(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、
前記改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記水添脱硫器よりも上流の前記原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、
前記水添脱硫器の温度を検知する温度検知器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記水添脱硫器の温度が所定の温度に到達したとき、前記原料の流量を、所定の流量に対して前記リサイクルガス相当量を増量した後、前記リサイクル経路へ前記リサイクルガスの送出を開始し、
前記リサイクルガスが、前記原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、前記原料の流量を前記所定の流量に戻す制御を行う燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器に供給する水を蒸発する蒸発器と、
前記蒸発器に水を供給する水供給器と、を備え、
前記改質器は、前記蒸発器で生成した水蒸気及び前記原料を用いて前記改質ガスを生成し、
前記制御器は、
前記水添脱硫器の温度が所定の温度に到達したとき、前記水の流量を、所定の流量に対して前記リサイクルガス相当量を増量した後、前記リサイクル経路へ前記リサイクルガスの送出を開始し、
前記リサイクルガスが、前記原料供給経路を経て前記リサイクル経路の上流端に到達した後に、前記水の流量を前記所定の流量に戻す制御を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の発電中において、前記所定の流量は、前記燃料電池の所定の発電量に応じた流量である請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、
前記改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記水添脱硫器よりも上流の前記原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、
前記水添脱硫器の温度を検知する温度検知器と、
制御器と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御器は、前記燃料電池の発電中において、前記水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、外部負荷に電力を供給することがないよう、前記燃料電池の発電量を前記燃料電池システムの駆動に必要な消費電力と同等、または、前記消費電力よりも少ない量を維持する制御を行い、
前記リサイクルガスが、前記原料供給経路を経て前記リサイクル経路の上流端に到達した後に、前記燃料電池の発電量を外部負荷に電力を供給することが可能な量に戻す制御を行う燃料電池システム。
【請求項５】
原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、
前記改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記水添脱硫器よりも上流の前記原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、
前記水添脱硫器の温度を検知する温度検知器と、
制御器と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御器は、前記燃料電池の発電中において、前記水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、前記燃料電池の発電量を前記燃料電池システムの定格運転の出力よりも低い量に維持する制御を行い、
前記リサイクルガスが、前記原料供給経路を経て前記リサイクル経路の上流端に到達した後に、前記燃料電池の発電量を前記燃料電池システムの定格運転の出力が可能な量に戻す制御を行う燃料電池システム。
【請求項６】
原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、
前記改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記水添脱硫器よりも上流の前記原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、
前記水添脱硫器の温度を検知する温度検知器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記燃料電池の発電中において、前記水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、前記燃料電池の発電量の上昇速度を所定の上昇速度よりも小さくする制御を行い、
前記リサイクルガスが、前記原料供給経路を経て前記リサイクル経路の上流端に到達した後に、前記燃料電池の発電量の上昇速度を前記所定の上昇速度に戻す制御を行う燃料電池システム。
【請求項７】
前記原料中の硫黄成分を常温で除去する常温脱硫器と、
前記常温脱硫器の上流の前記原料供給経路から分岐し、前記常温脱硫器と前記水添脱硫器との間の前記原料供給経路に合流する分岐経路と、
前記分岐経路上に配された第１遮断器と、
前記分岐経路との間の分岐部よりも下流の前記原料供給経路であって、前記分岐経路との間の合流部よりも上流の原料供給経路上に配された第２遮断器と、
を備え、
前記制御器は、前記水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、前記原料が前記常温脱硫器を流通するように前記第１遮断器および前記第２遮断器を制御し、
前記リサイクルガスが、前記原料供給経路を経て前記リサイクル経路の上流端に到達した後に、前記第１遮断器を開いてから所定時間が経過したとき、前記第２遮断器を閉じる制御を行う請求項１−６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、
前記改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記水添脱硫器よりも上流の前記原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、
前記水添脱硫器の温度を検出する温度検知器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記燃料電池の発電中において、前記水添脱硫器の温度が所定の温度に到達したとき、前記燃料電池から取り出す電流を前記燃料電池の所定の発電量に応じた電流よりも低くした後、前記リサイクル経路へ前記リサイクルガスの送出を開始し、
前記リサイクルガスが、前記原料供給経路を経て前記リサイクル経路の上流端に到達した後に、前記燃料電池から取り出す電流を前記所定の発電量に応じた電流に戻す制御を行う燃料電池システム。
【請求項９】
前記原料中の硫黄成分を常温で除去する常温脱硫器と、
前記常温脱硫器の上流の前記原料供給経路から分岐し、前記常温脱硫器と前記水添脱硫器との間の前記原料供給経路に合流する分岐経路と、
前記分岐経路上に配された第１遮断器と、
前記分岐経路との間の分岐部よりも下流の前記原料供給経路であって、前記分岐経路との間の合流部よりも上流の原料供給経路上に配された第２遮断器と、
を備え、
前記制御器は、前記水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、前記原料が前記常温脱硫器を流通するように前記第１遮断器および前記第２遮断器を制御し、
前記リサイクルガスが、前記原料供給経路を経て前記リサイクル経路の上流端に到達した後に、前記第１遮断器を開いてから所定時間が経過したとき、前記第２遮断器を閉じる制御を行う請求項８に記載の燃料電池システム。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、分散型発電システムとして、燃料電池システムの開発及び商品化が進められている。燃料電池システムには、原料として炭素及び水素を含有する有機化合物が供給される。そして、燃料電池システムは、例えば、燃料電池内部で原料を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。あるいは、燃料電池外部の改質器によって原料を改質して、改質ガスを生成する。このようにして、改質ガスが生成されると、燃料電池は、改質ガス中の水素と、外部から供給された空気中の酸素とを利用して発電反応により電気と熱とを生成できる。【０００３】
かかる燃料電池システムは、電気エネルギー及び熱エネルギーを効率良く得られることから、地球温暖化の原因である二酸化炭素の削減に有効なエネルギー供給システムとして期待されている。【０００４】
ここで、燃料電池システムに使用される原料として、例えば、液化石油ガス（ＬＰＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、都市ガス、シェールガス、及びメタンハイドレード等を例示できる。このような原料には、原料自体、あるいは原料に添加された付臭剤に硫黄成分が含まれている。この硫黄成分を含有する原料が改質器等を経由して燃料電池のアノードに供給されると、この硫黄成分によってアノードを被毒してしまい燃料電池性能の劣化を招いたり、改質器に含まれる改質触媒を被毒してしまい改質性能の劣化を招いたりする。そのため、原料中の硫黄成分をppbあるいはサブppbオーダーまで低減させてから、改質器及びアノードに原料を供給することが必要となる。【０００５】
そこで、燃料電池システムでは、改質器の上流側に原料中の硫黄成分を低減させる機能を有する脱硫器が備えられる。なお、脱硫器により原料中の硫黄成分を除去する方法としては、常温で硫黄成分を触媒に物理吸着させ除去する常温脱硫方式、あるいは原料に水素を添加して硫黄成分を除去する水添脱硫方式等が挙げられる。水添脱硫器には、所定の温度範囲（例えば、１５０℃〜３５０℃程度）を活性温度域とする触媒が搭載される。そして、外部から供給された原料中の硫黄成分と水素とから硫化水素を生成し、硫化水素中の硫黄を触媒に化学吸着させる。【０００６】
