JP7126393B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

下記特許文献１には、炭化水素を主体とする原燃料（原料ガス）を改質して燃料ガス（改質ガス）を生成し、この燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールが記載されている。

特開２０１６－１５２４号公報

上記特許文献１に示されるような、原料ガスに含まれる炭化水素を改質して改質ガスを生成する燃料電池システムでは、単位時間あたりに投入される原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下する。燃料ガス濃度が低下すると、燃料電池システムの運転効率が低下する場合がある。または、単位時間あたりに投入される原料ガスの熱量が増加すると、改質器等において炭素析出が発生する場合がある。

本発明は、上記事実を考慮して、原料ガスの熱量が低下した際に運転効率が低下することを抑制し、原料ガスの熱量が増加した場合に炭素析出の発生を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１の燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部と、前記改質部から供給された前記改質ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記原料ガスの熱量変化に応じて、前記原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する制御部と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、前記改質部の温度を検出する改質部温度センサと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の電圧が許容範囲より低い場合及び前記改質部の温度が許容範囲より高い場合の少なくとも一方の場合に、前記原料ガスの熱量が減少していると推測する。

請求項１に記載の燃料電池システムによると、制御部が、原料ガスの熱量変化に応じて、前記原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する。

例えば原料ガスの熱量が減少すると、制御部は原料ガスの流量を大きくする。これにより改質部へ供給される単位時間あたりの熱量を増やし、改質ガス中の燃料ガス濃度の低下を抑制する。このため燃料電池システムの運転効率が低下することが抑制される。

または、原料ガスの熱量が減少すると、制御部は改質水の流量を少なくする。これにより改質部へ原料ガスの熱量に対して余分な水分が供給されることを抑制し、余分な水分を加熱することによる熱ロスを抑制する。このため燃料電池システムの運転効率が低下することが抑制される。

あるいは、原料ガスの熱量が減少すると、発電量を小さくする。これにより改質ガス中の燃料ガスの熱量に見合った発電量として、発電効率の低下を抑制する。このため燃料電池システムの運転効率が低下することが抑制される。

また、例えば原料ガスの熱量が増加すると、制御部は改質水の流量を多くする。これにより改質部へ原料ガスの熱量に対して十分な水分が供給され、炭素の析出が抑制される。なお「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。

請求項２の燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部と、前記改質部から供給された前記改質ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記原料ガスの熱量変化に応じて、前記原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する制御部と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、前記改質部の温度を検出する改質部温度センサと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の電圧が許容範囲より高い場合及び前記改質部の温度が許容範囲より低い場合の少なくとも一方の場合に、前記原料ガスの熱量が増加していると推測する。
請求項３の燃料電池システムは、請求項１又は２の燃料電池システムにおいて、前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度センサを備え、前記制御部は、前記燃焼器の温度から前記原料ガスの熱量変化を推測する。

請求項３の燃料電池システムによると、制御部は、燃料電池の電圧、燃焼器の温度及び改質部の温度の少なくとも１つから前記原料ガスの熱量変化を推測する。

例えば燃料電池の電圧が低下すると、原料ガスの熱量が減少していると推測する。これは、原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下するため、燃料電池の電圧が低下するからである。

または、燃焼器の温度が低下すると、原料ガスの熱量が減少していると推測する。これは、原料ガスの熱量が減少すると、燃焼器へ供給されるオフガスにおける燃料ガス濃度が低下するため、燃焼器の温度が低下するからである。

あるいは、改質部の温度が上昇すると、原料ガスの熱量が減少していると推測する。これは、原料ガスの熱量が低下すると改質反応が低減されるため、水蒸気改質反応に伴う吸熱が抑制されるからである。

このように、燃料電池の電圧、燃焼器の温度及び改質部の温度の少なくとも１つから原料ガスの熱量変化を推測することで、熱量計を省略することができる。これにより燃料電池システムの構成を簡略化できる。

