JPWO2013061513A1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池システム（100）は、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（20）と、炭化水素ガスを含む原料ガスを水蒸気改質させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置（30）と、燃料電池から排出されるオフ燃料ガスを燃焼させて水素生成装置を加熱する燃焼器（40）と、燃料電池の発電量を変化させる場合の目標変化率を記憶し、該目標変化率に基づいて燃料電池の発電量を制御する制御器（10）とを備え、制御器は、燃料電池の発電量を変化させる場合に、目標変化率と水素生成装置の温度との相関関係を示す情報に基づいて目標変化率を変更する。

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池を備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。

一般に、燃料電池システムで発電を行う場合、水素生成装置にて、炭化水素ガスを含む原料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質し、燃料電池へ供給する。水素生成装置での改質は触媒反応により行うが、これは吸熱反応であって一定量の熱エネルギーが必要である。そのため、燃料電池システムは、水素生成装置を加熱するための燃焼器を備えている。燃焼器へは、主に燃料電池から排出された反応後の燃料ガス（オフガス）と、システム外から取り込んだ空気とを供給し、これらを燃焼させる。なお、一般に水素生成装置での炭化水素の改質率は１００％未満に設定されており、燃焼時の発生熱量が水素より高い炭化水素がオフガス中に含まれるようになっている。

燃料電池の発電量は、その電力の供給先である負荷の変化に応じて変化し、更に、この変化に伴ってオフガスの流量や組成も変化する。このようにオフガスが変化する状態であっても燃焼器にて安定した燃焼を行えるように、燃焼用の空気量を調整している。しかしながら、発電量の変化が急激であると、その変化に空気量の調整が適切に追従できず、燃焼器での燃焼状態が悪化して消火してしまう可能性もある。

これに対し、発電量を低減させる場合に、酸化剤ガスの流量の低減率を、燃料ガスの流量の低減率と同じかそれよりも大きくなるように制御することが提案されている（特許文献１）。特許文献１では、このような制御により、燃料ガスの流量に対する酸化剤ガスの流量の割合が、適正値より大きくなることを抑制し、燃焼器での消火を抑制できるとされている。

特開２０１０−２７７７６０号公報

ところで、燃料電池の発電量を変化させる場合、一般的には、原料ガスの供給量を変化させて燃料電池への水素ガスの供給量を変化させる。これに伴い、オフガス中の炭化水素ガス量も変化するため、燃焼器での発生熱量も変化する。例えば、発電量を低減させるために、原料ガスの供給量を少しずつ低減させた場合、オフガス中の炭化水素ガス量が減少し、燃焼器での発生熱量も低減する。その結果、発電量、原料ガスの供給量、及び水素生成装置の温度の夫々は、互いに好ましい関係を維持しつつ変化し、水素生成装置は所定の改質率を維持して動作する。

しかしながら、発電量の変化率（即ち、原料ガス供給量の変化率）が大きい場合は、水素生成装置の温度変化が発電量の変化に対して適切に追従せず、改質率が大きく変化してしまう可能性がある。例えば、発電量を急激に減少させるべく、原料ガスの供給量を急激に減少させると、上記と同様にオフガス中の炭化水素ガスの減少、及び、これに伴う燃焼器での発生熱量の低下が生じる。しかし、水素生成装置は一般的にその筐体が高い断熱性を有しているため、燃焼器の発生熱量が低下しても水素生成装置の温度は急には低下しない。そのため、原料ガスの供給量に比べて、水素生成装置の温度が比較的高い状態が生じてしまう。その結果、改質率が高くなって、過剰に水素ガスが生成されてしまう場合がある。このような事態は、燃料電池の発電量に応じて、水素生成装置に安定的な改質反応を行わせる上で、好ましいとはいえない。

本発明は上述したような課題を解決するものであり、例えば電力負荷の大きな変化に伴って発電量を変化させる場合であっても、水素生成装置にて安定的に改質反応を行うことができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、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、炭化水素ガスを含む原料ガスを水蒸気改質させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスを燃焼させて前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、前記燃料電池の発電量を変化させる場合の目標変化率を記憶し、該目標変化率に基づいて前記燃料電池の発電量を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電量を変化させる場合に、前記目標変化率と前記水素生成装置の温度との相関関係を示す情報に基づいて、前記目標変化率を変更する。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、発電量が変化する場合であっても、水素生成装置において安定的に改質反応を実行させることができる。

実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 目標変化率の変更処理の具体例を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 実施の形態４に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

本発明に係る燃料電池システムは、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、炭化水素ガスを含む原料ガスを水蒸気改質させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスを燃焼させて前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、前記燃料電池の発電量を変化させる場合の目標変化率を記憶し、該目標変化率に基づいて前記燃料電池の発電量を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電量を変化させる場合に、前記目標変化率と前記水素生成装置の温度との相関関係を示す情報に基づいて、前記目標変化率を変更する。

これにより、負荷の変化に伴って発電量を変化させる場合に、発電量の変化に対して水素生成装置の温度を適切に追従して変化させることができる。従って、負荷の変化にかかわらず、水素生成装置では所定の改質率での反応を行うことができる。

