(57)【要約】  燃料電池発電システム１００は、炭化水素系の原料中の硫黄成分を吸着する吸着脱硫部５を着脱可能に保持する機構と、吸着脱硫部５を通過した原料から水素含有ガスを生成する改質部と、水素含有ガスを燃料として発電する燃料電池８と、吸着脱硫部５に供給する原料の流量を制御する原料供給部４と、原料供給部４および燃料電池８の動作を制御する運転制御部１６とを備え、運転制御部１６は、吸着脱硫部５の交換が検知されると、燃料電池８による発電電力の目標値に対する流量の比が、交換前における発電電力の目標値に対する流量の比よりも一時的に大きくなるように、原料供給部４および燃料電池８の動作のうち少なくとも一方を制御する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部を着脱可能に保持する機構と、
前記吸着脱硫部を通過した原料から水素含有ガスを生成する改質部と、
前記水素含有ガスを燃料として発電する燃料電池と、
前記吸着脱硫部に供給する前記原料の流量を制御する原料供給部と、
前記原料供給部および前記燃料電池の動作を制御する運転制御部と
を備え、
前記運転制御部は、
前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記燃料電池による発電電力の目標値に対する前記流量の比が、前記交換前における前記発電電力の目標値に対する前記流量の比よりも一時的に大きくなるように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記吸着脱硫部に供給される前記原料の積算流量を計測する積算流量計測部をさらに備え、
前記運転制御部は、
前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記原料の積算流量の計測を開始するように前記積算流量計測部の動作を制御し、
前記積算流量計測部で計測された積算流量が予め設定される量に達すると、前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池による積算発電電力量を計測する積算発電電力計測部をさらに備え、
前記運転制御部は、
前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記積算発電電力量の計測を開始するように前記積算発電電力計測部の動作を制御し、
前記積算発電電力計測部で計測された積算発電電力量が予め設定される量に達すると、前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記予め設定される量は、前記吸着脱硫部における炭化水素の吸着量を飽和させるために必要な前記原料の流通量によって決められている請求項２または３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部が交換された後の流量を、前記交換前における流量よりも増加させるように前記原料供給部の動作を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記増加させる流量は、前記吸着脱硫部の前記炭化水素成分の吸着特性と前記原料の積算流量とに基づいて決められる請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記交換前の流量は、起動開始後、予め規定されたプログラムに従って変化するように制御されている請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記発電電力の目標値が交換前の目標値よりも低くなるように前記燃料電池の動作を制御する請求項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、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記発電電力の目標値が交換前の目標値よりも低くなるように前記燃料電池から得られる電流量を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換後における前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に段階的に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
吸着脱硫部の交換信号を出力する交換信号出力部をさらに備え、
前記運転制御部は、前記交換信号に基づいて、前記吸着脱硫部が交換されたことを検知する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記吸着脱硫部は、ゼオライトを主成分とする吸着除去剤を有する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
硫黄成分を含む炭化水素系の原料を、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部に導入した後、前記吸着脱硫部を通過した原料と水との改質反応から水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池を用いた燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された流量で、前記吸着脱硫部に前記原料を導入する燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項１４】
硫黄成分を含む炭化水素系の原料を、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部に導入した後、前記吸着脱硫部を通過した原料と水との改質反応から水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池を用いた燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された発電電力で、前記燃料電池の発電を行う燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型でも高効率発電が可能な燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電システムのキーコンポーネントとして開発が進められている。発電に必要な燃料となる水素ガスの供給システムは、一般的なインフラ（ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）として整備されていないので、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料（炭化水素系ガス）を利用して水素含有ガスを生成させる改質器が燃料電池に併設される。【０００３】
既存のインフラから供給される都市ガスやプロパンガスには、通常、ＣＨ3ＳＣＨ3や（ＣＨ3）3ＣＳＨ等の硫黄化合物に代表される付臭剤が、概ね数ｐｐｍ程度の体積濃度で添加されている。これは、インフララインの配管等からのガス漏れを検知するためである。しかし、これらのガスに付臭剤として含まれる硫黄化合物は、改質器に使用される触媒の被毒成分となる。従って、触媒の硫黄被毒の影響を抑えるためには、都市ガスやプロパンガスなどの原料を改質器に供給する前に、これらの原料から硫黄化合物を除去する必要がある。【０００４】
特許文献１には、改質器に供給される前に原料から硫黄化合物を除去することを目的として、ゼオライト系の吸着除去剤を用いた吸着脱硫部によって原料中の硫黄化合物を吸着除去させることが提案されている。【０００５】
ゼオライト系の吸着除去剤を用いた吸着脱硫部では、硫黄化合物の吸着容量が小さいので、改質器に用いる触媒の硫黄被毒の影響を十分に抑えるためには、吸着脱硫部を一定期間毎に交換する必要がある。例えば本出願人による特許文献２には、燃料電池発電システムに着脱可能な吸着脱硫部を用いることが記載されており、原料ガスの積算通過量に基づいて吸着脱硫部の交換時期を判定することが提案されている。また、特許文献３には、各家庭や施設に設置された複数の燃料電池発電システムをネットワーク化して、吸着脱硫部の交換時期を判定する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−２２８０１６号公報
【特許文献２】特開２００６−８４５９号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ゼオライト系の吸着除去剤を用いた吸着脱硫部に、プロパンガスや都市ガスなどの炭化水素系原料（以下、単に「原料」ともいう）を通過させると、ゼオライト系の吸着除去剤は、原料中の硫黄成分（硫黄化合物を含む）以外に炭化水素成分も吸着する。特に、原料をほとんど通過させていない新しい吸着脱硫部の炭化水素成分の吸着率は高く、通過させる原料の積算流量（流通量）が多くなるにつれて、炭化水素成分の吸着率は低くなる。吸着脱硫部に吸着された炭化水素成分が所定量に達すると（飽和）、吸着脱硫部は炭化水素成分をほとんど吸着しなくなる。そのため、燃料電池発電システムで使用していた吸着脱硫部を新しい吸着脱硫部に交換した直後の運転時には、新しい吸着脱硫部に原料中の炭化水素成分の一部が吸着されてしまう。この吸着を考慮しないで燃料電池発電システムの運転を継続させると、吸着脱硫部を交換する前の運転時よりも改質器における水素含有ガスの生成量が少なくなるので、必要な発電電力が得られないおそれがある。【０００７】
また、改質器には、通常、改質反応を生じさせるための加熱源が設けられているが、その加熱源に水素オフガスを用いる場合がある。「水素オフガス」とは、燃料電池に供給された水素ガスのうち燃料電池で消費されずに排出される水素ガスをいう。このような場合、吸着脱硫部による炭化水素成分の吸着によって水素含有ガスの生成量が減少すると、燃料電池に供給される水素ガスの量も減少し、その結果、改質器の加熱源として利用される水素オフガスの量も減ってしまう。そのため、改質反応に必要な熱量が得られなくなる可能性もある。【０００８】
従って、吸着脱硫部の交換後、燃料電池発電システムの運転を正常に継続できないという問題があった。【０００９】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、着脱可能な吸着脱硫部を用いた燃料電池発電システムにおいて、吸着脱硫部を交換した直後にも安定的に運転させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池発電システムは、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部を着脱可能に保持する機構と、前記吸着脱硫部を通過した原料から水素含有ガスを生成する改質部と、前記水素含有ガスを燃料として発電する燃料電池と、前記吸着脱硫部に供給する前記原料の流量を制御する原料供給部と前記原料供給部および前記燃料電池の動作を制御する運転制御部とを備え、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記燃料電池による発電電力の目標値に対する前記流量の比が、前記交換前における前記発電電力の目標値に対する前記流量の比よりも一時的に大きくなるように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する。【００１１】
ある好ましい実施形態において、前記吸着脱硫部に供給される前記原料の積算流量を計測する積算流量計測部をさらに備え、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記原料の積算流量の計測を開始するように前記積算流量計測部の動作を制御し、前記積算流量計測部で計測された積算流量が予め設定される量に達すると、前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する。【００１２】
ある好ましい実施形態において、前記燃料電池による積算発電電力量を計測する積算発電電力計測部をさらに備え、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記積算発電電力量の計測を開始するように前記積算発電電力計測部の動作を制御し、前記積算発電電力計測部で計測された積算発電電力量が予め設定される量に達すると、前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する。【００１３】
前記予め設定される量は、前記吸着脱硫部における炭化水素の吸着量を飽和させるために必要な前記原料の流通量によって決まることが好ましい。【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部が交換された後の流量を、前記交換前における流量よりも増加させるように前記原料供給部の動作を制御する。【００１５】
前記増加させる流量は、前記吸着脱硫部の前記炭化水素成分の吸着特性と前記原料の積算流量とに基づいて決められてもよい。【００１６】
前記交換前の流量は、起動開始後、予め規定されたプログラムに従って変化するように制御されていてもよい。【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記発電電力の目標値が交換前の目標値よりも低くなるように前記燃料電池の動作を制御する。【００１８】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記発電電力の目標値が交換前の目標値よりも低くなるように前記燃料電池から得られる電流量を制御してもよい。【００１９】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換後における前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に段階的に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御してもよい。【００２０】
吸着脱硫部の交換信号を出力する交換信号出力部をさらに備え、前記運転制御部は、前記交換信号に基づいて、前記吸着脱硫部が交換されたことを検知してもよい。【００２１】
前記吸着脱硫部は、ゼオライトを主成分とする吸着除去剤を有することが好ましい。【００２２】
