(57)【要約】  この燃料電池システム１では、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタック５の掃引電流が一定となる定格運転などの一定出力運転状態において、燃焼部温度検出部１０１によって検出されるオフガス燃焼部６の温度を監視し、オフガス燃焼部６の温度が目標温度に到達するようにカソードガスの流量を制御している。そして、オフガス燃焼部６の温度が目標温度に到達するまでに変動したカソードガスの流量の変動値及びカソードガスの温度に基づいて燃料の性状を判断している。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
2012091034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記セルスタックにカソードガスを供給する供給部と、
前記セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度検出部と、
前記カソードガスの流量を検出する流量検出部と、
前記カソードガスの温度を検出するカソードガス温度検出部と、
当該燃料電池システムが一定出力運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断された場合に、前記流量検出部によって検出された前記カソードガスの流量及び前記カソードガス温度検出部によって検出された前記カソードガスの温度に対する前記燃焼部の目標温度を取得する目標温度取得部と、
前記燃焼部温度検出部によって検出される温度を監視し、前記燃焼部の温度が前記目標温度に到達するように前記カソードガスの流量を制御する流量制御部と、
前記流量制御部によって変動した前記カソードガスの流量の変動値及び前記カソードガスの温度に基づいて前記燃料の性状を判断する性状判断部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記セルスタックにカソードガスを供給する供給部と、
前記セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、
前記水素発生部、前記セルスタック、及び前記燃焼部を含む発電部の温度を検出する発電部温度検出部と、
前記カソードガスの流量を検出する流量検出部と、
前記カソードガスの温度を検出するカソードガス温度検出部と、
当該燃料電池システムが一定出力運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断された場合に、前記流量検出部によって検出された前記カソードガスの流量及び前記カソードガス温度検出部によって検出された前記カソードガスの温度に対する前記発電部の目標温度を取得する目標温度取得部と、
前記発電部温度検出部によって検出される温度を監視し、前記発電部の温度が前記目標温度に到達するように前記カソードガスの流量を制御する流量制御部と、
前記流量制御部によって変動した前記カソードガスの流量の変動値及び前記カソードガスの温度に基づいて前記燃料の性状を判断する性状判断部と、を備える燃料電池システム。
【請求項３】
水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記セルスタックにカソードガスを供給する供給部と、
前記セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、
前記セルスタックの温度を検出するセルスタック温度検出部と、
前記カソードガスの流量を検出する流量検出部と、
前記カソードガスの温度を検出するカソードガス温度検出部と、
当該燃料電池システムが一定出力運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断された場合に、前記流量検出部によって検出された前記カソードガスの流量に対する前記セルスタックの目標温度を取得する目標温度取得部と、
前記セルスタック温度検出部によって検出される温度を監視し、前記セルスタックの温度が前記目標温度に到達するように前記カソードガスの流量を制御する流量制御部と、
前記流量制御部によって変動した前記カソードガスの流量の変動値及び前記カソードガスの温度に基づいて前記燃料の性状を判断する性状判断部と、を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、セルスタックに供給される燃料の性状が一定であるものとして構築されている。このため、燃料の性状が変動するような環境に燃料電池システムを設置すると、システム内の熱バランスの悪化やセルスタックの劣化の進行を引き起こすおそれがあった。このよう問題に対し、例えば特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料の組成を計測する計測手段を設け、計測された組成に応じた制御パラメータを設定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４９０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような従来の計測手段は複雑な構成を要するため、燃料電池システムの構成の複雑化を招いてしまうおそれがある。【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な構成で燃料の性状変化を検出できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る燃料電池システムは、水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックにカソードガスを供給する供給部と、セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、燃焼部の温度を検出する燃焼部温度検出部と、カソードガスの流量を検出する流量検出部と、カソードガスの温度を検出するカソードガス温度検出部と、当該燃料電池システムが一定出力運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、運転状態判断部によって燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断された場合に、流量検出部によって検出されたカソードガスの流量及びカソードガス温度検出部によって検出されたカソードガスの温度に対する燃焼部の目標温度を取得する目標温度取得部と、燃焼部温度検出部によって検出される温度を監視し、燃焼部の温度が目標温度に到達するようにカソードガスの流量を制御する流量制御部と、流量制御部によって変動したカソードガスの流量の変動値及びカソードガス温度検出部によって検出されたカソードガスの温度に基づいて燃料の性状を判断する性状判断部と、を備える。【０００７】