なお、水素生成装置の温度は、後述する火炎検知器の出力値や、燃焼器からの燃焼排ガスの温度と相関関係がある。従って、上記の「目標変化率と水素生成装置の温度との相関関係を示す情報」には、目標変化率と水素生成装置の温度との直接的な相関関係の他、目標変化率と火炎検知器の出力値との相関関係や、目標変化率と燃焼器からの燃焼排ガスの温度との相関関係なども含まれ得る。

また、前記燃焼器は火炎を発するバーナーを有し、火炎の導電性に基づいて前記燃焼器の燃焼状態を検知して前記制御器へ出力する火炎検知器を更に備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電量を低下させる場合に、前記火炎検知器からの入力に基づいて、前記目標変化率を低減させるように構成してもよい。

これにより、水素生成装置の温度を検知する温度検知器を別途設けずとも、一般的に水素生成装置に設けられる火炎検知器の出力に基づいて、発電量の目標変化率を調整することができる。

また、前記制御器は、前記火炎検知器からの入力により前記燃焼器が消火状態であると推定した場合に、前記目標変化率を低減しつつ、前記燃料電池の発電を継続させるように構成してもよい。

詳しくは後述するが、発電量に応じて原料ガスの供給量を大きく低減したときに、水素生成装置の温度が適切に低下していないと、フレームロッドなどの火炎検知器は、燃焼器が燃焼状態であっても消火状態と誤検知する場合がある。従って、消火状態を検知した場合には、目標変化率を低減（発電量の低減速度を緩和）しつつ発電を継続させることにより、原料ガスの供給量と水素生成装置の温度とを適切な関係に調整し、所望の改質率を実現することができる。

また、前記制御器は、前記火炎検知器からの入力により前記燃焼器が消火状態であると推定した場合に、前記燃料電池の発電を停止した後、前記目標変化率を低減して前記燃料電池の発電を再開させるように構成してもよい。

このようにした場合も、原料ガスの供給量と水素生成装置の温度とを適切な関係に調整し、所望の改質率を実現することができる。特に、一旦、燃料電池の発電を停止することにより、燃焼器を意図的に消火して水素生成装置の温度をより早く低下させることができる。なお、ここでいう「燃料電池の発電を停止」とは、水素生成装置への原料ガスの供給を停止することによる発電停止を意味しており、この場合、燃焼器にオフガスが供給されない。

また、前記制御器は、前記火炎検知器が検知した電流値が所定の第１電流値以下の場合に、前記燃焼器が消火状態であると推定するように構成してもよい。

また、前記制御器は、前記目標変化率を低減した後、前記火炎検知器が検知した電流値が、所定の第１期間だけ継続して前記第１電流値より大きい第２電流値以上になった場合、又は、所定の第１回数だけ前記第２電流値以上になった場合には、前記目標変化率を増大させるように構成してもよい。

上記のように第２電流値以上になった場合には、火炎検知器が燃焼状態を適切に検知できており、且つ、適切な改質率が実現できている蓋然性が高い。従って、この場合には、一旦低減した目標変化率を増大させることで、負荷の変化に対して発電量を早期に追従して変化させることができる。

また、前記水素生成装置は、前記原料ガスを水蒸気改質させる改質器を有し、該改質器の温度を検知して前記制御器へ出力する温度検知器を更に備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電量を低下させている間に、前記改質器が所定の第１温度以上であると判断した場合には、前記目標変化率を低減させるように構成してもよい。

これにより、水素生成装置が備える改質器の温度を直接的に取得できるため、水素生成装置の温度が発電量の変化に適切に追従しているか否かを、より正確に判断することができる。従って、発電量の目標変化率を、より適切に調整することができる。

また、前記制御器は、前記目標変化率を低減した後、前記改質器の温度が、所定の第２期間だけ継続して前記第１温度より低い第２温度以下になった場合、又は、所定の第２回数だけ前記第２温度以下になった場合には、前記目標変化率を増大させるように構成してもよい。

上記のように第２温度以下になった場合には、水素生成装置が適切な改質率で動作できている蓋然性が高い。従って、この場合には、一旦低減した目標変化率を増大させることで、負荷の変化に対して発電量を早期に追従して変化させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、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、炭化水素ガスを含む原料ガスを水蒸気改質させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスを燃焼させて前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、所定の目標変化率に基づいて前記燃料電池の発電量を制御するステップと、前記目標変化率と前記水素生成装置の温度との相関関係を示す情報を取得するステップと、前記相関関係を示す情報に基づいて前記目標変化率を変更するステップと、を備える。

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム、及びその運転方法について、図面を参照しつつ説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム100は、少なくとも制御器10、燃料電池20、水素生成装置30、及び燃焼器40を備えている。燃料電池20はアノード及びカソードを有し、アノードに供給された燃料ガスと、カソードに供給された酸化剤ガス（空気など）とが反応し、電気と熱が発生する。このうち電気は、図示しないインバータ等を介して家庭内の電気的負荷へ供給され、熱は、図示しない貯湯タンク内の水に蓄熱され、家庭内の熱負荷へ供給される。

アノードへ供給する燃料ガスは、水素生成装置30にて生成される。水素生成装置30は、システムの外部から供給される炭化水素系ガスである原料ガス（メタンやプロパン等）を水蒸気改質し、水素リッチな燃料ガスを生成する。また、水素生成装置30での改質反応は吸熱反応であり、所定量の熱量を必要とする。そのため、燃焼器40では、アノードからの排出ガス（オフ燃料ガス）が空気と共に燃焼され、発生した熱量が改質反応に用いられる。水素生成装置30は、高断熱性の筐体を備えることにより、熱利用の効率化（省エネ性の向上）が図られている。

