(57)【要約】【課題】運転に最適な水素含有ガスを安定に供給する改質部を備えた燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】水素含有ガスを生成させる改質部３０と、改質温度検出部２１と、燃焼空気供給部１８と、空気流量計測部３１と、燃料電池８と、改質反応に必要な熱を供給する燃焼部２と、水蒸気を発生させる水蒸気発生部２３と、空気流量計測部３１の計測動作が適正かどうかを判断する検出部と、運転制御部１６と、を少なくとも備え、運転制御部１６は、少なくとも空気流量計測部３１で計測される流量に基づいて燃焼空気供給部１８の動作を制御するとともに、検出部の検出値に基づいて空気流量計測部３１の計測動作が適正かどうかを判断して制御する燃料電池発電システム１００を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水蒸気との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、
前記改質反応における反応温度を検出する改質温度検出部と、
燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、
前記燃焼用空気の流量を計測する空気流量計測部と、
前記水素含有ガスおよび酸素含有ガスが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から戻される前記水素含有ガスを燃焼させ、前記改質反応に必要な熱を供給する燃焼部と、
前記燃焼部から供給される熱により前記水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、
前記空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断する検出部と、
運転制御部と、を少なくとも備え、
前記運転制御部は、少なくとも前記空気流量計測部で計測される流量に基づいて前記燃焼空気供給部の動作を制御するとともに、前記検出部の検出値に基づいて前記空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断する燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃焼部に火炎中のイオン電流値を検出する燃焼検出部を設け、
前記運転制御部は、前記検出部の前記検出値である、前記改質温度検出部で検出される前記反応温度と、前記燃焼検出部で検出される前記イオン電流値に基づいて、前記空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断して制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記運転制御部は、前記反応温度が減少し、かつ前記イオン電流値が減少する場合、または、前記反応温度が増加し、かつ前記イオン電流値が増加する場合に、前記空気流量計測部の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断して制御する請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記反応温度に所定の反応温度閾値、および前記イオン電流値に所定の電流値閾値を設け、
前記運転制御部は、前記反応温度が前記反応温度閾値を下回る、および前記イオン電流値が前記電流値閾値を下回る場合、または、前記反応温度が前記反応温度閾値を上回る、および前記イオン電流値が前記電流値閾値を上回る場合に、前記空気流量計測部の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断して制御する請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記水蒸気発生部に水蒸気雰囲気温度を検出する水蒸気温度検出部を設け、
前記運転制御部は、前記検出部の前記検出値である、前記改質温度検出部で検出される前記反応温度と、前記水蒸気温度検出部で検出される前記水蒸気雰囲気温度に基づいて、前記空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断して制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記運転制御部は、前記反応温度が減少し、かつ前記水蒸気雰囲気温度が増加する場合、または、前記反応温度が増加し、かつ前記水蒸気雰囲気温度が減少する場合に、前記空気流量計測部の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断して制御する請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記反応温度に予め反応温度閾値、および前記水蒸気雰囲気温度に予め水蒸気温度閾値を設け、
前記運転制御部は、前記反応温度が前記反応温度閾値を上回る、および前記水蒸気雰囲気温度が前記水蒸気温度閾値を下回る場合、または、前記反応温度が前記反応温度閾値を下回る、および前記水蒸気雰囲気温度が前記水蒸気温度閾値を上回る場合に、前記空気流量計測部の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断する請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池に発電電圧を検出する電圧検出部を設け、