本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部に導入した後、前記吸着脱硫部を通過した原料と水との改質反応から水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池を用いた燃料電池発電システムの運転方法であって、前記吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された流量で、前記吸着脱硫部に前記原料を導入する。【００２３】
本発明の他の燃料電池発電システムの運転方法は、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部に導入した後、前記吸着脱硫部を通過した原料と水との改質反応から水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池を用いた燃料電池発電システムの運転方法であって、前記吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された発電電力で、前記燃料電池の発電を行う。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、吸着脱硫部を交換した直後においても、吸着脱硫部の交換前と同様に、設定される発電電力に対して必要な水素含有ガス量を確保できるので、燃料電池発電システムを安定的に運転させることができ、信頼性を向上できる。【００２５】
また、本発明による燃料電池発電システムの運転方法では、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて、吸着脱硫部に導入する原料の流量や燃料電池の発電電力を制御するので、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率にかかわらず安定して連続運転させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】新しい吸着脱硫部の入口側および出口側の流量比の測定結果を示すグラフである。
【図２】新しい吸着脱硫部を通過する前および通過した後の原料組成の測定結果を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態の燃料電池発電システムの構成図である。
【図４】本発明による原料流量の制御パターンの概略図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における運転制御部による制御プログラムのフローチャートである。
【図６】発電出力の制御パターンの一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
２  燃焼部
３  水供給部
４  原料供給部
５  吸着脱硫部
６  ガスインフラライン
７  接続部
８  燃料電池
９  ガス切り替え部
１０  原料供給経路
１１  改質器バイパス経路
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  入力部
１８  燃焼ファン
１９  空気供給部
３０  改質器
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明者は、吸着脱硫部の交換に起因する上記問題を検討するために、新しい吸着脱硫部の吸着特性の測定を行った。その方法および測定結果を説明する。【００２９】
測定は、原料との接触のほとんどないゼオライト系の吸着脱硫剤が充填された吸着脱硫部を用いて行った。吸着脱硫部における吸着脱硫剤の充填量は約４００ｇ（乾燥重量）とした。また、吸着脱硫部を通過させる原料として、大阪ガス（株）のガスインフラライン６から供給される都市ガス１３Ａを用いた。表１に、本測定で用いた大阪ガス（株）の１３Ａの組成（大阪ガス（株）提供のＭＳＤＳを参照）を示す。【００３０】
【表１】
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【００３１】
この吸着脱硫部を、後述するような燃料電池発電システムに設置し、燃料電池の発電電力の目標値を１ｋＷ近傍に設定して、１ｋＷ近傍の発電に必要な１３Ａ流量となる４Ｌ／ｍｉｎ（２０℃、１気圧換算）で吸着脱硫部に上記原料を流通させた。このとき、吸着脱硫部を通過する前の原料の流量（入口側流量）と、吸着脱硫部を通過した後の原料の流量（出口側流量）とを測定し、入口側流量に対する出口側流量の比（以下、単に「流量比」という）を求めた。【００３２】
測定結果を図１に示す。図１は、流通時間または原料の流通量（積算流量）に対する流量比の変化を表すグラフである。この結果からわかるように、吸着脱硫部を交換した直後のシステムの運転開始時では、吸着脱硫部で原料中の炭化水素成分の一部が吸着され、吸着脱硫部を通過した後の原料の流量（出口側流量）が通過する前の原料の流量（入口側流量）よりも減少するので、流量比（出口側流量／入口側流量）は１よりも小さくなる。燃料電池発電システムでは、吸着脱硫部を通過した後の原料が改質器に供給され、ここで水素含有ガスが生成される。従って、流量比が１より小さいと、炭化水素成分が吸着されない場合（流量比＝1）と比べて、改質器で生成される水素含有ガス量が減少する。【００３３】
また、図１に示すように、吸着脱硫部を流通させた原料の積算流量が増加すると流量比は徐々に１に近づく。これは、原料の積算流量の増加に伴って、原料中の炭化水素成分が吸着脱硫部で吸着される量が減少することを意味する。積算流量がさらに増加して所定の量に達した後は流量比は略１になる。これは、吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着量が飽和したためと考えられる。本明細書では、炭化水素成分に対する吸着量を飽和させるために必要な積算流量を「吸着飽和流通量」と呼ぶ。この測定結果から、ここで用いた吸着脱硫部の吸着飽和流通量は例えば約７００Ｌであることがわかる。【００３４】
続いて、上記測定で用いた吸着脱硫部と同様の吸着脱硫部を用い、吸着脱硫部を通過させた後の原料の定性および定量分析を行ったので、その方法および結果を説明する。【００３５】
まず、吸着脱硫部を通過させる前の原料（脱硫前原料サンプル）Ｎ０に対する分析を行った。その後、吸着脱硫部に上記と同様の流量で原料を通過させ、吸着脱硫部を通過させた原料の積算流量が２４０Ｌ、４８０Ｌおよび７２０Ｌに達した時点で、それぞれ、吸着脱硫部を通過した後の原料（脱硫後原料サンプル）Ｎ１、Ｎ２およびＮ３の分析を行った。脱硫前原料サンプルＮ０および脱硫後原料サンプルＮ１〜Ｎ３に対する定量分析は、原料をサンプリングした後、ガスクロマトグラフィーを用いて行った。なお、これらの原料サンプルの成分の分析（定性分析）は、一般的に用いられる都市ガスの可燃性ガス成分分析と同様の方法で行ったので、その方法の説明は省略する。【００３６】
分析結果を図２に示す。図２は、脱硫前原料サンプルＮ０および脱硫後原料サンプルＮ１〜Ｎ３に含まれる炭化水素（メタン、エタン、プロパンおよびブタン）の相対濃度を示すグラフである。「相対濃度」は、各原料サンプルに含まれる炭化水素の濃度の、脱硫前原料サンプルＮ０に含まれるその炭化水素の濃度に対する割合である。【００３７】
図２に示す測定結果から、吸着脱硫部に原料を通過させ始めた直後に、都市ガスの主成分であるメタンの吸着量が飽和するが、分子中に炭素数の多いプロパンやブタンの吸着量は、ある程度の量の原料を吸着脱硫部に流通させた後に飽和に達することがわかる。【００３８】
上述した２つの測定による結果（図１および図２）を比較したところ、以下のことが確認される。積算流量が２４０Ｌに達するまで原料を吸着脱硫部に通過させると、図１に示すように、ガス流通比は約０．９６（流通時間：６０ｍｉｎのデータ）となり、吸着脱硫部を通過させる前の原料の約４％が吸着される。一方、図２に示すように、積算流量が２４０Ｌに達した時には、原料中のプロパンおよびブタンのほぼ全量が吸着脱硫部で吸着される。なお、表１に示すように、プロパンおよびブタンの２つの成分量の和は、体積基準で４．３％である。よって、積算流量が２４０Ｌに達した時には、吸着脱硫部によって原料中のプロパンおよびブタンのほぼ全量が吸着され、その体積相当分だけ原料の流量が減少しており、図１および図２に示す測定結果と表１の成分表とが整合していることがわかる。【００３９】
このように、新しい吸着脱硫部が燃料電池発電システムに設置されると、システムの運転開始時には、吸着脱硫部で原料の炭化水素成分の一部が吸着されるので、吸着脱硫部を通過させた後の原料Ｎ１の流量は通過させる前の原料Ｎ０の流量よりも減少する。その後、さらに原料を吸着脱硫部に流通させていくと、分子中に炭素数が少ない炭化水素成分の吸着量から順次飽和に達していくので、図１に示されるように吸着量が少なくなり、流量比は１に近づく。しかし、炭素数が２以上の成分（エタン、プロパン、ブタン）は、メタンよりも同一体積あたりの水素発生量が大きいので、これらの成分が吸着されると、吸着による体積減少率以上に水素含有ガス発生量が低下する。例えば、積算流量が２４０Ｌの時は、上記のように原料の体積は約４％減少するが、これを体積基準で発生可能な水素ガス量に換算すると約１０％の減少となる。従って、吸着脱硫部を通過させる前の原料流量を基準として発電電力を設定し、燃料電池で発電を行うと、燃料電池で必要となる水素量に対して実際の水素ガス発生量が不足する。その結果、発電状態が不安定になったり、あるいは改質器の燃焼部に供給される水素オフガス量が低下し、改質反応に必要な熱量を供給できなくなることがわかる。【００４０】
本発明は、上述したような測定結果および検討結果を踏まえてなされたものであり、原料に含まれる炭化水素成分のうち吸着脱硫部で吸着される量を考慮して、吸着脱硫部に供給する原料の流量と発電電力の目標値との比を制御することを特徴としている。これにより、吸着脱硫部の交換後も発電に必要な水素含有ガスをより確実に確保することが可能になる。【００４１】
本発明による好ましい実施形態における燃料電池発電システムは、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を用いて発電を行うシステムであり、上記原料から硫黄成分を除去するために、硫黄成分を吸着する吸着脱硫部を用いる。吸着脱硫部は、燃料電池発電システムに設けられた保持機構に着脱可能に保持され、硫黄成分に対する吸着能力が低下したならば、適宜新しい吸着脱硫部と交換される。なお、吸着脱硫部は、ゼオライトを主成分とする吸着脱硫剤を有することが好ましい。ゼオライト系の吸着脱硫剤を用いると、常温で脱硫でき、かつ、取り扱いが簡便で、吸着脱硫剤の交換も容易である。【００４２】
この燃料電池発電システムは、吸着脱硫部を通過させた原料を用いて水素含有ガスを生成する改質部と、水素含有ガスを燃料として発電する燃料電池と、吸着脱硫部に供給する原料の流量（以下、単に「原料流量」ともいう）を制御する原料供給部と、運転制御部とを備えている。運転制御部は、吸着脱硫部の交換が検知されると、燃料電池による発電電力の目標値に対する原料流量の比が、交換前における発電電力の目標値に対する流量の比よりも一時的に大きくなるように、少なくとも原料供給部および燃料電池の動作のいずれかを制御する。【００４３】
本明細書において、「原料流量と発電電力の目標値との比」は、発電電力の目標値に対する原料流量の割合を意味しており、例えば発電電力の目標値が１ｋＷのときに（単に「１ｋＷ発電時」ともいう）必要な原料流量を４ＮＬ／ｍｉｎ（０℃、１気圧換算）とすると、４ＮＬ／（ｍｉｎ・ｋＷ）となる。なお、上記比の定義は、上記のように原料流量と発電電力の目標値との関係を一定の基準で示す値であればよい。例えば、原料流量および発電電力の目標値のエネルギー換算の比を用いてもよく、その場合、比の単位を無次元化することができる。【００４４】
上記の燃料電池発電システムによると、吸着脱硫部の交換後に一定期間、すなわち吸着脱硫部が硫黄成分以外に無視できない量の炭化水素成分を吸着するとき、発電電力の目標値に対する原料流量の比を吸着脱硫部の交換前（以下、「通常時」ともいう）よりも増加させるので、十分な量の炭化水素成分を改質部に安定して供給することができ、発電電力の目標値を得るために必要な水素含有ガスを確保できる。従って、従来よりも水素不足による発電電力の変動の小さい運転が可能になる。なお、上記の比を増加させるためには、原料流量を増加させてもよいし、目標の発電電力を低下させてもよい。あるいは、その両方を行うこともできる。【００４５】
発電電力の目標値に対する原料流量の比を通常時に戻すタイミングは、システムで使用しようとする吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着特性と、システムの運転条件（通常時の原料流量や発電電力など）によって変わる。例えば、吸着脱硫部に供給される原料の積算流量が予め設定される量に達すると、原料流量または発電電力の目標値を通常時に戻すように制御してもよい。代わりに、燃料電池による積算発電電力量が予め設定される量に達すると、原料流量または発電電力の目標値を通常時に戻すように制御してもよい。さらには、運転開始から原料流量または発電電力の目標値を通常時に戻すまでの時間を予め設定しておくこともできる。何れの場合でも、「予め設定される量（時間）」は、炭化水素成分の吸着量を飽和させるために必要な原料の流通量（吸着飽和流通量）に基づいて設定され得る。なお、吸着飽和流通量は、吸着脱硫部に含まれる吸着剤の種類や量によって変わるため、使用しようとする吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着率を測定し、その結果から予め求めることができる。なお、炭化水素成分に対する吸着率は、前述した方法と同様の方法で、吸着脱硫部に対する原料の流通量と、吸着脱硫部の入口側流量に対する出口側流量の比（流量比）との関係を測定することによって求めてもよい。【００４６】
また、吸着脱硫部の交換後の運転時において、原料流量を増加させる割合または発電電力を低下させる割合は、吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着率に基づいて予め決められてもよい。ここでいう「原料流量の増加させる割合」とは、通常時原料流量に対する原料流量の増加量の割合をいい、「発電電力を低下させる割合」は、通常時の発電電力の目標値に対する発電電力の目標値の低下量の割合をいう。これにより、吸着脱硫部で吸着された炭化水素成分の量に応じて原料流量または発電電力の目標値をより厳密に補正できるので、発電電力の目標値に対して水素含有ガスの生成量が少なくなりすぎて目標の発電電力が得られなかったり、逆に、水素含有ガスの生成量が多くなりすぎて、目標の発電電力に必要な量以上の水素が消費されエネルギー効率の低い条件で運転することを効果的に防止できる。【００４７】
