(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するための制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて部分負荷運転における部分負荷燃料利用率を設定するための第１燃料利用率設定手段と、定格負荷運転における定格負荷燃料利用率を設定するための第２燃料利用率設定手段と、前記燃料電池セルスタックの発電電流に基づいて定格発電であることを判定する定格発電判定手段を含んでおり、
前記燃料電池セルスタックが定格発電状態になると、前記定格発電判定手段による定格発電判定に基づいて、前記第２燃料利用率設定手段が前記部分負荷運転における前記部分負荷燃料利用率の変動値から上昇した値の前記定格負荷燃料利用率を設定し、前記制御手段は、前記部分負荷燃料利用率の変動値から上昇した値の前記定格負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、更に、前記燃料電池セルスタックに送給される改質燃料ガスのＳ／Ｃを設定するためのＳ／Ｃ設定手段を含み、前記Ｓ／Ｃ設定手段は、Ｓ／Ｃと前記燃料電池セルスタックのスタック温度との関係を示すＳ／Ｃ−スタック温度特性に基づいてＳ／Ｃを設定し、前記燃料電池セルスタックが定格発電状態となると、前記制御手段は、前記Ｓ／Ｃ−スタック温度特性における定格発電状態のＳ／Ｃ値よりも小さい値となるように前記水供給手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
燃料電池セルスタックを部分負荷運転するときには、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて設定される部分負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、また前記燃料電池セルスタックを定格負荷運転するときには、前記部分負荷燃料利用率の変動値から上昇した値の定格負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを燃料として発電を行う燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、水供給手段より供給される水を用いて燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、燃料ガス供給手段及び水供給手段を制御するための制御手段と、を備えている。このような燃料電池システム（例えば、家庭用の小型燃料電池システム）では、電力負荷追従の運転制御が行われ、電力負荷の大きさに応じて燃料電池セルスタックの発電出力が変動される。そして、部分負荷の運転の場合、燃料電池セルスタックの発電出力は、電力負荷から買電保証電力を減算した電力値となるように制御され、この発電出力の制御は、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの供給流量及び水供給手段からの改質用水の供給流量を制御することによって行われる。
【０００３】
電力負荷に応じて燃料電池セルスタックの発電出力を制御する場合、電力負荷の増大による発電出力の上昇に備えてある程度の余裕を見て少し多い目に燃料ガスを供給するように燃料ガス供給手段が制御され、換言すると、システムの燃料利用率を限界付近まで上げずに、この限界燃料利用率より少し小さい燃料利用率となるように制御され、燃料ガスの供給流量をこのように制御することによって、急激な発電電力の上昇による燃料ガス不足の発生を回避し、燃料電池セルスタックの破損を未然に防止している。
【０００４】
ところが、このような運転では、発電電力の上昇がない定格負荷運転においても燃料ガスを少し多い目に供給しているために、システムの発電効率が少し悪化し、定格発電状態が長いほど発電効率の悪い状態が継続される。
【０００５】
この燃料電池システムの発電効率を改善するために、例えば、燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガス（未反応の燃料ガスを含んでいる）を再利用するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスに含まれる二酸化炭素を吸収剤を用いて吸収除去し、二酸化炭素を除去した反応燃料ガスをリサイクルして新しい燃料ガスに混合して発電用の燃料ガスとして利用し、このように再利用することによりシステムの発電効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３１３４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述した燃料電池システムでは、二酸化炭素を吸収する吸収剤を必要とし、また二酸化炭素を吸収除去した反応燃料ガスをリサイクルするためのリサイクル流路を設ける必要があり、燃料電池システムの構成が複雑になるなどの問