(57)【要約】【課題】窒素含有原料ガスを使用する燃料電池システムにおいて、定期交換部品であるイオン交換樹脂の、従来の取り替え基準では利用できなかったイオン交換可能な部分を有効活用することで、定期メンテナンスに関わる人件費等の運用コスト削減、イオン交換樹脂の材料コスト削減、イオン交換樹脂サイズ縮小によるシステムの小型化などに寄与することができる燃料電池システムの運用方法を提供する。【解決手段】燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させることを特徴とする燃料電池システムの運用方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させることを特徴とする燃料電池システムの運用方法。
【請求項２】
燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、且つ（ｃ）、（ａ）〜（ｂ）の運用パターンを複数回繰り返すことを特徴とする燃料電池システムの運用方法。
【請求項３】
燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、（ｃ）設置年数がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせることを特徴とする燃料電池システムの運用方法。
【請求項４】
燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、（ｃ）通電時間がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせることを特徴とする燃料電池システムの運用方法。
【請求項５】
燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、且つ、前記（ａ）〜（ｂ）の運用パターンを複数回繰り返すとともに、（ｃ）設置年数がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報することを特徴とする燃料電池システムの運用方法。
【請求項６】
燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、且つ、前記（ａ）〜（ｂ）の運用パターンを複数回繰り返すとともに、（ｃ）通電時間がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報することを特徴とする燃料電池システムの運用方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、累積発電電力量（ｋＷｈ）や設置時間のみで判断するのではなく、各種運転履歴と合わせて判断することを特徴とする燃料電池システムの運用方法。
【請求項８】
請求項７において、前記各種運転履歴が平均発電出力、各種温度、各種流量等であることを特徴とする燃料電池システムの運用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの運用方法に関し、より詳しくは、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
〈従来技術〉
燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムでは、天然ガスや都市ガス等の原料ガスから水素を生成する水蒸気改質反応や燃料電池スタックの冷却用として高純度の水（一般的に１．０μＳ／ｃｍ以下）が必要とされるが、この水は、通常、燃料電池システム内で生成されるドレン水を水処理器で処理することによって供給されている。
【０００３】
水処理器としては、現在、イオン交換樹脂を使用する水処理器が広く用いられており、水処理器ではイオン交換により除去、あるいは回収すべきイオンをイオン交換樹脂に捕捉する。捕捉したイオンで飽和に近くなったイオン交換樹脂は再生または交換する必要があるが、燃料処理装置を含む燃料電池システム内で生成されるドレン水を処理するイオン交換樹脂は定期的に交換する運用がなされている。
【０００４】
燃料処理装置を含む燃料電池システム内で生成されるドレン水には、燃料電池システム内からの溶出物や燃料処理装置での反応生成物などが含まれるが、特に、原料ガスに窒素が含まれる場合、水蒸気改質反応の副生成物として生成されるアンモニアがカチオン成分のうち大きな割合を占める。また、この窒素由来のアンモニア濃度は出力が低出力であるほど高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のとおり、水処理器で容器に充填、使用するイオン交換樹脂はその使用目的で使用し続けると飽和状態となるので交換する必要がある。現在、定期交換部品であるイオン交換樹脂の交換周期は、累積発電電力量（ｋＷｈ）または設置年数あるいは通電時間で決められている。
【０００６】
累積発電電力量（ｋＷｈ）を交換基準とした場合、平均発電出力が低い物件である燃料電池システム（すなわち、ｋＷ当たりのアンモニア濃度が高い）を想定して定期メンテナンス周期を設定すると、平均発電出力が高い物件である燃料電池システム（すなわち、ｋＷ当たりのアンモニア濃度が低い）のイオン交換樹脂は、まだ十分イオン交換が可能であるのに定期交換されてしまうという問題があった。そのように、十分イオン交換が可能であるのに定期交換されてしまうと言うことは、すなわち、イオン交換能力を十分利用できていないことを意味する。
【０００７】