上記原料流量を増加させる割合または発電電力を低下させる割合を、吸着脱硫部を通過させた原料の積算流量に応じて変化させてもよい。この場合、原料の積算流量が吸着飽和流通量に近づくにつれて、上記割合が小さくなる。なお、積算流量と上記割合との関係は、使用しようとする吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着率の測定結果に基づいてテーブル化され、燃料電池発電システムに予め入力されていてもよい。【００４８】
一方、本発明による好ましい実施形態の燃料電池発電システムの運転方法は、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された流量で、吸着脱硫部に原料を導入することを特徴としている。または、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された発電電力で、燃料電池の発電を行うことを特徴としている。これにより、吸着脱硫部による炭化水素成分の吸着に起因して水素含有ガスの生成量や燃料電池の出力が低下することを抑制できるので、システムをより安定的に運転させることができる。【００４９】
以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態をより具体的に説明する。【００５０】
（第１の実施形態）
〈燃料電池発電システムの構成〉
図３は、本発明による第１の実施形態の燃料電池発電システムの構成図である。燃料電池発電システム１００は、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、原料に含まれる硫黄成分を吸着する吸着脱硫部５と、吸着脱硫部５を通過させた後の原料と水蒸気との改質反応を主に進行させて水素含有ガスを生成させる改質部（「水蒸気改質部」ともいう）を有する改質器３０と、改質器３０から水素ガス供給経路１２を介して供給される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池８と、吸着脱硫部５に供給される原料の流量（原料流量）を制御するための原料供給部４と、原料供給部４および燃料電池８の動作を制御する運転制御部１６とを備えている。【００５１】
吸着脱硫部５に供給される炭化水素系の原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水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等である。ここでは、原料の供給源として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に吸着脱硫部５が接続されている。吸着脱硫部５は、上流側および下流側に配置された接続部７に着脱可能な形状を有しており、一定期間の使用によって吸着脱硫部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すると、新しい吸着脱硫部に交換される。本実施形態における吸着脱硫部５には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着するゼオライト系吸着除去剤が充填されている。【００５２】
吸着脱硫部５を通過した後の原料は、原料供給経路１０を介して改質器３０に供給される。改質器３０には、改質器３０の水蒸気改質部に水を供給する水供給部３が接続されている。本実施形態における水供給部３は、流量調節機能を有するポンプを有しており、燃料電池発電システム内で回収され、活性炭及びイオン交換樹脂で浄化された水を水蒸気改質部に供給する。改質器３０には、さらに、改質反応に必要な反応熱を水蒸気改質部に供給するための燃焼部（バーナー）２、および、燃焼部２に燃焼用空気を供給する燃焼ファン１８が設けられている。図示しないが、本実施形態における改質器３０は、原料と水蒸気との改質反応を進行させる水蒸気改質部の他に、水蒸気改質部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変成部と、空気供給部１９から供給される空気を用いて、変成部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主に酸化させて除去する選択酸化部とを有している。水蒸気改質部、変成部および選択酸化部の構成は、一般的な構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。【００５３】
原料供給部４は、吸着脱硫部５の上流側に配置され、ガスインフラライン６から吸着脱硫部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、吸着脱硫部５に供給される原料の流量を制御できればよく、吸着脱硫部５の下流側、例えば吸着脱硫部５と改質器３０とを接続する原料供給経路１０に配置されていてもよい。このとき、吸着脱硫部５を通過させる原料の積算流量と、吸着脱硫部５の炭化水素成分の吸着特性との関係をテーブル化しておくことにより、吸着脱硫部５に対する原料の流入量をより正確に制御できる。【００５４】
本実施形態では、原料供給部４はブースターポンプを有しており、例えば入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、吸着脱硫部５に供給される原料の流量を調節できる。【００５５】
改質器３０と燃料電池８とを接続する水素ガス供給経路１２には、ガスの流れを調節するガス切り替え部９が設けられている。ガス切り替え部９は、原料供給経路１０からのバイパス経路となる改質器バイパス経路１１と接続されている。一方、燃料電池８には、発電時に未使用となる水素オフガスを排出するオフガス経路１４が設けられ、燃料電池バイパス経路１３とともに、燃焼部２に接続される燃焼ガス供給経路１５に接続されている。燃料電池８の構成は、一般的に用いられる固体高分子型の燃料電池の構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。【００５６】
運転制御部１６は、改質器３０の水素含有ガスの生成動作や燃料電池８の発電動作を制御する制御部であり、ここでは、原料供給部４から改質器３０に供給される原料の供給量、水供給部３から改質器３０に供給される水の供給量および燃料電池８の出力などの制御を行う。なお、運転制御部１６は、半導体メモリーやＣＰＵ等により、燃料電池発電システム１００の運転動作シーケンス、原料積算流量など運転情報等を記憶し、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等のシステム運転に必要な構成に動作条件を指示することができる。また、運転制御部１６には、燃料電池発電システム１００に対する運転指示信号や吸着脱硫部５の交換信号等を入力するための入力部１７が接続されている。従来のシステムでは、運転指示信号を入力する入力部が使用されているが、本実施形態における入力部１７は、運転指示信号に加えて交換信号も入力できる点で、従来のシステムで使用される入力部と異なっている。例えば、入力部１７はタッチパネルを備えており、メンテナンス業者やユーザーは、必要に応じて、タッチパネルから運転指示信号や交換信号を入力してもよい。【００５７】
図示しないが、燃料電池発電システム１００では、吸着脱硫部５の交換信号が運転制御部１６に出力される。交換信号は、例えばシステムのメンテナンス業者が入力部１７に入力した信号に基づいて出力されてもよい。または、吸着脱硫部５を保持する機構（例えば接続部７）などに吸着脱硫部５の交換を検知するための脱硫部交換検知部（接点スイッチやセンサなど）を設け、脱硫部交換検知部によって交換が検知されると、交換信号を生成して運転制御部１６に出力することもできる。【００５８】
本実施形態では、燃料電池発電システムの起動の一工程である改質器３０の起動時（起動期間）には、ガス切り替え部９を動作させることにより、水素ガス供給経路１２から、燃料電池バイパス経路１３および燃焼ガス供給経路１５を介して、改質器３０で生成した水素含有ガスを燃焼部２へ供給する。改質器３０を起動させた後は、燃料電池８の発電時に余剰になった水素オフガスを、オフガス経路１４から燃焼ガス供給経路１５を介して改質器３０の燃焼部２へ供給する。また、原料を直接燃焼部２で燃焼させることが必要な場合には、改質器バイパス経路１１を用いて、改質器３０を通過させることなく、吸着脱硫部５を通過した原料を燃焼部２や燃料電池８へ供給できるように構成されている。【００５９】
〈通常時の燃料電池発電システムの動作〉
次に、燃料電池発電システム１００の通常時の運転動作を説明する。【００６０】
停止状態から燃料電池発電システム１００を起動させる場合、まず、燃料電池発電システム１００のガス流路に設置されているバルブ等（詳細は図示せず）を適宜閉め、各ガス流路等からのガス漏れの有無をチェックする動作を行う。ガス漏れがない場合は、改質器３０の起動を行う。運転制御部１６からの指令により、改質器３０を通過させた原料を燃焼部２に供給し、燃焼部２で原料に着火して水蒸気改質部の加熱を開始する。【００６１】
この時、水供給部３を動作させて改質器３０に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供給部３からの水の供給量は、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モル程度になるように制御される（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。改質器３０では、水蒸気改質反応、変成反応、一酸化炭素の選択酸化反応を進行させ、一酸化炭素濃度を体積濃度で約２０ｐｐｍ以下まで低減させた水素含有ガスを生成する。【００６２】
続いて、生成された水素含有ガスを、水素ガス供給経路１２を通して燃料電池８に供給し、発電運転を行う。通常の発電運転時には、運転制御部１６によって原料供給部４の動作を制御して、改質器３０に燃料電池８の発電量（目標値）に対して予め設定された流量で原料を供給し、生成された水素含有ガスを燃料電池８に供給する。【００６３】
一方、燃料電池発電システム１００の発電運転を停止させる場合には、改質器３０への原料および水の供給を停止させ、改質器３０の水蒸気改質部、変成部、選択酸化部の各触媒層の温度を低下させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させた後、改質器３０に原料を供給し、改質器３０のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する。この時、改質器３０の内部から置換される水素含有ガスは、燃焼部２に通気して燃焼させる。なお、燃料電池８のガス経路内部に残留する水素含有ガスは、改質器３０と同様に原料で置換する動作を行う。【００６４】
〈吸着脱硫部交換直後の燃料電池発電システムの動作〉
次に、吸着脱硫部５を交換した後の燃料電池発電システム１００の運転方法を説明する。【００６５】
前述したように、吸着脱硫部５に用いる吸着除去剤は、硫黄化合物以外にも、原料中の炭化水素成分を吸着する。特に本実施形態で用いたゼオライト系の吸着除去剤は、炭化水素系の原料を吸着する傾向が大きく、吸着脱硫部に原料を通過させ始めた状態（原料の流通初期）には多量の原料を吸着する。従って、ほとんど原料を流通させていない吸着脱硫部（新しい吸着脱硫部）５を接続部７に接続すると、その直後の運転時には吸着脱硫部５で原料中の炭化水素成分の一部が吸着されてしまう。この状態で燃料電池発電システム１００を運転させると、改質器３０での水素含有ガスの生成量が少なくなるので、水素不足により発電電力が少なくなる。また、水素オフガスを改質器３０の加熱源に用いる場合には、改質反応に必要な熱量が得られなくなり、燃料電池発電システム１００の正常運転の継続が困難となる。【００６６】
そこで、本実施形態では、吸着脱硫部５での炭化水素成分の吸着量が多い期間は、吸着脱硫部５に、吸着脱硫部５に供給される原料の流量と発電電力との比が、吸着脱硫部５を交換する前の原料流量と発電電力の目標値との比に対して大きくなるように、原料供給部４および燃料電池８の動作の少なくとも一方を制御する。具体的には、吸着脱硫部５における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された流量、あるいは発電電力で燃料電池発電システムを運転する。【００６７】
特に、吸着脱硫部５が新しい吸着脱硫部５に交換されたとき、例えば吸着脱硫部５の交換が検知されたとき、上記のように運転することにより、燃料電池発電システムを安定的に動作させることができる。吸着脱硫部５が交換された場合の運転方法をさらに具体的に説明すると、まず、メンテナンス業者などが吸着脱硫部５を交換する際に入力部１７から交換信号を入力する。入力された交換信号は運転制御部１６に送られる。運転制御部１６は交換信号を受け取ると、原料供給部４の動作を制御して原料流量を多くするか、燃料電池８の出力または燃料電池８から得られる電流量を制御して、原料流量と発電電力の目標値との比を吸着脱硫部５の交換前よりも大きくする。例えば、燃料電池８から得られる電流量に上限値を設け、その上限値を上回らないようにすることにより、燃料電池８の出力を制御する。電流量を制御することは、燃料電池８でのプロトン移動量を制御することであり、燃料電池８での水素の消費量を制御することになる。なお、燃料電池８から得られる電流量は、燃料電池８で発電を行う際の水素の消費量と略一致する。【００６８】
