JP6857846B2 - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プロトンが伝導する電解質膜を用いた燃料電池スタックを備えた燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
化学エネルギーを電気エネルギーへ直接、変換することができる燃料電池は、カルノー効率の制約を受けないため、原理上、高い発電効率を期待することができる。たとえば、特許文献１に示す燃料電池は、イオンが伝導する電解質と、その一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる電極接合体を備えている。燃料電池においては、電解質における抵抗を低減するため、膜状の電解質を用いることが一般的である。また、燃料電池には、電解質の材料によって区分された、固体高分子形、リン酸形、固体酸化物形、溶融炭酸塩形等がある。
燃料電池を備えたシステムとしては、たとえば、非特許文献１に示す燃料電池システムが知られている。このシステムでは、改質部にて原料を改質して水素含有ガスを生成し、燃料電池のアノードに供給している。原料としては、たとえば、社会インフラストラクチャとして既に整備されている天然ガス（都市ガス）、およびプロパンガス等の炭化水素系燃料が例示される。
また、このような改質器が燃料電池の外部に設置された外部改質方式の他に、燃料電池に改質機能を持たせた内部改質方式がある。改質方法には、たとえば、水蒸気改質や部分酸化改質等がある。適切な温度において、炭化水素系燃料と、添加された水蒸気や酸素との混合ガスを改質触媒と接触、反応させることにより、水素含有ガスを得ている。
しかしながら、炭化水素系燃料を改質する際、条件によっては炭素の析出が起こることが知られている。たとえば、燃料にメタンを用いた場合、下記式１によって炭素が析出する。また、改質により生成した一酸化炭素が不均化する下記式２の反応によって炭素が析出する場合もある。
ＣＨ4 ←→ Ｃ ＋ ２Ｈ2 （式１）
２ＣＯ ←→ Ｃ ＋ ＣＯ2 （式２）
たとえば、非特許文献２に示すように、炭素、水素、酸素の比率と圧力とをパラメーターとし、熱力学平衡計算を行うことによって、炭素が析出するか否かを判定することができ、Ｃ−Ｈ−Ｏ三元図において炭素析出限界を把握することができる。
改質器に炭素が析出すると、析出した炭素による触媒層の閉塞や改質触媒の破壊が起こる。これにより、改質器において圧力損失が増大するため、装置の運用上大きな支障をきたす。また、燃料電池のアノードに炭素が析出すると、アノードにおけるガス拡散性の低下等により燃料電池の発電性能が低下する。
このような炭素析出は、水蒸気とカーボンとのモル比（Ｓ／Ｃ）が低いと生じ易くなる。しかしながら、Ｓ／Ｃを高くすると、水から水蒸気を生成するための熱エネルギーがより多く必要となるため、燃料電池システムの効率が悪化する。このため、燃料電池システムの効率および炭素析出を勘案し、たとえば、Ｓ／Ｃが２．０〜３．０程度に運転条件が設定される。
酸化物イオン伝導体を電解質膜に用いた燃料電池では、カソードにおいて下記式３により生成されるＯ2-が、電解質を介してアノードに供給され、水素と反応し水蒸気が生成する（式４）。
カソード：Ｏ2 ＋ ４ｅ- → ２Ｏ2- （式３）
アノード：Ｈ2 ＋ Ｏ2- → Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ- （式４）
これに対し、プロトン伝導体を電解質膜に用いた燃料電池では、アノードにおいて下記式５により生成されるプロトンが、電解質を介してカソードに供給され、下記式６の反応により水蒸気が生成する。
アノード：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- （式５）
カソード：Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ （式６）
酸化物イオン伝導体を用いた燃料電池スタックにおいて、燃料枯れによるアノード構成材料の酸化が起きることが知られている。燃料枯れとは、電流分布等によって局所的に燃料が足りていない状態を指す。例えば、Ｎｉをアノード構成材料に用いる場合には、燃料枯れによって酸化されてＮｉＯが生成し、セルの破壊や性能低下が起きることが知られている。対して、プロトン伝導体を用いた燃料電池スタックにおいては、燃料枯れによるアノード構成材料の酸化は原理上起き難い点がメリットである。
特開２００４−２７３３４３号公報
水素エネルギーシステムＶｏｌ．３７、Ｎｏ．２（２０１２）Ｐ．１２０〜１２３ A. D. Tevebaugh, E. J. Cairns, "Carbon Deposition Boundaries in the CHO System at Several Pressures", J. Chem. Eng. Data, 10, 359-362(1965)
プロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池スタックにおいて、システムの起動時など燃料電池スタックの温度が十分に昇温できていない状態で発電を行うと、炭素が析出することがある。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、炭素の析出による発電性能の低下を抑制することができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
本発明のある態様に係る燃料電池システムは、燃料を供給する燃料供給器と、前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、制御器と、を備え、前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている。
