(57)【要約】【課題】水蒸気不足を回避して燃料電池の運転を継続させる。【解決手段】本開示の燃料電池システム（１００）は、改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを反応させて水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質器（１１）と、改質器（１１）に供給されるべき水蒸気を生成する蒸発器（３２）と、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池（１３）と、改質器（１１）において水蒸気不足が発生したことを検出する検出器（４１，４２）と、制御器（５０）と、を備えている。改質器（１１）において水蒸気不足が発生したとき、制御器（５０）は、燃料電池（１３）の発電出力を現在の発電出力から第１特定値低下させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを反応させて水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給されるべき水蒸気を生成する蒸発器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器において水蒸気不足が発生したことを検出する検出器と、
制御器と、
を備え、
前記改質器において前記水蒸気不足が発生したとき、前記制御器は、前記燃料電池の発電出力を現在の発電出力から第１特定値低下させる、燃料電池システム。
【請求項２】
前記検出器は、前記改質器の入口における前記水蒸気の流量を反映した物理量を検出する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記検出器は、前記蒸発器に供給されるべき前記水の流量を検出する流量計を含む、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記検出器は、前記蒸発器の内部の圧力又は前記蒸発器から前記改質器への経路の圧力を検出する圧力センサを含む、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質器の温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記温度センサによって検出された前記改質器の温度が第１閾値温度以上であるとき、前記制御器は、前記燃料電池の前記発電出力を現在の前記発電出力から第２特定値低下させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水蒸気不足が所定時間内に複数回発生したとき、前記制御器は、前記燃料電池の前記発電出力を現在の前記発電出力から第２特定値低下させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記改質器の温度が前記第１閾値温度よりも高い第２閾値温度を超えたとき、前記制御器は、前記燃料電池の運転を停止させる、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記発電出力を前記第２特定値低下させたとき、前記制御器は、前記発電出力を前記第２特定値低下させた時点での前記発電出力を前記燃料電池の前記発電出力の上限に設定する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記改質器の温度が前記第１閾値温度よりも低い第３閾値温度未満に低下したとき、前記制御器は、前記発電出力の前記上限を解除する、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】
本開示は、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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって電力と熱とを生成するシステムである。一般的な燃料電池システムにおいて、生成された電力は、電力負荷に供給される。電力負荷の例は、照明、空調装置などの電化製品である。生成された熱は、温水として貯湯タンクに貯えられる。温水は、貯湯タンクから熱負荷に供給される。熱負荷の例は、給湯機器、床暖房などの熱利用機器である。
【０００３】
水素ガスを供給するためのインフラストラクチャが整備されていないため、燃料電池システムは、改質器を備えていることが多い。改質器は、改質触媒を用いた水蒸気改質反応によって、原料ガス及び水から水素含有ガスを生成する。原料ガスは、有機化合物を含むガスであり、典型的には、都市ガス又は液化石油ガスである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９１３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水は、ポンプの働きによって、水タンクから蒸発器に供給される。蒸発器において水蒸気が生成され、水蒸気が改質器に供給される。何らかの原因で水蒸気が不足すると、改質器においてコーキング（原料ガスの炭化）が発生する。このことは、改質器の故障又は劣化の原因となる。また、水蒸気が不足すると水素ガスが不足し、燃料電池システムの運転を継続できない。