その結果、吸着脱硫部５の交換の前後で原料流量と発電電力の目標値との比を変えない場合よりも原料の供給量を増加させることができるので、吸着脱硫部５を通過した後、改質器３０に供給する原料の流量を十分確保することができる。よって、燃料電池発電システム１００の発電運転に必要な水素含有ガスの生成量を確保できる。【００６９】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１００は、以下のような利点も有する。従来の燃料電池発電システムによると、上記のように原料の吸着により改質器３０に供給される原料の組成が変化すると、改質器３０に供給される原料中の炭素成分と、水供給部３から改質器３０に供給される水との割合（スチームカーボン比）にずれが生じるという問題もあった。すなわち、原料中の炭化水素成分が吸着されると、炭素成分の量が減少するため、スチームカーボン比が増加し、その結果、改質器３０から供給される水素含有ガスのガス露点が高くなる。ガス露点が増加すると、ガス流路におけるフラッディングにより燃料電池発電システムの動作が不安定になるおそれがある。これに対し、本実施形態では、発電電力の目標値に対する原料流量の比が、吸着脱硫部５の交換前に設定される比よりも大きくなるように原料供給部４の動作を制御することにより、目標とする発電電力に必要な原料流量が改質器３０に供給されるので、スチームカーボン比のずれを修正することができる。なお、スチームカーボン比を一定に保つ観点から、発電電力の目標値に対する原料流量の比が、吸着脱硫部５の交換前に設定される比よりも大きくなるように原料供給部４の動作を制御する場合、改質器３０への水の供給量は、吸着脱硫部５の交換前に設定されていた発電電力の原料流量に対して決定されることが好ましい。【００７０】
さらに、本実施形態は、燃料電池８の発電電力に対する原料流量の上限値が設定された燃料電池発電システムに適用されると特に有利である。従来、原料流量の上限値が予め設定されたシステムでは、吸着脱硫部に供給される炭化水素成分の量が、予め設定された原料流量の上限値に含まれる炭化水素成分の量を上回ってしまう可能性があり、水素含有ガスの生成量の低下が特に問題となっていた。このようなシステムに本実施形態を適用すると、吸着脱硫部の吸着特性に基づいて原料流量の上限値が補正されるので、発電電力の目標値に対して水素含有ガスの生成量が不足することをより効果的に防止できる。【００７１】
燃料電池発電システム１００では、通常の運転時における発電電力の目標値に対する原料流量の比は、予め設定されていることが好ましい。なお、燃料電池発電システムのエネルギー効率を考慮すると、上記比は発電電力に対して一定の値とならない場合が多い。例えば、同じ燃料電池発電システムであっても、１ｋＷ発電時と７５０Ｗ発電時とではエネルギー効率が異なるので、発電電力の目標値に対する原料流量の比も相違する。従って、燃料電池発電システムの運転を安定化させるには、発電電力の目標値ごとに、その目標値に対する原料流量とを予め運転制御部１６に設定しておくことが好ましい。例えば、１ｋＷ発電時の原料流量を４ＮＬ/ｍｉｎ、７５０Ｗ発電時の原料流量を３．１ＮＬ/ｍｉｎというようにテーブル化し、運転制御部１６に設定しておくことができる。【００７２】
一方、吸着脱硫部５の交換後における発電電力の目標値と原料流量との比は、上記の通常の運転時の比を基準として、吸着脱硫部５の炭化水素成分に対する吸着率を考慮して決められることが好ましい。さらに、原料の組成から生成できる水素含有ガス量を考慮した原料流量を基準に設定されることが好ましい。そのためには、燃料電池発電システムで使用しようとする吸着脱硫部５の炭化水素成分に対する吸着特性を予め求めておく必要がある。【００７３】
本実施形態では、図１を参照しながら前述したような測定により吸着脱硫部５の吸着特性を求め、吸着脱硫部５の通過により減少する原料の量を補償するように、原料流量と発電電力の目標値との比を設定している。以下に、その具体例を説明する。【００７４】
吸着脱硫部５を交換する前の運転時（通常運転時）、すなわち原料中の炭化水素成分の吸着がほとんど生じない吸着脱硫部５が接続部７に接続されている場合、発電電力の目標値を１ｋＷ、原料流量を４ＮＬ／ｍｉｎとすると、発電電力の目標値に対する原料流量の比は４ＮＬ／（ｍｉｎ・ｋＷ）となる。また、吸着脱硫部５の交換後、交換した吸着脱硫部５に約２４０Ｌの原料を通過させた（積算流量：約２４０Ｌ）時点では、上述した測定結果より、１ｋＷ発電に必要な水素含有ガスを確保するために約１０％の原料流量を増加させる必要があるので、上記比を４．４ＮＬ／（ｍｉｎ・ｋＷ）と設定する。なお、ここでは、積算流量が約２４０Ｌの時点での発電電力の目標値に対する原料流量の比の設定例を説明したが、同様に、吸着脱硫部５の交換直後や、積算流量が約２４０Ｌと異なる時点における発電電力の目標値に対する原料流量の比も、吸着脱硫部５における原料の吸着量の測定結果から適宜設定できる。【００７５】
本実施形態において、吸着脱硫部５に含まれるゼオライト系の吸着脱硫剤は特に限定されないが、その種類によって原料中の炭化水素成分に対する吸着特性は変化する。従って、ゼオライト系の吸着脱硫剤の種類の異なる吸着脱硫部５を使用する際には、例えば上記と同様の方法でその吸着脱硫部５の炭化水素成分に対する吸着特性を予め測定しておき、得られた吸着特性に基づいて、原料流量、燃料電池８の出力または燃料電池８から得られる電流量を制御することが好ましい。このように、吸着脱硫部５の交換直後の燃料電池発電システムの運転条件を、使用する吸着脱硫剤毎に設定すると、吸着脱硫剤による炭化水素成分の吸着量をより確実に補償できるので有利である。【００７６】
一般的に吸着剤は、一定量の吸着物を吸着すると吸着が飽和する。図１に示されるように、本実施形態で用いた吸着脱硫剤も同様の傾向を示すので、所定量の原料を通過させることによって吸着脱硫剤で吸着される炭化水素成分の量は飽和に向かい、その結果、吸着脱硫部５を通過した後の原料の流量不足を解消できる。つまり、吸着脱硫部５の交換後、燃料電池発電システム１００を運転して一定期間原料を吸着脱硫部５に流すことにより、吸着脱硫部５を通過した後の原料の流量を安定化できる。吸着脱硫部５を通過した後の原料流量が安定化した後は、発電電力の目標値に対する原料流量の比を吸着脱硫部５を交換する前の比に戻すことが好ましい。例えば、吸着脱硫部５を通過させる原料積算流量、原料の消費量と相関のある燃料電池８での発電電力量の目標値等を適宜調整することにより、上記比を交換前の比まで低下させることができる。また、目安とする任意の原料積算流量を数点設定して、その原料積算流量に達する毎に上記比を一定値ずつ低下させてもよいし、原料積算流量と吸着脱硫部５における吸着量との関係を関数化し、その関数に基づいて上記比を低下させるように制御することもできる。なお、原料積算流量と燃料電池８の積算発電電力との間には相関関係があるので、上記の制御方法において、原料積算流量を積算発電電力に置き換えてもよい。【００７７】
また、吸着脱硫部５に供給される原料流量は、原料供給部４の動作を制御する電力指令値、燃料電池８により発電された積算電力量などを参考にして把握することができる。燃料電池発電システム内外に流量計を配置して、原料の積算流量を測定してもよい。図示しないが、吸着脱硫部５に供給される原料の積算流量は、例えば乾式または湿式の積算流量計を含む積算流量計測部によって測定される。なお、積算流量計測部は、原料流量および運転時間から積算流量を算出するように構成されていてもよい。原料流量は、流量計を用いて直接測定されてもよいし、原料供給部４の動作指示値（入力電力や入力周波数）から推測されてもよい。積算電力量や原料の積算流量が予め設定された値に達すると、原料流量と発電電力の目標値との比を吸着脱硫部５の交換前の比に戻すことにより、システムを安定的に運転できる。【００７８】
図４は、本実施形態の燃料電池発電システムにおける原料流量の制御パターンの一例を示すグラフであり、横軸はシステムの運転を開始してからの時間（運転時間）Ｔ、縦軸は原料流量を表している。図４に示す一点鎖線Ｂは、吸着脱硫部の交換を行う前、すなわち、吸着飽和流通量以上の原料を流通させた後の吸着脱硫部が設置された状態でシステムの運転を開始するときの原料流量の時間変化を示しており、実線Ａは、吸着脱硫部を交換した後、初めてシステムの運転を開始するときの原料流量の時間変化を示している。【００７９】
吸着脱硫部の交換前（通常時）では、一点鎖線Ｂで示すように、運転開始後、所定の発電電力（例えば３００Ｗ）が出力されるまでの期間（０≦Ｔ＜Ｔ0、以下「起動期間」と呼ぶ）は、改質器の温度上昇を調整するため、原料流量をｂ１に抑えている。所定の発電電力が出力されると（Ｔ≧Ｔ0）、発電電力の目標値（例えば１ｋＷ）を得るために必要な原料流量ｂ２まで増加させている。なお、一点鎖線Ｂでは、起動期間の原料流量および起動後の原料流量はそれぞれ略一定の値ｂ１、ｂ２であるが、実際には、より複雑な制御が行われるので略一定の値にならない場合がある。【００８０】
一方、吸着脱硫部を交換した直後の運転では、実線Ａからわかるように、システムの運転開始から一定の期間（０≦Ｔ≦ｔ）、一点鎖線Ｂに示す通常時の原料流量ｂ１、ｂ２よりも多くなるように原料流量ａ１、ａ２（ａ１＞ｂ１、ａ２＞ｂ２）が制御されており、一定の期間を経過した後、通常時の原料流量に戻される。また、この例では、運転時間Ｔ＝ｔのときに、原料流量を通常時の原料流量ｂ２まで一段階で減少させているが、段階的に減少させてもよい。【００８１】
このように、通常時には、発電電力の目標値に応じて原料流量ｂ１、ｂ２が制御されるが、吸着脱硫部の交換後には、通常時の値（以下、「通常時原料流量」ともいう）を基準として、一時的に原料流量を増加させている。その結果、吸着脱硫部の交換後には、発電電力の目標値に対する原料流量の比が通常時の比よりも大きくなる。なお、通常時原料流量は、発電電力の目標値に対して一定でなくてもよい。【００８２】
図４は、発電電力の目標値に対する原料流量の比を調整するために、原料流量を制御する例を示しているが、原料流量と併せて、または原料流量の代わりに、発電電力の目標値を制御することもできる。その場合には、運転開始から一定期間（０≦Ｔ＜ｔ）、発電電力の目標値を通常時よりも低く設定し、上記期間の経過後に、通常時の発電量の目標値に戻すように設定してもよい。【００８３】
次に、運転制御部による制御プログラムを具体的に説明する。図５は、制御プログラムの一例を示すフローチャートである。この例では、原料供給部に指令を送って原料流量を制御することにより、発電電力の目標値に対する原料流量の比を調整している。【００８４】
運転制御部は、運転を開始する際に、まず、吸着脱硫部が交換されたか否かを検知する（ステップＳ１）。交換されていないことを検知すると、通常時の制御を行う。一方、交換されたことを検知すると、原料供給部に指令を送り、予め設定された割合ｆで原料流量を増加させる（ステップＳ２）。このときの原料流量は、通常時の原料流量（通常時原料流量）×（１＋ｆ）となる。続いて、例えば吸着脱硫部の上流側に配置された積算流量計測部をリセットして、吸着脱硫部に供給される原料の積算流量の計測を開始させる（ステップＳ３）。なお、ステップＳ３はステップＳ２よりも先に行われてもよいし、同時に行われてもよい。次いで、積算流量計測部で計測された積算流量の値を読み取る（ステップＳ４）。ここでは、例えば５分ごとにステップＳ４を実行し、その都度、ステップＳ４で読み取られた積算流量の値が予め決められた値に達しているかの判定を行う（ステップＳ５）。予め決められた値に達していない場合には、読み取られた積算流量の値から、通常時原料流量に対する原料流量の増加量の割合ｆｘを決定し（ステップＳ６）、原料供給部に指令を送って原料流量を増加させる（ステップＳ７）。このときの原料流量は、通常時原料流量×（１＋ｆｘ）となる。この後、再びステップＳ４を実行する。このようにして、ステップＳ５において、積算流量の値が予め決められた値に達すると判定されるまで、ステップＳ４〜Ｓ７を繰り返す。ステップＳ５において、積算流量の値が予め決められた値に達すると判定されると、通常時原料流量に戻すように原料供給部に指令を送る。【００８５】
上記の制御プログラムでは、所定のタイミングで積算流量の値を読み取り、その値に基づいて原料流量の増加量の割合を更新しているので、吸着脱硫部で吸着された炭化水素量を効率的かつ確実に補償できる。なお、本実施形態における制御プログラムのフローチャートは図示する例に限定されない。前述したように、原料流量を制御するために原料供給部４に指令を送る代わりに、発電電力を制御するために燃料電池に指令を送ってもよい。【００８６】
本実施形態の燃料電池発電システムは、家庭用の発電システムとして好適に用いられる。この場合、家庭の消費電力の一部を効率よく賄うために、一日の時間帯によって発電電力を変化させることもできる。以下、発電電力の制御パターンの一例を図面を参照しながら説明する。【００８７】
図６に示す線Ｄは家庭の一日の消費電力の変化を例示し、横軸が時刻、縦軸が消費電力を表している。線Ｃは家庭用の燃料電池発電システムにおける起動後の発電出力の制御パターンを例示するグラフであり、横軸が時刻、縦軸が発電出力を表している。この例では、発電出力（線Ｃ）は、家庭の消費電力（線Ｄ）の一部を効率的に賄うように設定されている。【００８８】
発電出力を線Ｃに示すように変化させるためには、出力しようとする電力に応じて、原料流量（通常時原料流量）を予め規定されたプログラムに従って変化させてもよい。この場合でも、吸着脱硫部５の交換信号が検知された後には、上記プログラムに従って変化する通常時原料流量を基準として、一時的に原料流量を増加させる。これにより、吸着脱硫部５の交換直後でも、所望の発電出力を得ることができる。【００８９】
本発明の燃料電池発電システムの構成は、上述した実施形態の構成（図１）に限定されない。図１に示す構成では、入力部１７に入力された交換信号によって吸着脱硫部５の交換を検知しているが、他の手段によって吸着脱硫部５の交換を検知することもできる。例えば、機械的な接点スイッチで吸着脱硫部５の交換を検知する脱硫部交換検知部を接続部７に設けてもよいし、ＩＣタグ等を用いて吸着脱硫部５の交換を検出する脱硫部交換検知部を設けてもよい。【００９０】
また、本実施形態では、１つの着脱式の吸着脱硫部５を用いているが、直列または並列に配置された複数の吸着脱硫部を用いることもできる。その場合には、複数の吸着脱硫部のうち少なくとも１つが着脱可能な構成を有していればよい。【００９１】
なお、燃料電池発電システムを運転する際に、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて原料流量または発電電力の目標値を補正すると、新しい吸着脱硫部に交換する場合のみでなく、燃料電池発電システムの内外で使用済みの吸着脱硫部を再生する場合であっても、再生された吸着脱硫部の吸着特性に応じて上記補正を行うことができるので有利である。さらに、ある程度原料を通過させたことのある吸着脱硫部を接続部に設置する場合、例えば吸着脱硫部を一旦接続部から外した後、同じ吸着脱硫部を接続部に再度設置する場合であっても、設置されたときの吸着脱硫部の吸着率に基づいて適正な補正を行うことが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、原料中の硫黄化合物を吸着する吸着脱硫部と、原料および水との改質反応によって水素含有ガスを生成させる改質器とを備えた燃料電池発電システムおよびその運転方法に有用である。
