WO2005018035A1

WO2005018035A1 - 燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法

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Publication number: WO2005018035A1
Application number: PCT/JP2004/012217
Authority: WO
Inventors: Akinari Nakamura; Masataka Ozeki; Yoshikazu Tanaka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2006-02-19
Also published as: JPWO2005018035A1; US20060269804A1; CN1839504A

Abstract

改質ガス温度を一定温度に制御する燃料電池発電システムの劣化検出をその場で瞬時に且つ連続的に行い、改質触媒の取替時期を判定することが可能な燃料電池発電システムおよび、その改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等を提供する。　原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器１２と、前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池１１と、前記改質器１２に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段１９と、前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段２０と、前記改質器で生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出手段２１と、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段２２とを備えた。

Description

燃料電池発電システムおよぴその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法技術分野

本発明は、燃料電池を用いて発電を行う、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等に関するものである。背景技術

従来の燃料電池発電システムには、改質ガスの温度を測定することにより改質器の劣化診断を行なうものがあった（例えば、文献 1 (特開 2 0 0 0 - 2 6 8 8 4 0号公報）参照）。図 9は、上記文献 1に記載された従来の燃料電池発電システムを示すものである。

図 9において、原燃料としての都市ガスは遮断弁 6を開けることにより脱硫器 5に供給され、触媒劣化要因の腐臭成分が除去される。腐臭成分を除去された都市ガスは、改質用水蒸気と混合され、改質器 2で水素リツチな改質ガスが生成される。生成された改質ガス中には触媒劣化要因となる一酸化炭素が 1 0〜 1 5 %含まれるが、変成器 4で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させた後、一酸化炭素を低減した燃料ガスとして燃料電池 1に供給される。

燃料電池 1では、水素リツチな燃料ガスと空気中の酸素を反応させることにより発電を行う。燃料電池発電システムの起動時には遮断弁 7を開け、パーナ 3で都市ガスを燃焼することにより改質器 2を昇温する。起動時以外は遮断弁 7を閉め、燃料電池 1から排出される排気燃料ガスをパーナ 3で燃焼することにより改質器 2の温度維持（最大 7 0 0 °C程度）を行なう。

そして、改質器 2内部の改質ガス温度を温度センサ 9で測定し、測定した改質ガス温度を用いて劣化診断部 1 0で改質器 2の劣化状態を診断している。

しかしながら、上記の従来の燃料電池発電システムでは、改質器 2の劣化状態を診断する手段として改質ガス温度を用いているが、これには以下のような課題がある。

具体的には、上記文献 1に記載された図 9の燃料電池発電システムは 2 0 0 k Wリン酸形燃料電池発電システムである。このような出力規模のリン酸形燃料電池発電システムでは、通常、その出力（2 0 0 k W) での一定出力発電を行なう。このように出力が大きい場合には、改質器 2で生成する改質ガス量およぴ改質器 2の改質ガス温度は多少変動しても許容できる。

しかし、出力規模が 1 k W程度の小型の燃料電池発電システムや出力変動を行なう家庭用の燃料電池発電システムにおいては、改質器の温度維持に対する温度制御は、より精度よく行なわなければならない。

その理由は、出力規模が 1 k W程度のシステムでは、改質器の大きさが上記文献 1に記載された改質器 2のそれと比較すると非常に小さいために、改質器は温度変動の影響を受けやすいからである。また、出力変動を行なうシステムについても、出力変動による都市ガス供給量と改質用水蒸気量の変動により温度変動を受けやすいことが挙げられる。

そのため、出力規模が 1 k W程度の小型の燃料電池発電システムや出力変動を行なう家庭用の燃料電池発電システムにおいては、改質ガスの温度を一定温度に制御することで一定のメタン転化率の下で改質反応を行わせるために、安定した燃料ガス供給を行う必要がある。すなわち、このような燃料電池発電システムでは、改質ガスの温度を一定温度に制御するため、改質ガス温度を用いて改質器の劣化状態を診断することは非常に困難である。発明の開示

本発明は、上述した課題を考慮して、改質ガス温度を一定温度に制御しながら改質器の劣化検出を行える、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、およびそれらを用いた燃料電池発電システム、燃料電池発電方法等を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、第 1の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リツチな燃料ガスを生成する改質器と、

前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、

前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、

前記改質器で生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出手段と、

前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた燃料電池発電システム。

また、第 2の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記演算流量として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスの流量を演算する、第 1の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第 3の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、

前記燃料ガスの流路の所定の 2点におけるそれぞれの前記燃料ガスの圧力の差を検出する差圧検出手段と、

前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスによる前記所定の 2点間の圧力の差の演算値と、前記所定の 2点間の前記燃料ガスの前記圧力の差の検出値とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた、燃料電池発電システムである。

また、第 4の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記演算値として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスによる前記所定の 2点間の圧力の差を演算する、第 3の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第.5の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、

前記燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、

前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、前記燃料ガスの水蒸気濃度または原料濃度を検出する濃度検出手段と前記原料の流量と前記水蒸気の流量と演算される、燃料ガスに含まれる水蒸気濃度の演算値と、前記検出された水蒸気濃度または原料濃度とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた、燃料電池発電システムである。

また、第 6の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記演算値として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスに含まれる水蒸気濃度または原料濃度を演算する、第 5の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第 7の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段をさらに備えた、第 1 、第 3、第 5のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。

また、第 8の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段をさらに備えた、第 1、第 3、第 5のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。また、第 9の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御手段をさらに備えた、第 8 の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第 1 0の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段をさらに備えた、第 1、第 3、第 5のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。また、第 1 1の本発明は、前記水蒸気濃度検出手段は、前記燃料ガスの流路を通流する前記燃料ガスの露点を検出することによって前記水蒸気濃度を検出する、第 5の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第 1 2の本発明は、前記水蒸気濃度検出手段は、前記燃料ガスの流路を通流する前記燃料ガスの相対湿度を検出することによって前記水蒸気濃度を検出する、.第 5の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第 1 3の本発明は、前記水蒸気流量検出手段の代わりに、前記改質器に供給される前記水蒸気を生成するために供給する水の量を測定する水用流量計を備え、

前記劣化度検出手段は、前記水蒸気の流量の代わりに、前記水用流量計で測定した前記供給する水の量に基づいて前記改質器の劣化度を算出する、第 5の本発明の燃料電池発電システムである。

また、第 1 4の本発明は、前記改質器の前記劣化度と発電時間から劣化度低下速度を求め、前記燃料電池での発電が可能な前記改質器の劣化度の下限値に至るまでの期間を算出する寿命診断手段を備えた、第 1 、第 3、第 5のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。

