(57)【要約】【課題】従来の燃料電池システムは、発電原料中の不純物濃度の変動に対する対応について検討されていないし、発電原料中の有機ガスの濃度の変動に対応する変動についても検討されていない。つまり、従来の燃料電池システムは、発電原料の組成の変動に対する適切な対応について検討されていない。【解決手段】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情報提供体５より取得する情報取得器２と、情報取得器２を通じて取得した情報に基づき運転を制御する制御器３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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情報提供体より取得する情報取得器と、
前記情報取得器を通じて取得した情報に基づき運転を制御する制御器とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、前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起動を許可しない請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前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する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記情報は、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１−３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
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１−４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記情報は、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１−３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項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、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す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。
【請求項８】
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、改質器に発電原料を供給する原料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、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、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
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７または８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
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１−４、７及び８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記情報は、前記発電原料の産地に関する情報である請求項１−４、７及び８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
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、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、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炭素原子量を特定すると、前記改質器への発電原料の供給量に対する前記改質器への水蒸気の供給量が変化するよう前記水蒸気供給器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
発電原料の組成に関する情報を情報供給体より取得するステップと、
前記情報取得器を通じて取得した情報に基づき燃料電池システムの運転を制御するステップとを備える、燃料電池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、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−８０９０７号公報
【特許文献２】特開２００７−５５８６８号公報
【特許文献３】特開２００３−３１２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明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情報提供体より取得する情報取得器と、前記情報取得器を通じて取得した情報に基づき運転を制御する制御器とを備える。
【００１３】
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情報供給体より取得するステップと、前記情報取得器を通じて取得した情報に基づき燃料電池システムの運転を制御するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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
【図２】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
【図３】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
【図４】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
【図５】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
【図６】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
【図７】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
【図８】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
【図９】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
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
（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情報提供体より取得する情報取得器と、情報取得器を通じて取得した情報に基づき運転を制御する制御器とを備える。
【００１８】
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情報供給体より取得するステップと、情報取得器を通じて取得した情報に基づき燃料電池システムの運転を制御するステップとを備える。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
［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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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の起動を許可してもよい。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。
【００３４】
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）。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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Ｓ４）。
【００４４】
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Ｓ３）。
［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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
ロシアから供給される天然ガスは硫黄化合物は少ないが、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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）
本実施の形態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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、原料ガス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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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の下流端を、燃料電池８の下流の流路に接続しても構わない。
【００６４】
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、リサイクル流路１０を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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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Ｓ２）。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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Ｓ３）。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。
【００７５】
本実施の形態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、改質器に発電原料を供給する原料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、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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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）。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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７を用いて説明する。
【００８９】
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。
【００９０】
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）。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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）。
【００９４】
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３の燃料電池システム１００の実施例について説明する。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明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。
【符号の説明】
【０１０１】
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
１００  燃料電池システム
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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