本発明の燃料電池システムによれば、炭素の析出による発電性能の低下を抑制することができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 図２Ａは、メタンを燃料としたＳ／Ｃ＝２．０の場合における、酸化物イオン伝導体を電解質に用いた燃料電池のアノードガス組成変化、および、プロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池のアノードガス組成変化をプロットしたＣ−Ｈ−Ｏ三元図である。図２Ｂは、図１の燃料電池システムにおける炭素の析出領域を示すＣ−Ｈ−Ｏ三元図に、燃料をメタンとし、Ｓ／Ｃを２．０にした場合のアノードガス組成についてプロットした図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の第７実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の第８実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
本発明の実施の第１態様に係る燃料電池システムは、燃料を供給する燃料供給器と、前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、制御器と、を備え、前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている。
この構成によれば、燃料電池スタックから取り出す電流量を上限値以下に制限することにより、燃料電池スタックにおける炭素の析出が抑制される。よって、炭素の析出による発電性能の低下を抑制することができる。
本発明の実施の第２態様に係る燃料電池システムでは、第１態様において、前記温度検出器は第１温度検出器であり、前記アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、前記オフガスの温度を検出する第２温度検出器と、をさらに備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されていてもよい。これにより、燃料電池スタックおよびオフガス経路における炭素の析出が抑制される。このため、燃料電池スタックおよびオフガス経路を含む燃料電池システムにおける発電効率の低下を抑制することができる。
本発明の実施の第３態様に係る燃料電池システムでは、第１態様において、前記燃料および前記水素含有ガスの少なくともいずれか一方を含み前記アノードに供給されるアノードガスの圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記燃料の供給量と前記アノードガスの圧力とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されていてもよい。
本発明の実施の第４態様に係る燃料電池システムでは、第３態様において、前記温度検出器は第１温度検出器であり、前記アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、前記オフガスの温度を検出する第２温度検出器と、をさらに備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量と前記アノードガスの圧力とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されていてもよい。
これにより、たとえば、供給されるアノードガスの圧力が変動する場合や、加圧運転を行う場合であっても、検出された圧力に基づいて燃料電池スタックから取り出す電流量が制限される。このため、燃料電池スタックにおける炭素の析出が抑制され、析出した炭素による燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制することができる。
本発明の実施の第５態様に係る燃料電池システムでは、第１乃至４のいずれかの態様において、前記燃料を改質して前記水素含有ガスを生成する改質器をさらに備えていてもよい。
本発明の実施の第６態様に係る燃料電池システムでは、第１乃至５のいずれかの態様において、前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量を増加させるように構成されていてもよい。これにより、炭素の析出を抑制しながら、要求電力量に応じた電力量を外部負荷に供給することができる。
本発明の実施の第７態様に係る燃料電池システムでは、第１乃至５のいずれかの態様において、前記燃料電池スタックに水を供給する水供給器と、前記水供給器から供給される水を蒸発させる蒸発器と、をさらに備えていてもよい。
本発明の実施の第８態様に係る燃料電池システムでは、第７態様において、前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されていてもよい。これにより、炭素の析出を抑制しながら、要求電力量に応じた電力量を外部負荷に供給することができる。
本発明の実施の第９態様に係る燃料電池システムでは、第１乃至５のいずれかの態様において、前記燃料電池スタックに水蒸気を供給する水蒸気供給器をさらに備えていてもよい。
本発明の実施の第１０態様に係る燃料電池システムでは、第９態様において、前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水蒸気の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されていてもよい。これにより、炭素の析出を抑制しながら、要求電力量に応じた電力量を外部負荷に供給することができる。