この燃料電池システムでは、燃料の性状を直接測定する代わりに、定格運転などの一定出力運転状態において、燃焼部温度検出部によって検出される燃焼部の温度を監視し、燃焼部の温度が目標温度に到達するようにカソードガスの流量を制御している。そして、燃焼部の温度が目標温度に到達するまでに変動したカソードガスの流量の変動値及びカソードガス温度検出部によって検出されたカソードガスの温度に基づいて燃料の性状を判断している。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。【０００８】
また、本発明の別の側面に係る燃料電池システムは、水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックにカソードガスを供給する供給部と、セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、水素発生部、セルスタック、及び燃焼部を含む発電部の温度を検出する発電部温度検出部と、カソードガスの流量を検出する流量検出部と、カソードガスの温度を検出するカソードガス温度検出部と、当該燃料電池システムが一定出力運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、運転状態判断部によって燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断された場合に、流量検出部によって検出されたカソードガスの流量及びカソードガス温度検出部によって検出されたカソードガスの温度に対する発電部の目標温度を取得する目標温度取得部と、発電部温度検出部によって検出される温度を監視し、発電部の温度が目標温度に到達するようにカソードガスの流量を制御する流量制御部と、流量制御部によって変動したカソードガスの流量の変動値及びカソードガス温度検出部によって検出されたカソードガスの温度に基づいて燃料の性状を判断する性状判断部と、を備える。【０００９】
この燃料電池システムでは、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタックの掃引電流が一定となる定格運転などの一定出力運転状態において、発電部温度検出部によって検出される発電部の温度を監視し、発電部の温度が目標温度に到達するようにカソードガスの流量を制御している。そして、発電部の温度が目標温度に到達するまでに変動したカソードガスの流量の変動値及びカソードガス温度検出部によって検出されたカソードガスの温度に基づいて燃料の性状を判断している。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。【００１０】
また、本発明の更に別の側面に係る燃料電池システムは、水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックにカソードガスを供給する供給部と、セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、セルスタックの温度を検出するセルスタック温度検出部と、カソードガスの流量を検出する流量検出部と、カソードガスの温度を検出するカソードガス温度検出部と、当該燃料電池システムが一定出力運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、運転状態判断部によって燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断された場合に、流量検出部によって検出されたカソードガスの流量に対するセルスタックの目標温度を取得する目標温度取得部と、セルスタック温度検出部によって検出される温度を監視し、セルスタックの温度が目標温度に到達するようにカソードガスの流量を制御する流量制御部と、流量制御部によって変動したカソードガスの流量の変動値及びカソードガス温度検出部によって検出されたカソードガスの温度に基づいて燃料の性状を判断する性状判断部と、を備える。【００１１】
この燃料電池システムでは、燃料の性状を直接測定する代わりに、定格運転などの一定出力運転状態において、セルスタック温度検出部によって検出されるセルスタックの温度を監視し、セルスタックの温度が目標温度に到達するようにカソードガスの流量を制御している。そして、セルスタックの温度が目標温度に到達するまでに変動したカソードガスの流量の変動値及びカソードガス温度検出部によって検出されたカソードガスの温度に基づいて燃料の性状を判断している。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【発明の効果】
【００１２】
この燃料電池システムによれば、簡単な構成で燃料の性状変化を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す図である。
【図２】制御部の機能的な構成要素を示す図である。
【図３】目標温度取得部による目標温度の取得の様子を表す図である。
【図４】流量制御部によるカソードガスの制御の様子を表す図である。
【図５】性状判断部による燃料の性状の判断の様子を表す図である。
