(57)【要約】改質ガス温度を一定温度に制御する燃料電池発電システムの劣化検出をその場で瞬時に且つ連続的に行い、改質触媒の取替時期を判定することが可能な燃料電池発電システムおよび、その改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等を提供する。  原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器１２と、前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池１１と、前記改質器１２に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段１９と、前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段２０と、前記改質器で生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出手段２１と、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段２２とを備えた。
2005018035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、
前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、
前記改質器で生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出手段と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記劣化度検出手段は、前記演算流量として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスの流量を演算する、請求の範囲第１項記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段をさらに備えた、請求の範囲第１項記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段をさらに備えた、請求の範囲第１項記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御手段をさらに備えた、請求の範囲第４項記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段をさらに備えた、請求の範囲第１項記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記改質器の前記劣化度と発電時間から劣化度低下速度を求め、前記燃料電池での発電が可能な前記改質器の劣化度の下限値に至るまでの期間を算出する寿命診断手段を備えた、請求の範囲第１項記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記劣化度検出手段は、前記改質器の前記劣化度としてメタン転化率を用いる、請求の範囲第１項記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、
前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、
前記改質器にて生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出工程と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池システムの改質器の劣化度検出方法。
【請求項１０】
請求の範囲第９項記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱工程を備えた、燃料電池発電方法。
【請求項１１】
請求の範囲第９項記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法。
【請求項１２】
請求の範囲第９項記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法。
【請求項１３】
請求の範囲第９項記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御工程を備えた、燃料電池発電方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１項記載の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１５】
請求の範囲第３項記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１６】
請求の範囲第４項記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１７】
請求の範囲第５項記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量増加手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１８】
請求の範囲第６項記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１９】
請求の範囲第１４から第１８項のいずれかに記載のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、燃料電池を用いて発電を行う、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等に関するものである。