前記運転制御部は、前記検出部の前記検出値である、前記改質温度検出部で検出される前記反応温度と、前記電圧検出部で検出される前記発電電圧に基づいて、前記空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断して制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記運転制御部は、前記反応温度が減少し、かつ前記発電電圧が減少する場合、または、前記反応温度が増加し、かつ前記発電電圧が増加する場合に、前記空気流量計測部の計測動作が異常と判断して制御する請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記反応温度に予め反応温度閾値、および前記発電電圧に予め電圧閾値を設け、
前記運転制御部は、前記反応温度の前記反応温度閾値、および前記発電電圧の前記電圧閾値を上回る場合、または、前記反応温度の前記反応温度閾値、および前記発電電圧の前記電圧閾値を下回る場合に、前記空気流量計測部の計測動作が異常と判断して制御する請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化石原料などから一酸化炭素濃度の低い水素含有ガスを生成する改質部を備えた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、分散型エネルギー供給源として、小型で高効率な発電が可能である燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）を用いた燃料電池発電システムの開発が進められている。なお、燃料電池発電システムは、発電部の本体である燃料電池に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応により発生する化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。
【０００３】
しかし、現状では、燃料電池に必要な水素含有ガスを供給するインフラストラクチャーは整備されていない。
【０００４】
そこで、従来の燃料電池発電システムは、都市ガスまたはＬＰＧなどを原料とし、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で水蒸気と改質反応させる水蒸気改質部を介して水素含有ガスを発生する水素生成装置が設けられている。
【０００５】
しかし、改質反応により得られる水素含有ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれ、その濃度が高いと、燃料電池の発電特性が低下する。
【０００６】
そこで、水素生成装置には、水蒸気改質部の他に、一酸化炭素を低減させるために、変成部や選択酸化部などの反応部が設けられている。
【０００７】
また、燃料電池発電システムは、燃料電池のアノードから排出される水素含有ガス（以下、「アノードオフガス」という）を水素生成装置に戻して燃焼させて、改質反応により、効率の向上をはかる方法が一般的である。
【０００８】
一般に、燃料電池発電システムは、上述のような、燃料電池や水素生成装置などの多くの装置で構成されるため、高い効率で運転するには、それぞれの装置を適切な条件で運転することが必要となる。特に、運転に最適な水素含有ガスの安定供給には、水素生成装置でのアノードオフガスの燃焼を安定化して改質反応を行うことが重要である。
【０００９】
そこで、アノードオフガスの燃焼を安定化させるために、水蒸気改質部の改質触媒温度に応じて、燃料電池の負荷電流を一時的に増減させて、アノードオフガス流量や燃焼用空気の流量を制御し、適正に燃焼させる例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
また、アノードオフガスの燃焼状態を検出して、燃焼空気供給装置の燃焼用空気の流量を適正に制御する例が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
また、例えばフィルターの目詰まりなどにより、燃焼用空気流量が設定量で供給されていない場合、改質触媒温度の温度変化を検出して燃焼用空気流量を補正し、長期間の運転時においても各装置を適切な条件で運転する例が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開昭６３−１４６３６７号公報
【特許文献２】特開２００４−１７８９６２号公報
【特許文献３】特開２００７−２００７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１、２に開示された燃料電池発電システムによれば、燃焼用空気の流量を計測する検出器などを介して制御することにより、水素生成装置でのアノードオフガスの燃焼を安定化させることができる。しかしながら、上記従来の構成では、検出器の動作が適正でなく、例えば検出値が正確でなければ、水素生成装置でのアノードオフガスの燃焼を安定化できない。
【００１３】
また、特許文献３に開示された燃料電池発電システムによれば、燃焼用空気の流量を計測する検出器は不要となるが、発電運転中に発生する短期的な燃焼空気の流量変化を検出できないという課題がある。
【００１４】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、運転に最適な水素含有ガスを安定に供給する改質部を備えた燃料電池発電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】