なお、水素生成装置30にて燃料ガスを生成する際、炭化水素の全てを改質するわけではなく、その改質率は１００％未満（例えば９０％程度）に設定されている。そして、残りの炭化水素は、燃料電池10での反応に寄与しなかった水素ガスと共にオフ燃料ガスを構成し、燃焼器40へ供給される。炭化水素は水素に比べると燃焼時の１モル当たりの発生熱量が大きいため、燃焼器40へ炭化水素を供給することにより、燃焼器40にて大きな熱量を発生できる。従って、上記のように改質率を１００％未満の所定値にしておくことにより、燃焼器40にて炭化水素を燃焼でき、水素生成装置30を効率的に加熱できる。

また、原料ガスの改質率は、水素生成装置30の温度や原料ガスの供給量をパラメータとして変化する。例えば、原料ガスの供給量が一定であれば、水素生成装置30の温度が高いほど改質率は高くなる。また、水素生成装置30の温度が一定であれば、原料ガスの供給量が多いほど改質率は低くなる。また、上述したように燃焼器40にはオフ燃料ガスが供給されるため、原料ガスの供給量が変化するとオフ燃料ガスの組成が変化し、燃焼器40での発生熱量も変化する。従って、定常状態では、原料ガスの供給量と水素生成装置30の温度との間には相関関係がある。但し、水素生成装置30の断熱性に起因し、短期的には、原料ガスの供給量の変化に対して水素生成装置30の温度は十分に追従できない場合もある。

制御器10は、所定のプログラムに基づいて演算処理を実行し、その演算結果を出力するプロセッサ10aと、該プロセッサ10aで使用されるプログラムや各種データを記憶するメモリ10bとを備えている。制御器10は、このメモリ10bに記憶されたプログラムやデータに基づいてプロセッサ10aが動作することにより、後述する燃料電池システム100の動作全体を制御する。

また、メモリ10bには、負荷が変動したときの発電量の変化率を定めた目標変化率（換言すれば、発電量の変化速度の目標値）を示す情報が格納されている。例えば、負荷が変動して発電量を低減する場合の目標変化率として、「２ワット／秒」という情報が格納されている。なお、本実施の形態に係る燃料電池システム100は、後述するように、燃料電池20の発電量にかかわらず水素生成装置30での改質率が所定範囲内の値となるように、制御器10により制御される。

本実施の形態に係る燃料電池システム100の構成は以上のとおりであるが、より具体的にシステムを構築するにあたっては、ガスあるいは凝縮水等を供給するためのポンプや、ガスの流量を計測する流量計、凝縮水を回収するタンク、及び熱交換器などを、必要に応じて付加することができる。

次に、このような燃料電池システム100の動作について説明する。

図２は、実施の形態１に係る燃料電池システム100の動作を示すフローチャートである。燃料電池システム100は、所定の手順に従って燃料電池20を起動し、所定のタイミングで外部の負荷へ電力を供給する発電モードへ移行する。なお、この起動中、水素生成装置30は図示しないヒータにより加熱され、改質反応に適した温度に達すると、原料ガスが供給されて発電モードへ移行可能となる。発電モードへ移行した後、図２に示すように、発電量を変更する必要があるか否かを判定する（ステップS10）。即ち、家庭内負荷の変動等によって電力需要が変化するため、そのような負荷の変動の有無を判定する。

発電量の変更が不要な場合（ステップS10：NO）は、当該ステップS10を繰り返し実行する一方、発電量の変更が必要と判定した場合（ステップS10：YES）は、上述した目標変化率に基づいて発電量を制御する（ステップS11）。例えば、電力の需要が６００ワット分だけ減少し、これに追従して発電量を変更する必要が生じると、制御器10は、目標変化率に基づいて発電量を１秒間に２ワットずる減少させるように制御する。

なお、発電量の変更は、具体的には水素生成装置30への原料ガスの供給量を変更することによって行うことができる。また、上記の例では、負荷変動後の電力需要に発電量が一致するまでに５分間（＝６００［ワット］÷２［ワット／秒］）を要するが、その間に発生する余剰電力は、ヒータ等にて熱エネルギーに変換し、その熱で貯湯タンク内の水を暖めるなどして蓄熱しておけばよい。

制御器10は、目標変化率に基づく発電量の制御（ステップS11）を開始した後、所定のタイミングで、目標変化率と水素生成装置30の温度との相関関係を示す情報を取得する（ステップS12）。以下では、説明の便宜上、このような「目標変化率と水素生成装置30の温度との相関関係」を単に「特定相関関係」と称する。また、ステップS12にて特定相関関係を示す情報を取得するタイミングとしては、ステップS11の制御を開始した後、所定時間（例：数秒間、数分間）の経過毎と設定してもよい。

制御器10は、取得したこの特定相関関係を示す情報に基づいて当該特定相関関係の適否を判定する（ステップS13）。即ち、ステップS11にて発電量の制御基準とした目標変化率に対し、水素生成装置30の温度が適正な値になっているか（あるいは、適正な範囲に含まれているか）否かを判定する。