一態様の燃料電池システムは、前記制御部は、前記燃料電池の電圧、前記燃焼器の温度及び前記改質部の温度から前記原料ガスの熱量変化を推測する。

一態様の燃料電池システムによると、制御部は、燃料電池の電圧、燃焼器の温度及び改質部の温度、すなわち複数の指標を組み合わせて原料ガスの熱量変化を推測する。このため、１つの指標から推測する場合と比較して推測の精度が高い。

請求項４の燃料電池システムは、請求項１～３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を複数備え、後段に配置された前記燃料電池は前段に配置された前記燃料電池から排出されたオフガスを用いて発電を行ない、前記電圧センサは、少なくとも最後段に配置された前記燃料電池の電圧を検出する。

請求項４の燃料電池システムは、燃料電池を複数備えている。原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下するため、最前段に配置された燃料電池の電圧が低下する。また、この燃料電池から排出されるオフガス中の燃料ガス濃度も低下するため、後段側に配置された燃料電池の電圧も低下する。

このとき、前段側の燃料電池より、後段側の燃料電池のほうが、原料ガスの熱量が減少する「前」の電圧に対する電圧低下率が大きい。

ここで、請求項４の電圧センサは、少なくとも最後段に配置された燃料電池の電圧を検出する。すなわち、原料ガスの熱量が減少することによる電圧低下率が最も高い燃料電池の電圧を検出する。これにより、例えば最前段に配置された燃料電池の電圧を検出する場合と比較して、原料ガスの微細な熱量変化を推測することができる。

請求項５の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記電圧センサは、複数の前記燃料電池それぞれの電圧を検出する。
請求項６の燃料電池システムは、請求項１～４の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、燃料電池の発電量と電圧値とを比較して、前記燃料電池の劣化率を判定し、前記劣化率に応じて、原料ガスの熱量変化を推測する。
一態様の燃料電池システムは、前記燃料電池を複数備え、後段に配置された前記燃料電池は前段に配置された前記燃料電池から排出されたオフガスを用いて発電を行ない、前記電圧センサは、少なくとも最後段に配置された前記燃料電池の電圧を検出する。

一態様の燃料電池システムによると、電圧センサは、少なくとも最後段に配置された燃料電池の電圧を検出する。すなわち、原料ガスの熱量が減少することによる電圧低下率が最も高い燃料電池の電圧を検出する。これにより、例えば最前段に配置された燃料電池の電圧を検出する場合と比較して、原料ガスの微細な熱量変化を推測することができる。

さらに、制御部は、燃料電池の電圧、燃焼器の温度及び改質部の温度、すなわち複数の指標を組み合わせて原料ガスの熱量変化を推測する。このため、１つの指標から推測する場合と比較して推測の精度が高い。

本発明に係る燃料電池システムでは、原料ガスの熱量が低下した際に運転効率が低下することを抑制し、原料ガスの熱量が増加した場合に炭素析出の発生を抑制できる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における燃料電池システムにおいて、制御部が原料ガスの熱量の変化を推測する手順を示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態における燃料電池システムにおいて、前段の燃料電池セルスタックと後段の燃料電池セルスタックとの間に再生器を配置した変形例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における燃料電池システムにおいて、改質器と燃焼器とを隣接して配置した変形例を示すブロック図である。 （Ａ）は本発明の第１実施形態における燃料電池システムを、原料ガスの熱量を一定にして駆動させた場合における燃料電池セルスタックにおける発電量と電圧との関係を示したグラフであり、（Ｂ）は燃料電池セルスタックにおける発電量を一定にして駆動させた場合における原料ガスの熱量と電圧との関係を示したグラフである。

［第１実施形態］
（燃料電池システム）
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器２０と、改質器２０から供給された改質ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池セルスタック３０と、燃料電池セルスタック３０から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼器４０と、原料ガスの熱量変化に応じて、原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量のうち少なくとも何れかを制御する制御部５０と、を備えている。

（改質器）
改質器２０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。改質器２０は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部と、改質用触媒を備える改質部とで構成されている。なお、以下の説明においては、特に断りのない限り改質器２０とは改質部を示すものとする。

改質器２０には、原料ガス供給経路Ｐ１の一端が接続されている。原料ガス供給経路Ｐ１には、ブロアＢが設けられている。これによりメタンなどの原料ガスが原料ガス供給経路Ｐ１を通じて改質器２０に供給される。