本発明の実施の第１１態様に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料を供給する燃料供給器と、前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、を備え、前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられたアノードとからなる膜電極接合体と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックの温度と前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限する。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック６、第１温度検出器７、燃料供給器１、空気供給器５および電流取り出し線１５および制御器１０を備えている。さらに、燃料電池システム１００は、水供給器２、蒸発器３を備えていてもよい。
燃料電池スタック６は、水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する。燃料電池スタック６は１つまたは複数の膜電極接合体６ｅを備えており、膜電極接合体６ｅは電解質膜６ａ、カソード６ｂおよびアノード６ｃから構成されている。電解質膜６ａは、プロトンが伝導する膜（プロトン伝導膜）であり、カソード６ｂは電解質膜６ａの一方の面に設けられ、アノード６ｃは電解質膜６ａのもう一方の面に設けられている。
アノード６ｃは、改質機能を有しており、アノード６ｃに供給された燃料が改質され、水素を含むガス（水素含有ガス）が生成する。この水素はアノード６ｃにおいて水素イオン（プロトン）になり、この際に電子が放出される（式５）。プロトンは電解質膜６ａを通り、カソード６ｂにおいて電子と空気中の酸素と反応し、水蒸気が生成する（式６）。
第１温度検出器７は、燃料電池スタック６の温度を検出する温度検出器である。第１温度検出器７は、燃料電池スタック６の温度を反映した値を指示する位置に設けられる。例えば、第１温度検出器７は、燃料電池スタック６が設置されている発電室内に設けられ、発電室内の温度を検出する。例えば、燃料電池スタック６のアノード流路を流れるアノードガス温度を測定、燃料電池スタック６のセパレーター等の構成部材の温度を測定、燃料電池スタック６の表面温度を測定、燃料電池スタック６が設置されている発電室内の温度を測定、燃料電池スタック６が設置されている発電室の外壁温度を測定すること等により燃料電池スタック６の温度を検出するようにしても良い。第１温度検出器７は、燃料電池スタック６のアノード６ｃにおける燃料の温度を検出することが好ましい。第１温度検出器７は、検出した温度を制御器１０に出力する。
燃料供給器１は、燃料電池スタック６に燃料を供給する。燃料供給器１は、その上流端が燃料供給源（図示せず）に接続され、下流端が燃料経路および第１供給経路１１を介して燃料電池スタック６のアノード６ｃの上流端に接続されている。燃料供給源としては、たとえば、燃料ボンベおよび燃料インフラストラクチャなどが例示される。燃料は、アノードガスとしてアノード６ｃに供給される。燃料としては、天然ガス（都市ガス）およびプロパンガス等の炭化水素系燃料が例示される。また、燃料供給器１は、アノード６ｃに供給される燃料の流量（供給量）を調整する機能を有する。
水供給器２は、燃料電池スタック６に水を供給する。水供給器２は、その上流端が水供給源（図示せず）に接続され、下流端が水経路および第１供給経路１１を介して燃料電池スタック６のアノード６ｃの上流端に接続されている。水供給源としては、たとえば、水道などが例示される。水道を水供給源に用いる場合には、イオン交換樹脂を用いる等、含有イオンを除去する構成を取ることが好ましい。水供給器２は、蒸発器３に供給される水の流量（供給量）を調整する機能を有する。蒸発器３は、水供給器２から供給される水を蒸発させる機器であって、水経路に設けられている。
燃料経路および水経路は、各下流端が接合されて、第１供給経路１１に繋がる。第１供給経路１１には、燃料経路を流通する燃料と水経路を流通する水蒸気とが混合したガス（アノードガス）が流れる。アノードガスは燃料電池スタック６のアノード６ｃに供給される。
空気供給器５は、燃料電池スタック６に空気を供給する。空気供給器５は、その上流端が空気供給源（図示せず）に接続され、下流端が第２供給経路１２を介して燃料電池スタック６のカソード６ｂの上流端に接続されている。空気供給源としては、たとえば、大気などが例示される。また、空気供給器５は、カソード６ｂに供給される空気の流量（供給量）を調整する機能を有する。空気は、カソードガスとして燃料電池スタック６のカソード６ｂに供給される。
電流取り出し線１５は燃料電池スタック６に接続されており、燃料電池スタック６の発電によって得られる電流を取り出す。また、電流取り出し線１５は外部負荷（図示せず）にインバータなどの電力変換器などを介して接続されている。
制御器１０は、燃料電池システム１００の各構成を制御する。たとえば、制御器１０は燃料供給器１、水供給器２および空気供給器５に信号を出力し、その信号の電流パルスや電圧等を制御することにより各供給器の供給量を調整する。また、制御器１０は、燃料電池スタック６の温度と燃料の供給量とに基づいて、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定し、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。
制御器１０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成でも構わない。たとえば、制御器１０は演算処理部（図示せず）および記憶部（図示せず）を備え、演算処理部としてはＭＰＵ、ＣＰＵが例示され、記憶部としてはメモリーが例示される。記憶部には、燃料電池システム１００としての基本プログラムおよび各種固定データ等の情報が記憶されている。演算処理部は、記憶部に記憶された基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、燃料電池システム１００の各種動作を制御する。制御器１０は、集中制御を行う単独の制御器１０で構成されていても構わないし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器１０で構成されていても構わない。
