(57)【要約】【課題】外乱等による変動要因の影響を低減して改質装置の温度を適正に管理する。【解決手段】水素と酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池から排出されたアノードオフガスと必要な助燃燃料とを改質装置に配設された燃焼器で燃焼させて、燃料電池に要求される発電量を賄うための改質反応に必要な必要燃焼熱量を供給し、改質触媒の温度を所定の設定温度に制御する燃料電池システムにおける改質装置の温度制御方法であって、必要な助燃燃料の供給量は、必要燃焼熱量からアノードオフガスが保有する燃焼熱量を減算して求めるとともに、必要燃焼熱量として、外乱の影響を考慮して所定の補正係数を掛けた必要燃焼補正熱量を使用して必要な助燃燃料の供給量を求める。【選択図】図２
2008130426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒が装填された改質装置により炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とから水素が含まれた改質ガスを生成し、
この改質ガスをアノード極に導入し、前記水素とカソード極に導入された酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池の前記アノード極から排出されたアノードオフガスと必要な助燃燃料とを前記改質装置に配設された燃焼器で燃焼させて、前記燃料電池に要求される発電量を賄うための改質反応に必要な必要燃焼熱量を供給し、前記改質触媒の温度を所定の設定温度に制御する燃料電池システムにおける改質装置の温度制御方法であって、
前記必要な助燃燃料の供給量は、前記必要燃焼熱量から前記アノードオフガスが保有する燃焼熱量を減算して求めるとともに、
前記必要燃焼熱量として、外乱の影響を考慮して所定の補正係数を掛けた必要燃焼補正熱量を使用して前記必要な助燃燃料の供給量を求めること、
を特徴とする改質装置の温度制御方法。
【請求項２】
前記補正係数として、
前記改質触媒の温度が前記設定温度よりも高い場合には、より小さい補正値を採用して小さな値の前記必要燃焼補正熱量に移行し、
前記改質触媒の温度が前記設定温度よりも低い場合には、より大きい補正値を採用して大きな値の前記必要燃焼補正熱量に移行して、前記必要燃焼補正熱量を決定すること、
を特徴とする請求項１に記載の改質装置の温度制御方法。
【請求項３】
前記必要燃焼熱量は、前記改質装置に供給される前記炭化水素原料流量に単位流量当たりの必要熱量を掛けて求め、
この単位流量当たりの必要熱量を３段階に設定して、前記必要燃焼補正熱量を決定すること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の改質装置の温度制御方法。
【請求項４】
前記改質装置は、前記改質触媒が装填され炭化水素と水蒸気から水素が含まれた改質ガスを生成する水蒸気改質器と、シフト触媒が装填され前記改質ガスに含まれる水素の濃度をさらに高めるシフト反応器と、ＣＯ選択酸化触媒が装填されＣＯ選択酸化用空気が導入されてＣＯを選択的に酸化させるＣＯ選択酸化器と、を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の改質装置の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける改質装置の温度制御方法に関し、特に外乱等による変動要因を低減して改質装置の温度を適正に管理することができる改質装置の温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に優しいエネルギー源として、燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムでは、炭化水素原料と水蒸気（改質水）との反応（改質反応）によって水素が含まれる改質ガスを生成し、シフト反応およびＣＯ選択酸化反応により水素濃度をさらに高めつつ一酸化炭素濃度を低減してアノード極に導入し、この水素とカソード極に導入された酸素との電気化学反応によって発電が行なわれる。
【０００３】
この電気化学反応では、アノード極に導入される水素量が不足すると電圧降下等の悪影響を生じることから、消費される水素量よりも若干多い量の水素が供給されるため、アノードからは消費されなかった水素が含まれたアノードオフガスが排出される。このアノードオフガスを有効に利用して燃料電池システムの熱効率を向上させるため、アノードオフガスが保有する熱量（アノードオフガス保有熱量）を改質反応に必要な熱量（必要燃焼熱量）として利用する技術が知られている（例えば、特許文献１，２）。