それとは逆に、平均発電出力が高い物件である燃料電池システムを想定して、定期メンテナンス周期を設定すると、平均発電出力が低い物件である燃料電池システムにおいて、イオン交換樹脂の破過を引き起こしてしまうという課題がある。
【０００８】
また、設置年数あるいは通電時間を交換基準とした場合、その設置年数あるいは通電時間中に、発電時間が短い物件である燃料電池システムにおいて、まだ十分イオン交換が可能なイオン交換樹脂が残り、イオン交換可能なマージン部分のイオン交換樹脂を有効に利用できないという課題があった。
【０００９】
本発明は、特に、窒素含有原料ガスを使用する燃料電池システム（国産天然ガス対応、海外対応など）において、定期交換部品であるイオン交換樹脂の、従来の取り替え基準では利用できなかったイオン交換可能な部分を有効活用することで、定期メンテナンスに関わる人件費等の運用コスト削減、イオン交換樹脂の材料コスト削減、イオン交換樹脂サイズ縮小によるシステムの小型化などに寄与することができる燃料電池システムの運用方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明（１）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させることを特徴とする燃料電池システムの運用方法である。
【００１１】
本発明（２）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、且つ（ｃ）、（ａ）〜（ｂ）の運用パターンを複数回繰り返すことを特徴とする燃料電池システムの運用方法である。
【００１２】
本発明（３）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、（ｃ）設置年数がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせることを特徴とする燃料電池システムの運用方法である。
【００１３】
本発明（４）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、（ｃ）通電時間がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせることを特徴とする燃料電池システムの運用方法である。
【００１４】
本発明（５）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、且つ、前記（ａ）〜（ｂ）の運用パターンを複数回繰り返すとともに、（ｃ）設置年数がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報することを特徴とする燃料電池システムの運用方法である。
【００１５】
本発明（６）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法であって、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、且つ、前記（ａ）〜（ｂ）の運用パターンを複数回繰り返すとともに、（ｃ）通電時間がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報することを特徴とする燃料電池システムの運用方法である。
【００１６】
本発明（７）は、本発明（１）〜（６）のいずれかの燃料電池システムの運用方法において、累積発電電力量（ｋＷｈ）や設置時間のみで判断するのではなく、各種運転履歴と合わせて判断することを特徴とする燃料電池システムの運用方法である。
【００１７】
本発明（８）は、本発明（７）の燃料電池システムの運用方法において、前記各種運転履歴が平均発電出力、各種温度、各種流量等であることを特徴とする燃料電池システムの運用方法である。
【発明の効果】
【００１８】
従来は、累積発電電力量又は設置年数あるいは通電時間で、定期メンテナンス頻度を決定していた。しかし、原料ガス中にアンモニアが含まれる場合は、発電出力によってイオン負荷が異なるため（低出力ほどアンモニウムイオン濃度が高い）、対象物件である燃料電池システムによっては、イオン交換樹脂の交換容量を十分使いきれずに定期交換されていた。本発明によって、これまで利用できなかったイオン交換樹脂の未利用部分を有効活用することができる。これにより、定期メンテナンスに関わる人件費等の運用コストの削減、イオン交換樹脂材料のコスト削減、イオン交換樹脂を充填使用する装置サイズの縮小によるシステムの小型化などに寄与することができる。
【００１９】
本発明によれば、特に、窒素含有原料ガスを使用する燃料電池システム（国産天然ガス対応、海外対応など）において、定期交換部品であるイオン交換樹脂の、従来の取り替え基準では利用できなかったイオン交換可能な部分を有効活用することで、定期メンテナンスに関わる人件費等の運用コスト削減、イオン交換樹脂の材料コスト削減、イオン交換樹脂装置のサイズ縮小によるシステムの小型化などに寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に係る定期メンテナンスアラームの発報フローを説明する図（その１）である。
【図２】図２は、平均出力とカチオン交換樹脂の寿命の関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明に係る定期メンテナンスアラームの発報フローを説明する図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明（１）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法である。そして、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させることを特徴とする。すなわち、燃料電池システムでは、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、ある基準以上ならは、継続運転させる燃料電池システムの運用方法である。