【背景技術】  従来の燃料電池発電システムには、改質ガスの温度を測定することにより改質器の劣化診断を行なうものがあった（例えば、文献１（特開２０００−２６８８４０号公報）参照）。図９は、上記文献１に記載された従来の燃料電池発電システムを示すものである。
図９において、原燃料としての都市ガスは遮断弁６を開けることにより脱硫器５に供給され、触媒劣化要因の腐臭成分が除去される。腐臭成分を除去された都市ガスは、改質用水蒸気と混合され、改質器２で水素リッチな改質ガスが生成される。生成された改質ガス中には触媒劣化要因となる一酸化炭素が１０〜１５％含まれるが、変成器４で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させた後、一酸化炭素を低減した燃料ガスとして燃料電池１に供給される。
燃料電池１では、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素を反応させることにより発電を行う。燃料電池発電システムの起動時には遮断弁７を開け、バーナ３で都市ガスを燃焼することにより改質器２を昇温する。起動時以外は遮断弁７を閉め、燃料電池１から排出される排気燃料ガスをバーナ３で燃焼することにより改質器２の温度維持（最大７００℃程度）を行なう。
そして、改質器２内部の改質ガス温度を温度センサ９で測定し、測定した改質ガス温度を用いて劣化診断部１０で改質器２の劣化状態を診断している。
しかしながら、上記の従来の燃料電池発電システムでは、改質器２の劣化状態を診断する手段として改質ガス温度を用いているが、これには以下のような課題がある。
具体的には、上記文献１に記載された図９の燃料電池発電システムは２００ｋＷリン酸形燃料電池発電システムである。このような出力規模のリン酸形燃料電池発電システムでは、通常、その出力（２００ｋＷ）での一定出力発電を行なう。このように出力が大きい場合には、改質器２で生成する改質ガス量および改質器２の改質ガス温度は多少変動しても許容できる。
しかし、出力規模が１ｋＷ程度の小型の燃料電池発電システムや出力変動を行なう家庭用の燃料電池発電システムにおいては、改質器の温度維持に対する温度制御は、より精度よく行なわなければならない。
その理由は、出力規模が１ｋＷ程度のシステムでは、改質器の大きさが上記文献１に記載された改質器２のそれと比較すると非常に小さいために、改質器は温度変動の影響を受けやすいからである。また、出力変動を行なうシステムについても、出力変動による都市ガス供給量と改質用水蒸気量の変動により温度変動を受けやすいことが挙げられる。
そのため、出力規模が１ｋＷ程度の小型の燃料電池発電システムや出力変動を行なう家庭用の燃料電池発電システムにおいては、改質ガスの温度を一定温度に制御することで一定のメタン転化率の下で改質反応を行わせるために、安定した燃料ガス供給を行う必要がある。すなわち、このような燃料電池発電システムでは、改質ガスの温度を一定温度に制御するため、改質ガス温度を用いて改質器の劣化状態を診断することは非常に困難である。
【発明の開示】
本発明は、上述した課題を考慮して、改質ガス温度を一定温度に制御しながら改質器の劣化検出を行える、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、およびそれらを用いた燃料電池発電システム、燃料電池発電方法等を提供することを目的とするものである。
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、
前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、
前記改質器で生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出手段と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた燃料電池発電システム。
また、第２の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記演算流量として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスの流量を演算する、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
また、第３の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、
前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、
前記燃料ガスの流路の所定の２点におけるそれぞれの前記燃料ガスの圧力の差を検出する差圧検出手段と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスによる前記所定の２点間の圧力の差の演算値と、前記所定の２点間の前記燃料ガスの前記圧力の差の検出値とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた、燃料電池発電システムである。
また、第４の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記演算値として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスによる前記所定の２点間の圧力の差を演算する、第３の本発明の燃料電池発電システムである。
また、第５の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、
前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、