例えば、負荷が減少した場合に、目標変化率に基づいて発電量を低減するよう制御したが、水素生成装置30が依然として高温状態を維持していたとする。このケースでは、原料ガスの供給量が減少しているにもかかわらず、水素生成装置30が高温であるため、改質率が所定範囲から逸脱して高くなる。このように、改質率が所定範囲から逸脱する場合、特定相関関係が不適正であると判定する。一方、発電量を変更しても、改質率が所定範囲から逸脱しない間は、特定相関関係が適正であると判定する。

そして、特定相関関係を適正と判定した場合（ステップS13：NO）はこのフローを終了し、不適正と判定した場合（ステップS13：YES）は、目標変化率を変更して（ステップS14）このフローを終了する。再度、上記のケースに使って具体例を説明すると、負荷が減少して発電量を低減したが、水素生成装置30の温度が、改質率が所定範囲を逸脱する程度に高かった場合、ステップS14では目標変化率を低減させる。例えば、発電量を低減する場合の目標変化率を、メモリ10bに記憶された２［ワット／秒］から１［ワット／秒］に変更する。

このような制御を行うことにより、発電量と水素生成装置30の温度との相関関係（特定相関関係）を是正し、改質率を所定範囲内に収めた安定した水素生成装置30の運転を実現することができる。

即ち、本来ならば、発電量の変化（即ち、原料ガス供給量の変化）に伴って、オフ燃料ガスの組成が変化するため、水素生成装置30の温度も適正に（改質率が所定範囲内に収まるように）変化する。しかしながら、水素生成装置30の断熱性等に起因し、発電量の変化に対して水素生成装置30の温度変化が遅く、適正に追従できていない場合（ステップS13でNOの場合）がある。従って、このような場合には、目標変化率を低減することにより、発電量の変化を緩和して、当該発電量の変化に対して水素生成装置30の温度を適正に追従させるようにする。その結果、発電量の変化にかかわらず、水素生成装置30では所望の改質率を維持することができ、好ましい発電状態を実現することができる。

なお、図２のフローチャートにおいて、目標変化率を変更した場合（ステップS14）、フローを終了するのではなくステップS12の判定処理に戻るように制御してもよい。このようにすれば、特定相関関係が適正になるまで、目標変化率を繰り返し変更することができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図３に示すように、燃料電池システム200は、実施の形態１で説明したのと同様の制御器10、燃料電池20、水素生成装置30、及び燃焼器40を備え、更に、凝縮水タンク50や水タンク51も備えている。

燃料電池20は、アノードに供給された燃料ガスと、カソードに供給された酸化剤ガスとを反応させて、電気と熱を生成する。燃料ガスは水素生成装置30で生成され、燃料電池20での反応を経て排出されたオフ燃料ガスは、オフ燃料ガス流路を介して燃焼器40へ送られる。オフ燃料ガス流路の途中には凝縮器60が設けられており、該凝縮器60では、オフ燃料ガスから熱分が回収されると共に凝縮水が分離される。回収した熱分は図示しない貯湯タンク内の水に蓄熱され、分離した凝縮水は凝縮水回収流路を介して凝縮水タンク50に回収される。

酸化剤ガスとしては、外部の空気が用いられる。そのため、燃料電池20のカソードには酸化剤ガス流路が接続されており、該流路には、ファンやブロア等から成る酸化剤ガス供給器61と、その下流側にて酸化剤ガスを適切な露点を有するように加湿する加湿器62とが設けられている。燃料電池20での反応を経て排出されたオフ酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガス流路を介して排出される。このオフ酸化剤ガス流路の途中には凝縮器63が設けられており、該凝縮器63では、オフ酸化剤ガスから熱分が回収されると共に凝縮水が分離される。回収した熱分は図示しない貯湯タンク内の水に蓄熱され、分離した凝縮水は凝縮水回収流路を介して凝縮水タンク50に回収される。

水素生成装置30を加熱する燃焼器40として、本実施の形態では、火炎を発するバーナーを備えている。この燃焼器40には、上述したオフ燃料ガスの他、空気供給路を介して燃焼用の空気が供給される。燃焼器40は、これらオフ燃料ガス及び燃焼用空気の混合ガスを燃焼することで、水素生成装置30を加熱する。なお、空気供給路の途中には、ファンやブロア等から成る燃焼空気供給器64と、その下流側にて空気の流量を計測する燃焼空気流量計65とが設けられている。

また、燃焼器40には火炎検知器80が備え付けられている。本実施の形態では、火炎検知器80として、火炎の導電性に基づいて燃焼器40の燃焼状態を検知可能な、整流式のフレームロッドを用いている。フレームロッドから成る火炎検知器80は、燃焼器40（バーナー）の火力の大小に応じてその検出値（電流値）も大小に変化する。そして、火炎検知器80の検出値は制御器10へ入力され、制御器10は、この入力信号に基づいて燃焼器40の燃焼状態を判定する。

一方、凝縮水タンク50に回収された水は、給水ポンプ66によって、凝縮水タンク50とは別の水タンク51に貯留される。この水タンク51内の水は、燃料電池20の冷却（熱回収）に用いられる。即ち、水タンク51内の水は、冷却水循環ポンプ67によって燃料電池20へ冷却水として供給され、燃料電池20が発電時に発生する熱を回収し、再び水タンク51へ戻される。また、燃料電池20から水タンク51へ至る流路途中には熱交換器68が設けられており、燃料電池20から回収した熱は、この熱交換器68によって図示しない貯湯タンク内の水に回収され、蓄熱される。