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、比較的簡単な構成でもってシステムの発電効率を高めることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項1に記載の燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するための制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて部分負荷運転における部分負荷燃料利用率を設定するための第１燃料利用率設定手段と、定格負荷運転における定格負荷燃料利用率を設定するための第２燃料利用率設定手段と、前記燃料電池セルスタックの発電電流に基づいて定格発電であることを判定する定格発電判定手段を含んでおり、
前記燃料電池セルスタックが定格発電状態になると、前記定格発電判定手段による定格発電判定に基づいて、前記第２燃料利用率設定手段が前記部分負荷運転における前記部分負荷燃料利用率の変動値から上昇した値の前記定格負荷燃料利用率を設定し、前記制御手段は、前記部分負荷燃料利用率の変動値から上昇した値の前記定格負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、更に、前記燃料電池セルスタックに送給される改質燃料ガスのＳ／Ｃを設定するためのＳ／Ｃ設定手段を含み、前記Ｓ／Ｃ設定手段は、Ｓ／Ｃと前記燃料電池セルスタックのスタック温度との関係を示すＳ／Ｃ−スタック温度特性に基づいてＳ／Ｃを設定し、前記燃料電池セルスタックが定格発電状態となると、前記制御手段は、前記Ｓ／Ｃ−スタック温度特性におけるＳ／Ｃ値よりも小さい値となるように前記水供給手段を制御することを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
燃料電池セルスタックを部分負荷運転するときには、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて設定される部分負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、また前記燃料電池セルスタックを定格負荷運転するときには、前記部分負荷燃料利用率の変動値から上昇した値の定格負荷燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システム及び請求項３に記載の燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池セルスタックを部分負荷発電状態のときには、燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて設定される部分負荷燃料利用率となるように燃料ガス供給手段を制御し、また燃料電池セルスタックの定格発電状態のときには、部分負荷燃料利用率の変動値から上昇した値の定格負荷燃料利用率となるように燃料ガス供給手段を制御するので、この定格負荷運転におけるシステムの発電効率を高めることができる。
【００１３】
燃料電池セルスタックの定格発電状態においては、この定格発電電力を実質上超えて運転されることがなく、それ故に、燃料ガスを少し多い目に供給する必要がなく、部分負荷発電状態のときの燃料利用率（即ち、部分負荷燃料利用率）よりも定格発電状態のときの燃料利用率（即ち、定格負荷燃料利用率）を大きくすることが可能となる。このような観点から、定格発電状態になると、部分負荷燃料利用率の変動値から上昇した値の定格負荷燃料利用率に変更して燃料利用率を高めて発電運転を行う。この燃料利用率とは、燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスのうち発電に寄与する燃料ガスの割合であり、この燃料利用率が大きくなると発電反応で消費される燃料ガスが多くなり、無駄となる燃料ガスが減って燃料電池セルスタックの発電効率が高くなる。
【００１４】
定格発電状態においてこのように燃料利用率を大きくするので、燃料電池セルスタックの発電効率の向上を図ることができ、その発電効率の向上の効果は、定格発電状態が長く継続して行われるほど大きくなる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池セルスタックが定格発電状態となると、Ｓ／Ｃ−スタック温度特性におけるＳ／Ｃ値よりも小さい値となるように水供給手段を制御するので、燃料電池セルスタックに送給される水成分（水蒸気）が少なくなり、燃料利用率を高めたことによる燃料電池セルスタックのスタック温度の低下を抑えて所望のスタック温度に維持することができる。
【００１６】
Ｓ／Ｃとは、反応の際に添加される水蒸気と燃料ガス（炭化水素系ガス）に含まれる炭素とのモル比(スチーム／カーボンの比)であり、このＳ／Ｃが小さくなると、添加される水蒸気が少なくなって燃料電池セルスタックのスタック温度は上昇する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に従う燃料電池システムの一実施形態を示す簡略図。
