(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード及び酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、
発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガスに含まれる前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記改質部への原燃料ガスの供給量を調節する原燃料供給量調節部と、
前記改質部への改質用水の供給量を調節する水供給量調節部と、
前記カソード及び前記燃焼部への前記酸素ガスの供給量を調節する酸素供給量調節部と、
前記原燃料供給量調節部及び前記酸素供給量調節部及び前記水供給量調節部の動作を制御する運転制御部とを備え、
前記改質部と前記燃料電池と前記燃焼部とは筐体の内部に収容され、
前記運転制御部は、前記燃料電池の出力電流が安定した状態で、前記改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ前記改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで前記燃料電池での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行う場合、前記水供給量調節部の動作を制御して前記改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後に所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定し、前記処理継続条件が満たされた後に前記改質部への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる燃料電池装置。
【請求項２】
前記筐体の内部の所定部位の温度を検出する内部温度検出部を備え、
前記運転制御部は、前記内部温度検出部が検出する前記筐体の内部の温度が所定期間連続して基準内部温度以上である場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出部を備え、
前記運転制御部は、前記改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後、前記出力電圧検出部が検出する前記燃料電池の出力電圧が所定期間連続して基準電圧以上である場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記運転制御部は、所定の待機時間が経過した場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料電池の出力電力及び出力電流のうちの少なくとも出力電流を出力情報として検出する出力情報検出部を備え、
前記運転制御部は、前記出力情報検出部の検出結果に基づいて前記燃料電池の前記出力情報が前記燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定した場合に当該燃料利用率上昇処理を行う請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記運転制御部は、前記出力情報検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池が定格出力で設定期間動作した場合に前記燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定する請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理を行っている間に前記燃料電池の出力が定格出力ではなくなった場合、前記燃料利用率上昇処理を中止して、前記燃料電池での燃料利用率が元の値に戻るように前記改質部への原燃料ガスの供給量と前記改質部への改質用水の供給量を調節する請求項６に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理において、前記改質部への原燃料ガスの供給量を前記目標原燃料供給量まで段階的に減少させる請求項１〜７の何れか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理において、前記改質部への改質用水の供給量を前記目標水供給量まで段階的に減少させる請求項１〜８の何れか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記筐体の内部の所定部位の温度を検出する内部温度検出部を備え、
前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理を行っている間、前記内部温度検出部が検出する温度が目標内部温度に近づくように、前記酸素供給量調節部の動作を制御する請求項１〜９の何れか一項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、改質部で生成された燃料ガスが供給されるアノード及び酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスに含まれる前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって改質部を加熱する燃焼部とを備え、改質部と燃料電池と燃焼部とは筐体の内部に収容される燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
改質部で原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成し、その燃料ガスが供給されるアノード及び酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池で発電を行う場合、その効率を向上させるためには、アノードに供給される燃料ガスの量に対応する原燃料ガスの量に対する、アノードで発電反応に用いられる燃料ガスの量に対応する原燃料ガスの量の比率である燃料利用率を上昇させるという手法がある。例えば、燃料電池の出力電流が安定した状態で燃料利用率を上昇させるためには、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させればよい。但し、その場合には、燃焼部で燃焼される、発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガスに含まれる燃料ガスの量が減少するため、燃料電池を収容している筐体の内部の温度が低下するという問題がある。