【００２２】
本発明（２）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法である。そして、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、且つ（ｃ）、（ａ）〜（ｂ）の運用パターンを複数回繰り返すことを特徴とする。すなわち、本発明（１）の運用パターンを複数回繰り返す運用方法である。
【００２３】
本発明（３）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法である。そして、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、（ｃ）設置年数がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせることを特徴とする。
すなわち、本発明（３）は、本発明（１）と、設置年数がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせた運用方法である。
【００２４】
本発明（４）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法である。そして、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、（ｃ）通電時間がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせることを特徴とする。
すなわち、本発明（４）は、本発明（１）と、通電時間がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせた運用方法である。
【００２５】
本発明（５）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法である。そして、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、且つ、前記（ａ）〜（ｂ）の運用パターンを複数回繰り返すとともに、（ｃ）設置年数がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報することを特徴とする。
すなわち、本発明（５）は、本発明（２）と、設置年数がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせた運用方法である。
【００２６】
本発明（６）は、燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法である。そして、ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、（ｂ）ある基準以上ならば継続運転させ、且つ、前記（ａ）〜（ｂ）の運用パターンを複数回繰り返すとともに、（ｃ）通電時間がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報することを特徴とする。
すなわち、本発明（６）は、本発明（２）と、通電時間がある基準に達したときにイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報する運用方法を組み合わせた運用方法である。
【００２７】
本発明（７）は、本発明（１）〜（６）のいずれかの燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法において、累積発電電力量（ｋＷｈ）や設置時間のみで判断するのではなく、各種運転履歴と合わせて判断することを特徴とする。
【００２８】
本発明（８）は、本発明（７）の燃料電池用の燃料水素を製造する燃料処理装置を含む燃料電池システムの運用方法において、前記各種運転履歴が平均発電出力、各種温度、各種流量等であることを特徴とする燃料電池システムの運用方法である。
【００２９】
本発明（１）〜（６）の運用方法は、現状で課題となっている原料ガス中の窒素由来のアンモニアに対応した定期メンテナンスの仕様（方法）であるが、本発明（７）〜（８）の運用方法は、累積発電電力量（ｋＷｈ）や設置時間のみで判断するのではなく、各種運転履歴（平均発電出力、各種温度、各種流量）等と合わせて判断するものである。
【００３０】
〈本発明の基本構成〉
本発明の基本構成、基本的考え方を図１〜３に示している。燃料電池システムの累積発電電力量がある一定値「ＸｋＷｈ」に到達した際に、平均発電出力を確認する。その平均発電出力の値が、ある一定基準「ａｋＷ」以下であれば、定期メンテナンスアラームを発報し（すなわち、定期メンテナンスが必要との警告を発して知らせる）、イオン交換樹脂を取り替える。また、ある一定基準以上であれば、運転を継続させる。このような平均発電出力の確認、および定期メンテナンスアラームの発報か運転継続かの判別を１回または複数回繰り返す。
【００３１】
本発明の基本構成、基本的考え方を図１〜３に示している。燃料電池システムの累積発電電力量がある一定値「ＸｋＷｈ」に到達した際に、平均発電出力を確認する。その平均発電出力の値が、ある一定基準「ａｋＷ」以下であれば、定期メンテナンスアラームを発報し、すなわち定期メンテナンスが必要との警告を発して知らせて、イオン交換樹脂を取り替える。また、ある一定基準以上であれば、運転を継続させる。このような平均発電出力の確認、および定期メンテナンスアラーム発報か運転継続かの判別を１回または複数回繰り返す。図３の場合は２回の繰り返しの場合である。