【図６】制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer  Electrolyte  Fuel  Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric  Acid  Fuel  Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten  Carbonate  Fuel  Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。
【００１６】
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
【００１７】
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
【００１８】
脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。
【００１９】
水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
【００２０】
水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。
【００２１】
セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。
【００２２】
オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。
【００２３】
水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤（カソードガス）を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。
【００２４】
パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
【００２５】
制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
【００２６】
続いて、制御部１１が実行する制御について更に詳細に説明する。
【００２７】
制御部１１は、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する部分であるが、これに加えて、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の性状（熱量や組成など）の変化に起因する燃料電池システム１の出力の変化を診断する診断処理を実行する。
【００２８】
この診断処理に関し、制御部１１は、図２に示すように、機能的な構成要素として、燃焼部温度検出部１０１と、流量検出部１０２と、カソードガス温度検出部１０３と、運転状態判断部１０４と、目標温度取得部１０５と、流量制御部１０６と、性状判断部１０７と、供給条件制御部１０８とを備えている。
【００２９】
燃焼部温度検出部１０１は、オフガス燃焼部６の温度を検出する部分である。燃焼部温度検出部１０１は、燃料電池システム１が発電を行っている間、オフガス燃焼部６の温度を常時検出する。また、流量検出部１０２は、カソードガスの流量を検出する。流量検出部１０２は、燃料電池システム１が発電を行っている間、酸化剤供給部９からセルスタック５のカソード１３に供給されるカソードガスの流量を常時検出する。また、カソードガス温度検出部１０３は、カソードガスの温度を検出する部分である。カソードガス温度検出部１０３は、燃料電池システム１が発電を行っている間、酸化剤供給部９からセルスタック５のカソード１３に供給されるカソードガスの温度を常時検出する。
【００３０】
運転状態判断部１０４は、燃料電池システム１が定格運転などの一定出力運転状態であるか否かを判断する部分である。一定出力運転状態とは、セルスタック５の掃引電流が一定であり、セルスタック５で発電される電力が一定となるような運転状態である。一定出力運転状態の一つである定格運転状態とは、セルスタック５の掃引電流が仕様上の最大値で一定であり、セルスタック５で発電される電力が仕様上の最大値で一定となるような運転状態である。運転状態判断部１０４は、例えばセルスタック５から出力される電圧の移動平均値の変化が一定時間（例えば１５分）にわたって閾値以下であった場合に、燃料電池システム１が一定出力運転状態であると判断する。運転状態判断部１０４は、燃料電池システム１が一定出力運転状態であると判断した場合には、目標温度取得部１０５に対して動作の開始を指示する信号を出力する。
【００３１】
また、運転状態判断部１０４は、セルスタック５から出力される電圧の監視のほか、燃料電池システム１が稼動してからの時間をカウントする手段を備えていてもよい。この場合、例えば燃料電池システム１が一定出力運転状態にならないままカウントが一定時間に到達したときに、燃料電池システム１を強制アイドリング状態（発電はしないが燃料が供給されている０Ｗ一定出力発電状態）に移行させ、目標温度取得部１０５に対して動作の開始を指示する信号を出力する。
【００３２】
目標温度取得部１０５は、カソードガスの流量に対するオフガス燃焼部６の目標温度を取得する部分である。より具体的には、目標温度取得部１０５は、運転状態判断部１０４によって燃料電池システム１が一定出力運転状態であると判断された場合に、流量検出部１０２によって検出されたカソードガスの現在の流量及びカソードガス温度検出部１０３によって検出されたカソードガスの現在の温度を取得する。
【００３３】
図３は、目標温度取得部１０５による目標温度の取得の様子を表す図である。目標温度取得部１０５は、燃料電池システム１が一定出力運転状態である場合において、図３に示すように、カソードガスの流量及び温度に対するオフガス燃焼部６の目標温度を燃料の性状ごとに予め記憶している。図３の例では、カソードガス温度検出部１０３によって検出されたカソードガスの現在の温度がＴｃである場合を示しており、燃料電池システム１の運転に設定されている燃料の性状がＢ（熱量：中）である場合に、流量検出部１０２によって検出されたカソードガスの現在の流量がＣ１であれば、オフガス燃焼部６の目標温度はＴｓであると決定される。なお、図３に示すようなカソードガスの流量及び温度に対するオフガス燃焼部６の目標温度は、一定出力運転状態における発電量ごとにそれぞれ記憶されていることが好ましい。