【００１５】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムでは、原料と水蒸気との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、改質反応における反応温度を検出する改質温度検出部と、燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、燃焼用空気の流量を計測する空気流量計測部と、水素含有ガスおよび酸素含有ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃料電池から戻される水素含有ガスを燃焼させ、改質反応に必要な熱を供給する燃焼部と、燃焼部から供給される熱により水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断する検出部と、運転制御部と、を少なくとも備え、運転制御部は、少なくとも空気流量計測部で計測される流量に基づいて燃焼空気供給部の動作を制御するとともに、検出部の検出値に基づいて空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断する構成を有する。
【００１６】
この構成により、燃焼用空気の流量を空気流量計測部の計測値で制御するとともに、その計測値が正しいか否かを検出部の検出値で判断し、最適に制御できる。その結果、空気流量計測部と検出部の２段階で燃焼用空気の流量を制御して、安全で信頼性の高い燃料電池発電システムを実現できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、検出器の検出値で、空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断して運転制御部で制御することにより、信頼性に優れた燃料電池発電システムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
第１の発明は、原料と水蒸気との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、改質反応における反応温度を検出する改質温度検出部と、燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、燃焼用空気の流量を計測する空気流量計測部と、水素含有ガスおよび酸素含有ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃料電池から戻される水素含有ガスを燃焼させ、改質反応に必要な熱を供給する燃焼部と、燃焼部から供給される熱により水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断する検出部と、運転制御部と、を少なくとも備え、運転制御部は、少なくとも空気流量計測部で計測される流量に基づいて燃焼空気供給部の動作を制御するとともに、検出部の検出値に基づいて空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断する燃料電池発電システムである。
【００１９】
この構成により、燃焼用空気の流量を空気流量計測部の計測値で制御するとともに、その計測値が正しいか否かを検出部の検出値で判断し、最適に制御できる。その結果、空気流量計測部と検出部の２段階で燃焼用空気の流量を制御して、安全で信頼性の高い燃料電池発電システムを実現できる。
【００２０】
第２の発明は、第１の発明において、燃焼部に火炎中のイオン電流値を検出する燃焼検出部を設け、運転制御部は、検出部の検出値である、改質温度検出部で検出される反応温度と、燃焼検出部で検出されるイオン電流値に基づいて、空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断して制御する。
【００２１】
これにより、反応温度とイオン電流値を検出部の検出値として、空気流量計測部の計測動作が適正かを判断して制御できる。
【００２２】
第３の発明は、第２の発明において、運転制御部は、反応温度が減少し、かつイオン電流値が減少する場合、または、反応温度が増加し、かつイオン電流値が増加する場合に、空気流量計測部の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断して制御する。
【００２３】
これにより、空気流量計測部の動作不良を短期間で判断して燃料電池発電システムを制御できる。
【００２４】
第４の発明は、第２の発明において、反応温度に所定の反応温度閾値、およびイオン電流値に所定の電流値閾値を設け、運転制御部は、反応温度が反応温度閾値を下回る、およびイオン電流値が電流値閾値を下回る場合、または、反応温度が反応温度閾値を上回る、およびイオン電流値が電流値閾値を上回る場合に、空気流量計測部の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断して制御する。
【００２５】
第５の発明は、第１の発明において、水蒸気発生部に水蒸気雰囲気温度を検出する水蒸気温度検出部を設け、運転制御部は、検出部の検出値である、改質温度検出部で検出される反応温度と、水蒸気温度検出部で検出される水蒸気雰囲気温度に基づいて、空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断して制御する。
【００２６】
これにより、反応温度と水蒸気雰囲気温度を検出部の検出値として、空気流量計測部の計測動作が適正かを判断して制御できる。
【００２７】
第６の発明は、第５の発明において、運転制御部は、反応温度が減少し、かつ水蒸気雰囲気温度が増加する場合、または、反応温度が増加し、かつ水蒸気雰囲気温度が減少する場合に、空気流量計測部の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断して制御する。