【図２】図１の燃料電池システムの制御系を示すブロック図。
【図３】図２の制御系による制御の流れを示すフローチャート。
【図４】図１の燃料電池システムにおける発電電流と限界燃料利用率及び制御用燃料利用率との関係を示す図。
【図５】定格発電状態になって燃料利用率を上昇させたときの発電電流の変化を説明するための図。
【図６】燃料電池セルスタックが劣化したときの定格発電状態を説明するための図。
【図７】燃料電池セルスタックの燃料利用率とスタック温度との関係を示す図。
【図８】燃料電池セルスタックに送給する燃料ガスのＳ／Ｃとスタック温度との関係を示す図。
【図９】従来の燃料電池システムにおける発電電流と限界燃料利用率及び制御用燃料利用率との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システム及びその運転方法の一実施形態について説明する。
【００１９】
図１において、図示の燃料電池システム２は、燃料ガスとして炭化水素系の燃料ガス、例えば天然ガス（都市ガス）を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器４と、改質器４にて改質された燃料ガス（改質燃料ガス）及び酸化剤としての空気の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタック６と、空気を燃料電池セルスタック６に送給するための送風手段８と、を備えている。
【００２０】
燃料電池セルスタック６は、例えば固体酸化物形のものから構成され、燃料電池反応によって発電を行うための複数の燃料電池セルが集電部材を介して積層され、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
【００２１】
燃料電池セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給ライン１０を介して改質器４に接続され、この改質器４は、ガス・水蒸気送給ライン１２を介して気化器１４に接続され、この気化器１４は、燃料ガス供給ライン１６を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源１８（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続されているとともに、水供給ライン２０を介して水供給源２２（例えば、水タンクなど）に接続されている。改質器４は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものを備え、この改質触媒によって燃料ガスを水蒸気改質する。また、気化器１４は、水供給ライン２０を通して送給される水を気化させて水蒸気を発生する。なお、改質器４と気化器１４とを一体的に形成することもできる。
【００２２】
燃料ガス供給ライン１６には、脱硫器２４、燃料ガスポンプ２６、燃料ガス流量検知センサ２８及び遮断弁３０が配設されている。脱硫器２４は燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去し、燃料ガスポンプ２６は燃料ガス供給源１８からの燃料ガスを燃料ガス供給ライン１６を通して気化器１４に送給し、燃料ガス流量検知センサ２８は燃料ガス供給ライン１６を通して送給される燃料ガスの流量を検知し、また遮断弁３０は燃料ガス供給ライン１６を開閉して燃料ガスの供給、供給停止を行う。この形態では、燃料ガスポンプ２６の回転数を制御することによって、燃料ガス供給ライン１６を通して供給される燃料ガスの供給流量が制御され、その回転数が多くなる（又は少なくなる）と、燃料ガスの供給流量が増加し（又は減少し）、これら燃料ガス供給源１８、燃料ガスポンプ２６及び燃料ガス供給ライン１６が燃料ガス供給手段を構成する。
【００２３】
また、水供給ライン２０には水ポンプ３４及び水流量検知センサ３５（水流量検知手段）が配設されており、この水ポンプ３４は、水供給源２２からの水を気化器１４に供給し、水流量検知センサ３５は、水供給ライン２０を通して供給される改質用水の流量を検知する。この形態では、水ポンプ３４の回転数を制御することによって、水供給ライン２０を通して供給される改質用水の供給流量が制御され、その回転数が多くなる（又は少なくなる）と、改質用水の供給流量が増加し（又は減少し）、これら水供給源２２、水ポンプ３４及び水供給ライン２０が水供給手段を構成する。
【００２４】
この燃料電池セルスタック６の酸素極の導入側は、空気送給ライン３６を介して空気（酸化剤）を予熱するための空気予熱器３８に接続され、この空気予熱器３８は、空気供給ライン４０を介して送風手段８に接続されている。送風手段８は、例えば送風ブロアから構成され、この送風ブロアの回転数を制御することによって、空気供給ライン４０を通して供給される空気の送給量が制御され、送風ブロアの回転数が多くなる（又は少なくなる）と、空気供給ライン４０を通して供給される空気の供給流量が増加し（又は減少し）、これら送風手段８（送風ブロア）及び空気供給ライン４０が空気供給手段（酸化剤供給手段）を構成する。