【０００６】
特許文献１には、燃料電池の発電運転中において水ポンプの回転数が目標回転数領域に対して異常であるとき、燃料電池の発電運転を継続させつつ、水ポンプの回転数の増減を繰り返して水ポンプの共振による水蒸気量の誤検知を回避することが記載されている。しかし、この制御を行ったとしても、水ポンプの共振以外の原因に起因する水蒸気不足には対処できない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、
改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを反応させて水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給されるべき水蒸気を生成する蒸発器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器において水蒸気不足が発生したことを検出する検出器と、
制御器と、
を備え、
前記改質器において前記水蒸気不足が発生したとき、前記制御器は、前記燃料電池の発電出力を現在の発電出力から第１特定値低下させる、燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の技術によれば、燃料電池における水素ガス不足を回避して燃料電池システムの運転を継続できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、改質器の温度及び燃料電池の発電出力の経時変化の一例を示すトレンドグラフである。
【図３】図３は、水蒸気不足に対処するための制御に関するフローチャートである。
【図４】図４は、図３に続くフローチャートである。
【図５】図５は、図４に続くフローチャートである。
【図６】図６は、原料ガスの流量の検出値及び流量調整器の操作量の経時変化の一例を示すトレンドグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
改質器において水蒸気不足が発生する原因として、例えば、水タンクから蒸発器に水を供給するための経路に空気などの異物が入ることが挙げられる。また、蒸発器において水が一定の流量で蒸発するとは限らず、このことも水蒸気不足の原因の１つである。例えば、水の突沸は、水蒸気不足を招くと考えられる。さらに、水の流量を調節するための流量調整器に異常が発生した場合にも水蒸気不足は発生しうる。これらの水蒸気不足の原因を取り除くことは困難である。
【００１１】
原料ガスを改質するために必要な水蒸気が不足すると、水素ガスを十分に生成できない。水素ガスが不足すると燃料電池の電圧が下がり、燃料電池システムの運転を継続することが困難となる。さらに、水蒸気不足は、改質器の劣化及び水素ガス不足による燃料電池の劣化を招く。
【００１２】
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の燃料電池システムは、
改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを反応させて水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給されるべき水蒸気を生成する蒸発器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記改質器において水蒸気不足が発生したことを検出する検出器と、
制御器と、
を備え、
前記改質器において前記水蒸気不足が発生したとき、前記制御器は、前記燃料電池の発電出力を現在の発電出力から第１特定値低下させる。
【００１３】
第１態様によれば、水蒸気不足が発生したときに発電出力を低下させるので、燃料電池で必要とされる水素ガスの流量も減少する。その結果、燃料電池における水素ガス不足を回避して燃料電池システムの運転を継続できる。改質器及び燃料電池の劣化も抑制されうる。
【００１４】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る燃料電池システムでは、前記検出器は、前記改質器の入口における前記水蒸気の流量を反映した物理量を検出する。水蒸気の流量を反映した物理量を参照すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。
【００１５】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る燃料電池システムでは、前記検出器は、前記蒸発器に供給されるべき前記水の流量を検出する流量計を含む。水の流量は、水蒸気の流量を直接的に左右するので、水の流量を計測すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。
