる。本実施の形態では、その累積期間に基づいて増加制御を実行するか否かが決定される。このことは、変成触媒の温度のオーバーシュートによる変成触媒の劣化を防止する観点から有利である。

なお、本実施の形態の技術は、変成触媒以外の触媒の劣化防止に応用することができる。すなわち、本開示は、より一般的には、
原料ガスと水蒸気との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器２２であって、改質触媒を含む少なくとも１つの触媒と、可燃性ガスを燃焼させて熱を生成する燃焼部２と、を有する改質器２２と、
改質器２２から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池８と、
改質器２２に原料ガスを供給する原料供給部４と、
燃料電池８が発電しているときにおいて改質触媒の温度が目標温度となるように原料供給部４を制御する制御部１６と、
を備えた燃料電池システム１００であって、
可燃性ガスは、（ｉ）原料ガス、（ii）燃料電池８に供給される前の燃料ガス及び（iii）燃料電池８から排出された燃料ガスであるオフ燃料ガスのうちの少なくとも１つであり、
燃料電池８の発電量を第１目標発電量に上昇させる制御を第１立ち上がり制御と定義し、第１目標発電量よりも小さい目標発電量を第２目標発電量と定義し、燃料電池８の発電量を第２目標発電量に上昇させる制御を第２立ち上がり制御と定義し、改質触媒又は上記の少なくとも１つの触媒における改質触媒以外の１つの触媒を対象触媒と定義し、対象触媒の温度が第１温度よりも高い状態を第１状態と定義したとき、制御部１６は、第１立ち上がり制御の開始後における第１状態の累積期間が第１期間に達した場合に、燃料電池８を一旦停止させ、第２立ち上がり制御を実行する、燃料電池システム１００を提供すると言える。

一具体例では、（ａ）対象触媒は改質触媒であり、燃料電池システム１００は改質触媒の温度を検出する改質温度検出部２１を備えており、第１温度は目標温度よりも高い。別の具体例では、（ｂ）対象触媒は変成触媒であり、燃料電池システム１００は変成触媒の温度を検出する変成温度検出部２４を備えている。また別の具体例では、（ｃ）対象触媒は選択酸化触媒であり、燃料電池システム１００は選択酸化触媒の温度を検出する選択酸化触媒温度検出部を備えている。図３における変成温度及び改質温度の曲線から、本実施の形態によれば、変成温度Ｔ_hのピークのみならず、改質温度のピークを抑制できることが理解される。また、本実施の形態によれば、同様に、選択酸化触媒の温度のピークを抑制することもできる。上記（ａ）の場合、改質触媒の温度のオーバーシュートによる改質触媒の劣化が好適に防止される。上記（ｂ）の場合、変成触媒の温度のオーバーシュートによる変成触媒の劣化が好適に防止される。上記（ｃ）の場合、選択酸化触媒の温度のオーバーシュートによる選択酸化触媒の劣化が好適に防止される。なお、選択酸化触媒温度検出部は、図１には示していないが、必要に応じて設けることができる。

図２のフローチャートは、対象触媒が変成触媒である上記（ｂ）の場合用のフローチャートであると言える。この場合、上述の「より一般的な本開示」の説明において、第１状態は、変成温度検出部２４の検出温度が第１温度よりも高い状態に対応する。第２状態は、変成温度検出部２４の検出温度が第１温度以下である状態に対応する。

対象触媒が改質触媒である上記（ａ）の場合、上述の「より一般的な本開示」の説明において、第１状態は、改質温度検出部２１の検出温度が第１温度よりも高い状態に対応する。第２状態は、改質温度検出部２１の検出温度が第１温度以下である状態に対応する。また、この場合、図２のフローチャート及びこれに関連する説明において、「変成温度Ｔ_h」を「改質温度Ｔ_k」に読み替えることができる。「変成温度上限値Ｔ_hH」を「改質温度上限値Ｔ_kH」に読み替えることができる。

対象触媒が選択酸化触媒である上記（ｃ）の場合、上述の「より一般的な本開示」の説明において、第１状態は、選択酸化触媒温度検出部の検出温度が第１温度よりも高い状態に対応する。第２状態は、選択酸化触媒温度検出部の検出温度が第１温度以下である状態に対応する。また、この場合、図２のフローチャート及びこれに関連する説明において、「変成温度Ｔ_h」を「選択酸化温度」に読み替えることができる。「変成温度上限値Ｔ_hH」を「選択酸化温度上限値」に読み替えることができる。選択酸化温度は、選択酸化触媒の温度である。

なお、上記（ａ）の場合と、上記（ｂ）の場合と、上記（ｃ）の場合とで、第１温度を変更することができる。上記（ａ）の場合、第１温度は、例えば、改質触媒の融点から２００℃を差し引いた温度よりも大きく、かつ、改質触媒の融点から１００℃を差し引いた温度よりも小さい温度である。上記（ｂ）の場合、第１温度は、例えば、変成触媒の融点から２００℃を差し引いた温度よりも大きく、かつ、変成触媒の融点から１００℃を差し引いた温度よりも小さい温度である。上記（ｃ）の場合、第１温度は、例えば、選択酸化触媒の融点から２００℃を差し引いた温度よりも大きく、かつ、選択酸化の融点から１００℃を差し引いた温度よりも小さい温度である。