【００２５】
燃料電池セルスタック６の燃料極及び酸素極の各排出側には燃焼域４４が配設され、燃料電池セルスタック６の一端から排出された反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）と酸素極側から排出された空気（酸素を含んでいる）とがこの燃焼域４４に送給されて燃焼される。この燃焼域４４は排気ガス送給ライン４６を介して空気予熱器３８に接続され、空気予熱器３８を流れる排気ガスは排気ガス排出ライン４８を介して大気に排出される。空気予熱器３８においては、空気供給ライン４０を通して流れる空気と排気ガス送給ライン４６を通して流れる排気ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換により加温された空気が空気送給ライン３６を通して燃料電池セルスタック６に送給される。
【００２６】
この実施形態では、燃料電池セルスタック６に関連してスタック温度検知センサ５０が配設され、このスタック温度検知センサ５０は燃料電池セルスタック６の近傍に配設され、この燃料電池セルスタック６の温度を検知する。また、燃料電池セルスタック６の電力出力部（図示せず）には発電電流検知センサ５２（図２参照）が配設され、この発電電流検知センサ５２は、燃料電池セルスタック６からの発電電流を検知する。
【００２７】
この実施形態では、また、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１４及び空気予熱器３８が電池収容ハウジング５４に収容され、この電池収容ハウジング５４は、その内壁面が断熱材で覆われて高温室５６を構成し、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１４及び空気予熱器３８がこの高温室５６内で高温状態に保たれる。
【００２８】
この燃料電池システム２は、例えば、次のように作動して発電が行われる。燃料ガス供給源１８からの燃料ガス（例えば、都市ガス）が、燃料ガス供給ライン１６を通して気化器１４に供給され、また水供給源２２からの水が、水供給ライン２０を通して気化器１４に供給される。気化器１４においては、水が加熱されて水蒸気となり、加熱された燃料ガスと発生した水蒸気が混合されてガス・水蒸気送給ライン１２を介して改質器４に送給される。
【００２９】
改質器４においては、燃料ガスと水蒸気とで水蒸気改質反応が行なわれ、水蒸気改質された燃料ガス（改質燃料ガス）が改質燃料ガス送給ライン１０を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。また、送風手段８からの空気は、空気供給ライン４０を通して空気予熱器３８に供給され、この空気予熱器３８において燃焼域４４から排気ガス送給ライン４６を通して流れる排気ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給ライン３６を通して燃料電池セルスタック６の酸素極側に送給される。
【００３０】
燃料電池セルスタック６の燃料極側は改質された燃料ガスを酸化し、またその酸素極側は空気中の酸素を還元し、燃料極側の酸化及び酸素極側の還元による電気化学反応により発電が行われる。燃料電池セルスタック６の一端側より排出された反応燃料ガス及び空気は燃焼域４４に送給されて燃焼され、この反応燃料ガスの燃焼熱を利用して改質器４及び気化器１４が加熱される。燃焼域４４からの排気ガスは排気ガス送給ライン４６を通して空気予熱器３８に送給され、この空気予熱器３８において送風手段８から供給される空気との熱交換に利用された後に、排気ガス排出ライン４８を通して大気に排出される。
【００３１】
この燃料電池システム２は、更に、燃料ガスポンプ２８、水ポンプ３４及び送風手段８を作動制御するためのコントローラ６０を備えている。図２を参照して更に説明すると、この実施形態では、コントローラ６０は、第１燃料利用率設定手段６２、第２燃料利用率設定手段６４、定格発電判定手段６６、Ｓ／Ｃ設定手段６８、作動制御手段７０及びメモリ手段７２を備えている。第１燃料利用率設定手段６２は、部分負荷運転時における燃料利用率（部分負荷燃料利用率）を後述する如く設定し、第２燃料利用率設定手段６４は、定格負荷運転時における燃料利用率（定格負荷燃料利用率）を後述する如く設定し、定格発電判定手段６６は、発電電流検知センサ５２からの検知信号に基づいて後述する如く定格発電の判定を行い、Ｓ／Ｃ設定手段６８は、後述する如くＳ／Ｃを設定する。また、作動制御手段７０は、燃料ポンプ２６及び水ポンプ３４などを後述する如く作動制御する。メモリ手段７２には、部分負荷運転時において燃料利用率を設定する際のベースとなる発電電流−燃料利用率特性マップ、定格負荷時の燃料利用率及びＳ／Ｃを設定する際のベースとなるＳ／Ｃ−スタック温度特性マップなどが登録されている。
【００３２】