【００１６】
本開示の第４態様において、例えば、第１又は第２態様に係る燃料電池システムでは、前記検出器は、前記蒸発器の内部の圧力又は前記蒸発器から前記改質器への経路の圧力を検出する圧力センサを含む。生成された水蒸気の圧力を計測すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。
【００１７】
本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、前記改質器の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記温度センサによって検出された前記改質器の温度が第１閾値温度以上であるとき、前記制御器は、前記燃料電池の前記発電出力を現在の前記発電出力から第２特定値低下させる。発電出力を下げることによって、改質器の内部の温度が上がりすぎることを防止できる。
【００１８】
本開示の第６態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記水蒸気不足が所定時間内に複数回発生したとき、前記制御器は、前記燃料電池の前記発電出力を現在の前記発電出力から第２特定値低下させる。水蒸気不足が短期間に繰り返し発生したときに発電出力を大きく低下させると、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システムが停止したりすることを回避しつつ、燃料電池の運転を継続できる。
【００１９】
本開示の第７態様において、例えば、第５態様に係る燃料電池システムでは、前記改質器の温度が前記第１閾値温度よりも高い第２閾値温度を超えたとき、前記制御器は、前記燃料電池の運転を停止させる。第７態様によれば、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システムが停止したりすることを回避しつつ、燃料電池の運転を継続することができる。
【００２０】
本開示の第８態様において、例えば、第５〜第７態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記発電出力を前記第２特定値低下させたとき、前記制御器は、前記発電出力を前記第２特定値低下させた時点での前記発電出力を前記燃料電池の前記発電出力の上限に設定する。改質器の温度が十分に下がるまで発電出力を上限以下に維持することによって、改質器の温度を確実かつ速やかに低下させることができる。
【００２１】
本開示の第９態様において、例えば、第８態様に係る燃料電池システムでは、前記改質器の温度が前記第１閾値温度よりも低い第３閾値温度未満に低下したとき、前記制御器は、前記発電出力の前記上限を解除する。第９態様によれば、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システムが停止したりすることを回避しつつ、効率的な運転を継続することができる。
【００２２】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２３】
（実施形態）
図１に示すように、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システム１００は、改質器１１及び燃料電池１３を備えている。改質器１１は、例えば、水蒸気改質反応（CH4+H2O→3H2+CO）などの改質反応によって水素含有ガスを生成するための機器である。改質器１１には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器１１には、一酸化炭素を除去するための触媒（ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒）が収められていてもよい。改質器１１は、水蒸気及び原料ガスを用いて、水素含有ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスである。水素含有ガスは、燃料ガスとして燃料電池１３に供給される。燃料電池１３は、酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電する。燃料電池１３は、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。燃料電池システム１００の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンク（図示省略）に貯められる。
【００２４】
燃料電池システム１００は、さらに、燃焼器１５及び排気経路１７を備えている。燃焼器１５は、燃料を燃焼させることによって改質器１１を加熱するためのデバイスである。燃焼器１５は、改質器１１に隣接している。燃焼器１５は、改質器１１の内部に配置されていてもよい。排気経路１７は、燃焼器１５に接続されている。排気経路１７は、燃焼器１５で生じた燃焼排ガスの流路である。排気経路１７は、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。