また、改質器２０には、水蒸気供給経路Ｐ４の一端が接続されている。水蒸気供給経路Ｐ４の他端は、水供給管Ｐ３から供給された改質水を気化させる気化器６０に接続されている。この気化器６０は、水蒸気供給経路Ｐ４を介して水蒸気を改質器２０に送出する。

改質器２０において原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、以下の（１）式の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ・・・（１）

更に、一酸化炭素をシフト改質させた場合、以下の（２）式の反応により水素及び二酸化炭素が生成される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（２）

なお、本実施形態では、原料ガスの一例としてメタンが採用されているが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、又はブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは、天然ガス、都市ガス、又はＬＰガス、バイオガス等のガスであってもよい。さらに、原料ガスは、これらの混合ガスであってもよい。

改質器２０には、改質ガス供給経路Ｐ２の一端が接続されている。改質ガス供給経路Ｐ２の他端は、燃料電池セルスタック３０におけるアノード３２Ｂに接続されている。これにより、改質器２０にて生成された改質ガスが、改質ガス供給経路Ｐ２を通じて燃料電池セルスタック３０に供給される。改質ガスには、未反応のメタン、改質器２０で生成された二酸化炭素、水素、未反応の一酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

（燃料電池セルスタック）
燃料電池セルスタック３０は固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル３２を有している。個々の燃料電池セル３２は、電解質層３２Ｃと、電解質層３２Ｃの表裏面にそれぞれ積層されたカソード３２Ａ及びアノード３２Ｂと、を有する。なお、図１に示す例では、複数の燃料電池セル３２の個々のカソードをまとめて「カソード３２Ａ」として図示されており、複数の燃料電池セル３２の個々のアノードをまとめて「アノード３２Ｂ」として図示されている。なお、燃料電池セルスタック３０は、溶融炭酸塩型や固体高分子型の燃料電池セルスタックとしてもよい。

カソード３２Ａには、酸化ガスが流れる管である酸化ガス管Ｐ５の一端が接続されている。カソード３２Ａには、酸化ガス管Ｐ５を介して酸化ガス（例えば空気）が供給される。カソード３２Ａでは、以下の（３）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層３２Ｃを通ってアノード３２Ｂに到達する。

１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｏ^２－ ・・・（３）

一方、アノード３２Ｂでは、以下の（４）式及び（５）式に示すように、電解質層３２Ｃを通ってきた酸素イオンが改質ガス中の燃料ガスである水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)、二酸化炭素及び電子が生成される。アノード３２Ｂで生成された電子がアノード３２Ｂから外部回路を通ってカソード３２Ａに移動することで、各燃料電池セル３２において発電される。なお、各燃料電池セル３２は、発電時に発熱する。

Ｈ_２＋Ｏ^２－→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ ・・・(４)

ＣＯ＋Ｏ^２－→ＣＯ_２＋２ｅ^－ ・・・(５)

アノード３２Ｂには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ６には、アノード３２Ｂからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれている。

カソード３２Ａには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ７には、カソード３２Ａからカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれている。

アノードオフガス管Ｐ６の他端及びカソードオフガス管Ｐ７の他端は、燃焼器４０に接続されている。

（燃焼器）
燃焼器４０は、カソード３２Ａから排出されたカソードオフガスと、アノード３２Ｂから排出されたアノードオフガスとの混合ガスを燃焼させる。燃焼器４０からの排気は、排気管Ｐ８を通じて排出される。

（センサ）
燃料電池システム１０は、燃料電池セルスタック３０の電圧を検出する電圧センサ７２と、燃焼器４０の温度を検出する温度センサ７４（燃焼器温度センサ）と、改質器２０の温度を検出する温度センサ７６（改質器温度センサ）と、を備えている。

電圧センサ７２はカソード３２Ａとアノード３２Ｂとの間に設けられており、カソード３２Ａとアノード３２Ｂとの間の電位差（燃料電池セルスタック３０の電圧）を検出する。温度センサ７４は燃焼器４０に設けられており、燃焼器４０の温度を検出する。温度センサ７６は改質器２０に設けられており、改質器２０の温度を検出する。

