(57)【要約】【課題】燃料電池２が、定格出力で発電するために必要な空気流量が予め設定され、当該空気流量に対応して所定の組成を有する燃料ガスを入力することで、定格出力で発電するように構成されている燃料電池システム１において、組成の異なる燃料ガスが供給された場合であっても、定格出力で発電するように自動的に燃料ガスの流量を調整する。【解決手段】燃料電池２から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器４から排出される排ガスに含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度検出器４１を備え、この酸素濃度検出器４１の検出濃度値が予め設定された目標濃度値になるように、燃料ガス流量調整弁２２２を制御する燃料ガス流量制御部５１を備える。【選択図】図１
2018010763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
予め設定された空気流量を前記燃料電池に供給する空気供給ラインと、
燃料ガスと水から水素を生成し、生成された水素を前記燃料電池に供給する改質器と、
前記燃料ガスを前記改質器に供給する燃料ガス供給ラインと、
前記燃料ガス供給ラインに設けられ、前記改質器に供給する前記燃料ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整部と、
水を前記改質器に供給する水供給ラインと、
前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出される排ガスに含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度検出器と、
前記燃料ガス流量調整部を制御する燃料ガス流量制御部と、を備え、
前記燃料ガス流量制御部は、前記酸素濃度検出器の検出濃度値が予め設定された目標濃度値になるように、前記燃料ガス流量調整部を制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気供給ラインに設けられ、前記燃料電池に供給する空気流量を調整する空気流量調整部と、
前記空気流量調整部を制御する空気流量制御部と、を備え、
前記空気流量制御部は、燃料電池システムの発電出力に応じた前記燃料電池の電池出力が得られるように、前記空気流量調整部を制御し、
前記燃料ガス流量制御部は、燃料電池システムの発電出力に応じた前記燃料電池の電池出力が得られるように、前記燃料ガス流量調整部を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス流量調整部は、
主調整弁と、
副調整弁と、を備え、
前記燃料ガス流量制御部は、燃料電池システムの発電出力に応じた前記燃料電池の電池出力が得られるように、前記主調整弁を制御し、前記酸素濃度検出器の検出濃度値が前記目標濃度値になるように、前記副調整弁を制御する、
請求項２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】
燃料電池システムは、燃料電池セルにおいて、アノード側に水素含有燃料（アノードガス）を、カソード側に空気（カソードガス）を供給し、セルの内部で水素と酸素とを反応させることにより発電を行う。アノードガスは、一般的に、外部から改質器に供給される炭化水素燃料と水（水蒸気）とが改質器の触媒上で反応して生成される（特許文献１参照）。
【０００３】
燃料電池が所定の電池出力で動作するためには、改質器から燃料電池に対して、適切な量のアノードガスが提供される必要がある。燃料電池に適切な量のアノードガスが提供されない場合、例えば、燃料電池の電池出力とアノードガスの供給量とのバランスが崩れ、水素量の不足によりアノードが酸化されてしまうおそれがある。アノードの酸化は、セルの破損を招来し、燃料電池の発電能力を喪失させる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４３５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、燃料電池では、所定の電池出力で動作するために必要な空気流量が予め設定される。そして、当該空気流量に対応して、予め設定された所定の組成を有する燃料ガス（以下、「指定燃料ガス」という）が所定流量供給されることで定格出力するように構成されている。このような燃料電池においては、仮に指定燃料ガスと組成の異なる燃料ガスが、指定燃料ガスの場合と同じ流量が供給されたときには、燃料熱量の変動を生じる可能性がある。
【０００６】
燃料熱量の変動が生じたままで発電を続けると、短期的には燃料電池システムの発電効率や燃料電池の電池出力の低下につながる可能性があり、長期的にはセルスタックの寿命にも大きな影響を及ぼす可能性がある。具体的には、燃料熱量が大きすぎると、発電に利用されない燃料熱量が増え、燃料電池システムの実質の発電効率が低下してしまう。また、燃料熱量が大きすぎると、セルスタックの本体や周囲が高温になるため、アノード等のシンタリングが進みやすくなる。加えて、排ガス温度も非常に高温になるため、排ガスからの熱回収が十分に行えずに燃料電池システムの熱効率が下がったり、排ガスから凝縮水の回収ができずに水自立が成立しなくなったりする。