【００２５】
燃焼器１５には、空気供給経路３４が接続されている。空気供給経路３４は、燃焼器１５に空気を供給するための流路である。空気供給経路３４には流量計３５及び空気供給器３６が設けられている。流量計３５によって空気の供給流量が検出される。空気供給器３６の例には、ファン及びブロワが含まれる。流量計３５及び空気供給器３６を用い、燃焼器１５への空気の供給流量を所望の供給流量に調節することができる。流量計３５として、電磁式流量計、カルマン渦式流量計、羽根車式流量計、熱式流量計、ダイヤフラム式流量計、超音波式流量計などの公知の流量計を使用できる。
【００２６】
燃料電池システム１００は、さらに、燃料ガス供給経路１２、酸化剤ガス供給経路１４、アノードオフガス経路１６及びカソードオフガス経路１８を備えている。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１から燃料電池１３に水素含有ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１と燃料電池１３とを接続している。酸化剤ガス供給経路１４は、燃料電池１３のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路である。酸化剤ガス供給経路１４には、空気供給器２３が設けられている。空気供給器２３は、燃料電池１３に空気を供給するためのデバイスである。空気供給器２３の例として、ファン、ブロワなどが挙げられる。空気供給器２３を制御することによって、空気の流量を調節することができる。酸化剤ガス供給経路１４には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。アノードオフガス経路１６は、未反応の水素含有ガスを燃料電池１３のアノードから排出するための流路である。アノードオフガス経路１６は、燃料電池１３のアノードガス出口と燃焼器１５とを接続している。未反応の水素含有ガスは、アノードオフガス経路１６を通じて、燃焼器１５に供給される。カソードオフガス経路１８は、未反応の酸化剤ガスを燃料電池１３のカソードから排出するための流路である。カソードオフガス経路１８は、燃料電池１３のカソードガス出口に接続されており、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。カソードオフガス経路１８は、排気経路１７に接続されていてもよく、燃焼器１５に接続されていてもよい。
【００２７】
燃料電池システム１００は、さらに、空気経路２４、流量調整器２５及び流量計２６を備えている。空気経路２４は、ＣＯ選択酸化に使用される空気を改質器１１に供給するための流路である。空気経路２４は、酸化剤ガス供給経路１４から分岐し、改質器１１に接続されている。空気経路２４に流量調整器２５及び流量計２６が設けられている。流量計２６として、先に例示した公知の流量計を使用できる。空気経路２４は、酸化剤ガス供給経路１４から独立して設けられていてもよい。
【００２８】
燃料電池システム１００は、さらに、原料ガス供給経路２７及び原料ガス供給器２８を備えている。原料ガス供給経路２７は、原料の貯蔵タンク、都市ガスのインフラストラクチャなどの原料供給源（図示省略）から改質器１１に原料ガスを供給するための流路である。原料ガス供給経路２７に原料ガス供給器２８が設けられている。原料ガス供給器２８の例として、ポンプ、流量調整弁、流量計、それらの組み合わせなどが挙げられる。原料ガス供給器２８を制御することによって、原料ガスの供給流量を調節することができる。原料ガス供給経路２７には、脱硫器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。
【００２９】
燃料電池システム１００は、さらに、給水経路３０、水供給器３１及び蒸発器３２を備えている。給水経路３０は、貯水タンクなどの水源から改質器１１に水を供給するための流路である。給水経路３０に水供給器３１が設けられている。水供給器３１の例として、ポンプが挙げられる。水供給器３１を制御することによって、水の供給流量を調節することができる。蒸発器３２は、水を蒸発させて水蒸気を生成する。燃焼器１５の熱で水を蒸発させるために、蒸発器３２は、改質器１１に隣接していてもよく、改質器１１に一体化されていてもよい。
【００３０】
改質器１１には、温度センサ４０が取り付けられている。温度センサ４０は、改質器１１の内部の温度（例えば、触媒の温度又は触媒層の出口温度）を検出する。改質器１１の複数の位置のそれぞれに温度センサ４０が取り付けられていてもよい。
【００３１】