また、第 1 5の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記改質器の前記劣化度としてメタン転化率を用いる、第 1、第 3、第 5のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。

また、第 1 6の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、

前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する氷蒸気流量検出工程と、

前記改質器にて生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出工程と、

- ；—一— / 前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池システムの改質器の劣化度検出方法。

また、第 1 7の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、 '

前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、

前記燃料ガスの流路の所定の 2点におけるそれぞれの前記燃料ガスの圧力の差を検出する差圧検出工程と、 ·

前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスによる前記所定の 2点間の圧力の差の演算値と、前記所定の 2点間の前記燃料ガスの前記圧力の差の検出値とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法である。

また、第 1 8の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、

前記燃料ガスの水蒸気濃度または原料濃度を検出する濃度検出工程と前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスに含まれる水蒸気濃度の演算値と、前記検出された水蒸気濃度または原料濃度とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法である。

また、第 1 9の本発明は、第 1 6から第 1 8のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱工程を備えた、燃料電池発電方法である。

また、第 2 0の本発明は、第 1 6から第 1 8のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、前記劣化度検出工程検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法である。

また、第 2 1の本発明は、第 1 6から第 1 8のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法である。

また、第 2 2の本発明は、第 1 6から第 1 8のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御工程を備えた、燃料電池発電方法である。 '

また、第 2 3の本発明は、第 1の本発明の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

また、第 2 4の本発明は、第 3の本発明の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスによる前記所定の 2点間の圧力の差の演算値と、前記所定の 2点間の前記燃料ガスの前記圧力の差の検出値とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

また、第 2 5の本発明は、第 5の本発明の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量と演算される、燃料ガスに含まれる水蒸気濃度または原料濃度の演算値と、前記検出された水蒸気濃度とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

また、第 2 6の本発明は、第 7の本発明の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

また、第 2 7の本発明は、第 8の本発明の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

また、第 2 8の本発明は、第 9の本発明の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量増加手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

また、第 2 9の本発明は、第 1 0の本発明の前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

また、第 3 0の本発明は、第 2 3から第 2 9のいずれかの本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。

本発明により、改質ガス温度を一定温度に制御しながら改質器の劣化検出を行える、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等を提供することができる。図面の簡単な説明

図 1は、実施の形態 1における燃料電池発電システムを示す構成図でめ。

図 2は、実施の形態 2における燃料電池発電システムを示す構成図でめ。

図 3は、実施の形態 3における燃料電池発電システムを示す構成図でめ。図 4は、実施の形態 4における燃料電池発電システムを示す構成図である。 .

図 5は、実施の形態 1における劣化度の検出動作を示すフローチヤ一トである。

図 6は、実施の形態 2における劣化度の検出動作を示すフローチヤ一トである。

図 7は、実施の形態 3における劣化度の検出動作を示すフローチヤ一トである。

図 8は、実施の形態 4における寿命診断動作を示すフローチヤ一トである。

図 9は、従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。

図 1 0は、実施の形態 5における燃料電池発電システムを示す構成図である。

図 1 1は、実施の形態 5における燃料電池発電システムの動作を示すフローチヤ一トである。

図 1 2は、実施の形態 6における燃料電池発電システムを示す構成図である。

図 1 3は、実施の形態 6における燃料電池発電システムの動作を示すフローチヤ一トである。

図 1 4は、実施の形態 7における燃料電池発電システムを示す構成図である。

図 1 5は、実施の形態 7における燃料電池発電システムの動作を示すフローチヤ一トである。

図 1 6は、実施の形態 8における燃料電池発電システムを示す構成図である。

図 1 7は、実施の形態 8における燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。

図 1 8は、実施の形態 8における燃料電池発電システムの動作を説明する為の図である。

図 1 9は、本発明の燃料電池発電システムの実施例の運転状態を示すグラフである。

図 2 0は、本発明の燃料電池発電システムの比較例の運転状態を示すグラフである。

(符号の説明）

1、 1 1 燃料電池

2、 1 2 改質器

3、 1 3 パーナ

4 変成器

5、 1 5 脱硫器

6、 7、 1 6、 1 7 遮断弁

8、 1 8、 2 8 流量制御弁

9 温度センサ

1 0 劣化診断部

1 4 一酸化炭素除去器

1 9 原料ガス流量計

2 0 水蒸気流量計

2 1 燃料ガス流量計

2 2 劣化度検出部

2 3 差圧計

2 4 水蒸気濃度計

2 5 寿命診断部 2 6 パーナ制御手段

2 7 D C— A Cィンパータ

2 9 流量制御弁制御手段

3 0 入力電流制御手段

3 1 インバータ制御手段発明を実施するための最良の形態

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

(実施の形態 1 )

図 1は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。なお、図 1の点線で示す矢印は、検出した信号の流れを示. している。

本実施の形態 1における燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池 1 1を備えている。また、原料ガスである都市ガスを水蒸気改質することにより水素リツチな燃料ガスを生成する改質器 1 2を備えている。また、燃焼ガスとしての都市ガスまたは燃料電池 1 1から排出される排気燃料ガスを燃焼することにより改質器 1 2の温度維持を行なうパーナ 1 3を備えている。

また、改質器 1 2で生成される燃料ガスに含まれる一酸化炭素を低減させる一酸化炭素除去器 1 4と、都市ガスに含まれる腐臭成分を除去する脱硫器 1 5を備えている。

また、原料ガスおよび燃焼ガスの供給/遮断を行なう遮断弁 1 6および遮断弁 1 7を備えている。また、原料ガスの流量を制御する流量制御弁 1 8を備えている。また、原料ガスの流量を検出する原料ガス流量計 1 9と、改質器 1 2に供給される水蒸気の流量を検出する水蒸気流量計 2 0と、改質器 1 2出口の燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量計 2 1を備えている。

また、原料ガス流量計 1 9、水蒸気流量計 2 0および燃料ガス流量計 2 1からの信号を受けて改質器 1 2の劣化度を検出する劣化度検出部 2 2を備えている。

なお、原料ガス、原料ガス流量計 1 9、水蒸気流量計 2 0、燃料ガス流量計 2 1、劣化度検出部 2 2は、それぞれ本発明の、原料、原料流量検出手段、水蒸気流量検出手段、燃料ガス流量検出手段、劣化度検出手段としての具体的な一例である。また、一酸化炭素除去器 1 4としては、水蒸気によりシフト反応を行なう変成器と酸素により酸化反応をさせる一酸化炭素選択酸化器のいずれか一方、もしくは雨方が考えられる。次に、本実施の形態 1における燃料電池発電システムの動作について説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法について説明を行う。なお、以下の実施の形態についても、それぞれ本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法について説明を行うものとする。