【０００３】
尚、改質部への改質用水の供給量を減少させると、改質用水によって奪われる熱量が減少するため、筐体の内部の温度を上昇させることができる。そこで、特許文献１（特開２０１７−１６２７４６号公報）に記載の発明では、燃料利用率Ｕｆを上げるとともに水の投入量（Ｓ／Ｃ）も減らすことで、筐体の内部の温度を高温に保とうとしている。
つまり、燃料電池の出力電流が安定した状態で、改質部に供給する原燃料ガスの量及び改質用水の量を減少させることで、燃料利用率を上げながら、筐体の内部の温度を高温に保とうとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１６２７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
但し、改質部に供給する原燃料ガスの量及び改質用水の量の減少を同時に開始しても、改質用水は気化してから水蒸気として改質部での改質処理に利用されるため、改質部では、原燃料ガスの減少の方が、水蒸気（改質用水）の減少よりも先に現れると考えてもよい。そのため、原燃料ガスの減少による筐体の内部の温度の低下が先に現れる可能性が高い。そして、場合によっては燃料電池の運転状態が不安定になる。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げることができる燃料電池装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池装置の特徴構成は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード及び酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、
発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガスに含まれる前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記改質部への原燃料ガスの供給量を調節する原燃料供給量調節部と、
前記改質部への改質用水の供給量を調節する水供給量調節部と、
前記カソード及び前記燃焼部への前記酸素ガスの供給量を調節する酸素供給量調節部と、
前記原燃料供給量調節部及び前記酸素供給量調節部及び前記水供給量調節部の動作を制御する運転制御部とを備え、
前記改質部と前記燃料電池と前記燃焼部とは筐体の内部に収容され、
前記運転制御部は、前記燃料電池の出力電流が安定した状態で、前記改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ前記改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで前記燃料電池での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行う場合、前記水供給量調節部の動作を制御して前記改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後に所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定し、前記処理継続条件が満たされた後に前記改質部への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる点にある。
【０００８】
上記特徴構成によれば、燃料電池の出力電流が安定した状態で、改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで燃料電池での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行うことで、燃料電池の効率を向上させることができる。
加えて、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後に改質部への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。つまり、改質部への改質用水の供給量を減少させて、筐体の内部の温度が上昇し得る状態にした後で、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させる。その結果、改質部への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が低下傾向になるとしても、先に開始されている改質部への改質用水の供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が上昇傾向になることと相殺されるため、筐体の内部の温度に大きな変化が生じないことが期待される。
従って、燃料電池の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げることができる燃料電池装置を提供できる。
【０００９】
本発明に係る燃料電池装置の別の特徴構成は、前記筐体の内部の所定部位の温度を検出する内部温度検出部を備え、
前記運転制御部は、前記内部温度検出部が検出する前記筐体の内部の温度が所定期間連続して基準内部温度以上である場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する点にある。
【００１０】
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部への改質用水の供給量を減少させた後、筐体の内部の温度が所定期間連続して基準内部温度以上であるという処理継続条件が満たされた後で、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させる。つまり、筐体の内部の温度が十分に安定して高い状態で、改質部への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が低下傾向になるとしても、筐体の内部の温度が低くなり過ぎることを回避できる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出部を備え、