【０００４】
すなわち、改質反応は吸熱反応であり、所定の改質触媒温度に加熱しておくことが必要であり、この必要燃焼熱量をアノードオフガスに含まれた未反応の水素を改質器に配設されたバーナで燃焼させて得るものである。そして、必要燃焼熱量に対するアノードオフガス保有熱量の不足分を新たな炭化水素原料（助燃燃料）を供給して補充する。
【０００５】
このとき、燃料電池に要求される発電量を賄うためには、改質器の改質触媒は所定の改質触媒温度に保持することが必要である。
このため、バーナから改質触媒に供給される燃焼熱量を適正に管理して、必要燃焼熱量に合致させるために、アノードオフガスが保有する燃焼熱量を正確に把握するとともに、必要燃焼熱量に対して過不足のない助燃燃料を供給することが必要となる。（特許文献１，２）。
【特許文献１】特開２００５−２６８１９０号公報
【特許文献２】特許第２８４００００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池に要求される発電量を賄うために、改質器の改質触媒を所定の改質触媒温度（設定温度）に保持するための必要燃焼熱量に対して、反応に係る炭化水素原料の供給量（改質負荷）や水素利用率（燃料電池に供給される水素量と消費される水素量との比率）を考慮して過不足のない適正な助燃燃料の供給量を正確に把握しても、現実には、改質触媒の温度は、流量の測定誤差や炭化水素原料の組成のバラツキ、さらに周囲温度等の様々な外乱の影響を受けて変動するという問題があった。
つまり、改質触媒の温度は、実際には設定温度に対して、徐々に温度が上昇したり、下降したりして、設定温度との偏差が生じ、この偏差が変動するため、助燃燃料の供給量を管理し難いという問題があった。
【０００７】
他方、助燃燃料供給量に対して、改質負荷等の変動や外乱の影響を考慮して、それぞれの要素ごとに必要な補正量を適宜加味して補正を与えれば、より適正な助燃燃料の供給量を算出できるが、制御が複雑になるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、前記した問題を解決するため、制御を複雑にすることなく外乱等による変動要因の影響を低減して改質装置の温度を適正に管理することができる燃料電池システムにおける改質装置の温度制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、改質触媒が装填された改質装置により炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とから水素が含まれた改質ガスを生成し、この改質ガスをアノード極に導入し、前記水素とカソード極に導入された酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池の前記アノード極から排出されたアノードオフガスと必要な助燃燃料とを前記改質装置に配設された燃焼器で燃焼させて、前記燃料電池に要求される発電量を賄うための改質反応に必要な必要燃焼熱量を供給し、前記改質触媒の温度を所定の設定温度に制御する燃料電池システムにおける改質装置の温度制御方法であって、前記必要な助燃燃料の供給量は、前記必要燃焼熱量から前記アノードオフガスが保有する燃焼熱量を減算して求めるとともに、前記必要燃焼熱量として、外乱の影響を考慮して所定の補正係数を掛けた必要燃焼補正熱量を使用して前記必要な助燃燃料の供給量を求めること、を特徴とする。
【００１０】
本発明は、必要燃焼熱量からアノードオフガスが保有する燃焼熱量を減算して求めた助燃燃料の供給量を使用するのではなく、必要燃焼熱量に対して、外乱の影響を考慮して所定の補正係数を掛けた必要燃焼補正熱量を使用して必要な助燃燃料の供給量を求めることとしている。
ここで、「アノードオフガスが保有する燃焼熱量（アノードオフガス保有熱量）」とは、アノードオフガスを燃焼させた場合に発生する熱量をいい、アノードオフガスに含まれる生成水素および未燃焼の炭化水素原料等による発熱量を意味する。
【００１１】
かかる構成によれば、必要燃焼熱量に対して、改質負荷や水素利用率、および周囲温度等の様々な外乱の影響を考慮して補正を掛けることで、必要燃焼熱量からアノードオフガス保有熱量を減算して求めた助燃燃料の供給量に補正を掛ける場合よりも、包括的網羅的に外乱等による変動要素を加味して、その影響を低減することができる。