システム外部から供給された原料ガスとしての都市ガスは、脱硫器 1 5で腐臭成分が除去された後、水蒸気とともに改質器 1 2に供給される。そして、原料ガスは、改質器 1 2で水蒸気改質され、さらに一酸化炭素除去器 1 4で一酸化炭素濃度が低減されて、水素リツチな燃料ガスとして燃料電池 1 1に供給される。

一方、燃料電池 1 1には酸化剤ガスとしての反応空気が供給されており、燃料ガスと反応空気とが電気化学的に反応して発電を行なう。この燃料電池 1 1で発生した直流電流は、 D C— A Cインバータ（図示せず ) で交流電力に変換された後、外部負荷へ供給される。また、燃料電池 1 1で発電に使用されなかった水素を含む排気燃料ガスは、パーナ 1 3 に供給され、改質器 1 2を加熱する燃料として使用される。なお、燃料電池発電システムの起動時には、遮断弁 1 7を開けて都市ガスをパーナ 1 3で燃焼させ、改質器 1 2を昇温する。また、供給される原料ガス流量は流量制御弁 1 8で制御される。

次に、改質器 1 2の劣化度の検出動作について、図 1 と図 5を用いて説明する。図 5は、改質器 1 2の劣化度を検出する際の運転方法を示すフローチヤ一トである。

まず、原料ガスの流量を原料ガス流量計' 1 9で検出する（ステップ S 1) 。次に、改質用水蒸気の流量を水蒸気流量計 20で検出する（ステップ S 2) 。さらに、改質器 1 2により生成される燃料ガスの流量を燃料ガス流量計 2 1で検出する（ステップ S 3) 。劣化度検出部 22は、これらの各流量検出信号を受信し、検出された原料ガス流量と水蒸気流量から改質器 1 2におけるメタン転化率と燃料ガス所定流量の関係を算出する。 .そして、劣化度検出部 2 2は、この算出したメタン転化率と燃料ガス所定流量の関係と、実際に検出された燃料ガス流量とを比較する (ステップ S 4) 。これによつて得られる改質器 1 2におけるメタン転化率の低下割合から、改質器 1 2の劣化度を算出する（ステップ S 5) 。本実施の形態 1の燃料電池発電システムの改質器 1 2における劣化度の算出動作の原理は次のとおりである。

改質器 1 2では、（化 1) に示す改質反応によりメタンから水素が生成される。

(化 1)

CH₄ + 2H₂〇 → 4H₂ + C〇₂ メタン転化率が 1 0 0 %の場合、 1 NL/m i nのメタンと 2 NL/ m i nの水蒸気から、 4 NL/m i nの水素と 1 NL/m i nの二酸ィ匕炭素が生成される。つまり、全体の流量は 3 NL/m i nから 5 NLZ m i nに増加する。

また、メタン転化率が 50 %の場合、 1 N L/m i nのメタンと 2 N L/m i nの水蒸気から、 2 NL/m i nの水素と 0. 5 NL/m i n の二酸化炭素が生成され、 0. 5 NL/m i nのメタンと 1 N LZm i nの水蒸気が残る。この場合には、全体の流量は 3 NL/m i nから 4 NLZm i nに増加するが、全体の流量の増加量は、メタン転化率が 1 00%の場合よりも減少している。

本実施の形態 1の改質器 1 2における劣化度の検出動作は、このようにメタン転化率の変化によって、同じ組成のインプット流量に対するァゥトプット流量が変化すること、具体的に言えば、メタン転化率が減少すると、同じ組成のインプット流量（メタンの流量と水蒸気の流量の和 ) に対するアウトプット流量（改質器 1 2で生成された水素リッチな燃焼ガスの流量）の増分が減少することを利用している。当然、原料ガスとしての都市ガスには、メタンのほかにェタン、ブタン、プロパン等も含まれるが、メタン以外についても同様のことが言える。また、もちろん、改質器 1 2には（ィヒ 1) の理論比以上に水蒸気を供給するが、そのことも考慮して算出し比較する。

すなわち、本実施の形態 1における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、原料ガス流量計 1 9および水蒸気流量計 20およぴ燃料ガス流量計 2 1および劣化度検出部 2 2を備えることにより、原料ガス流量および水蒸気流量から予め算出される改質器 1 2固有のメタン転化率と燃料ガス所定流量の関係と、実際に検出された燃料ガス流量とを比較することができ、改質器 1 2のメタン転化率の低下割合から改質器 1 2の劣化度を算出することができる。

なお、本実施の形態 1の燃料電池発電システムでは、改質器 1 2の劣化度として、より好ましい「メタン転化率」を用いる場合について説明したが、たとえば別の劣化度を用いる方法として、「原料流量と水蒸気流量に対して、予め燃料ガス流量と燃料ガス中の水素濃度の相関を実験的に求め、それらのデータと比較する」ことによって行なうことも可能である。

また、本実施の形態 1の燃料電池発電システムでは、燃料ガス流量計 2 1を改質器 1 2と一酸化炭素除去器 1 4の間に配置したが、メタン転化率は改質器 1 2の性能で決まるため、一酸化炭素除去器 1 4と燃料電池 1 1 との間に配置しても同様である。また、本実施の形態 1の燃料電池発電システムでは、「改質反応に必要な水は水蒸気として供給し、その供給水蒸気の流量を水蒸気流量計 2 0で測定する」構成としたが、「改質反応に必要な水蒸気を水（液体）で供給し、その供給水流量を水用流量計で測定する」構成としても同様である。ただし、この場合は、水を蒸発させる蒸発部が水用流量計の下流に必要となる。

また、本実施の形態 1の燃料電池発電システムでは、図 5のフローチヤートに示すように、劣化度検出部 2 2は、改質器 1 2には（ィヒ 1 ) の理論比以上に水蒸気を供給されることから、そのことも考慮して算出し比較するものとして説明を行ったが、改質器 1 2の実際の運転条件を考慮せず、測定値としての原料流量と水蒸気流量および理論比のみに基づいて、理想値としての燃料ガス流量を算出し、これを検出された燃料ガス流量の実測値と比較して、メタン転化率を求めるようにしてもよい。この場合、劣化度検出部 2 2の演算方式をより簡略化し、汎用性を高めることができる効果がある。