（制御部）
制御部５０は、燃料電池システム１０の運転効率の低下や改質器２０、改質ガス供給経路Ｐ２、燃料電池セルスタック３０、アノードオフガス管Ｐ６又は燃焼器４０における炭素析出を抑制するための燃料電池システム用装置である。制御部５０は、電圧センサ７２、温度センサ７４、温度センサ７６と有線又は無線で接続されており、これらから燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度が入力される。

制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度から、原料ガスの熱量変化を推測する。例えば燃料電池セルスタック３０の電圧が「低下」すると、単位時間当たりに投入された原料ガスの熱量が「減少」していると推測する。これは、原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下するため、燃料電池セルスタック３０の電圧が低下するからである。

または、燃焼器４０の温度が「低下」すると、原料ガスの熱量が「減少」していると推測する。これは、原料ガスの熱量が減少すると、燃焼器４０へ供給されるアノードオフガスにおける燃料ガス濃度が低下するため、燃焼器４０の温度が低下するからである。

あるいは、改質器２０の温度が「上昇」すると、原料ガスの熱量が「減少」していると推測する。これは、原料ガスの熱量が低下すると改質反応が低減されるため、改質反応に伴う吸熱が抑制されるからである。

このように制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度のうち少なくとも１つを指標（パラメータ）として、原料ガスの熱量変化を推測することができる。但し、本実施形態においては、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度の「全て」を指標として、原料ガスの熱量変化を推測する。これにより指標数が少ない場合と比較して推測確度を高めることができる。

制御部５０による原料ガスの熱量変化推測方法について、図２のフローチャートに沿って説明する。まず、ステップ１００において、制御部５０に、電圧センサ７２、温度センサ７４、温度センサ７６から、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度がパラメータとして入力される。

次に、ステップ１０２で、制御部５０が燃料電池セルスタック３０の電圧が許容範囲かどうかを判別する。例えば燃料電池セルスタック３０の電圧が許容範囲より低い場合、原料ガスの熱量が減少していると推測してステップ１０４へ移行する。燃料電池セルスタック３０の電圧が許容範囲内の場合、原料ガスの熱量は正常と判断して、ステップ１００へ戻る。なお、制御部５０が燃料電池セルスタック３０の電圧から原料ガスの熱量が減少していると推測する方法としては、例えば以下の方法がある。

改質器２０へ送出される原料ガスの熱量（単位時間あたりの熱量）を一定にして燃料電池システム１０を駆動させた場合、燃料電池セルスタック３０における発電量（Ｗ）と電圧（Ｖ）との関係は、例えば図６（Ａ）のように表される。ここで、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０における発電量（Ｗ）を制御している。また、制御部５０のメモリには、図６（Ａ）に示されるような発電量（Ｗ）と想定電圧値（Ｖ）との相関関係が保存されている。

制御部５０は、燃料電池セルスタック３０を発電量Ｗ１で稼動させている際、電圧センサ７２で検出された電圧Ｖ２と、メモリに保存されている想定電圧Ｖ１とを比較する。そして、電圧センサ７２で検出された電圧Ｖ２が、想定電圧Ｖ１を基準とした許容範囲より低くなった場合、制御部５０は、原料ガスの熱量が減少していると推測する。

また、燃料電池セルスタック３０における発電量（単位時間あたりの発電量）を一定にして燃料電池システム１０を駆動させた場合、原料ガスの熱量（Ｊ）と電圧（Ｖ）との関係は、例えば図６（Ｂ）のように表される。制御部５０のメモリには、図６（Ｂ）に示されるような熱量（Ｊ）と電圧値（Ｖ）との相関関係が保存されている。

制御部５０は、燃料電池セルスタック３０を一定の発電量Ｗ１で稼動させている際において、入力された電圧値が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に低下した場合、原料ガスの熱量が熱量Ｊ１から熱量Ｊ２に減少したと推測する。

