WO2013027411A1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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WO2013027411A1
WO2013027411A1 PCT/JP2012/005303 JP2012005303W WO2013027411A1 WO 2013027411 A1 WO2013027411 A1 WO 2013027411A1 JP 2012005303 W JP2012005303 W JP 2012005303W WO 2013027411 A1 WO2013027411 A1 WO 2013027411A1
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WO
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power generation
fuel cell
raw material
information
cell system
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PCT/JP2012/005303
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English (en)
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脇田　英延
千絵 原田
中嶋　知之
藤原　誠二
鵜飼　邦弘
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パナソニック株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04455—Concentration; Density of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system in which the composition of a power generation raw material to be supplied varies and an operation method thereof.
  • a fuel cell system with high power generation efficiency has attracted attention as a distributed power generation device that can effectively use energy.
  • Examples of the fuel cell include a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, an alkaline aqueous fuel cell, a solid polymer fuel cell (PEFC), and a solid oxide fuel cell (SOFC). .
  • the fuel cell system generates electricity using power generation materials. Specifically, the fuel cell generates power using the hydrogen-containing gas generated from the power generation raw material in the reformer.
  • the reformer is usually provided outside the fuel cell, but the solid oxide fuel cell may adopt an internal reforming method in which the reformer and the fuel cell are integrated.
  • the power generation raw material contains an organic gas containing at least carbon and hydrogen as constituent elements. Specifically, methane, natural gas, city gas, biogas, gas containing hydrocarbons exemplified by propane, butane, LPG and the like, and alcohol gas exemplified by methanol gas and the like are used as power generation raw materials.
  • These power generation materials contain impurities such as oxygen, sulfur compounds, nitrogen and the like in addition to the organic gas.
  • Oxygen is mainly included in the calorific value adjustment gas mixed with natural gas in order to make up for the shortage of calorific value when heat demand increases in winter in areas where natural gas is used as fuel.
  • This calorific value adjustment gas contains high calorific gas such as LP gas, propane and butane and air. This calorie adjustment is called peak shaving. (For example, see Patent Document 1)
  • the oxygen undergoes a combustion reaction with the hydrogen gas generated in the reformer, and the temperature of the reformer rises.
  • sulfur compound examples include hydrogen sulfide, carbonyl sulfide (COS), tertiary butyl mercaptan (TBM), dimethyl sulfide (DMS), and tetrahydrothiophene (THT).
  • the fuel cell system usually has a desulfurizer (for example, a hydrodesulfurizer) provided upstream of the reformer. Removing sulfur compounds.
  • Nitrogen is contained in natural gas, but reacts with hydrogen gas generated in the reformer to generate ammonia. Since ammonia poisons the fuel cell, a technique for removing ammonia before supplying it to the fuel cell has been proposed.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can appropriately cope with fluctuations in the composition of the power generation raw material.
  • a fuel cell system includes a fuel cell unit that generates power using a power generation raw material, and an information acquisition unit that acquires information on the composition of the power generation raw material from an external information provider. And a controller that determines whether to permit activation based on information on the composition of the power generation raw material obtained from the information provider.
  • the fuel cell system operating method includes a step of acquiring information on the composition of the power generation raw material from an external information provider, and a step of determining whether or not to start based on information on the power generation raw material acquired from the external information provider With.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 is a flowchart showing an example of the start-up operation of the fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of an operation after starting of the fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a fuel cell system according to a second embodiment.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of an operation related to hydrodesulfurization of the fuel cell system according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 3.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a fuel cell system according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an example of a hydrogen generation operation of the fuel cell system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a fuel cell system according to a fifth embodiment.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an example of a hydrogen generation operation of the fuel cell system according to the fifth embodiment.
  • the fuel cell system of Embodiment 1 includes a fuel cell unit that generates power using a power generation raw material, an information acquisition unit that acquires information on the composition of the power generation raw material from an external information provider, and a power generation raw material acquired from the information provider And a controller for determining whether or not to start the system based on information on the composition of
  • the fuel cell system operation method according to the first embodiment is activated based on the step of acquiring information on the composition of the power generation raw material from an external information provider, and the information on the power generation raw material acquired from the external information provider. Determining whether to permit or not.
  • the fuel cell system can appropriately cope with fluctuations in the composition of the power generation raw material.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to the first embodiment.
  • the fuel cell system 100 includes a fuel cell unit 1, an information acquisition unit 2, and a controller 3.
  • the fuel cell unit 1 generates power using the power generation raw material. Specifically, a reformer (not shown) and a fuel cell (not shown) are provided.
  • the reformer generates hydrogen-containing gas from the power generation raw material through a reforming reaction.
  • the reformer may be of any type as long as it is a reforming reaction using a power generation raw material, and examples thereof include a steam reforming reaction, an autothermal reaction, and a partial oxidation reaction.
  • the power generation raw material is an organic gas having at least carbon and hydrogen as constituent elements, and examples thereof include natural gas, biogas, gas containing hydrocarbons such as LPG, LNG and city gas, and alcohol gas such as methanol gas. Equipment required for each reforming reaction is appropriately provided.
  • the reforming reaction is a steam reforming reaction
  • a combustor that heats the reformer an evaporator that generates steam, and a water supplier that supplies water to the evaporator are provided.
  • the fuel cell system 100 is further provided with an air supply device (not shown) for supplying air to the reformer.
  • the fuel cell generates power using the hydrogen-containing gas generated by the reformer.
  • the fuel cell may be of any type, and examples include a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, and a phosphoric acid fuel cell.
  • the reformer and the fuel cell are built in one container.
  • the information acquisition unit 2 acquires information on the composition of the power generation raw material from the information provider 5.
  • the information provider 5 includes a storage unit (not shown). Information relating to the composition of the power generation raw material is held in the storage unit. Examples of the storage unit include a memory and a hard disk.
  • the information provider 5 may be in any form as long as it holds information on the composition of the power generation raw material. For example, an information management company, a gas dealer, or the like that manages the information is exemplified.
  • Any method may be used for the information acquisition unit 2 to acquire the information from the information provider 5.
  • a method of receiving information on the power generation raw material transmitted from the information provider 5 or a method of accessing the information provider 5 and acquiring information from the information provider 5 may be used.
  • the information on the composition of the power generation material includes, for example, information indicating the concentration of the predetermined component in the power generation material, information indicating the concentration state of the predetermined component of the power generation material, and information indicating the composition state of the power generation material. It is done.
  • the predetermined component includes at least one of organic gas and impurities.
  • the impurity is a component other than the organic gas in the power generation raw material, and includes, for example, at least one of oxygen, nitrogen, and a sulfur compound.
  • the organic gas contained in the power generation raw material includes a plurality of components (for example, three components of methane, propane, and butane)
  • the concentration (state) of the predetermined component is at least one of the plurality of components. Any concentration (state) may be used.
  • the concentration state is exemplified by the relative height of the concentration, at least one of normal concentration and abnormal concentration.
  • composition state of the power generation raw material is exemplified by at least one of normal and abnormal power generation composition.
  • the controller 3 controls the operation of the fuel cell system 100 based on the information acquired through the information acquisition unit 2.
  • the controller 3 has only to have a control function, and includes an arithmetic processing unit (not shown) and a storage unit (not shown) that stores a control program. Examples of the arithmetic processing unit include an MPU and a CPU. An example of the storage unit is a memory.
  • the controller may be composed of a single controller that performs centralized control, or may be composed of a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other.
  • control of the operation of the fuel cell system 100 based on the information acquired through the information acquisition unit 2 may be any control as long as the control of the operation appropriately corresponds to the information regarding the composition of the power generation raw material. For example, if the controller 3 identifies an abnormality in the composition of the power generation raw material from the above information, the controller 3 does not allow the fuel cell system 100 to start. Further, the controller 3 may stop the operation of the fuel cell system when an abnormality in the composition of the power generation raw material is specified from the above information. [Operation Example 1] Next, an example of the operation of the fuel cell system 100 configured as described above will be described with reference to FIG.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an example of the start-up operation of the fuel cell system 100 of the present embodiment.