前記燃料ガスの水蒸気濃度または原料濃度を検出する濃度検出手段と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量と演算される、燃料ガスに含まれる水蒸気濃度の演算値と、前記検出された水蒸気濃度または原料濃度とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた、燃料電池発電システムである。
また、第６の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記演算値として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスに含まれる水蒸気濃度または原料濃度を演算する、第５の本発明の燃料電池発電システムである。
また、第７の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段をさらに備えた、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
また、第８の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段をさらに備えた、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
また、第９の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御手段をさらに備えた、第８の本発明の燃料電池発電システムである。
また、第１０の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段をさらに備えた、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
また、第１１の本発明は、前記水蒸気濃度検出手段は、前記燃料ガスの流路を通流する前記燃料ガスの露点を検出することによって前記水蒸気濃度を検出する、第５の本発明の燃料電池発電システムである。
また、第１２の本発明は、前記水蒸気濃度検出手段は、前記燃料ガスの流路を通流する前記燃料ガスの相対湿度を検出することによって前記水蒸気濃度を検出する、第５の本発明の燃料電池発電システムである。
また、第１３の本発明は、前記水蒸気流量検出手段の代わりに、前記改質器に供給される前記水蒸気を生成するために供給する水の量を測定する水用流量計を備え、
前記劣化度検出手段は、前記水蒸気の流量の代わりに、前記水用流量計で測定した前記供給する水の量に基づいて前記改質器の劣化度を算出する、第５の本発明の燃料電池発電システムである。
また、第１４の本発明は、前記改質器の前記劣化度と発電時間から劣化度低下速度を求め、前記燃料電池での発電が可能な前記改質器の劣化度の下限値に至るまでの期間を算出する寿命診断手段を備えた、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
また、第１５の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記改質器の前記劣化度としてメタン転化率を用いる、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
また、第１６の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、
前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、
前記改質器にて生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出工程と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池システムの改質器の劣化度検出方法。
また、第１７の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、
前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、
前記改質器にて生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出工程と、
前記燃料ガスの流路の所定の２点におけるそれぞれの前記燃料ガスの圧力の差を検出する差圧検出工程と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスによる前記所定の２点間の圧力の差の演算値と、前記所定の２点間の前記燃料ガスの前記圧力の差の検出値とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法である。
また、第１８の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、
前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、
前記燃料ガスの水蒸気濃度または原料濃度を検出する濃度検出工程と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスに含まれる水蒸気濃度の演算値と、前記検出された水蒸気濃度または原料濃度とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法である。
また、第１９の本発明は、第１６から第１８のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱工程を備えた、燃料電池発電方法である。
また、第２０の本発明は、第１６から第１８のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法である。
また、第２１の本発明は、第１６から第１８のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法である。