【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22年1月13日(2010.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型でも高効率発電が可能な燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電システムのキーコンポーネントとして開発が進められている。発電に必要な燃料となる水素ガスの供給システムは、一般的なインフラ（ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）として整備されていないので、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料（炭化水素系ガス）を利用して水素含有ガスを生成させる改質器が燃料電池に併設される。
【０００３】
既存のインフラから供給される都市ガスやプロパンガスには、通常、ＣＨ3ＳＣＨ3や（ＣＨ3）3ＣＳＨ等の硫黄化合物に代表される付臭剤が、概ね数ｐｐｍ程度の体積濃度で添加されている。これは、インフララインの配管等からのガス漏れを検知するためである。しかし、これらのガスに付臭剤として含まれる硫黄化合物は、改質器に使用される触媒の被毒成分となる。従って、触媒の硫黄被毒の影響を抑えるためには、都市ガスやプロパンガスなどの原料を改質器に供給する前に、これらの原料から硫黄化合物を除去する必要がある。
【０００４】
特許文献１には、改質器に供給される前に原料から硫黄化合物を除去することを目的として、ゼオライト系の吸着除去剤を用いた吸着脱硫部によって原料中の硫黄化合物を吸着除去させることが提案されている。
【０００５】
ゼオライト系の吸着除去剤を用いた吸着脱硫部では、硫黄化合物の吸着容量が小さいので、改質器に用いる触媒の硫黄被毒の影響を十分に抑えるためには、吸着脱硫部を一定期間毎に交換する必要がある。例えば本出願人による特許文献２には、燃料電池発電システムに着脱可能な吸着脱硫部を用いることが記載されており、原料ガスの積算通過量に基づいて吸着脱硫部の交換時期を判定することが提案されている。また、特許文献３には、各家庭や施設に設置された複数の燃料電池発電システムをネットワーク化して、吸着脱硫部の交換時期を判定する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２２８０１６号公報
【特許文献２】特開２００６−８４５９号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ゼオライト系の吸着除去剤を用いた吸着脱硫部に、プロパンガスや都市ガスなどの炭化水素系原料（以下、単に「原料」ともいう）を通過させると、ゼオライト系の吸着除去剤は、原料中の硫黄成分（硫黄化合物を含む）以外に炭化水素成分も吸着する。特に、原料をほとんど通過させていない新しい吸着脱硫部の炭化水素成分の吸着率は高く、通過させる原料の積算流量（流通量）が多くなるにつれて、炭化水素成分の吸着率は低くなる。吸着脱硫部に吸着された炭化水素成分が所定量に達すると（飽和）、吸着脱硫部は炭化水素成分をほとんど吸着しなくなる。そのため、燃料電池発電システムで使用していた吸着脱硫部を新しい吸着脱硫部に交換した直後の運転時には、新しい吸着脱硫部に原料中の炭化水素成分の一部が吸着されてしまう。この吸着を考慮しないで燃料電池発電システムの運転を継続させると、吸着脱硫部を交換する前の運転時よりも改質器における水素含有ガスの生成量が少なくなるので、必要な発電電力が得られないおそれがある。
【０００８】
また、改質器には、通常、改質反応を生じさせるための加熱源が設けられているが、その加熱源に水素オフガスを用いる場合がある。「水素オフガス」とは、燃料電池に供給された水素ガスのうち燃料電池で消費されずに排出される水素ガスをいう。このような場合、吸着脱硫部による炭化水素成分の吸着によって水素含有ガスの生成量が減少すると、燃料電池に供給される水素ガスの量も減少し、その結果、改質器の加熱源として利用される水素オフガスの量も減ってしまう。そのため、改質反応に必要な熱量が得られなくなる可能性もある。
【０００９】
従って、吸着脱硫部の交換後、燃料電池発電システムの運転を正常に継続できないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、着脱可能な吸着脱硫部を用いた燃料電池発電システムにおいて、吸着脱硫部を交換した直後にも安定的に運転させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池発電システムは、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部を着脱可能に保持する機構と、前記吸着脱硫部を通過した原料から水素含有ガスを生成する改質部と、前記水素含有ガスを燃料として発電する燃料電池と、前記吸着脱硫部に供給する前記原料の流量を制御する原料供給部と前記原料供給部および前記燃料電池の動作を制御する運転制御部とを備え、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記燃料電池による発電電力の目標値に対する前記流量の比が、前記交換前における前記発電電力の目標値に対する前記流量の比よりも一時的に大きくなるように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する。
【００１２】
ある好ましい実施形態において、前記吸着脱硫部に供給される前記原料の積算流量を計測する積算流量計測部をさらに備え、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記原料の積算流量の計測を開始するように前記積算流量計測部の動作を制御し、前記積算流量計測部で計測された積算流量が予め設定される量に達すると、前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する。
【００１３】
ある好ましい実施形態において、前記燃料電池による積算発電電力量を計測する積算発電電力計測部をさらに備え、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記積算発電電力量の計測を開始するように前記積算発電電力計測部の動作を制御し、前記積算発電電力計測部で計測された積算発電電力量が予め設定される量に達すると、前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する。
【００１４】
前記予め設定される量は、前記吸着脱硫部における炭化水素の吸着量を飽和させるために必要な前記原料の流通量によって決まることが好ましい。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部が交換された後の流量を、前記交換前における流量よりも増加させるように前記原料供給部の動作を制御する。
【００１６】
前記増加させる流量は、前記吸着脱硫部の前記炭化水素成分の吸着特性と前記原料の積算流量とに基づいて決められてもよい。
【００１７】
前記交換前の流量は、起動開始後、予め規定されたプログラムに従って変化するように制御されていてもよい。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記発電電力の目標値が交換前の目標値よりも低くなるように前記燃料電池の動作を制御する。
【００１９】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記発電電力の目標値が交換前の目標値よりも低くなるように前記燃料電池から得られる電流量を制御してもよい。
【００２０】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換後における前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に段階的に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御してもよい。
【００２１】
吸着脱硫部の交換信号を出力する交換信号出力部をさらに備え、前記運転制御部は、前記交換信号に基づいて、前記吸着脱硫部が交換されたことを検知してもよい。
【００２２】
前記吸着脱硫部は、ゼオライトを主成分とする吸着除去剤を有することが好ましい。
【００２３】
本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部に導入した後、前記吸着脱硫部を通過した原料と水との改質反応から水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池を用いた燃料電池発電システムの運転方法であって、前記吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された流量で、前記吸着脱硫部に前記原料を導入する。
【００２４】
本発明の他の燃料電池発電システムの運転方法は、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部に導入した後、前記吸着脱硫部を通過した原料と水との改質反応から水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池を用いた燃料電池発電システムの運転方法であって、前記吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された発電電力で、前記燃料電池の発電を行う。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、吸着脱硫部を交換した直後においても、吸着脱硫部の交換前と同様に、設定される発電電力に対して必要な水素含有ガス量を確保できるので、燃料電池発電システムを安定的に運転させることができ、信頼性を向上できる。
【００２６】
また、本発明による燃料電池発電システムの運転方法では、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて、吸着脱硫部に導入する原料の流量や燃料電池の発電電力を制御するので、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率にかかわらず安定して連続運転させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】新しい吸着脱硫部の入口側および出口側の流量比の測定結果を示すグラフである。
【図２】新しい吸着脱硫部を通過する前および通過した後の原料組成の測定結果を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態の燃料電池発電システムの構成図である。
【図４】本発明による原料流量の制御パターンの概略図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における運転制御部による制御プログラムのフローチャートである。
【図６】発電出力の制御パターンの一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明者は、吸着脱硫部の交換に起因する上記問題を検討するために、新しい吸着脱硫部の吸着特性の測定を行った。その方法および測定結果を説明する。
【００２９】
測定は、原料との接触のほとんどないゼオライト系の吸着脱硫剤が充填された吸着脱硫部を用いて行った。吸着脱硫部における吸着脱硫剤の充填量は約４００ｇ（乾燥重量）とした。また、吸着脱硫部を通過させる原料として、大阪ガス（株）のガスインフラライン６から供給される都市ガス１３Ａを用いた。表１に、本測定で用いた大阪ガス（株）の１３Ａの組成（大阪ガス（株）提供のＭＳＤＳを参照）を示す。
【００３０】
【表１】
2009031271.tif 000010
【００３１】
この吸着脱硫部を、後述するような燃料電池発電システムに設置し、燃料電池の発電電力の目標値を１ｋＷ近傍に設定して、１ｋＷ近傍の発電に必要な１３Ａ流量となる４Ｌ／ｍｉｎ（２０℃、１気圧換算）で吸着脱硫部に上記原料を流通させた。このとき、吸着脱硫部を通過する前の原料の流量（入口側流量）と、吸着脱硫部を通過した後の原料の流量（出口側流量）とを測定し、入口側流量に対する出口側流量の比（以下、単に「流量比」という）を求めた。
【００３２】
測定結果を図１に示す。図１は、流通時間または原料の流通量（積算流量）に対する流量比の変化を表すグラフである。この結果からわかるように、吸着脱硫部を交換した直後のシステムの運転開始時では、吸着脱硫部で原料中の炭化水素成分の一部が吸着され、吸着脱硫部を通過した後の原料の流量（出口側流量）が通過する前の原料の流量（入口側流量）よりも減少するので、流量比（出口側流量／入口側流量）は１よりも小さくなる。燃料電池発電システムでは、吸着脱硫部を通過した後の原料が改質器に供給され、ここで水素含有ガスが生成される。従って、流量比が１より小さいと、炭化水素成分が吸着されない場合（流量比＝1）と比べて、改質器で生成される水素含有ガス量が減少する。
【００３３】
また、図１に示すように、吸着脱硫部を流通させた原料の積算流量が増加すると流量比は徐々に１に近づく。これは、原料の積算流量の増加に伴って、原料中の炭化水素成分が吸着脱硫部で吸着される量が減少することを意味する。積算流量がさらに増加して所定の量に達した後は流量比は略１になる。これは、吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着量が飽和したためと考えられる。本明細書では、炭化水素成分に対する吸着量を飽和させるために必要な積算流量を「吸着飽和流通量」と呼ぶ。この測定結果から、ここで用いた吸着脱硫部の吸着飽和流通量は例えば約７００Ｌであることがわかる。
【００３４】
続いて、上記測定で用いた吸着脱硫部と同様の吸着脱硫部を用い、吸着脱硫部を通過させた後の原料の定性および定量分析を行ったので、その方法および結果を説明する。
【００３５】
まず、吸着脱硫部を通過させる前の原料（脱硫前原料サンプル）Ｎ０に対する分析を行った。その後、吸着脱硫部に上記と同様の流量で原料を通過させ、吸着脱硫部を通過させた原料の積算流量が２４０Ｌ、４８０Ｌおよび７２０Ｌに達した時点で、それぞれ、吸着脱硫部を通過した後の原料（脱硫後原料サンプル）Ｎ１、Ｎ２およびＮ３の分析を行った。脱硫前原料サンプルＮ０および脱硫後原料サンプルＮ１〜Ｎ３に対する定量分析は、原料をサンプリングした後、ガスクロマトグラフィーを用いて行った。なお、これらの原料サンプルの成分の分析（定性分析）は、一般的に用いられる都市ガスの可燃性ガス成分分析と同様の方法で行ったので、その方法の説明は省略する。