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の運転方法を、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明する。この運転方法は、制御器１０により制御される。
図２Ａは、メタンを燃料としたＳ／Ｃ＝２．０の場合における、酸化物イオン伝導体を電解質に用いた燃料電池のアノードガス組成変化、および、プロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池のアノードガス組成変化をプロットしたＣ−Ｈ−Ｏ三元図である。酸化物イオン伝導体を電解質に用いた場合では、発電が進行するにつれ、酸素の比率が高まる。プロトン伝導体を電解質に用いた場合では、発電が進行するにつれ、水素の比率が低下することが分かる。
図２Ｂは、５００℃、６００℃における炭素の析出領域を示すＣ−Ｈ−Ｏ三元図（Ｃ：
Ｈ：Ｏ比率情報）に、プロトン伝導体を電解質に用いた燃料電池において、燃料をメタンとし、Ｓ／Ｃを２にした場合のアノードガス組成についてプロットした図である。また、燃料にメタンを用いた場合について説明するが、他の燃料を用いた場合についても同様であるため、その説明を省略する。
具体的には、起動指令に応じて燃料と空気が供給され、燃焼器（図示せず）からの燃焼熱やヒーター（図示せず）により蒸発器３や燃料電池スタック６が加熱される。続いて、水の供給が開始され、水蒸気と燃料の混合気がアノード６ｃに供給され、電流を取り出す。この際、燃料電池スタック６の温度が低いと、炭素が析出するおそれがある。このため、炭素の析出を防止するために燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを制御する。
制御器１０は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量Ｘ、Ｙ、Ｚを算出する。この各流量、燃料電池スタック６の温度および所定のアノードガスの圧力Ｐ０から、炭素が析出しない水素原子の限界流量ＹＬを求める。
具体的には、炭素原子の流量Ｘ、酸素原子の流量Ｚ、燃料電池スタック６の温度およびアノードガスの圧力Ｐ０の各値は固定する。そして、水素原子の流量Ｙを減じ、アノードガスの熱力学平衡計算を行うことにより、炭素析出が起こらない最小水素原子流量を水素原子の限界流量ＹＬとして求める。
なお、水素原子の限界流量ＹＬを求める度に、熱力学平衡計算を行ってもよいし、熱力学平衡計算により予め求められたテーブルを参照してもよい。Ｈ2Ｏを取り込むことによってプロトン伝導性を発現するプロトン伝導体の場合は、温度、圧力に応じて、相当分のＨ2Ｏ(水素原子２個、酸素原子１個)を減じていき、同時にそれに応じた水素分圧と酸素分圧分をアノードガス圧力からさらに減じて計算してもよい。ただし、燃料電池スタック６で発電可能な状態になるまでにＨ2Ｏはプロトン伝導体内部に取り込まれていることが多いため無視してもよい。
その後、制御器１０は水素原子の流量Ｙから炭素析出が起こらない最小水素原子流量（水素原子の限界流量）ＹＬを引いた値を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値とし、燃料電池スタック６から取り出す電流量Iの上限値Ｉｍを設定する。
他の方法として、たとえば図２Ｂを用いて、炭素が析出しない炭素原子、水素原子および酸素原子の流量（限界流量）を求める方法もある。この図２Ｂにおいて、実線は、所定のＳ／Ｃ（たとえば、２．０）で所定の圧力下における燃料電池スタック６のアノードガスにおける炭素原子、水素原子および酸素原子の各流量の割合（アノードガスの組成）（％）を示している。また、点線は、所定の圧力下において５００℃で炭素の析出が生じるアノードガスの組成を示す線（境界線）である。一点鎖線は６００℃における境界線である。これらの線の上側（炭素原子の割合が大きい側）の領域（炭素の析出領域）で熱力学的には炭素が析出する。
たとえば、図２Ｂの実線上の点Ｘの組成のアノードガスは、５００℃における境界線より上側に位置している。このため、燃料電池スタック６が５００℃以下では炭素の析出が生じる。これに対し、実線上において水素の割合を増加する方向にアノードガスの組成を変化させると、５００℃の境界線より下側にアノードガスの組成が位置するようになり、炭素の析出が回避される。６００℃の場合、炭素析出は起こらない。
このように、温度に応じた所定の炭素析出限界Ｃ：Ｈ：Ｏ比率情報と、燃料電池スタック６の温度とに基づいて、炭素が析出しない炭素原子、水素原子および酸素原子の各流量（限界流量）を求める。なお、所定のＣ：Ｈ：Ｏ比率情報は、たとえば、図２Ａに示すように、所定のＳ／Ｃ、所定のアノードガスの圧力および所定の燃料の組成に基づいて、熱力学平衡計算により予め定められている。また、燃料電池スタック６の温度は、第１温度検出器７により検出される。
そして、制御器１０は、水素原子の流量Ｙから水素原子の限界流量ＹＬを引いた差を、
炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値として求める。そして、水素原子の上限値から燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。
制御器１０は、たとえば、電流取り出し線１５が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。これにより、アノード６ｃにおける炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック６の性能低下を抑制することができる。
なお、電流量Ｉの上限値Ｉｍに所定の安全率を乗じた電流量を上限としてもよい。そして、この電流量の上限以下に燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを制限してもよい。
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の各構成に加えて、第１オフガス経路１３および第２温度検出器１６をさらに備えている。燃料電池システム１００は、燃焼器８、および、第２オフガス経路１４をさらに備えていてもよい。