【００２８】
第７の発明は、第５の発明において、反応温度に予め反応温度閾値、および水蒸気雰囲気温度に予め水蒸気温度閾値を設け、運転制御部は、反応温度が反応温度閾値を上回る、および水蒸気雰囲気温度が水蒸気温度閾値を下回る場合、または、反応温度が反応温度閾値を下回る、および水蒸気雰囲気温度が水蒸気温度閾値を上回る場合に、空気流量計測部の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断する。
【００２９】
弟８の発明は、第１の発明において、燃料電池に発電電圧を検出する電圧検出部を設け、運転制御部は、検出部の検出値である、改質温度検出部で検出される反応温度と、電圧検出部で検出される発電電圧に基づいて、空気流量計測部の計測動作が適正かどうかを判断して制御する。
【００３０】
これにより、反応温度と発電電圧を検出部の検出値として、空気流量計測部の計測動作が適正かを判断して制御できる。
【００３１】
第９の発明は、第８の発明において、運転制御部は、反応温度が減少し、かつ発電電圧が減少する場合、または、反応温度が増加し、かつ発電電圧が増加する場合に、空気流量計測部の計測動作が異常と判断して制御する。
【００３２】
第１０の発明は、第８の発明において、反応温度に予め反応温度閾値、および発電電圧に予め電圧閾値を設け、運転制御部は、反応温度の反応温度閾値、および発電電圧の電圧閾値を上回る場合、または、反応温度の反応温度閾値、および発電電圧の電圧閾値を下回る場合に、空気流量計測部の計測動作が異常と判断して制御する。
【００３３】
これらにより、空気流量計測部の動作不良を短期間で判断して燃料電池発電システムを制御できる。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００３５】
（実施の形態１）
まず、以下に本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの構成について、詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムを示す概略構成図である。
【００３７】
図１に示すように、燃料電池発電システム１００は、水素含有ガスを生成させる水素生成装置１と、水素生成装置１から供給された水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池８と、水素生成装置１から燃料電池８へ水素含有ガスを供給する水素ガス供給経路１２と、燃料電池８で排出される水素含有ガス（アノードオフガス）を水素生成装置１の燃焼部２に供給するオフガス経路１４と、燃焼ガス供給経路１５とを備えている。
【００３８】
そして、オフガス経路１４には、水素生成装置１から水素含有ガスの供給を封止する封止部９が設けられ、封止部９は水素生成装置バイパス経路１１と燃料電池バイパス経路１３に接続されている。また、水素ガス供給経路１２には、水素生成装置１から水素含有ガスの供給を封止する封止部９Ａが設けられ、封止部９Ａは燃料電池バイパス経路１３に接続されている。ここで、封止部９，９Ａは、複数の電磁弁を組み合わせた構成（詳細説明は省略する）からなり、水素ガス供給経路１２、水素生成装置バイパス経路１１および燃料電池バイパス経路１３から供給されるガスの流通を切り替える切替機能も備えている。
【００３９】
また、燃料電池８は、酸素含有ガスとしての空気を供給する燃料電池空気ブロア１７と、燃料電池８の発電電圧を検出する電圧検出部２８を備えている。そして、燃料電池８の他の構成は、一般的な固体高分子型の燃料電池と同等であるので詳細な説明は省略する。
【００４０】
また、水素生成装置１は、水を供給する水供給部３と、炭化水素系の原料に含まれる硫黄成分を吸着して除去する脱硫部５と、原料と水とを用いて水素含有ガスを生成させる改質部３０と、原料の流量（原料流量）を制御する原料供給部４と、原料供給部４や水供給部３の動作を少なくとも制御する運転制御部１６とを備えている。なお、脱硫部５に供給される炭化水素系の原料は、炭化水素などの少なくとも炭素および水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどである。
【００４１】
そして、図１に示すように、本実施の形態では、原料の供給源として、例えば都市ガスのガスインフラライン６を用い、そのガスインフラライン６が脱硫部５に接続されている。なお、脱硫部５は、上流側および下流側に配置された脱硫接続部７に着脱可能な形状を有し、脱硫部５の硫黄成分に対する吸着量が飽和して吸着特性が低下した場合に、新しい脱硫部５と交換できる構成となっている。このとき、脱硫部５には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤が充填されている。
【００４２】
また、脱硫接続部７は、原料の流通を制御する、例えば電磁弁で構成される弁機能も有している。なお、脱硫部５は、水添脱硫（水素化脱硫）を用いた構成としてもよい。
【００４３】
また、水供給部３は、流量調節機能を有するポンプを有している。
【００４４】
また、原料供給部４は、脱硫部５と改質部３０とを接続する原料供給経路１０に配置され、改質部３０に供給される原料の流量を制御することによって、ガスインフラライン６から脱硫部５に供給される原料の流量を制御している。なお、原料供給部４は、脱硫部５に供給される原料の流量を制御できればよく、脱硫部５の上流側に配置してもよい。本実施の形態では、原料供給部４はブースターポンプを有し、例えば入力する電流パルスや入力電力などを制御することにより、脱硫部５に供給される原料の流量を調節できる。