ステップ１０４では、制御部５０が燃焼器４０の温度が許容範囲かどうかを判別する。例えば燃焼器４０の温度が許容範囲より低い場合、原料ガスの熱量が減少していると推測してステップ１０６へ移行する。燃焼器４０の温度が許容範囲内の場合、原料ガスの熱量は正常と判断して、ステップ１００へ戻る。

ステップ１０６では、制御部５０が改質器２０の温度が許容範囲かどうかを判別する。例えば改質器２０の温度が許容範囲より高い場合、原料ガスの熱量が減少していると推測してステップ１０８へ移行する。改質器２０の温度が許容範囲内の場合、原料ガスの熱量は正常と判断して、ステップ１００へ戻る。

ステップ１０８では、制御部５０が、燃料電池システム１０を制御する。具体的には、原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量のうち少なくとも何れかを制御する。

例えば上述したステップ１０２～１０６において、原料ガスの熱量が減少していると推測された場合、制御部５０は原料ガスの流量を大きくする。または、制御部５０は改質水の流量を少なくする。あるいは、制御部５０は発電量を小さくする。なお、制御部５０が、原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の何れを制御するかは任意であり、予め制御部５０に対して何れを制御するかを設定しておくことができる。

（作用・効果）
第１実施形態に係る燃料電池システム１０においては、制御部５０が、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度から原料ガスの熱量変化を推測する。このため、原料ガスの熱量を測定するための熱量計を設置する必要がなく、燃料電池システムの構成を簡略化できる。

さらに、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度の全てを指標として、原料ガスの熱量変化を推測している。例えば、燃料電池セルスタック３０の電圧が許容範囲より低く、かつ、燃焼器４０の温度が許容範囲より低く、かつ、改質器２０の温度が許容範囲より高い場合には、制御部５０は、原料ガスの熱量が低下していると推測する。これに対して、少なくとも１つの指標が許容範囲内であれば、制御部５０は、原料ガスの熱量は正常であると判断する。

これにより、原料ガスの熱量変化以外の要因によって各指標が変化した場合に、当該指標の変化が原料ガスの熱量変化に起因して発生したと判断されるエラーを抑制できる。このため、少ない指標で推測する場合と比較して原料ガスの熱量変化の推測確度が高い。

また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０においては、制御部５０は、ステップ１０２～１０６で原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、一例として原料ガスの流量を大きくする。これにより改質器２０へ供給される単位時間あたりの熱量を増やし、改質ガス中の燃料ガス濃度の低下を抑制する。これにより燃料電池セルスタック３０における燃料枯れや燃焼器４０の失火を抑制し、発電効率が低減することや燃料電池セルスタック３０の破損を抑制できる。また、単位発電量あたりの消費燃料を減らすことができる。

また、制御部５０は、ステップ１０２～１０６で原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、他の一例として改質水の流量を少なくする。これにより改質器２０へ余分な水分が供給されることを抑制し、余分な水分を加熱することによる熱ロスを抑制する。換言すると、改質水の流量を少なくすることにより原料ガスの熱量減少に伴う炭素（Ｃ）と水（Ｓ）とのモル比（スチームカーボン比、Ｓ／Ｃ）の増加を抑制して、改質ガス中の燃料ガス濃度の低下を抑制する。このため燃料電池システムの運転効率が低下し難い。

なお、制御部５０は、原料ガスの熱量が増大していると推測した場合、改質水の流量を多くすることもできる。これにより改質器２０へ十分な水分を供給して、改質器２０における炭素の析出を抑制できる。

また、制御部５０は、ステップ１０２～１０６で原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、さらに他の一例として燃料電池セルスタック３０における発電量を小さくする。これにより改質ガス中の燃料ガスの熱量に見合った発電量として、燃料電池セルスタック３０における燃料枯れを抑制し、発電効率の低下を抑制する。また、燃料電池セルスタック３０の破損を抑制できる。

なお、制御部５０は、原料ガスの流量、改質水の流量、燃料電池セルスタック３０における発電量のうち少なくとも１つを制御する。つまり制御部５０は、原料ガスの流量、改質水の流量、燃料電池セルスタック３０における発電量のうち、２つ以上を制御してもよい。２つ以上を制御することにより相乗的に効果を発揮させて発電効率を高めることができる。