燃焼器８は、第１オフガス経路１３によりアノード６ｃの下流端に接続され、第２オフガス経路１４によりカソード６ｂの下流端に接続されている。これにより、アノード６ｃから排出されたガス（アノードオフガス）、および、カソード６ｂから排出されたガス（カソードオフガス）が燃焼器８に供給される。
アノードオフガスは、水素、水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、および、改質されなかった燃料等を含んでいる。カソードオフガスは、たとえば、燃料電池スタック６の発電で使用されなかった酸素を含んでいる。燃焼器８は、可燃性ガスを酸素で燃焼して、ガス（燃焼ガス）を排出する。この燃焼熱および／または燃焼ガスの熱を用いて蒸発器３や燃料電池スタック６が加熱される。
第２温度検出器１６は、アノードオフガスの温度を検出する温度検出器である。第２温度検出器１６は、第１オフガス経路１３に設けられ、アノードオフガスの温度を検出し、検出した温度を制御器１０に出力する。例えば、直接オフガス温度を測定するようにしてもよいし、オフガス温度を反映するオフガス配管等の温度を測定するようにしてもよい。第２温度検出器１６は、第１オフガス経路１３における温度分布の中での最低温度を検出することが好ましい。第２温度検出器１６で検出する温度が、第１オフガス経路１３における温度分布の中での最低温度ではない配置の場合は、予め相関を把握しておくことにより、最低温度を検出することと同等の効果を得られる。
制御器１０は、燃料電池スタック６の温度とアノードオフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、燃料の供給量とに基づいて、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。そして、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。
具体的には、アノードガスだけでなく、アノードオフガスも燃料などの炭化水素および一酸化炭素を含んでいる。このため、放熱などにより第１オフガス経路１３のアノードオフガスの温度が低いと、第１オフガス経路１３でも炭素の析出が生じる可能性がある。よって、制御器１０は、第１温度検出器７の検出値から燃料電池スタック６の温度を求め、また、第２温度検出器１６の検出値からアノードオフガスの温度を求める。このうち低温の方で炭素が析出し易いため、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度から低い方の温度を求める。
制御器１０は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量Ｘ、Ｙ、Ｚを算出する。この各流量、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度、および、所定のアノードガスの圧力Ｐ０から、炭素が析出しない水素原子の限界流量ＹＬを求める。この際、たとえば、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度における最小水素原子流量から水素原子の限界流量ＹＬを熱力学平衡計算により求めてもよい。または、図２Ｂなどを用いて所定の炭素析出限界Ｃ：Ｈ：Ｏ比率情報と、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度とに基づいて水素原子の限界流量ＹＬを求めてもよい。
制御器１０は、水素原子の流量Ｙから水素原子の限界流量ＹＬを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値として求める。この水素原子の上限値から燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。
そして、制御器１０は、たとえば、電流取り出し線１５が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。これにより、アノード６ｃおよび第１オフガス経路１３における炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック６の性能低下を抑制することができる。
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の各構成に加えて、圧力検出器１７をさらに備えている。
圧力検出器１７は、アノード６ｃに供給されるガス(アノードガス)の圧力を検出するセンサである。圧力検出器１７は、第１供給経路１１に設けられ、第１供給経路１１に流通するアノードガスの圧力を検出する。圧力検出器１７は、検出した圧力を制御器１０に出力する。
加圧部は、たとえば、コンプレッサなどが用いられる。たとえば、加圧部は、アノードガスの加圧機能として燃料供給器１に持たせてもよい。また、加圧部は、カソードガスの加圧機能として空気供給器５に持たせてもよい。
たとえば、非特許文献２に記載されているように、圧力に応じてＣ：Ｈ：Ｏ比率情報における炭素の析出領域が変化する。このため、制御器１０は、燃料電池スタック６の温度と燃料の供給量とアノードガスの圧力とに基づいて、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。そして、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。
具体的には、制御器１０は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量Ｘ、Ｙ、Ｚを算出する。この各流量、燃料電池スタック６の温度、および、圧力検出器１７により検出されたアノードガスの圧力Ｐから、炭素が析出しない水素原子の限界流量ＹＬを求める。この際、たとえば、圧力検出器１７により検出されたアノードガスの圧力Ｐにおける最小水素原子流量から水素原子の限界流量ＹＬを熱力学平衡計算により求めてもよい。または、図２Ｂなどを用いて圧力検出器１７により検出されたアノードガスの圧力に応じた所定の炭素析出限界Ｃ：Ｈ：Ｏ比率情報と燃料電池スタック６の温度とに基づいて水素原子の限界流量ＹＬを求めてもよい。