【００３６】
分析結果を図２に示す。図２は、脱硫前原料サンプルＮ０および脱硫後原料サンプルＮ１〜Ｎ３に含まれる炭化水素（メタン、エタン、プロパンおよびブタン）の相対濃度を示すグラフである。「相対濃度」は、各原料サンプルに含まれる炭化水素の濃度の、脱硫前原料サンプルＮ０に含まれるその炭化水素の濃度に対する割合である。
【００３７】
図２に示す測定結果から、吸着脱硫部に原料を通過させ始めた直後に、都市ガスの主成分であるメタンの吸着量が飽和するが、分子中に炭素数の多いプロパンやブタンの吸着量は、ある程度の量の原料を吸着脱硫部に流通させた後に飽和に達することがわかる。
【００３８】
上述した２つの測定による結果（図１および図２）を比較したところ、以下のことが確認される。積算流量が２４０Ｌに達するまで原料を吸着脱硫部に通過させると、図１に示すように、ガス流通比は約０．９６（流通時間：６０ｍｉｎのデータ）となり、吸着脱硫部を通過させる前の原料の約４％が吸着される。一方、図２に示すように、積算流量が２４０Ｌに達した時には、原料中のプロパンおよびブタンのほぼ全量が吸着脱硫部で吸着される。なお、表１に示すように、プロパンおよびブタンの２つの成分量の和は、体積基準で４．３％である。よって、積算流量が２４０Ｌに達した時には、吸着脱硫部によって原料中のプロパンおよびブタンのほぼ全量が吸着され、その体積相当分だけ原料の流量が減少しており、図１および図２に示す測定結果と表１の成分表とが整合していることがわかる。
【００３９】
このように、新しい吸着脱硫部が燃料電池発電システムに設置されると、システムの運転開始時には、吸着脱硫部で原料の炭化水素成分の一部が吸着されるので、吸着脱硫部を通過させた後の原料Ｎ１の流量は通過させる前の原料Ｎ０の流量よりも減少する。その後、さらに原料を吸着脱硫部に流通させていくと、分子中に炭素数が少ない炭化水素成分の吸着量から順次飽和に達していくので、図１に示されるように吸着量が少なくなり、流量比は１に近づく。しかし、炭素数が２以上の成分（エタン、プロパン、ブタン）は、メタンよりも同一体積あたりの水素発生量が大きいので、これらの成分が吸着されると、吸着による体積減少率以上に水素含有ガス発生量が低下する。例えば、積算流量が２４０Ｌの時は、上記のように原料の体積は約４％減少するが、これを体積基準で発生可能な水素ガス量に換算すると約１０％の減少となる。従って、吸着脱硫部を通過させる前の原料流量を基準として発電電力を設定し、燃料電池で発電を行うと、燃料電池で必要となる水素量に対して実際の水素ガス発生量が不足する。その結果、発電状態が不安定になったり、あるいは改質器の燃焼部に供給される水素オフガス量が低下し、改質反応に必要な熱量を供給できなくなることがわかる。
【００４０】
本発明は、上述したような測定結果および検討結果を踏まえてなされたものであり、原料に含まれる炭化水素成分のうち吸着脱硫部で吸着される量を考慮して、吸着脱硫部に供給する原料の流量と発電電力の目標値との比を制御することを特徴としている。これにより、吸着脱硫部の交換後も発電に必要な水素含有ガスをより確実に確保することが可能になる。
【００４１】
本発明による好ましい実施形態における燃料電池発電システムは、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を用いて発電を行うシステムであり、上記原料から硫黄成分を除去するために、硫黄成分を吸着する吸着脱硫部を用いる。吸着脱硫部は、燃料電池発電システムに設けられた保持機構に着脱可能に保持され、硫黄成分に対する吸着能力が低下したならば、適宜新しい吸着脱硫部と交換される。なお、吸着脱硫部は、ゼオライトを主成分とする吸着脱硫剤を有することが好ましい。ゼオライト系の吸着脱硫剤を用いると、常温で脱硫でき、かつ、取り扱いが簡便で、吸着脱硫剤の交換も容易である。
【００４２】
この燃料電池発電システムは、吸着脱硫部を通過させた原料を用いて水素含有ガスを生成する改質部と、水素含有ガスを燃料として発電する燃料電池と、吸着脱硫部に供給する原料の流量（以下、単に「原料流量」ともいう）を制御する原料供給部と、運転制御部とを備えている。運転制御部は、吸着脱硫部の交換が検知されると、燃料電池による発電電力の目標値に対する原料流量の比が、交換前における発電電力の目標値に対する流量の比よりも一時的に大きくなるように、少なくとも原料供給部および燃料電池の動作のいずれかを制御する。
【００４３】
本明細書において、「原料流量と発電電力の目標値との比」は、発電電力の目標値に対する原料流量の割合を意味しており、例えば発電電力の目標値が１ｋＷのときに（単に「１ｋＷ発電時」ともいう）必要な原料流量を４ＮＬ／ｍｉｎ（０℃、１気圧換算）とすると、４ＮＬ／（ｍｉｎ・ｋＷ）となる。なお、上記比の定義は、上記のように原料流量と発電電力の目標値との関係を一定の基準で示す値であればよい。例えば、原料流量および発電電力の目標値のエネルギー換算の比を用いてもよく、その場合、比の単位を無次元化することができる。
【００４４】
上記の燃料電池発電システムによると、吸着脱硫部の交換後に一定期間、すなわち吸着脱硫部が硫黄成分以外に無視できない量の炭化水素成分を吸着するとき、発電電力の目標値に対する原料流量の比を吸着脱硫部の交換前（以下、「通常時」ともいう）よりも増加させるので、十分な量の炭化水素成分を改質部に安定して供給することができ、発電電力の目標値を得るために必要な水素含有ガスを確保できる。従って、従来よりも水素不足による発電電力の変動の小さい運転が可能になる。なお、上記の比を増加させるためには、原料流量を増加させてもよいし、目標の発電電力を低下させてもよい。あるいは、その両方を行うこともできる。
【００４５】
発電電力の目標値に対する原料流量の比を通常時に戻すタイミングは、システムで使用しようとする吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着特性と、システムの運転条件（通常時の原料流量や発電電力など）によって変わる。例えば、吸着脱硫部に供給される原料の積算流量が予め設定される量に達すると、原料流量または発電電力の目標値を通常時に戻すように制御してもよい。代わりに、燃料電池による積算発電電力量が予め設定される量に達すると、原料流量または発電電力の目標値を通常時に戻すように制御してもよい。さらには、運転開始から原料流量または発電電力の目標値を通常時に戻すまでの時間を予め設定しておくこともできる。何れの場合でも、「予め設定される量（時間）」は、炭化水素成分の吸着量を飽和させるために必要な原料の流通量（吸着飽和流通量）に基づいて設定され得る。なお、吸着飽和流通量は、吸着脱硫部に含まれる吸着剤の種類や量によって変わるため、使用しようとする吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着率を測定し、その結果から予め求めることができる。なお、炭化水素成分に対する吸着率は、前述した方法と同様の方法で、吸着脱硫部に対する原料の流通量と、吸着脱硫部の入口側流量に対する出口側流量の比（流量比）との関係を測定することによって求めてもよい。
【００４６】
また、吸着脱硫部の交換後の運転時において、原料流量を増加させる割合または発電電力を低下させる割合は、吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着率に基づいて予め決められてもよい。ここでいう「原料流量の増加させる割合」とは、通常時原料流量に対する原料流量の増加量の割合をいい、「発電電力を低下させる割合」は、通常時の発電電力の目標値に対する発電電力の目標値の低下量の割合をいう。これにより、吸着脱硫部で吸着された炭化水素成分の量に応じて原料流量または発電電力の目標値をより厳密に補正できるので、発電電力の目標値に対して水素含有ガスの生成量が少なくなりすぎて目標の発電電力が得られなかったり、逆に、水素含有ガスの生成量が多くなりすぎて、目標の発電電力に必要な量以上の水素が消費されエネルギー効率の低い条件で運転することを効果的に防止できる。
【００４７】
上記原料流量を増加させる割合または発電電力を低下させる割合を、吸着脱硫部を通過させた原料の積算流量に応じて変化させてもよい。この場合、原料の積算流量が吸着飽和流通量に近づくにつれて、上記割合が小さくなる。なお、積算流量と上記割合との関係は、使用しようとする吸着脱硫部の炭化水素成分に対する吸着率の測定結果に基づいてテーブル化され、燃料電池発電システムに予め入力されていてもよい。
【００４８】
一方、本発明による好ましい実施形態の燃料電池発電システムの運転方法は、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された流量で、吸着脱硫部に原料を導入することを特徴としている。または、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された発電電力で、燃料電池の発電を行うことを特徴としている。これにより、吸着脱硫部による炭化水素成分の吸着に起因して水素含有ガスの生成量や燃料電池の出力が低下することを抑制できるので、システムをより安定的に運転させることができる。
【００４９】
以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態をより具体的に説明する。
【００５０】
（第１の実施形態）
〈燃料電池発電システムの構成〉
図３は、本発明による第１の実施形態の燃料電池発電システムの構成図である。燃料電池発電システム１００は、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、原料に含まれる硫黄成分を吸着する吸着脱硫部５と、吸着脱硫部５を通過させた後の原料と水蒸気との改質反応を主に進行させて水素含有ガスを生成させる改質部（「水蒸気改質部」ともいう）を有する改質器３０と、改質器３０から水素ガス供給経路１２を介して供給される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池８と、吸着脱硫部５に供給される原料の流量（原料流量）を制御するための原料供給部４と、原料供給部４および燃料電池８の動作を制御する運転制御部１６とを備えている。
【００５１】
吸着脱硫部５に供給される炭化水素系の原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水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等である。ここでは、原料の供給源として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に吸着脱硫部５が接続されている。吸着脱硫部５は、上流側および下流側に配置された接続部７に着脱可能な形状を有しており、一定期間の使用によって吸着脱硫部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すると、新しい吸着脱硫部に交換される。本実施形態における吸着脱硫部５には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着するゼオライト系吸着除去剤が充填されている。
【００５２】
吸着脱硫部５を通過した後の原料は、原料供給経路１０を介して改質器３０に供給される。改質器３０には、改質器３０の水蒸気改質部に水を供給する水供給部３が接続されている。本実施形態における水供給部３は、流量調節機能を有するポンプを有しており、燃料電池発電システム内で回収され、活性炭及びイオン交換樹脂で浄化された水を水蒸気改質部に供給する。改質器３０には、さらに、改質反応に必要な反応熱を水蒸気改質部に供給するための燃焼部（バーナー）２、および、燃焼部２に燃焼用空気を供給する燃焼ファン１８が設けられている。図示しないが、本実施形態における改質器３０は、原料と水蒸気との改質反応を進行させる水蒸気改質部の他に、水蒸気改質部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変成部と、空気供給部１９から供給される空気を用いて、変成部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主に酸化させて除去する選択酸化部とを有している。水蒸気改質部、変成部および選択酸化部の構成は、一般的な構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５３】
原料供給部４は、吸着脱硫部５の上流側に配置され、ガスインフラライン６から吸着脱硫部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、吸着脱硫部５に供給される原料の流量を制御できればよく、吸着脱硫部５の下流側、例えば吸着脱硫部５と改質器３０とを接続する原料供給経路１０に配置されていてもよい。このとき、吸着脱硫部５を通過させる原料の積算流量と、吸着脱硫部５の炭化水素成分の吸着特性との関係をテーブル化しておくことにより、吸着脱硫部５に対する原料の流入量をより正確に制御できる。
【００５４】
本実施形態では、原料供給部４はブースターポンプを有しており、例えば入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、吸着脱硫部５に供給される原料の流量を調節できる。
【００５５】
改質器３０と燃料電池８とを接続する水素ガス供給経路１２には、ガスの流れを調節するガス切り替え部９が設けられている。ガス切り替え部９は、原料供給経路１０からのバイパス経路となる改質器バイパス経路１１と接続されている。一方、燃料電池８には、発電時に未使用となる水素オフガスを排出するオフガス経路１４が設けられ、燃料電池バイパス経路１３とともに、燃焼部２に接続される燃焼ガス供給経路１５に接続されている。燃料電池８の構成は、一般的に用いられる固体高分子型の燃料電池の構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５６】