すなわち、必要燃焼熱量からアノードオフガス保有熱量を減算して求めた助燃燃料の供給量に補正を掛ける場合には、種々の外乱等の影響を考慮して、それぞれの要素ごとに必要な補正量を加算減算しなければならないのに対し、必要燃焼熱量に補正を掛ける場合には、改質装置の温度と設定温度との偏差を見ながら、包括的網羅的に外乱等による変動要素を加味して、その影響を低減することができる。
よって、制御を複雑にすることなく、改質装置の温度を適正に管理することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の改質装置の温度制御方法であって、前記補正係数として、前記改質触媒の温度が前記設定温度よりも高い場合には、より小さい補正値を採用して小さな値の前記必要燃焼補正熱量に移行し、前記改質触媒の温度が前記設定温度よりも低い場合には、より大きい補正値を採用して大きな値の前記必要燃焼補正熱量に移行して、前記必要燃焼補正熱量を決定すること、を特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、外乱の影響を考慮するに当たり、改質負荷等の変動や様々な外乱に対して、それぞれの要素ごとに必要な補正量を適宜加味して補正するのではなく、改質触媒の温度を設定温度と比較して補正係数を決定することで、包括的網羅的に外乱等による変動要素を加味して、その影響を低減することができ、制御を複雑にすることなく、改質装置の温度を適正に管理することができる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の改質装置の温度制御方法であって、前記必要燃焼熱量は、前記改質装置に供給される前記炭化水素原料流量に単位流量当たりの必要熱量を掛けて求め、この単位流量当たりの必要熱量を３段階に設定して、前記必要燃焼補正熱量を決定すること、を特徴とする。
【００１５】
かかる構成によれば、炭化水素原料の単位流量当たりの必要熱量を３段階に設定し、例えば、基準となる単位流量当たりの必要熱量を設定し、この基準値よりも所定量だけ大きいもの（上段の設定値）と小さいもの（下段の設定値）との３段階に設定することができる。
そして、前記改質触媒の温度が前記設定温度よりも高く上昇傾向に推移している場合には、単位流量当たりの必要熱量を大きく見積りし過ぎていたものと判断し下段の設定値に移行する。一方、前記改質触媒の温度が前記設定温度よりも低く下降傾向に推移している場合には、単位流量当たりの必要熱量を小さく見積りし過ぎていたものと判断し上段の設定値に移行する。
【００１６】
このようにして、種々の外乱により、改質触媒の温度が設定値に対して変動し始めた場合には、単位流量当たりの必要熱量を上段または下段の設定値に移行することで、制御を複雑にすることなく、必要燃焼補正熱量を適切に決定し、改質装置の温度を適正に管理することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の改質装置の温度制御方法であって、前記改質装置は、改質触媒が装填され炭化水素と水蒸気から水素が含まれた改質ガスを生成する水蒸気改質器と、シフト触媒が装填され前記改質ガスに含まれる水素の濃度をさらに高めるシフト反応器と、ＣＯ選択酸化触媒が装填されＣＯ選択酸化用空気が導入されてＣＯを選択的に酸化させるＣＯ選択酸化器と、を備えていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムにおける改質装置の温度制御方法によれば、制御を複雑にすることなく外乱等による変動要因の影響を低減して改質装置の温度を適正に管理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける改質装置の温度制御方法について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図において、図１は本発明の実施形態に係る改質装置の温度制御方法が適用される燃料電池システム１の主要構成を示すブロック図である。図２は本発明の実施形態に係る改質装置の温度制御方法を説明するためのフロー図である。
【００２０】
まず、本発明の実施形態に係る改質装置の温度制御方法が適用される燃料電池システム１の主要構成について説明する。