  • the information acquisition unit 2 acquires information on the composition of the power generation raw material from the information provider 5 (step S1).
  • the controller 3 determines whether or not the composition of the power generation raw material is abnormal from the acquired information (step S2).
  • Any method may be used as a method for determining whether or not there is an abnormality. For example, when the information is the concentration of a predetermined component in the power generation material, the concentration of the predetermined component in the power generation material is abnormal. You may determine by whether it is more than the threshold value determined.
  • the information is information indicating the concentration state of the predetermined component of the power generation raw material
  • it may be determined from this information whether it is abnormal. More specifically, for example, when the information is information indicating a concentration abnormality of a predetermined component, when the information acquisition unit 2 acquires information indicating a concentration abnormality, the information is determined to be abnormal and indicates the concentration abnormality. It may be determined that there is no abnormality when cannot be obtained.
  • the information indicating the concentration abnormality of the predetermined component for example, the information indicating the oxygen concentration abnormality or the information indicating the nitrogen concentration abnormality, the information indicating that the power generation material is peak-shaved, Information indicating that the concentration of biogas is abnormally high is exemplified.
  • the information regarding the production origin of a power generation raw material is illustrated as information which shows the density
  • the information on the power generation raw material production area may include information on the ratio of the power generation raw materials in each production area included in the mixture.
  • the information when the information is information indicating the composition state of the power generation raw material, it may be determined whether or not the information is abnormal. More specifically, for example, when the information is information indicating an abnormality in the composition of the power generation raw material, when the information acquisition unit 2 acquires information indicating an abnormality in the composition, the information is determined to be abnormal, and the composition is abnormal. It may be determined that there is no abnormality when the information indicating is not obtained.
  • information indicating an abnormality in the composition of the power generation raw material for example, information indicating that the power generation raw material is peak-shaved as information indicating that the composition is different from the composition of the normal power generation raw material, The information which shows that it is mixed is mentioned.
  • step S2 If the controller 3 identifies an abnormality in the composition of the power generation raw material (Yes in step S2), the controller 3 does not allow the fuel cell system 100 to start (step S4). Therefore, activation of the fuel cell system 100 is not started.
  • the controller 3 starts to start the fuel cell system 100 (step S3).
  • the above flow is executed when a start-up request for the fuel cell system 100 is generated.
  • the activation request includes, for example, an activation instruction input by an operator via a remote control, an activation instruction signal when a predetermined scheduled activation time is reached, and the like.
  • step S1 the information acquisition unit 2 acquires information on the composition of the power generation raw material from the information provider 5 when the information acquisition unit 2 starts up. However, the information acquisition unit 2 periodically acquires the information from the information provider 5. It may be configured to. In such a case, in step S ⁇ b> 2, the controller 3 determines whether or not the information acquisition unit 2 is abnormal from the information acquired most recently from the information provider 5. [Operation example 2] Next, an example of the operation of the fuel cell system 100 configured as described above will be described with reference to FIG.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of the operation after the start-up of the fuel cell system 100 of the present embodiment.
  • the information acquisition unit 2 acquires information on the composition of the power generation raw material from the information provider 5 (step S1).
  • the timing which acquires the said information through the information acquisition device 2 is set suitably.
  • the controller 3 determines whether or not the composition of the power generation raw material is abnormal from the acquired information (step S2). In addition, since the determination method of whether it is abnormal is the same as that of the operation example 1, the description is abbreviate
  • step S6 when the controller 3 identifies an abnormality in the composition of the power generation raw material (Yes in step S2), the controller 3 stops the operation of the fuel cell system 100 (step S6).
  • step S5 the controller 3 continues the operation of the fuel cell system 100.
  • Example 1 Example 1 of the fuel cell system 100 of Embodiment 1 will be described.
  • the fuel cell system 100 of this embodiment includes a hydrodesulfurizer that is not shown in FIG.
  • the hydrodesulfurizer removes sulfur compounds in power generation raw materials using a hydrogenation reaction.
  • natural gas was mixed with 19 vol% air, and the total supply amount of natural gas and air was maintained at 4.2 NL / min (natural gas 3.4 NL / min, air 0.8 NL / min).
  • oxygen in the power generation raw material causes a combustion reaction with the recycled hydrogen, and the temperature of the hydrodesulfurizer rises by about 50 ° C.
  • the hydrodesulfurizer deviates from the appropriate temperature and the amount of hydrogen used for the hydrogenation reaction of the sulfur compound decreases, so the concentration of the sulfur compound in the gas after passing through the hydrodesulfurizer increases to 20 ppb. did.
  • the controller 3 does not allow the fuel cell system 100 to start or stops the operation. By doing so, deterioration of the fuel cell system 100 can be suppressed.
  • Example 2 Example 2 of the fuel cell system 100 of Embodiment 1 will be described.
  • Natural gas supplied from Russia has few sulfur compounds, but gas produced in Germany has many sulfur compounds such as COS. For this reason, if the production source of the power generation raw material supplied to the fuel cell system 100 is switched from Russia to Germany due to price, political situation, etc., or the ratio of the production source of power generation raw material increases the ratio of German natural gas, The composition of the sulfur compound varies.
  • the fuel cell system 100 of this example is the same as that of Example 1 except that an adsorptive desulfurizer filled with a zeolite desulfurizing agent is provided instead of the hydrodesulfurizer.
  • natural gas as a power generation raw material of CH 4 88.7 vol%, C 2 H 6 6.8 vol%, C 3 H 8 3.1 vol%, and nC 4 H 10 1.2 vol% is used.
  • a gas of 4.2 NL / min and water of 11.0 g / min were supplied to perform a hydrogen generation operation and a power generation operation.
  • the power generation raw material contained sulfur compounds of 2 ppm of TBM and 3 ppm of DMS, but the concentration of the sulfur compound contained in the power generation raw material after passing through the adsorptive desulfurizer was 10 ppb or less.
  • the concentration of the sulfur compound in the gas after passing through the adsorptive desulfurizer was 20 ppb, of which the COS concentration was 20 ppb.
  • the said Example illustrated about natural gas, it is not limited to this.
  • the composition of sulfur compounds in LP gas varies depending on the production area.
  • the fuel cell unit includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas from the power generation raw material by a reforming reaction, a hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds in the power generation raw material, A recycle channel for supplying a part of the hydrogen-containing gas generated in the reactor to the hydrodesulfurizer, a flow rate regulator for adjusting the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing in the recycle channel, and a reformer A fuel cell that generates electricity using a hydrogen-containing gas, and the controller determines the increase in the concentration of the sulfur compound in the power generation raw material from the above information, the flow rate so that the amount of hydrogen-containing gas flowing through the recycle channel increases. Control the regulator.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2.
  • the fuel cell system 100 includes a hydrodesulfurizer 6, a reformer 7, a fuel cell 8, a recycle channel 10, and a flow rate regulator 11.
  • Other configurations having the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the hydrodesulfurizer 6 removes sulfur compounds in the power generation raw material.
  • the hydrodesulfurizer 6 is configured by filling a vessel with a desulfurization agent for hydrodesulfurization.
  • the desulfurization agent for hydrodesulfurization includes, for example, a CoMo catalyst that converts a sulfur compound in a power generation raw material into hydrogen sulfide, and a ZnO catalyst and CuZn that are provided downstream thereof and are sulfur adsorbents that adsorb and remove hydrogen sulfide. At least one of the system catalysts is composed of one.
  • the desulfurization agent for hydrodesulfurization is not limited to this example, and may be composed of only a CuZn-based catalyst having both a function of converting a sulfur compound into hydrogen sulfide and a function of adsorbing hydrogen sulfide.
  • the reformer 7 generates a hydrogen-containing gas from the power generation raw material by a reforming reaction. Since the detailed description of the reformer 7 is the same as that of the first embodiment, a description thereof will be omitted.
  • a CO reducer for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas generated by the reformer 7 may be provided downstream of the reformer 7.
  • the CO reducer includes at least one of a transformer that reduces carbon monoxide by a shift reaction and a CO remover that reduces carbon monoxide by at least one of an oxidation reaction and a methanation reaction.