場合によっては、変成部１３及び変成触媒を省略することができる。また、場合によっては、選択酸化部１７及び選択酸化触媒を省略することができる。

１ 水素生成装置
２ 燃焼部
３ 水供給部
４ 原料供給部
５ 脱硫部
６ ガスインフラライン
７ 脱硫接続部
８ 燃料電池
９Ａ、９Ｂ 切換弁
１０ 原料供給経路
１１ 内筒
１２ 水素ガス供給経路
１３ 変成部
１４ オフガス供給経路
１５ 水蒸気発生部
１６ 運転制御部
１７ 選択酸化部
１８ 燃焼ファン
１９ 空気供給部
２０ 改質部
２１ 改質温度検出部
２２ 改質器
２３ 燃料電池バイパス経路
２４ 変成温度検出部
２５ 中筒
１００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 原料ガスと水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させることにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスにおける一酸化炭素の濃度を変成触媒を用いて低減させる変成部と、可燃性ガスを燃焼させて熱を生成する燃焼部と、を有する改質器と、
   前記改質器から供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記改質器に前記原料ガスを供給する原料供給部と、
   前記改質触媒の温度を検出する改質温度検出部と、
   前記変成触媒の温度を検出する変成温度検出部と、
   前記燃料電池が発電しているときにおいて前記改質温度検出部の検出温度が目標温度となるように前記原料供給部を制御する制御部と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記可燃性ガスは、（ｉ）前記原料ガス、（ii）前記燃料電池に供給される前の前記燃料ガス及び（iii）前記燃料電池から排出された前記燃料ガスであるオフ燃料ガスのうち
   の少なくとも１つであり、
   前記燃料電池の発電量を第１目標発電量に上昇させる制御を第１立ち上がり制御と定義し、前記第１目標発電量よりも小さい目標発電量を第２目標発電量と定義し、前記燃料電池の発電量を前記第２目標発電量に上昇させる制御を第２立ち上がり制御と定義し、前記変成温度検出部の検出温度が第１温度よりも高い状態を第１状態と定義したとき、前記制御部は、前記第１立ち上がり制御の開始後における前記第１状態の累積期間が第１期間に達した場合に、前記燃料電池を一旦停止させ、前記第２立ち上がり制御を実行する、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の発電量を前記第２目標発電量に追従させる制御を第２追従制御と定義し、前記燃料電池の発電量を前記第２目標発電量から前記第１目標発電量に増加させる制御を増加制御と定義したとき、前記制御部は、前記第２立ち上がり制御を実行することによって前記燃料電池の発電量が前記第２目標発電量に達した後に、前記第２追従制御を実行し、その後、前記増加制御を実行する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記変成温度検出部の検出温度が前記第１温度以下である状態を第２状態と定義したとき、前記制御部は、前記第２追従制御の開始後における前記第２状態の累積期間が第２期間に達した場合に、前記増加制御を実行する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 原料ガスと水蒸気との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器であって、改質触媒を含む少なくとも１つの触媒と、可燃性ガスを燃焼させて熱を生成する燃焼部と、を有する改質器と、
   前記改質器から供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記改質器に前記原料ガスを供給する原料供給部と、
   前記燃料電池が発電しているときにおいて前記改質触媒の温度が目標温度となるように前記原料供給部を制御する制御部と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記可燃性ガスは、（ｉ）前記原料ガス、（ii）前記燃料電池に供給される前の前記燃料ガス及び（iii）前記燃料電池から排出された前記燃料ガスであるオフ燃料ガスのうち
   の少なくとも１つであり、
   前記燃料電池の発電量を第１目標発電量に上昇させる制御を第１立ち上がり制御と定義し、前記第１目標発電量よりも小さい目標発電量を第２目標発電量と定義し、前記燃料電池の発電量を前記第２目標発電量に上昇させる制御を第２立ち上がり制御と定義し、前記改質触媒又は前記少なくとも１つの触媒における前記改質触媒以外の１つの触媒を対象触
   媒と定義し、前記対象触媒の温度が第１温度よりも高い状態を第１状態と定義したとき、前記制御部は、前記第１立ち上がり制御の開始後における前記第１状態の累積期間が第１期間に達した場合に、前記燃料電池を一旦停止させ、前記第２立ち上がり制御を実行する、燃料電池システム。
5. （ａ）前記対象触媒は前記改質触媒であり、前記燃料電池システムは前記改質触媒の温度を検出する改質温度検出部を備えており、前記第１温度は前記目標温度よりも高い、
   （ｂ）前記対象触媒は変成触媒であり、前記燃料電池システムは前記変成触媒の温度を検出する変成温度検出部を備えている、又は、
   （ｃ）前記対象触媒は選択酸化触媒であり、前記燃料電池システムは前記選択酸化触媒の温度を検出する選択酸化触媒温度検出部を備えている、請求項４に記載の燃料電池システム。

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