このため、水添脱硫器を用いて原料を脱硫する場合は、水添脱硫器が所定の温度（例えば、１５０℃）に到達した後に水添脱硫器を通過した原料と水素を改質器、及び燃料電池のアノードに供給する必要がある。【０００７】
そこで、燃料電池システムの起動時は、水添脱硫器が所定の温度（例えば、約１８０℃）に到達するまで、常温脱硫器を通過した原料を改質器と燃料電池のアノードに供給し、改質器と燃料電池を暖機する。水添脱硫器、改質器、及び燃料電池は、改質器及び燃料電池のアノードを通過した原料、又はその改質ガスが、燃料電池のカソードに供給された空気と燃焼し、その燃焼熱及び燃焼排ガスの熱で加熱暖機される。【０００８】
なお、常温脱硫器が、仮に低コスト、かつ硫黄の除去性能がppbオーダーあるいはサブppbオーダーで原料中の全ての硫黄成分を吸着可能であれば、常温脱硫器のみの使用でよく、水添脱硫器は不要である。しかし、常温脱硫器では、これらの要件全てを満たすことができない。一方、水添脱硫器では、硫黄成分の除去性能が高く、かつ低コストであるが、加熱暖機が必要となる。【０００９】
以上により、水添脱硫器の暖機中は常温脱硫により原料を脱硫する必要があり、通常、水添脱硫器と常温脱硫器とを併用する構成を取ることが多い。【００１０】
このような水添脱硫器と常温脱硫器とを併用する燃料電池システムの一例が、例えば、特許文献１に示されている。【００１１】
特許文献１の燃料電池システムでは、改質器、燃料電池、及び水添脱硫器の暖機中は常温脱硫器を原料が通過する。そして、これらの暖機が完了した後は、原料が常温脱硫器を通る経路から、原料が常温脱硫器をバイパスして水添脱硫器を通る経路に切り替え、原料の改質で生成した改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器の上流の原料供給経路に還流する。これにより、原料及び水素を水添脱硫器に流通することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１−２７５６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、従来例は、水添脱硫器の暖機完了後に、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際の問題について十分に検討されていない。【００１４】
本発明の一態様は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、水添脱硫器の暖機完了後に、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際の問題について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】
【００１５】
本発明の一態様の燃料電池システムは、原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、前記改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、前記改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記水添脱硫器よりも上流の前記原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、前記水添脱硫器の温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記水添脱硫器の温度が所定の温度に到達したとき、前記原料の流量を、所定の流量に対して前記リサイクルガス相当量を増量した後、前記リサイクル経路へ前記リサイクルガスの送出を開始し、前記リサイクルガスが、前記原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、前記原料の流量を前記所定の流量に戻す制御を行う。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様の燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、従来に比べ、水添脱硫器の暖機完了後に、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際の問題に適切に対応し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図２】図２は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図３】図３は、第２実施形態の第１実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、第２実施形態の第２実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第３実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第４実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第５実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図８】図８は、第６実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図９】図９は、第６実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、第７実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、第７実施形態の変形例の燃料電池システムの動作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】
【００１８】
（第１実施形態）
本発明者らは、水添脱硫器の暖機完了後に、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００１９】
燃料電池システムでは、暖機完了の順序について、水添脱硫器の暖機が改質器及び燃料電池の暖機に比べて遅い場合、水添脱硫器の暖機完了の前に、燃料電池の発電を開始し、水添脱硫器の暖機完了の後、原料が常温脱硫器を通る経路から、原料が常温脱硫器をバイパスして水添脱硫器を通る経路に切り替える方法がある。また、水添脱硫器の暖機完了を待って、上記の原料供給経路の切り替えを行った後、燃料電池の発電を開始する方法もある。
【００２０】
ここで、後者の場合、水添脱硫器の暖機完了時まで燃料電池の発電を行えないので、前者の場合に比べて、システムの起動エネルギーが増加し、燃料電池システムの発電効率が低下するという問題がある。
【００２１】
一方、原料とともに水素を水添脱硫器に供給するには、特許文献１の如く、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器の上流の原料供給経路に送る必要がある。このとき、前者の場合、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際、燃料電池のアノードに供給する改質ガスの流量が一時的に減少する。すると、例えば、燃料電池のアノードにおける燃料利用率が高くなることで燃料電池の電圧低下が生じ、燃料電池システムの信頼性、耐久性が損なわれる可能性がある。
【００２２】
そこで、第１実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器よりも上流の原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、水添脱硫器の温度を検出する温度検知器と、制御器と、を備え、制御器は、水添脱硫器の温度が所定の温度に到達したとき、原料の流量を、所定の流量に対してリサイクルガス相当量を増量した後、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始し、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、原料の流量を所定の流量に戻す制御を行う。
【００２３】
また、燃料電池の発電中においては、上記の所定の流量は、燃料電池の所定の発電量に応じた流量である。
【００２４】
かかる構成により、本実施形態の燃料電池システムは、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際、リサイクルガス相当量分、改質器に供給する原料の流量が増加する。よって、水添脱硫器の暖機完了後に、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始することにより燃料電池のアノードに供給する改質ガスの流量が一時的に減少しても、改質反応ガス流量の増量で改質ガスの生成量を増やすことができる。
【００２５】
［装置構成］
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００２６】
図１で示す例では、本実施形態の燃料電池システム１００は、水添脱硫器１０と、改質器１１と、燃料電池１２と、原料供給経路１３と、リサイクル経路１４と、温度検知器１５と、燃焼器１９と、制御器３０と、を備える。
【００２７】
改質器１１は、原料を用いて改質ガスを生成する。具体的には、改質器１１において、原料が改質反応して、水素を含有する改質ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、酸化的水蒸気改質反応（Oxidative Steam Reforming）、オートサーマル反応及び部分酸化反応が例示される。
【００２８】