  • the fuel cell 8 generates power using the hydrogen-containing gas generated by the reformer 7. Since the detailed description of the fuel cell 8 is the same as that of the first embodiment, it will be omitted.
  • the recycle flow path 10 is a flow path for supplying a part of the hydrogen-containing gas generated in the reformer to the hydrodesulfurizer.
  • the upstream end of the recycle channel 10 may be connected to any location as long as the hydrogen-containing gas sent from the reformer 7 flows.
  • the upstream end of the recycle channel 10 is a flow between the reformer 7 and the CO reducer. It may be connected to a path, may be connected to a CO reducer, or may be connected downstream of the CO reducer.
  • the recycle flow path 10 You may comprise so that the upstream end of may be connected to the flow path between a transformer and a CO remover. Further, the upstream end of the recycle channel 10 may be connected to the channel downstream of the fuel cell 8.
  • the flow rate adjuster 11 adjusts the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing through the recycle channel 10.
  • the flow regulator 11 may have any configuration as long as the flow path of the hydrogen-containing gas can be adjusted. For example, a flow regulating valve or the like is used.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the operation relating to hydrodesulfurization of the fuel cell system 100 of the present embodiment. This operation is executed when starting the fuel cell system 100 and / or at least one of the operations after starting the start-up.
  • the information acquisition unit 2 acquires information on the composition of the power generation raw material from the information provider 5 (step S1). In addition, the timing which acquires the said information through the information acquisition device 2 is set suitably.
  • Controller 3 determines whether or not the concentration of the sulfur compound has increased from the acquired information (step S7).
  • any method may be sufficient as the determination method of whether the density
  • the concentration of the sulfur compound specified from the information acquired at the present time is compared with the concentration of the sulfur compound specified from the information acquired previously, and increased. It may be determined whether or not.
  • the sulfur specified from the information acquired at the present time and the relative height of the sulfur compound specified from the information acquired at the present time may be compared to determine whether it has increased.
  • the relative height of the concentration of sulfur compounds is expressed as a level.
  • level 1 ⁇ level 2 ⁇ level 3 is represented in order of increasing concentration of sulfur compounds.
  • the level specified from the acquired information is compared to determine whether or not the concentration has increased.
  • concentration of a sulfur compound may be information which shows this indirectly.
  • it may be information relating to the production area of the power generation material. This is because, for example, natural gas and LP gas have different sulfur compound concentrations depending on their production areas, so it is possible to determine whether or not the concentration of sulfur compounds has increased from production area information.
  • the power generation raw material is a mixture of power generation raw materials from a plurality of production areas
  • the information on the power generation raw material production area may include information on the ratio of the power generation raw materials in each production area included in the mixture. .
  • information that indirectly indicates the relative height of the concentration of the sulfur compound information that indicates the concentration of biogas contained in the power generation raw material may be used.
  • the information includes information indicating the direction of variation in the concentration of the sulfur compound, it may be determined whether or not the concentration of the sulfur compound has increased from the acquired information.
  • step S7 when the controller 3 specifies that the concentration of the sulfur compound in the power generation raw material has increased (Yes in step S7), the controller 3 seems to increase the amount of the hydrogen-containing gas flowing through the recycle channel 10.
  • the flow controller 11 is controlled (step S9). Specifically, the controller 3 controls the opening degree to be increased when the flow regulator 11 is a flow regulating valve.
  • the controller 3 maintains the control of the flow rate regulator 11 (step S8). Specifically, the controller 3 performs control so that the opening degree is maintained when the flow regulator 11 is a flow regulating valve.
  • the fuel cell unit includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas from the power generation raw material by a reforming reaction, a desulfurizer that removes sulfur compounds in the power generation raw material, and a reformer.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to the third embodiment.
  • the fuel cell system 100 includes a desulfurizer 15 and a power generation amount regulator 16.
  • the other components having the same reference numerals as those in FIG. 4 are the same as those in the second embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the desulfurizer 15 removes sulfur compounds in the power generation raw material.
  • the desulfurizer 15 at least one of an adsorption desulfurizer that removes sulfur compounds by physical adsorption and a hydrodesulfurizer is used.
  • the power generation amount adjuster 16 adjusts the power generation amount of the fuel cell.
  • the power generation amount adjuster 16 may be any as long as it can adjust the power generation amount of the fuel cell.
  • a DC-DC converter, a DC-AC converter, or the like is used.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an example of the power generation operation of the fuel cell system 100 of the present embodiment.
  • the information acquisition unit 2 acquires information on the composition of the power generation raw material from the information provider 5 (step S1). In addition, the timing which acquires the said information through the information acquisition device 2 is set suitably.
  • Controller 3 determines whether or not the concentration of the sulfur compound has increased from the acquired information (step S7).
  • step S7 when the controller 3 specifies that the concentration of the sulfur compound in the power generation raw material has increased (Yes in step S7), the controller 3 adjusts the power generation amount regulator 16 so that the power generation amount of the fuel cell 8 decreases. Is controlled (step S11).
  • the controller 3 controls a raw material supplier (not shown) as the power generation amount decreases, and decreases the supply amount of the power generation raw material supplied to the reformer 7.
  • the controller 3 maintains control of the power generation amount of the fuel cell 8 (step S10).
  • the fuel cell unit includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas from a power generation raw material by a reforming reaction, a raw material supply device that supplies the power generation raw material to the reformer, and a reformer And a fuel cell that generates power using the hydrogen-containing gas generated by the reformer, and the controller identifies the power generation when the amount of carbon atoms in the power generation raw material is identified from the above information
  • the raw material supply device and the steam supply device are controlled so that the ratio of the supply amount of water vapor to the reformer with respect to the supply amount of the power generation raw material to the reformer changes according to the amount of carbon atoms in the raw material.
  • FIG. 8 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to the fourth embodiment.
  • the fuel cell system 100 includes a raw material supplier 12 and a water vapor supplier 13.
  • the other components having the same reference numerals as those in FIG. 4 are the same as those in the second embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the raw material supplier 12 supplies the power generation raw material to the reformer 7.
  • the raw material supplier 12 is constituted by, for example, a booster and a flow rate adjusting valve, but may be constituted by any one of these.
  • the power generation raw material is supplied from a power generation raw material supply source.
  • the power generation material source has a predetermined supply pressure, and examples thereof include a power generation material cylinder and a power generation material infrastructure.
  • the steam supply unit 13 supplies steam to the reformer 7.
  • the water vapor supply device 13 includes, for example, a water supply device, an evaporator that evaporates water supplied from the water supply device, and a heater that heats the evaporator.
  • the water supplier adjusts the flow rate of water supplied to the evaporator, and is configured by, for example, at least one of a pump and a flow rate adjusting valve. For example, a combustor or an electric heater is used as the heater.
  • FIG. 9 is a flowchart showing an example of the hydrogen generation operation of the fuel cell system 100 of the present embodiment.
  • the reformer 7 generates a hydrogen-containing gas, and during the hydrogen generation operation, the information acquisition unit 2 acquires information on the composition of the power generation raw material from the information provider 5 (step S1).
  • the amount of carbon atoms in the power generation raw material is specified based on the acquired information (step S12). Any method may be used as a method for specifying the amount of carbon atoms in the power generation raw material. For example, when the organic gas contained in the power generation raw material includes a plurality of components and the information on the composition of the power generation raw material includes information indicating the concentration of each component, the controller 3 determines the power generation raw material from the molecular formula and concentration of each component. Calculate the amount of carbon atoms contained per unit amount. And the controller 3 may specify this calculated value as the amount of carbon atoms contained in the power generation material.
  • the unit of the unit amount and the carbon atom amount is arbitrary, and for example, weight (g), volume (m 3 ), mole (mol), etc. are used.
  • the controller 3 may specify the carbon atom amount in the power generation raw material from the acquired information.
  • the controller 3 changes the ratio of the supply amount of steam to the reformer with respect to the supply amount of power generation material to the reformer in accordance with the specified amount of carbon atoms in the power generation material.
  • the feeder is controlled (step S13).