【００４５】
また、運転制御部１６は、改質部３０の運転動作を制御する制御部で、原料供給部４から改質部３０に供給される原料の供給量、水供給部３から改質部３０に供給される水の供給量などの制御および脱硫接続部７や封止部９，９Ａの動作の制御を行う。さらに、以下で詳細に説明するように、改質温度検出器で検出される反応温度と燃焼検出部で検出されるイオン電流値などの検出部の検出値に基づいて、空気流量計測部の計測動作が適正かを判断して、燃焼用空気の流量を最適に制御する。
【００４６】
また、運転制御部は１６、燃焼検出部２２で測定されたイオン電流値に基づき、燃焼部２での燃焼状態を判断する。例えば、検出するイオン電流値が、予め設定される値以下になった場合、消火と判断し、燃焼部２の燃焼を停止するように制御する。これは、燃焼検出部２２で検出される、火炎中の有機化合物イオンに起因するイオン電流値と有機化合物濃度とに比例関係があることに基づくものである。具体的には、例えばイオン電流値が減少した場合、燃焼部２の火炎中の有機化合物濃度が減少していると判断できる。
【００４７】
また、運転制御部１６は、燃料電池８の運転動作も制御するが、詳細な説明は省略する。
【００４８】
なお、運転制御部１６は、例えば半導体メモリーやＣＰＵなどにより構成される。そして、改質部３０の運転動作シーケンス、原料積算流量など運転情報などを記憶し、状況に応じた適切な動作条件を演算し、かつ、水供給部３や原料供給部４などの運転に必要な動作条件を指令する。
【００４９】
以下に、本発明の実施の形態１の改質部について、図面を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムにおける改質部３０を示す要部断面図である。
【００５０】
図２に示すように、改質部３０は、水蒸気発生部２３と、水蒸気改質部２０と、変成部２５を少なくとも備えている。ここで、水蒸気発生部２３は、水供給部３から供給される水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する。そして、水蒸気改質部２０は、原料と水蒸気との改質反応を進行させる。さらに、変成部２５は、水蒸気改質部２０で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる。なお、変成部２５を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給部１９から変成部２５を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部２６を設けてもよい。
【００５１】
このとき、水蒸気改質部２０には、例えばＲｕ系の改質触媒、変成部２５には、例えばＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒、選択酸化部２６には、例えばＲｕ系の選択酸化触媒を有している。
【００５２】
また、改質部３０は、水蒸気改質部２０における改質触媒（あるいは水素含有ガス）の温度（反応温度）を検出する改質温度検出部２１、水蒸気発生部２３における水蒸気雰囲気（あるいは原料と水蒸気の混合ガス）の温度を検出する水蒸気温度検出部２４を備えている。このとき、水蒸気改質部２０と水蒸気発生部２３には、燃焼部２で発生させた燃焼排ガスが、燃焼部２との改質部３０の壁面を介して供給される構成となっている。
【００５３】
また、改質部３０は、水蒸気改質部２０における改質反応に必要な反応熱を供給するための、例えば燃焼ガスを燃焼させるバーナーなどからなる燃焼部２を備えている。このとき、燃焼部２で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路１５を介して燃焼部２に供給される。さらに、燃焼部２は、燃焼部２の燃焼状態を検知する、例えばフレームロッドなどの燃焼検出部２２と、燃焼部２に燃料用空気を供給する、例えば燃焼ファンなどの燃焼空気供給部１８と、燃焼用空気の流量を計測する空気流量計測部３１を備えている。なお、フレームロッドは、火炎が形成される時に発生するイオンに電圧を印加し、その時に流れるイオン電流値を測定するデバイスである。
【００５４】
そして、改質部３０で生成された水素含有ガスは、図１に示す水素ガス供給経路１２を介して燃料電池８に供給される。
【００５５】
なお、上記水蒸気改質部２０、変成部２５および選択酸化部２６の一般的な構成については、図示や詳細な説明を省略する。
【００５６】
つぎに、燃料電池発電システムの運転動作について、具体的に説明する。
【００５７】
以下では、燃料電池発電システムの起動時、通常の発電時、および停止時の運転動作を、水素生成装置１の動作を中心に説明する。
【００５８】
まず、燃料電池発電システムの起動時から通常の発電時までの水素生成装置１の運転動作について、説明する。
【００５９】
すなわち、停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、運転制御部１６からの指令により、原料供給部４から水素生成装置バイパス経路１１、封止部９、燃焼ガス供給経路１５を経由して、原料が燃焼部２に供給される。そして、燃焼部２で原料が燃焼することにより、改質部３０の加熱が開始する。
【００６０】