一方、燃料熱量が小さすぎると、水素の欠乏によってアノードの酸化劣化が進みやすくなる。また、燃料熱量が小さすぎると、発熱と放熱の熱バランスが崩れてしまい、燃料電池システムの熱自立が成立する運転温度を維持できなくなる。
【０００７】
本発明は、定格出力で発電するために必要な空気流量が予め設定され、当該空気流量に対応して所定の組成を有する燃料ガスが所定流量供給されることで、定格出力で発電するように構成されている燃料電池システムにおいて、組成の異なる燃料ガスが供給された場合であっても、定格出力で発電するように自動的に燃料ガスの流量を調整することができ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】
本発明は、燃料電池と、予め設定された空気流量を前記燃料電池に供給する空気供給ラインと、燃料ガスと水から水素を生成し、生成された水素を前記燃料電池に供給する改質器と、前記燃料ガスを前記改質器に供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料ガス供給ラインに設けられ、前記改質器に供給する前記燃料ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整部と、水を前記改質器に供給する水供給ラインと、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される排ガスに含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度検出器と、前記燃料ガス流量調整部を制御する燃料ガス流量制御部と、を備え、前記燃料ガス流量制御部は、前記酸素濃度検出器の検出濃度値が予め設定された目標濃度値になるように、前記燃料ガス流量調整部を制御する、燃料電池システムに関する。
【０００９】
また、前記空気供給ラインに設けられ、前記燃料電池に供給する空気流量を調整する空気流量調整部と、前記空気流量調整部を制御する空気流量制御部と、を備え、前記空気流量制御部は、燃料電池システムの発電出力に応じた前記燃料電池の電池出力が得られるように、前記空気流量調整部を制御し、前記燃料ガス流量制御部は、燃料電池システムの発電出力に応じた前記燃料電池の電池出力が得られるように、前記燃料ガス流量調整部を制御することが好ましい。
【００１０】
また、前記燃料ガス流量調整部は、主調整弁と、副調整弁と、を備え、前記燃料ガス流量制御部は、燃料電池システムの発電出力に応じた前記燃料電池の電池出力が得られるように、前記主調整弁を制御し、前記酸素濃度検出器の検出濃度値が前記目標濃度値になるように、前記副調整弁を制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、定格出力で発電するために必要な空気流量が予め設定され、当該空気流量に対応して所定の組成を有する燃料ガスが所定流量供給されることで、定格出力で発電するように構成されている燃料電池システムにおいて、組成の異なる燃料ガスが供給された場合であっても、定格出力で発電するように自動的に燃料ガスの流量を調整することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態における燃料ガス流量調整部２２の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
最初に、第１実施形態及び第２実施形態における共通事項について記載する。
本願発明に係る燃料電池システムは、燃料電池（セルスタック）と、各種の補機とを主たる構成要素として備えている。燃料電池システムの発電出力とは、燃料電池システムから系統に接続されている負荷（電灯や電気機器など）に供給可能な電力（単位：Ｗ）であって、燃料電池の電池出力から補機損失（補機を運転するのに必要な電力）を差し引いた残りの電力をパワーコンディショナで電圧調整・同期調整した電力である。燃料電池システムの発電動作中に発生する補機損失には、電池出力の一部が利用されるが、補機損失を除いた燃料電池の“正味の電池出力”は燃料電池システムの発電出力と一致する。本願では、「燃料電池システムの発電出力」と「燃料電池の電池出力」とを等価の電力であるとして各実施形態を説明する。
【００１４】
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。
図１に示すように、本発明の実施形態における燃料電池システム１は、燃料電池２と、改質器３と、燃焼器４と、システム制御部５と、を備える。
【００１５】
また、燃料電池システム１は、空気供給ラインＬ１と、燃料ガス供給ラインＬ２と、水供給ラインＬ３と、燃焼排気ガスラインＬ４と、を備える。「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。
【００１６】
［燃料電池２］
燃料電池２としては、例えば高温型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池２は、複数のセルが積層されたセルスタック構造を有している。一般的なセルスタックは、平板構造と円筒構造に大別されるが、いずれの場合もアノード（燃料極）、カソード（空気極）、及び電解質からなるセラミックス製の単セルがインターコネクタを介して連結された構造である。