制御器１０は、水素原子の流量Ｙから水素原子の限界流量ＹＬを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値として求める。この水素原子の上限値から燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。
そして、制御器１０は、たとえば、電流取り出し線１５が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。これにより、アノード６ｃにおける炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック６の性能低下を抑制することができる。
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、第３実施形態に係る燃料電池システム１００の各構成に加えて、第１オフガス経路１３および第２温度検出器１６をさらに備えている。燃料電池システム１００は、燃焼器８、および、第２オフガス経路１４をさらに備えていてもよい。これらの構成は、第２実施形態に係る燃料電池システム１００の構成と同様であるため、その説明を省略する。
制御器１０は、燃料電池スタック６の温度とアノードオフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、燃料の供給量とアノードガスの圧力とに基づいて、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。そして、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。
具体的には、制御器１０は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量Ｘ、Ｙ、Ｚを算出する。この各流量、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度、および、圧力検出器１７により検出されたアノードガスの圧力Ｐから、炭素が析出しない水素原子の限界流量ＹＬを求める。この際、たとえば、圧力検出器１７により検出されたアノードガスの圧力Ｐ、ならびに、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度のうちのいずれか低い温度における最小水素原子流量から水素原子の限界流量ＹＬを熱力学平衡計算により求めてもよい。または、図２Ｂなどを用いて圧力検出器１７により検出されたアノードガスの圧力に応じた所定の炭素析出限界Ｃ：Ｈ：Ｏ比率情報と、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度のうちのいずれか低い温度とに基づいて水素原子の限界流量ＹＬを求めてもよい。
制御器１０は、水素原子の流量Ｙから水素原子の限界流量ＹＬを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値として求める。この水素原子の上限値から燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。
そして、制御器１０は、たとえば、電流取り出し線１５が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。これにより、アノード６ｃおよび第１オフガス経路１３における炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック６の性能低下を抑制することができる。
（第５実施形態）
図６は、第５実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の各構成に加えて、改質器４をさらに備えている。また、第１実施形態の燃料電池スタック６は、改質機能を有する内部改質方式であったが、第５実施形態の燃料電池スタック６は改質機能を有さず、外部に改質器４を有する外部改質方式である。なお、燃料電池スタック６は、改質器４に加えて、内部改質機能を有していてもよい。
改質器４は、燃料経路により燃料供給器１に接続され、水経路により蒸発器３に接続され、第１供給経路１１により燃料電池スタック６のアノード６ｃに接続されている。改質器４には、燃料供給器１から燃料が供給され、蒸発器３から水蒸気が供給される。また、改質器４には、Ｒｕ系の改質触媒が充填されている。改質器４では、改質触媒の存在下において燃料が水蒸気により改質されて、水素含有ガスを生成し、アノード６ｃに供給する。
改質反応には、たとえば、水蒸気改質法、部分酸化法、および、水蒸気改質法と部分酸化法とを併用した自己熱改質法などが用いられる。なお、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。たとえば、部分酸化法および自己熱改質法を用いた改質反応では、酸化剤ガスを供給する供給器が改質器４に接続される。
なお、改質器４は、第２〜第４実施形態に係る各燃料電池システム１００に設けられていてもよい。この場合、第２〜第４実施形態に係る各燃料電池システム１００と同様の構成、作用および効果を有するため、その説明を省略する。この場合、アノードガスは、燃料および水素含有ガスの少なくともいずれか一方を含み、アノード６ｃに供給される。
（第６実施形態）
第６実施形態に係る燃料電池システム１００は、図１に示す第１実施形態に係る燃料電池システム１００の各構成と同様の構成を備えている。制御器１０は、予め定められた燃料電池スタック６の性能特性に基づいた燃料電池スタック６の供給電力量が外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、燃料の供給量および水の供給量の少なくとも一方を増加させる。燃料電池スタック６の性能特性の１つである電流出力特性は、実験などにより予め定められている。