燃料電池システム１は、図１に示すように、炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とを反応させて水素を生成する改質装置２と、改質装置２で生成された水素をアノード極に導入し、この水素とカソード極に導入された酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３および改質装置２の動作を制御する制御部５と、燃料電池スタック３等の冷却水や改質水を貯留する純水タンク８と、を備えている。
【００２１】
そして、燃料電池スタック３で発電された電力はインバータ３１を介して外部負荷に供給される。また、燃料電池スタック３で消費されなかった水素が含まれたアノードオフガスは、熱交換器３２を介して水蒸気が凝縮分離されて改質器２１のバーナ２１ｃへ供給される。
【００２２】
炭化水素原料には、例えば、水素源としてのエネルギー密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富む灯油を使用することができる。灯油を使用すれば、入手が容易であるから利便性が高く、特に、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用として好適である。
【００２３】
なお、炭化水素原料である灯油には、改質器２１に充填された改質触媒２１ａの機能を阻害する硫黄分が含まれているため、図示しない脱硫装置により、硫黄分を除去した改質灯油に調整して、改質器２１に供給される。
ただし、改質反応によって水素を製造できるものであれば、灯油に限定されるものではなく、軽油、重油、アスファルテン、オイルサンド油、メタノール、ナフサ、石炭液化油、石炭系重質油、ガソリン等の液状炭化水素混合物、都市ガス、ＬＰＧ等の気体状炭化水素混合物などの各種の炭化水素混合物を用いることができる。
【００２４】
改質装置２は、炭化水素原料に含まれる炭化水素分と水蒸気とを反応させて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガス（改質ガス）を生成する「水蒸気改質器」である改質器２１と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変性するシフト反応器２２と、残余の一酸化炭素をさらに低減したガス（水素含有ガス）を生成するＣＯ選択酸化器２３と、を備えている。
【００２５】
なお、改質装置２は、本実施形態においては、改質器２１と、シフト反応器２２と、ＣＯ選択酸化器２３と、を別体として構成したが、これに限定されるものではなく、改質反応、シフト反応、およびＣＯ選択反応が連続的に行なわれるように一体的にしてもよい。
【００２６】
改質器２１は、炭化水素と水蒸気との反応を促進させる改質触媒２１ａと、改質触媒２１ａの出口温度を計測する温度計２１ｂと、所定の改質触媒温度（改質触媒２１ａの温度）に設定する熱量を供給するバーナ２１ｃと、を備えている。
改質触媒２１ａには、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属系触媒等が使用され、セラミック製の多孔質粒状体に担持されて触媒層を形成した状態で、改質器２１内に充填されている。
改質器２１には、脱硫された改質灯油、および純水タンク８から改質水ポンプ８ａにより流路Ｌ１を通って改質水が供給される。
バーナ２１ｃには、燃料として、燃焼灯油、および流路Ｌ２から燃料電池スタック３で使用されなかった未反応の水素が含まれているアノードオフガスが供給される。そして、燃料を燃焼させる燃焼空気が燃焼空気ブロア２１ｄから供給される。
【００２７】
このように構成された改質器２１は、改質触媒２１ａの存在下で、例えば、５５０℃〜７００℃の改質触媒温度に加熱され、炭化水素原料に含まれる炭化水素と水蒸気とを反応させて、水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質ガスを生成する。
【００２８】
シフト反応器２２は、内部に、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト触媒が充填されたシフト触媒層を備えている。そして、シフト反応器２２には、改質器２１で生成された改質ガスが導入される。
