(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
原料を前記改質器に供給する原料供給器と、
水蒸気を前記改質器に供給する水蒸気供給器と、
前記改質器の温度を検知する温度検知器と、
前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃料電池の発電中における原料組成の変動に伴い、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しているときに、前記改質器への水蒸気の供給量が前記燃料電池の発電量に応じて設定される値となり、前記改質器への原料の供給量の変化率よりも前記改質器への水蒸気の供給量の変化率が小さくなるように前記水蒸気供給器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、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しながら前記改質器への原料供給量を増加させているときに、前記改質器への水蒸気の供給量が前記燃料電池の発電量に応じて設定された値となるように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３】
前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しながら前記改質器への原料供給量を減少させているときに、前記改質器への水蒸気の供給量が前記燃料電池の発電量に応じて設定された値となるように前記水蒸気供給器を制御する、請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御し、前記温度検知器の検知温度が目標温度となる前記改質器への原料供給量に基づいて、前記燃料電池の発電量に対して更新前に予め設定されている前記改質器への原料供給量を更新する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
原料及び水蒸気を用いて改質器が水素含有ガスを生成する工程と、
前記水素含有ガスを用いて燃料電池が発電する工程と、
前記燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼して前記改質器を加熱する工程と、
前記改質器の温度を検知する工程と、
前記改質器の検知温度が目標温度になるように前記改質器への原料の供給量を制御する工程と、
前記燃料電池の発電中における原料組成の変動に伴い、前記改質器の検知温度が目標温度になるように前記改質器への原料の供給量を制御しているときに、前記改質器への水蒸気の供給量が前記燃料電池の発電量に応じて設定される値となり、前記改質器への原料の供給量の変化率よりも前記改質器への水蒸気の供給量の変化率が小さくなるように前記改質器への水蒸気の供給量を制御する工程とを備える、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、燃料電池システム、及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）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を進行させることにより発生した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。また、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。【０００３】
一般的に、水素含有ガスの供給源としてのインフラストラクチャが整備されていないことが多く、従来の燃料電池システムには、改質ガス（水素含有ガス）を生成させる改質部を備えた水素生成装置が配設されている（例えば、特許文献１参照）。水素生成装置では、水と既存のインフラストラクチャから供給される天然ガスを主成分とする都市ガス、又はＬＰＧ等を原料とし、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で改質反応させ改質ガスを生成させる。また、改質反応により得られる改質ガスには、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を低下させる。そこで、水素生成装置には、改質部の他に、２００℃〜３５０℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて一酸化炭素を低減させる、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒を備える変成器、及び１００℃〜２００℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させて更に一酸化炭素を低減させる選択酸化器や、一酸化炭素を選択的にメタン化させて低減させるメタン化除去部等の選択除去器といった反応器が設けられることが多い。【０００４】
さて、水素生成装置では、供給源に含まれる改質水のポンプや原料の流量計が経時的に変化し、供給される原料と水との比率が経時的に変化することがある。その場合、水蒸気／炭素比が変化することになる。水蒸気／炭素比が大きい異常が発生すると、改質部での反応を適切に行わせ難くなる。このため、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素含有ガスの含有率が低下する、あるいは、変成器を通過した後の改質ガス中の一酸化炭素ガスの含有率が上昇する等の問題が生じうる。場合によっては、燃料電池の発電電圧が低下して燃料電池が停止することもありうる。そこで、水蒸気／炭素比が大きい異常を判別するための方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１８３００５号公報