  • control is performed so that the fluctuation of S / C is suppressed with respect to the fluctuation of the amount of carbon atoms in the power generation raw material.
  • the raw material supply device and the steam supply device are controlled so that the ratio of the supply amount of steam to the reformer with respect to the supply amount of power generation raw material to the reformer increases.
  • the raw material supply device and the water vapor supply device are controlled so that the ratio of the supply amount of steam to the reformer with respect to the supply amount of power generation raw material to the reformer becomes small.
  • the reformer 7 was filled with a Ru catalyst as a reforming catalyst. Also, a reformer and a CO remover are provided downstream of the reformer 7, and the shifter is filled with a CuZn-based catalyst as a shift catalyst, and the CO remover is filled with a Ru-based catalyst as a CO removal catalyst. did.
  • the fuel cell system 100 includes CH 4 88.9 vol%, C 2 H 6 6.8 vol%, and C 3 H 8.
  • the hydrogen generation operation and the power generation operation were performed by supplying the power generation raw material 4.2 NL / min and water 11.0 g / min of 3.1 vol% and nC 4 H 10 1.2 vol%.
  • S / C 2.8
  • the CO concentration in the hydrogen-containing gas that passed through the CO remover was measured to be 5 ppm.
  • C 3 H 8 is increased to 8.1 vol%, and instead CH 4 is decreased to 83.9 vol%, the power generation raw material is 4.2 NL / min, and water is 11.0 g / min.
  • the hydrogen generation operation and the power generation operation were performed.
  • S / C 2.6
  • the CO concentration in the hydrogen-containing gas that passed through the CO remover was measured and found to be 20 ppm. From this, when the amount of carbon atoms in the power generation raw material is increased, the S / C is optimal unless the ratio of the amount of steam supplied to the reformer 7 to the amount of raw material supplied to the reformer 7 is changed. It can be seen that the CO concentration increases from the value.
  • the fuel cell system 100 was supplied with 4.2 NL / min of the power generation raw material after the above composition change and 12.0 g / min of water, and a hydrogen generation operation and a power generation operation were performed.
  • the CO concentration in the hydrogen-containing gas after passing through the CO remover was measured, it was 6 ppm.
  • the fuel cell system according to the fifth embodiment includes a display for displaying that the power generation material is being peak-shaved in the fuel cell system according to any one of the first to fourth embodiments.
  • FIG. 10 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to the fifth embodiment.
  • the fuel cell system 100 includes a display 17.
  • Other configurations having the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the display 17 displays peak shaving information.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an example of the hydrogen generation operation of the fuel cell system 100 of the present embodiment.
  • the information acquisition unit 2 acquires information on the composition of the power generation raw material from the information provider 5 (step S1).
  • the controller 3 determines whether or not the power generation material is during peak shaving (step S14).
  • step S14 If the controller 3 specifies that the power generation raw material is during peak shaving (Yes in step S14), the controller 3 does not allow the fuel cell system 100 to start (step S4). Subsequently, a display to the effect that the power generation raw material is during peak shaving is displayed on the display (step S15). Note that the display unit 17 may simply display that the power generation material is not activated by peak shaving without displaying that the power generation raw material is being peak shaved.
  • the controller 3 starts to start the fuel cell system 100 (step S3).
  • the display 17 is configured to display that peak shaving is being performed, but instead of or in addition to this, there is an abnormality in the composition of the power generation material other than peak shaving. May be configured to display.

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Abstract

燃料電池システム（１００）は、発電原料を用いて発電する燃料電池ユニット（１）と、発電原料の組成に関する情報を外部の情報提供体（５）より取得する情報取得器（２）と、情報提供体（５）から取得した発電原料の組成に関する情報に基づいて起動の許否を決定する制御器（３）とを備える。

Description

燃料電池システム及びその運転方法
　本発明は、供給される発電原料の組成が変動する燃料電池システムと、その運転方法に関する。
　エネルギーを有効に利用することが可能である分散型の発電装置として、発電効率が高い燃料電池システムが注目されている。
　燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、及び固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等が用いられる。
　燃料電池システムは、発電原料を用いて発電する。具体的には、改質器において発電原料から生成された水素含有ガスを用いて燃料電池が、発電する。改質器は、通常、上記燃料電池の外部に設けられるが、固体酸化物燃料電池は、改質器と燃料電池とが一体化された内部改質方式を採用しても構わない。発電原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機ガスを含む。具体的には、発電原料として、メタン、天然ガス、都市ガス、バイオガス、プロパン、ブタン、ＬＰＧ等に例示される炭化水素を含むガス、及びメタノールガス等に例示されるアルコールガスが用いられる。
　これらの発電原料には、上記有機ガス以外にも酸素、硫黄化合物、及び窒素等に例示されるような不純物が含まれている。
　酸素は、主に、天然ガスが燃料として用いられる地域において、冬季に熱需要が増加したときに、熱量の不足分を補うために天然ガスに混合される熱量調整ガスに含まれる。この熱量調整ガスは、ＬＰガス、プロパン、ブタンなどの高熱量ガスと空気とを含む。この熱量調整は、ピークシェービングと呼ばれる。（例えば、特許文献１参照）
なお、上記酸素は、改質器で生成された水素ガスと燃焼反応し、改質器の温度が上昇する。
　硫黄化合物は、硫化水素、硫化カルボニル（ＣＯＳ）、ターシャリーブチルメルカプタン（ＴＢＭ）、ジメチルスルフィド（ＤＭＳ）、及びテトラヒドロチオフェン（ＴＨＴ）等が例示される。これらの硫黄化合物により、上記改質器内に設けられた改質触媒は被毒するので、通常、燃料電池システムは、改質器の上流に脱硫器（例えば、水添脱硫器）を設けて、硫黄化合物を除去する。（例えば、特許文献２参照）
　窒素は、天然ガスに含まれるが、改質器で生成した水素ガスと反応し、アンモニアが生成される。アンモニアは、燃料電池を被毒するため、燃料電池に供給する前にアンモニアを除去する技術が提案されている。（例えば、特許文献３参照）
　一方、資源の安定供給と、再生資源の利用拡大をはかるため、様々な国において、バイオガスの製造が政府主導で進められている。例えばドイツでは、２０３０年までに天然ガス消費量のうちのバイオガス比率を１０％まで上げるとの目標を掲げている。しかし、天然ガスの需要は夏季よりも冬季の方が圧倒的に多く、冬季にバイオガスの比率を１０％にまで上げることは困難である。従って、相対的に夏季には燃料電池システムに供給される発電原料中のバイオガスの比率が１０％を超える濃度になることも想定される。
特開２００１－８０９０７号公報 特開２００７－５５８６８号公報 特開２００３－３１２４７号公報
　しかし、上記特許文献１－３に記載の燃料電池システムは、発電原料に含まれる上記不純物の濃度の変動に対する対応について検討されていない。
　これは、上記不純物に限らず、発電原料中の有機ガスの濃度の変動に対する対応についても同様に、従来の燃料電池システムは、検討されていない。つまり、発電原料の組成の変動に対する適切な対応について従来の燃料電池システムは、検討されていない。
　本発明は、上記従来の課題を解決するもので、発電原料の組成の変動に適切に対応し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料電池システムは、発電原料を用いて発電する燃料電池ユニットと、発電原料の組成に関する情報を外部の情報提供体より取得する情報取得器と、前記情報提供体から取得した発電原料の組成に関する情報に基づいて起動の許否を決定する制御器とを備える。
　また、燃料電池システムの運転方法は、発電原料の組成に関する情報を外部の情報提供体より取得するステップと、外部の情報提供体から取得した発電原料に関する情報に基づいて起動の許否を決定するステップとを備える。
　本発明の一態様に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、発電原料の組成の変動に適切に対応し得る。
実施の形態１の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図 実施の形態１の燃料電池システムの起動開始の動作の一例を示すフロー図 実施の形態１の燃料電池システムの起動開始後の動作の一例を示すフロー図 実施の形態２の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図 実施の形態２の燃料電池システムの水添脱硫に関する動作の一例を示すフロー図 実施の形態３の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図 実施の形態３の燃料電池システムの発電運転の一例を示すフロー図 実施の形態４の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図 実施の形態４の燃料電池システムの水素生成運転の一例を示すフロー図 実施の形態５の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図 実施の形態５の燃料電池システムの水素生成運転の一例を示すフロー図
　以下、各実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　（実施の形態１）
　実施の形態１の燃料電池システムは、発電原料を用いて発電する燃料電池ユニットと、発電原料の組成に関する情報を外部の情報提供体より取得する情報取得器と、情報提供体から取得した発電原料の組成に関する情報に基づいて起動の許否を決定する制御器とを備える。
　また、実施の形態１の燃料電池システムの運転方法は、発電原料の組成に関する情報を外部の情報提供体より取得するステップと、外部の情報提供体から取得した発電原料に関する情報に基づいて起動の許否を決定するステップとを備える。
　かかる構成により、燃料電池システムは、発電原料の組成の変動に適切に対応し得る。
　次に、実施の形態１における燃料電池システムの詳細について説明する。
　［構成］
　図１は実施の形態１の燃料電池システムの概略構成の一例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、燃料電池ユニット１と、情報取得器２と、制御器３とを備える。
　燃料電池ユニット１は、発電原料を用いて発電する。具体的には、改質器（図示せず）及び燃料電池（図示せず）を備える。
　改質器は、発電原料から改質反応により水素含有ガスを生成する。改質器は、発電原料を用いる改質反応であれば、いずれの種類であっても良く、水蒸気改質反応、オートサーマル反応、及び部分酸化反応等が例示される。発電原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機ガスであり、天然ガス、バイオガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ、都市ガス等の炭化水素を含むガス、及びメタノールガス等のアルコールガスが例示される。各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、燃料電池システム１００には、さらに、改質器に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられる。
　燃料電池は、改質器で生成された水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池としては、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質器と燃料電池とが１つの容器内に内蔵されるよう構成される。
　情報取得器２は、発電原料の組成に関する情報を情報提供体５より取得する。情報提供体５は、記憶部（図示せず）を備える。記憶部には、発電原料の組成に関する情報が保持されている。記憶部は、メモリー、ハードディスク等が例示される。情報提供体５は、発電原料の組成に関する情報を保持していれば、いずれの形態であってもよいが、例えば、上記情報を管理する情報管理業者、ガス販売業者等が例示される。
　情報取得器２が、情報提供体５より、上記情報を取得する方法はいずれの方法であってもよい。例えば、情報提供体５から発信された発電原料に関する情報を受信する方法であってもよいし、情報提供体５にアクセスして、情報提供体５より情報を取得する方法であってもよい。
　ここで、発電原料の組成に関する情報には、例えば、発電原料中の所定成分の濃度を示す情報、発電原料の所定成分の濃度状態を示す情報、及び発電原料の組成の状態を示す情報が挙げられる。
　上記所定成分は、有機ガス及び不純物の少なくともいずれか一方を含む。不純物は、発電原料中の有機ガス以外の成分であり、例えば、酸素、窒素、及び硫黄化合物の少なくともいずれか一方を含む。なお、発電原料中に含まれる有機ガスが複数の成分（例えば、メタン、プロパン、及びブタンの３成分）を含む場合、所定成分の濃度（状態）は、複数の成分のうちの少なくとも１成分の濃度（状態）であればよい。
　濃度状態は、濃度の相対的な高さ、濃度が正常及び濃度が異常の少なくともいずれか一方が例示される。
　発電原料の組成の状態は、発電原料の組成が正常及び異常の少なくともいずれか一方が例示される。
　制御器３は、情報取得器２を通じて取得した情報に基づき燃料電池システム１００の運転を制御する。制御器３は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
　ここで、情報取得器２を通じて取得した情報に基づく燃料電池システム１００の運転の制御としては、発電原料の組成に関する情報に適切に応じた運転の制御であれば、如何なる制御であってもよい。例えば、制御器３は、上記情報から発電原料の組成の異常を特定すると、燃料電池システム１００の起動を許可しない。また、制御器３は、上記情報から発電原料の組成の異常を特定すると、前記燃料電池システムの運転を停止してもよい。
［動作例１］
　次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の運転の一例について、図２を用いて説明する。
　図２は、本実施の形態の燃料電池システム１００の起動開始の動作の一例を示すフロー図である。燃料電池システム１００の起動に際して、情報取得器２は、情報提供体５より発電原料の組成に関する情報を取得する（ステップＳ１）。制御器３は、取得した情報から発電原料の組成が異常であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