燃料電池システム１００は、さらに、流量計４１及び圧力センサ４２を備えている。流量計４１及び圧力センサ４２は、それぞれ、改質器１１において水蒸気不足が発生したことを検出する検出器の一例であって、改質器１１の入口における水蒸気の流量を反映した物理量を検出する。流量計４１は、改質器１１の入口における水蒸気の流量を反映した物理量として、水の流量を検出する。圧力センサ４２は、改質器１１の入口における水蒸気の流量を反映した物理量として、蒸発器３２の内部の圧力を検出する。水蒸気の流量を反映した物理量を参照すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。ただし、後述するように、流量、圧力などの物理量を直接的に参照しない方法で水蒸気不足の発生を検出することも可能である。
【００３２】
流量計４１は、給水経路３０に配置されている。詳細には、流量計４１は、給水経路３０において、蒸発器３２よりも上流側に位置している。流量計４１は、蒸発器３２に供給されるべき水の流量を検出する。水蒸気不足の原因の１つとして、給水経路３０に空気などの異物が侵入することが挙げられる。水蒸気不足が給水経路３０に侵入した異物である場合、ポンプの回転数だけを参照しても水蒸気不足が発生したかどうかを判断できない。他方、給水経路３０における水の流量は、水蒸気の流量を直接的に左右するので、水の流量を計測すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。流量計４１として、先に例示した公知の流量計を使用できる。
【００３３】
圧力センサ４２は、蒸発器３２に取り付けられている。圧力センサ４２は、蒸発器３２の内部の圧力を検出する。詳細には、圧力センサ４２は、水の蒸発によって生成した水蒸気の圧力を検出できる位置に配置されている。水蒸気の圧力を検出するべく、圧力センサ４２は、蒸発器３２から改質器１１への経路に配置されていてもよい。水蒸気不足の原因の１つとして、蒸発器３２における水の蒸発流量の変化が挙げられる。液体の水から水蒸気への相変化を伴うので、水の流量が一定であったとしても、水蒸気が一定の流量で生成されないことがある。例えば、水の突沸が起こると、蒸発器３２への水の供給流量が足りていたとしても、水蒸気不足が発生しうる。他方、生成された水蒸気の圧力を計測すれば、水蒸気不足の発生を正確に検出できる。圧力センサ４２の種類は特に限定されない。圧力センサ４２として、静電容量式圧力センサ、抵抗線式圧力センサ、ピエゾ抵抗式圧力センサなどの公知の圧力センサを使用できる。
【００３４】
本明細書において「水蒸気不足」の語句は、原料ガスを改質するために必要な水蒸気が改質器１１に必要な流量で供給されない状況を意味する。
【００３５】
燃料電池システム１００は、さらに、制御器５０を備えている。制御器５０は、燃料電池１３、空気供給器２３、流量調整器２５、原料ガス供給器２８、水供給器３１、空気供給器３６、各種の補助機器などの制御対象を制御する。補助機器には、弁（開閉弁、切替弁及び流量調整弁を含む）、ポンプ、電気ヒータなどが含まれる。制御器５０には、流量計２６、流量計３５、温度センサ４０、流量計４１、圧力センサ４２及び他の各種のセンサから検出信号が入力される。制御器５０として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器５０には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
【００３６】
燃料電池システム１００において、各経路は、１又は複数の配管によって構成されうる。
【００３７】
次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。
【００３８】
図２は、改質器の温度及び燃料電池の発電出力の経時変化の一例を示すトレンドグラフである。時刻ｔ１は、水蒸気不足の発生が検出された時刻である。時刻ｔ２は、改質器１１の温度が第１閾値温度を超えた時刻である。時刻ｔ３は、発電出力を第２特定値だけ低下させる処理が完了した時刻である。時刻ｔ４は、改質器１１の温度が第３閾値温度まで低下した時刻である。
【００３９】
水蒸気不足の発生に対処するために、制御器５０は、図３のフローチャートに示す各処理を定期的（例えば、制御周期毎）に実行する。制御器５０は、併せて、図４及び図５のフローチャートに示す各処理を定期的に実行する。図４及び図５のフローチャートに示す各処理は、水蒸気不足が発生したのちの一定期間だけでなく、水蒸気不足が発生していない期間においても実行されうる。ただし、水蒸気不足が発生したのちの一定期間に限り、図４及び図５のフローチャートに示す各処理を実行してもよい。
【００４０】
図３に示すように、ステップＳ１において、現在の発電出力を記憶する。記憶すべき発電出力は、制御上の目標値であってもよく、センサによる実測値であってもよい。時刻ｔ１以前において、燃料電池１３の発電出力は、電力負荷に追従するように制御されている。次に、ステップＳ２において、水蒸気不足の発生を検出したかどうかを判断する。具体的には、流量計４１の検出値が水蒸気不足の発生を示してるかどうかを判断する。あるいは、圧力センサ４２の検出値が水蒸気不足の発生を示しているかどうかを判断する。
【００４１】