前記運転制御部は、前記改質部への改質用水の供給量の減少を開始した後、前記出力電圧検出部が検出する前記燃料電池の出力電圧が所定期間連続して基準電圧以上である場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部への改質用水の供給量を減少させた後、燃料電池の出力電圧が所定期間連続して基準電圧以上であるという処理継続条件が満たされた後で、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させる。つまり、燃料電池の出力電圧が十分に安定して高い状態、即ち、燃料電池の運転状態が安定した状態で、改質部への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が低下傾向になるとしても、燃料電池の運転状態が悪化することを回避できる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記運転制御部は、所定の待機時間が経過した場合、前記処理継続条件が満たされたと判定する点にある。
【００１４】
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部への改質用水の供給量を減少させた後、所定の待機時間が経過したという処理継続条件が満たされた後で、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させる。つまり、改質部への改質用水の供給量を減少させて所定の待機時間が経過することで筐体の内部の温度が上昇し得る状態にした後で、改質部への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が低下傾向になるとしても、先に開始されている改質部への改質用水の供給量の減少に伴って筐体の内部の温度が上昇傾向になることと相殺されるため、筐体の内部の温度に大きな変化が生じないことが期待される。
【００１５】
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記燃料電池の出力電力及び出力電流のうちの少なくとも出力電流を出力情報として検出する出力情報検出部を備え、
前記運転制御部は、前記出力情報検出部の検出結果に基づいて前記燃料電池の前記出力情報が前記燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定した場合に当該燃料利用率上昇処理を行う点にある。
【００１６】
例えば燃料電池の出力が低すぎる場合や変動している場合などでは、燃料利用率を上昇させるために改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることを行うと、燃料電池の運転状態が不安定になる可能性がある。
そこで本特徴構成では、運転制御部は、出力情報検出部の検出結果に基づいて燃料電池の出力情報が燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定した場合に燃料利用率上昇処理を行う。つまり、燃料電池の出力が所定の条件を満たす場合にのみ燃料利用率上昇処理を行うことで、燃料電池の運転状態が不安定になる可能性を低くできる。
【００１７】
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記出力情報検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池が定格出力で設定期間動作した場合に前記燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定する点にある。
ここで、前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理を行っている間に前記燃料電池の出力が定格出力ではなくなった場合、前記燃料利用率上昇処理を中止して、前記燃料電池での燃料利用率が元の値に戻るように前記改質部への原燃料ガスの供給量と前記改質部への改質用水の供給量を調節してもよい。
【００１８】
上記特徴構成によれば、改質部への原燃料ガスの供給量が十分に多い状態が安定して設定期間経過し且つ改質部への改質用水の供給量が十分に多い状態が安定して設定期間経過した場合に燃料利用率上昇処理が行われる。つまり、改質部への原燃料ガスの供給量を減少させることによる影響が小さく且つ改質部への改質用水の供給量を減少させることによる影響が小さい状況で燃料利用率上昇処理が行われる。その結果、燃料利用率上昇処理を行うことで燃料電池の運転状態が不安定になる可能性を低くできる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理において、前記改質部への原燃料ガスの供給量を前記目標原燃料供給量まで段階的に減少させる点にある。
【００２０】
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理において、改質部への原燃料ガスの供給量の減少が段階的に行われるので、改質部への原燃料ガスの供給量を減少することに伴って筐体の内部の温度が低下することも段階的に発生する。つまり、改質部への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させる場合に筐体の内部の温度が急激に変化することが回避される。その結果、燃料電池の運転状態が不安定になることを回避できる。
【００２１】
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理において、前記改質部への改質用水の供給量を前記目標水供給量まで段階的に減少させる点にある。
【００２２】
上記特徴構成によれば、燃料利用率上昇処理において、改質部への改質用水の供給量の減少が段階的に行われるので、改質部への改質用水の供給量を減少することに伴って筐体の内部の温度が上昇することも段階的に発生する。つまり、改質部への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させる場合に筐体の内部の温度が急激に変化することが回避される。その結果、燃料電池の運転状態が不安定になることを回避できる。
【００２３】
本発明に係る燃料電池装置の更に別の特徴構成は、前記筐体の内部の所定部位の温度を検出する内部温度検出部を備え、
前記運転制御部は、前記燃料利用率上昇処理を行っている間、前記内部温度検出部が検出する温度が目標内部温度に近づくように、前記酸素供給量調節部の動作を制御する点にある。
【００２４】
酸素供給量調節部によって酸素ガスの単位時間当たりの供給量を増加すると筐体の内部の温度は低下傾向になり、酸素供給量調節部によって酸素ガスの単位時間当たりの供給量を減少すると筐体の内部の温度は上昇傾向になる。
そこで本特徴構成では、燃料利用率上昇処理を行っている間、酸素供給量調節部の動作を制御することで、内部温度検出部が検出する温度を目標内部温度に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】燃料電池装置の構成を示す図である。