【特許文献２】特開２００７−２７３２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の燃料電池システムでは、原料組成が変化した場合に、運転動作が不安定になるという課題があった。【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、原料組成が変化しても、従来に比べ、運転動作の不安定化が抑制され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】
【０００８】
本発明者らは、燃料電池システムの運転動作を安定化すべく、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。【０００９】
燃料電池システムにおいて、水素生成装置より生成される水素含有ガスの量及び水素生成装置への原料供給量（供給量とは単位時間当たりに供給される体積、すなわち体積流量を言う。以下同様）は、燃料電池の発電量に応じ、改質器の温度が一定になるように制御される。水素生成装置への水供給量は、原料供給量と、目標とする水蒸気／炭素比から決定される。原料組成が変化すると、原料供給量は同じでも、発生する熱量が変化する。その結果、水素生成装置での熱バランスが変化し、水素含有ガスの生成が不安定になる。例えば、単位供給量当たりの発生熱量が少ない、かつ、炭素数の小さい原料が供給された場合、必要量の水素含有ガスを確保するために、原料の供給量は多くなる。原料の供給量に応じた量の水が供給されるので、水の供給量も増加し、水蒸気の生成能力が不足する可能性がある。その結果、水素生成装置の動作は不安定となり、燃料電池で必要とされる量の水素含有ガスが得られず、燃料電池システムの運転動作が安定しないという課題が生じる。【００１０】
一例として、原料にメタン（ＣＨ４）を用いている場合を考える。メタン１モルは、水蒸気２モルと反応して、４モルの水素（Ｈ２）を生じる。この改質反応を円滑に進めるためには、水蒸気を過剰とする場合が多い。以下の例では、メタン１モルに対し水蒸気３モルが供給されるものとする。このとき、水蒸気／炭素比は３である。【００１１】
ここで、原料組成が１００％のメタンから、８７％のメタンと１３％のプロパン（Ｃ３Ｈ８）の混合ガスに変わった場合を考える。混合ガス１モルは、４．７８モルの水素を生じる。このため、従前は１モルのメタンが水素生成装置に供給され、４モルの水素が燃料電池に供給され、燃料電池の出力に変化がなく、改質器の温度が一定に保たれるとした場合、混合ガスの供給量は、４／４．７８＝８３．７％、すなわち０．８３７モルとなる。つまり、原料供給量は１モルから０．８３７モルへと１６．３％減少する。このとき、単位時間当たりに供給される炭素原子は、１モルであったのが１．０５モルとなり、５％しか変化しない。つまり、原料供給量の変化率と、単位時間当たりに供給される炭素原子のモル数の変化率とは大きく異なる。【００１２】
一方、水蒸気の供給量は、一般に、原料供給量と、目標とする水蒸気／炭素比から決定される。よって、原料組成が変わったことを制御器が認識していない限り、制御器により、水蒸気の供給量も、従来の３モルの８３．７％、すなわち２．５１モルに下げられる。【００１３】
かかる状態において、水蒸気／炭素比を計算すると、２．５１／１．０５＝２．３９となり、従前の３から大きく低下する。水蒸気／炭素比が低下すると、炭素が析出するなど、水素生成装置の動作が不安定になる場合がある。【００１４】
逆に、原料組成が８７％のメタンと１３％のプロパンの混合ガスから１００％のメタンに変わった場合を考える。混合ガス１モルは、４．７８モルの水素を生じる。このため、従前は０．８３７モルの混合ガスが水素生成装置に供給され、４モルの水素が燃料電池に供給され、燃料電池の出力に変化がなく、改質器の温度が一定に保たれるとした場合、メタンの供給量は、１．１９モルとなる。つまり、原料供給量は０．８３７モルから１．１９モルへと４２．２％増加する。このとき、単位時間当たりに供給される炭素原子は、１．０５モルから１．１９モルとなり、１３％しか増加しない。【００１５】
原料組成が変わったことを制御器が認識していない限り、制御器により、水蒸気の供給量も、従来の３モルから４２．２％増加され、４．２７モルとなる。【００１６】
かかる状態において、水蒸気／炭素比を計算すると、４．２７／１．１９＝３．５８となり、従前の３から大きく上昇する。水蒸気／炭素比が上昇すると、水供給量過剰により改質器温度が低下するなど、水素生成装置の動作が不安定になる場合がある。【００１７】
かかる問題は、生成される水素の量に対して必要になる水蒸気の量が、原料組成に応じて異なることに由来する。より具体的には、原料組成が変化した場合、原料供給量の変化率に比べ、必要となる水蒸気供給量の変化率は小さい。制御器は、原料組成が変化したことを通常は認識できない。原料供給量の変化に比例するように制御器が水蒸気供給量を変化させてしまうと、水蒸気／炭素比を目標値に維持しにくくなり、水素生成装置の動作が不安定になりやすい。【００１８】
そこで本発明者らは、改質器への原料供給量の変化率よりも改質器への水蒸気供給量の変化率が小さくなるように水蒸気供給器を制御すれば、水蒸気／炭素比の変動が抑制され、水素生成装置の動作を安定化できることに想到した。【００１９】
すなわち上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、原料を前記改質器に供給する原料供給器と、水蒸気を前記改質器に供給する水蒸気供給器と、前記改質器の温度を検知する温度検知器と、前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記温度検知器の検知温度が目標温度になるように前記原料供給器を制御しているときに、前記改質器への原料の供給量の変化率よりも前記改質器への水蒸気の供給量の変化率が小さくなるように前記水蒸気供給器を制御する制御器と、を備える。