水蒸気不足が発生したかどうかは、例えば、次の方法によって判断できる。燃料電池１３の発電出力は、電力負荷に追従する。具体的には、電力負荷に応じて、発電出力の目標値が設定され、発電出力が目標値に収斂するようにインバータが制御される。発電出力の目標値が決まると、必要な水素ガスの流量も決まる。水素ガスの流量が決まると、原料ガス流量、水の流量及び水蒸気の流量も決まる。水蒸気の流量は、圧力に対応する。したがって、流量計４１の検出値と、現在の発電出力の目標値から算出される水の流量との間に一定の差（許容限界を超える差）が存在する場合、水蒸気不足が発生しているものと判断できる。あるいは、圧力センサ４２の検出値と、現在の発電出力の目標値から算出される圧力との間に一定の差（許容限界を超える差）が存在する場合、水蒸気不足が発生しているものと判断できる。
【００４２】
ステップＳ２において、水蒸気不足の発生を検出した場合、ステップＳ３において、発電出力を現在の発電出力から第１特定値下げる。第１特定値は、予め実験的に決められた一定値でありうる。第１特定値は、一時的な水素ガス不足を回避するために必要な発電出力の下げ幅である。例えば、第１特定値が１００Ｗであると仮定すると、ステップＳ３において、燃料電池１３の発電出力（例えば、目標値）を現在の発電出力よりも１００Ｗ低い発電出力まで低下させる。第１特定値が一定値であることは、制御の容易性の観点で有利である。あるいは、第１特定値は、所定の演算式に基づいて現在の発電出力から算出される値であってもよい。例えば、現在の発電出力の２０〜３０％の出力を第１特定値として設定することができる。
【００４３】
本実施形態によれば、水蒸気不足が発生したときに発電出力を低下させるので、燃料電池１３で必要とされる水素ガスの流量も減少する。その結果、水蒸気不足を回避して燃料電池１３の運転を継続することができる。改質器１１及び燃料電池１３の劣化も抑制されうる。
【００４４】
本実施形態において、水蒸気不足の発生が検出されたときの発電出力の低下速度は、水蒸気不足が発生していないときの発電出力の変化速度よりも早い。例えば、水蒸気不足が発生していないときの発電出力の変化速度の最大値が１制御周期あたり１Ｗであるとすると、本実施形態では、それよりも早い速度（例えば、１制御周期あたり１０Ｗ以上）で発電出力を低下させる。「制御周期」は、発電出力を目標値に収斂させるためのインバータ回路の制御周期を表す。「水蒸気不足が発生していないとき」の例として、電力負荷に応じて燃料電池１３の発電出力を変化させているときが挙げられる。水蒸気不足が発生していないときに発電出力を急速に変化させると、燃料電池１３で消費される水素ガスの流量が急速に変化する。すると、燃焼器１５に導入される水素含有ガスの流量が変化して改質器１１の温度が大きく変化したり、燃料電池システム１００の運転ポイントが大きく変化したりする。これらのことは、故障の原因となるため避けるべきである。しかし、水蒸気不足が発生すると、水素ガスを燃料電池１３に十分に供給できず、燃料電池１３が劣化する可能性がある。そのため、燃料電池システム１００にとって、水蒸気不足に起因する水素ガス不足は、発電出力を急速に変化させること以上に回避する必要がある。したがって、燃料電池１３の発電出力を急速に下げることをあえて受け入れて水素ガス不足の回避を優先すれば、燃料電池１３に及ぶダメージを最小限に食い止めることができる。
【００４５】
図２に示す例によれば、時刻ｔ１において、発電出力は、直近の発電出力から第１特定値を減じた発電出力まで急速に低下している。例えば、１制御周期で発電出力の目標値を現在の目標値から第１特定値下げてもよい。
【００４６】
ステップＳ２において水蒸気不足が検出されなかった場合、現在の発電出力を維持しつつ、元の制御ループに戻る。
【００４７】
図２において、時刻ｔ１と時刻ｔ２の間の期間は、電力負荷に発電出力を追従させるべく発電出力を変化させている期間である。
【００４８】
次に、図４のフローチャートの各処理について説明する。
【００４９】
図４のステップＳ１１において、温度センサ４０を用いて改質器１１の温度を検出する。ステップＳ１２において、改質器１１の温度が第１閾値温度以上かどうかを判断する。改質器１１の温度が第１閾値温度以上であるとき、ステップＳ１３において、現在の発電出力から第２特定値を減じた発電出力まで、発電出力（目標値）を徐々に低下させる。第２特定値は、予め実験的に決められた一定値でありうる。第２特定値は、改質器１１の温度を低下させるために必要な発電出力の下げ幅である。例えば、第２特定値が１００Ｗであると仮定すると、ステップＳ１３において、燃料電池１３の発電出力を現在の発電出力よりも１００Ｗ低い発電出力まで徐々に低下させる。第２特定値が一定値であることは、制御の容易性の観点で有利である。あるいは、第２特定値は、所定の演算式に基づいて現在の発電出力から算出される値であってもよい。例えば、現在の発電出力の２０〜３０％の出力を第２特定値として設定することができる。
【００５０】
水蒸気不足の発生を検出して発電出力を下げると、燃料電池１３での燃料消費量が減少し、燃焼器１５に導入される水素含有ガスの流量が増加する。すると、燃焼器１５で発生する熱量が増加し、改質器１１の内部の温度が上昇する。改質器１１の内部の温度が上がりすぎると、改質触媒の耐久性に悪影響が及ぶほか、失火などの他のエラーが起きて燃料電池システム１００を停止させざるを得ないことが想定される。