【図２】燃料電池の出力電流と燃料電池での燃料利用率との関係を示すグラフである。
【図３】燃料電池の出力電流と改質部での改質処理のＳ／Ｃとの関係を示すグラフである。
【図４】第１実施形態の燃料利用率上昇処理を説明する図である。
【図５】第２実施形態の燃料利用率上昇処理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置について説明する。
図１は、燃料電池装置の構成を示す図である。燃料電池装置は、原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質部７と、改質部７で生成された燃料ガスが供給されるアノード９ａ及び酸素ガスが供給されるカソード９ｂを有する燃料電池１０と、発電反応で用いられた後にアノード９ａから排出される排出燃料ガスに含まれる燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって改質部７を加熱する燃焼部１１とを備える。加えて、燃料電池装置は、原燃料供給量調節部２と、水供給量調節部４と、酸素供給量調節部１５と、出力情報検出部２０と、運転制御部１６とを備える。本実施形態では、筐体１の内部に改質部７と燃料電池１０と燃焼部１１とが収容される。加えて、筐体１の内部には、供給される改質用水を気化する気化部６も収容されている。燃焼部１１で発生した燃焼熱は気化部６にも与えられる。
【００２７】
燃料電池１０は、改質部７で生成された水素を主成分とする燃料ガスが供給されるアノード９ａと酸素ガス（空気）が供給されるカソード９ｂとを備えた固体酸化物形のセル９を複数個電気的に直列接続した状態で備えたセルスタックにて構成されている。図示は省略するが、セル９は、アノード９ａとカソード９ｂとの間に固体電解質層を備えた固体酸化物形で構成される。アノード９ａには燃料ガスが通流するように構成され、カソード９ｂには空気が通流するように構成される。燃料電池１０は、複数のセル９がアノード９ａの燃料ガス排出口（図示せず）及びカソード９ｂの空気排出口（図示せず）が上向きになる姿勢で横方向に並ぶ状態で、筐体１の内部に設置されている。尚、セル９の形状や構造は図１に例示したものに限定されない。
【００２８】
燃料電池１０には、改質部７から燃料ガス流路８を通して供給される燃料ガスを受け入れるガスマニホールド２１が設けられる。複数のセル９は、ガスマニホールド２１の上方側に上述のように並ぶ状態で配置され、ガスマニホールド２１と複数のセル９におけるアノード９ａの下端のガス導入口（図示せず）とが連通接続されている。そして、ガスマニホールド２１に供給された燃料ガスが、複数のセル９の夫々のアノード９ａに対して下端のガス導入口から供給され、各アノード９ａに対して下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の燃料ガスは、上端の燃料ガス排出口から排出燃料ガスとして排出される。アノード９ａから排出される排出燃料ガスには、発電反応で用いられなかった燃料ガスも含まれている。
【００２９】
筐体１には、空気導入口２２が設けられ、ブロアなどを用いて実現される酸素供給量調節部１５によって、酸素ガス（空気）がその空気導入口２２を介して筐体１内に供給される。複数のセル９の夫々におけるカソード９ｂの下端部近傍には、筐体１内とカソード９ｂとを連通する空気供給孔（図示せず）が設けられている。複数のセル９の夫々のカソード９ｂには筐体１内の空気がこの空気供給孔を通して供給され、各カソード９ｂに対して下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の空気は、上端の空気排出口から排出酸素ガスとして排出される。また、筐体１の内部に供給された酸素ガス（空気）は、排出燃料ガスを燃焼部１１で燃焼させるためにも利用される。つまり、酸素供給量調節部１５は、カソード９ｂ及び燃焼部１１への酸素ガスの供給量を調節する役割を担う。
酸素供給量調節部１５の動作は運転制御部１６が制御する。
【００３０】
燃料電池１０の上方には、各セル９のアノード９ａの燃料ガス排出口から排出される排出燃料ガスを燃焼させる燃焼空間が形成される。この燃焼空間が燃焼部１１となる。気化部６と改質部７とが燃料電池１０の上方の燃焼空間（燃焼部１１）に隣接して設けられており、燃焼熱によって改質部７及び気化部６が加熱される。
【００３１】
筐体１には、燃焼部１１にて発生した燃焼排ガスを外部に排出させる排出部２３が下面部等に形成されている。そして、筐体１内には、筐体１の内部から排気される、燃焼部１１で発生した燃焼排ガスを含む排気ガスに含まれる燃料ガスを触媒燃焼する燃焼触媒部１２が設けられている。
【００３２】
気化部６には、原燃料ガスが供給される原燃料流路３と、改質用水が供給される改質用水流路５とが接続される。そして、気化部６の内部に、原燃料ガス及び改質用水が供給される。そして、気化部６へ供給された原燃料ガス及び改質用水は、全て改質部７へ供給される。原燃料流路３には、気化部６への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量（即ち、改質部７への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量）を調節する原燃料供給量調節部２が設けられる。改質用水流路５には、気化部６への改質用水の単位時間当たりの供給量（即ち、改質部７への改質用水の単位時間当たりの供給量）を調節する水供給量調節部４が設けられる。
燃料電池装置が備える原燃料供給量調節部２及び水供給量調節部４の動作は運転制御部１６が制御する。
【００３３】
本実施形態において、原燃料供給量調節部２によって気化部６への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量を調節することを、改質部７への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量を調節する、と記載することもある。また、水供給量調節部４によって気化部６への改質用水の単位時間当たりの供給量を調節することを、改質部７への改質用水の単位時間当たりの供給量を調節する、と記載することもある。
【００３４】
気化部６では、供給される改質用水を、燃焼部１１から伝えられる燃焼熱を用いて加熱して蒸発させる。更に、気化部６では、改質用水の蒸発によって生成された水蒸気と、供給される原燃料ガスとが混合される。
【００３５】
改質部７は、供給される原燃料ガスを気化部６にて生成された水蒸気を用いて改質処理する。具体的には、改質部７の内部には改質触媒が充填されており、この改質触媒の触媒作用によって原燃料ガスが改質処理される。