(実施の形態 2 )

図 2は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図 1 と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図 2の点線で示す矢印は、検出した信号の流れを示している。

本実施の形態 2における燃料電池発電システムでは、図 1の燃料ガス流量計 2 1の代わりに、改質器 1 2の燃料ガスが排出される改質器 1 2 の下流側流路に差圧計 2 3を備えている。また、本実施の形態 2における燃料電池発電システムの動作は、実施の形態 1 と同様であるので説明を省略する。なお、差圧計 2 3は、本発明の差圧検出手段の一例である。次に、本実施の形態 2における燃料電池発電システムの改質器 1 2の劣化度の検出動作について、図 2と図 6を用いて説明する。図 6は、改質器 1 2の劣化度を検出する際の運転方法を示すフローチャートである。

まず、原料ガスの流量を原料ガス流量計 1 9で検出する（ステップ S 1 1 ) 。次に、改質用水蒸気の流量を水蒸気流量計 2 0で検出する（ステツプ S 1 2 ) 。さらに、改質器 1 2により生成される燃料ガスの、改質器 1 2の下流側流路における所定の 2点間の圧力の差を差圧計 2 3で測定する（ステップ S 1 3 ) 。劣化度検出部 2 2は、これらの各流量検出信号および差圧測定信号を受信し、検出された原料ガス流量と水蒸気流量から改質器 1 2におけるメタン転化率と下流側流路における流体差圧の関係を算出する。そして、劣化度検出部 2 2は、この算出したメタン転化率と下流側流路における流体差圧の関係と、実際に検出された下流側流路における流体差圧の値とを比較する（ステップ S 1 4 ) 。これによって得られる改質器 1 2のメタン転化率の低下割合から改質器 1 2 の劣化度を算出する（ステップ S 1 5 ) 。

本実施の形態 2の燃料電池発電システムの改質器 1 2における劣化度の算出動作は、メタン転化率変化による流量変化に従い、測定区間の流体圧力損失が変化すること、具体的に言えば、改質器 1 2が劣化した後の燃料ガスの差圧が、改質器 1 2が劣化する前の燃料ガスの差圧よりも減少することを利用している。本実施の形態 2で使用した差圧計 2 3は、実施の形態 1で用いた燃料ガス流量計 2 1に比べて低コスト化を図ることができるとともに、高温下でも安定して作動し、流体の脈動に対しても正確に測定できるという利点がある。

なお、上記の構成においては、劣化度検出部 2 2は、改質器 1 2には (ィ匕 1 ) の理論比以上に水蒸気を'供給されることから、そのことも考慮して算出し比較するものとして説明を行ったが、改質器 1 2の実際の運転条件を考慮せず、測定値としての原料流量と水蒸気流量および理論比のみに基づいて、理想値としての燃料ガスの差圧を算出し、これを検出された燃料ガスの差圧の実測値と比較して、メタン転化率を求めるようにしてもよい。

(実施の形態 3 )

図 3は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図 1と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図 3の点線で示す矢印は、検出した信号の流れを示している。また、本実施の形態 3における燃料電池発電システムの動作は、実施の形態 1と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態 3における燃料電池発電システムでは、図 1の燃料ガス流量計 2 1の代わりに、改質器 1 2と一酸化炭素除去器 1 4との間の燃料ガス流路に水蒸気濃度計 2 4を備えている。なお、水蒸気濃度計 2 4 は、本発明の濃度検出手段の一例である。

次に、本実施の形態 3における燃料電池発電システムの改質器 1 2の劣化度の検出動作について、図 3と図 7を用いて説明する。図 7は、改質器 1 2の劣化度を検出する際の運転方法を示すフローチャートである。まず、原料ガスの流量を原料ガス流量計 1 9で検出する（ステップ S 2 1) 。次に、改質用水蒸気の流量を水蒸気流量計 20で検出する（ステツプ S 2 2 ) 。

さらに、改質器 1 2により生成される燃料ガス中の水蒸気濃度を水蒸気濃度計 24で検出する（ステップ S 2 3) 。劣化度検出部 2 2は、これらの各流量検出信号および水蒸気濃度信号を受信し、検出された原料ガス流量と水蒸気流量から改質器 1 2におけるメタン転化率と燃料ガス中の水蒸気所定濃度の関係を算出する。

そして、劣化度検出部 22は、この算出したメタン転化率と燃料ガス中の水蒸気所定濃度の関係と、実際に検出された燃料ガス中の水蒸気濃度とを比較する（ステップ S 24) 。これによつて得られる改質器 1 2 のメタン転化率の低下割合から改質器 1 2の劣化度を算出する（ステツプ S 25 ) 。

本実施の形態 3の燃料電池発電システムの改質器 1 2における劣化度の算出動作の原理は次のとおりである。

改質器 1 2では、（ィ匕 1) に示す改質反応によりメタンから水素が生成される。

メタン転化率が 1 00 %の場合、 I NL/m i nのメタンと 2NLZ m i nの水蒸気から、 4 N L/m i nの水素と 1 N L/m i nの二酸化炭素が生成される。つまり、燃料ガス中の水蒸気濃度は 0%となる。

また、メタン転化率が 50 %の場合、 1 N L/m i nのメタンと 2 N L/m i nの水蒸気から、 2 N L/m i nの水素と 0. 5 N L/m i n の二酸化炭素が生成され、 0. 5 N LZm i nのメタンと 1 N LZm i nの水蒸気が残る。この場合には、燃料ガス中の水蒸気濃度は 2 5%となる。

本実施の形態 3の改質器 1 2における劣化度の算出動作は、このようにメタン転化率の変化によって、同じ組成のインプット流量に対するァゥトプットの燃料ガス中の水蒸気濃度が変化することを利用している。当然、原料ガスとしての都市ガスには、メタンのほかにェタン、ブタン、プロパン等も含まれるが、メタン以外についても同様のことが言える。また、もちろん、改質器 1 2には水蒸気を（ィヒ 1 ) の理論比以上に供給するが、そのことも考慮して算出し比較する。

すなわち、本実施の形態 2における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、原料ガス流量計 1 9およぴ水蒸気流量計 2 0および水蒸気濃度計 2 4および劣化度検出部 2 2を備えることにより、原料ガス流量および水蒸気流量から予め算出されるメタン転化率と水蒸気所定濃度の関係と、実際に検出された水蒸気濃度とを比較することができ、改質器 1 2のメタン転化率の低下割合から改質器 1 2の劣化度を算出することができる。