燃料電池２は、改質器３からセルのアノード側に水素含有燃料（アノードガス）を、空気供給ラインＬ１からセルのカソード側に空気（カソードガス）を供給し、セルの内部で水素と酸素とを反応させる反応させることにより、発電を行うことができる。燃料電池２が発電中の運転温度は、７００℃〜１０００℃程度の高温である。燃料電池２によって発電された直流電力は、パワーコンディショナ６（後述）に送られ、交流電力に変換される。
燃料電池２は、アノード側から排出される未反応の水素を含むアノードオフガスを燃焼器４に対して排気すると共に、カソード側から排出される未反応の酸素を含むカソードオフガスを燃焼器４に対して排気する。
【００１７】
［改質器３］
改質器３は、燃料ガス及び水からアノードガスを生成する。具体的には、燃料ガス供給ラインＬ２を介して供給される、燃料ガス（例えば、メタンガスが主成分の都市ガス）が、脱硫器２１により硫黄化合物が除去された後、改質器３に供給される。他方、水供給ラインＬ３を介して水蒸気改質反応等に必要な水が気化されて、改質器３に供給される。
この際、改質器３内において、燃料ガスを高温（例えば７００℃程度）にまで加熱させ、内部に充填された触媒によって、水蒸気改質反応等をさせることにより、アノードガスを生成する。なお、この加熱は、燃焼器４並びにセルスタックからの放射熱等により行われる。改質器３によって生成されたアノードガスは、燃料電池２へ供給される。
【００１８】
［燃焼器４］
燃焼器４は、燃料電池２のアノード側から排出される未反応の水素を含む高温のアノードオフガスと、カソード側から排出される未反応の酸素を含む高温のカソードオフガスとを混合させることにより燃焼処理する。アノードオフガスは、可燃性の水素を含むため、燃焼器４により燃焼処理された不活性なガスの状態で、外部に排気される必要がある。
燃焼器４でアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼処理することにより発生した排ガスは、燃焼器４の下流側に接続された排ガスラインＬ４を通じて外部に排出される。
なお、燃料電池システム１が水自立を行うように構成されている場合には、排ガスを冷却することにより凝縮水を生成させ、この凝縮水を水供給ラインＬ３に還流させるようにする。
【００１９】
［空気供給ラインＬ１］
空気供給ラインＬ１は、燃料電池２に接続され、燃料電池２のカソードにカソードガスである空気を供給する。空気供給ラインＬ１の上流には、フィルタ１１と、空気流量調整部１２と、が配置される。フィルタ１１は、空気中の異物を除去して、清浄な空気を空気流量調整部１２に流通させる。
【００２０】
空気流量調整部１２は、フィルタ１１を通過した空気の流量を調整する。空気流量調整部１２において、空気の流量を調整することにより、適正な流量の空気を、燃料電池２に供給する。
具体的には、必要な空気流量の設定については、例えば、燃料電池２の電池出力を異ならせたときの必要な空気流量の値を、予め記憶部内のテーブルに記憶しておくことで、燃料電池システム１の発電出力が指定されたときに当該テーブルに基づいて必要な空気流量を設定することができる。
また、空気流量と空気流量調整部１２の操作量との関係を、予め記憶部内のテーブルに記憶しておくことで、当該テーブルに基づいて、必要な空気流量を供給するための空気流量調整部１２の操作量を設定するようにしてもよい。
本実施形態においては、燃料電池システム１が所定の発電出力（定格出力）で動作するように、空気流量調整部１２は予め調整され、予め設定された一定の空気流量を供給するものとする。
【００２１】
ここで、燃料電池システム１が定格出力で動作するときに必要な空気の流量は、基準状態（温度０℃，大気圧１０１３ｈＰａ）における標準流量（単位：ノルマルリットル／分）として設定される。フィルタ１１を通過した空気は、通常は基準状態ではないので、空気の密度が基準状態よりも小さく、カソードで酸素の不足が起こる。そのため、システム制御部５（後述）は、例えば空気ブロワ１２１（後述）の出口温度及び出口圧力に基づいて標準流量を補正し、必要な空気流量を算出するようにする。
また、空気流量の測定及び確認は、差圧式流量計を用いるのが簡便である。例えば、空気ブロワ１２１の出口側にオリフィスを設けておき、オリフィスで発生する差圧を検出するように構成する。同時に、空気ブロワ１２１の出口側の空気温度を検出して、空気の比重量を求めるように構成する。そして、差圧と比重量に対してベルヌーイの定理を適用すれば、空気の実流量を計算することができる。
【００２２】
空気流量調整部１２は、例えば空気ブロワ１２１とインバータ（周波数変換装置又は回路：図示せず）と、を備えるように構成できる。これにより、空気供給ラインＬ１には、空気ブロワ１２１の駆動によりフィルタ１１を通過した空気が流通する。また、インバータの出力する駆動周波数を指定し、入力された駆動周波数に応じた回転速度で駆動することで、空気流量を制御することができる。
【００２３】