改質部７に供給される原燃料ガスの量及び水蒸気の量を調節することで改質部７での燃料ガスの生成量、即ち、改質部７からアノード９ａへの燃料ガスの供給量が調節される。
【００３６】
燃料電池１０には、例えばインバータ装置などの電力変換装置（図示せず）が接続されており、この電力変換装置を介して、燃料電池１０の発電電力が様々な電力消費装置に供給される。
【００３７】
本実施形態では、燃料電池１０のセルスタックの出力電圧を検出する出力電圧検出部１８と、燃料電池１０のセルスタックの出力電流を検出する出力電流検出部１９とが設けられる。これら出力電圧検出部１８及び出力電流検出部１９は、燃料電池１０の出力電力及び出力電流のうちの少なくとも出力電流を出力情報として検出する出力情報検出部２０として利用される。出力電圧検出部１８の検出結果及び出力電流検出部１９の検出結果は運転制御部１６に伝達される。
【００３８】
燃料電池装置の筐体１の内部には、その筐体１の内部の温度を検出する内部温度検出部１３が設けられる。内部温度検出部１３が検出する温度は、例えば筐体１の内部での燃料電池１０の周囲の温度である。内部温度検出部１３の検出結果は運転制御部１６に伝達される。
【００３９】
燃料電池１０では電力変換装置に出力される出力電流に応じた発電反応（即ち、出力電流に応じた燃料ガスの消費）が行われる。尚、燃料電池１０の出力電流が所望の値になるためには、燃料電池１０のアノード９ａに対して適切な量の燃料ガスが供給されていること及びカソード９ｂに対して適切な量の酸素ガスが供給されていることが必要である。そのため、運転制御部１６は、原燃料供給量調節部２及び水供給量調節部４の動作を制御して改質部７へ供給される原燃料の量及び改質用水の量を調節することで、改質部７で生成される燃料ガスの量、即ち、改質部７から燃料電池１０のアノード９ａに供給される燃料ガスの量を調節する。また、運転制御部１６は、酸素供給量調節部１５の動作を制御して、燃料電池１０のカソード９ｂに供給される酸素ガスの量を調節する。
【００４０】
図２は、燃料電池１０の出力電流Ｉと燃料電池１０での燃料利用率Ｕｆとの関係を示すグラフである。図３は、燃料電池１０の出力電流Ｉと改質部７での改質処理のＳ／Ｃとの関係を示すグラフである。図２に示すような燃料電池１０の出力電流Ｉと燃料電池１０での燃料利用率Ｕｆとの関係、及び、図３に示すような燃料電池１０の出力電流Ｉと改質部７での改質処理のＳ／Ｃとの関係は、運転制御部１６が参照可能な状態で記憶部１７に記憶されている。本実施形態において、燃料利用率Ｕｆは、アノード９ａに供給される燃料ガスの量に対応する原燃料ガスの量（即ち、改質部７に供給される原燃料ガスの量）に対する、アノード９ａで発電反応に用いられる燃料ガスの量に対応する原燃料ガスの量の比率であり、Ｓ／Ｃは、改質部７に供給される原燃料中のカーボンに対する水蒸気のモル比である。
【００４１】
そして、運転制御部１６は、出力電流検出部１９で検出される出力電流と、燃料利用率の目標値を出力電流の関数として定めている図２の基準燃料利用率特性曲線と、Ｓ／Ｃの目標値を出力電流の関数として定めている図３の基準Ｓ／Ｃ特性曲線とに基づいて、原燃料供給量調節部２及び水供給量調節部４の動作を制御して改質部７（気化部６）への原燃料ガス及び改質用水の供給量を調節することで、改質部７での燃料ガスの生成量、即ち、改質部７からアノード９ａへの燃料ガスの供給量を調節する。
【００４２】
以下に、改質部７（気化部６）に供給する原燃料ガスの量及び水蒸気の量が運転制御部１６により決定される場合の手順例について説明する。
先ず、出力電流Ｉが決まると、その出力電流Ｉを燃料電池１０で発生させるのに要する燃料ガスの量が決まる。つまり、燃料電池１０のアノード９ａで発電反応に用いられる燃料ガスの量が決まる。また、図２に示したように、出力電流Ｉが決まると、燃料利用率Ｕｆが決まる。その結果、燃料電池１０のアノード９ａで発電反応に用いられる燃料ガスの量と、燃料利用率とから、燃料電池１０のアノード９ａで発電反応に用いられずに排出される排出燃料ガス中の燃料ガスの量も決まる。従って、出力電流Ｉに対して、図２の基準燃料利用率特性曲線で決定される燃料利用率を満たすための、燃料電池１０のアノード９ａに供給する必要がある燃料ガスの量（発電反応に用いられる燃料ガスの量、及び、発電反応に用いられずに排出される排出燃料ガス中の燃料ガスの量の合計）が決まる。そして、その燃料電池１０のアノード９ａに供給する必要がある燃料ガスの量は、改質部７で生成するべき燃料ガスの量であるので、その燃料ガスを生成するために必要な、改質部７（気化部６）に供給する原燃料ガスの量が決まる。
【００４３】
図３に示したように、出力電流Ｉが決まると、Ｓ／Ｃが決まる。上述したように、出力電流Ｉに応じた、改質部７に供給する原燃料ガスの量が決まるので、その原燃料ガスの量と、図３の基準Ｓ／Ｃ特性曲線とで決定されるＳ／Ｃを満たすための、改質部７（気化部６）に供給する必要のある水蒸気（改質用水）の量が決まる。
【００４４】
次に、燃料電池１０の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げる場合の燃料電池装置の運転方法について説明する。
【００４５】
燃料電池１０で発電を行う場合、その効率を向上させるためには燃料利用率を上昇させるという手法がある。例えば、燃料電池１０の出力電流が安定した状態で燃料利用率を上昇させるためには、改質部７への原燃料ガスの供給量を減少させればよい。但し、その場合には、燃焼部１１で燃焼される、燃料電池１０の発電反応で消費されずに排出される排出燃料ガス中の燃料ガスの量が減少するため、燃料電池１０の筐体１の内部の温度が低下するという問題がある。尚、改質部７への改質用水の供給量を減少させると、燃料電池１０の筐体１の内部の温度を上昇させることができるが、改質部７に供給する原燃料ガスの量及び改質用水の量を減少させる場合、先に改質部７への燃料ガスの供給量を減らすと、燃料電池１０の筐体１の内部の温度が下がる現象が先に出て燃料電池１０の運転状態が不安定になる可能性がある。但し、改質部７に供給する原燃料ガスの量及び改質用水の量の減少を同時に開始しても、改質用水は気化してから水蒸気として改質部７での改質処理に利用されるため、改質部７では、原燃料ガスの減少の方が、水蒸気（改質用水）の減少よりも先に現れると考えてもよい。そのため、原燃料ガスの減少による筐体１の内部の温度の低下が先に現れる可能性が高い。そして、場合によっては燃料電池１０の運転状態が不安定になる。
【００４６】