つぎに、加熱開始後、改質部３０に原料供給経路１０を経由して原料が、また水供給部３により水が供給され、水と原料との改質反応が開始する。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料の例に説明する。このとき、水供給部３から水は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数１モルに対して水蒸気が３モル（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３）程度となるように制御して供給される。これにより、改質部３０では、水蒸気改質部２０で水蒸気改質反応、変成部２５で変成反応、選択酸化部２６で一酸化炭素の選択酸化反応が進行し、水素含有ガスが生成する。
【００６１】
そして、生成された水素含有ガスの一酸化炭素濃度が、所定濃度（例えば、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）に減少するまで、封止部９，９Ａ、燃料電池バイパス経路１３を経由して、循環して燃焼部２に供給される。このとき、運転制御部１６は、改質温度検出部２１で検出される反応温度に基づいて、水蒸気改質部２０、変成部２５、選択酸化部２６が各反応に適した温度になるように、燃焼部２の燃焼を制御する。
【００６２】
つぎに、改質部３０に供給された原料が燃焼部２に供給され、加熱部での燃焼状態が安定化した後は、水素生成装置バイパス経路１１からの原料の供給を停止する。
【００６３】
つぎに、改質部３０で生成された水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を所定濃度まで減少させた後、封止部９を動作させ、水素ガス供給経路１２を経由して、運転に最適な水素含有ガスを燃料電池８に供給する。このとき、運転制御部１６は、原料供給部４の動作を制御することにより、原料の供給量を調整して燃料電池８に供給する。これにより、燃料電池８で水素含有ガス中の水素と酸素含有ガス中の酸素とが反応し、定常的な発電動作が開始する。
【００６４】
以下に、燃料電池発電システムの運転停止時の水素生成装置１の運転動作について、説明する。
【００６５】
すなわち、燃料電池発電システム１００の運転を停止させる場合、運転制御部１６は、封止部９，９Ａを作動させることにより、燃料電池８への水素含有ガスの供給を停止し、燃料電池バイパス経路１３を経由して燃焼部２に供給するように指令して制御する。
【００６６】
つぎに、水供給部３と原料供給部４に指令して、水と原料の供給を停止することにより水素生成装置１の動作を停止させる。このとき、水素生成装置１の停止動作時に、改質部３０内に外気の混入を極力防止する動作を併設して行うことが好ましい。なお、外気の混入を防止する動作とは、例えば封止部９，９Ａを動作させて改質部３０を封止する動作や、改質部３０が降温して体積減少する量に相当する量の原料を供給する動作などである。
【００６７】
以下に、本実施の形態の発明のポイントである、燃焼用空気の流量計測部の計測動作が適正かどうか判断する検出部の動作について、詳細に説明する。
【００６８】
つまり、空気流量計測部の計測値が正しく、精度よく燃焼用空気の流量が制御される場合には、問題ない。しかし、何らかの原因で、空気流量計測部の計測値が、実際の値と異なる値を運転制御部に返し、その値に基づいて改質部を制御する場合、安全性や信頼性、発電効率の低下などの問題を生じる。そのため、空気流量計測部の計測動作が適正かどうか判断することが重要となる。
【００６９】
本実施の形態の水素生成装置１では、改質温度検出部２１と燃焼検出部２２を検出部として、改質温度検出部２１で検出される反応温度と燃焼検出部２２で検出されるイオン電流値の検出値に基づいて、燃焼部２に供給される燃焼用空気の流量に対する空気流量計測部の計測動作が適正かどうか判断するものである。
【００７０】
以下に、検出部の具体的な動作について説明する。
【００７１】
まず、燃焼空気供給部１８から供給される燃焼用空気の流量が減少した場合、燃焼排ガス量が減少する。その結果、燃焼排ガスによって水素生成装置１から持ち出される熱量が減少するため、改質温度検出部２１で検出する反応温度が上昇する。また、燃焼部２に供給される燃焼ガスの量が変化しない状態で、燃焼用空気の流量が減少した場合、火炎中の有機化合物濃度が増加するため、燃焼検出部２２で検出するイオン電流値が増加する。
【００７２】
一方、燃焼空気供給部１８から供給される燃焼用空気の流量が増加した場合、燃焼排ガス量が増加する。その結果、燃焼排ガスによって水素生成装置１から持ち出される熱量が増加するため、改質温度検出部２１で検出する反応温度が減少する。また、燃焼部２に供給される燃焼ガスの量が変化しない状態で、燃焼用空気の流量が増加した場合、火炎中の有機化合物濃度が減少するため、燃焼検出部２２で検出するイオン電流値が減少する。
【００７３】
つまり、検出部の検出値である、改質温度検出部２１の反応温度と燃焼検出部２２のイオン電流値の変化を運転制御部１６で判断することにより、燃焼用空気の流量を計測する空気流量計測部３１の計測動作（計測値）が適正かどうかを判断できることになる。
【００７４】
そして、燃焼用空気の流量が減少したと判断した場合、改質温度検出部２１で検出する反応温度と、燃焼検出部２２で検出するイオン電流値を減少させるように、燃焼空気供給部１８の動作を制御する。なお、燃焼用空気の流量が増加したと判断した場合には、その逆の動作で制御する。
【００７５】
さらに、空気流量計測部３１の計測動作が適正でなく、適正計測動作の範囲外と判断した場合、燃料電池発電システム１００の運転を停止させる制御をする。
【００７６】