シフト反応器２２においては、シフト触媒の存在下に、例えば１５０〜３００℃の温度下で、導入された改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。このようにして、シフト反応器２２では、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加された改質ガス（シフトガス）を生成する。生成されたシフトガスは、ＣＯ選択酸化器２３に供給される。
【００２９】
ＣＯ選択酸化器２３は、燃料電池スタック３における電極の被毒の問題を回避するため、ＣＯ選択酸化触媒（ＰＲＯＸ触媒）の存在下に、ブロア２３ａからＰＲＯＸ空気を導入してシフト反応器２２から供給されるシフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度をさらに低減させた改質ガス（水素含有ガス）を燃料電池スタック３に供給するための装置である。
【００３０】
通常、ＣＯ選択酸化器２３において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。ＣＯ選択酸化器２３における反応は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系のＰＲＯＸ触媒の存在下に、１００〜２００℃の範囲の温度で行なわれる。
【００３１】
燃料電池スタック３は、ＣＯ選択酸化器２３から供給される水素含有ガスを流路Ｌ３からアノードに導入し、加湿器（図示せず）によって加湿された空気をカソードに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行なうものである。
この燃料電池スタック３は、触媒を含むアノードとカソードの間に固体高分子電解質膜等の電解質膜を挟装し、アノードに供給される水素含有ガス中の水素（改質ガス）と、カソードポンプ３ａによりカソードに供給される空気中の酸素との反応によって水を生成する反応によって発電を行なう。
【００３２】
燃料電池スタック３は、用いる炭化水素原料等に応じて、その形式、構造等が選択される。また、燃料電池スタック３における水素と酸素の電気化学的反応は、発電効率の観点から、通常、水素利用率８０％程度で行なわれるため、燃料電池スタック３のアノードから排出されるアノードオフガスには、未反応の水素が含まれている。
一方、燃料電池スタック３のカソードからは反応後の空気が含まれたカソードオフガスが排気ガスとして排出される。
【００３３】
制御部５は、図示しない中央処理装置および記憶装置を備え、燃料電池スタック３の発電電力量を電流計や電圧計（共に図示せず）により、改質装置２の改質器２１の温度を温度計２１ｂにより監視し、改質器２１に供給する炭化水素原料流量（原燃料流量）や改質水流量を管理する。
【００３４】
純水タンク８には、系内を循環させる水が貯留されており、純水タンク８から流路Ｌ１を通って改質水が改質器２１に供給され、流路Ｌ４を通って冷却水が燃料電池スタック３に供給される。
なお、純水タンク８に貯留される水は、改質触媒２１ａ等への悪影響を防止するため、図示しないイオン交換器により金属イオン等の陽イオンを除去しイオン濃度を低下させている。
【００３５】
続いて、本発明の実施形態に係る改質装置の温度制御方法において改質器に供給される助燃燃料の供給量の算出方法について、図２を参照しながら説明する。
本実施形態に係る助燃燃料の供給量（助燃必要量、Ｓ１７）は、図２に示すように、燃料電池スタック３（図１）に要求される発電量を賄うための改質反応に必要な補正後の必要燃焼熱量（必要燃焼補正熱量、Ｓ１５）からアノードオフガスが保有する燃焼熱量（オフガス保有熱量、Ｓ１２）を減算（Ｓ１６）して求める。
【００３６】
制御部５では、燃料電池システム１の運転状況から、燃料電池スタック３に要求される要求発電量を算出し（Ｓ１）、この要求発電量に対して改質器２１に要求される改質負荷（炭化水素原料の供給量）を設定し、改質触媒２１ａ（図１）の目標温度を所定の温度に設定する（設定温度、Ｓ２）。
【００３７】
そして、Ｓ１で算出した要求発電量に基づいて改質器２１に供給する炭化水素原料の流量（原燃料流量）を算出し（Ｓ３）、スチーム／カーボン比を考慮して改質反応に必要な改質水流量を算出し（Ｓ４）、改質触媒温度（Ｓ５）、シフト触媒温度（Ｓ６）、およびＰＲＯＸ空気量（Ｓ７）を検出して反応計算を実行し（Ｓ８）、改質装置２により生成される改質ガスに含まれる水素生成量を算出する（Ｓ９）。
【００３８】
この算出された水素生成量（Ｓ９）に対して、検出された燃料電池スタック３の発電電流から水素消費量を計算して（Ｓ１０）、オフガスに含まれる未反応の水素量を求める（Ｓ１１）。そして、この未反応の水素量からオフガス保有熱量を算出する（Ｓ１２）。