また、本実施形態においては、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度の全てを指標として、原料ガスの熱量変化を推測しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。たとえば、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度のうち少なくとも１つを指標として、原料ガスの熱量変化を推測してもよい。

さらに、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の発電量と電圧値とを比較して、燃料電池セルスタック３０の劣化率を判定してもよい。この場合、制御部５０は、燃料電池セルスタック３０の劣化率に応じて原料ガスの熱量変化を推測し、原料ガスの流量、改質水の流量、燃料電池セルスタック３０における発電量のうち少なくとも１つを制御する。

またさらに、制御部５０には、原料ガスの熱量変化を推測するための各種の情報（例えば他の機器の制御情報等）を、予めプログラムしておいてもよいし、インターネットから逐次取得できる機構を組み込んでおいてもよい。

［第２実施形態］
（燃料電池システム）
図３に示す第２実施形態に係る燃料電池システム１２は、多段式（２段）の燃料電池システムとされ、燃料電池セルスタック３０、３４を備えている。なお、第２実施形態において、上述の第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。

燃料電池セルスタック３４は、燃料電池セルスタック３０の後段に設置されたセルスタックである。燃料電池セルスタック３４は固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル３６を有している。個々の燃料電池セル３６は、電解質層３６Ｃと、電解質層３６Ｃの表裏面にそれぞれ積層されたカソード３６Ａ及びアノード３６Ｂと、を有する。なお、燃料電池セルスタック３４は、燃料電池セルスタック３０と同様に、溶融炭酸塩型や固体高分子型の燃料電池セルスタックとしてもよい。

カソード３２Ａとカソード３６Ａとはカソードオフガス管Ｐ９で接続されており、カソード３６Ａには、カソード３２Ａから排出されたカソードオフガスが送出される。また、アノード３２Ｂとアノード３６Ｂとはアノードオフガス管Ｐ１０で接続されており、アノード３６Ｂには、アノード３２Ｂから排出されたアノードオフガスが送出される。

電圧センサ７２Ａは、カソード３２Ａとアノード３２Ｂとの間に設けられており、カソード３２Ａとアノード３２Ｂとの間の電位差（燃料電池セルスタック３０の電圧）を検出する。また、電圧センサ７２Ｂは、カソード３６Ａとアノード３６Ｂとの間に設けられており、カソード３６Ａとアノード３６Ｂとの間の電位差（燃料電池セルスタック３４の電圧）を検出する。

第２実施形態における制御部５２は、電圧センサ７２Ａ、７２Ｂ、温度センサ７４、温度センサ７６と図示しない配線で接続されており、これらから燃料電池セルスタック３０、３４の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度が入力される。

制御部５２は、燃料電池セルスタック３０、３４の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度から、原料ガスの熱量変化を推測する。

（作用・効果）
第２実施形態に係る燃料電池システム１２では、複数の燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック３０、３４）が直列で繋がれている。燃料電池システム１２において原料ガスの熱量が減少すると、改質ガス中の燃料ガス濃度が低下するため、前段に配置された燃料電池セルスタック３０の電圧が低下する。また、燃料電池セルスタック３０から排出されるアノードオフガス中の燃料ガス濃度も低下するため、後段に配置された燃料電池セルスタック３４の電圧も低下する。

このとき、前段の燃料電池セルスタック３０より後段の燃料電池セルスタック３４のほうが、原料ガスの熱量が減少する前の電圧に対する電圧低下率が高い。換言すると、原料ガスの熱量変化に対して、燃料電池セルスタック３０より燃料電池セルスタック３４のほうが敏感に反応する。

ここで、制御部５２は、燃料電池セルスタック３０の電圧に加えて、燃料電池セルスタック３４の電圧から、原料ガスの熱量変化を推測する。つまり、相対的に電圧低下率が小さな燃料電池セルスタック３０の電圧だけでなく、相対的に電圧低下率が大きな燃料電池セルスタック３４の電圧を、原料ガスの熱量変化を推測するための指標としている。これにより、燃料電池セルスタック３０の電圧のみを指標とする場合と比較して、原料ガスの熱量変化を推測しやすい。また、燃料電池セルスタック３４の電圧のみを指標とする場合と比較して、指標数が増えるため推測の確度が高い。