　異常であるか否かの判定方法は、いずれの方法であってもよいが、例えば、上記情報が、発電原料中の所定成分の濃度であるとき、発電原料中の所定成分の濃度が異常と判定される閾値以上であるか否かによって判定してもよい。
　上記情報が、発電原料の所定成分の濃度状態を示す情報であるとき、この情報から異常であるか否かを判定してもよい。より具体的には、例えば、上記情報が、所定成分の濃度異常を示す情報であるとき、情報取得器２が濃度異常を示す情報を取得したときは、異常と判定し、濃度異常を示す情報が得られないときに異常でないと判定してもよい。ここで、所定成分の濃度異常を示す情報としては、例えば、酸素の濃度異常を示す情報、または窒素の濃度異常を示す情報として、発電原料がピークシェービングされていることを示す情報、発電原料中のバイオガスの濃度が異常に高いことを示す情報等が例示される。また、硫黄化合物の濃度異常を示す情報として、発電原料の産地に関する情報が例示される。ここで、発電原料が複数の産地からの発電原料の混合物であるとき、発電原料の産地に関する情報には、上記混合物に含まれる各産地の発電原料の比率に関する情報が含まれてもよい。
　また、上記情報が、発電原料の組成の状態を示す情報であるとき、この情報から異常であるか否かを判定してもよい。より具体的には、例えば、上記情報が、発電原料の組成が異常を示す情報であるとき、情報取得器２が組成の異常を示す情報を取得したときは、異常と判定し、組成の異常を示す情報が得られないときに異常でないと判定してもよい。ここで、発電原料の組成の異常を示す情報としては、例えば、通常の発電原料の組成と異なることを示す情報として、発電原料がピークシェービングされていることを示す情報、発電原料にバイオガスが混入されていることを示す情報が挙げられる。
　制御器３が、発電原料の組成の異常を特定すると（ステップＳ２でＹｅｓ）、制御器３は、燃料電池システム１００の起動を許可しない（ステップＳ４）。従って、燃料電池システム１００の起動は開始されない。
　一方、制御器３が、発電原料の組成の異常を特定しないと、制御器３は、燃料電池システム１００の起動が開始される（ステップＳ３）。なお、上記フローは、燃料電池システム１００の起動要求が発生することで、実行される。ここで、起動要求には、例えば、操作者によるリモコンを介した起動指示入力、予め設定された起動予定時刻に到達したときの起動指示信号等が例示される。
　また、上記ステップＳ１では、情報取得器２が起動に際して、情報提供体５より発電原料の組成に関する情報を取得しているが、情報取得器２が定期的に情報提供体５より上記情報を取得するよう構成されていてもよい。また、このような場合、ステップＳ２において、制御器３は、情報取得器２が情報提供体５より直近に取得した情報から異常であるか否かを判定する。
［動作例２］
　次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の運転の一例について、図３を用いて説明する。
　図３は、本実施の形態の燃料電池システム１００の起動開始後の動作の一例を示すフロー図である。燃料電池システム１００の起動開始後の動作において、情報取得器２は、情報提供体５より発電原料の組成に関する情報を取得する（ステップＳ１）。なお、情報取得器２を通じて上記情報を取得するタイミングは、適宜設定される。
　制御器３は、取得した情報から発電原料の組成が異常であるか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、異常であるか否かの判定方法は、動作例１の同様であるので、その説明を省略する。
　次に、制御器３が、発電原料の組成の異常を特定すると（ステップＳ２でＹｅｓ）、制御器３は、燃料電池システム１００の運転を停止する（ステップＳ６）。
　一方、制御器３が、原料ガスの組成の異常を特定しないと、制御器３は、燃料電池システム１００の運転が継続される（ステップＳ５）。
［実施例１］
　実施の形態１の燃料電池システム１００の実施例１について説明する。
　本実施例の燃料電池システム１００は、図１に図示されてない、水添脱硫器を備える。水添脱硫器は、発電原料中の硫黄化合物を水添反応を利用して除去する。
　発電原料への空気混入の影響を調べるため、以下の実験を行った。本実施例の燃料電池システム１００に、ＣＨ４８８．７ｖｏｌ％、Ｃ２Ｈ５６．８ｖｏｌ％、Ｃ３Ｈ８３．１ｖｏｌ％、ｎ－Ｃ４Ｈ１０１．２ｖｏｌ％の発電原料としての天然ガス４．２ＮＬ／ｍｉｎと水１１．０ｇ／ｍｉｎとを供給し、水素生成運転及び発電運転を行った。天然ガスには５ｐｐｍの硫黄化合物が含まれていたが、水添脱硫器を通過後のガスに含まれる硫黄化合物の濃度は、１０ｐｐｂ以下であった。また、ＣＯ除去器通過後の水素含有ガス中のＮＨ３濃度は、１ｐｐｍ以下であった。
　次に、天然ガスに１９ｖｏｌ％の空気を混入させ、天然ガスと空気の総供給量を４．２ＮＬ／ｍｉｎ（天然ガス３．４ＮＬ／ｍｉｎ、空気０．８ＮＬ／ｍｉｎ）に保ち運転した。このとき、発電原料中の酸素がリサイクルされた水素と燃焼反応を起こし、水添脱硫器の温度は約５０℃上昇する。これにより、水添脱硫器は適温から外れるとともに、硫黄化合物の水添反応に利用される水素量が低下するため、水添脱硫器を通過後のガス中の硫黄化合物の濃度は、２０ｐｐｂまで上昇した。また、空気混入に伴い発電原料中で濃度が上昇した窒素と改質器７で生成した水素が反応し、ＮＨ３が生成するため、ＣＯ除去器通過後の水素含有ガス中のＮＨ３濃度は、１２ｐｐｍまで上昇した。
　このように、発電原料に空気を混入することで、水添脱硫器の脱硫性能が低下し、かつ改質器７で生成されるＮＨ３濃度は上昇することがわかる。
　このような状況で、燃料電池システム１００の運転を継続すると、硫黄化合物により改質器７内の改質触媒の劣化が進行し、かつＮＨ３により燃料電池の電圧が低下し、電圧が低下した状態で発電運転を継続すると、燃料電池の劣化が進行する。
　そこで、ピークシェービング時のように発電原料に空気が混入され、発電原料の組成に異常が生じたことを特定すると、制御器３が、燃料電池システム１００の起動を許可しなかったり、運転を停止したりすることで、燃料電池システム１００の劣化を抑制し得る。
　また、発電原料にバイオガスの混入される濃度が異常に高い時に、これを特定し、燃料電池システム１００の起動を許可しなかったり、運転を停止したりすることで、同様に、燃料電池システム１００の劣化を抑制し得る。
［実施例２］
　実施の形態１の燃料電池システム１００の実施例２について説明する。
　ロシアから供給される天然ガスは、硫黄化合物が少ないが、ドイツで産出されるガスはＣＯＳ等に例示される硫黄化合物が多い。このため、燃料電池システム１００に供給される発電原料の産地が、価格、政情等により、ロシアからドイツに切り替わったり、発電原料の産地の比率が、ドイツ産の天然ガスの比率が高まったりすると、硫黄化合物の組成が変動する。
　そこで、発電原料にＣＯＳが含まれることの影響を調べるため、以下の実験を行った。
　本実施例の燃料電池システム１００は、水添脱硫器に代えて、ゼオライト系脱硫剤を充填した吸着脱硫器を設けた以外は、実施例１と同様である。
　本実施例の燃料電池システムに、ＣＨ４８８．７ｖｏｌ％、Ｃ２Ｈ６６．８ｖｏｌ％、Ｃ３Ｈ８３．１ｖｏｌ％、ｎ－Ｃ４Ｈ１０１．２ｖｏｌ％の発電原料としての天然ガス４．２ＮＬ／ｍｉｎと水１１．０ｇ／ｍｉｎとを供給し、水素生成運転及び発電運転を行った。発電原料にはＴＢＭ２ｐｐｍとＤＭＳ３ｐｐｍの硫黄化合物が含まれていたが、吸着脱硫器の通過後の発電原料に含まれる硫黄化合物の濃度は１０ｐｐｂ以下であった。
　続いて、発電原料にＣＯＳを１０ｐｐｍ添加し、１日間、水素生成運転及び発電運転を行った。１日経過後、吸着脱硫器を通過後のガス中の硫黄化合物の濃度は２０ｐｐｂであり、そのうちＣＯＳの濃度が２０ｐｐｂであった。なお、上記実施例は、天然ガスについて例示したが、これに限定されるものではない。例えば、ＬＰガス中の硫黄化合物の組成も産地により異なる。
　このように、発電原料中に含まれる硫黄化合物の組成が変動すると、脱硫が不十分となる場合がある。このような状況で、燃料電池システム１００の運転を継続すると、硫黄化合物により改質器７内の改質触媒の劣化が進行する。そこで、例えば、発電原料の産地変更または産地の比率の変更等により許容濃度を超える硫黄化合物を含むときに、これを特定し、燃料電池システム１００の起動を許可しなかったり、運転を停止したりすることで、燃料電池システム１００の劣化を抑制し得る。
（実施の形態２）
　実施の形態２の燃料電池システムは、燃料電池ユニットは、発電原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、発電原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、改質器で生成された水素含有ガスの一部を水添脱硫器に供給するためのリサイクル流路と、リサイクル流路に流れる水素含有ガスの流量を調整する流量調整器と、改質器で生成した水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備え、制御器は、上記情報より発電原料中の硫黄化合物の濃度の増加を特定すると、リサイクル流路を流れる水素含有ガスの量が増加するよう流量調整器を制御する。
　かかる構成により、硫黄化合物の濃度が増加しても、リサイクル流路を流れる水素含有ガスの量を変更しない場合に比べ、水添脱硫器を通過後の発電原料中の硫黄化合物濃度がより低減される。
［構成］
　図４は実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
　図４に示すように、燃料電池システム１００は、水添脱硫器６と、改質器７と、燃料電池８と、リサイクル流路１０と、流量調整器１１とを備える。その他の図１と同じ符号である構成については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。
　水添脱硫器６は、発電原料中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器６は、容器に水添脱硫用の脱硫剤が充填され構成される。水添脱流用の脱硫剤は、例えば、発電原料中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒及びＣｕＺｎ系触媒の少なくともいずれが一方とで構成される。水添脱硫用の脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒のみで構成されても構わない。