なお本実施の形態 3の燃料電池発電システムでは、改質器 1 2の劣化度として、より好ましい「メタン転化率」を用いる場合について説明をしたが、たとえば別の劣化度を用いる方法として、「原料流量と水蒸気流量に对して、予め燃料ガス中の水蒸気濃度と水素濃度の相関を実験的に求め、それらのデータと比較する」ことによって行なうことも可能である。

また、本実施の形態 3の燃料電池発電システムでは、水蒸気濃度計 2 4を改質器 1 2と一酸化炭素除去器 1 4の間に配置したが、メタン転化率は改質器 1 2の性能で決まるため、一酸化炭素除去器 1 4と燃料電池 1 1 との間に配置しても同様である。また、本実施の形態 3の燃料電池発電システムでは、「改質反応に必要な水は水蒸気として供給し、その供給水蒸気の流量を水蒸気流量計 2 0で測定する」構成としたが、「改質反応に必要な水蒸気を水（液体）で供給し、その供給水流量を水用流量計で測定する」構成としても同様である。ただし、この場合は、水を蒸発させる蒸発部が水用流量計の下流に必要となる。 .

また、改質器 1 2で生成される燃料ガスに含まれる水蒸気の濃度を検出する手段として露点計を用いることができる。この場合、水分量を正確に検出できるため有用である。

また、改質器 1 2で生成される燃料ガスに含まれる.水蒸気の濃度を検出する手段として相対湿度を測定する湿度計を用いることもできる。この場合、システムを低コスト化できるとともにコンパクト化もできるため有用である。

また、図 7のフローチャートに示すように、劣化度検出部 2 2は、改質器 1 2には（ィヒ 1 ) の理論比以上に水蒸気を供給されることから、そのことも考慮して算出し比較するものとして説明を行ったが、改質器 1 2の実際の運転条件を考慮せず、測定値としての原料流量と水蒸気流量および理論比のみに基づいて、理想値としての燃料ガス流量を算出し、これを検出された燃料ガス流量の実測値と比較して、メタン転化率を求めるようにしてもよい。

また、上記の説明においては、改質器 1 2で生成される燃料ガスに含まれる水蒸気の濃度を検出し、これと、原料ガス流量おょぴ水蒸気流量から予め算出されるメタン転化率と水蒸気所定濃度の関係とを比較することにより改質器 1 2の劣化度を求めることとしたが、本発明の濃度検出手段は、ガス分析計等を用いた、燃料ガスに含まれるメタン等の原料ガスの濃度を直接検出する'手段として実現してもよい。この場合、直接原料ガスの濃度を得られるために、より精度の高いメタン転化率の算出が可能となる。

(実施の形態 4 )

図 4は、本発明の実施の形態 4に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図 1 と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図 4の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。

本実施の形態 4における燃料電池発電システムでは、図 1に示す実施の形態 1の燃料電池発電システムの構成に加えて、劣化度検出部 2 2での劣化度の算出値をもとに改質器 1 2の取替え時期を判定する寿命診断部 2 5をさらに備えている。なお、寿命診断部 2 5は、本発明の寿命診断手段の一例である。なお、本実施の形態 4における燃料電池発電システムの動作は、実施の形態 1と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態 4における燃料電池発電システムの改質器 1 2の取替え時期を判定する寿命診断動作について、図 4と図 8を用いて説明する。図 8は、改質器 1 2の取替え時期を判定する際の運転方法を示すフローチャートである。図 8に示すステップ S 1から S 5については、図 5で説明した実施の形態 1のステップと同様なので説明を省略する。

寿命診断部 2 5は、実施の形態 1について図 5で説明したステップ S 5により劣化度検出部 2 2が算出したメタン転化率を受け、メタン転化率と発電時間の関係からメタン転化率の低下速度を求める（ステップ S 6 ) 。そして、メタン転化率の低下速度から、燃料電池 1 1が発電可能なメタン転化率の下限値に至るまでの期間を算出する（ステップ S 7 ) 。そして、改質器 1 2の取替え時期を判定し寿命診断をする（ステップ S 8 ) 。

すなわち、本実施の形態 4における燃料電池発電システムの構成およぴ運転方法によれば、実施の形態 1の燃料電池発電システムに加えて寿命診断部 2 5をさらに備えることにより、メタン転化率と発電時間の関係からメタン転化率の低下速度を求め、改質器 1 2の取替え時期を判定し寿命診断をすることができる。

なお、本実施の形態 4の燃料電池発電システムは、実施の形態 1の燃料電池発電システムおよびその運転方法からの発展形として説明したが、他の実施の形態の燃料電池発電システムおよびその運転方法からの発展形としても同様に実施できる。

以上説明したことから明らかなように、改質ガス温度を一定温度に制御する本発明の燃料電池発電システムでは、改質器の劣化検出をその場で瞬時に且つ連続的に行い、改質触媒の取替時期を判定することが可能である。

(実施の形態 5 )

図 1 0は、本発明の実施の形態 5に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図 1と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図 1 0の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。

'本実施の形態 5における燃料電池発電システムは、改質器 1 2の劣化がもたらす、燃料ガス中の水素の減少に伴う、燃料電池 1 1の電圧低下に起因する出力電力減少を改善するものである。一般に燃料電池 1 1は、水素リッチな燃料ガスの流れ方向にスタックされ、燃料ガスが通過する複数のセルからなるが、改質器が劣化し、燃料ガス中の水素が燃料ガスの流れ上流側のセルにて消費されてしまい、下流側ではほとんど起電力を発生しなくなってしまうため、直列接続されたセルからなる燃料電池 1 1の電圧が低下してしまう。また燃料ガスの流量が低下するため、発生する電流量が減少し、ひいては得られる電力量も減少してしまう。本実施の形態以下の燃料システムは、改質器 1 2の劣化にともなう上記の問題を解消するものであり、図 1に示す実施の形態 1の燃料電池発電システムの構成に加えて、劣化度検出部 2 2での劣化度を受けてパーナ 1 3の動作を制御するパーナ制御手段 2 6をさらに備えている。なお、パーナ制御手段 2 6およびパーナ 1 3は、本発明の改質器加熱手段の構成の一例である。また、燃料電池 1 1から図示しない負荷に交流電力を供給するための、 D C— ACインパータ 2 7も示した。

本実施の形態 5における燃料電池発電システムの、改質器 1 2の劣化度を受けた改質器 1 2の反応温度を上昇させる動作を図 1 0と図 1 1を用いて説明するとともに、本発明の燃料電池発電方法について説明を行う。なお、以下の実施の形態についても、それぞれ本発明の燃料電池発電方法について説明を行うものとする。