なお、第２実施形態においては、燃料電池セルスタック３０、３４の双方の電圧を、原料ガスの熱量変化を推測するための指標としているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、少なくとも後段に配置された燃料電池セルスタック３４の電圧を指標とすればよい。これにより燃料電池セルスタック３０の電圧のみを指標とする場合と比較して、原料ガスの熱量変化を推測しやすい。

また、燃料電池システム１２では、複数の燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック３０、３４）を用いているため、燃料電池セルスタックを単独で用いたシステムと比較して総合燃料利用率が高い。このため原料ガスの熱量が減少した際に燃料枯れが生じる可能性が高くなる。

このとき、前段の燃料電池セルスタック３０へ供給される改質ガス中の燃料ガス濃度の低下率より、後段の燃料電池セルスタック３４へ供給されるアノードオフガス中の燃料ガス濃度の低下率が高くなる。このため、燃料電池セルスタック３０と比較して、燃料電池セルスタック３４において燃料枯れが生じ易くなる。

第２実施形態に係る燃料電池システム１２においては、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同様に、制御部５２は、原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、一例として原料ガスの流量を大きくする。これにより燃料電池セルスタック３０における燃料枯れを抑制できるほか、燃料電池セルスタック３４における燃料枯れも抑制できる。この結果、燃料電池セルスタック３０だけでなく、燃料枯れが生じ易い燃料電池セルスタック３４の破損も抑制できる。

また、制御部５２は、原料ガスの熱量が減少していると推測した場合、他の一例として燃料電池セルスタック３０、３４における発電量をそれぞれ小さくして、改質ガス中の燃料ガス及びアノードオフガス中の燃料ガスの熱量に見合った発電量とする。これにより燃料電池セルスタック３０における燃料枯れを抑制できるほか、燃料電池セルスタック３４における燃料枯れも抑制できる。この結果、燃料電池セルスタック３０だけでなく、燃料枯れが生じ易い燃料電池セルスタック３４の破損も抑制できる。

また、第２実施形態においては、燃料電池セルスタックを２段で構成しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば３段以上の任意の段数の燃料電池セルスタックを用いてもよい。この場合、最も後段に配置された燃料電池セルスタックに電圧センサを設置して、検出された電圧を原料ガスの熱量変化を推測するための指標とすることが好ましい。また、最も後段に配置された燃料電池セルスタック以外の燃料電池セルスタックにも電圧センサを設置することがさらに好ましい。

また、第２実施形態においては、燃料電池セルスタック３０のアノード３２Ｂと燃料電池セルスタック３４のアノード３６Ｂとは、アノードオフガス管Ｐ１０で接続されている。そしてアノード３６Ｂにはアノード３２Ｂから排出されたアノードオフガスが直接送出されるものとしたが、本発明の実施形態はこれに限らない。

例えば図４に示す燃料電池システム１４のように、一端がアノード３２Ｂに接続されたアノードオフガス管Ｐ１０の他端を再生器８０に接続し、再生器８０とアノード３６Ｂとを再生ガス管Ｐ１１で接続してもよい。再生器８０は、アノード３２Ｂから排出されたアノードオフガスから、水及び二酸化炭素のうち少なくとも一方を分離する。

再生器８０は、一例として、アノードオフガスに含まれる水及び二酸化炭素のうち少なくとも一方を分離する分離膜を用いた再生器とすることができる。

また、再生器８０としては、水蒸気を凝縮して除去する凝縮器、水蒸気吸着材又は水蒸気吸収剤等を用いることができる。さらに、二酸化炭素吸着材又は二酸化炭素吸収材等を用いてもよい。すなわち、水及び二酸化炭素のうち少なくとも一方をアノードオフガスから除去する作用を持つものであれよい。このような再生器８０を用いることで、燃料電池セルスタック３４における発電効率を高めることができる。