また、第２２の本発明は、第１６から第１８のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御工程を備えた、燃料電池発電方法である。
また、第２３の本発明は、第１の本発明の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
また、第２４の本発明は、第３の本発明の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスによる前記所定の２点間の圧力の差の演算値と、前記所定の２点間の前記燃料ガスの前記圧力の差の検出値とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
また、第２５の本発明は、第５の本発明の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量と演算される、燃料ガスに含まれる水蒸気濃度または原料濃度の演算値と、前記検出された水蒸気濃度とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
また、第２６の本発明は、第７の本発明の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
また、第２７の本発明は、第８の本発明の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
また、第２８の本発明は、第９の本発明の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量増加手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
また、第２９の本発明は、第１０の本発明の前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
また、第３０の本発明は、第２３から第２９のいずれかの本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。
本発明により、改質ガス温度を一定温度に制御しながら改質器の劣化検出を行える、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、実施の形態１における燃料電池発電システムを示す構成図である。
図２は、実施の形態２における燃料電池発電システムを示す構成図である。
図３は、実施の形態３における燃料電池発電システムを示す構成図である。
図４は、実施の形態４における燃料電池発電システムを示す構成図である。
図５は、実施の形態１における劣化度の検出動作を示すフローチャートである。
図６は、実施の形態２における劣化度の検出動作を示すフローチャートである。
図７は、実施の形態３における劣化度の検出動作を示すフローチャートである。
図８は、実施の形態４における寿命診断動作を示すフローチャートである。
図９は、従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。
図１０は、実施の形態５における燃料電池発電システムを示す構成図である。
図１１は、実施の形態５における燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
図１２は、実施の形態６における燃料電池発電システムを示す構成図である。
図１３は、実施の形態６における燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
図１４は、実施の形態７における燃料電池発電システムを示す構成図である。
図１５は、実施の形態７における燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
図１６は、実施の形態８における燃料電池発電システムを示す構成図である。
図１７は、実施の形態８における燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
図１８は、実施の形態８における燃料電池発電システムの動作を説明する為の図である。
図１９は、本発明の燃料電池発電システムの実施例の運転状態を示すグラフである。
図２０は、本発明の燃料電池発電システムの比較例の運転状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１、１１  燃料電池
２、１２  改質器
３、１３  バーナ
４  変成器
５、１５  脱硫器
６、７、１６、１７  遮断弁
８、１８、２８  流量制御弁
９  温度センサ
１０  劣化診断部
１４  一酸化炭素除去器
１９  原料ガス流量計
２０  水蒸気流量計
２１  燃料ガス流量計
２２  劣化度検出部
２３  差圧計
２４  水蒸気濃度計
２５  寿命診断部
２６  バーナ制御手段
２７  ＤＣ−ＡＣインバータ
２９  流量制御弁制御手段
３０  入力電流制御手段
３１  インバータ制御手段
【発明を実施するための最良の形態】  以下に本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。なお、図１の点線で示す矢印は、検出した信号の流れを示している。
本実施の形態１における燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１１を備えている。また、原料ガスである都市ガスを水蒸気改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成する改質器１２を備えている。また、燃焼ガスとしての都市ガスまたは燃料電池１１から排出される排気燃料ガスを燃焼することにより改質器１２の温度維持を行なうバーナ１３を備えている。