　改質器７は、発電原料から改質反応により水素含有ガスを生成する。改質器７の詳細な説明は、実施の形態１と同様であるので、省略する。なお、本例では図示されていないが、改質器７の下流に改質器７で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ低減器を設けても構わない。ＣＯ低減器は、シフト反応により一酸化炭素を低減させる変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減させるＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。
　燃料電池８は、改質器７で生成した水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池８の詳細な説明は、実施の形態１と同様であるので、省略する。
　リサイクル流路１０は、改質器で生成された水素含有ガスの一部を水添脱硫器に供給するための流路である。リサイクル流路１０の上流端は、改質器７より送出された水素含有ガスが流れる流路であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。例えば、改質器７の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設けた場合、リサイクル流路１０の上流端は、改質器７とＣＯ低減器との間の流路に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器の下流に接続されていてもよい。なお、ＣＯ低減器が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減するＣＯ除去器とを備える場合、リサイクル流路１０の上流端を変成器とＣＯ除去器との間の流路に接続するよう構成しても構わない。また、リサイクル流路１０の上流端を、燃料電池８の下流の流路に接続しても構わない。
　流量調整器１１は、リサイクル流路１０に流れる水素含有ガスの流量を調整する。流量調整器１１は、水素含有ガスの流路を調整できれば、いずれの構成であってもよく、例えば、流量調整弁等が用いられる。
［動作］
　次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の運転の一例について、図５を用いて説明する。
　図５は、本実施の形態の燃料電池システム１００の水添脱硫に関する動作の一例を示すフロー図である。なお、本動作は、燃料電池システム１００を起動する際、及び起動開始後の運転の少なくともいずれか一方において実行される。
　情報取得器２は、情報提供体５より発電原料の組成に関する情報を取得する（ステップＳ１）。なお、情報取得器２を通じて上記情報を取得するタイミングは、適宜設定される。
　制御器３は、取得した情報から硫黄化合物の濃度が増加したか否かを判定する（ステップＳ７）。
　なお、硫黄化合物の濃度が増加したか否かの判定方法は、いずれの方法であってもよい。例えば、上記情報が、硫黄化合物の濃度を示す情報を含むとき、現時点で取得した情報から特定した硫黄化合物の濃度と以前に取得した情報から特定した硫黄化合物の濃度とを比較して、増加したか否かを判定してもよい。
　また、上記情報が、硫黄化合物の濃度の相対的な高さを示す情報を含むとき、現時点で取得した情報から特定した硫黄化合物の濃度の相対的な高さと以前に取得した情報から特定した硫黄化合物の濃度の相対的な高さとを比較して、増加したか否かを判定してもよい。例えば、硫黄化合物の濃度の相対的な高さをレベルで表す。例えば、硫黄化合物の濃度の高さが低い順から、レベル１＜レベル２＜レベル３で表される。ここで、この取得した情報から特定されるレベルを比較して、濃度が増加したか否かを判定する。
　なお、硫黄化合物の濃度の相対的な高さを示す情報は、これを間接的に示す情報であってもよい。例えば、発電原料の産地に関する情報であってもよい。これは、例えば、天然ガス、ＬＰガスは、その産地によって含まれる硫黄化合物の濃度が異なるため、産地情報から硫黄化合物の濃度が増加したか否かを判定し得るためである。なお、ここで、発電原料が複数の産地からの発電原料の混合物であるとき、発電原料の産地に関する情報には、上記混合物に含まれる各産地の発電原料の比率に関する情報が含まれてもよい。
　また、硫黄化合物の濃度の相対的な高さを間接的に示す情報として、発電原料中に含まれるバイオガスの濃度を示す情報であってもよい。
　また、上記情報が、硫黄化合物の濃度の変動の向きを示す情報を含むとき、取得した情報から硫黄化合物の濃度が増加したか否かを判定してもよい。
　次に、制御器３が、発電原料中の硫黄化合物の濃度が増加したことを特定すると（ステップＳ７でＹｅｓ）、制御器３は、リサイクル流路１０を流れる水素含有ガスの量が増加するよう流量調整器１１を制御する（ステップＳ９）。具体的には、制御器３は、流量調整器１１が、流量調整弁であるとき、その開度を大きくするよう制御する。
　一方、制御器３は、発電原料中の硫黄化合物の濃度が増加したことが特定されないと、流量調整器１１の制御を維持する（ステップＳ８）。具体的には、制御器３は、流量調整器１１が、流量調整弁であるとき、その開度を維持するよう制御する。
（実施の形態３）
　実施の形態３の燃料電池システムは、燃料電池ユニットは、発電原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、発電原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、改質器で生成した水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池の発電量を調整する発電量調整器とを備え、制御器は、上記情報より発電原料中の硫黄化合物の濃度の増加を特定すると、燃料電池の発電量が低下するよう発電量調整器を制御する。
［構成］
　図６は実施の形態３の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
　図６に示すように、燃料電池システム１００は、脱硫器１５と、発電量調整器１６とを備える。その他の図４と同じ符号である構成については、実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。
　脱硫器１５は、発電原料中の硫黄化合物を除去する。脱硫器１５は、物理吸着により硫黄化合物を除去する吸着脱硫器、及び水添脱硫器の少なくともいずれか一方が用いられる。
　発電量調整器１６は、燃料電池の発電量を調整する。発電量調整器１６は、燃料電池の発電量を調整できれば、いずれであってもよく、例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータ、ＤＣ－ＡＣコンバータ等が用いられる。
［動作］
　次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の運転の一例について、図７を用いて説明する。
　図７は、本実施の形態の燃料電池システム１００の発電運転の一例を示すフロー図である。
　情報取得器２は、情報提供体５より発電原料の組成に関する情報を取得する（ステップＳ１）。なお、情報取得器２を通じて上記情報を取得するタイミングは、適宜設定される。
　制御器３は、取得した情報から硫黄化合物の濃度が増加したか否かを判定する（ステップＳ７）。
　なお、硫黄化合物の濃度が増加したか否かの判定方法は、実施の形態２と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
　次に、制御器３が、発電原料中の硫黄化合物の濃度が増加したことを特定すると（ステップＳ７でＹｅｓ）、制御器３は、燃料電池８の発電量が低下するよう発電量調整器１６を制御する（ステップＳ１１）。ここで、制御器３は、発電量の低下に伴い図示されない原料供給器を制御して、改質器７に供給される発電原料の供給量を低下させる。
　一方、制御器３は、発電原料中の硫黄化合物の濃度が増加したことが特定されないと、燃料電池８の発電量の制御を維持する（ステップＳ１０）。
（実施の形態４）
　実施の形態４の燃料電池システムは、燃料電池ユニットは、発電原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に発電原料を供給する原料供給器と、改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、改質器で生成した水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備え、制御器は、上記情報より発電原料中の炭素原子量を特定すると、特定した発電原料中の炭素原子量に応じて改質器への発電原料の供給量に対する改質器への水蒸気の供給量の比が変化するよう原料供給器及び水蒸気供給器を制御する。
　かかる構成により、発電原料に含まれる炭化水素の濃度の変動に依らず、改質器への発電原料の供給量に対する改質器への水蒸気の供給量の比を維持する場合に比べ、Ｓ／Ｃの変動が抑制される。なお、上記Ｓ／Ｃは、改質器に供給される発電原料中の炭素原子のモル数に対する改質器に供給される水蒸気分子のモル数の比である。
［構成］
　図８は実施の形態４の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
　図８に示すように、燃料電池システム１００は、原料供給器１２と、水蒸気供給器１３とを備える。その他の図４と同じ符号である構成については、実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。
　原料供給器１２は、改質器７に発電原料を供給する。原料供給器１２は、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。発電原料は、発電原料供給源より供給される。発電原料源は、所定の供給圧を有しており、例えば、発電原料ボンベ、発電原料インフラ等が挙げられる。
　水蒸気供給器１３は、改質器７に水蒸気を供給する。水蒸気供給器１３は、例えば、水供給器、水供給器から供給された水を蒸発する蒸発器、及び蒸発器を加熱する加熱器で構成される。水供給器は、蒸発器に供給する水の流量を調整し、例えば、ポンプ及び流量調整弁の少なくともいずれか一方により構成される。加熱器には、例えば、燃焼器、電気ヒータ等が用いられる。