水タンク51内の水は、水素生成装置30での改質反応にも用いられる。即ち、水タンク51内の水は、改質水供給ポンプ69によって水素生成装置30へ供給され、水素生成装置30は、この水と原料ガスとを改質して水素を生成する。なお、水素生成装置30へ原料ガスを供給する原料ガス供給路の途中には、ファンやブロア等から成る原料ガス供給器70と、その下流側にて原料ガスの流量を計測する原料ガス流量計71とが設けられている。

更に、水素生成装置30には、燃焼排ガスをシステム外部へ排出するための排ガス流路が接続されている。この排ガス流路の途中には凝縮器72が設けられており、該凝縮器72では、燃焼排ガスから熱分が回収されると共に凝縮水が分離される。回収した熱分は図示しない貯湯タンク内の水に蓄熱され、分離した凝縮水は凝縮水回収流路を介して凝縮水タンク50に回収される。

ところで、上述したように、本実施の形態に係る燃料電池システム200は、フレームロッドから成る火炎検知器80を備えている。この火炎検知器80は、基本的には火力に応じた検出値を出力するため、制御器10はこの検出値に基づいて燃焼状態を把握できる。しかしながら、状況によっては、適切に燃焼しているにもかかわらず消火状態を示す信号を出力し、燃焼器40が消火状態にあると制御器10が誤検知してしまう可能性がある。

この点について詳述する。フレームロッドは、火炎中に存在するイオン性物質による導電性の強度を電流値として出力する。そして、制御器10は、フレームロッドが出力する電流値が大きいときは燃焼状態が安定していると推定する一方、電流値が所定の閾値以下である場合は消火状態と推定する。

制御器10は、燃焼状態の推定にあたり、所定の改質率で生じたオフ燃料ガスを基準としている。即ち、燃料電池システム200では、メモリ10bなどに、所定の改質率で生じたオフ燃料ガスの様々の燃焼状態に対応するフレームロッドの各出力電流値が、「基準電流値」として記憶されている。そして、制御器10は、フレームロッドから実際に電流値を取得すると、これと基準電流値とを比較して、該当する燃焼状態を推定する。また、本実施の形態では、燃焼状態の推定基準として、適正な特定相関関係が成り立つときのオフ燃料ガスを採用している。このときの水素生成装置30での改質率を、以下では「基準改質率」と称する。

しかしながら、水素生成装置30での改質率が変化すると、オフ燃料ガスの組成も変化する。例えば、改質率が高くなると、オフ燃料ガス中の炭化水素ガス濃度は低くなって水素ガス濃度が高くなる。そして、炭化水素ガスは、燃焼時に火炎中に生じるイオン性物質が多いのに対し、水素ガスは、燃焼時に火炎中に生じるイオン性物質が少ない。そのため、改質率が高くなると、炭化水素ガス濃度の低下に伴い、制御器10からみれば、フレームロッドの出力はより消火状態に近い状態を示すことになる。従って、水素生成装置30での改質率が基準改質率から大きく乖離すると、制御器10は、燃焼器40が消火状態であると誤検知する可能性がある。

なお、見方を変えれば、制御器10が燃焼器40を消火状態と推定した場合には、水素生成装置３０での改質率が基準改質率から乖離している可能性を示唆している。これは即ち、目標変化率と水素生成装置30の温度との関係である特定相関関係が、適正でない状態になっている可能性があることを示唆する。従って、火炎検知器80からの出力値は、特定相関関係が適正か否かを判定するための情報（即ち、特定相関関係を示す情報）でもある。

そこで本実施の形態に係る燃料電池システム200は、実施の形態１と同様に水素生成装置30の安定した運転（適正な特定相関関係の成り立つ運転）を実現すると共に、火炎検知器80としてフレームロッドを採用した場合の、上記のような誤検知防止を実現する。

以下、このような燃料電池システム200の動作について説明する。

図４は、実施の形態２に係る燃料電池システム200の動作を示すフローチャートである。燃料電池システム200は、所定の手順に従って燃料電池20を起動し、所定のタイミングで外部の負荷へ電力を供給する発電モードへ移行する。発電モードへ移行した後、図４に示すように、発電量を低下する必要があるか否かを判定する（ステップS20）。

発電量の低下が不要な場合（ステップS20：NO）は、当該ステップS20を繰り返し実行する一方、発電量の変更が必要と判定した場合（ステップS20：YES）は、既に説明した目標変化率に基づいて発電量を制御する（ステップS21）。例えば、電力の需要が６００ワット分だけ減少し、これに追従して発電量を低下させる必要が生じると、制御器10は、目標変化率に基づいて発電量を１秒間に２ワットずる減少させるように制御する。なお、発電量の変更手順や余剰電力の扱いは、実施の形態１で説明したとおりである。

制御器10は、目標変化率に基づく発電量の制御（ステップS21）を開始した後、所定のタイミングで、火炎検知器80の出力値を取得する（ステップS22）。このタイミングとしては、ステップS21の制御を開始した後、所定時間（例：数秒間、数分間）の経過毎と設定してもよい。制御器10は、取得した火炎検知器80の出力値に基づき、燃焼器40が消火状態と推定できるか否かについて判定する（ステップS23）。即ち、取得した出力値を、予めメモリ10b等に記憶された基準電流値と比較し、該当する燃焼状態を特定すると共に、特定した燃焼状態が消火状態であるか否かを判定する。