【００２０】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、原料及び水蒸気を用いて改質器が水素含有ガスを生成する工程と、前記水素含有ガスを用いて燃料電池が発電する工程と、前記燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼して前記改質器を加熱する工程と、前記改質器の温度を検知する工程と、前記改質器の検知温度が目標温度になるように前記改質器への原料の供給量を制御する工程と、前記改質器の検知温度が目標温度になるように前記改質器への原料の供給量を制御しているときに、前記改質器への原料の供給量の変化率よりも前記改質器への水蒸気の供給量の変化率が小さくなるように前記改質器への水蒸気の供給量を制御する工程とを備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、従来に比べ、原料組成の変動に伴う運転動作の不安定化が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、第１実施形態にかか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。
【図２】図２は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、第１実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第１実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第１実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図８】図８は、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１実施形態）
第１実施形態の燃料電池システムは、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、原料を改質器に供給する原料供給器と、水蒸気を改質器に供給する水蒸気供給器と、改質器の温度を検知する温度検知器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼し、改質器を加熱する燃焼器と、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しているときに、改質器への原料の供給量の変化率よりも改質器への水蒸気の供給量の変化率が小さくなるように水蒸気供給器を制御する制御器と、を備える。
【００２４】
また、第１実施形態の燃料電池システムの運転方法は、原料及び水蒸気を用いて改質器が水素含有ガスを生成する工程と、水素含有ガスを用いて燃料電池が発電する工程と、燃料電池から排出された水素含有ガスを燃焼して改質器を加熱する工程と、改質器の温度を検知する工程と、改質器の検知温度が目標温度になるように改質器への原料の供給量を制御する工程と、改質器の検知温度が目標温度になるように改質器への原料の供給量を制御しているときに、改質器への原料の供給量の変化率よりも改質器への水蒸気の供給量の変化率が小さくなるように改質器への水蒸気の供給量を制御する工程とを備える。
【００２５】
かかる構成では、従来の燃料電池システムに比べ、原料組成の変動に伴う運転動作の不安定が抑制される。
【００２６】
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかか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。
【００２７】
図１に示す例では、本実施形態の水素生成装置１００は、改質器１と、原料供給器２と、水供給器３と蒸発器４とを含む水蒸気供給器と、温度検知器５と、燃焼器６と、燃料電池７と、制御器１０とを備える。
【００２８】
改質器１は、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。改質反応は、いずれの改質反応でもよく、具体的には、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応が例示される。改質器１の内部には、改質触媒が配設されている。改質触媒によって、改質反応が進行し、原料及び水から水素含有ガスを生成することができる。改質反応に要する熱は燃焼器６から供給される。改質触媒には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等の貴金属系触媒及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。本実施の形態の水素生成装置では、Ｒｕを含む改質触媒が用いられる。
【００２９】
原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含み、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素が例示される。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。原料供給源として、これらのガスのインフラストラクチャ、及び、これらのガスを貯蔵するボンベ等が例示される。
【００３０】
なお、改質器１の下流に改質器１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触媒を備える変成器と、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除去触媒を備えるＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。
【００３１】
原料供給器２は、原料を改質器１に供給する。原料供給器２は、改質器１に供給される原料の流量を調整する機器であり、本実施形態においては、昇圧器と流量調整弁とにより構成される。なお、原料供給器２は、本例に限定されるものではなく、昇圧器及び流量調整弁のいずれか一方を設ける形態を採用しても構わない。
【００３２】
水蒸気供給器は、水蒸気を改質器１に供給する。図１に示す例では、水蒸気供給器は水供給器３と、蒸発器４とを含む。水供給器３としては、ポンプ等が例示される。蒸発器４は、水供給器３から供給された水を蒸発させて改質器１に供給する。蒸発器４を加熱するための熱は、電熱ヒータで供給されてもよいし、燃焼器６により供給されてもよい。なお、水蒸気供給器が燃焼器６により加熱される構成とすることが好ましい。