また、空気流量調整部１２は、空気ブロワ１２１と、ダンパ（図示せず）と、を備えるようにしてもよい。ダンパは、開度を調節可能であり、燃料電池２に供給する空気流量を制御することができる。例えば、空気流量調整部１２にダンパを適用した場合、ダンパを駆動させるモータを制御して、ダンパの回転停止位置を調整することで、燃料電池２に供給する空気流量を調整可能とする。
【００２４】
また、ダンパに替えて、弁開度を調節可能な空気流量調整弁１２２としてもよい。例えば、空気流量調整弁１２２は、弁開度を調節可能な比例制御弁としてもよい。
【００２５】
空気流量調整部１２は、システム制御部５と電気的に接続され、システム制御部５から出力される制御信号に基づいて制御される。
【００２６】
［燃料ガス供給ラインＬ２］
燃料ガス供給ラインＬ２は、上流側において燃料ガス供給源(図示せず)に接続され、下流側において改質器３に接続され、改質器３へ燃料ガスを供給する。燃料ガス供給ラインＬ２には、脱硫器２１と燃料ガス流量調整部２２とが配置される。
【００２７】
脱硫器２１は、燃料ガスに含まれる硫黄化合物を、ゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する。脱硫器２１により硫黄化合物が除去された燃料ガスは、燃料ガス流量調整部２２に供給される。
【００２８】
燃料ガス流量調整部２２は、脱硫器２１により硫黄化合物が除去された燃料ガスの流量を調整する。燃料ガス流量調整部２２において、適正な流量の燃料ガスを、改質器３に供給することができる。
具体的には、例えば、指定燃料ガスの燃料ガス流量と燃料ガス流量調整部２２の操作量との関係を予め記憶部内のテーブルに記憶しておくことで、当該テーブルに基づいて、指定燃料ガスの必要な燃料ガス流量を供給するための燃料ガス流量調整部２２の操作量を設定するようにしてもよい。
そうすることで、第１実施形態においては、予め設定された燃料ガス流量を改質器３に供給するように、燃料ガス流量調整部２２は調整されているものとする。
【００２９】
燃料ガス流量調整部２２は、例えば燃料昇圧機（ブースター）２２１とインバータ（周波数変換装置又は回路：図示せず）と、を備えるように構成できる。これにより、燃料ガス供給ラインＬ２には、燃料昇圧機２２１の駆動により脱硫器２１により硫黄化合物が除去された燃料ガスが流通する。また、インバータの出力する駆動周波数を指定し、入力された駆動周波数に応じた回転速度で駆動することで、燃料ガス流量を制御することができる。
【００３０】
また、燃料ガス流量調整部２２は、燃料昇圧機２２１と、燃料ガス流量調整弁２２２と、を備えるようにしてもよい。燃料ガス流量調整弁２２２は、開閉自在であり、改質器３に供給する燃料ガス流量を制御することができる。燃料ガス流量調整弁２２２は、弁開度を調節可能な比例制御弁としてもよい。
【００３１】
燃料ガス流量調整部２２は、システム制御部５と電気的に接続され、システム制御部５から出力される制御信号に基づいて制御される。
【００３２】
［水供給ラインＬ３］
水供給ラインＬ３は、上流側において水供給部（図示せず）に接続され、下流側において改質器３に接続され、改質器３に水を供給する。水供給ラインＬ３には、不純物除去部３１と、ポンプ３２と、蒸発器３３と、が配置される。
【００３３】
不純物除去部３１は、水供給部から供給される水に含まれる不純物を除去する。
ポンプ３２は、駆動されることにより、水供給部からの水を水供給ラインＬ３に流通させる。
蒸発器３３は、水供給ラインＬ２から供給された水を蒸発させる。蒸発器３３により蒸発させられた水（蒸発水）は、改質器３に供給される。なお、改質器３が蒸発器３３を含むように構成してもよい。
【００３４】
［排ガスラインＬ４］
排ガスラインＬ４は、アノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼器４で燃焼させることにより発生した排ガスを外部に排出する。
排ガスラインＬ４には、酸素濃度検出器４１が配置される。
【００３５】
酸素濃度検出器４１は、燃焼器４から排出される排ガスに含まれる酸素濃度を検出する。酸素濃度検出器４１は、例えば、ジルコニア式又は電気化学式等のセンサを用いることができる。
酸素濃度検出器４１は、システム制御部５と電気的に接続されている。酸素濃度検出器４１の検出濃度値は、システム制御部５に検出信号として出力される。
【００３６】
ここで、燃料電池システム１の発電出力（燃料電池２の電池出力）と燃焼器４から排出される排ガスに含まれる酸素濃度との関係について説明する。
まず、燃料電池システム１においては、燃料電池システム１の発電出力（例えば、定格出力）に応じて、燃料電池２のカソードに供給される必要な空気流量が設定される。具体的には、第１実施形態においては、予め設定された空気流量を燃料電池２に供給するように、空気流量調整部１２は予め調整されているものとする。
【００３７】
燃料電池システム１では、燃料電池２のカソードに供給される空気流量に基づいて、改質器３に供給する指定燃料ガスの燃料ガス流量が設定される。第１実施形態においては、予め設定された燃料ガス流量を改質器３に供給するように、燃料ガス流量調整部２２は調整されているものとする。
【００３８】