この結果、消火状態ではないと判定した場合（ステップS23：NO）はこのフローを終了し、消火状態であると判定した場合（ステップS23：YES）は、目標変化率を変更する処理（ステップS24）を実行した後、このフローを終了する。

図５は、ステップS24での目標変化率の変更処理の具体例を示すフローチャートである。図５（ａ）に示す例では、消火状態であると判定すると（図４のステップS23：YES）、目標変化率を低減しつつ（ステップS30）、燃料電池20での発電運転を継続する（ステップS31）。換言すれば、消火状態と判定した場合であっても、燃料電池20での発電運転自体は維持しつつ、目標変化率を低減させる。また、図５（ｂ）に示す例では、消火状態であると判定すると、一旦は発電運転（即ち、原料ガスの供給）を停止し（ステップS40）、目標変化率を低減した上で（ステップS41）、発電運転を再開させる（ステップS42）。

なお、図５（ａ），（ｂ）の何れの場合も、目標変化率を低減した後は、低減後の目標変化率に基づいて発電量（即ち、原料ガスの供給量）が制御される。例えば、発電量を低減する場合の目標変化率を、メモリ10bに記憶された２［ワット／秒］から１［ワット／秒］に変更し、これに対応して原料ガスの供給量が制御される。

このような制御を行うことにより、火炎検知機80の出力値（即ち、特定相関関係）に基づき、発電量と水素生成装置30の温度との相関関係を是正し、改質率を所定範囲内に収めた安定した水素生成装置30の運転を実現することができる。更に、火炎検知機80の誤検知を防止し、燃焼器40での燃焼状態を正確に判定することができる。即ち、制御器10による消火状態との判定が、改質率の変化（即ち、オフ燃料ガスの組成の変化）に起因して生じたものであっても、目標変化率を低減させることにより、適正な改質率（基準改質率）に回復できるため、燃焼状態の正確な判定を行うことができるようになる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る燃料電池システムについて説明する。本実施の形態に係る燃料電池システムは、実施の形態２で説明した燃料電池システム200と同様の構成を備えるものであるため、当該構成の説明は省略する。

図６は、実施の形態３に係る燃料電池システム200の動作を示すフローチャートである。燃料電池システム200は、所定の手順に従って燃料電池20を起動し、所定のタイミングで外部の負荷へ電力を供給する発電モードへ移行する。発電モードへ移行した後、制御器10は、実施の形態２にて図４のステップS20〜S22に示したのと同様の、ステップS50〜S52の処理を実行する。即ち、発電量低下の要否判定（ステップS50）、必要と判定した場合の目標変化率に基づく発電量制御（ステップS51）、及び、所定タイミングでの火炎検知機80の出力電流値の取得（ステップS52）を実行する。

ここで、制御器10のメモリ10bには、既に説明した基準電流値の１つとして「第一基準電流値I1」が記憶されている。この第一基準電流値I1は、火炎検知機80の出力電流値が当該電流値I1以下であれば、燃焼器40が消火状態と推定可能な閾値として定められている。

そこで制御器10は、火炎検知機80から取得した出力電流値を、第一基準電流値I1と比較する（ステップS53）。その結果、取得した電流値が第一基準電流値I1より大きいと判定した場合（ステップS53：NO）は、安定した燃焼状態であると推定できるため、本フローを終了する。一方、取得した電流値が第一基準電流値I1以下と判定した場合（ステップS53：YES）は、消火状態であると推定し、目標変化率の変更処理（ステップS54）を行う。この目標変化率の変更処理としては、図５（ａ）や図５（ｂ）に示した処理を採用することができる。

その後、所定のタイミングで、火炎検知器80から更に出力電流値を取得すると共に、当該電流値と所定の第二基準電流値I2との大小関係を判定する（ステップS55）。

ここでいう「第二基準電流値I2」とは、一旦、目標変化率を低減（ステップS54）した後に、当該目標変化率を増大させるか否かの判定基準を成すものであり、上述の第一基準電流値I1より大きい所定の値に設定されている。即ち、燃焼器40が消火状態であると推定して目標変化率を低減すると、水素生成装置30の改質率は、短期間のうちに適正な基準改質率に回復する。そのため、基準改質率に回復した後は目標変化率を増大させることができる。

従って、火炎検知器80の出力電流値が依然として小さく、第二基準電流値I2未満（ステップS55：NO）であると判定した場合は、当該ステップS55の処理を繰り返して燃焼状態の監視を継続する。一方、出力電流値が大きくなって第二基準電流値I2以上（ステップS55：YES）であると判定した場合は、目標変化率を増大させて（ステップS56）、本フローを終了する。

なお、本実施の形態に係るステップS55の処理では、燃焼状態のより正確な判定のために、制御器10は火炎検知器80の出力電流値を継続的に取得する。そして、この電流値が所定期間（第一期間）だけ継続して上記第二基準電流値I2以上になった場合、又は、この電流値が所定回数（第一回数）だけ第二基準電流値I2以上になった場合に、「電流値≧I2」（ステップS55：YES）と判定することとしている。

