(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とで発電を行う燃料電池と、発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料生成器と、前記燃料生成器を加熱するための燃焼器と、前記燃焼器に燃焼原料を供給する燃焼原料調節器と、前記燃料電池より排出される残余燃料を前記燃焼器に供給する手段とを具備し、前記燃料生成器から燃料電池へ供給される燃料量Ａに対する前記燃料電池が消費する燃料量Ｂの割合が、所定の第１閾値より大きい場合には前記燃料量Ａを所定量増加させ、所定の第２閾値より小さい場合には前記燃料量Ａを所定量減少させ、前記第１閾値と第２閾値の間にある場合には前記燃料量Ａを維持させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
発電原料の供給量を制御する発電原料調節器を備え、前記燃料電池が発生する電流を検知して、前記燃料生成器から燃料電池へ供給される燃料量Ａに対する前記燃料電池が消費する燃料量Ｂの割合を演算し、前記発電原料調節器へ発電原料の供給量を指令する利用率検知機を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
発電原料の供給量を制御する発電原料調節器を備え、前記燃料電池が発生する電力を検知して、前記燃料生成器から燃料電池へ供給される燃料量Ａに対する前記燃料電池が消費する燃料量Ｂの割合を演算し、前記発電原料調節器へ発電原料の供給量を指令する利用率検知機を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電原料から生成され燃料を用いて、発電を行う燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムは、図６に示すように、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどの発電原料に水を添加して改質し水素に富んだ燃料を生成する燃料生成器２と、天然ガスなどの燃焼原料と燃料電池１より排出される残余燃料ガスとを燃焼する燃焼器３と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア４と、燃料電池１の発電する電力を調節する電力調節器５と、燃料生成器２へ供給する発電原料および水の量を調節する発電原料調節器６と、燃焼器３へ供給する燃焼原料の流量を調節して燃料生成器２の温度を発電原料から燃料を生成するのに必要な温度（約７００℃）に維持する燃焼原料調節器７とを有している。
【０００３】
燃料電池システムは、電力調節器５を通して電力負荷に接続されると同時に、電力系統と連携されている（図示せず）。
【０００４】
燃料生成器２は、燃料電池１へ供給する燃料を生成するとともに、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料電池１の触媒にダメージを与えない濃度まで除去する機能も有する。また、燃料電池１へ供給する燃料の量は、発電原料調節器６により発電原料および水の量を調節することにより調節される。
【０００５】
燃焼器３は、燃焼原料調節器７により供給量を調節された燃焼原料と、燃料電池１より排出された残余燃料ガスとが供給され、前記燃焼原料と残余燃料ガスが燃焼される。
【０００６】
燃料生成器２においては、発電原料から燃料ガスを効率よく生成し、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を十分除去する能力を維持するためには、燃料生成器２の温度を適切な温度に維持することが必要となる。
【０００７】
このような燃料電池システムの運転方法として、特開２０００−６７８９７号公報にあるように、燃料生成器２に供給する発電原料の供給量を一定にして、燃料ガス生成量を常に一定に保つことにより、燃料生成器２の温度を適切な温度に安定的に維持する方法が用いられていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料電池システムの運転方法においては、燃料電池システムに要求される電力が小さくなると、燃料電池１において消費される燃料の量が少なくなり、燃料電池１より排出される残余燃料ガスの量が多くなる。この残余燃料ガスは燃焼器３に供給されるが、燃焼器３へ供給される残余燃料ガスの量が多くなると燃焼器３での燃焼量も多くなる。