改質器３によって得られる水素量と燃料ガスの燃料熱量とは比例関係にある。このことから、燃料ガスの組成によらずに燃料電池システム１を定格出力で動作させるためには、燃料電池２のカソードに供給される空気流量を一定の値に設定した場合、組成の異なる燃料ガスの流量が、指定燃料ガスを所定の流量で供給したときと同じ燃料熱量を出力するように調整する必要がある。そうすることで、指定燃料ガスと同様に、燃料電池システム１を定格出力で動作させることができる。
【００３９】
他方、指定燃料ガスと、それとは組成の異なる燃料ガスとが、同じ燃料熱量を出力するときには、燃焼器４から排出される排ガスに含まれる酸素濃度は、同じ値になる。
【００４０】
このように、燃料電池２のカソードに供給される空気流量を一定の値に設定した場合、指定燃料ガスと組成の異なる燃料ガスを適用するときには、酸素濃度検出器４１の検出濃度値が、指定燃料ガスを適用した場合の検出濃度値（以下「目標濃度値」という）になるように、燃料ガスの流量を調整すればよい。排ガスに含まれる酸素濃度の目標濃度値は、燃料電池システム１の燃料利用率（Ｕｆ）及び空気利用率（Ｕａ）に応じて適宜に設定される。
【００４１】
［パワーコンディショナ６］
パワーコンディショナ６は、燃料電池２の電池出力を調整する機器である。パワーコンディショナ６は、燃料電池２から出力されたＤＣ電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧回路：図示せず）と、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された直流電圧を系統電源と同期の取れたＡＣ電圧に変換する系統連系インバータ（電圧変換回路：図示せず）と、燃料電池２の出力電流を制御する出力電流制御部（出力制御回路：図示せず）と、を有している。燃料電池２には、ＤＣ／ＤＣコンバータが電気的に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータには、系統連系インバータが電気的に接続されている。
【００４２】
系統連系インバータには、商用電力系統の分電盤（図示せず）が電気的に接続されている。系統連系インバータと分電盤とは、系統連系用のスイッチを介して並列・解列を切換可能である。分電盤には、系統電源（図示せず）及び複数の負荷（図示せず）が電気的に接続されている。更に、分電盤と系統電源との間には、電気計測装置（図示せず）が配置されており、系統電源から負荷に供給される電力を検出できるようになっている。なお、燃料電池２、パワーコンディショナ６、分電盤、系統電源、補機等の間の詳細な接続については、例えば本出願人による特開２０１６−１０３９３１号公報に開示されている。
【００４３】
［補機への電気供給］
前述した空気ブロワ１２１、燃料昇圧機２２１、ポンプ３２、改質器３、燃焼器４、パワーコンディショナ６など、燃料電池２の発電動作及び出力調整に必要な各種の周辺機器を「補機」という。これらの補機のうち、駆動に電気を必要とするものは、燃料電池２によって発電された電気、又は系統電源から供給された電気によって駆動される。そのため、補機には、燃料電池２から出力されたＤＣ電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）で変換したＤＣ電圧か、系統電源から供給されたＡＣ電圧をＡＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）で変換したＤＣ電圧か、いずれか一方のＤＣ電圧が入力されるように構成されている。なお、燃料電池２の発電動作中（解列状態での給電待機中を含む）には、燃料電池２で発電された電気が補機に供給され、燃料電池２の起動時には、系統電源から供給された電気が補機に供給される。燃料電池２の発電動作中に得られる電池出力のうち、補機で消費される電力を補機損失という。
【００４４】
［システム制御部５］
予め設定された一定の発電出力（定格出力）で発電するように、カソードに供給される空気流量が予め設定されている燃料電池システム１において、指定燃料ガスと組成の異なる燃料ガスが供給された場合であっても、適切な燃料ガス流量が改質器３に供給され、一定の発電出力で発電するように自動的に燃料ガスの流量を調整するために、システム制御部５は、燃料ガス流量制御部５１を備える。
【００４５】
燃料ガス流量制御部５１は、酸素濃度検出器４１の検出濃度値が予め設定された目標濃度値になるように、燃料ガス流量をフィードバック制御する。
具体的には、燃料ガス流量制御部５１は、酸素濃度検出器４１の検出濃度値が予め設定された目標濃度値になるように、燃料ガス流量調整部２２の操作量を制御する。
例えば、燃料昇圧機２２１がインバータを備える場合、燃料ガス流量制御部５１は、インバータの出力する駆動周波数を指定することで入力された駆動周波数に応じた回転速度で燃料昇圧機２２１を駆動するように制御してもよい。
また、燃料ガス流量制御部５１は、燃料ガス流量調整弁２２２の弁開度を調節することで、弁開度に応じた燃料ガス流量を供給するように制御してもよい。
【００４６】
［本実施形態の効果］
第１実施形態の燃料電池システム１によれば、以下の効果を得ることができる。