また、この第一期間としては、燃料電池20の発電時間や、燃料電池システム200の運転時間をもって定めてもよい。また、第一回数としては、電力負荷の変化の回数、システム200の起動や停止の回数をもって定めてもよい。但し、ステップS55にて「電流値≧I2」と判定するための具体的手順は上述したものに限られず、基準改質率の回復（即ち、特定相関関係の適正化）を正確に把握できるのであれば、他の手順を採用してもよい。

また、ステップS56にて目標変化率を増大させる場合は、ステップS54にて低減する前の目標変化率に戻すようにしてもよいし、低減前の目標変化率とは異なる率になるよう増大させてもよい。

このように制御することにより、一旦目標変化率を低減した場合であっても、燃焼状態の安定化に応じて目標変化率を増大でき、省エネ運転を行うことができる。即ち、目標変化率の低減によって基準改質率が回復した後は、目標変化率を低いままに維持する必要性は乏しく、逆に、余剰電力の増大を招くため省エネの観点からは好ましくない。そこで、目標変化率を増大させることにより、余剰電力の発生を抑制し、省エネ性を向上することができる。

（実施の形態４）
図７は、実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図７に示す燃料電池システム300は、実施の形態２で説明した燃料電池システム200（図３参照）と大部分において同様の構成を備えている。一方、燃料電池システム300は、先の燃料電池システム200とは異なり、水素生成装置30の温度を検知する温度検知器81を備えている。

より詳しく説明すると、図７に示すように水素生成装置30は、原料ガスを水素リッチなガスに改質する改質器30aと、改質器30aで発生したＣＯ（一酸化炭素）を変成させるＣＯ変成器30bと、該ＣＯ変成器30bを経たガス中のＣＯを更に除去するＣＯ除去器30cとを備えている。そして、改質器30aの温度を検知すべく温度検知器81が設けられており、温度検知器81が検知した改質器30aの温度は制御器10へ入力される。

また、制御器10のメモリ10bには、任意の発電量（即ち、原料ガスの供給量）に対して、特定相関関係が適正となるときの、改質器30aの温度（以下、「基準温度」と称する）に関する情報が予め記憶されている。この基準温度は、ある一の発電量に対して一の数値で定められていてもよいし、ある一の発電量に対して所定の数値範囲で定められていてもよい。従って、例えば発電量を変化させるべく原料ガス供給量を低減させた場合に、改質器30aの検知温度が、メモリ10bに予め記憶された基準温度に比べて高い場合には、特定相関関係が適正ではないと判定できる。このように、改質器30aの検知温度は、特定相関関係を示す情報として扱うことができる。

更に、改質器30aの検知温度が基準温度より高い場合、水素生成装置30での改質率は基準改質率より大きい状態となっている。そのため、本システム300のようにフレームロッドから成る火炎検知器80を備える場合には、制御器10は、オフ燃料ガスの組成変化に起因して燃焼器40が消火状態であると誤検知する可能性がある。従って、改質器30aの検知温度は、消火状態であると誤検知する可能性を図る指標ともなり得る。

次に、このような燃料電池システム300の動作について説明する。

図８は、実施の形態４に係る燃料電池システム300の動作を示すフローチャートである。燃料電池システム300は、所定の手順に従って燃料電池20を起動し、所定のタイミングで外部の負荷へ電力を供給する発電モードへ移行する。発電モードへ移行した後、制御器10は、実施の形態３にて図６のステップS50〜S51に示したのと同様の、ステップS60〜S61の処理を実行する。即ち、発電量低下の要否判定（ステップS60）、及び、必要と判定した場合の目標変化率に基づく発電量制御（ステップS61）を実行する。

次に、制御器10は、目標変化率に基づく発電量の制御（ステップS61）を開始した後、所定のタイミングで改質器30aの温度を取得する（ステップS62）。このタイミングとしては、ステップS61の制御を開始した後、所定時間（例：数秒間、数分間）の経過毎と設定してもよい。制御器10は、取得した改質器30aの温度が、所定温度（第一基準温度）T1以上か否かを判定する（ステップS63）。この第一基準温度T1は、メモリ10bに予め記憶された上記基準温度の上限値として定められている。従って、改質器30aの検知温度が第一基準温度T1以上であるとは、特定相関関係が適正でないこと示唆すると共に、燃焼器40を消火状態と誤検知する可能性が高いことを示唆する。

制御器10は、改質器30aの温度が第一基準温度T1未満と判定した場合（ステップS63：NO）は、特定相関関係が適正であって且つ安定した燃焼状態であると推定できるため、本フローを終了する。一方、改質器30aの温度が第一基準温度T1以上と判定した場合（ステップS63：YES）は、特定相関関係が適正ではなく且つ消火状態と誤検知する可能性があるため、目標変化率の変更処理（ステップS64）を行う。この目標変化率の変更処理としては、図５（ａ）や図５（ｂ）に示した処理を採用することができる。

その後、所定のタイミングで、温度検知器81から更に検知温度を取得すると共に、当該検知温度と所定の第二基準温度T2との大小関係を判定する（ステップS65）。

ここでいう「第二基準温度T2」とは、一旦、目標変化率を低減（ステップS64）した後に、当該目標変化率を増大させるか否かの判定基準を成すものであり、上述の第一基準温度T1より小さい所定の値に設定されている。即ち、ステップS64により目標変化率を低減すると、水素生成装置30の改質率は、短期間のうちに適正な基準改質率に回復する。そのため、基準改質率に回復した後は目標変化率を増大させることができる。