残余燃料ガスがある一定量を超えると、燃焼器３へ供給する燃焼原料の量をゼロにしても燃料生成器２の温度を維持できないほどの燃焼量が燃焼器３で発生し、燃料生成器２が異常に高い温度となる。その結果、燃料電池システムを停止しなくてはならなくなる。場合によっては、燃料生成器２の破損という事態を招くこともあった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決するために本発明は、燃料と酸化剤とで発電を行う燃料電池と、発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料生成器と、前記燃料生成器を加熱するための燃焼器と、前記燃焼器に燃焼原料を供給する燃焼原料調節器と、前記燃料電池より排出される残余燃料を前記燃焼器に供給する手段とを具備し、前記燃料生成器から燃料電池へ供給される燃料量Ａに対する前記燃料電池が消費する燃料量Ｂの割合が、所定の第１閾値より大きい場合には前記燃料量Ａを所定量増加させ、所定の第２閾値より小さい場合には前記燃料量Ａを所定量減少させ、前記第１閾値と第２閾値の間にある場合には前記燃料量Ａを維持させることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
また請求項２の本発明は、発電原料の供給量を制御する発電原料調節器を備え、燃料電池が発生する電流を検知して、前記燃料生成器から燃料電池へ供給される燃料量Ａに対する前記燃料電池が消費する燃料量Ｂの割合を演算し、前記発電原料調節器へ発電原料の供給量を指令する利用率検知機を設けたことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
さらに請求項３の本発明は、発電原料の供給量を制御する発電原料調節器を備え、燃料電池が発生する電力を検知して、前記燃料生成器から燃料電池へ供給される燃料量Ａに対する前記燃料電池が消費する燃料量Ｂの割合を演算し、前記発電原料調節器へ発電原料の供給量を指令する利用率検知機を設けたことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図であり、図６で示した従来例と同じ構成要素については、同じ番号を付与している。
【００１４】
燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどの発電原料に水を添加して改質し水素に富んだ燃料を生成する燃料生成器２と、天然ガスなどの燃焼原料と燃料電池１より排出される残余燃料とを燃焼する燃焼器３と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア４と、燃料電池１の発電する電力を調節する電力調節器５と、燃料生成器２へ供給する発電原料および水のを調節する発電原料調節器６と、燃焼器３へ供給する燃焼原料の流量を調節して燃料生成器２の温度を発電原料から燃料を生成するのに必要な温度（約７００℃）に維持する燃焼原料調節器７とを有している。
【００１５】
燃料電池システムは、電力調節器５を通して電力負荷に接続されると同時に、電力系統と連携されている（図示せず）。
【００１６】
燃料生成器２は、燃料電池１へ供給する燃料を生成するとともに、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料電池１の触媒にダメージを与えない濃度まで除去する機能も有する。
【００１７】
また、燃料電池１へ供給する燃料量Ａは、発電原料調節器６により発電原料および水の量を調節することにより調節される。
【００１８】
燃焼器３は、燃焼原料調節器７により供給量を調節された燃焼原料と、燃料電池１より排出された残余燃料ガスとが供給され、前記燃焼原料と残余燃料ガスが燃焼される。
【００１９】
また、第１の利用率検知器８は、燃料電池１が発生する電流を検知して、燃料電池１に供給される燃料量Ａに対する前記燃料電池が消費する燃料量Ｂの割合、すなわち水素利用率Ｕｆを演算し、発電原料調節器６へ発電原料の供給量を指令することにより、燃料電池１へ供給する燃料の量を制御するものである。
【００２０】
図２は、図１に示した本発明の実施の形態１における燃料電池システムの、運転形態を示すフローチャートである。
【００２１】
まず、燃料生成器２に供給される発電原料の供給量から燃料電池１へ供給される水素量Ｈｄを演算する（００１）。
【００２２】