図１には示されていないが、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、酸化的水蒸気改質反応又はオートサーマル反応であれば、改質器に供給する水を蒸発する蒸発器、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、部分酸化反応、酸化的水蒸気改質反応又はオートサーマル反応であれば、燃料電池システム１００には、改質器に空気を供給する空気供給器が設けられる。但し、改質器１１において酸化的水蒸気改質反応が行われる場合、熱収支の点で改質反応が進行しやすくなり、水蒸気改質反応よりも改質器１１を小型化できる点で有利である。よって、かかる酸化的水蒸気改質反応が行われる構成については、第２実施形態にて詳しく説明する。
【００２９】
改質器１１は、容器に改質触媒が充填される。改質触媒は、例えば、ニッケル、ルテニウム、白金、ならびにロジウムのうち少なくとも一つを含浸したアルミナ担体を用いることができる。なお、改質触媒は、本例に限定されるものではなく、改質触媒を最適な温度範囲に維持した場合に改質反応を進行させ得る触媒であれば、いかなる材料であっても構わない。
【００３０】
なお、原料は、ＬＰＧガス、プロパンガス、ブタンガス、あるいはメタンを主成分とする都市ガス等の有機化合物を含むガス、灯油、又はアルコール等を用いることができる。灯油又はアルコール等の液体の原料を用いる場合、原料を改質器１１に供給する前に、加熱して気化させてもよい。なお、原料は、図示しない原料供給源より供給される。原料供給源は、所定の供給圧を備えており、例えば、原料ボンベ、原料インフラ等が例示される。
【００３１】
燃料電池１２は、改質ガスを用いて発電する。具体的には、燃料電池１２のアノードに改質器１１からの改質ガスが供給され、燃料電池１２のカソードには外部からの空気が供給される。これにより、燃料電池１２は、改質ガス中の水素及び空気中の酸素を用いて発電する。そして、燃料電池１２の発電により得られた電力は、図示されない端子を介して外部負荷へと供給される。外部負荷としては、例えば、家庭用の電力消費機器や、業務用の電力消費装置、および携帯電話等の無線基地局を構成する装置が例示される。なお、燃料電池１２は、燃料電池１２のアノードとカソードとの間で発電反応を行って発電する燃料電池単セルを複数枚、直列接続した構成となっている。
【００３２】
燃料電池１２としては、いずれの種類であっても良く、例えば、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１２が、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質器１１と燃料電池１２とが１つの容器内に内蔵されるように構成されてもよい。
【００３３】
原料供給経路１３は、改質器１１に供給される原料が流通する。原料供給経路１３には、適宜の原料供給器及び流量検知器（いずれも図示せず）が配されている。原料供給器は、改質器１１へ供給する原料の流量を調整する機器であり、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。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００３４】
水添脱硫器１０は、改質器１１に供給される原料中の硫黄成分を除去する。水添脱硫器１０は、容器に水添脱硫剤が充填される。水添脱硫剤は、例えば、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系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料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、又はＣｕＺｎ系触媒とで構成してもよい。
【００３５】
なお、水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合、水添脱硫器１０は約１５０℃〜３５０℃が適温の動作範囲となる。
【００３６】
リサイクル経路１４は、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器１０よりも上流の原料供給経路１３に送るための流路である。リサイクル経路１４の上流端は、改質器１１より送出された水素を含有する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。また、図１には示されていないが、リサイクル経路１４において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、リサイクル経路１４に、昇圧器、開閉弁及び凝縮器等を設けても構わない。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプが用いられ、リサイクル経路を流れるリサイクルガスを昇圧し、リサイクルガスの流量を調整する。凝縮器は、例えば、熱交換器が用いられ、リサイクルガス中の水蒸気を熱交換により凝縮し、リサイクルガスから水蒸気を除去する。
【００３７】
温度検知器１５は、水添脱硫器１０の温度を検知する。温度検知器１５は、水添脱硫器１０の温度を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。つまり、水添脱硫器１０内に温度検知器１５を設け、水添脱硫器１０の温度を直接的に検知しても構わないし、水添脱硫器１０の温度と相関する所定の箇所（例えば、原料供給経路１３を形成する配管又は改質器１１等）に温度検知器１５を設け、水添脱硫器１０の温度を間接的に検知しても構わない。本実施形態では、水添脱硫器１０内に、温度検知器１５が配されている。温度検知器１５として、例えば、熱電対又はサーミスタが例示される。
【００３８】
なお、水添脱硫剤に、触媒金属としてニッケル（Ｎｉ）を含む場合がある。この場合、水添脱硫器１０の暖機前の低温時（例えば、１５０℃未満）に、原料及びリサイクルガスを水添脱硫剤に供給すると、ニッケルカルボニルガスが生成する恐れがある。しかし、本実施形態では、上記のとおり、温度検知器１５を用いて水添脱硫器１０内の水添脱硫剤の温度が検知されているので、かかるニッケルカルボニルガスが生成することを適切に回避できる。
【００３９】
燃焼器１９は、水素を含有する改質ガスを燃焼する。燃焼器１９の燃料は、いずれの燃料であってもよい。例えば、燃焼燃料として、燃料電池１２により排出されるアノードオフガスを用いても構わない。この場合、燃焼器１９には、燃料電池１２のアノードよりアノードオフガスが送られ、燃料電池１２のカソードよりカソードオフガスが送られる。そして、これらのアノードオフガス及びカソードオフガスの燃焼で燃焼排ガスが生成されて、燃焼器１９の燃焼熱及び燃焼排ガスの熱を用いて水添脱硫器１０及び改質器１１等が加熱される。
【００４０】
制御器３０は、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達したとき、改質器１１に供給する原料の流量を、所定の流量に対してリサイクルガス相当量を増量した後、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始し、リサイクルガスが、原料供給経路１３を経てリサイクル経路１４の上流端に到達した後に、上記の原料の流量を所定の流量に戻す制御を行う。
【００４１】
制御器３０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成でも構わない。制御器３０は、例えば、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。演算処理部としては、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、例えば、メモリーが例示される。制御器３０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていても構わないし、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構わない。
【００４２】
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００は、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際、リサイクルガス相当量分、改質器１１に供給する原料の流量が増加する。よって、水添脱硫器１０の暖機完了後に、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始することにより燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの流量が一時的に減少しても、改質反応ガス流量の増量で改質ガスの生成量を増やすことができる。
【００４３】
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、改質器に供給する水を蒸発する蒸発器と、蒸発器に水を供給する水供給器と、を備え、改質器は、水蒸気及び原料を用いて改質ガスを生成し、制御器は、水添脱硫器の温度が所定の温度に到達したとき、水の流量を、所定の流量に対してリサイクルガス相当量を増量した後、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始し、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、水の流量を所定の流量に戻す制御を行う。
【００４４】
また、燃料電池の発電中においては、上記の所定の流量は、燃料電池の所定の発電量に応じた流量である。
【００４５】
かかる構成により、本実施形態の燃料電池システムでは、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際、リサイクルガス相当量分、改質器に供給する水の流量が増加する。よって、水添脱硫器の暖機完了後に、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始することにより燃料電池のアノードに供給する改質ガスの流量が一時的に減少しても、改質反応ガス流量の増量で改質ガスの生成量を増やすことができる。
【００４６】
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【００４７】
［装置構成］
図２は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【００４８】