なお、本実施の形態では、空気流量計測部３１の計測動作（計測値）が適正かどうかを、改質温度検出部２１の反応温度と燃焼検出部２２のイオン電流値の変化を運転制御部１６で判断し制御する例で説明したが、これに限られない。例えば、空気流量計測部３１の計測動作に応じて、予め改質温度検出部２１で検出する反応温度に反応温度閾値、燃焼検出部２２で検出するイオン電流値に電流値閾値を設けて制御してもよい。具体的には、運転制御部１６は、反応温度閾値と電流値閾値を下回る場合、または反応温度閾値と電流値閾値を上回る場合、空気流量計測部３１の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外であると判断して燃料電池発電システム１００の運転を停止させる制御をする。ここで、反応温度閾値やイオン電流値閾値は、水素生成装置１で、燃焼部２での燃焼状態が不安定となる、燃焼用空気の流量と、反応温度およびイオン電流値との関係を、予め測定して設定されるものである。例えば、燃焼用空気の流量が多くなり希薄燃焼して燃焼排ガス中の一酸化炭素量が増加する、あるいは燃焼用空気の流量が少なくなり燃焼排ガス中の一酸化炭素量が増加するような燃焼用空気の流量である。
【００７７】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムについて説明する。なお、燃料電池発電システムは、空気流量計測部の計測動作が適正かどうか判断する検出部が、実施の形態１と異なる。他の構成や各動作は、実施の形態１の燃料電池発電システム１００と、ほぼ同じであるので説明を省略する場合がある。つまり、検出部として、改質温度検出部と水蒸気温度検出部を用い、改質温度検出部の反応温度と水蒸気温度検出部の水蒸気雰囲気温度を検出値として用いた点で、実施の形態１と異なる。
【００７８】
そこで、以下では、空気流量計測部の計測動作が適正かどうか判断する検出部である、改質温度検出部と水蒸気温度検出部の動作を主に、詳細に説明する。
【００７９】
本実施の形態の水素生成装置１では、改質温度検出部２１と水蒸気温度検出部２４を検出部とする。そして、改質温度検出部２１で検出される反応温度と水蒸気温度検出部２４で検出される水蒸気雰囲気温度の検出値に基づいて、燃焼部２に供給される燃焼用空気の流量に対する空気流量計測部の計測動作が適正かどうか判断するものである。
【００８０】
以下に、検出部の具体的な動作について説明する。
【００８１】
まず、燃焼空気供給部１８から供給されている燃焼用空気の流量が減少した場合、燃焼排ガス量が減少する。その結果、燃焼排ガスによって水素生成装置１から持ち出される熱量が減少するため、改質温度検出部２１で検出する反応温度が上昇する。また、燃焼排ガス量が減少するため、水蒸気発生部２３における燃焼排ガスと、水（水蒸気を含む）と原料との熱交換性能が低下して、水蒸気温度検出部２４で検出される水蒸気雰囲気温度が減少する。
【００８２】
一方、燃焼空気供給部１８から供給されている燃焼用空気の流量が増加した場合、燃焼排ガス量が増加する。その結果、燃焼排ガスによって水素生成装置１から持ち出される熱量が増加するため、改質温度検出部２１で検出する反応温度が減少する。また、燃焼排ガス量が増加するため、水蒸気発生部２３における燃焼排ガスと、水（水蒸気を含む）と原料との熱交換性能が向上して、水蒸気温度検出部２４で検出される水蒸気雰囲気温度が増加する。
【００８３】
つまり、検出部の検出値である、改質温度検出部２１の反応温度と水蒸気温度検出部２４の水蒸気雰囲気温度の変化を、運転制御部１６で判断することにより、空気流量計測部３１の計測動作（計測値）が適正かどうかが判断できることになる。
【００８４】
そして、燃焼用空気の流量が減少したと判断した場合、改質温度検出部２１で検出する反応温度が減少し、水蒸気温度検出部２４で検出される水蒸気雰囲気温度が増加するように、燃焼空気供給部１８の動作を制御する。なお、燃焼用空気の流量が増加したと判断した場合には、その逆の動作で制御する。
【００８５】
さらに、空気流量計測部３１の計測動作が適正でなく、適正計測動作の範囲外と判断した場合、燃料電池発電システム１００の運転を停止させる制御をする。
【００８６】
なお、本実施の形態では、空気流量計測部３１の計測動作（計測値）が適正かどうかを、改質温度検出部２１の反応温度と水蒸気温度検出部２４の水蒸気雰囲気温度の変化を運転制御部１６で判断し制御する例で説明したが、これに限られない。例えば、空気流量計測部３１の計測動作に応じて、予め改質温度検出部２１で検出する反応温度に反応温度閾値、水蒸気温度検出部２４で検出する水蒸気雰囲気温度に水蒸気温度閾値を設けて制御してもよい。具体的には、運転制御部１６は、反応温度閾値を下回る、および水蒸気温度閾値を上回る場合、または反応温度閾値を上回る、および水蒸気温度閾値を下回る場合、空気流量計測部３１の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断して燃料電池発電システム１００の運転を停止させる制御をする。ここで、反応温度閾値や水蒸気温度閾値は、水素生成装置１において、燃焼部２での燃焼状態が不安定となる、燃焼用空気の流量と、反応温度および水蒸気雰囲気温度との関係を、予め測定して設定されるものである。例えば、燃焼用空気の流量が多くなり希薄燃焼して燃焼排ガス中の一酸化炭素量が増加する、あるいは燃焼用空気の流量が少なくなり燃焼排ガス中の一酸化炭素量が増加するような燃焼用空気の流量である。
【００８７】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムについて説明する。なお、燃料電池発電システムは、空気流量計測部の計測動作が適正かどうか判断する検出部が、実施の形態１と異なる。他の構成や各動作は、実施の形態１の燃料電池発電システム１００と、ほぼ同じであり、説明を省略する場合がある。つまり、検出部として、改質温度検出部と電圧検出部を用い、改質温度検出部の反応温度と電圧検出部で検出される発電電圧を検出値として用いた点で、実施の形態１と異なる。