燃料電池システム１は、燃焼器４から排出される排ガスに含まれる酸素濃度（酸素濃度検出器４１の検出濃度値）が予め設定された目標濃度値になるように、燃料ガス流量調整部２２の操作量を制御する燃料ガス流量制御部５１を備える。
それにより、燃料電池システム１が所定の発電出力（定格出力）で発電するように、空気流量が設定されている場合に、例えば、組成の異なる燃料ガスが供給された場合（燃料ガスの熱量が変化した場合）であっても、過不足の無い適切な燃料ガス量を改質器３に供給し、燃料電池システム１が定格出力で発電するように自動調整することができる。
そうすることで、最適な発電効率を維持できるとともに、燃料電池２の寿命を維持することができる。さらに、燃料ガス流量調整部２２は、安価なバルブで構成することができるため、組成の異なる燃料ガスが投入された場合に、追加の費用を掛けずに対応することができる。
また、燃料ガスの流量を計測するための流量計が不要となり、安価に流量を調整することができる。
【００４７】
［第２実施形態］
第１実施形態においては、燃料電池システム１が予め指定された発電出力（定格出力）で発電するために、燃料電池２に供給する空気流量が予め設定され、それに基づいて空気流量調整部１２が予め調整されているものとした。また、第１実施形態においては、指定燃料ガスを用いる場合に、燃料電池２のカソードに供給される空気流量に基づいて、改質器３に供給する指定燃料ガスの燃料ガス流量を設定した。
これに対して、第２実施形態は、燃料電池システム１の発電出力を定格出力から変更する場合について説明する。なお、第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第２実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池システム１の発電出力に応じて空気の流量を調整するために、システム制御部５は、さらに空気流量制御部５２を備える。
【００４８】
空気流量制御部５２は、燃料電池システム１の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力が得られるように、空気流量調整部１２を制御する。具体的には、空気流量制御部５２は、パワーコンディショナ６で出力調整後の発電出力に基づいて、燃料電池２のカソードに供給される必要な空気流量を設定する。一方、燃料ガス流量制御部５１は、燃料電池システム１の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力が得られるように、燃料ガス流量調整部２２を制御する。具体的には、燃料ガス流量制御部５１は、パワーコンディショナ６で出力調整後の発電出力に基づいて、燃料ガスが指定燃料ガスであることを前提として、改質器３に供給される必要な燃料ガス流量を設定する。
なお、必要な空気流量の設定及び必要な燃料ガス流量の設定については、例えば、燃料電池２の電池出力を異ならせたときの必要な空気流量の値及び燃料ガス流量の値を、予め記憶部内のテーブルに記憶しておくことで、燃料電池システム１の発電出力が指定されたときに、当該テーブルに基づいて必要な空気流量及び必要な燃料ガス流量を設定するようにしてもよい。
【００４９】
空気流量制御部５２は、必要な空気流量を燃料電池２のカソードに供給するために、空気流量調整部１２を調整する。具体的には、例えば、空気流量と空気流量調整部１２の操作量との関係を、予め記憶部内のテーブルに記憶しておくことで、当該テーブルに基づいて必要な空気流量を供給するための空気流量調整部１２の操作量を設定するようにしてもよい。
そうすることで、空気流量制御部５２は、必要な空気流量になるように、空気流量調整部１２を制御する。
例えば、空気ブロワ１２１がインバータを備える場合、空気流量制御部５２は、インバータの出力する駆動周波数を指定することで入力された駆動周波数に応じた回転速度で空気ブロワ１２１を駆動するように制御してもよい。
また、空気流量制御部５２は、空気流量調整弁１２２の弁開度を調節することで、開度に応じた空気流量を供給するように制御してもよい。
【００５０】
同様に、空気流量制御部５２は、必要な（指定燃料ガスの）燃料ガス流量を改質器３に供給するために、燃料ガス流量調整部２２を調整する。具体的には、例えば、燃料ガス流量と燃料ガス流量調整部２２の操作量との関係を予め記憶部内のテーブルに記憶しておくことで、当該テーブルに基づいて、必要な燃料ガス流量を供給するための燃料ガス流量調整部２２の操作量を設定するようにしてもよい。
そうすることで、空気流量制御部５２は、必要な燃料ガス流量になるように、燃料ガス流量調整部２２の操作量を制御することができる。
例えば、燃料昇圧機２２１がインバータを備える場合、空気流量制御部５２は、インバータの出力する駆動周波数を指定することで入力された駆動周波数に応じた回転速度で燃料昇圧機２２１を駆動するように制御してもよい。
また、出力制御部５２は、燃料ガス流量調整弁２２２の弁開度を調節することで、開度に応じた燃料ガス流量を供給するように制御してもよい。
【００５１】