また、改質器１２で生成される燃料ガスに含まれる一酸化炭素を低減させる一酸化炭素除去器１４と、都市ガスに含まれる腐臭成分を除去する脱硫器１５を備えている。
また、原料ガスおよび燃焼ガスの供給／遮断を行なう遮断弁１６および遮断弁１７を備えている。また、原料ガスの流量を制御する流量制御弁１８を備えている。また、原料ガスの流量を検出する原料ガス流量計１９と、改質器１２に供給される水蒸気の流量を検出する水蒸気流量計２０と、改質器１２出口の燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量計２１を備えている。
また、原料ガス流量計１９、水蒸気流量計２０および燃料ガス流量計２１からの信号を受けて改質器１２の劣化度を検出する劣化度検出部２２を備えている。
なお、原料ガス、原料ガス流量計１９、水蒸気流量計２０、燃料ガス流量計２１、劣化度検出部２２は、それぞれ本発明の、原料、原料流量検出手段、水蒸気流量検出手段、燃料ガス流量検出手段、劣化度検出手段としての具体的な一例である。また、一酸化炭素除去器１４としては、水蒸気によりシフト反応を行なう変成器と酸素により酸化反応をさせる一酸化炭素選択酸化器のいずれか一方、もしくは両方が考えられる。
次に、本実施の形態１における燃料電池発電システムの動作について説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法について説明を行う。なお、以下の実施の形態についても、それぞれ本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法について説明を行うものとする。
システム外部から供給された原料ガスとしての都市ガスは、脱硫器１５で腐臭成分が除去された後、水蒸気とともに改質器１２に供給される。そして、原料ガスは、改質器１２で水蒸気改質され、さらに一酸化炭素除去器１４で一酸化炭素濃度が低減されて、水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１１に供給される。
一方、燃料電池１１には酸化剤ガスとしての反応空気が供給されており、燃料ガスと反応空気とが電気化学的に反応して発電を行なう。この燃料電池１１で発生した直流電流は、ＤＣ−ＡＣインバータ（図示せず）で交流電力に変換された後、外部負荷へ供給される。また、燃料電池１１で発電に使用されなかった水素を含む排気燃料ガスは、バーナ１３に供給され、改質器１２を加熱する燃料として使用される。なお、燃料電池発電システムの起動時には、遮断弁１７を開けて都市ガスをバーナ１３で燃焼させ、改質器１２を昇温する。また、供給される原料ガス流量は流量制御弁１８で制御される。
次に、改質器１２の劣化度の検出動作について、図１と図５を用いて説明する。図５は、改質器１２の劣化度を検出する際の運転方法を示すフローチャートである。
まず、原料ガスの流量を原料ガス流量計１９で検出する（ステップＳ１）。次に、改質用水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で検出する（ステップＳ２）。さらに、改質器１２により生成される燃料ガスの流量を燃料ガス流量計２１で検出する（ステップＳ３）。劣化度検出部２２は、これらの各流量検出信号を受信し、検出された原料ガス流量と水蒸気流量から改質器１２におけるメタン転化率と燃料ガス所定流量の関係を算出する。そして、劣化度検出部２２は、この算出したメタン転化率と燃料ガス所定流量の関係と、実際に検出された燃料ガス流量とを比較する（ステップＳ４）。これによって得られる改質器１２におけるメタン転化率の低下割合から、改質器１２の劣化度を算出する（ステップＳ５）。
本実施の形態１の燃料電池発電システムの改質器１２における劣化度の算出動作の原理は次のとおりである。
改質器１２では、（化１）に示す改質反応によりメタンから水素が生成される。
2005018035.tif 000003
メタン転化率が１００％の場合、１ＮＬ／ｍｉｎのメタンと２ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気から、４ＮＬ／ｍｉｎの水素と１ＮＬ／ｍｉｎの二酸化炭素が生成される。つまり、全体の流量は３ＮＬ／ｍｉｎから５ＮＬ／ｍｉｎに増加する。
また、メタン転化率が５０％の場合、１ＮＬ／ｍｉｎのメタンと２ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気から、２ＮＬ／ｍｉｎの水素と０．５ＮＬ／ｍｉｎの二酸化炭素が生成され、０．５ＮＬ／ｍｉｎのメタンと１ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気が残る。この場合には、全体の流量は３ＮＬ／ｍｉｎから４ＮＬ／ｍｉｎに増加するが、全体の流量の増加量は、メタン転化率が１００％の場合よりも減少している。
本実施の形態１の改質器１２における劣化度の検出動作は、このようにメタン転化率の変化によって、同じ組成のインプット流量に対するアウトプット流量が変化すること、具体的に言えば、メタン転化率が減少すると、同じ組成のインプット流量（メタンの流量と水蒸気の流量の和）に対するアウトプット流量（改質器１２で生成された水素リッチな燃焼ガスの流量）の増分が減少することを利用している。当然、原料ガスとしての都市ガスには、メタンのほかにエタン、ブタン、プロパン等も含まれるが、メタン以外についても同様のことが言える。また、もちろん、改質器１２には（化１）の理論比以上に水蒸気を供給するが、そのことも考慮して算出し比較する。
すなわち、本実施の形態１における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、原料ガス流量計１９および水蒸気流量計２０および燃料ガス流量計２１および劣化度検出部２２を備えることにより、原料ガス流量および水蒸気流量から予め算出される改質器１２固有のメタン転化率と燃料ガス所定流量の関係と、実際に検出された燃料ガス流量とを比較することができ、改質器１２のメタン転化率の低下割合から改質器１２の劣化度を算出することができる。