また、第１、第２実施形態においては、燃焼器４０と改質器２０とが離間して配置され、改質器２０の改質反応に使用する熱は燃焼器４０以外の熱源から得ているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図５に示す燃料電池システム１６のように、改質器２０と燃焼器４０とを隣接させて配置して、燃焼器４０における燃焼熱を改質器２０における改質反応（吸熱反応）に使用してもよい。すなわち、改質器２０と燃焼器４０との間で熱交換させてもよい。

なお、係る構成においては、原料ガスの熱量が低下して燃焼器４０の温度が低くなった際、改質器２０と熱交換できる熱量が少なくなる。このため、改質器２０による改質反応が抑制される。これにより、改質器２０の改質反応に使用する熱を燃焼器４０以外の熱源から得る場合と比較して、発電効率が低くなる可能性がある。

しかし、燃料電池システム１６は、制御部５２によって発電効率が低減することが抑制される。このため、燃焼器４０の温度が低くなることに起因する発電効率の低減作用を軽減することができる。

また、第１、第２実施形態においては、燃料電池セルスタック３０、３４には電圧センサのみを設置する構成としたが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば電圧センサに加え、温度センサを設置してもよい。温度センサを設置することで、燃料電池セルスタック３０、３４の温度を、原料ガスの熱量変化を推測する指標として用いる事ができる。この場合、例えば燃料電池セルスタック３０、３４の温度が低くなると、原料ガスの熱量が減少したと推測できる。なお、上記の説明では、改質器２０をバーナや燃焼器４０で加熱する例について説明したが、燃料電池セルスタック３０、３４における反応熱を用いて改質器２０を加熱してもよい。

また、第１、第２実施形態においては、燃料電池セルスタック３０、３４の電圧、燃焼器４０の温度及び改質器２０の温度等から、原料ガスの熱量変化を推測しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、原料ガスの熱量を、熱量計を用いて測定してもよい。この場合においても、制御部５０、５２が、原料ガスの熱量変化に応じて、原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する。これにより、燃料電池システム１０、１２の運転効率の低下を抑制できる。このように、本発明は様々な態様で実施することができる。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池システム
１４ 燃料電池システム
１６ 燃料電池システム
２０ 改質器（改質部）
３０ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
３４ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
４０ 燃焼器
５０ 制御部
５２ 制御部
７２ 電圧センサ
７２Ａ 電圧センサ
７２Ｂ 電圧センサ
７４ 温度センサ（燃焼器温度センサ）
７６ 温度センサ（改質器温度センサ）

Claims (6)

1. 原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部と、
   前記改質部から供給された前記改質ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼器と、
   前記原料ガスの熱量変化に応じて、前記原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する制御部と、
   前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、
   前記改質部の温度を検出する改質部温度センサと、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の電圧が許容範囲より低い場合及び前記改質部の温度が許容範囲より高い場合の少なくとも一方の場合に、前記原料ガスの熱量が減少していると推測する、
   燃料電池システム。
2. 原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部と、
   前記改質部から供給された前記改質ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼器と、
   前記原料ガスの熱量変化に応じて、前記原料ガスの流量、改質水の流量及び発電量の少なくとも１つを制御する制御部と、
   前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、
   前記改質部の温度を検出する改質部温度センサと、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の電圧が許容範囲より高い場合及び前記改質部の温度が許容範囲より低い場合の少なくとも一方の場合に、前記原料ガスの熱量が増加していると推測する、
   燃料電池システム。
3. 前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度センサを備え、
   前記制御部は、前記燃焼器の温度から前記原料ガスの熱量変化を推測する、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池を複数備え、後段に配置された前記燃料電池は前段に配置された前記燃料電池から排出されたオフガスを用いて発電を行ない、
   前記電圧センサは、少なくとも最後段に配置された前記燃料電池の電圧を検出する、
   請求項１～３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記電圧センサは、複数の前記燃料電池それぞれの電圧を検出する、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、燃料電池の発電量と電圧値とを比較して、前記燃料電池の劣化率を判定し、前記劣化率に応じて、原料ガスの熱量変化を推測する、請求項１～４の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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