【００３９】
一方、必要燃焼補正熱量（Ｓ１５）は、改質器２１に供給される炭化水素原料流量（原燃料流量、Ｓ３）に単位流量当たりの必要熱量を乗算して求める（Ｓ１４）。このとき、この単位流量当たりの必要熱量を３段階に設定して（Ｓ１３）、必要燃焼補正熱量を決定する（Ｓ１５）。
そして、この必要燃焼補正熱量からオフガス保有熱量を減算して（Ｓ１６）、助燃燃料の供給量を求める（Ｓ１７）。
【００４０】
ここで、炭化水素原料の単位流量当たりの必要熱量を３段階に設定するとは、例えば、実験等により最適であると考えられた基準となる単位流量当たりの必要熱量（基準値）を設定し、この基準値よりも所定量だけ大きいもの（上段の設定値）と小さいもの（下段の設定値）との３段階に設定する。
【００４１】
このとき、上段および下段の設定値は、燃料電池システム１の使用条件等に基づく外乱の影響の程度を考慮して、所定の許容範囲を設定して定めている。例えば、この燃料電池システム１の場合には、一例として、基準値を１．００とし、上段および下段の設定値は、それぞれ、１．０８と０．９２としている。
この設定値は、具体的には、実機の燃料電池システム１において、想定される種々の外乱（特に外気温度）を人為的に与えて実験を行なった際の実験値を基に決定する。
【００４２】
そうすれば、外乱等の影響を受けない通常の運転時には、単位流量当たりの必要熱量の基準値を採用すれば、改質触媒温度を設定温度に維持することができる。
また、何らかの外乱が作用したことで、改質触媒温度が設定温度よりも高く上昇傾向に推移している場合には、単位流量当たりの必要熱量を大きく見積りし過ぎていたものと判断し下段の設定値に移行すれば、改質触媒温度を下げる方向に作用するから設定値に近づけることができる。
【００４３】
このようにして、改質触媒温度を設定値に合致させ、その後、外乱の影響が消滅したときには、単位流量当たりの必要熱量を基準値に戻せば、システムの通常運転を維持することができる。
【００４４】
なお、本実施形態においては、改質触媒温度は、改質触媒２１ａの出口温度を温度計２１ｂで計測して、この改質触媒出口温度を対象として改質器２１の温度を制御しているが、これに限定されるものではなく、例えば、改質触媒２１ａの温度を何箇所かで計測して平均値を基準としてもよい。
【００４５】
一方、外乱の影響により、改質触媒温度が設定温度よりも低く下降傾向に推移している場合には、単位流量当たりの必要熱量を小さく見積りし過ぎていたものと判断し上段の設定値に移行すれば、改質触媒温度を上げる方向に作用するから設定値に近づけることができる。
このようにして前記と同様に、改質触媒温度を設定値に合致させ、その後、外乱の影響が消滅したときには、単位流量当たりの必要熱量を基準値に戻せば、システムの通常運転を維持することができる。
【００４６】
以上のように、炭化水素原料の単位流量当たりの必要熱量を３段階に設定して、種々の外乱により、改質触媒温度が設定値に対して変動し始めた場合には、単位流量当たりの必要熱量を上段または下段の設定値に移行することで、制御を複雑にすることなく、必要燃焼補正熱量を適切に決定し、改質器２１の温度を適正に管理することができる。
【００４７】
続いて、本発明の実施例に係る助燃必要量の算出方法について、図３を参照しながら説明する。図３は本発明の実施例に係るスチーム／カーボン比を一定に制御した燃料電池システム１における助燃必要量の算出方法を説明するためのフロー図である。
【００４８】
ここで、スチーム／カーボン比とは、改質反応における炭化水素原料のカーボンと改質水との比をいい、Ｓ／Ｃと表示する場合がある。改質反応において、スチームの量が少なすぎると余剰のカーボンが析出し、スチームの量が多すぎるとシステムの熱効率を低下させる。このため、本実施例に係る燃料電池システム１において、スチーム／カーボン比は、制御部５（図１）により、３．０程度の一定値に制御されている。
【００４９】
スチーム／カーボン比Ｓ／Ｃが一定である燃料電池システム１における助燃必要量の算出方法は、図３の〈Ｓ１０１〉に示すように、まず、改質反応における原燃料流量と改質触媒２１ａの出口温度から生成水素流量および副次的に生成されるＣＯ流量を求める。