. 図 1 1は、改質器 1 2の昇温動作を行う際の運転方法を示すフローチヤートである。

図 1 1に示すステップ S 1から S 3については、図 5で説明した実施の形態 1のステップと同様であり、また S 3 1は S 4および S 5をひとくくりにしたステップであるので説明を省略する。

次に、劣化度判定部 22から得られた劣化度としてのメタン転化率 φ と、燃料ガス流量 Q 3とを受けて、パーナ制御手段 26は、現在改質器 1 2が生成可能な生成水素量 Q 4を演算する（S 3 2) 。さらに、この生成水素量 Q 4に基づいて、燃料電池 1 1が発電可能な出力直流電流 A 1を演算する（S 3 3) 。

さらに、 DC— ACインバータ 2 7の運転状態を参照して、現在の交流発電量 Wnにおける出力直流電流 Anに対して、 Αη >Α1であるかどうかの判定を行う（S 34) 。 Αη >Α 1ならば、パーナ制御手段 2 6は、改質器 1 2の反応温度を ΔΤだけ上昇させるように、都市ガスの供給量を増加させるなど、パーナ 1 3の火力を上げる制御を行い、 S 3 に戻る（S 3 5) 。改質器 1 2の温度が上昇すると、メタン転化率は改善に転じ、良好な燃料ガスが燃料電池 1 1に供給され、適切な電圧を得ることができる。

一方、 An ^A lならば、パーナ制御手段 2 6は、改質器の反応温度を現状維持するように制御を行う。現在の交流発電量 W nは維持される ( S 3 6 ) 。

(実施の形態 6 )

図 1 2は、本発明の実施の形態 6に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図 1と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図 1 2の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。

本実施の形態の燃料システムは、図 1に示す実施の形態 1の燃料電池発電システムの構成に加えて、水蒸気の供給量を可変する流量制御弁 2 8および劣化度検出部 2 2での劣化度を受けて流量制御弁 2 8の動作を制御する流量制御弁制御手段 2 9をさらに備えている。なお、流量制御弁 2 8および流量制御弁制御手段 2 9は、本発明の水蒸気流量制御手段の構成の一例である。また、実施の形態 5の場合と同様、燃料電池 1 1 から図示しない負荷に交流電力を供給するための、 D C— A Cインバータ 2 7も示した。 '

本実施の形態 6における燃料電池発電システムの、改質器 1 2の動作を図 1 2と図 1 3を用いて説明する。図 1 3は、改質器 1 2への水蒸気供給動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。

図 1 3に示すステップ S 1から S 3については、図 5で説明した実施の形態 1のステップと同様であり、また S 3 1は S 4および S 5をひとくくりにしたステツプであり、また S 3 2〜 3 4および S 3 6は、実施の形態 5の図 1 1のフローチャートと同様である。すなわち本実施の形態は、劣化度判定部 2 2から得られた劣化度としてのメタン転化率 φと、燃料ガス流量 Q 3とを受けて、流量制御弁制御手段 2 9が、現在改質器 1 2が生成可能な生成水素量 Q 4を演算する（S 3 2 ) 。さらに、この生成水素量 Q 4に基づいて、燃料電池 1 1が発電可能な出力直流電流 A 1を演算する（S 3 3) 。

さらに、 D C— ACインパータ 2 7の運転状態を参照して、現在の交流発電量 Wnにおける出力直流電流 Anに対して、 Αη >Α 1であるかどうかの判定を行う（S 34) 。 Αη >Α 1ならば、流量制御弁制御手段 2 9は、改質器 1 2への水蒸気流量を AQ 2だけ上昇させるように、流量制御弁 28の開度を大きくする制御を行う（S 4 1) 。改質器 1 2 への水蒸気供給量が増加すると、改質反応の平衡状態が水素生成側ヘシフトし、メタン転化率は改善に転じ、良好な燃料ガスが燃料電池 1 1に供給され、適切な電圧を得ることができる。

一方、 An A lならば、流量制御弁制御手段 2 9は、流量制御弁 2 8の開度を現状維持する。現在の交流発電量 Wnは維持される（S 3 6

) o

(実施の形態 7) '

図 1 4は、本発明の実施の形態 6に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図 1、図 1 2と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図 1 4の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。

本実施の形態の燃料システムは、図 1 4に示す実施の形態 6の燃料電池発電システムの構成に加えて、流量制御弁制御手段 2 9が、さらに都巿ガスの流量制御弁 1 8も制御する構成とした点が異なる。

本実施の形態 6における燃料電池発電システムの、改質器 1 2の劣化度を受けた改質器 1 2の反応温度を上昇させる動作を図 1 4と図 1 5を用いて説明する。図 1 5は、改質器 1 2への水蒸気および原料ガスとしての都市ガスの供給動作を行う際の運転方法を示すフロ一チャートである。ただし実施の形態 6と同様のステップは省略し、相違点を中心に述ベる。すなわち、 S 34において、現在の出力直流電流 An >発電可能な出力直流電流 A 1 と判断した場合、流量制御弁制御手段 2 9は、改質器 1 2への水蒸気流量を Δ<32だけ上昇させるように、流量制御弁 2 8 の開度を大きくする制御を行い（S 4 1) 、この後に改質器 1 2への都巿ガスの流量を AQ 1だけ上昇させるように、流量制御弁 1 8の開度を大きくする制御を行う（S 42) 。

ここで水蒸気流量を制御した後に都市ガスの流量を制御する理由は以下の通りである。すなわち、先に原料ガスを単独で増やすと（1) 燃料ガスの露点が下がり、燃料電池 1 1の寿命が短くなる恐れがある、（2 ) また燃料ガスに占める水蒸気割合が少なくなると、改質器 1 2内部でメタン（CH₄) の炭素が析出し、改質器 1 2の触媒の性能が低下する恐れがある、（3) —酸化炭素除去器 1 4での一酸化炭素（CO) 除去能力が低下し、燃料ガス中の COが多くなり、燃料電池 1 1が CO被毒する恐れがある、等の不具合がある。したがって、実施の形態 6および本実施の形態においては、原料ガスの供給量を単独で制御すること、および原料ガスの供給量の増加を、水蒸気の供給量の増加に先だって制御することは実行しない。

以上の制御により、改質器 1 2には、水蒸気供給量に併せて都市ガスの供給量も増加される。これにより実施の形態 6と同様の原理によりメタン転化率が改善に転ずることと併せて、改質反応に必要な原料ガスおよび水蒸気の絶対量が増加することにより、発生する燃料ガスの総量も増加することで、燃料電池 1 1に必要な都市ガスを供給して適切な電圧を得ることができる。