燃料ガス流量検知センサ２８（燃料ガス流量検知手段）、水流量検知センサ３５（水流量検知手段）、スタック温度検知センサ５０（スタック温度検知手段）及び発電電流検知センサ５２（発電電流検知手段）からの検知信号は、コントローラ６０に送給され、これら検知信号に基づいて、コントローラ６０は燃料ガスポンプ２６、水ポンプ３４及び送風手段８を次のように作動制御する。
【００３３】
主として図２及び図３を参照して、燃料電池システム２を発電運転すると、燃料電池セルスタック６にて上述したように発電が行われる。この発電運転では、まず、部分負荷運転が行われ（ステップＳ１）、その後電力負荷が大きくなると定格負荷運転に移行する。
【００３４】
この部分負荷運転においては、発電電流検知センサ５２は、燃料電池セルスタック６からの発電電流を検知し（ステップＳ２）、第１燃料利用率設定手段６２は、この発電電流検知センサ５２の検知信号に基づいて部分負荷運転における燃料利用率を設定する（ステップＳ３）。メモリ手段７２には、図４に示す通りの発電電流−燃料利用率特性マップが登録されており、この発電電流−燃料利用率特性マップでは、発電電流が増加するに伴って燃料利用率が大きくなり、限界燃料利用率よりも１０〜２０％低い値となっており、第１燃料利用率設定手段６２は、この発電電流−燃料利用率特性マップを利用して部分負荷燃料利用率を設定する。
【００３５】
従って、この部分負荷運転においては、燃料電池セルスタック６の発電電流との関連で図４に実線で示すように燃料利用率が変動して設定され、作動制御手段７０は、このように設定された部分負荷燃料利用率となるように燃料ガスポンプ２６及び水ポンプ３４を制御して発電運転を行う（このとき、必要な空気量が送給されるように、送風手段８も制御される）。尚、この部分負荷運転において、発電停止の操作を行うと、ステップＳ４からステップＳ５を経てステップＳ６に進み、発電運転が終了する。
【００３６】
このような部分負荷運転において、燃料電池セルスタック６の発電出力が上昇して発電電流検知センサ５２からの検知信号が定格発電電流に達する、即ち定格発電状態になると、ステップＳ４からステップＳ７に移り、定格発電判定手段６６は、定格発電状態になったとして定格発電の判定を行い、この判定結果に基づいて、定格発電運転が行われる（ステップＳ８）。
【００３７】
このように定格発電運転に移ると、発電電流検知センサ５２が燃料電池セルスタック６の発電電流を検知し（ステップＳ９）、燃料電池セルスタック６の定格発電状態が維持されていると、第２燃料利用率設定手段６４は、メモリ手段７２の登録されている定格負荷燃料利用率を設定する（ステップＳ１０）。この定格負荷燃料利用率は限界燃料利用率よりも例えば５％程度低い値に設定され、この定格負荷燃料利用率となるように、作動制御手段７０は燃料ガスポンプ２６及び水ポンプ３４を制御して発電運転を行う（このとき、必要な空気量が送給されるように、送風手段８も制御される）。
【００３８】
従来の燃料電池システムにおける燃料利用率の設定は、図９に示す発電電流−燃料利用率特性マップを利用して行われ、定格発電状態においても限界燃料利用率よりも１０〜２０％低い値（例えば、燃料利用率：７５％程度）で発電運転が行われている。これに対して、この実施形態における燃料利用率の設定は、図４に示すように行われ、燃料電池セルスタック６が定格発電状態になると、従来の燃料利用率よりも大きい定格負荷燃料利用率（例えば、燃料利用率：８０％程度）が設定され、この定格負荷燃料利用率に達するように、図４で「●−●」と示すように連続的に上昇される。そして、この定格燃料利用率に達した後は、この定格燃料利用率、即ち従来の定格発電状態の燃料利用率よりも例えば５％程度大きい値に維持される。
【００３９】
このように燃料利用率を大きくすると、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスのうち燃料電池セルスタック６での発電に寄与する割合が増え、その結果、燃料電池システムの発電効率を高めることができる。
【００４０】
燃料電池セルスタック６の部分負荷運転において、このように燃料利用率を上昇させると、燃料電池セルスタック６の発電出力が上昇したときには対応できず、燃料ガス不足が生じるおそれがある。しかし、定格発電状態においては、発電出力が上昇することが実質上なく、このような発電出力の上昇を考慮する必要はない。従って、このように燃料利用率を上昇させたことによる不都合が生じることはなく、燃料利用率を上昇させたことによる発電効率の向上というメリットのみを得ることができる。
【００４１】
このように定格負荷燃料利用率が設定された後に、Ｓ／Ｃ設定手段６８は、燃料電池セルスタック６に送給される改質燃料ガスのＳ／Ｃを設定変更する（ステップＳ１１）。燃料電池セルスタック６の発電運転では、燃料利用率と燃料電池セルスタック６の温度（スタック温度）との関係は、図７の燃料利用率−スタック温度特性に示すように変化し、燃料利用率が大きくなる（又は小さくなる）と、燃料電池セルスタック６での発電に寄与する燃料ガスの割合が多く（又は少なく）なってスタック温度が低下する（又は上昇する）。また、Ｓ／Ｃとスタック温度との関係は、図８のＳ／Ｃ−スタック温度特性に示すように変化し、Ｓ／Ｃが大きくなる（又は小さくなる）と、改質燃料ガスに含まれる水分（水蒸気）が多くなり（又は少なくなり）、スタック温度が低下する（又は上昇する）。