発電原料として都市ガス１３Ａを用いた場合には、１Ｌ／ｍｉｎの都市ガス１３Ａから理論的には約４．６Ｌ／ｍｉｎの水素が生成可能である。実際には、燃料生成器２の転換率が９６％程度であるので、１Ｌ／ｍｉｎの都市ガス１３Ａから約４．４Ｌ／ｍｉｎの水素が生成される。よって、燃料電池１へ供給される水素量Ｈｄ［Ｌ／ｍｉｎ］は発電原料の量を４．４倍することによって得られる。
【００２３】
次に、燃料電池１の発電電流から燃料ガス中に含まれる水素の消費量Ｈｓを演算する（００２）。
【００２４】
発電電流Ｉ［Ａ］に対して、消費される水素量Ｈｓ［Ｌ／ｍｉｎ］は次式（数１）で求められる。
【００２５】
【数１】
0003570355.tif 000002
【００２６】
そして、水素利用率Ｕｆ［％］を次式（数２）により求める（００３）。
【００２７】
【数２】
0003570355.tif 000003
【００２８】
例えば、電力調節器５により発電量が変更され、水素利用率Ｕｆが第一閾値９０％より大きくなった場合には（００４）、発電原料の供給量を１２％増加させ、水素利用率Ｕｆを８０％程度にする（００５）。
【００２９】
逆に、水素利用率Ｕｆが第二閾値７０％より小さくなった場合には（００６）、発電原料の供給量を１２％減少させ、水素利用率Ｕｆを８０％程度にする（００７）。
【００３０】
以上のように、燃料電池システムの運転において、水素利用率Ｕｆが上限値としての第一閾値９０％より大きくなった場合には、発電原料の供給量を増加させて水素利用率Ｕｆを８０％程度になるように変更し、水素利用率Ｕｆが下限値としての第二閾値７０％より小さくなった場合には、発電原料の供給量を減少させて水素利用率Ｕｆを８０％程度になるように変更することにより、燃料電池１における発電量がいかなる場合でも、燃料電池１における水素利用率Ｕｆが７０〜９０％の間に納まる。そのため、発電量が定格の１／４などのように小さいときでも、残余燃料ガス中に含まれる水素の量が過大とならないため、燃焼器３における燃焼量も過大にならず、燃料生成器２の温度を安定的に維持可能となり、燃料電池システムの異常停止や燃料生成器２の破損といった事態をまねくことがなくなるため、燃料電池システムの信頼性を高く維持することが可能となる。
【００３１】
（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の技術手段を用いた実施の形態における燃料電池システムの構成図であり、図１に示した実施の形態１における燃料電池システムと同様であるものについては同じ番号を付与してあり、詳細は図１で示した本発明の実施の形態１における燃料電池システムのものに準ずるものとする。
【００３２】
図３において、第２の利用率検知器９は、燃料電池１が発生する電力Ｗを検知して、燃料電池１に供給される燃料量Ａに対する前記燃料電池が消費する燃料量Ｂの割合、すなわち水素利用率Ｕｆを演算し、発電原料調節器６へ発電原料の供給量を指令することにより、燃料電池１へ供給する燃料の量を制御するものである。
【００３３】
図４は、図３に示した本発明の実施の形態２における燃料電池システムの、運転形態を示すフローチャートである。
【００３４】
まず、燃料生成器２に供給される発電原料の供給量から燃料電池１へ供給される水素量Ｈｄを演算する（０１１）。
【００３５】
発電原料として都市ガス１３Ａを用いた場合には、１Ｌ／ｍｉｎの都市ガス１３Ａから理論的には約４．６Ｌ／ｍｉｎの水素が生成可能である。実際には、燃料生成器２の転換率が９６％程度であるので、１Ｌ／ｍｉｎの都市ガス１３Ａから約４．４Ｌ／ｍｉｎの水素が生成される。よって、燃料電池１へ供給される水素量Ｈｄ［Ｌ／ｍｉｎ］は発電原料の量を４．４倍することによって得られる。
【００３６】
次に、燃料電池１の発電電流から燃料ガス中に含まれる水素の消費量Ｈｓを演算する（０１２）。
【００３７】
発電電力Ｗ［Ｗ］に対して、消費される水素量Ｈｓ［Ｌ／ｍｉｎ］は、図５に示すような予め得られる燃料電池１の電圧電流特性を基に燃料電池１の電流を演算したのち、前記式（数１）で求められる。
【００３８】
そして、水素利用率Ｕｆ［％］を前記式（数２）により求める（０１３）。
【００３９】
例えば、電力調節器５により発電量が変更され、水素利用率Ｕｆが第一閾値９０％より大きくなった場合には（０１４）、発電原料の供給量を１２％増加させ、水素利用率Ｕｆを８０％程度にする（０１５）。
【００４０】