【００３３】
温度検知器５は、改質器１の温度を検知する。温度検知器５は、改質器１の温度を検知可能であればどのような構成であってもよい。例えば、温度検知器５が改質器１に直接取り付けられていてもよい。あるいは、温度検知器５が改質器１の下流側の流路に取り付けられていてもよい。すなわち温度検知器５は、改質器１の温度を直接的に検知してもよいし、間接的に検知してもよい。
【００３４】
燃焼器６は、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼し、改質器１を加熱する。燃焼器６には、燃料として、水素含有ガスに加え、他のガスが供給されてもよい。
【００３５】
燃料電池７は、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。燃料電池７は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、及び、りん酸形燃料電池等を用いることができる。高分子電解質形燃料電池の場合、燃料電池システム１００において、改質器１と燃料電池７とが別個に構成される。固体酸化物形燃料電池の場合、改質反応を実行する改質部と燃料電池部とをそれぞれ個別に有する間接内部改質型、及び、燃料電池本体内部で改質反応も行う直接内部改質型のいずれであってもよい。つまり、燃料電池７に改質器１が内蔵された形態が採用される場合があり、本発明の燃料電池システムは、そのような形態も含むものである。
【００３６】
制御器１０は、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように原料供給器２を制御しているときに、改質器１への原料の供給量の変化率よりも改質器１への水蒸気の供給量の変化率が小さくなるように水蒸気供給器を制御する。
【００３７】
制御器１０は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備える。例えば、制御器１０は、マイクロコントローラ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller) 等が例示される。また、演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。制御器１０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。
【００３８】
水素含有ガス供給路８は、改質器１から排出された水素含有ガスを、燃料電池７のアノードへと供給する流路である。燃料電池７のアノードから排出されるガスは、未反応の水素が含まれる。水素含有ガス排出路９は、燃料電池７のアノードから排出された水素含有ガスを、燃焼器６へと供給する流路である。
【００３９】
［運転方法］
図２は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図２を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００４０】
燃料電池システム１００の発電運転が開始された後（スタート）、原料の組成が変動して、温度検知器５が検知する温度、すなわち改質器１の温度が目標温度からずれると、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御する（ステップＳ１０１）。このときに、改質器１への原料の供給量の変化率よりも改質器１への水蒸気の供給量の変化率が小さくなるように、制御器１０が水蒸気供給器を制御する（ステップＳ１０２）。その後、燃料電池システム１００の運転が終了する（エンド）。
【００４１】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、原料の組成変動があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００４２】
［第１変形例］
第１実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を増加させているとき、改質器への原料の供給量の増加率よりも改質器への水蒸気の供給量の増加率が小さくなるように水蒸気供給器を制御する。
【００４３】
本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
【００４４】
図３は、第１実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図３を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００４５】
燃料電池システムの発電運転が開始された後（スタート）、原料の組成が変動して、温度検知器５が検知する温度、すなわち改質器１の温度が目標温度からずれると、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を増加させる（ステップＳ２０１）。このときに、改質器１への原料の供給量の増加率よりも改質器１への水蒸気の供給量の増加率が小さくなるように、制御器１０が水蒸気供給器を制御する（ステップＳ２０２）。その後、燃料電池システムの運転が終了する（エンド）。
【００４６】
なお、増加率とは、｛(増加後の供給量）−（増加前の供給量）｝／(増加前の供給量）と定義しうる。
【００４７】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、原料の組成変動があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００４８】
［第２変形例］
第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を増加させているとき、改質器への原料の供給量の増加率よりも改質器への水蒸気の供給量の減少率が小さくなるように水蒸気供給器を制御する。