【００４２】
燃料電池セルスタック６の温度と燃料利用率及びＳ／Ｃとは、図７及び図８に示す関係にあるので、定格負荷運転において、上述したように燃料利用率を上げると、図７から理解されるように、燃料電池セルスタック６の温度が低下し、このようにスタック温度が低下すると、一般的に燃料電池セルスタック６の発電電圧は低下する。燃料電池セルスタック６は出力を維持するために発電電流が図５に「●−●」で示すように上がってしまい、供給される燃料ガス量が増える。その結果、上述の発電の効率上昇が相殺され、所望の効果が得られなくなる。
【００４３】
このようなことから、Ｓ／Ｃ設定手段６８は、燃料電池セルスタック６が定格負荷運転（即ち、定格発電状態）になると、図８に示すＳ／Ｃ−スタック温度特性により設定されるＳ／Ｃ値（例えば、２．４〜３．０）よりも小さい値（例えば、１．５〜２．４）になるように設定する。定格負荷運転において上述したように燃料利用率を上昇させると、発電に寄与しない燃料ガスが少なくなってスタック温度が低下傾向となるが、このようにＳ／Ｃ値を下げて改質燃料ガスに含まれる水分を少なくすることによって、このスタック温度の低下傾向を抑え、これによって、燃料電池セルスタック６の発電電圧の低下及び発電電流の上昇を抑えることができる。
【００４４】
このように定格負荷運転においては、部分負荷運転時よりも燃料利用率が高くなるように設定され、これに伴ってＳ／Ｃ値が小さくなるように設定され、このような運転条件でもって燃料電池システム２の発電運転が行われる。この定格負荷運転においても、発電電流検知センサ５２による燃料電池セルスタック６の発電電流の検知が継続して行われ（ステップＳ９）、この検知電流が定格発電電流値から下がると、ステップＳ１に戻って、燃料電池システム２の部分負荷運転が行われる。尚、この定格負荷運転において、発電停止の操作を行うと、ステップＳ１２からステップＳ１３を経てステップＳ１４に進み、発電運転が終了する  。
【００４５】
燃料電池システム２は、上述したようにして発電運転されるが、この発電運転を長期にわたって行うと、燃料電池セルスタック６の劣化が進んでいく。図６に示すように、燃料電池システム２の設置初期（使用開始の初期状態）においては、燃料電池セルスタック６の劣化がなく、図６に太い実線で示すように、低い電流値でもって定格発電状態になるが、長期にわたって稼働すると、定格発電状態の電流値が大きくなり、その電流値は漸増するようになり、図６に細い実線で示すように、初期の電流値よりも大きい電流値でもって定格発電状態となり、このような定格発電状態における定格相当電流値も含めて、本明細書では定格発電電流として説明している。
【００４６】
以上、本発明に従う燃料電池システム及びその運転方法の一実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。
【００４７】
例えば、上述した実施形態では、水供給源２２として水タンクなどを用いているが、このような構成に代えて、排気ガス排出ライン４８を通して排出される排気ガスに含まれる水分を凝縮して水回収タンクに回収し、この水回収タンクに回収した水を改質用水として利用することもできる。
【００４８】
また、例えば、排気ガスの熱を温水として貯える貯湯タンクを備えた貯湯装置と組み合わせて用いるようにすることもできる。例えば、排気ガス排出ライン４８に熱交換器を配設し、この熱交換器において排気ガス排出ライン４８を流れる排気ガスと貯湯タンクからの水との間で熱交換を行い、この熱交換により加温された温水を貯湯タンクに貯えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
２  燃料電池システム
４  改質器
６  燃料電池セルスタック
８  送風手段
１４  気化器
１８  燃料ガス供給源
２２  水供給源
２６  燃料ガスポンプ
２８  燃料ガス流量検知センサ
３４  水ポンプ
３５  水流量検知センサ
４４  燃焼域
５０  スタック温度検知センサ
５２  発電電流検知センサ
６０  コントローラ
６２  第１燃料利用率設定手段
６４  第２燃料利用率設定手段
６６  定格発電判定手段
６８  Ｓ／Ｃ設定手段
７０  作動制御手段
【図１】
0006721363.tif 000002
【図２】
0006721363.tif 000003
【図３】
0006721363.tif 000004
【図４】
0006721363.tif 000005
【図５】
0006721363.tif 000006
【図６】
0006721363.tif 000007
【図７】
0006721363.tif 000008
【図８】
0006721363.tif 000009
【図９】
0006721363.tif 000010