［動作］
　次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の運転の一例について、図９を用いて説明する。
　図９は、本実施の形態の燃料電池システム１００の水素生成運転の一例を示すフロー図である。
　図９に示すように、改質器７で水素含有ガスの生成を行い水素生成運転時において、情報取得器２は、情報提供体５より発電原料の組成に関する情報を取得する（ステップＳ１）。
　次に、取得した上記情報に基づき発電原料中の炭素原子量を特定する（ステップＳ１２）。発電原料中の炭素原子量の特定方法は、いずれの方法でもよい。例えば、発電原料に含まれる有機ガスが複数の成分を含み、発電原料の組成に関する情報が、各成分の濃度を示す情報を含むとき、制御器３は、各成分の分子式と濃度から発電原料の単位量当りに含まれる炭素原子量を算定する。そして、制御器３は、この算定値を、発電原料に含まれる炭素原子量として特定してもよい。なお、上記単位量及び炭素原子量の単位は任意であり、例えば、重量(ｇ)、体積(ｍ３)、モル（ｍｏｌ）等が用いられる。
　また、発電原料の組成に関する情報が、発電原料中の炭素原子量そのものを含むとき、制御器３は、取得した情報から発電原料中の炭素原子量を特定してもよい。
　次に、制御器３は、特定した発電原料中の炭素原子量に応じて改質器への発電原料の供給量に対する改質器への水蒸気の供給量の比が変化するよう原料供給器及び水蒸気供給器を制御する（ステップＳ１３）。
　上記制御の方法としては、発電原料中の炭素原子量の変動に対してＳ／Ｃの変動が抑制されるよう制御される。具体的には、発電原料中の炭素原子量が大きくなると、改質器への発電原料の供給量に対する改質器への水蒸気の供給量の比が大きくなるよう原料供給器及び水蒸気供給器を制御する。また、発電原料中の炭素原子量が小さくなると、改質器への発電原料の供給量に対する改質器への水蒸気の供給量の比が小さくなるよう原料供給器及び水蒸気供給器を制御する。
［実施例］
　次に、実施の形態４の燃料電池システム１００の実施例について説明する。
　本実施例の燃料電池システムは、改質器７に改質触媒としてＲｕ触媒を充填した。また、改質器７の下流に変成器、及びＣＯ除去器を備え、変成器には、変成触媒としてＣｕＺｎ系触媒を充填し、ＣＯ除去器には、ＣＯ除去触媒として、Ｒｕ系触媒を充填した。
　まず、ＣＯ除去器出口の水素含有ガス中のＣＯ濃度に対する発電原料の組成の影響を調べるため、燃料電池システム１００にＣＨ４８８．９ｖｏｌ％、Ｃ２Ｈ６６．８ｖｏｌ％、Ｃ３Ｈ８３．１ｖｏｌ％、ｎ－Ｃ４Ｈ１０１．２ｖｏｌ％の発電原料４．２ＮＬ／ｍｉｎと水１１．０ｇ／ｍｉｎを供給し、水素生成運転及び発電運転を行った。このとき、Ｓ／Ｃ＝２．８であり、ＣＯ除去器を通過した水素含有ガス中のＣＯ濃度を測定したところ、５ｐｐｍであった。
　次に、燃料電池システム１００に、Ｃ３Ｈ８を８．１ｖｏｌ％まで増加させ、代わりにＣＨ４を８３．９ｖｏｌ％まで減らした発電原料を４．２ＮＬ／ｍｉｎ、水を１１．０ｇ／ｍｉｎを供給し、水素生成運転及び発電運転を行った。このとき、Ｓ／Ｃ＝２．６であり、ＣＯ除去器を通過した水素含有ガス中のＣＯ濃度を測定したところ、２０ｐｐｍであった。このことから、発電原料中の炭素原子量を大きくなったときに、改質器７に供給する原料供給量に対する改質器７に供給する水蒸気供給量の比を変更しないと、Ｓ／Ｃが最適値からはずれ、ＣＯ濃度が増加することが分かる。
　次に、燃料電池システム１００に上記の組成変更後の発電原料を４．２ＮＬ／ｍｉｎ、水を１２．０ｇ／ｍｉｎ供給し、水素生成運転及び発電運転を行った。ＣＯ除去器を通過後の水素含有ガス中のＣＯ濃度を測定したところ、６ｐｐｍであった。
　以上から、発電原料中の炭素原子量が大きくなったときに、改質器７に供給する原料供給量に対する改質器７に供給する水蒸気供給量の比を大きくすることで、Ｓ／Ｃの変動が抑制され、ＣＯ濃度の増加が抑制されることが分かった。
（実施の形態５）
　実施の形態５の燃料電池システムは、実施の形態１－４のいずれかの燃料電池システムにおいて、発電原料がピークシェービング中であることを表示する表示器を備える。
　かかる構成により、燃料電池システムが、機器の異常ではなく、発電原料がピークシェービング中であるために起動していないことを、ユーザーが認識することができる。
［構成］
　図１０は実施の形態５の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
　図１０に示すように、燃料電池システム１００は、表示器１７を備える。その他の図１と同じ符号である構成については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。
　表示器１７は、ピークシェービング情報を表示する。
［動作］
　次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の運転の一例について、図１１を用いて説明する。
　図１１は、本実施の形態の燃料電池システム１００の水素生成運転の一例を示すフロー図である。
　図１１に示すように、情報取得器２は、情報提供体５より発電原料の組成に関する情報を取得する（ステップＳ１）。制御器３は、発電原料がピークシェービング中であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。
　制御器３が、発電原料がピークシェービング中であることを特定すると（ステップＳ１４でＹｅｓ）、制御器３は、燃料電池システム１００の起動を許可しない（ステップＳ４）。続いて、表示器に、発電原料がピークシェービング中である旨の表示を行う（ステップＳ１５）。なお、表示器１７には、単に、発電原料がピークシェービング中である旨を表示せずに、ピークシェービングにより起動されてない旨を表示してもよい。
　一方、制御器３が、発電原料がピークシェービング中であることを特定しないと、制御器３は、燃料電池システム１００の起動が開始される（ステップＳ３）。
なお、本実施の形態では、表示器１７にピークシェービング中である旨を表示するよう構成されているが、これに代えて、あるいは、これに加えて、ピークシェービング以外の発電原料の組成の異常を表示するよう構成されていてもよい。
　本発明の一態様に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、発電原料の組成変動に適切に対応し得る。
　１　燃料電池ユニット
　２　情報取得器
　３　制御器
　５　情報提供体
　６　水添脱硫器
　７　改質器
　８　燃料電池
　１０　リサイクル流路
　１１　流量調整器
　１２　原料供給器
　１３　水蒸気供給器
　１５　脱硫器
　１６　発電量調整器
　１７　表示器
　１００　燃料電池システム

Claims (12)

  1. 　発電原料を用いて発電する燃料電池ユニットと、
    　発電原料の組成に関する情報を外部の情報提供体より取得する情報取得器と、
    　前記情報提供体から取得した発電原料の組成に関する情報に基づいて起動の許否を決定する制御器とを備える、燃料電池システム。　
  2. 　前記制御器は、発電原料の組成の異常を特定すると起動を許可しない請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 　前記情報は、前記発電原料中に含まれる不純物の濃度に関する情報である請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 　前記不純物は、酸素、硫黄化合物、及び窒素の少なくともいずれか一つである請求項３記載の燃料電池システム。
  5. 　前記情報は、前記発電原料中に含まれる有機ガスの濃度に関する情報である請求項１記載の燃料電池システム。
  6. 　前記燃料電池ユニットは、発電原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記発電原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記改質器で生成された水素含有ガスの一部を前記水添脱硫器に供給するためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路に流れる水素含有ガスの流量を調整する流量調整器と、前記改質器で生成した水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備え、
    　前記制御器は、前記情報より発電原料中の硫黄化合物の濃度の増加を特定すると、前記リサイクル流路を流れる水素含有ガスの量が増加させるよう前記流量調整器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
  7. 　前記燃料電池ユニットは、発電原料から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、発電原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器と、前記改質器で生成した水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池の発電量を調整する発電量調整器とを備え、前記制御器は、上記情報より発電原料中の硫黄化合物の濃度の増加を特定すると、燃料電池の発電量が低下するよう発電量調整器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
  8. 　前記発電原料は、天然ガス、ＬＰガス、及びバイオガスの少なくともいずれか一つを含む請求項１―７記載の燃料電池システム。
  9. 　前記情報は、バイオガスの濃度に関する情報である請求項１―８のいずれかに記載の燃料電池システム。
  10. 前記情報が、発電原料がピークシェービングされていることを示す情報である、請求項１―８記載の燃料電池システム。
  11. 発電原料のピークシェービング中である旨を表示する表示器を備える、請求項１―８，１０記載の燃料電池システム。
  12. 　発電原料の組成に関する情報を外部の情報提供体より取得するステップと、
    外部の情報提供体から取得した発電原料の組成に関する情報に基づいて起動の許否を決定するステップとを備える燃料電池システムの運転方法。
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