図２に示す例では、本実施形態の燃料電池システム１００は、水添脱硫器１０と、改質器１１と、燃料電池１２と、原料供給経路１３と、リサイクル経路１４と、温度検知器１５と、蒸発器１６と、水供給器１７と、空気供給器１８と、燃焼器１９と、制御器３０と、を備える。
【００４９】
水添脱硫器１０、燃料電池１２、原料供給経路１３、温度検知器１５、燃焼器１９及びリサイクル経路１４については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００５０】
蒸発器１６は、改質器１１に供給する水を蒸発する。蒸発器１６は、改質器１１に供給する水を蒸発できれば、どのような構成であっても構わない。蒸発器１６として、例えば、高温の加熱流体との熱交換により水を気化し得る熱交換器が例示される。
【００５１】
水供給器１７は、蒸発器１６に水を供給する。水供給器１７は、蒸発器１６に水を供給できれば、どのような構成であっても構わない。水供給器１７は、蒸発器１６へ供給する改質反応用の水の流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成される。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。また、水供給器１７から蒸発器１６に水を送る経路には、適宜の流量検知器が配されている。
【００５２】
空気供給器１８は、改質器１１に空気を供給する。空気供給器１８は、改質器１１に空気を供給できれば、どのような構成であっても構わない。空気供給器１８は、改質器１１へ供給する改質反応用の空気の流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成される。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００５３】
このようにして、改質器１１は、水蒸気及び原料を用いて改質ガスを生成する。本実施形態では、改質器１１に水蒸気、空気及び原料が供給され、これにより、改質器１１において酸化的水蒸気改質反応が行われる。
【００５４】
制御器３０は、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達したとき、改質器１１に送る水の流量を、所定の流量に対してリサイクルガス相当量を増量した後、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始し、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、水の流量を所定の流量に戻す制御を行う。
【００５５】
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００は、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際、リサイクルガス相当量分、改質器１１に供給する水の流量が増加する。よって、水添脱硫器１０の暖機完了後に、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始することにより燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの流量が一時的に減少しても、改質反応ガス流量の増量で改質ガスの生成量を増やすことができる。
【００５６】
なお、改質器１１において部分酸化反応が行われる場合は、改質器１１に水蒸気を供給しないので、上記の水の流量調整に代えて、改質器１１に供給する空気の流量を調整するとよい。
【００５７】
（第１実施例）
［装置構成］
本実施例の燃料電池システム１００は、図１又は図２と同様の構成である。構成については第１実施形態又は第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００５８】
［動作］
図３は、第２実施形態の第１実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、上記制御器３０の制御プログラムにより行われる。
【００５９】
本実施例では、水添脱硫器１０の暖機が、改質器１１及び燃料電池１２の暖機よりも早い場合、例えば、燃料電池システム１００の起動中であって、燃料電池１２の発電開始前に、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する例について説明する。
【００６０】
まず、ステップＳ１で、水添脱硫器１０の温度が所定の温度以上か否かが判定される。例えば、水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合、水添脱硫器１０は約１５０℃〜３５０℃が適温の動作範囲となる。よって、この場合、ステップＳ１の所定の温度は、例えば、１８０℃に設定される。
【００６１】
水添脱硫器１０の温度が所定の温度未満の場合、改質器１１に供給する改質水の流量及び改質器１１に供給する原料の流量を変更せずに、そのままの状態を維持する。
【００６２】
一方、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達すると、次のステップに進み、ステップＳ２で、改質器１１に供給する改質水の流量を、所定の改質水流量に対してリサイクルガス相当量を増量する。また、ステップＳ３で、改質器１１に供給する原料の流量を、所定の原料流量に対してリサイクルガス相当量を増量する。
【００６３】
例えば、所定原料流量（2.1NL/min）とすると、リサイクルガスは、改質ガスの10％（2.5-20％の範囲内とする）を狙って運転するため、所定原料流量を10％多い、0.21NL/min程度の改質原料流量を増量する。それとともに所定改質水流量（例えば、S/C=2.5相当量とした場合、4.9cc/min）より10％多い量（0.49cc/min）を増量する。
【００６４】
その後、ステップＳ４で、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する。これにより、水添脱硫器１０へと向かう原料に水素を添加できるので、水添脱硫器１０は、この水素を利用して原料の水添脱硫を行うことができる。
【００６５】
以上のステップＳ２−ステップＳ４の動作は以下の理由で行われる。
【００６６】
リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際、改質ガスの一部が、リサイクル経路１４の上流端から水添脱硫器１０に還流するのに伴い、燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの流量が一時的に減少する。すると、燃料電池１２より排出されるアノードオフガスの流量も一時的に減少する。このため、燃料電池１２からのアノードオフガスの燃焼器１９への供給量が減り、燃料電池１２のカソードより排出されるカソードオフガスとの間の燃焼の最適の流量比がくずれ、燃焼器１９の燃焼性が悪化する可能性がある。また、燃焼器１９の燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の上昇、更には、燃焼器１９の失火に至る可能性もある。
【００６７】
そこで、本実施形態では、上記のとおり、改質器１１に供給する改質水の流量を、所定の改質水流量に対してリサイクルガス相当量を増量している。また、改質器１１に供給する原料の流量を、所定の原料流量に対してリサイクルガス相当量を増量している。そして、その後、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始している。このため、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際、改質器１１における改質ガスの生成量が増え、これにより、改質器１１から燃料電池１２への改質ガスの供給量が増える。よって、従来に比べ、アノードオフガスの燃焼器１９への供給量減少が抑制され、燃焼器１９の燃焼性悪化、燃焼器１９の燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の上昇、燃焼器１９の失火等の可能性を低減できる。その結果、燃料電池システム１００の安定的な運転を行い得る。
【００６８】
次に、ステップＳ５で、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始した時から所定時間が経過したか否かが判定される。
【００６９】
この所定時間は、例えば、リサイクルガスが、リサイクル経路１４及び原料供給経路１３を経て、リサイクル経路１４の上流端に到達したと想定される時間に設定される。本時間は、例えば、リサイクルガスの流量、リサイクル経路１４及び原料供給経路１３の経路断面積、及びリサイクル経路１４の上流端から原料供給経路１３を経てリサイクル経路１４の上流端に再び至るまでの経路長を用いて導き得る。
【００７０】
ステップＳ５の所定時間が経過するまでは、改質器１１に供給する改質水の流量及び改質器１１に供給する原料の流量を変更せずに、そのままの状態を維持する。
【００７１】
一方、ステップＳ５の所定時間が経過すると、次のステップに進み、ステップＳ６で、改質器１１に供給する原料の流量を、上記の所定の原料流量に戻すように減量する。また、ステップＳ７で、改質器１１に供給する改質水の流量を、上記の所定の改質水流量に戻すように減量する。
【００７２】
例えば、上記の例の場合、所定改質水流量より増量した分（0.49g/min）を、増量前の所定改質水流量に戻す。また、所定原料流量より増量した分（0.21NL/min）を、増量前の所定原料流量（2.1L/min）に戻す。
【００７３】
以上のステップＳ６及びステップＳ７の動作は以下の理由により行われる。
【００７４】
リサイクルガスが、リサイクル経路１４及び原料供給経路１３を経て、リサイクル経路１４の上流端に到達したと想定される時間経過後は、燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの一時的な流量減少を解消していると判断できる。よって、この場合、改質器１１に供給する原料の流量を、上記の所定の原料流量に戻すように減量でき、改質器１１に供給する改質水の流量を、上記の所定の改質水流量に戻すように減量できる。