従って、改質器30aの検知温度が第二基準温度T2より依然として大きい（ステップS65：NO）と判定した場合は、当該ステップS65の処理を繰り返して改質器30aの温度低下を待つ。一方、検知温度が第二基準温度T2以下になった（ステップS65：YES）と判定した場合は、目標変化率を増大させて（ステップS66）、本フローを終了する。

なお、本実施の形態に係るステップS65の処理では、目標変化率の増大を許可するか否か（即ち、特定相関関係の適正化）をより正確に判定するために、制御器10は、温度検知器81の検知温度を継続的に取得する。そして、この検知温度が所定期間（第二期間）だけ継続して上記第二基準温度T2以下になった場合、又は、この検知温度が所定回数（第二回数）だけ第二基準温度T2以下になった場合に、「温度≦T2」（ステップS65：YES）と判定することとしている。

また、この第二期間としては、燃料電池20の発電時間や、燃料電池システム300の運転時間をもって定めてもよい。また、第二回数としては、電力負荷の変化の回数、システム300の起動や停止の回数をもって定めてもよい。但し、ステップS65にて「温度≦T2」と判定するための具体的手順は上述したものに限られず、特定相関関係の適正化を正確に把握できるのであれば、他の手順を採用してもよい。

また、ステップS66にて目標変化率を増大させる場合は、ステップS64にて低減する前の目標変化率に戻すようにしてもよいし、低減前の目標変化率とは異なる率になるよう増大させてもよい。

なお、以上の説明では特定相関関係を示す情報として、特に火炎検知器80の出力電流値、及び温度検知器81の検知温度を例示して説明したが、これに限られない。即ち、燃料電池20の発電量の変化に対し、水素生成装置30の温度が適正に追従して変化しているか否かを判定するための指標となり得るものであれば、他の情報を採用してもよい。例えば、そのような指標として、水素生成装置30が備えるＣＯ除去器30cからの排ガス（即ち、燃焼器40の燃焼排ガス）の温度を採用することができる。発電量の低下に対して水素生成装置30の温度が適正に低下していない場合、その状況は、発電量の低下に対する燃焼排ガスの緩慢な温度低下として現れる。

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池を備える燃料電池システム及びその運転方法において利用可能である。また、燃焼器を消火状態と誤検知するのを防止するための構成は、燃料電池以外であっても、水素ガスを用いた燃焼器や、水素と同様にフレームロッドの出力電流値が小さくなりやすいガス（例えば、コークス炉ガス等）を用いた工業用燃焼器の用途にも適用することができる。

１０ 制御器
２０ 燃料電池
３０ 水素生成装置
４０ 燃焼器
８０ 火炎検知器
８１ 温度検知器
１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム
３００ 燃料電池システム

Claims (9)

1. 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、
   炭化水素ガスを含む原料ガスを水蒸気改質させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、
   前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスを燃焼させて前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、
   前記燃料電池の発電量を変化させる場合の目標変化率を記憶し、該目標変化率に基づいて前記燃料電池の発電量を制御する制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記燃料電池の発電量を変化させる場合に、前記目標変化率と前記水素生成装置の温度との相関関係を示す情報に基づいて、前記目標変化率を変更する、
   燃料電池システム。
2. 前記燃焼器は火炎を発するバーナーを有し、
   火炎の導電性に基づいて前記燃焼器の燃焼状態を検知して前記制御器へ出力する火炎検知器を更に備え、
   前記制御器は、前記燃料電池の発電量を低下させる場合に、前記火炎検知器からの入力に基づいて、前記目標変化率を低減させる、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御器は、前記火炎検知器からの入力により前記燃焼器が消火状態であると推定した場合に、前記目標変化率を低減しつつ、前記燃料電池の発電を継続させる、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記火炎検知器からの入力により前記燃焼器が消火状態であると推定した場合に、前記燃料電池の発電を停止した後、前記目標変化率を低減して前記燃料電池の発電を再開させる、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記火炎検知器が検知した電流値が所定の第１電流値以下の場合に、前記燃焼器が消火状態であると推定する、
   請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御器は、前記目標変化率を低減した後、前記火炎検知器が検知した電流値が、所定の第１期間だけ継続して前記第１電流値より大きい第２電流値以上になった場合、又は、所定の第１回数だけ前記第２電流値以上になった場合には、前記目標変化率を増大させる、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記水素生成装置は、前記原料ガスを水蒸気改質させる改質器を有し、
   該改質器の温度を検知して前記制御器へ出力する温度検知器を更に備え、
   前記制御器は、前記燃料電池の発電量を低下させている間に、前記改質器が所定の第１温度以上であると判断した場合には、前記目標変化率を低減させる、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御器は、前記目標変化率を低減した後、前記改質器の温度が、所定の第２期間だけ継続して前記第１温度より低い第２温度以下になった場合、又は、所定の第２回数だけ前記第２温度以下になった場合には、前記目標変化率を増大させる、
   請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 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、
   炭化水素ガスを含む原料ガスを水蒸気改質させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置と、
   前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスを燃焼させて前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   所定の目標変化率に基づいて前記燃料電池の発電量を制御するステップと、
   前記目標変化率と前記水素生成装置の温度との相関関係を示す情報を取得するステップと、
   前記相関関係を示す情報に基づいて前記目標変化率を変更するステップと、
   を備える、燃料電池システムの運転方法。

Images