【００３４】
流量制御部１０６は、カソードガスの流量を制御する部分である。より具体的には、流量制御部１０６は、燃焼部温度検出部１０１によって検出される温度を監視し、オフガス燃焼部６の温度が目標温度に到達するようにカソードガスの流量を変動させる。
【００３５】
図４は、流量制御部１０６によるカソードガスの制御の様子を表す図である。燃料の性状に変化がない場合、燃料の性状がＢ（熱量：中）に設定されているのであれば、目標温度Ｔｓと燃焼部温度検出部１０１によって検出される現在の温度Ｔｐとは一致する。しかしながら、燃料の性状がＢからＡ（熱量：小）に変化してしまっている場合、燃焼部温度検出部１０１によって検出される現在の温度Ｔｐは目標温度Ｔｓに比べて小さくなる。この場合、流量制御部１０６は、カソードガスの流量をＣ１からＣ２に減少させ、現在の温度Ｔｐを目標温度Ｔｓに一致させる。
【００３６】
一方、燃料の性状がＢからＣ（熱量：大）に変化してしまっている場合、燃焼部温度検出部１０１によって検出される現在の温度Ｔｐは目標温度Ｔｓに比べて大きくなる。この場合、流量制御部１０６は、カソードガスの流量をＣ１からＣ３に増大させ、現在の温度Ｔｐを目標温度Ｔｓに一致させる。
【００３７】
性状判断部１０７は、流量制御部１０６によって変動したカソードガスの流量の変動値及びカソードガス温度検出部１０３によって検出されたカソードガスの現在の温度に基づいて燃料の性状を判断する部分である。図５は、性状判断部１０７による燃料の性状の判断の様子を表す図である。図５に示すように、目標温度取得部１０５は、例えば温度がＴｃの場合におけるカソードガスの流量の変動値を燃料の性状ごとに関連付けた特性テーブルを予め記憶している。図５に示す例において、性状判断部１０７は、カソードガスの流量の変動値ΔＣが０である場合には、燃料の性状に変化はないと判断し、カソードガスの流量の変動値ΔＣがＣ２−Ｃ１である場合には、燃料の性状がＢからＡに変化したと判断する。また、性状判断部１０７は、カソードガスの流量の変動値ΔＣがＣ３−Ｃ１である場合には、燃料の性状がＢからＣに変化したと判断する。
【００３８】
供給条件制御部１０８は、性状判断部１０７による判断結果に基づいて、燃料及び水の供給条件を調整する部分である。供給条件制御部１０８は、性状判断部１０７によって燃料の性状が変化したと判断された場合に、変化後の性状に応じて燃料利用率やＳ／Ｃ（水蒸気／カーボン）比が最適値となるように、水素含有燃料供給部７から供給される燃料の流量や、水供給部８から供給される水の流量を調整する。
【００３９】
次に、制御部１１の動作について説明する。図６は、制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【００４０】
まず、燃料電池システム１が発電を開始すると、開始からの時間のカウントが開始される。また、燃焼部温度検出部１０１によるオフガス燃焼部６の温度の検出、流量検出部１０２によるカソードガスの流量の検出、及びカソードガス温度検出部１０３によるカソードガスの温度の検出などが開始される。次に、燃料電池システム１の一定出力運転状態が一定時間継続したか否かが判断される（ステップＳ０１）。
【００４１】
一定出力運転状態が一定時間継続していない場合、カウントが一定時間に到達したか否かが判断され（ステップＳ０２）、カウントが一定時間に到達していなければ、ステップＳ０１に戻って再び一定出力運転状態の継続が判断される。また、カウントが一定時間に到達している場合には、燃料電池システム１が強制アイドリング状態に移行する（ステップＳ０３）。
【００４２】
ステップＳ０１において一定出力運転状態が一定時間継続している場合、又は、ステップＳ０３により燃料電池システム１が強制アイドリング状態に移行した場合、診断処理が開始される。診断処理では、まず、現在のカソードガスの流量及び現在のカソードガスの温度の取得が行われ（ステップＳ０４）、一定出力運転状態における発電量と、取得したカソードガスの流量及び温度とに基づいてオフガス燃焼部６の目標温度が決定される。次に、オフガス燃焼部６の現在の温度の取得がなされる（ステップＳ０５）。
【００４３】
オフガス燃焼部６の現在の温度が取得された後、目標温度と現在の温度とが一致しているか否かが判断される（ステップＳ０６）。目標温度と現在の温度とが不一致である場合、両者が一致するまでカソードガスの流量の調整が行われる（ステップＳ０７）。目標温度と現在の温度とが一致している場合、この一致した時点でのカソードガスの流量の取得が行われる（ステップＳ０８）。
【００４４】
次に、ステップＳ０４で取得されたカソードガスの流量と、ステップＳ０８で取得されたカソードガスの流量との差に基づいて、カソードガスの流量の変動値が取得される（ステップＳ０９）。続いて、カソードガスの流量の変動値及びカソードガスの温度に基づいて燃料の性状の判断がなされ（ステップＳ１０）、判断結果に基づいて、燃料及び水の供給条件の変更がなされる（ステップＳ１１）。すなわち、燃料利用率やＳ／Ｃ比が最適値となるように、水素含有燃料供給部７から供給される燃料の流量や、水供給部８から供給される水の流量の変更がなされる。なお、上記診断処理を実行中に燃料電池システム１が一定出力運転状態でなくなった場合には、カウンタをリセットすることなくステップＳ０１に戻り、以降の処理を再度実行させることが好ましい。
【００４５】
以上説明したように、この燃料電池システム１では、燃料の性状を直接測定する代わりに、定格運転などの一定出力運転状態において、燃焼部温度検出部１０１によって検出されるオフガス燃焼部６の温度を監視し、オフガス燃焼部６の温度が目標温度に到達するようにカソードガスの流量を制御している。そして、オフガス燃焼部６の温度が目標温度に到達するまでに変動したカソードガスの流量の変動値及びカソードガスの温度に基づいて燃料の性状を判断している。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【００４６】
また、オフガス燃焼部６の温度変化は、燃料の性状の変化に対して迅速に追従する傾向にある。したがって、上述の診断処理の実行により、迅速に燃料の性状の変化を検出することが可能となる。