【００７５】
なお、ステップＳ１の水添脱硫器１０の温度、及びステップＳ５の所定時間の導出方法は例示であって、本例に限定されない。
【００７６】
（第２実施例）
［装置構成］
本実施例の燃料電池システム１００は、図１又は図２と同様の構成である。構成については第１実施形態又は第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７７】
［動作］
図４は、第２実施形態の第２実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、上記制御器３０の制御プログラムにより行われる。
【００７８】
本実施例では、水添脱硫器１０の暖機が、改質器１１及び燃料電池１２の暖機よりも遅い場合、例えば、燃料電池システム１００の発電中であって、燃料電池１２の定格運転が行われる場合に、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する例について説明する。
【００７９】
まず、ステップＳ１で、水添脱硫器１０の温度が所定の温度以上か否かが判定される。例えば、水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合、水添脱硫器１０は約１５０℃〜３５０℃が適温の動作範囲となる。よって、この場合、ステップＳ１の所定の温度は、例えば、１８０℃に設定される。
【００８０】
水添脱硫器１０の温度が所定の温度未満の場合、改質器１１に供給する改質水の流量及び改質器１１に供給する原料の流量を変更せずに、そのままの状態を維持する。
【００８１】
一方、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達すると、次のステップに進み、ステップＳ２で、改質器１１に供給する改質水の流量を、燃料電池１２の所定の発電量に応じた改質水流量に対してリサイクルガス相当量を増量する。また、ステップＳ３で、改質器１１に供給する原料の流量を、燃料電池１２の所定の発電量に応じた原料流量に対してリサイクルガス相当量を増量する。
【００８２】
その後、ステップＳ４で、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する。これにより、水添脱硫器１０へと向かう原料に水素を添加でき、その結果、水添脱硫器１０は、この水素を利用して原料の水添脱硫を行うことができる。
【００８３】
以上のステップＳ２−ステップＳ４の動作は、第１実施例で説明した理由の他、以下の理由でも行われる。
【００８４】
リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際、改質ガスの一部が、リサイクル経路１４の上流端から水添脱硫器１０に還流するのに伴い、燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの流量が一時的に減少する。すると、燃料電池１２のアノードでの燃料利用率が高くなり、反応に必要な燃料不足に至るか、アノードでの燃料ガス拡散律速状態となる。その結果、燃料電池１２の電極反応抵抗である過電圧が上昇し、ひいては、燃料電池１２での電圧低下に至る。かかる状況においては、燃料電池１２の燃料利用率が更に高くなると、アノード材料のニッケルが酸化される可能性がある。このとき、アノードが膨張してアノードに応力が発生するため、破損する恐れがある。その後、燃料ガス拡散律速状態から通常運転状態に戻ると、酸化ニッケルがニッケルに還元される。かかるアノードの膨張及び収縮が繰り返されると、アノードに繰り返しの応力が働き、アノードの破損が進行する可能性がある。このようにして、アノードの耐久性が低下すると考えられる。
【００８５】
そこで、本実施形態では、上記のとおり、改質器１１に供給する改質水の流量を、燃料電池１２の所定の発電量に応じた改質水流量に対してリサイクルガス相当量を増量している。また、改質器１１に供給する原料の流量を、燃料電池１２の所定の発電量に応じた原料流量に対してリサイクルガス相当量を増量している。そして、その後、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始している。このため、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際、改質器１１における改質ガスの生成量が増え、これにより、改質器１１から燃料電池１２への改質ガスの供給量が増える。よって、燃料電池１２のアノードでの燃料利用率の上昇を抑制できるので、従来に比べ、燃料電池１２での電圧低下が抑制され、アノードの破損が進行する可能性を低減できる。
【００８６】
次に、ステップＳ５で、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始した時から所定時間が経過したか否かが判定される。
【００８７】
この所定時間は、例えば、リサイクルガスが、リサイクル経路１４及び原料供給経路１３を経て、リサイクル経路１４の上流端に到達したと想定される時間に設定される。本時間は、例えば、リサイクルガスの流量、リサイクル経路１４及び原料供給経路１３の経路断面積、及びリサイクル経路１４の上流端から原料供給経路１３を経てリサイクルガス経路１４の上流端に再び至るまでの経路長を用いて導き得る。
【００８８】
ステップＳ５の所定時間が経過するまでは、改質器１１に供給する改質水の流量及び改質器１１に供給する原料の流量を変更せずに、そのままの状態を維持する。
【００８９】
一方、ステップＳ５の所定時間が経過すると、次のステップに進み、ステップＳ６で、改質器１１に供給する原料の流量を、上記の発電量に応じた原料流量に戻すように減量する。また、ステップＳ７で、改質器１１に供給する改質水の流量を、上記の発電量に応じた改質水流量に戻すように減量する。
【００９０】
以上のステップＳ６及びステップＳ７の動作は以下の理由により行われる。
【００９１】
リサイクルガスが、リサイクル経路１４及び原料供給経路１３を経て、リサイクル経路１４の上流端に到達したと想定される時間経過後は、燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの一時的な流量減少を解消していると判断できる。よって、この場合、改質器１１に供給する原料の流量を、上記の発電量に応じた原料流量に戻すように減量でき、改質器１１に供給する改質水の流量を、上記の発電量に応じた改質水流量に戻すように減量できる。
【００９２】
なお、ステップＳ１の水添脱硫器１０の温度、及びステップＳ５の所定時間の導出方法は例示であって、本例に限定されない。
【００９３】
（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器よりも上流の原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、水添脱硫器の温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、制御器は、燃料電池の発電中において、水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、外部負荷に電力を供給することがないよう、燃料電池の発電量を燃料電池システムの駆動に必要な消費電力と同等、または、消費電力よりも少ない量を維持する制御を行い、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、燃料電池の発電量を外部負荷に電力を供給することが可能な量に戻す制御を行う。
【００９４】
燃料電池システムの運転において、燃料電池の発電量が燃料電池システムの駆動に必要な消費電力と同等、または、消費電力よりも少ない量の場合、燃料電池の温度維持のため燃料利用率が低くなるように制御する。よって本実施形態ではリサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際、燃料電池システムの運転を燃料電池の発電量が燃料電池システムの駆動に必要な消費電力と同等、または、消費電力より少ない量で維持することにより、燃料電池の燃料利用率の上昇を許容範囲内に抑制できる。
【００９５】
なお、本実施形態の燃料電池システムの上記特徴は、第１実施形態又は第２実施形態の燃料電池システムの特徴と組合せて用いてもよい。
【００９６】
［装置構成］
本実施形態の燃料電池システム１００は、図１又は図２と同様の構成である。構成については第１実施形態又は第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００９７】
［動作］
図５は、第３実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、上記制御器３０の制御プログラムにより行われる。
【００９８】
本実施形態では、水添脱硫器１０の暖機が、改質器１１及び燃料電池１２の暖機よりも遅い場合、例えば、燃料電池システム１００の発電中であって、燃料電池１２の定格運転が行われる場合に、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する例について説明する。
【００９９】
まず、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達する前は（つまり、水添脱硫器１０の暖機が完了する前は）、ステップＳ８で、外部負荷に電力を供給することがないよう、燃料電池１２の発電量を燃料電池システム１００の駆動に必要な消費電力と同等、又は本消費電力よりも少ない量を維持する制御が行われる。そして、リサイクルガスが、原料供給経路１３を経てリサイクル経路１４の上流端に到達した後に、ステップＳ９で、燃料電池１２の発電量を外部負荷に電力を供給することが可能な量に戻す制御が行われる。
【０１００】
なお、本実施形態のステップＳ１、ステップＳ４及びステップＳ５の動作は、第２実施形態のステップＳ１、ステップＳ４及びステップＳ５の動作と同様であるので説明を省略する。
【０１０１】