なお、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは、改質器１２の劣化度として、より好ましい「メタン転化率」を用いる場合について説明したが、たとえば別の劣化度を用いる方法として、「原料流量と水蒸気流量に対して、予め燃料ガス流量と燃料ガス中の水素濃度の相関を実験的に求め、それらのデータと比較する」ことによって行なうことも可能である。
また、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは、燃料ガス流量計２１を改質器１２と一酸化炭素除去器１４の間に配置したが、メタン転化率は改質器１２の性能で決まるため、一酸化炭素除去器１４と燃料電池１１との間に配置しても同様である。また、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは、「改質反応に必要な水は水蒸気として供給し、その供給水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で測定する」構成としたが、「改質反応に必要な水蒸気を水（液体）で供給し、その供給水流量を水用流量計で測定する」構成としても同様である。ただし、この場合は、水を蒸発させる蒸発部が水用流量計の下流に必要となる。
また、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは、図５のフローチャートに示すように、劣化度検出部２２は、改質器１２には（化１）の理論比以上に水蒸気を供給されることから、そのことも考慮して算出し比較するものとして説明を行ったが、改質器１２の実際の運転条件を考慮せず、測定値としての原料流量と水蒸気流量および理論比のみに基づいて、理想値としての燃料ガス流量を算出し、これを検出された燃料ガス流量の実測値と比較して、メタン転化率を求めるようにしてもよい。この場合、劣化度検出部２２の演算方式をより簡略化し、汎用性を高めることができる効果がある。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図２の点線で示す矢印は、検出した信号の流れを示している。
本実施の形態２における燃料電池発電システムでは、図１の燃料ガス流量計２１の代わりに、改質器１２の燃料ガスが排出される改質器１２の下流側流路に差圧計２３を備えている。また、本実施の形態２における燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。なお、差圧計２３は、本発明の差圧検出手段の一例である。
次に、本実施の形態２における燃料電池発電システムの改質器１２の劣化度の検出動作について、図２と図６を用いて説明する。図６は、改質器１２の劣化度を検出する際の運転方法を示すフローチャートである。
まず、原料ガスの流量を原料ガス流量計１９で検出する（ステップＳ１１）。次に、改質用水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で検出する（ステップＳ１２）。さらに、改質器１２により生成される燃料ガスの、改質器１２の下流側流路における所定の２点間の圧力の差を差圧計２３で測定する（ステップＳ１３）。劣化度検出部２２は、これらの各流量検出信号および差圧測定信号を受信し、検出された原料ガス流量と水蒸気流量から改質器１２におけるメタン転化率と下流側流路における流体差圧の関係を算出する。そして、劣化度検出部２２は、この算出したメタン転化率と下流側流路における流体差圧の関係と、実際に検出された下流側流路における流体差圧の値とを比較する（ステップＳ１４）。これによって得られる改質器１２のメタン転化率の低下割合から改質器１２の劣化度を算出する（ステップＳ１５）。
本実施の形態２の燃料電池発電システムの改質器１２における劣化度の算出動作は、メタン転化率変化による流量変化に従い、測定区間の流体圧力損失が変化すること、具体的に言えば、改質器１２が劣化した後の燃料ガスの差圧が、改質器１２が劣化する前の燃料ガスの差圧よりも減少することを利用している。本実施の形態２で使用した差圧計２３は、実施の形態１で用いた燃料ガス流量計２１に比べて低コスト化を図ることができるとともに、高温下でも安定して作動し、流体の脈動に対しても正確に測定できるという利点がある。
なお、上記の構成においては、劣化度検出部２２は、改質器１２には（化１）の理論比以上に水蒸気を供給されることから、そのことも考慮して算出し比較するものとして説明を行ったが、改質器１２の実際の運転条件を考慮せず、測定値としての原料流量と水蒸気流量および理論比のみに基づいて、理想値としての燃料ガスの差圧を算出し、これを検出された燃料ガスの差圧の実測値と比較して、メタン転化率を求めるようにしてもよい。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図３の点線で示す矢印は、検出した信号の流れを示している。また、本実施の形態３における燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
本実施の形態３における燃料電池発電システムでは、図１の燃料ガス流量計２１の代わりに、改質器１２と一酸化炭素除去器１４との間の燃料ガス流路に水蒸気濃度計２４を備えている。なお、水蒸気濃度計２４は、本発明の濃度検出手段の一例である。
次に、本実施の形態３における燃料電池発電システムの改質器１２の劣化度の検出動作について、図３と図７を用いて説明する。図７は、改質器１２の劣化度を検出する際の運転方法を示すフローチャートである。