具体的には、制御器１０は、燃料の組成および供給量、ならびに、水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量Ｘ、Ｙ、Ｚを算出する。この各流量、燃料電池スタック６の温度、および、所定のアノードガスの圧力Ｐ０から、炭素が析出しない水素原子の限界流量ＹＬを求める。この際、たとえば、熱力学平衡計算により最小水素原子流量から水素原子の限界流量ＹＬを求めてもよいし、図２Ｂなどを用いて所定の炭素析出限界Ｃ：Ｈ：Ｏ比率情報と燃料電池スタック６の温度とに基づいて水素原子の限界流量ＹＬを求めてもよい。
制御器１０は、水素原子の流量Ｙから水素原子の限界流量ＹＬを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値として求める。この水素原子の上限値から燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。
そして、制御器１０は、たとえば、電流取り出し線１５が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。これにより、アノード６ｃにおける炭素の析出が抑制される。しかしながら、この電流量Ｉでは、燃料電池スタック６から供給される電力量が外部負荷の要求電力量を満たさないことがある。
このため、制御器１０は外部負荷または電力変換器などから外部負荷の要求電力量を取得する。また、予め設定された電流出力特性に基づいて電流量の上限値Ｉｍから燃料電池スタック６の供給電力量を求める。そして、この燃料電池スタック６の供給電力量が外部負荷の要求電力量より小さい場合、供給電力量が要求電力量を満たせないと判定する。
そこで、制御器１０は、供給電力量を増加できるよう、燃料の供給量および水の供給量を増加させる、燃料の供給量を増加させる、または、水の供給量を増加させる。制御器１０が燃料の供給量を増加するように燃料供給器１を制御する。また、制御器１０が水の供給量を増加するように水供給器２を制御する。これにより、燃料および水の少なくともいずれか一方の増加に伴い燃料電池スタック６の供給電力量が増加する。この結果、燃料電池システム１００は、外部負荷からの要求電力量に応じた電力量を供給することができる。
また、発電時間、発電総量、運転時間等に応じた燃料電池の劣化を考慮した電流出力特性を用いてもよい。
なお、第２〜第５実施形態に係る各燃料電池システム１００においても、第６実施形態に係る制御器１０と同様の制御を行ってもよい。この場合、第２〜第５実施形態に係る各燃料電池システム１００において、第６実施形態と同様の作用および効果を有するため、その説明を省略する。
（第７実施形態）
図７は、第７実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の水供給器２および蒸発器３に代えて、水蒸気供給器９を備えている。
水蒸気供給器９は、燃料電池スタック６に水蒸気を供給する。水蒸気供給器９は、その上流端が水蒸気供給源（図示せず）に接続され、下流端が水経路および第１供給経路１１を介して燃料電池スタック６のアノード６ｃの上流端に接続されている。水蒸気供給器９は、アノード６ｃに供給される水蒸気の流量（供給量）を調整する。
制御器１０は、予め定められた燃料電池スタック６の性能特性に基づいた燃料電池スタック６の供給電力量が外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、燃料の供給量および水蒸気の供給量を増加させる、燃料の供給量を増加させる、または、水蒸気の供給量を増加させる。
なお、第７実施形態に係る燃料電池システム１００では、制御器１０が水供給器２を制御して水の供給量を増加させることに代えて、水蒸気供給器９を制御して水蒸気の供給量を増加させる。これにより、第６実施形態と同様の作用および効果を有するため、その説明を省略する。
なお、水供給器２および蒸発器３に代えて、水蒸気供給器９が、第２〜第６実施形態に係る各燃料電池システム１００に設けられていてもよい。この場合、第２〜第６実施形態に係る各燃料電池システム１００において第７実施形態と同様の作用および効果を有するため、その説明を省略する。
（第８実施形態）
図８は、第８実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の各構成に加えて、入力部１９をさらに備えている。
入力部１９は、燃料の組成を入力する装置である。ユーザが入力部１９を操作することにより、または、入力部１９が有する通信手段により、燃料の組成が入力部１９を介して制御器１０に入力される。
制御器１０は、燃料電池スタック６の温度と燃料の供給量と燃料の組成とに基づいて、
燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。そして、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。
制御器１０は、入力された燃料の組成に加えて、燃料の供給量および水蒸気の供給量の情報に基づいて、アノードガス中の炭素原子、水素原子、酸素原子の各流量Ｘ、Ｙ、Ｚを算出する。この各流量、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度、および、所定のアノードガスの圧力Ｐ０から、炭素が析出しない水素原子の限界流量ＹＬを求める。この際、たとえば、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度における最小水素原子流量から水素原子の限界流量ＹＬを熱力学平衡計算により求めてもよい。または、図２Ｂなどを用いて所定の炭素析出限界Ｃ：Ｈ：Ｏ比率情報と、燃料電池スタック６の温度およびアノードオフガスの温度のうちの低い温度とに基づいて水素原子の限界流量ＹＬを求めてもよい。