燃料電池システム１００の運転において、燃料電池１２の発電量が燃料電池システム１００の駆動に必要な消費電力と同等、または、消費電力よりも少ない量の場合、燃料電池１２の温度維持のため燃料利用率が低くなるように制御する。よって本実施形態ではリサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際、燃料電池システム１００の運転を燃料電池１２の発電量が燃料電池システム１００の駆動に必要な消費電力と同等、または、消費電力より少ない量で維持することにより、燃料電池１２の燃料利用率の上昇を許容範囲内に抑制できる。
【０１０２】
なお、本実施形態の動作に、第１実施形態の動作、第２実施形態の第１実施例の動作、又は第２実施形態の第２実施例の動作を組合せても構わない。例えば、図５のステップＳ１とステップＳ４の間に、図３又は図４のステップＳ２及びステップＳ３を設け、図５のステップＳ５とステップＳ９の間に、図３又は図４のステップＳ６及びステップＳ７を設けても構わない。これにより、本実施形態においても、第２実施形態の第１実施例と同様に、アノードオフガスの燃焼器１９への供給量減少が抑制され、燃焼器１９の燃焼性悪化、燃焼器１９の燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の上昇、燃焼器１９の失火等の可能性を低減できる。また、第２実施形態の第２実施例と同様に、燃料電池１２での電圧低下が抑制され、アノードの破損が進行する可能性を低減できる。
【０１０３】
（第４実施形態）
第４実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器よりも上流の原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、水添脱硫器の温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、制御器は、燃料電池の発電中において、水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、燃料電池の発電量を燃料電池システムの定格運転の出力よりも低い量に維持する制御を行い、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、燃料電池の発電量を燃料電池システムの定格運転の出力が可能な量に戻す制御を行う。
【０１０４】
燃料電池システムの低出力運転では、燃料電池システムの定格運転に比べ、燃料電池の燃料利用率が低くなるように制御する。よって、本実施形態では、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際、燃料電池システムを低出力運転で維持することにより、燃料電池の燃料利用率の上昇を許容範囲内に抑制できる。
【０１０５】
なお、本実施形態の燃料電池システムの上記特徴は、第１実施形態又は第２実施形態の燃料電池システムの特徴と組合せて用いてもよい。
【０１０６】
［装置構成］
本実施形態の燃料電池システム１００は、図１又は図２と同様の構成である。構成については第１実施形態又は第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１０７】
［動作］
図６は、第４実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、上記制御器３０の制御プログラムにより行われる。
【０１０８】
本実施形態では、水添脱硫器１０の暖機が、改質器１１及び燃料電池１２の暖機よりも遅い場合、例えば、燃料電池システム１００の発電中であって、燃料電池システム１００の起動時の発電量上昇動作が行われる場合に、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する例について説明する。
【０１０９】
まず、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達する前は（つまり、水添脱硫器１０の暖機が完了する前は）、ステップＳ１０で、燃料電池１２の発電量を燃料電池システム１００の定格運転の出力よりも低い量に維持する制御が行われる。例えば、燃料電池１２の発電量について、燃料電池システム１００の定格運転の出力（例えば、７００Ｗ）よりも低い量（例えば、２００Ｗ）以内に制限する制御を行う。そして、リサイクルガスが、原料供給経路１３を経てリサイクル経路１４の上流端に到達した後に、ステップＳ１１で、燃料電池１２の発電量を燃料電池システム１００の定格運転の出力が可能な量に戻す制御が行われる。例えば、燃料電池１２の発電量について、上記の制限を解除し、燃料電池システム１００の上記通常の定格運転の出力（例えば、７００Ｗ）を可能とする制御を行う。
【０１１０】
なお、本実施形態のステップＳ１、ステップＳ４及びステップＳ５の動作は、第２実施形態のステップＳ１、ステップＳ４及びステップＳ５の動作と同様であるので説明を省略する。
【０１１１】
燃料電池システム１００の低出力運転では、燃料電池システム１００の定格運転に比べ、燃料電池１２の燃料利用率が低くなるように制御する。よって、本実施形態では、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際、燃料電池システム１００を低出力運転で維持することにより、燃料電池１２の燃料利用率の上昇を許容範囲内に抑制できる。
【０１１２】
なお、本実施形態の動作に、第１実施形態の動作、第２実施形態の第１実施例の動作、又は第２実施形態の第２実施例の動作を組合せても構わない。例えば、図６のステップＳ１とステップＳ４の間に、図３又は図４のステップＳ２及びステップＳ３を設け、図６のステップＳ５とステップＳ１１の間に、図３又は図４のステップＳ６及びステップＳ７を設けても構わない。これにより、本実施形態においても、第２実施形態の第１実施例と同様に、アノードオフガスの燃焼器１９への供給量減少が抑制され、燃焼器１９の燃焼性悪化、燃焼器１９の燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の上昇、燃焼器１９の失火等の可能性を低減できる。また、第２実施形態の第２実施例と同様に、燃料電池１２での電圧低下が抑制され、アノードの破損が進行する可能性を低減できる。
【０１１３】
なお、ステップＳ１０及びステップＳ１１の燃料電池１２の発電量は例示であって、本例に限定されない。
【０１１４】
（第５実施形態）
第５実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器よりも上流の原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、水添脱硫器の温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、制御器は、燃料電池の発電中において、水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、燃料電池の発電量の上昇速度を所定の上昇速度よりも小さくする制御を行い、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、燃料電池の発電量の上昇速度を所定の上昇速度に戻す制御を行う。
【０１１５】
かかる構成により、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際、燃料電池の発電量の上昇速度を小さくすることで、燃料電池のアノードでの燃料の反応を抑制できる。これにより、燃料電池の燃料利用率の上昇を許容範囲内に抑制できる。
【０１１６】
なお、本実施形態の燃料電池システムの上記特徴は、第１実施形態又は第２実施形態の燃料電池システムの特徴と組合せて用いてもよい。
【０１１７】
［装置構成］
本実施形態の燃料電池システム１００は、図１又は図２と同様の構成である。構成については第１実施形態又は第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１１８】
［動作］
図７は、第５実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、上記制御器３０の制御プログラムにより行われる。
【０１１９】
本実施形態では、水添脱硫器１０の暖機が、改質器１１及び燃料電池１２の暖機よりも遅い場合、例えば、燃料電池システム１００の発電中であって、燃料電池システム１００の起動時の発電量上昇動作が行われる場合に、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する例について説明する。
【０１２０】
まず、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達する前は（つまり、水添脱硫器１０の暖機が完了する前は）、ステップＳ１２で、燃料電池１２の発電量の上昇速度を所定の上昇速度よりも小さくする制御が行われる。例えば、燃料電池１２の発電量の上昇速度について、通常の発電量上昇速度（例えば、０．５Ａ／分）よりも小さい値（例えば、０．２Ａ／分）にする制御を行う。そして、リサイクルガスが、原料供給経路１３を経てリサイクル経路１４の上流端に到達した後に、ステップＳ１３で、燃料電池１２の発電量の上昇速度を、上記所定の上昇速度に戻す制御が行われる。例えば、燃料電池１２の発電量の上昇速度について、通常の発電量上昇速度（例えば、０．５Ａ／分）に戻す制御を行う。
【０１２１】
なお、本実施形態のステップＳ１、ステップＳ４及びステップＳ５の動作は、第２実施形態のステップＳ１、ステップＳ４及びステップＳ５の動作と同様であるので説明を省略する。
【０１２２】
以上により、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際、燃料電池１２の発電量の上昇速度を小さくすることで、燃料電池１２のアノードでの燃料の反応を抑制できる。これにより、燃料電池１２の燃料利用率の上昇を許容範囲内に抑制できる。
【０１２３】