【００８８】
そこで、以下では、空気流量計測部の計測動作が適正かどうか判断する検出部である、改質温度検出部と電圧検出部の動作を主に、詳細に説明する。
【００８９】
本実施の形態の水素生成装置１では、改質温度検出部２１と電圧検出部２８を検出部とする。そして、改質温度検出部２１で検出する反応温度と電圧検出部２８で検出される発電電圧の検出値に基づいて、燃焼部２に供給される燃焼用空気の流量に対する空気流量計測部の計測動作が適正かどうか判断するものである。
【００９０】
以下に、検出部の具体的な動作について説明する。
【００９１】
まず、燃焼空気供給部１８から供給されている燃焼用空気の流量が減少した場合、燃焼排ガス量が減少する。その結果、燃焼排ガスによって水素生成装置１から持ち出される熱量が減少するため、改質温度検出部２１で検出する反応温度が上昇する。なお、改質温度検出部２１の反応温度の上昇は、水蒸気改質部２０における改質触媒（あるいは水素含有ガス）の温度（反応温度）の上昇と同義なので、原料と水との改質反応の進行により、改質部３０出口での水素含有ガスの水素濃度も増加する。その結果、燃料電池８の電圧検出部２８で検出される発電電圧が上昇する。
【００９２】
一方、燃焼空気供給部１８から供給されている燃焼用空気の流量が増加した場合、燃焼排ガス量が増加する。その結果、燃焼排ガスによって水素生成装置１から持ち出される熱量が増加するため、改質温度検出部２１で検出する反応温度が減少する。なお、改質温度検出部２１の反応温度の減少は、水蒸気改質部２０における改質触媒（あるいは水素含有ガス）の温度（反応温度）の減少と同義なので、原料と水との改質反応が抑制され、改質部３０出口での水素含有ガスの水素濃度が減少する。その結果、燃料電池８の電圧検出部２８で検出される発電電圧が低下することになる。
【００９３】
つまり、検出部の検出値である、改質温度検出部２１の反応温度と電圧検出部２８で検出される発電電圧の変化を、運転制御部１６で判断することにより、燃焼用空気の流量を計測する空気流量計測部３１の計測動作（計測値）が適正かどうかを判断できることになる。
【００９４】
そして、燃焼用空気の流量が減少したと判断した場合、改質温度検出部２１で検出する反応温度が減少し、電圧検出部２８で検出される発電電圧が減少するように、燃焼空気供給部１８の動作を制御する。なお、燃焼用空気の流量が増加したと判断した場合は、その逆の動作で制御する。
【００９５】
さらに、空気流量計測部３１の計測動作が適正でなく、適正計測動作の範囲外と判断した場合、燃料電池発電システム１００の運転を停止させる制御をする。
【００９６】
なお、本実施の形態では、空気流量計測部３１の計測動作（計測値）が適正かどうかを、改質温度検出部２１の反応温度と電圧検出部２８の発電電圧の変化を運転制御部１６で判断し制御する例で説明したが、これに限られない。例えば、空気流量計測部３１の計測動作に応じて、予め改質温度検出部２１で検出する反応温度に反応温度閾値、電圧検出部２８で検出する発電電圧に電圧閾値を設けて制御してもよい。具体的には、運転制御部１６は、反応温度閾値および電圧閾値を上回る場合、または反応温度閾値および水蒸気温度閾値を下回る場合、空気流量計測部３１の計測動作が予め設定される適正計測動作の範囲外と判断して燃料電池発電システム１００の運転を停止させる制御をする。ここで、反応温度閾値や電圧閾値は、水素生成装置１において、燃焼部２での燃焼状態が不安定となる燃焼用空気の流量と、反応温度および発電電圧との関係を、予め測定して設定されるものである。例えば、燃焼用空気の流量が多くなり希薄燃焼して燃焼排ガス中の一酸化炭素量が増加する、あるいは燃焼用空気の流量が少なくなり燃焼排ガス中の一酸化炭素量が増加するような燃焼用空気の流量である。
【００９７】
なお、上記各実施の形態では、改質温度検出部、燃焼検出部、水蒸気温度検出部および電圧検出部のすべてを含む構成の燃料電池発電システムを例に説明したが、これに限られず、少なくとも空気流量計測部の計測動作（計測値）が適正かどうかを判断する検出部を有する構成を適宜選択して構成してもよいことはいうまでもない。
【００９８】
また、上記各実施の形態では、改質部に選択酸化部を設けた例で説明したが、変成部で原料の一酸化炭素の濃度を燃料電池の動作に支障のない程度まで低減できる場合には、特に設けなくてもよい。これにより、改質部の構成や運転制御部の簡略化がはかれる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、高い安全性と信頼性が要望される燃料電池発電システムの技術分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムにおける改質部の要部断面図
【符号の説明】
【０１０１】
１    水素生成装置
２    燃焼部
３    水供給部
４    原料供給部
５    脱硫部
６    ガスインフラライン
７    脱硫接続部
８    燃料電池
９，９Ａ    封止部
１０  原料供給経路
１１  水素生成装置バイパス経路
１２  水素ガス供給経路
１３  燃料電池バイパス経路
１４  オフガス経路
１５  燃焼ガス供給経路
１６  運転制御部
１７  燃料電池空気ブロア
１８  燃焼空気供給部
１９  空気供給部
２０  水蒸気改質部
２１  改質温度検出部
２２  燃焼検出部
２３  水蒸気発生部
２４  水蒸気温度検出部
２５  変成部
２６  選択酸化部
２８  電圧検出部
３０  改質部
３１  空気流量計測部
１００  燃料電池発電システム
【図１】
2010135125.tif 000003
【図２】
2010135125.tif 000004