運転制御部１６は、改質器３０の水素含有ガスの生成動作や燃料電池８の発電動作を制御する制御部であり、ここでは、原料供給部４から改質器３０に供給される原料の供給量、水供給部３から改質器３０に供給される水の供給量および燃料電池８の出力などの制御を行う。なお、運転制御部１６は、半導体メモリーやＣＰＵ等により、燃料電池発電システム１００の運転動作シーケンス、原料積算流量など運転情報等を記憶し、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等のシステム運転に必要な構成に動作条件を指示することができる。また、運転制御部１６には、燃料電池発電システム１００に対する運転指示信号や吸着脱硫部５の交換信号等を入力するための入力部１７が接続されている。従来のシステムでは、運転指示信号を入力する入力部が使用されているが、本実施形態における入力部１７は、運転指示信号に加えて交換信号も入力できる点で、従来のシステムで使用される入力部と異なっている。例えば、入力部１７はタッチパネルを備えており、メンテナンス業者やユーザーは、必要に応じて、タッチパネルから運転指示信号や交換信号を入力してもよい。
【００５７】
図示しないが、燃料電池発電システム１００では、吸着脱硫部５の交換信号が運転制御部１６に出力される。交換信号は、例えばシステムのメンテナンス業者が入力部１７に入力した信号に基づいて出力されてもよい。または、吸着脱硫部５を保持する機構（例えば接続部７）などに吸着脱硫部５の交換を検知するための脱硫部交換検知部（接点スイッチやセンサなど）を設け、脱硫部交換検知部によって交換が検知されると、交換信号を生成して運転制御部１６に出力することもできる。
【００５８】
本実施形態では、燃料電池発電システムの起動の一工程である改質器３０の起動時（起動期間）には、ガス切り替え部９を動作させることにより、水素ガス供給経路１２から、燃料電池バイパス経路１３および燃焼ガス供給経路１５を介して、改質器３０で生成した水素含有ガスを燃焼部２へ供給する。改質器３０を起動させた後は、燃料電池８の発電時に余剰になった水素オフガスを、オフガス経路１４から燃焼ガス供給経路１５を介して改質器３０の燃焼部２へ供給する。また、原料を直接燃焼部２で燃焼させることが必要な場合には、改質器バイパス経路１１を用いて、改質器３０を通過させることなく、吸着脱硫部５を通過した原料を燃焼部２や燃料電池８へ供給できるように構成されている。
【００５９】
〈通常時の燃料電池発電システムの動作〉
次に、燃料電池発電システム１００の通常時の運転動作を説明する。
【００６０】
停止状態から燃料電池発電システム１００を起動させる場合、まず、燃料電池発電システム１００のガス流路に設置されているバルブ等（詳細は図示せず）を適宜閉め、各ガス流路等からのガス漏れの有無をチェックする動作を行う。ガス漏れがない場合は、改質器３０の起動を行う。運転制御部１６からの指令により、改質器３０を通過させた原料を燃焼部２に供給し、燃焼部２で原料に着火して水蒸気改質部の加熱を開始する。
【００６１】
この時、水供給部３を動作させて改質器３０に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供給部３からの水の供給量は、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モル程度になるように制御される（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。改質器３０では、水蒸気改質反応、変成反応、一酸化炭素の選択酸化反応を進行させ、一酸化炭素濃度を体積濃度で約２０ｐｐｍ以下まで低減させた水素含有ガスを生成する。
【００６２】
続いて、生成された水素含有ガスを、水素ガス供給経路１２を通して燃料電池８に供給し、発電運転を行う。通常の発電運転時には、運転制御部１６によって原料供給部４の動作を制御して、改質器３０に燃料電池８の発電量（目標値）に対して予め設定された流量で原料を供給し、生成された水素含有ガスを燃料電池８に供給する。
【００６３】
一方、燃料電池発電システム１００の発電運転を停止させる場合には、改質器３０への原料および水の供給を停止させ、改質器３０の水蒸気改質部、変成部、選択酸化部の各触媒層の温度を低下させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させた後、改質器３０に原料を供給し、改質器３０のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する。この時、改質器３０の内部から置換される水素含有ガスは、燃焼部２に通気して燃焼させる。なお、燃料電池８のガス経路内部に残留する水素含有ガスは、改質器３０と同様に原料で置換する動作を行う。
【００６４】
〈吸着脱硫部交換直後の燃料電池発電システムの動作〉
次に、吸着脱硫部５を交換した後の燃料電池発電システム１００の運転方法を説明する。
【００６５】
前述したように、吸着脱硫部５に用いる吸着除去剤は、硫黄化合物以外にも、原料中の炭化水素成分を吸着する。特に本実施形態で用いたゼオライト系の吸着除去剤は、炭化水素系の原料を吸着する傾向が大きく、吸着脱硫部に原料を通過させ始めた状態（原料の流通初期）には多量の原料を吸着する。従って、ほとんど原料を流通させていない吸着脱硫部（新しい吸着脱硫部）５を接続部７に接続すると、その直後の運転時には吸着脱硫部５で原料中の炭化水素成分の一部が吸着されてしまう。この状態で燃料電池発電システム１００を運転させると、改質器３０での水素含有ガスの生成量が少なくなるので、水素不足により発電電力が少なくなる。また、水素オフガスを改質器３０の加熱源に用いる場合には、改質反応に必要な熱量が得られなくなり、燃料電池発電システム１００の正常運転の継続が困難となる。
【００６６】
そこで、本実施形態では、吸着脱硫部５での炭化水素成分の吸着量が多い期間は、吸着脱硫部５に、吸着脱硫部５に供給される原料の流量と発電電力との比が、吸着脱硫部５を交換する前の原料流量と発電電力の目標値との比に対して大きくなるように、原料供給部４および燃料電池８の動作の少なくとも一方を制御する。具体的には、吸着脱硫部５における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された流量、あるいは発電電力で燃料電池発電システムを運転する。
【００６７】
特に、吸着脱硫部５が新しい吸着脱硫部５に交換されたとき、例えば吸着脱硫部５の交換が検知されたとき、上記のように運転することにより、燃料電池発電システムを安定的に動作させることができる。吸着脱硫部５が交換された場合の運転方法をさらに具体的に説明すると、まず、メンテナンス業者などが吸着脱硫部５を交換する際に入力部１７から交換信号を入力する。入力された交換信号は運転制御部１６に送られる。運転制御部１６は交換信号を受け取ると、原料供給部４の動作を制御して原料流量を多くするか、燃料電池８の出力または燃料電池８から得られる電流量を制御して、原料流量と発電電力の目標値との比を吸着脱硫部５の交換前よりも大きくする。例えば、燃料電池８から得られる電流量に上限値を設け、その上限値を上回らないようにすることにより、燃料電池８の出力を制御する。電流量を制御することは、燃料電池８でのプロトン移動量を制御することであり、燃料電池８での水素の消費量を制御することになる。なお、燃料電池８から得られる電流量は、燃料電池８で発電を行う際の水素の消費量と略一致する。
【００６８】
その結果、吸着脱硫部５の交換の前後で原料流量と発電電力の目標値との比を変えない場合よりも原料の供給量を増加させることができるので、吸着脱硫部５を通過した後、改質器３０に供給する原料の流量を十分確保することができる。よって、燃料電池発電システム１００の発電運転に必要な水素含有ガスの生成量を確保できる。
【００６９】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１００は、以下のような利点も有する。従来の燃料電池発電システムによると、上記のように原料の吸着により改質器３０に供給される原料の組成が変化すると、改質器３０に供給される原料中の炭素成分と、水供給部３から改質器３０に供給される水との割合（スチームカーボン比）にずれが生じるという問題もあった。すなわち、原料中の炭化水素成分が吸着されると、炭素成分の量が減少するため、スチームカーボン比が増加し、その結果、改質器３０から供給される水素含有ガスのガス露点が高くなる。ガス露点が増加すると、ガス流路におけるフラッディングにより燃料電池発電システムの動作が不安定になるおそれがある。これに対し、本実施形態では、発電電力の目標値に対する原料流量の比が、吸着脱硫部５の交換前に設定される比よりも大きくなるように原料供給部４の動作を制御することにより、目標とする発電電力に必要な原料流量が改質器３０に供給されるので、スチームカーボン比のずれを修正することができる。なお、スチームカーボン比を一定に保つ観点から、発電電力の目標値に対する原料流量の比が、吸着脱硫部５の交換前に設定される比よりも大きくなるように原料供給部４の動作を制御する場合、改質器３０への水の供給量は、吸着脱硫部５の交換前に設定されていた発電電力の原料流量に対して決定されることが好ましい。
【００７０】
さらに、本実施形態は、燃料電池８の発電電力に対する原料流量の上限値が設定された燃料電池発電システムに適用されると特に有利である。従来、原料流量の上限値が予め設定されたシステムでは、吸着脱硫部に供給される炭化水素成分の量が、予め設定された原料流量の上限値に含まれる炭化水素成分の量を上回ってしまう可能性があり、水素含有ガスの生成量の低下が特に問題となっていた。このようなシステムに本実施形態を適用すると、吸着脱硫部の吸着特性に基づいて原料流量の上限値が補正されるので、発電電力の目標値に対して水素含有ガスの生成量が不足することをより効果的に防止できる。
【００７１】
燃料電池発電システム１００では、通常の運転時における発電電力の目標値に対する原料流量の比は、予め設定されていることが好ましい。なお、燃料電池発電システムのエネルギー効率を考慮すると、上記比は発電電力に対して一定の値とならない場合が多い。例えば、同じ燃料電池発電システムであっても、１ｋＷ発電時と７５０Ｗ発電時とではエネルギー効率が異なるので、発電電力の目標値に対する原料流量の比も相違する。従って、燃料電池発電システムの運転を安定化させるには、発電電力の目標値ごとに、その目標値に対する原料流量とを予め運転制御部１６に設定しておくことが好ましい。例えば、１ｋＷ発電時の原料流量を４ＮＬ/ｍｉｎ、７５０Ｗ発電時の原料流量を３．１ＮＬ/ｍｉｎというようにテーブル化し、運転制御部１６に設定しておくことができる。
【００７２】
一方、吸着脱硫部５の交換後における発電電力の目標値と原料流量との比は、上記の通常の運転時の比を基準として、吸着脱硫部５の炭化水素成分に対する吸着率を考慮して決められることが好ましい。さらに、原料の組成から生成できる水素含有ガス量を考慮した原料流量を基準に設定されることが好ましい。そのためには、燃料電池発電システムで使用しようとする吸着脱硫部５の炭化水素成分に対する吸着特性を予め求めておく必要がある。
【００７３】
本実施形態では、図１を参照しながら前述したような測定により吸着脱硫部５の吸着特性を求め、吸着脱硫部５の通過により減少する原料の量を補償するように、原料流量と発電電力の目標値との比を設定している。以下に、その具体例を説明する。
【００７４】
吸着脱硫部５を交換する前の運転時（通常運転時）、すなわち原料中の炭化水素成分の吸着がほとんど生じない吸着脱硫部５が接続部７に接続されている場合、発電電力の目標値を１ｋＷ、原料流量を４ＮＬ／ｍｉｎとすると、発電電力の目標値に対する原料流量の比は４ＮＬ／（ｍｉｎ・ｋＷ）となる。また、吸着脱硫部５の交換後、交換した吸着脱硫部５に約２４０Ｌの原料を通過させた（積算流量：約２４０Ｌ）時点では、上述した測定結果より、１ｋＷ発電に必要な水素含有ガスを確保するために約１０％の原料流量を増加させる必要があるので、上記比を４．４ＮＬ／（ｍｉｎ・ｋＷ）と設定する。なお、ここでは、積算流量が約２４０Ｌの時点での発電電力の目標値に対する原料流量の比の設定例を説明したが、同様に、吸着脱硫部５の交換直後や、積算流量が約２４０Ｌと異なる時点における発電電力の目標値に対する原料流量の比も、吸着脱硫部５における原料の吸着量の測定結果から適宜設定できる。
【００７５】
本実施形態において、吸着脱硫部５に含まれるゼオライト系の吸着脱硫剤は特に限定されないが、その種類によって原料中の炭化水素成分に対する吸着特性は変化する。従って、ゼオライト系の吸着脱硫剤の種類の異なる吸着脱硫部５を使用する際には、例えば上記と同様の方法でその吸着脱硫部５の炭化水素成分に対する吸着特性を予め測定しておき、得られた吸着特性に基づいて、原料流量、燃料電池８の出力または燃料電池８から得られる電流量を制御することが好ましい。このように、吸着脱硫部５の交換直後の燃料電池発電システムの運転条件を、使用する吸着脱硫剤毎に設定すると、吸着脱硫剤による炭化水素成分の吸着量をより確実に補償できるので有利である。
【００７６】
一般的に吸着剤は、一定量の吸着物を吸着すると吸着が飽和する。図１に示されるように、本実施形態で用いた吸着脱硫剤も同様の傾向を示すので、所定量の原料を通過させることによって吸着脱硫剤で吸着される炭化水素成分の量は飽和に向かい、その結果、吸着脱硫部５を通過した後の原料の流量不足を解消できる。つまり、吸着脱硫部５の交換後、燃料電池発電システム１００を運転して一定期間原料を吸着脱硫部５に流すことにより、吸着脱硫部５を通過した後の原料の流量を安定化できる。吸着脱硫部５を通過した後の原料流量が安定化した後は、発電電力の目標値に対する原料流量の比を吸着脱硫部５を交換する前の比に戻すことが好ましい。例えば、吸着脱硫部５を通過させる原料積算流量、原料の消費量と相関のある燃料電池８での発電電力量の目標値等を適宜調整することにより、上記比を交換前の比まで低下させることができる。また、目安とする任意の原料積算流量を数点設定して、その原料積算流量に達する毎に上記比を一定値ずつ低下させてもよいし、原料積算流量と吸着脱硫部５における吸着量との関係を関数化し、その関数に基づいて上記比を低下させるように制御することもできる。なお、原料積算流量と燃料電池８の積算発電電力との間には相関関係があるので、上記の制御方法において、原料積算流量を積算発電電力に置き換えてもよい。
【００７７】