なお、本実施形態の動作に、第１実施形態の動作、第２実施形態の第１実施例の動作、又は第２実施形態の第２実施例の動作を組合せても構わない。例えば、図７のステップＳ１とステップＳ４の間に、図３又は図４のステップＳ２及びステップＳ３を設け、図７のステップＳ５とステップＳ１３の間に、図３又は図４のステップＳ６及びステップＳ７を設けても構わない。これにより、本実施形態においても、第２実施形態の第１実施例と同様に、アノードオフガスの燃焼器１９への供給量減少が抑制され、燃焼器１９の燃焼性悪化、燃焼器１９の燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の上昇、燃焼器１９の失火等の可能性を低減できる。また、第２実施形態の第２実施例と同様に、燃料電池１２での電圧低下が抑制され、アノードの破損が進行する可能性を低減できる。
【０１２４】
なお、ステップＳ１２及びステップＳ１３の燃料電池１２の発電量の上昇速度は例示であって、本例に限定されない。
【０１２５】
（第６実施形態）
第６実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態、第２実施形態、第２実施形態の第１−第２実施例及び第３−第５実施形態のいずれかの燃料電池システムにおいて、原料中の硫黄成分を常温で除去する常温脱硫器と、常温脱硫器の上流の原料供給経路から分岐し、常温脱硫器と水添脱硫器との間の原料供給経路に合流する分岐経路と、分岐経路上に配された第１遮断器と、分岐経路との間の分岐部よりも下流の原料供給経路であって、分岐経路との間の合流部よりも上流の原料供給経路上に配された第２遮断器と、を備え、制御器は、水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、原料が常温脱硫器を流通するように第１遮断器及び第２遮断器を制御し、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、第１遮断器を開いてから所定時間が経過したとき、第２遮断器を閉じる制御を行う。
【０１２６】
かかる構成により、水添脱硫器の暖機が完了するまでは、常温脱硫器により原料中の硫黄成成分を除去できる。
【０１２７】
また、第１遮断器及び第２遮断器の開閉制御を同時に行うと、原料供給経路を流れる原料の流量が一時的に低下する恐れがある。この場合、燃料電池のアノードに供給する改質ガスの一時的な流量減少という問題が生じる可能性があるが、本実施形態では、第１遮断器を開く制御が第２遮断器を閉じる制御に先行して行われるので、このような可能性を抑制できる。
【０１２８】
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態、第２実施形態、第２実施形態の第１−第２実施例及び第３−第５実施形態のいずれかの燃料電池システム燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【０１２９】
［装置構成］
図８は、第６実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
【０１３０】
図８に示す例では、本実施形態の燃料電池システム１００は、水添脱硫器１０と、改質器１１と、燃料電池１２と、原料供給経路１３と、リサイクル経路１４と、温度検知器１５と、燃焼器１９と、常温脱硫器２０と、分岐経路２１と、第１遮断器２２と、第２遮断器２３と、制御器３０と、を備える。
【０１３１】
水添脱硫器１０、改質器１１、燃料電池１２、原料供給経路１３、リサイクル経路１４、温度検知器１５及び燃焼器１９については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１３２】
常温脱硫器２０は、原料中の硫黄成分を常温で除去する。ここで、常温とは、水添脱硫器１０の使用温度に比べ相対的に常温域に近いことから使用しており、常温域から使用脱硫剤が脱硫剤として有効に機能する温度までを含む意味である。
【０１３３】
分岐経路２１は、常温脱硫器２０の上流の原料供給経路１３から分岐し、常温脱硫器２０と水添脱硫器１０との間の原料供給経路１３に合流する。
【０１３４】
第１遮断器２２は、分岐経路２１上に配されている。第１遮断器２２は、分岐経路２１を連通及び遮断できれば、どのような構成であっても構わない。第１遮断器２２として、例えば、開閉弁が例示される。
【０１３５】
第２遮断器２３は、分岐経路２１との間の分岐部よりも下流の原料供給経路１３であって、分岐経路２１との間の合流部よりも上流の原料供給経路１３上に配されている。第２遮断器２３は、上記の原料供給経路１３を連通及び遮断できれば、どのような構成であっても構わない。第２遮断器２３として、例えば、開閉弁が例示される。
【０１３６】
制御器３０は、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達する前は、原料が常温脱硫器２０を流通するように第１遮断器２２及び第２遮断器２３を制御し、リサイクルガスが、原料供給経路１３を経てリサイクル経路１４の上流端に到達した後に、第１遮断器２２を開いてから所定時間が経過したとき、第２遮断器２３を閉じる制御を行う。
【０１３７】
なお、本例では、第１実施形態の燃料電池システム１００に、常温脱硫器２０を配する例を述べたが、かかる常温脱硫器を第２実施形態、第２実施形態の第１−第２実施例及び第３−第５実施形態のいずれかの燃料電池システム１００に配しても構わない。
【０１３８】
［動作］
図９は、第６実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、上記制御器３０の制御プログラムにより行われる。
【０１３９】
まず、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達する前は（つまり、水添脱硫器１０の暖機が完了する前は）、原料が常温脱硫器２０を流通するように第１遮断器２２及び第２遮断器が制御される。例えば、第１遮断器２２を閉めるとともに（ステップＳ２１）、第２遮断器２３を開くとよい（ステップＳ２２）。これにより、水添脱硫器１０の暖機が完了するまでは、常温脱硫器２０により原料中の硫黄成成分を除去できる。
【０１４０】
また、リサイクルガスが燃料電池１２のアノードに到達した後に、ステップＳ２３で、第１遮断器２２を開き、その後、ステップＳ２４で所定時間が経過したか否かが判定される。
【０１４１】
この所定時間は、例えば、原料供給経路１３から分流した原料が、分岐経路２１を流通して再び原料供給経路１３に到達したと想定される時間に設定される。本時間は、例えば、分岐経路２１を流れる原料の流量、分岐経路２１の経路断面積及び経路長を用いて導き得る。
【０１４２】
ステップＳ２４の所定時間が経過するまでは、第２遮断器２３を開いた状態のままに維持する。一方、ステップＳ２４の所定時間が経過すると、次のステップに進み、ステップＳ２５で第２遮断器２３を閉じる。
【０１４３】
以上のステップＳ２３−ステップＳ２５の動作は以下の理由により行われる。
【０１４４】
第１遮断器２２及び第２遮断器２３の開閉制御を同時に行うと、原料供給経路１３を流れる原料の流量が一時的に低下する恐れがある。この場合、燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの一時的な流量減少という問題が生じる可能性があるが、本実施形態では、第１遮断器２２を開く制御が第２遮断器２３を閉じる制御に先行して行われるので、このような可能性を抑制できる。
【０１４５】
なお、ステップＳ２４の所定時間の導出方法は例示であって、本例に限定されない。
【０１４６】
また、本実施形態のステップＳ１−ステップＳ７の動作は、第２実施形態の第１実施例又は第２実施例のステップＳ１−ステップＳ７の動作と同様であるので説明を省略する。
【０１４７】
（第７実施形態）
第７実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器に供給される原料が流通する原料供給経路と、改質器に供給される原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、改質ガスの一部をリサイクルガスとして、水添脱硫器よりも上流の原料供給経路に送るためのリサイクル経路と、水添脱硫器の温度を検出する温度検知器と、制御器と、を備え、制御器は、燃料電池の発電中において、水添脱硫器の温度が所定の温度に到達したとき、燃料電池から取り出す電流を燃料電池の所定の発電量に応じた電流よりも低くした後、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始し、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、燃料電池から取り出す電流を所定の発電量に応じた電流に戻す制御を行う。
【０１４８】
かかる構成により、水添脱硫器の暖機が完了した後、燃料電池から取り出す電流を一時的に下げることで、燃料電池のアノードの燃料利用率を低くできる。よって、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際に、改質器から燃料電池への改質ガスの供給量を増やさずに、従来に比べ、燃料電池からのアノードオフガスの燃焼器への供給量減少が抑制され、燃焼器の燃焼性悪化、燃焼器の燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の上昇、燃焼器の失火等の可能性を低減できる。また、従来に比べ、燃料電池での電圧低下が抑制され、アノードの破損が進行する可能性を低減できる。
【０１４９】
［装置構成］
本実施形態の燃料電池システム１００は、図１又は図２と同様の構成である。構成については第１実施形態又は第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１５０】
［動作］
図１０は、第７実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、上記制御器３０の制御プログラムにより行われる。
【０１５１】
本実施形態では、水添脱硫器１０の暖機が、改質器１１及び燃料電池１２の暖機よりも遅い場合、例えば、燃料電池システム１００の発電中であって、燃料電池１２の定格運転が行われる場合に、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する例について説明する。
【０１５２】