図４は、第１実施形態の燃料利用率上昇処理を説明する図である。具体的には、図４は、改質部７（気化部６）への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量及び改質用水の単位時間当たりの供給量の推移を示す図である。具体的には、運転制御部１６が行う燃料利用率上昇処理は、燃料電池１０の出力電流が安定した状態で、改質部７への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部７への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで燃料電池１０での燃料利用率を上昇させる処理である。つまり、この燃料利用率上昇処理は、燃料電池１０の出力電流が変化している間には行われない。
【００４７】
本実施形態では、運転制御部１６は、出力情報検出部２０（出力電圧検出部１８、出力電流検出部１９）の検出結果に基づいて燃料電池１０の出力情報が燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定した場合に当該燃料利用率上昇処理を行う。図４に示す例では、運転制御部１６は、出力情報検出部２０（出力電圧検出部１８、出力電流検出部１９）の検出結果に基づいて燃料電池１０が定格出力で設定期間動作した場合に燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定する。燃料電池１０の定格出力（定格出力電力、定格出力電流）の値は記憶部１７に記憶されており、運転制御部１６は、記憶部１７に記憶されている燃料電池１０の定格出力の値と、出力情報検出部２０（出力電圧検出部１８、出力電流検出部１９）の検出結果とに基づいて、燃料電池１０が定格出力であるか否かを判定できる。また、この場合の所定期間の長さは適宜設定される値であり、記憶部１７に予め記憶されている。
図４に示す例では、時刻ｔ１０において運転制御部１６は、燃料電池１０が定格出力で設定期間動作したことで、燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定する。
【００４８】
運転制御部１６は、時刻ｔ１０以前では、図２の基準燃料利用率特性曲線上の点Ａで示すような、燃料電池１０の出力電流（定格出力電流Ｉａ）に対応した燃料利用率Ｕｆａを決定し、その燃料利用率Ｕｆａを達成するために改質部７（気化部６）に供給する原燃料ガスの量（基準原燃料供給量Ｑｆａ）を決定する。そして、運転制御部１６は、決定した基準原燃料供給量Ｑｆａの原燃料ガスを原燃料供給量調節部２から気化部６に供給させている。
また、運転制御部１６は、時刻ｔ１０以前では、図３の基準Ｓ／Ｃ特性曲線上の点Ｃで示すような、燃料電池１０の出力電流（定格出力電流Ｉａ）に対応したＳ／Ｃの値Ｒａを決定し、上述した改質部７に供給する原燃料ガスの量（基準原燃料供給量Ｑｆａ）とＳ／Ｃの値Ｒａとを達成するために改質部７に供給する改質用水の量（基準水供給量Ｑｗａ）を決定する。そして、運転制御部１６は、決定した基準水供給量Ｑｗａの改質用水を水供給量調節部４から気化部６に供給させている。
【００４９】
時刻ｔ１０において運転制御部１６は、燃料利用率上昇処理によって燃料利用率を上昇させるにあたっての目標原燃料供給量Ｑｆｂ及び目標水供給量Ｑｗｂを決定する。例えば、図２に示すように、燃料電池１０の出力電流が定格出力電流Ｉａの場合、燃料利用率上昇処理によって燃料利用率をＵｆａから、図２の点Ｂで示すようなＵｆｂへと変化（上昇）させることが記憶部１７に予め記憶されている。また、図３に示すように、燃料電池１０の出力電流が定格出力電流Ｉａの場合、燃料利用率上昇処理によってＳ／ＣをＲａから、図３の点Ｄで示すようなＲｂへと変化（低下）させることが記憶部１７に予め記憶されている。そして、運転制御部１６は、燃料電池１０の出力電流が定格出力電流Ｉａの場合に、燃料利用率の値Ｕｆｂ及びＳ／Ｃの値Ｒｂを達成するための目標原燃料供給量Ｑｆｂ及び目標水供給量Ｑｗｂを決定する。
【００５０】
本実施形態では、運転制御部１６は、燃料電池１０の出力電流が安定した状態で、改質部７への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量Ｑｆｂまで減少させ且つ改質部７への改質用水の供給量を目標水供給量Ｑｗｂまで減少させることで燃料電池１０での燃料利用率をＵｆｂまで上昇させる燃料利用率上昇処理を行う場合、水供給量調節部４の動作を制御して改質部７への改質用水の供給量の減少を開始した後に所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定し、処理継続条件が満たされた後に改質部７への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。
【００５１】
つまり、時刻ｔ１０において運転制御部１６は、時間的に先に改質部７への改質用水の供給量を基準水供給量Ｑｗａから目標水供給量Ｑｗｂへと減少させるが、改質部７への原燃料ガスの供給量は変化させずに基準原燃料供給量Ｑｆａのまま維持する。
そして、運転制御部１６は、所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定する。
【００５２】
その後、時刻ｔ１１において運転制御部１６は、以下のように、処理継続条件が満たされたと判定した場合、改質部７への原燃料ガスの供給量を基準原燃料供給量Ｑｆａから目標原燃料供給量Ｑｆｂへと減少させる。このように、運転制御部１６は、改質部７への改質用水の供給量の減少を開始した後に、改質部７への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。
【００５３】
例えば、運転制御部１６は、内部温度検出部１３が検出する筐体１の内部の温度が所定期間連続して基準内部温度以上である場合、処理継続条件が満たされたと判定する。この場合の所定期間の長さ及び基準内部温度の値は適宜設定される値であり、記憶部１７に予め記憶されている。つまり、筐体１の内部の温度が十分に安定して高い状態で、改質部７（気化部６）への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部７への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体１の内部の温度が低下傾向になるとしても、筐体１の内部の温度が低くなり過ぎることを回避できる。
【００５４】