制御器１０は、水素原子の流量Ｙから水素原子の限界流量ＹＬを引いた差を、炭素析出を回避可能で発電に用いられる水素原子の上限値として求める。この水素原子の上限値から燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉの上限値Ｉｍを設定する。
そして、制御器１０は、たとえば、電流取り出し線１５が接続される電力変換器などを制御して、燃料電池スタック６から取り出す電流量Ｉを上限値Ｉｍ以下に制限する。これにより、アノード６ｃにおける炭素の析出が抑制されるため、燃料電池スタック６の性能低下を抑制することができる。
なお、入力部１９が、第２実施形態〜第７実施形態に係る各燃料電池システム１００に設けられていてもよい。この場合、第２実施形態〜第７実施形態に係る各燃料電池システム１００において第８実施形態と同様の構成、作用および効果を有するため、その説明を省略する。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明に係る燃料電池システムおよびその運転方法は、炭素の析出による発電性能の低下を抑制することができる燃料電池システムおよびその運転方法等として有用である。
１ ：燃料供給器
２ ：水供給器
３ ：蒸発器
４ ：改質器
６ ：燃料電池スタック
６ａ ：電解質膜
６ｂ ：カソード
６ｃ ：アノード
６ｅ ：膜電極接合体
７ ：第１温度検出器（温度検出器）
９ ：水蒸気供給器
１０ ：制御器
１３ ：第１オフガス経路（オフガス経路）
１６ ：第２温度検出器
１７ ：圧力検出器
１００ ：燃料電池システム

Claims (9)

  1. 燃料を供給する燃料供給器と、
    前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの温度を検出する第１温度検出器と、
    アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、
    前記オフガスの温度を検出する第２温度検出器と、
    制御器と、を備え、
    前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられた前記アノードとからなる膜電極接合体と、を備え、
    前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、燃料電池システム。
  2. 前記燃料および前記水素含有ガスの少なくともいずれか一方を含み、前記アノードに供給されるアノードガスの圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、
    前記制御器は、前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量と前記アノードガスの圧力とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料を改質して前記水素含有ガスを生成する改質器をさらに備える、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
    前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量を増加させるように構成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池スタックに水を供給する水供給器と、
    前記水供給器から供給される水を蒸発させる蒸発器と、をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
    前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されている、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池スタックに水蒸気を供給する水蒸気供給器をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池スタックからの電力量を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
    前記制御器は、予め定められた前記燃料電池スタックの性能特性に基づいた前記燃料電池スタックの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を満たせないと判定した場合、前記燃料の供給量および前記水蒸気の供給量の少なくとも一方を増加させるように構成されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 燃料を供給する燃料供給器と、
    前記燃料から生成された水素含有ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの温度を検出する第１温度検出器と、
    アノードから排出されるオフガスが流通するオフガス経路と、
    前記オフガスの温度を検出する第２温度検出器と、
    制御器と、を備え、
    前記燃料電池スタックは、プロトンが伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、もう一方の面に設けられた前記アノードとからなる膜電極接合体と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池スタックの温度と前記オフガスの温度のうちのいずれか低い温度と、前記燃料の供給量とに基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量の上限値を設定し、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を前記上限値以下に制限する、燃料電池システムの運転方法。
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