【００４９】
本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
【００５０】
図４は、第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図４を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００５１】
燃料電池システムの発電運転が開始された後（スタート）、原料の組成が変動して、温度検知器５が検知する温度、すなわち改質器１の温度が目標温度からずれると、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を増加させる（ステップＳ３０１）。このときに、改質器１への原料の供給量の増加率よりも改質器１への水蒸気の供給量の減少率が小さくなるように、制御器１０が水蒸気供給器を制御する（ステップＳ３０２）。その後、燃料電池システムの運転が終了する（エンド）。
【００５２】
なお、減少率とは、｛(減少前の供給量）−（減少後の供給量）｝／(減少前の供給量）と定義しうる。
【００５３】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、原料の組成変動があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００５４】
［第３変形例］
第１実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を減少させているとき、改質器への原料の供給量の減少率よりも改質器への水蒸気の供給量の減少率が小さくなるように水蒸気供給器を制御する。
【００５５】
本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
【００５６】
図５は、第１実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図５を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００５７】
燃料電池システムの発電運転が開始された後（スタート）、原料の組成が変動して、温度検知器５が検知する温度、すなわち改質器１の温度が目標温度からずれると、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を減少させる（ステップＳ４０１）。このときに、改質器１への原料の供給量の減少率よりも改質器１への水蒸気の供給量の減少率が小さくなるように、制御器１０が水蒸気供給器を制御する（ステップＳ４０２）。その後、燃料電池システムの運転が終了する（エンド）。
【００５８】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、原料の組成変動があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００５９】
［第４変形例］
第１実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を減少させているとき、改質器への原料の供給量の減少率よりも改質器への水蒸気の供給量の増加率が小さくなるように水蒸気供給器を制御する。
【００６０】
本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
【００６１】
図６は、第１実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図６を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００６２】
燃料電池システムの発電運転が開始された後（スタート）、原料の組成が変動して、温度検知器５が検知する温度、すなわち改質器１の温度が目標温度からずれると、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を減少させる（ステップＳ５０１）。このときに、改質器１への原料の供給量の減少率よりも改質器１への水蒸気の供給量の増加率が小さくなるように、制御器１０が水蒸気供給器を制御する（ステップＳ５０２）。その後、燃料電池システムの運転が終了する（エンド）。
【００６３】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、原料の組成変動があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００６４】
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しているときに、改質器への水蒸気の供給量が燃料電池の発電量に応じて設定される値となるように水蒸気供給器を制御する。
【００６５】
かかる構成では、原料組成の変化に伴う水蒸気／炭素比の変動が、従来の燃料電池システム比べ抑制される。
【００６６】
一例として、原料にメタン１００％を用いて原料１モルあたり水蒸気を３モル供給する条件から、原料組成が８７％のメタン、１３％のプロパン（原料の平均組成としては、Ｃ１．２６Ｈ４．５６になる）に変わった場合について説明する。原料にメタン１００％を用いていた場合と発電量を同じにするため、必要水素量を一定供給すると、組成が８７％のメタン、１３％のプロパンの原料では、０．８３７モル供給する必要がある。ただ、原料１モルあたり水蒸気を３モル供給するので、水蒸気の供給量は２．５１モルとなり、原料の平均組成から計算される水蒸気／炭素比は約２．３８となる。一方、本実施形態のように発電量に応じて水蒸気の供給量を設定する場合、例えば、燃料電池での発電量が一定なので、原料を変えても水蒸気を３モル供給する設定すると、組成が８７％のメタン、１３％のプロパンの原料を供給した場合でも、水蒸気／炭素比は約２．８４となる。すなわち、原料組成が変化した場合でも水蒸気／炭素比を安定化させることができる。
【００６７】