或いは、運転制御部１６は、改質部７への改質用水の供給量の減少を開始した後、出力電圧検出部１８が検出する燃料電池１０の出力電圧が所定期間連続して基準電圧以上である場合、処理継続条件が満たされたと判定する。この場合の所定期間の長さ及び基準電圧の値は適宜設定される値であり、記憶部１７に予め記憶されている。つまり、燃料電池１０の出力電圧が十分に安定して高い状態、即ち、燃料電池１０の運転状態が安定した状態で、改質部７（気化部６）への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部７への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体１の内部の温度が低下傾向になるとしても、燃料電池１０の運転状態が悪化することを回避できる。
【００５５】
また或いは、運転制御部１６は、所定の待機時間が経過した場合、処理継続条件が満たされたと判定する。この場合の待機時間の長さは適宜設定される値であり、記憶部１７に予め記憶されている。例えば、この待機時間の長さは、改質用水の供給量の変化の応答遅れ、即ち、気化部６への改質用水の供給量を変化させた後、改質部７へ供給される水蒸気量が変化するまでの要する時間などに設定される。つまり、改質部７（気化部６）への改質用水の供給量を減少させて所定の待機時間が経過することで筐体１の内部の温度が上昇し得る状態にした後で、改質部７への原燃料ガスの供給量の減少が行われる。その結果、改質部７への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体１の内部の温度が低下傾向になるとしても、先に開始されている改質部７への改質用水の供給量の減少に伴って筐体１の内部の温度が上昇傾向になることと相殺されるため、筐体１の内部の温度に大きな変化が生じないことが期待される。
【００５６】
このような一連の制御により、運転制御部１６は、燃料電池１０の出力電流が安定した状態で、改質部７への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量Ｑｆｂまで減少させ且つ改質部７への改質用水の供給量を目標水供給量Ｑｗｂまで減少させることで燃料電池１０での燃料利用率をＵｆｂまで上昇させる燃料利用率上昇処理を行う。
【００５７】
尚、運転制御部１６は、燃料利用率上昇処理を行っている間に燃料電池１０の出力電流が設定値以上変化した場合、燃料利用率上昇処理を中止して、燃料電池１０での燃料利用率が元の値に戻るように改質部７への原燃料ガスの供給量と改質部７への改質用水の供給量を調節する。図４に示す例では、時刻ｔ１２において運転制御部１６は、出力情報検出部２０（出力電圧検出部１８、出力電流検出部１９）の検出結果に基づいて、燃料電池１０が定格出力で無くなったと判定する。そして、運転制御部１６は、燃料電池１０での燃料利用率が元の値Ｕｆａに戻るように、改質部７への原燃料ガスの供給量を基準原燃料供給量Ｑｆａに変化させ、改質部７への改質用水の供給量を基準水供給量Ｑｗａに変化させる。
【００５８】
以上のように、燃料電池１０の出力電流が安定した状態で、改質部７への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部７への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで燃料電池１０での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行うことで、燃料電池１０の効率を向上させることができる。
加えて、燃料利用率上昇処理を行う場合、改質部７への改質用水の供給量の減少を開始した後に改質部７への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。つまり、改質部７への改質用水の供給量を減少させて、筐体１の内部の温度が上昇し得る状態にした後で、改質部７への原燃料ガスの供給量を減少させる。その結果、改質部７への原燃料ガスの供給量の減少に伴って筐体１の内部の温度が低下傾向になるとしても、先に開始されている改質部７への改質用水の供給量の減少に伴って筐体１の内部の温度が上昇傾向になることと相殺されるため、筐体１の内部の温度に大きな変化が生じないことが期待される。
【００５９】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の燃料電池装置は、燃料利用率上昇処理の内容が上記実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の燃料電池装置について説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６０】
図５は第２実施形態の燃料利用率上昇処理を説明する図である。具体的には、図５は、改質部７（気化部６）への原燃料ガスの単位時間当たりの供給量及び改質用水の単位時間当たりの供給量の推移を示す図である。図示するように、運転制御部１６は、燃料利用率上昇処理において、改質部７（気化部６）への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量Ｑｆｂまで段階的に減少させる。図５に示す例では、運転制御部１６は、改質部７への原燃料ガスの供給量を、基準原燃料供給量Ｑｆａから、値Ｑｆ１及び値Ｑｆ２を経て、最終的に目標原燃料供給量Ｑｆｂへと段階的に減少させる。
また、運転制御部１６は、燃料利用率上昇処理において、改質部７（気化部６）への改質用水の供給量を目標水供給量Ｑｗｂまで段階的に減少させる。図５に示す例では、運転制御部１６は、改質部７への改質用水の供給量を、基準水供給量Ｑｗａから、値Ｑｗ１を経て、最終的に目標水供給量Ｑｗｂへと段階的に減少させる。
【００６１】
具体的に説明すると、時刻ｔ２０において運転制御部１６は、時間的に先に改質部７への改質用水の供給量を基準水供給量Ｑｗａから値Ｑｗ１へと減少させるが、改質部７への原燃料ガスの供給量は変化させずに基準原燃料供給量Ｑｆａのまま維持する。
そして、運転制御部１６は、所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定する。この処理継続条件は第１実施形態で説明したのと同様である。
【００６２】
その後、時刻ｔ２１において運転制御部１６は、処理継続条件が満たされたと判定して、改質部７への原燃料ガスの供給量を基準原燃料供給量Ｑｆａから値Ｑｆ１へと減少させる。このように、運転制御部１６は、改質部７への改質用水の供給量の減少を開始した後に、改質部７への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。
【００６３】
次に、時刻ｔ２２において運転制御部１６は、処理継続条件が満たされたと判定して、改質部７への改質用水の供給量を値Ｑｗ１から目標水供給量Ｑｗｂへと減少させる。