【００４７】
さらに、本実施形態では、燃料電池システム１が一定出力運転状態に移行しない場合であっても、発電開始からのカウントが一定時間に到達した場合には、燃料電池システム１を強制アイドリング状態に移行させ、診断処理を実行する。これにより、燃料電池システム１の稼動状況にかかわらず、燃料の性状の診断を定期的に実施できる。
【００４８】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、燃焼部温度検出部１０１によってオフガス燃焼部６の温度を検出しているが、これに代えて、水素発生部４、セルスタック５、及びオフガス燃焼部６を含む発電部の温度を発電部温度検出部によって検出してもよく、セルスタック５の温度のみをセルスタック温度検出部によって検出してもよい。この場合であっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。また、温度が安定しやすいため、検出誤差を抑えることも可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１…燃料電池システム、４…水素発生部、５…セルスタック、６…オフガス燃焼部、９…酸化剤供給部、１０１…燃焼部温度検出部、１０２…流量検出部、１０３…燃焼部温度検出部、１０４…運転状態判断部、１０５…目標温度取得部、１０６…流量制御部、１０７…性状判断部、１０８…供給条件制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年6月24日(2013.6.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記セルスタックにカソードガスを供給する供給部と、
前記セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度検出部と、
前記カソードガスの流量を検出する流量検出部と、
前記カソードガスの温度を検出するカソードガス温度検出部と、
当該燃料電池システムが一定出力運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断された場合に、前記流量検出部によって検出された前記カソードガスの流量及び前記カソードガス温度検出部によって検出された前記カソードガスの温度に対する前記燃焼部の目標温度を取得する目標温度取得部と、
前記燃焼部温度検出部によって検出される温度を監視し、前記燃焼部の温度が前記目標温度に到達するように前記カソードガスの流量を制御する流量制御部と、
前記流量制御部によって変動した前記カソードガスの流量の変動値及び前記カソードガスの温度に基づいて前記燃料の熱量を判断する性状判断部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記セルスタックにカソードガスを供給する供給部と、
前記セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、
前記水素発生部、前記セルスタック、及び前記燃焼部を含む発電部の温度を検出する発電部温度検出部と、
前記カソードガスの流量を検出する流量検出部と、
前記カソードガスの温度を検出するカソードガス温度検出部と、
当該燃料電池システムが一定出力運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断された場合に、前記流量検出部によって検出された前記カソードガスの流量及び前記カソードガス温度検出部によって検出された前記カソードガスの温度に対する前記発電部の目標温度を取得する目標温度取得部と、
前記発電部温度検出部によって検出される温度を監視し、前記発電部の温度が前記目標温度に到達するように前記カソードガスの流量を制御する流量制御部と、
前記流量制御部によって変動した前記カソードガスの流量の変動値及び前記カソードガスの温度に基づいて前記燃料の熱量を判断する性状判断部と、を備える燃料電池システム。
【請求項３】
水素を含有する燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記セルスタックにカソードガスを供給する供給部と、
前記セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、
前記セルスタックの温度を検出するセルスタック温度検出部と、
前記カソードガスの流量を検出する流量検出部と、
前記カソードガスの温度を検出するカソードガス温度検出部と、
当該燃料電池システムが一定出力運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断された場合に、前記流量検出部によって検出された前記カソードガスの流量及び前記カソードガス温度検出部によって検出された前記カソードガスの温度に対する前記セルスタックの目標温度を取得する目標温度取得部と、
前記セルスタック温度検出部によって検出される温度を監視し、前記セルスタックの温度が前記目標温度に到達するように前記カソードガスの流量を制御する流量制御部と、
前記流量制御部によって変動した前記カソードガスの流量の変動値及び前記カソードガスの温度に基づいて前記燃料の熱量を判断する性状判断部と、を備える燃料電池システム。
【請求項４】
前記運転状態判断部は、前記電圧検出部によって検出される電圧の移動平均値の変化が一定時間にわたって閾値以下であった場合に、前記燃料電池システムが一定出力運転状態であると判断することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料の熱量についての診断処理を実行するか否かを判断する診断開始条件判断部を更に備え、
前記診断開始条件判断部は、前記燃料電池システムが発電を開始してから所定時間が経過した場合に前記診断処理を実行すると判断することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
2012091034.tif 000009
2012091034.tif 000010
2012091034.tif 000011
2012091034.tif 000012