(実施の形態 8)

図 1 6は、本発明の実施の形態 8に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図 1 と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図 1 6の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。

本実施の形態の燃料システムは、図 1に示す実施の形態 1の燃料電池発電システムの構成に加えて、燃料電池 1 1から図示しない負荷に交流電力を供給するための、 D C— A Cインバータ 2 7が、燃料電池 1 1から引き出す電流量を制御するための入力電流制御手段 3 0および劣化度検出部 2 2での劣化度を受けて入力電流制御手段 3 0の動作を制御するインバータ制御手段 3 1をさらに備えている。なお、入力電流制御手段 3 0およびインパータ制御手段 3 1は、本発明の発電出力制御手段の一例である。

本実施の形態 8における燃料電池発電システムは、改質器 1 2の劣化がもたらす、燃料ガス中の水素の減少に伴う、燃料電池 1 1の電圧低下に対し、燃料電池 1 1の発電出力を低減することにより、 D C— A Cィンパータ 2 7の安定動作を確保するものである。

本実施の形態 8における燃料電池発電システムの、改質器 1 2の劣化度を受けた燃料電池 1 1からの発電出力低減動作を図 1 6と図 1 7を用いて説明する。図 1 7は、燃料電池 1 1からの発電出力低減動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。

図 1 7に示すステップ S 1から S 3については、図 5で説明した実施の形態 1のステップと同様であり、また S 3 1は S 4および S' 5をひとくくりにしたステツプであり、また S 3 2〜 3 4および S 3 6は、実施の形態 5の図 1 1のフローチャートと同様である。

すなわち本実施の形態は、劣化度判定部 2 2から得られた劣化度としてのメタン転化率 φと、燃料ガス流量 Q 3とを受けて、インパータ制御手段 3 1が、現在改質器 1 2が生成可能な生成水素量 Q 4を演算する（ S 3 2 ) 。さらに、この生成水素量 Q 4に基づいて、燃料電池 1 1が発電可能な出力直流電流 A 1を演算する（S 3 3) 。

さらに、 DC— ACインパータ 2 7の運転状態を参照して、現在の交流発電量 Wnにおける出力直流電流 Anに对して、 An >A 1であるかどうかの判定を行う（S 34) 。 Αη >Α 1ならば、インパータ制御手段 3 1は、インパータ 2 7の入力電流制御手段 3 0が燃料電池 1 1から引き出す電流量を低減するように制御する（S 5 1) 。燃料電池 1 1からの電流量が低減されることにより、燃料電池 1 1が出力する DC— A Cインバータ 2 7への電力は低減されることになる。また、入力電流制御手段 30は、燃料電池 1 1の電圧に対する制御は行わないが、燃料電池 1 1の電圧は上昇する。

したがって、燃料電池 1 1については、電流値を低減させることで電力が低減させる一方、電圧は高く保たせることができる。

燃料電池 1 1は電圧が低くなつても電力を供給することができるが、負荷に交流電力として燃料電池の電力を変換して供給する DC— ACィンバータ 2 7は、所定の電圧値以下となると動作しなくなる。図 1 8に示すように、改質器 1 2の劣化による転化率 φに起因して、燃料電池 1 1が供給可能な電圧、電流はともに劣化するが、 DC— ACインバータ 2 7が動作可能な入力下限電圧 V tに対応する電流量も低下する。

燃料電池 1 1に供給される燃料ガスが一定であるとき、劣化前の場合、入力下限電圧 V tに対する電流量は大きいが、劣化後は図中点線に示す直線のように、必要な電流量を得られなくなる。燃料ガスの供給量を増加すればこれは解消されるが、改質器 1 2の劣化度が高くなり、メタン転化率が悪化している状態で燃料ガスを供給することは原料ガスおよび水蒸気の浪費を招くことになる。

そこで本実施の形態は、劣化による電流一電圧曲線の傾きの変化を利用して、電流量を低減することにより燃料電池の電圧を入力下限電圧 V t以上となるように保ち、 D C— A Cインパータ 2 7が動作可能な時間をより長く保つようにしている。燃料電池 1 1から引き出せる電力量は低減されるが、負荷に対する不足分は図示しない系統電力により供給することになる。

一方、 Α η≤Α 1ならば、インバータ制御手段 3 1は、入力電流制御手段 3 0の動作状態を現状維持する。現在の交流発電量 W nは維持される（S 3 6 ) 。

このように、本実施の形態によれば、改質器 1 2の劣化を受けても、燃料電池 1 1からの電力量を低減することにより、一定の原料ガス、水蒸気の供給条件の下でも、長期間システムを動作可能な状態におぐことが可能となる。

以上、実施の形態 5〜8において、改質器 1 2のメタン転化率の低下としての劣化度を受けて、燃料電池発電システムを良好に動作させるための構成を説明したが、これら各実施の形態は、個別に実施してもよいし、複数の構成を任意に組み合わせて実施してもよい。

実施の形態 5〜 8の全構成を備えた燃料電池発電システムを実施例として以下に示す。

(実施例）

本実施例の燃料電池発電システムは、劣化度検出部 2 2が改質器 1 2 の劣化度を検出すると、（ 1 ) 実施の形態 5の動作（2 ) 実施の形態 6 の動作（3 ) 実施の形態 7の動作（4 ) 実施の形態 8の動作をそれぞれ順番に追加して行うことにより、システムの動作の安定化を図る。さらに詳細には、最初に改質器の劣化が検出されると実施の形態 5の改質器 1 2の加熱動作を行い、以後はこの動作をバックグラウンドで行いながら、上記（2 ) 〜（4 ) の動作を平行させて実行する。

燃料電池 1 1 として通常運転時の定格出力 1 0 0 0 Wのものを用い、連続運転を試みた場合の発電時間毎の流量（L Zm i n ) 、メタン転化率（％) 、改質器 1 2の温度（°C) 、燃料電池 1 1の出力電力（W) の推移をグラフとして図 1 9に示す。

図 1 9に示すように、運転時間が 1 0 0 0時間に達したあたりから転化率の低下が見られ、 1 7 0 0時間を経過したあたりで、転化率が 8 0 %近くまで低下したため、パーナ制御手段 2 6により、改質器 1 2の反応温度を Δ Tとして 3 0 °C上昇するようパーナ 1 3の火力を上げる制御を行った。これにより転化率は回復し、改質器 1 2へ供給する水蒸気流量、原料ガス流量および燃料電池 1 1の電力出力のいずれも運転開始当初の状態を維持できている。