そして、運転制御部１６は、時刻ｔ２３において処理継続条件が満たされたと判定して、改質部７への原燃料ガスの供給量を値Ｑｆ１から値Ｑｆ２へと減少させ、時刻ｔ２４において処理継続条件が満たされたと判定して、改質部７への原燃料ガスの供給量を値Ｑｆ２から目標原燃料供給量Ｑｆｂへと減少させる。
。
【００６４】
このような一連の制御により、運転制御部１６は、燃料電池１０の出力電流が安定した状態で、改質部７への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量Ｑｆｂまで減少させ且つ改質部７への改質用水の供給量を目標水供給量Ｑｗｂまで減少させることで燃料電池１０での燃料利用率をＵｆｂまで上昇させる燃料利用率上昇処理を行う。
【００６５】
また、第１実施形態で説明したのと同様に、運転制御部１６は、燃料利用率上昇処理を行っている間に燃料電池１０の出力電流が設定値以上変化した場合、燃料利用率上昇処理を中止して、燃料電池１０での燃料利用率が元の値に戻るように改質部７への原燃料ガスの供給量と改質部７への改質用水の供給量を調節する。図５に示す例では、時刻ｔ２５において運転制御部１６は、出力情報検出部２０（出力電圧検出部１８、出力電流検出部１９）の検出結果に基づいて、燃料電池１０が定格出力で無くなったと判定する。そして、運転制御部１６は、燃料電池１０での燃料利用率が元の値Ｕｆａに戻るように、改質部７への原燃料ガスの供給量を基準原燃料供給量Ｑｆａに変化させ、改質部７への改質用水の供給量を基準水供給量Ｑｗａに変化させる。
【００６６】
以上のように、本実施形態では、燃料利用率上昇処理において、改質部７への原燃料ガスの供給量の減少が段階的に行われるので、改質部７への原燃料ガスの供給量を減少することに伴って筐体１の内部の温度が低下することも段階的に発生する。つまり、改質部７への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させる場合に筐体１の内部の温度が急激に変化することが回避される。その結果、燃料電池１０の運転状態が不安定になることを回避できる。
また、燃料利用率上昇処理において、改質部７への改質用水の供給量の減少が段階的に行われるので、改質部７への改質用水の供給量を減少することに伴って筐体１の内部の温度が上昇することも段階的に発生する。つまり、改質部７への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させる場合に筐体１の内部の温度が急激に変化することが回避される。その結果、燃料電池１０の運転状態が不安定になることを回避できる。
【００６７】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、燃料電池装置の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成については適宜変更可能である。
【００６８】
＜２＞
上記実施形態では、燃料電池１０の出力電流Ｉと燃料電池１０での燃料利用率Ｕｆとの関係（図２）、及び、燃料電池１０の出力電流Ｉと改質部７での改質処理のＳ／Ｃとの関係（図３）について説明したが、それらは例示目的で記載したものであり、適宜変更可能である。
【００６９】
＜３＞
上記実施形態では、燃料利用率上昇処理において燃料利用率を上昇させると共にＳ／Ｃを低下させる例を説明したが、Ｓ／Ｃを一定のままにしてもよい。その場合であっても、燃料利用率を上昇させるために改質部７への原燃料ガスの供給量を減少させると、Ｓ／Ｃを一定に維持するためには改質部７への改質用水の供給量も減少させる必要があるため、運転制御部１６は、改質部７への改質用水の供給量の減少を開始した後に、改質部７への原燃料ガスの供給量の減少を開始させればよい。
【００７０】
＜４＞
上記実施形態では、燃料電池１０が定格出力で設定期間動作した場合に燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定される例を説明したが、燃料電池１０の出力（出力情報）がどのような状態になった場合に燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定されるのかは適宜設定可能である。例えば、運転制御部１６は、燃料電池１０が定格の９０％出力や７０％出力などの所定の一定出力で設定期間動作した場合に燃料利用率上昇処理を行う条件を満たしたと判定してもよい。
【００７１】
＜５＞
上記実施形態において、改質部７への原燃料ガス及び改質用水の供給量を連続的に変化させてもよい。
例えば、図２に示した例では、時刻ｔ１０において改質部７への原燃料ガス及び改質用水の供給量を基準原燃料供給量Ｑｆａから目標原燃料供給量Ｑｆｂまで減少させたが、例えば、時刻ｔ１０から設定期間（例えば数秒間など）をかけて改質部７への原燃料ガスの供給量を連続的に変化させてもよい。
【００７２】
＜６＞
尚、上記実施形態（別実施形態を含む）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、燃料電池の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げることができる燃料電池装置に利用できる。
【符号の説明】
【００７４】
１  筐体
２  原燃料供給量調節部
４  水供給量調節部
７  改質部
９  セル
９ａ  アノード
９ｂ  カソード
１０  燃料電池（セルスタック）
１１  燃焼部
１３  内部温度検出部
１５  酸素供給量調節部
１６  運転制御部
１８  出力電圧検出部（出力情報検出部  ２０）
１９  出力電流検出部（出力情報検出部  ２０）
【要約】
【課題】燃料電池の運転状態が安定したままで燃料利用率を上げることができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置において、運転制御部１６は、燃料電池１０の出力電流が安定した状態で、改質部７への原燃料ガスの供給量を目標原燃料供給量まで減少させ且つ改質部７への改質用水の供給量を目標水供給量まで減少させることで燃料電池１０での燃料利用率を上昇させる燃料利用率上昇処理を行う場合、水供給量調節部４の動作を制御して改質部７への改質用水の供給量の減少を開始した後に所定の処理継続条件が満たされたか否かを判定し、処理継続条件が満たされた後に改質部７への原燃料ガスの供給量の減少を開始させる。
【選択図】図１【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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