本実施形態の水素生成装置において、上記以外の構成は、第１実施形態及びその変形例の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
【００６８】
図７は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図７を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００６９】
燃料電池システムの発電運転が開始された後（スタート）、原料の組成が変動して、温度検知器５が検知する温度、すなわち改質器１の温度が目標温度からずれると、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御する（ステップＳ６０１）。このときに、改質器１への水蒸気供給量が燃料電池７の発電量に応じて設定される値となるように、制御器１０が水蒸気供給器を制御する（ステップＳ６０２）。その後、燃料電池システムの運転が終了する（エンド）。
【００７０】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、原料の組成変動があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００７１】
［第１変形例］
第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を増加させているときに、改質器への水蒸気の供給量が燃料電池の発電量に応じて設定された値となるように水蒸気供給器を制御する。
【００７２】
本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態及びその変形例の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
【００７３】
図８は、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図８を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００７４】
燃料電池システムの発電運転が開始された後（スタート）、原料の組成が変動して、温度検知器５が検知する温度、すなわち改質器１の温度が目標温度からずれると、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御しながら原料供給量を増加させる（ステップＳ７０１）。このときに、改質器１への水蒸気供給量が燃料電池７の発電量に応じて設定される値となるように、制御器１０が水蒸気供給器を制御する（ステップＳ７０２）。その後、燃料電池システムの運転が終了する（エンド）。
【００７５】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、原料の組成変動があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００７６】
［第２変形例］
第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御しながら改質器への原料供給量を減少させているときに、改質器への水蒸気の供給量が燃料電池の発電量に応じて設定された値となるように水蒸気供給器を制御する。
【００７７】
本変形例の燃焼電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態及びその変形例の燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
【００７８】
図９は、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図９を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００７９】
燃料電池システムの発電運転が開始された後（スタート）、原料の組成が変動して、温度検知器５が検知する温度、すなわち改質器１の温度が目標温度からずれると、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御しながら原料供給量を減少させる（ステップＳ８０１）。このときに、改質器１への水蒸気供給量が燃料電池７の発電量に応じて設定される値となるように、制御器１０が水蒸気供給器を制御する（ステップＳ８０２）。その後、燃料電池システムの運転が終了する（エンド）。
【００８０】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、原料の組成変動があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００８１】
（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、制御器が、温度検知器の検知温度が目標温度になるように原料供給器を制御し、温度検知器の検知温度が目標温度となる改質器への原料供給量に基づいて、燃料電池の発電量に対して予め設定されている改質器への原料供給量を更新する。
【００８２】
かかる構成では、原料組成の変化に伴う水蒸気／炭素比の変動が、従来の燃料電池システムに比べ抑制される。
【００８３】
例えば、燃料電池での発電量を一定にする場合、単位体積（例えば１モル）当たりの燃焼量の小さい原料では必要な原料の量は相対的に多くなり、単位体積当たりの燃焼量の大きい原料では必要な原料の量は相対的に少なくなる。一方、単位体積当たりの減量中の炭素原子の数は、単位体積当たりの燃焼量の小さい原料では少なくなり、単位体積当たりの燃焼量の大きい原料では多くなる（例えば、メタン１００％とプロパン１００％の原料の比較）。上記から、燃料電池での発電量を一定にして、温度検知器の検知温度が目標温度となるように原料を供給している場合、原料の供給量が多いと原料中の炭素数が少ない、原料の供給量が少ないと原料中の炭素数が少ないことになる場合が多い。そこで、温度検知器の検知温度が目標温度となる改質器への原料供給量に基づいて、燃料電池の発電量に対して予め設定されている改質器への原料供給量を更新することで、原料組成が変化した場合でも水蒸気／炭素比を安定化させることができる。