【００３２】
〈実施の一例〉
本例では窒素０．５％（容量％、以下同じ）を含む原料ガスを使用する場合を例としている。これを前提に、定格発電出力１ｋＷの燃料電池システムのイオン交換樹脂の定期交換運用方法を検討し、本発明によるイオン交換樹脂の材料コスト削減効果、メリットを定量的に示している。表１に、窒素０．５％の原料ガスを使用した出力１ｋＷ級のＰＥＦＣシステム（改質触媒Ｒｕ系）でのドレン水中のカチオン成分濃度を示す。表１中、符号“ＴＣ”は、ドレン水中の“Ｔotal Ｃation”の意味である。
【００３３】
【表１】
2014107215.tif 000003
【００３４】
本結果により、原料ガスに窒素が含まれ、改質触媒としてＲｕ系触媒が使用される場合、カチオン成分として、アンモニウムイオンが大部分を占めることがわかる。
したがって、本イオン交換樹脂の設計においては、カチオン負荷としてアンモニウムイオンのみを考慮している。他のカチオン成分は無視できるほど小さい。また、イオン負荷のうち、アニオン負荷と比較し、カチオン負荷の方が大きいため、ここではカチオン樹脂の寿命について説明する。
【００３５】
まず、あるカチオン交換樹脂を想定した場合の、平均出力と樹脂の寿命について試算する。
例えば、交換容量２．０ｅｑ/Ｌ−Ｒのカチオン樹脂を１Ｌ使用する場合、有効利用率を０．５とすると、交換可能イオン量は、
【数１】
2014107215.tif 000004
となる。
【００３６】
一方、ドレン水の量を１０ｍｌ/ｍｉｎ/ｋＷ（＝０．６Ｌ/ｋＷｈ）とすると、３００Ｗ運転時のカチオン交換樹脂の寿命は、
【数２】
2014107215.tif 000005
となる。
また、１０００Ｗ運転時のカチオン交換樹脂の寿命は、下記のとおりとなる。
【数３】
2014107215.tif 000006
【００３７】
ここで、３００Ｗ運転時と１０００Ｗ運転時における平均出力とカチオン交換樹脂の寿命を図示し、線形近似直線により、５００Ｗ平均発電時と７００Ｗ平均発電時のカチオン寿命を推定したグラフを図２に示している。
【００３８】
ここで、前記“・・・ある基準の累積発電電力量に到達したときに、（ａ）それまでの平均発電出力がある基準以下ならイオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、・・・”との記載での“ある基準”の意味については、実機ＰＥＦＣを例に説明すると、以下のとおりである。実機ＰＥＦＣでの発電開始から累積発電電力量が例えば９８０ｋＷｈに到達したときに、当該実機ＰＥＦＣでの平均発電出力を確認する。そして、当該実機ＰＥＦＣで確認した平均発電出力が５００Ｗ以下であると、イオン交換樹脂取り替えのアラームを発報し、それとは逆に、当該実機ＰＥＦＣで確認した平均発電出力が５００Ｗを超えていると、運転を継続する。
【００３９】
従来仕様のように、累積発電電力量を交換基準とする場合、基本的には、累積発電電力量（ｋＷｈ）あたりのアンモニア量が最も高い３００Ｗでの発電時でもイオン交換樹脂が破過しないように設計する必要がある。すなわち、平均出力が高ければ、比較的長い寿命を有するのにも関わらず、９８０ｋＷｈで交換しなければならない。
【００４０】
ここで、図１のフローの一例として本検討つまり以上の検討結果を反映させたフローを図３に示している。また、大規模実証機（３２４物件：ＰＥＦＣ実証機）のデータから、各平均出力の台数割合を表２に示している。
【００４１】
【表２】
2014107215.tif 000007
【００４２】
従来の累積発電電力量による交換基準によると、９８０ｋＷｈで全てのイオン交換樹脂を取り替える必要があったが、本発明を適用、応用すると、１６％の物件（ＰＥＦＣ実証機、以下同じ）は９８０ｋＷｈまで、４３％の物件は１５３７ｋＷｈまで、４１％の物件は２０７３ｋＷｈまで、取り替える必要がない。
【００４３】
すなわち、下記式：により、本発明の適用により、平均で１．７倍、カチオン交換樹脂の寿命を延伸させることができる。
【数４】
2014107215.tif 000008
すなわち、カチオン交換樹脂の材料コストを半分程度に低減させることができる。また、交換頻度の減少に伴い、定期メンテナンスに関わる人件費等の運用コストを削減することができる。
【００４４】
なお、本試算では、安全率や、寿命を迎える前に、定期メンテナンスアラームを発報するマージン期間等は考慮していないが、実際の設計では考慮する必要がある。
【００４５】
本発明によると、燃料電池システムの定期交換部品であるイオン交換樹脂の交換周期を平均出力に応じて変化させることで、従来は利用できなかったイオン交換可能な部分を有効利用することができる。
【００４６】
燃料電池システムの燃料改質器において、窒素含有原料ガスが利用される際、副生物としてアンモニアが発生し、イオン交換樹脂の負荷となる。このアンモニア濃度は、低出力であるほど高くなることが知られているが、本発明においては、燃料電池システムの定期交換部品であるイオン交換樹脂の交換周期を、平均出力に応じて変化させることで、従来は利用できなかったイオン交換可能のマージン部分を有効に利用することができる。
【図１】
2014107215.tif 000009
【図２】
2014107215.tif 000010
【図３】
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