【００５１】
図４のフローチャートに示すように、改質器１１の内部の温度が第１閾値温度以上であれば、発電出力を下げることによって、改質器１１の内部の温度が上がりすぎることを防止できる。これにより、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システム１００が停止したりすることを回避できる。
【００５２】
「第１閾値温度」は、改質触媒の組成、改質器１１の構造、温度センサ４０の位置などに応じて適切に定められる温度である。一例において、第１閾値温度は、６５０〜７００℃の範囲内の温度である。
【００５３】
ステップＳ１３において発電出力を第２特定値低下させるときの低下速度は、ステップＳ３（図３）において発電出力を第１特定値低下させるときの低下速度よりも遅い。図２に示す例では、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、一定の速度（傾き）で発電出力が徐々に低下している。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間の長さは、例えば、５０〜３５０秒の範囲にある。
【００５４】
ステップＳ１３において発電出力を第２特定値低下させたとき、次に、ステップＳ１４の処理を実行する。ステップＳ１４において、発電出力を第２特定値低下させた時点での発電出力を燃料電池１３の発電出力の上限に設定する。
【００５５】
図２に示す例では、時刻ｔ３において発電出力の上限Ｌ１が設定され、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間において、発電出力が上限Ｌ１に維持されている。時刻ｔ２から発電出力を下げ始めたとしても、改質器１１の温度は、オーバーシュートして第１閾値温度を上回ることがある。改質器１１の温度が十分に下がるまで発電出力を上限Ｌ１以下に維持することによって、改質器１１の温度を確実かつ速やかに低下させることができる。
【００５６】
本実施形態によれば、時刻ｔ３以降に電力負荷が上限Ｌ１を超えたとしても、上限Ｌ１を超えて負荷追従運転は行われず、発電出力は上限Ｌ１に維持される。時刻ｔ３以降において、電力負荷が上限Ｌ１を下回っている場合、負荷追従運転が行われる。これにより、改質器１１の温度を確実かつ速やかに低下させることができるだけでなく、燃料電池システム１００の省エネルギー性能の低下を抑制することもできる。
【００５７】
次に、図５のフローチャートの各処理について説明する。
【００５８】
図５のステップＳ２１において、温度センサ４０を用いて改質器１１の温度を検出する。ステップＳ２２において、改質器１１の温度が第３閾値温度未満であるかどうかを判断する。改質器１１の温度が第３閾値温度未満に低下したとき、ステップＳ２３において、発電出力の上限Ｌ１の設定を解除する。これにより、上限Ｌ１を超えた負荷追従運転が許可される。改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システム１００が停止したりすることを回避しつつ、効率的な運転を継続することができる。
【００５９】
図２に示すように、第３閾値温度は、第１閾値温度よりも低い温度である。第１閾値温度と同じように、第３閾値温度も、改質触媒の組成、改質器１１の構造、温度センサ４０の位置などに応じて適切に定められる。一例において、第３閾値温度は、５５０〜６５０℃の範囲内の温度である。
【００６０】
図３、図４及び図５のフローチャートに表されていない以下の処理をさらに実行してもよい。
【００６１】
例えば、水蒸気不足が所定時間内に複数回発生したとき、燃料電池１３の発電出力を現在の発電出力から第２特定値低下させる。具体的には、水蒸気不足の発生を検出したとき、まず、発電出力を現在の発電出力から第１特定値低下させる。発電出力を第１特定値低下させるときの低下速度は、図３のフローチャートのステップＳ３で説明した通りである。発電出力を第１特定値低下させたのち、発電出力を上昇に転じさせることなく、さらに、第２特定値低下させる。発電出力を第２特定値低下させるときの低下速度は、図４のフローチャートのステップＳ１３で説明した通りである。
【００６２】
温度センサ４０は、改質触媒の代表的な温度を検出できる位置に配置されることが多い。代表的な温度を検出できる位置としては、改質触媒の平均的な温度を検出できる位置、改質触媒の最も高い温度を検出できる位置、及び、改質触媒の最も低い温度を検出できる位置が挙げられる。水蒸気不足が短期間に繰り返し発生すると、改質触媒の温度分布に大きなバラつきが生じ、改質触媒に熱が蓄えられる。この場合、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システム１００が停止したりする可能性がある。水蒸気不足が短期間に繰り返し発生したときに発電出力を大きく低下させると、それらの不利益を回避しつつ、燃料電池１３の運転を継続できる。