【００８４】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態、第２実施形態、及びそれらの変形例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
【００８５】
図１０は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図１０を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００８６】
燃料電池システムの発電運転が開始された後（スタート）、原料の組成が変動して、温度検知器５が検知する温度、すなわち改質器１の温度が目標温度からずれると、温度検知器５の検知温度が目標温度になるように、制御器１０が原料供給器２を介して原料供給量を制御し、温度検知器５の検知温度が目標温度になっているときの原料供給量を特定し（ステップＳ９０１）、制御器１０が、燃料電池７の発電量に対して予め設定されている改質器１への原料供給量を更新する（ステップＳ９０２）。その後、燃料電池システムの運転が終了する（エンド）。
【００８７】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、原料の組成変動があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００８８】
（第４実施形態）
第４実施形態の燃料電池システムは、制御器が、燃料電池システムの劣化に伴い燃料電池の発電量に対して設定される改質器への水蒸気供給量が増加するよう水蒸気供給器を制御する。
【００８９】
かかる構成では、従来の燃料電池システムに比べ、燃料電池システムの劣化に伴う、水蒸気／炭素比の低下を抑制することができる。
【００９０】
燃料電池システムが劣化した場合、燃料電池システムで同じ発電量を維持するための原料の量は、運転の初期と比較して相対的に増加させる必要がある。例えば、燃料電池が劣化した場合、電流量を増加させる必要があり、燃料電池に供給する水素量を増加させるため改質器への原料供給量を増加させる必要がある。また、改質器の劣化に伴う、水素生成量の低下を抑制するためには、改質器の制御温度を上昇させる必要がある。従って、改質器への原料供給量を増加させ、燃料電池を経由して燃焼器に流入するガスの熱量を増加させる必要がある。
【００９１】
上記のような状況において、燃料電池システムの劣化が進行しても、発電量に対して水蒸気供給量を運転初期の条件から一定にすると、水蒸気／炭素比が小さくなる。そこで、本実施形態では、燃料電池システムの劣化に伴い燃料電池の発電量に対して設定される改質器への水蒸気供給量が増加するように水蒸気供給器を制御する。
【００９２】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、上記以外の構成は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、及びそれらの変形例のいずれかの燃料電池システムと同様に構成することができる。装置構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができるので、各構成要素に同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
【００９３】
図１１は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。以下、図１１を参照しつつ、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について説明する。
【００９４】
燃料電池システムの発電運転が開始された後（スタート）、燃料電池システムの劣化が生じると（ステップＳ１００１）、制御器１０が、燃料電池７の発電量に対して設定される改質器１への水蒸気供給量を増加させる（ステップＳ１００２）。その後、燃料電池システムの運転が終了する（エンド）。
【００９５】
なお、上記では燃料電池システムの発電中における制御について説明したが、発電前であっても、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときに、燃料電池システムの劣化があれば、上記制御を実行してもよい。つまり、上記制御を実行するのは、燃料電池７から排出された水素含有ガスを燃焼器６で燃焼し、改質器１を加熱しているときであれば、いずれのタイミングであっても構わない。
【００９６】
なお、以上の各実施形態、及び各変形例の燃料電池システムにおいて、原料供給量、水供給量、改質器の目標温度等は、改質触媒、改質器の構成等によって適宜設定される。
【００９７】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、原料組成が変化しても、比較的安定して運転できる燃料電池システム及びその運転方法として有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１  改質器
２  原料供給器
３  水供給器
４  蒸発器
５  温度検知器
６  燃焼器
７  燃料電池
８  水素含有ガス供給路
９  水素含有ガス排出路
１０  制御器
【図１】
0005896363.tif 000002
【図２】
0005896363.tif 000003
【図３】
0005896363.tif 000004
【図４】
0005896363.tif 000005
【図５】
0005896363.tif 000006
【図６】
0005896363.tif 000007
【図７】
0005896363.tif 000008
【図８】
0005896363.tif 000009
【図９】
0005896363.tif 000010
【図１０】
0005896363.tif 000011
【図１１】
0005896363.tif 000012