次に、運転時間が 3 4 0 0時間を経過したあたりで、転化率が再び 8 0 %まで低下したため、今度は流量制御弁制御手段 2 9が、改質器 1 2 への水蒸気流量を Δ Q 2として 2 L /m i nだけ上昇させるように、流量制御弁 2 8の開度を大きくする制御を行った。これにより転化率は再び初期状態に回復し、改質器 1 2へ供給する原料ガス流量および燃料電池 1 1の電力出力のいずれが運転開始当初の状態を維持できている。

さらに運転時間が 4 8 0 0時間を経過したあたりで、転化率が再び 8 0 %まで低下したため、今度は流量制御弁制御手段 2 9が、改質器 1 2 への水蒸気流量および原料ガス流量小刻みに増加させるよう、流量制御弁 1 8および 2 8の開度を断続的に大きくする制御を行った。これにより転化率の大幅な低下を抑えつつ、燃料ガスの生成量を増加させることにより、交流出力を初期状態に維持している。

さらに運転時間が 6 3 0 0時間を経過したあたりで、流量制御弁制御手段 2 9の制御上限に達したため、水蒸気流量および原料ガス流量の供給量を最大値（水蒸気 5 L /m i n、原料ガス 1 7 . 5 L /m i n ) で固定し、入力電流制御手段 3 0が制御するインバータ制御手段 3 1を制御して、燃料電池 1 1からの交流出力を減少させる。減少した電力分は外部の系統電力で補う。最終的に、転化率が 6 2 %近くを割り込むと、燃料電池 1 1の電圧は、 D C— A Cインパータ 2 7が動作可能な入力下限電圧 V t以下となり、システムの運転は開始後約 7 0 0 0時間で停止する。

(比較例）

一方、実施の形態 1と同一構成であって、実施の形態 5〜8の構成を有さない燃料電池発電システムを比較例とした。上記実施例と同様、燃料電池 1 1として通常運転時の定格出力 1 0 0 0 Wのものを用い、連続運転を試みた場合の発電時間毎の流量（L Zm i n ) 、メタン転化率（ %) 、改質器 1 2の温度（°C) 、燃料電池 1 1の出力電力（W) の推移をグラフとして図 2 0に示す。

図 2 0に示すように、運転時間が 1 0 0 0時間に達したあたりから転化率の低下が見られ、 1 7 0 0時間を経過したあたりで、.転化率が 8 0 %近くまで低下した。 1 8 0 0時間を経過したあたりで燃料電池 1 1の出力電力に低下が見られるようになり、転化率が 7 7 %近くを割り込むと、燃料電池 1 1の電圧が、 D C— A Cインパータ 2 7が動作可能な入力下限電圧 V t以下となり、システムの運転は開始後約 1 9 0 0時間で停止した。

このように、実施の形態 5〜 8を同時に実施した構成とすることにより、燃料電池発電システムの運転時間を向上させることが可能となることがわかった。なお、（1 ) 実施の形態 5の動作（2 ) 実施の形態 6の動作（3 ) 実施の形態 7の動作（4 ) 実施の形態 8の動作、の順に実行するものとしたが、運転の都合に応じて、順序を入れ替える、不要な動作を省く等してもよい。ただし、実施の形態 6の動作と 7の動作だけは、この順を保つようにすることが望ましい。なお、本発明にかかるプログラムは、上述した本発明の燃料電池発電システムの全部または一部の手段の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムであってもよい。

また、本発明は、上述した本発明の燃料電池発電システムの全部または一部の手段の全部または一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する媒体であってもよい。

なお、本発明の上記「一部の手段」とは、それらの複数の手段の内の、幾つかの手段を意味し、あるいは、一つの手段の内の、一部の機能を意味するものである。

また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータに読みとり可能な記録媒体も本発明に含まれる。

また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。

また、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。

また、本発明のデータ構造としては、データベース、データフォーマット、データテーブル、データリスト、データの種類などを含む。

また、記録媒体としては、 R OM等が含まれ、伝送媒体としては、ィンターネット等の伝送機構、光 ·電波 ·音波等が含まれる。

また、上述した本発明のコンピュータは、 C P U等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、 O S、更に周辺機器を含むものであっても良い。

なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフ

ても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。産業上の利用可能性

本発明にかかる燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法は、改質ガス温度を一定温度に制御して運転する燃料電池発電システムの改質器の劣化検出を行うことができ、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等として有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 原料と水蒸気を反応させて水素リツチな燃料ガスを生成する改質器と、

2 . 前記劣化度検出手段は、前記演算流量として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスの流量を演算する、請求の範囲第 1項記載の燃料電池発電システム。

3 . 前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段をさらに備えた、請求の範囲第 1項記載の燃料電池発電システム。

4 . 前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段をさらに備えた、請求の範囲第 1項記載の燃料電池発電システム。

5 . 前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御手段をさらに備えた、請求の範囲第 4項記載の燃料電池発電システム。

6 . 前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段をさらに備えた、請求の範囲第 1項記載の燃料電池発電システム。

7 . 前記改質器の前記劣化度と発電時間から劣化度低下速度を求め、前記燃料電池での発電が可能な前記改質器の劣化度の下限値に至るまでの期間を算出する寿命診断手段を備えた、請求の範囲第 1項記載の燃料電池発電システム。

8 . 前記劣化度検出手段は、前記改質器の前記劣化度としてメタン転化率を用いる、請求の範囲第 1項記載の燃料電池発電システム。

9 . 原料と水蒸気を反応させて水素リツチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、

前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池システムの改質器の劣化度検出方法。

1 0 . . 請求の範囲第 9項記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、

前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱工程を備えた、燃料電池発電方法。

1 1 .

請求の範囲第 9項記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、

前記劣化度検出工程検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法。

1 2 . 請求の範囲第 9項記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、

前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法。

1 3 . 請求の範囲第 9項記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、

前記劣化度検出工程が検出した化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御工程を備えた、燃料電池発電方法。

1 4 . 請求の範囲第 1項記載の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

1 5 . 請求の範囲第 3項記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

1 6 . 請求の範囲第 4項記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

1 7 . 請求の範囲第 5項記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量増加手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

1 8 . 請求の範囲第 6項記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段としてコンビユータを機能させるためのプログラム。

1 9 . 請求の範囲第 1 4から第 1 8項のいずれかに記載のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。