【００６３】
「所定時間」は、改質触媒の組成、改質器１１の構造、温度センサ４０の位置などに応じて適切に定められる。一例において、所定時間は、３０〜９０分間の範囲にある。所定時間内における水蒸気不足の発生回数も特に限定されない。所定時間内における水蒸気不足の発生回数は、例えば、５〜１５回の範囲にある。
【００６４】
また、改質器１１の温度が第１閾値温度よりも高い第２閾値温度（図２）を超えたとき、燃料電池１３の運転を停止させてもよい。このようにすれば、改質触媒が大きいダメージを受けたり、失火などエラーによって燃料電池システム１００が停止したりすることを回避しつつ、燃料電池１３の運転を継続することができる。
【００６５】
第１閾値温度及び第３閾値温度と同じように、第２閾値温度も、改質触媒の組成、改質器１１の構造、温度センサ４０の位置などに応じて適切に定められる。一例において、第２閾値温度は、７００〜７５０℃の範囲内の温度である。
【００６６】
水蒸気不足の発生を検出する方法は、流量計４１の検出値又は圧力センサ４２の検出値を参照する方法に限定されない。例えば、原料ガスの流量から水蒸気不足の発生を検出できる。原料ガス供給器２８が流量計及び流量調整器を含むとき、流量調整器の操作量及び流量計の検出値から改質器１１で水蒸気不足が発生したことを検出できる。
【００６７】
図６は、原料ガスの流量の検出値及び流量調整器の操作量の経時変化の一例を示すトレンドグラフである。図６に示すように、水蒸気不足が発生すると、改質器１１の内部の圧力が低下するので、原料ガス供給経路２７を通じて改質器１１に導入される原料ガスの流量がＱ１からＱ２に増加する。原料ガス供給器２８の流量計及び流量調整器がフィードバック系を構成している場合、原料ガスの流量の増加を抑えるように流量調整器の操作量が減少する（６０％→４０％）。これにより、原料ガスの流量がＱ１に戻る。暫くして水蒸気不足が解消されると、原料ガスの流量がＱ１からＱ３に減少する。流量の減少を抑えるように流量調整器の操作量が増加する（４０％→６０％）。これにより、原料ガスの流量がＱ３からＱ１に増加する。このような知見によれば、原料ガス供給器２８を構成する流量調整器の操作量及び流量計の検出値から改質器１１で水蒸気不足が発生したことを検出できる。
【００６８】
流量調整器及び流量計を含むフィードバック系は、改質器１１で水蒸気不足が発生したことを検出する検出器の役割を果たす。つまり、水蒸気不足が発生したことを検出する検出器の一部をソフトウェアで構成することが可能である。制御器５０が検出器の機能を有していてもよいし、他の制御器が検出器の機能を有していてもよい。
【００６９】
圧力センサ４２は、蒸発器３２の内部及び蒸発器３２から改質器１１への経路以外の位置に配置されていてもよい。水蒸気不足に起因する圧力変化が伝搬する位置であれば、圧力センサ４２は、どのような位置に配置されていてもよい。例えば、圧力センサ４２が燃料ガス供給経路１２又は排気経路１７に配置されていたとしても、圧力センサ４２の検出値から水蒸気不足の発生を検出することができる。
【００７０】
ＣＯ選択酸化のための空気の流量から水蒸気不足の発生を検出することもできる。ＣＯ選択酸化のための空気の流量は、流量計２６によって検出されうる。改質器１１で水蒸気不足が発生すると、改質器１１の内部の圧力が下がるので、空気経路２４を通じて改質器１１に導入される空気の流量がＱ１からＱ２に増加する（図６）。流量調整器２５及び流量計２６がフィードバック系を構成している場合、空気の流量の増加を抑えるように流量調整器２５の操作量が減少する（６０％→４０％）。これにより、空気の流量がＱ１に戻る。暫くして水蒸気不足が解消されると、空気の流量がＱ１からＱ３に減少する。流量の減少を抑えるように流量調整器２５の操作量が増加する（４０％→６０％）。これにより、空気の流量がＱ３からＱ１に増加する。このような知見によれば、流量調整器２５の操作量及び流量計２６の検出値から改質器１１で水蒸気不足が発生したことを検出できる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本明細書に開示された技術は、燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１１  改質器
１２  燃料ガス供給経路
１３  燃料電池
１４  酸化剤ガス供給経路
１５  燃焼器
１６  アノードオフガス経路
１７  排気経路
１８  カソードオフガス経路
２３，３６  空気供給器
２４  空気経路
２５  流量調整器
２６，３５，４１  流量計
２７  原料ガス供給経路
２８  原料ガス供給器
３０  給水経路
３１  水供給器
３２  蒸発器
３４  空気供給経路
４０  温度センサ
４２  圧力センサ
５０  制御器
１００  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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