まず、ステップＳ１で、水添脱硫器１０の温度が所定の温度以上か否かが判定される。例えば、水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合、水添脱硫器１０は約１５０℃〜３５０℃が適温の動作範囲となる。よって、この場合、ステップＳ１の所定の温度は、例えば、１８０℃に設定される。
【０１５３】
水添脱硫器１０の温度が所定の温度未満の場合、燃料電池１２から取り出す電流（燃料電池１２の発電電流）を変更せずに、そのままの状態を維持する。
【０１５４】
一方、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達すると、次のステップに進み、ステップＳ３０で、燃料電池１２の発電電流を燃料電池１２の所定の発電量に応じた電流よりも低くする制御が行われる。例えば、燃料電池１２の発電電流について、燃料電池１２の所定の発電量に応じた電流よりも、リサイクルガス相当量の発電量に対応する電流（例えば、所定の発電量に応じた電流の約３％）分、低くする制御を行う。
【０１５５】
その後、ステップＳ４で、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する。これにより、水添脱硫器１０へと向かう原料に水素を添加でき、その結果、水添脱硫器１０は、この水素を利用して原料の水添脱硫を行うことができる。
【０１５６】
以上のステップＳ３０及びステップＳ４の動作は以下の理由で行われる。
【０１５７】
水添脱硫器１０の暖機が完了した後、燃料電池１２から取り出す電流を一時的に下げることで、燃料電池１２のアノードの燃料利用率を低くできる。よって、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する際に、改質器１１から燃料電池１２への改質ガスの供給量を増やさずに、燃料電池１２からのアノードオフガスの燃焼器１９への供給量減少が抑制され、燃焼器１９の燃焼性悪化、燃焼器１９の燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の上昇、燃焼器１９の失火等の可能性を低減できる。また、燃料電池１２での電圧低下が抑制され、アノードの破損が進行する可能性を低減できる。
【０１５８】
次に、ステップＳ５で、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始した時から所定時間が経過したか否かが判定される。
【０１５９】
この所定時間は、例えば、リサイクルガスが、リサイクル経路１４及び原料供給経路１３を経て、リサイクル経路１４の上流端に到達したと想定される時間に設定される。本時間は、例えば、リサイクルガスの流量、リサイクル経路１４及び原料供給経路１３の経路断面積、及びリサイクル経路１４の上流端から原料供給経路１３を経てリサイクル経路１４の上流端に再び至るまでの経路長を用いて導き得る。
【０１６０】
ステップＳ５の所定時間が経過するまでは、燃料電池１２の発電電流を変更せずに、そのままの状態を維持する。
【０１６１】
一方、ステップＳ５の所定時間が経過すると、次のステップに進み、ステップＳ３１で、燃料電池１２の発電電流を燃料電池１２の所定の発電量に応じた電流に戻す制御が行われる。
【０１６２】
以上のステップＳ３１の動作は以下の理由により行われる。
【０１６３】
リサイクルガスが、リサイクル経路１４及び原料供給経路１３を経て、燃料電池１２のアノードに到達したと想定される時間経過後は、燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの一時的な流量減少を解消していると判断できる。よって、この場合、燃料電池１２の発電電流を、燃料電池１２の所定の発電量に応じた電流、つまり、通常の運転状態に対応する電流に戻すことができる。
【０１６４】
なお、ステップＳ１の水添脱硫器１０の温度、ステップＳ３０の電流、及びステップＳ５の所定時間の導出方法は例示であって、本例に限定されない。
【０１６５】
（変形例）
第７実施形態の変形例の燃料電池システムは、第７実施形態の燃料電池システムにおいて、原料中の硫黄成分を常温で除去する常温脱硫器と、常温脱硫器の上流の原料供給経路から分岐し、常温脱硫器と水添脱硫器との間の原料供給経路に合流する分岐経路と、分岐経路上に配された第１遮断器と、分岐経路との間の分岐部よりも下流の原料供給経路であって、分岐経路との間の合流部よりも上流の原料供給経路上に配された第２遮断器と、を備え、制御器は、水添脱硫器の温度が所定の温度に到達する前は、原料が常温脱硫器を流通するように第１遮断器および第２遮断器を制御し、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、第１遮断器を開いてから所定時間が経過したとき、第２遮断器を閉じる制御を行う。
【０１６６】
かかる構成により、水添脱硫器の暖機が完了するまでは、常温脱硫器により原料中の硫黄成成分を除去できる。
【０１６７】
また、第１遮断器及び第２遮断器の開閉制御を同時に行うと、原料供給経路を流れる原料の流量が一時的に低下する恐れがある。この場合、燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの一時的な流量減少という問題が生じる可能性があるが、本変形例では、第１遮断器を開く制御が第２遮断器を閉じる制御に先行して行われるので、このような可能性を抑制できる。
【０１６８】
本変形例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第７実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
【０１６９】
［装置構成］
本変形例の燃料電池システム１００は、図８と同様の構成である。構成については第６実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１７０】
［動作］
図１１は、第７実施形態の変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、上記制御器３０の制御プログラムにより行われる。
【０１７１】
本変形例では、水添脱硫器１０の暖機が、改質器１１及び燃料電池１２の暖機よりも遅い場合、例えば、燃料電池システム１００の発電中であって、燃料電池１２の定格運転が行われる場合に、リサイクル経路１４へリサイクルガスの送出を開始する例について説明する。
【０１７２】
まず、水添脱硫器１０の温度が所定の温度に到達する前は（つまり、水添脱硫器１０の暖機が完了する前は）、原料が常温脱硫器２０を流通するように第１遮断器２２及び第２遮断器が制御される。例えば、第１遮断器２２を閉めるとともに（ステップＳ３２）、第２遮断器２３を開くとよい（ステップＳ３３）。これにより、水添脱硫器１０の暖機が完了するまでは、常温脱硫器２０により原料中の硫黄成成分を除去できる。
【０１７３】
また、リサイクルガスが、原料供給経路を経てリサイクル経路の上流端に到達した後に、ステップＳ３４で、第１遮断器２２を開き、その後、ステップＳ３５で所定時間が経過したか否かが判定される。
【０１７４】
この所定時間は、例えば、原料供給経路１３から分流した原料が、分岐経路２１を流通して再び原料供給経路１３に到達したと想定される時間に設定される。本時間は、例えば、分岐経路２１を流れる原料の流量、分岐経路２１の経路断面積及び経路長を用いて導き得る。
【０１７５】
ステップＳ３５の所定時間が経過するまでは、第２遮断器２３を開いた状態のままに維持する。一方、ステップＳ３５の所定時間が経過すると、次のステップに進み、ステップＳ３６で、第２遮断器２３を閉じる。
【０１７６】
以上のステップＳ３４−ステップＳ３６の動作は以下の理由により行われる。
【０１７７】
第１遮断器２２及び第２遮断器２３の開閉制御を同時に行うと、原料供給経路１３を流れる原料の流量が一時的に低下する恐れがある。この場合、燃料電池１２のアノードに供給する改質ガスの一時的な流量減少という問題が生じる可能性があるが、本変形例では、第１遮断器２２を開く制御が第２遮断器２３を閉じる制御に先行して行われるので、このような可能性を抑制できる。
【０１７８】
なお、ステップＳ３５の所定時間の導出方法は例示であって、本例に限定されない。
【０１７９】
また、本変形例のステップＳ１、ステップＳ４及びステップＳ５の動作は、第７実施形態のステップＳ１、ステップＳ４及びステップＳ５の動作と同様であるので説明を省略する。
【０１８０】
上記説明から、当業者にとっては、本開示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、本開示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。本開示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】
【０１８１】
本発明の一態様は、従来に比べ、水添脱硫器の暖機完了後に、リサイクル経路へリサイクルガスの送出を開始する際の問題に適切に対応し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【０１８２】
１０  水添脱硫器
１１  改質器
１２  燃料電池
１３  原料供給経路
１４  リサイクル経路
１５  温度検知器
１６  蒸発器
１７  水供給器
１８  空気供給器
１９  燃焼器
２０  常温脱硫器
２１  分岐経路
２２  第１遮断器
２３  第２遮断器
３０  制御器
１００  燃料電池システム
【図１】
0005886485.tif 000002
【図２】
0005886485.tif 000003
【図３】
0005886485.tif 000004
【図４】
0005886485.tif 000005
【図５】
0005886485.tif 000006
【図６】
0005886485.tif 000007
【図７】
0005886485.tif 000008
【図８】
0005886485.tif 000009
【図９】
0005886485.tif 000010
【図１０】
0005886485.tif 000011
【図１１】
0005886485.tif 000012