すなわち、改質反応においては、生成水素流量は、スチーム／カーボン比が一定であるから、原燃料流量と改質触媒温度（本実施例においては、一例として、改質触媒２１ａの出口温度を採用）で決定される。具体的には、燃料電池システム１において、改質触媒２１ａの出口温度を変えながら、運転を行って生成水素量を実験的に収集し、これをプロットして、多項式に近似させることで求める。
【００５０】
なお、本実施形態においては、実験的に生成水素流量と改質触媒温度との関係を求めているが、これに限定されるものではなく、改質反応における化学反応式から理論的計算によって求めることもできる。
【００５１】
シフト反応器２２におけるシフト反応においては、シフト後水素流量（シフトガスに含まれる生成水素の流量）は、〈Ｓ１０２〉に示すように、シフト入口ガス中のＣＯが一定の効率でシフト反応したものとして求めることができ、生成ＣＯ流量に一定の係数αを乗じて得た値に、〈Ｓ１０１〉で求めた生成水素流量を加えて求めることができる。
一定の係数αは、例えば、実機の燃料電池システム１において、実験を行なって求めた実験値を基に決定する。
【００５２】
ＣＯ選択酸化器２３におけるＣＯ選択酸化反応においては、ＰＲＯＸ後水素流量（ＣＯ選択酸化反応により生成された水素含有ガスに含まれる生成水素の流量）は、〈Ｓ１０３〉に示すように、ＣＯ選択酸化反応の結果、供給されたＰＲＯＸ空気流量に対応してシフト後水素流量が減少する。そして、この「減少する水素流量」は、ＣＯ選択酸化反応から、計算上または実験的に求めると、近似的に「ＰＲＯＸ空気流量に一定係数を乗じて得た値」となる。
よって、ＰＲＯＸ後水素流量は、シフト後水素流量から、前記「ＰＲＯＸ空気流量に一定係数を乗じて得た値（すなわち、減少する水素流量）」を減じて求めることができる。
【００５３】
オフガス水素流量（アノードオフガスに含まれる生成水素の流量）は、〈Ｓ１０４〉に示すように、ＰＲＯＸ後水素流量から、燃料電池スタック３で消費されたスタック電流に相当する水素流量を減じて求めることができる。燃料電池スタック３で消費されたスタック電流に相当する水素流量は、計算上または実験的に求めることができ、スタック電流に一定の係数βを乗じて得ることができる。
【００５４】
オフガス保有熱量は、〈Ｓ１０５〉に示すように、オフガス水素流量に相当する熱量として求めることができ、オフガス水素流量に一定の係数γを乗じて得ることができる。
一方、〈Ｓ１０６〉に示す「必要燃焼補正熱量」は、「必要燃焼熱量」に所定の補正係数を乗じて求めることができる。ここで、「必要燃焼熱量」は、本実施例における燃料電池システムでは、スチーム／カーボン比が一定に制御されているため、改質器２１に供給される原燃料流量に単位流量当たりの必要熱量を乗じて求めることができる（図２のＳ１４参照）。
【００５５】
なお、必要燃焼補正熱量の算出は、前記実施形態のように単位流量当たりの必要熱量に補正係数を乗じて求めても（前記実施形態では３段階に設定）、必要燃焼熱量に補正係数を乗じて求めても、結果としては同じである。
【００５６】
以上より、助燃必要量は、〈Ｓ１０６〉に示すように、必要燃焼補正熱量からオフガス保有熱量を減じて求めることができる。
【００５７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することができる。
例えば、本実施形態における必要燃焼補正熱量は、単位流量当たりの必要熱量を３段階に設定したが、これに限定されるものではなく、２段階であってもよく、４段階以上とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態に係る改質装置の温度制御方法が適用される燃料電池システム１の主要構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る改質装置の温度制御方法を説明するためのフロー図である。
【図３】本発明の実施例に係るスチーム／カーボン比を一定に制御した燃料電池システム１における助燃必要量の算出方法を説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
【００５９】
１      燃料電池システム
２      改質装置
３      燃料電池スタック
５      制御部
８      純水タンク
２１    改質器
２１ａ  改質触媒
２１ｂ  温度計
２１ｃ  バーナ
２２    シフト反応器
２３    ＣＯ選択酸化器
【図１】
2008130426.tif 000003
【図２】
2008130426.tif 000004
【図３】
2008130426.tif 000005