第２実施形態におけるシステム制御部５は、パワーコンディショナ６の出力調整機能を持ち、系統電源から負荷に供給される電力に応じて、燃料電池システム１の発電出力を調整する。具体的には、分電盤と系統電源との間に配置された電気計測装置によって系統電源から負荷に供給される電力を検出し、この電力の増減に追随して燃料電池システム１の発電出力を増減させる。つまり、システム制御部５は、負荷への供給電力が増えると、燃料電池システム１の発電出力（燃料電池２の電池出力）を上げるように制御し、逆に負荷への供給電力が減ると、燃料電池システム１の発電出力（燃料電池２の電池出力）を下げるように制御する。
【００５２】
燃料電池システム１の発電出力制御において、燃料電池２の出力調整とパワーコンディショナ６の出力調整の順序、並びに燃料電池２の出力調整時の燃料ガス流量の制御と空気流量の制御の順序は以下のとおりとすることが好ましい。
【００５３】
燃料電池システム１の発電出力を上げる場合、燃料電池２の出力調整を行ってから、パワーコンディショナ６の出力調整を行う。パワーコンディショナ６の出力調整に先行する燃料電池２の出力調整では、空気流量を増加させてから、燃料ガス流量を増加させる。
一方、燃料電池システム１の発電出力を下げる場合、パワーコンディショナ６の出力調整を行ってから、燃料電池２の出力調整を行う。パワーコンディショナ６の出力調整に後行する燃料電池２の出力調整では、燃料ガス流量を減少させてから、空気流量を減少させる。
以上のような順序で操作することにより、燃料電池２で不安定な出力状態を生じさせることなく、燃料電池システム１の発電出力を所望の値に変更することができる。
【００５４】
燃料電池システム１の発電出力を上げる出力調整において、具体的な操作手順は次のとおりである。
（１）空気流量制御部５２は、出力調整後の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力を得ることのできる空気流量を算出し、この空気流量を燃料電池２に供給するように空気流量調整部１２を制御する。これにより、燃料電池２に供給される空気流量が増加される。
（２）空気流量が増加されると、燃料ガス流量制御部５１は、出力調整後の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力を得ることのできる指定燃料ガス使用時の燃料ガス流量を算出し、この燃料ガス流量を改質器３に供給するように燃料ガス流量調整部２２を制御する。これにより、燃料電池２に供給される燃料ガス流量が増加される。
（３）燃料ガス流量が増加されると、システム制御部５は、パワーコンディショナ６の出力調整を行って、燃料電池システム１の発電出力を上げる。これにより、燃料電池システム１の発電出力は、より高い出力状態に移行（例えば、５０％出力から定格１００％出力に移行）される。
（４）燃料電池システム１の出力調整後は、空気流量制御部５２により空気流量が一定に保持された状態で、燃料ガス流量制御部５１は、酸素濃度検出器４１の検出濃度値が予め設定された目標濃度値になるように、燃料ガス流量をフィードバック制御する。これにより、指定燃料ガスと組成の異なる燃料ガスを使用しても燃料ガス流量が補正されることになり、改質器３に入力される燃料熱量が一定に保たれる。
【００５５】
燃料電池システム１の発電出力を下げる出力調整において、具体的な操作手順は次のとおりである。
（１）システム制御部５は、パワーコンディショナ６の出力調整を行って、燃料電池システム１の発電出力を下げる。これにより、燃料電池システム１の発電出力は、より低い出力状態に移行（例えば、定格１００％出力から５０％出力に移行）される。
（２）パワーコンディショナ６の出力調整がなされると、燃料ガス流量制御部５１は、出力調整後の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力を得ることのできる指定燃料ガス使用時の燃料ガス流量を算出し、この燃料ガス流量を改質器３に供給するように燃料ガス流量調整部２２を制御する。これにより、燃料電池２に供給される燃料ガス流量に減少される。
（３）燃料ガス流量が減少されると、空気流量制御部５２は、出力調整後の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力を得ることのできる空気流量を算出し、この空気流量を燃料電池２に供給するように空気流量調整部１２を制御する。これにより、燃料電池２に供給される空気流量が減少される。
（４）燃料電池システム１の出力調整後は、空気流量制御部５２により空気流量が一定に保持された状態で、燃料ガス流量制御部５１は、酸素濃度検出器４１の検出濃度値が予め設定された目標濃度値になるように、燃料ガス流量をフィードバック制御する。これにより、指定燃料ガスと組成の異なる燃料ガスを使用しても燃料ガス流量が補正されることになり、改質器３に入力される燃料熱量が一定に保たれる。
【００５６】
［変形例］
ここで、燃料ガス流量調整部２２を例えば、主調整弁２２２１と、副調整弁２２２２と、を備えるように構成してもよい。
具体的には、燃料ガス流量制御部５１は、燃料電池システム１の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力が得られるように、主調整弁２２２１を制御し、また酸素濃度検出器４１の検出濃度値が目標濃度値になるように、副調整弁２２２２を制御するように構成してもよい。