また、吸着脱硫部５に供給される原料流量は、原料供給部４の動作を制御する電力指令値、燃料電池８により発電された積算電力量などを参考にして把握することができる。燃料電池発電システム内外に流量計を配置して、原料の積算流量を測定してもよい。図示しないが、吸着脱硫部５に供給される原料の積算流量は、例えば乾式または湿式の積算流量計を含む積算流量計測部によって測定される。なお、積算流量計測部は、原料流量および運転時間から積算流量を算出するように構成されていてもよい。原料流量は、流量計を用いて直接測定されてもよいし、原料供給部４の動作指示値（入力電力や入力周波数）から推測されてもよい。積算電力量や原料の積算流量が予め設定された値に達すると、原料流量と発電電力の目標値との比を吸着脱硫部５の交換前の比に戻すことにより、システムを安定的に運転できる。
【００７８】
図４は、本実施形態の燃料電池発電システムにおける原料流量の制御パターンの一例を示すグラフであり、横軸はシステムの運転を開始してからの時間（運転時間）Ｔ、縦軸は原料流量を表している。図４に示す一点鎖線Ｂは、吸着脱硫部の交換を行う前、すなわち、吸着飽和流通量以上の原料を流通させた後の吸着脱硫部が設置された状態でシステムの運転を開始するときの原料流量の時間変化を示しており、実線Ａは、吸着脱硫部を交換した後、初めてシステムの運転を開始するときの原料流量の時間変化を示している。
【００７９】
吸着脱硫部の交換前（通常時）では、一点鎖線Ｂで示すように、運転開始後、所定の発電電力（例えば３００Ｗ）が出力されるまでの期間（０≦Ｔ＜Ｔ0、以下「起動期間」と呼ぶ）は、改質器の温度上昇を調整するため、原料流量をｂ１に抑えている。所定の発電電力が出力されると（Ｔ≧Ｔ0）、発電電力の目標値（例えば１ｋＷ）を得るために必要な原料流量ｂ２まで増加させている。なお、一点鎖線Ｂでは、起動期間の原料流量および起動後の原料流量はそれぞれ略一定の値ｂ１、ｂ２であるが、実際には、より複雑な制御が行われるので略一定の値にならない場合がある。
【００８０】
一方、吸着脱硫部を交換した直後の運転では、実線Ａからわかるように、システムの運転開始から一定の期間（０≦Ｔ≦ｔ）、一点鎖線Ｂに示す通常時の原料流量ｂ１、ｂ２よりも多くなるように原料流量ａ１、ａ２（ａ１＞ｂ１、ａ２＞ｂ２）が制御されており、一定の期間を経過した後、通常時の原料流量に戻される。また、この例では、運転時間Ｔ＝ｔのときに、原料流量を通常時の原料流量ｂ２まで一段階で減少させているが、段階的に減少させてもよい。
【００８１】
このように、通常時には、発電電力の目標値に応じて原料流量ｂ１、ｂ２が制御されるが、吸着脱硫部の交換後には、通常時の値（以下、「通常時原料流量」ともいう）を基準として、一時的に原料流量を増加させている。その結果、吸着脱硫部の交換後には、発電電力の目標値に対する原料流量の比が通常時の比よりも大きくなる。なお、通常時原料流量は、発電電力の目標値に対して一定でなくてもよい。
【００８２】
図４は、発電電力の目標値に対する原料流量の比を調整するために、原料流量を制御する例を示しているが、原料流量と併せて、または原料流量の代わりに、発電電力の目標値を制御することもできる。その場合には、運転開始から一定期間（０≦Ｔ＜ｔ）、発電電力の目標値を通常時よりも低く設定し、上記期間の経過後に、通常時の発電量の目標値に戻すように設定してもよい。
【００８３】
次に、運転制御部による制御プログラムを具体的に説明する。図５は、制御プログラムの一例を示すフローチャートである。この例では、原料供給部に指令を送って原料流量を制御することにより、発電電力の目標値に対する原料流量の比を調整している。
【００８４】
運転制御部は、運転を開始する際に、まず、吸着脱硫部が交換されたか否かを検知する（ステップＳ１）。交換されていないことを検知すると、通常時の制御を行う。一方、交換されたことを検知すると、原料供給部に指令を送り、予め設定された割合ｆで原料流量を増加させる（ステップＳ２）。このときの原料流量は、通常時の原料流量（通常時原料流量）×（１＋ｆ）となる。続いて、例えば吸着脱硫部の上流側に配置された積算流量計測部をリセットして、吸着脱硫部に供給される原料の積算流量の計測を開始させる（ステップＳ３）。なお、ステップＳ３はステップＳ２よりも先に行われてもよいし、同時に行われてもよい。次いで、積算流量計測部で計測された積算流量の値を読み取る（ステップＳ４）。ここでは、例えば５分ごとにステップＳ４を実行し、その都度、ステップＳ４で読み取られた積算流量の値が予め決められた値に達しているかの判定を行う（ステップＳ５）。予め決められた値に達していない場合には、読み取られた積算流量の値から、通常時原料流量に対する原料流量の増加量の割合ｆｘを決定し（ステップＳ６）、原料供給部に指令を送って原料流量を増加させる（ステップＳ７）。このときの原料流量は、通常時原料流量×（１＋ｆｘ）となる。この後、再びステップＳ４を実行する。このようにして、ステップＳ５において、積算流量の値が予め決められた値に達すると判定されるまで、ステップＳ４〜Ｓ７を繰り返す。ステップＳ５において、積算流量の値が予め決められた値に達すると判定されると、通常時原料流量に戻すように原料供給部に指令を送る。
【００８５】
上記の制御プログラムでは、所定のタイミングで積算流量の値を読み取り、その値に基づいて原料流量の増加量の割合を更新しているので、吸着脱硫部で吸着された炭化水素量を効率的かつ確実に補償できる。なお、本実施形態における制御プログラムのフローチャートは図示する例に限定されない。前述したように、原料流量を制御するために原料供給部４に指令を送る代わりに、発電電力を制御するために燃料電池に指令を送ってもよい。
【００８６】
本実施形態の燃料電池発電システムは、家庭用の発電システムとして好適に用いられる。この場合、家庭の消費電力の一部を効率よく賄うために、一日の時間帯によって発電電力を変化させることもできる。以下、発電電力の制御パターンの一例を図面を参照しながら説明する。
【００８７】
図６に示す線Ｄは家庭の一日の消費電力の変化を例示し、横軸が時刻、縦軸が消費電力を表している。線Ｃは家庭用の燃料電池発電システムにおける起動後の発電出力の制御パターンを例示するグラフであり、横軸が時刻、縦軸が発電出力を表している。この例では、発電出力（線Ｃ）は、家庭の消費電力（線Ｄ）の一部を効率的に賄うように設定されている。
【００８８】
発電出力を線Ｃに示すように変化させるためには、出力しようとする電力に応じて、原料流量（通常時原料流量）を予め規定されたプログラムに従って変化させてもよい。この場合でも、吸着脱硫部５の交換信号が検知された後には、上記プログラムに従って変化する通常時原料流量を基準として、一時的に原料流量を増加させる。これにより、吸着脱硫部５の交換直後でも、所望の発電出力を得ることができる。
【００８９】
本発明の燃料電池発電システムの構成は、上述した実施形態の構成（図１）に限定されない。図１に示す構成では、入力部１７に入力された交換信号によって吸着脱硫部５の交換を検知しているが、他の手段によって吸着脱硫部５の交換を検知することもできる。例えば、機械的な接点スイッチで吸着脱硫部５の交換を検知する脱硫部交換検知部を接続部７に設けてもよいし、ＩＣタグ等を用いて吸着脱硫部５の交換を検出する脱硫部交換検知部を設けてもよい。
【００９０】
また、本実施形態では、１つの着脱式の吸着脱硫部５を用いているが、直列または並列に配置された複数の吸着脱硫部を用いることもできる。その場合には、複数の吸着脱硫部のうち少なくとも１つが着脱可能な構成を有していればよい。
【００９１】
なお、燃料電池発電システムを運転する際に、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて原料流量または発電電力の目標値を補正すると、新しい吸着脱硫部に交換する場合のみでなく、燃料電池発電システムの内外で使用済みの吸着脱硫部を再生する場合であっても、再生された吸着脱硫部の吸着特性に応じて上記補正を行うことができるので有利である。さらに、ある程度原料を通過させたことのある吸着脱硫部を接続部に設置する場合、例えば吸着脱硫部を一旦接続部から外した後、同じ吸着脱硫部を接続部に再度設置する場合であっても、設置されたときの吸着脱硫部の吸着率に基づいて適正な補正を行うことが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、原料中の硫黄化合物を吸着する吸着脱硫部と、原料および水との改質反応によって水素含有ガスを生成させる改質器とを備えた燃料電池発電システムおよびその運転方法に有用である。
【符号の説明】
【００９３】
２  燃焼部
３  水供給部
４  原料供給部
５  吸着脱硫部
６  ガスインフラライン
７  接続部
８  燃料電池
９  ガス切り替え部
１０  原料供給経路
１１  改質器バイパス経路
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  入力部
１８  燃焼ファン
１９  空気供給部
３０  改質器
【手続補正２】
【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】
硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部を着脱可能に保持する機構と、
前記吸着脱硫部を通過した原料から水素含有ガスを生成する改質部と、
前記水素含有ガスを燃料として発電する燃料電池と、
前記吸着脱硫部に供給する前記原料の流量を制御する原料供給部と、
前記原料供給部および前記燃料電池の動作を制御する運転制御部と
を備え、
前記運転制御部は、
前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記燃料電池による発電電力の目標値に対する前記流量の比が、前記交換前における前記発電電力の目標値に対する前記流量の比よりも一時的に大きくなるように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記吸着脱硫部に供給される前記原料の積算流量を計測する積算流量計測部をさらに備え、
前記運転制御部は、
前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記原料の積算流量の計測を開始するように前記積算流量計測部の動作を制御し、
前記積算流量計測部で計測された積算流量が予め設定される量に達すると、前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池による積算発電電力量を計測する積算発電電力計測部をさらに備え、
前記運転制御部は、
前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記積算発電電力量の計測を開始するように前記積算発電電力計測部の動作を制御し、
前記積算発電電力計測部で計測された積算発電電力量が予め設定される量に達すると、前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記予め設定される量は、前記吸着脱硫部における炭化水素の吸着量を飽和させるために必要な前記原料の流通量によって決められている請求項２または３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部が交換された後の流量を、前記交換前における流量よりも増加させるように前記原料供給部の動作を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記増加させる流量は、前記吸着脱硫部の前記炭化水素成分の吸着特性と前記原料の積算流量とに基づいて決められる請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記交換前の流量は、起動開始後、予め規定されたプログラムに従って変化するように制御されている請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記発電電力の目標値が交換前の目標値よりも低くなるように前記燃料電池の動作を制御する請求項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、前記吸着脱硫部の交換が検知されると、前記発電電力の目標値が交換前の目標値よりも低くなるように前記燃料電池から得られる電流量を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記運転制御部は、前記吸着脱硫部の交換後における前記発電電力の目標値に対する前記流量の比を、前記交換前の比に段階的に戻すように、前記原料供給部および前記燃料電池の動作のうち少なくとも一方を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
吸着脱硫部の交換信号を出力する交換信号出力部をさらに備え、
前記運転制御部は、前記交換信号に基づいて、前記吸着脱硫部が交換されたことを検知する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記吸着脱硫部は、ゼオライトを主成分とする吸着除去剤を有する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
硫黄成分を含む炭化水素系の原料を、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部に導入した後、前記吸着脱硫部を通過した原料と水との改質反応から水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池を用いた燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された流量で、前記吸着脱硫部に前記原料を導入する燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項１４】
硫黄成分を含む炭化水素系の原料を、前記原料中の前記硫黄成分を吸着する吸着脱硫部に導入した後、前記吸着脱硫部を通過した原料と水との改質反応から水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを燃料として発電を行う燃料電池を用いた燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着率に基づいて補正された発電電力で、前記燃料電池の発電を行う燃料電池発電システムの運転方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009031271.tif 000013
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2009031271.tif 000018
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