逆に、水素利用率Ｕｆが第二閾値７０％より小さくなった場合には（０１６）、発電原料の供給量を１２％増加させ、水素利用率Ｕｆを８０％程度にする（０１７）。
【００４１】
以上のように、燃料電池システムの運転において、水素利用率Ｕｆが上限値としての第一閾値９０％より大きくなった場合には、発電原料の供給量を増加させて水素利用率Ｕｆを８０％程度になるように変更し、水素利用率Ｕｆが下限値としての第二閾値７０％より小さくなった場合には、発電原料の供給量を減少させて水素利用率Ｕｆを８０％程度になるように変更することにより、燃料電池１における発電量がいかなる場合でも燃料電池１における水素利用率Ｕｆが７０〜９０％の間に納まる。そのため、発電量が定格の１／４などのように小さいときでも、残余燃料ガス中に含まれる水素の量が過大とならないため、燃焼器３における燃焼量も過大にならず、燃料生成器２の温度を安定的に維持可能となり、燃料電池システムの異常停止や燃料生成器２の破損といった事態をまねくことがなくなるため、燃料電池システムの信頼性を高く維持することが可能となる。
【００４２】
また、電流ではなく電力を計測することにより、高価な電流検知器が必要なくなり、低コストなシステムを実現できる。
【００４３】
なお、本発明の実施の形態１および実施の形態２において、第一閾値を９０％、第二閾値を７０％と設定したが、各閾値の値はこれに限るものではなく、２つ閾値の幅を大きく取れば、発電原料供給量の変更頻度が少なくなりより安定的な運転が実現できる。一方、２つ閾値の幅を小さく取れば、利用率の変化幅が小さくなり特に第二閾値を大きくすることにより、水素利用率が向上して燃料電池システムの効率も向上させることが出来る。
【００４４】
また、水素利用率が第一閾値より大きくなった場合や第二閾値より小さくなった場合に、発電原料を１２％変更して、変更後の水素利用率が第一閾値と第二閾値の中間程度になるようにしたが、発電原料の変更幅はこれに限るものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、燃料電池における水素利用率に応じて発電原料の供給量を調節するものであるから安定的かつ信頼性の高い燃料電池システムを提供することができる。
【００４６】
すなわち、燃料電池における水素利用率を求め、水素利用率が第一閾値より大きいときには発電原料の供給量を増加させ、水素利用率が第二閾値より小さい時には発電原料の供給量を減少させ、水素利用率が第一閾値と第二閾値の間にあるときには、発電原料の供給量を維持することにより、発電電力変更に伴う頻繁な発電原料供給量の変更が緩和される。そのため、燃料生成器２の温度を安定的に維持することが可能となり、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を燃料電池の触媒にダメージを与えない濃度まで除去する機能が有効に働き、燃料電池システムの信頼性を高く維持することが出来る。
【００４７】
また、発電電力が小さくなった場合には、発電原料も適切に供給量を少なく調節されるため、過大な残余燃料ガスによる燃料生成器の過昇温をさけることが出来るので、高い信頼性を維持したまま、幅広い発電電力の可変幅を確保することも可能となる。
【００４８】
さらに、燃料電池の電流もしくは電力を検知して、燃料電池における水素利用率を求め、発電原料の供給量を調節することにより、低コストで、安定的かつ信頼性の高い燃料電池システムを実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態１における動作形態を示すフローチャート
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図
【図４】本発明の実施の形態２における動作形態を示すフローチャート
【図５】本発明の実施の形態２における燃料電池の電圧電力特性図
【図６】従来の燃料電池システムを示す構成図
【符号の説明】
１  燃料電池
２  燃料生成器
３  燃焼器
４  ブロア
５  電力調節器
６  発電原料調節器
７  燃焼原料調節器
８  第１の利用率検知器
９  第２の利用率検知器
【図１】
0003570355.tif 000004
【図２】
0003570355.tif 000005
【図３】
0003570355.tif 000006
【図４】
0003570355.tif 000007
【図５】
0003570355.tif 000008
【図６】
0003570355.tif 000009