そうすることで、通常状態（指定燃料ガスを用いて発電している状態）では、主調整弁２２２１の開度を調節することで最適な燃料ガス流量を実現でき、仮に燃料ガスの供給元の変更等により、燃料ガスの組成が若干変化した場合には、主調整弁２２２１の開度をそのままとして、副調整弁２２２２を微調整することで、燃料ガスの組成変動に対して改質器３に入力される燃料熱量が一定に保たれるように、燃料ガス流量を適正化することができる。それにより、好適な発電効率を維持できるとともに、燃料電池２の寿命を維持することができる。
【００５７】
［主調整弁２２２１と副調整弁２２２２の構成］
副調整弁２２２２の微調整においては、主調整弁２２２１による燃料ガス流量に対して、副調整弁２２２２により燃料ガス流量を増加させる微調整、又は燃料ガス流量を減少させる微調整が必要となる。
【００５８】
主調整弁２２２１と副調整弁２２２２とを直列に配置する場合、副調整弁２２２２は、主調整弁２２２１よりも下流側に配置することが好ましい。そうすることで、主調整弁２２２１により調整された燃料ガスの流量を、副調整弁２２２２により、減少させるように微調整することができる。
【００５９】
また、主調整弁２２２１と副調整弁２２２２とを並列に配置する場合、主調整弁２２２１により調整された燃料ガスの流量に、副調整弁２２２２の開度を調節することによる燃料ガスの流量が追加される。そうすることで、主調整弁２２２１により調整された燃料ガスの流量に対して、副調整弁２２２２による燃料ガスの流量が追加されることで、燃料ガスの流量を、増加させるように微調整することができる。
【００６０】
図２は、本発明の実施形態における燃料ガス流量調整部２２の一例を示す概略図である。本実施形態の燃料ガス流量調整弁２２２は、図２に示すように、主調整弁２２２１に対して直列に配置される副調整弁２２２２Ｓと、主調整弁２２２１に対して並列に配置される副調整弁２２２２Ｐと、を備えるように構成することが好ましい。そうすることで、仮に燃料ガスの供給元の変更等により、燃料ガスの組成が若干変化した場合には、燃料ガス流量制御部５１による主調整弁２２２１での粗調整と、燃料ガス流量制御部５１による副調整弁（２２２２Ｓ及び２２２２Ｐ）での微調整との組合せにより、改質器３への燃料ガス流量を適正範囲に調整することができる。
【００６１】
以上、第２実施形態の燃料電池システム１によれば、第１実施形態の奏する効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
燃料電池システム１は、空気供給ラインＬ１に設けられ、燃料電池２に供給する空気流量を調整する空気流量調整部１２と、空気流量調整部１２を制御する空気流量制御部５３と、を備え、空気流量制御部５２は、燃料電池システム１の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力が得られるように、空気流量調整部５２を制御し、燃料ガス流量制御部５２は、燃料電池システム１の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力が得られるように、燃料ガス流量調整部２２を制御する。これにより、系統電源から負荷に供給される電力に応じて、燃料電池システム１の発電出力を調整することができる。
【００６２】
また、燃料ガス流量調整部２２は、主調整弁２２２１と、副調整弁２２２２と、を備え、燃料ガス流量制御部５１は、燃料電池システム１の発電出力に応じた燃料電池２の電池出力が得られるように、主調整弁２２２１を制御し、酸素濃度検出器４１の検出濃度値が目標濃度値になるように、副調整弁２２２２を制御する。
これにより、通常状態（予め設定された所定の組成を有する燃料ガスを用いて発電している状態）では、主調整弁２２２１の開度を調節することで最適な燃料ガス流量を実現でき、燃料ガスの供給元の変更等により、燃料ガスの組成が若干変化した場合には、副調整弁２２２２を微調整することで、燃料ガスの組成変動に対して改質器３に入力される燃料熱量が一定に保たれるように、燃料ガス流量を適正化することができる。
【００６３】
本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。燃料電池システム１の構成は、本実施形態におけるシステム構成に限定されない。
【符号の説明】
【００６４】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  改質器
４  燃焼器
Ｌ１  空気供給ライン
１１  フィルタ
１２  空気流量調整部
１２１    空気ブロワ
１２２    空気流量調整弁（ダンパを含む）
Ｌ２  燃料ガス供給ライン
２１  脱硫器
２２  燃料ガス流量調整部
２２１    燃料昇圧機
２２２    燃料ガス流量調整弁
２２２１  主調整弁
２２２２，２２２２Ｓ，２２２２Ｐ  副調整弁
Ｌ３  水供給ライン
３１  不純物除去部
３２  ポンプ
３３  蒸発器
Ｌ４  燃焼排気ガスライン
４１  酸素濃度検出器
５  システム制御部
５１  燃料ガス流量制御部
５２  空気流量制御部
６  パワーコンディショナ
【図１】
2018010763.tif 000003
【図２】
2018010763.tif 000004