まず、原料ガスの流量を原料ガス流量計１９で検出する（ステップＳ２１）。次に、改質用水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で検出する（ステップＳ２２）。
さらに、改質器１２により生成される燃料ガス中の水蒸気濃度を水蒸気濃度計２４で検出する（ステップＳ２３）。劣化度検出部２２は、これらの各流量検出信号および水蒸気濃度信号を受信し、検出された原料ガス流量と水蒸気流量から改質器１２におけるメタン転化率と燃料ガス中の水蒸気所定濃度の関係を算出する。
そして、劣化度検出部２２は、この算出したメタン転化率と燃料ガス中の水蒸気所定濃度の関係と、実際に検出された燃料ガス中の水蒸気濃度とを比較する（ステップＳ２４）。これによって得られる改質器１２のメタン転化率の低下割合から改質器１２の劣化度を算出する（ステップＳ２５）。
本実施の形態３の燃料電池発電システムの改質器１２における劣化度の算出動作の原理は次のとおりである。
改質器１２では、（化１）に示す改質反応によりメタンから水素が生成される。
メタン転化率が１００％の場合、１ＮＬ／ｍｉｎのメタンと２ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気から、４ＮＬ／ｍｉｎの水素と１ＮＬ／ｍｉｎの二酸化炭素が生成される。つまり、燃料ガス中の水蒸気濃度は０％となる。
また、メタン転化率が５０％の場合、１ＮＬ／ｍｉｎのメタンと２ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気から、２ＮＬ／ｍｉｎの水素と０．５ＮＬ／ｍｉｎの二酸化炭素が生成され、０．５ＮＬ／ｍｉｎのメタンと１ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気が残る。この場合には、燃料ガス中の水蒸気濃度は２５％となる。
本実施の形態３の改質器１２における劣化度の算出動作は、このようにメタン転化率の変化によって、同じ組成のインプット流量に対するアウトプットの燃料ガス中の水蒸気濃度が変化することを利用している。当然、原料ガスとしての都市ガスには、メタンのほかにエタン、ブタン、プロパン等も含まれるが、メタン以外についても同様のことが言える。また、もちろん、改質器１２には水蒸気を（化１）の理論比以上に供給するが、そのことも考慮して算出し比較する。
すなわち、本実施の形態２における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、原料ガス流量計１９および水蒸気流量計２０および水蒸気濃度計２４および劣化度検出部２２を備えることにより、原料ガス流量および水蒸気流量から予め算出されるメタン転化率と水蒸気所定濃度の関係と、実際に検出された水蒸気濃度とを比較することができ、改質器１２のメタン転化率の低下割合から改質器１２の劣化度を算出することができる。
なお本実施の形態３の燃料電池発電システムでは、改質器１２の劣化度として、より好ましい「メタン転化率」を用いる場合について説明をしたが、たとえば別の劣化度を用いる方法として、「原料流量と水蒸気流量に対して、予め燃料ガス中の水蒸気濃度と水素濃度の相関を実験的に求め、それらのデータと比較する」ことによって行なうことも可能である。
また、本実施の形態３の燃料電池発電システムでは、水蒸気濃度計２４を改質器１２と一酸化炭素除去器１４の間に配置したが、メタン転化率は改質器１２の性能で決まるため、一酸化炭素除去器１４と燃料電池１１との間に配置しても同様である。また、本実施の形態３の燃料電池発電システムでは、「改質反応に必要な水は水蒸気として供給し、その供給水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で測定する」構成としたが、「改質反応に必要な水蒸気を水（液体）で供給し、その供給水流量を水用流量計で測定する」構成としても同様である。ただし、この場合は、水を蒸発させる蒸発部が水用流量計の下流に必要となる。
また、改質器１２で生成される燃料ガスに含まれる水蒸気の濃度を検出する手段として露点計を用いることができる。この場合、水分量を正確に検出できるため有用である。
また、改質器１２で生成される燃料ガスに含まれる水蒸気の濃度を検出する手段として相対湿度を測定する湿度計を用いることもできる。この場合、システムを低コスト化できるとともにコンパクト化もできるため有用である。
また、図７のフローチャートに示すように、劣化度検出部２２は、改質器１２には（化１）の理論比以上に水蒸気を供給されることから、そのことも考慮して算出し比較するものとして説明を行ったが、改質器１２の実際の運転条件を考慮せず、測定値としての原料流量と水蒸気流量および理論比のみに基づいて、理想値としての燃料ガス流量を算出し、これを検出された燃料ガス流量の実測値と比較して、メタン転化率を求めるようにしてもよい。
また、上記の説明においては、改質器１２で生成される燃料ガスに含まれる水蒸気の濃度を検出し、これと、原料ガス流量および水蒸気流量から予め算出されるメタン転化率と水蒸気所定濃度の関係とを比較することにより改質器１２の劣化度を求めることとしたが、本発明の濃度検出手段は、ガス分析計等を用いた、燃料ガスに含まれるメタン等の原料ガスの濃度を直接検出する手段として実現してもよい。この場合、直接原料ガスの濃度を得られるために、より精度の高いメタン転化率の算出が可能となる。
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図４の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
本実施の形態４における燃料電池発電システムでは、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムの構成に加えて、劣化度検出部２２での劣化度の算出値をもとに改質器１２の取替え時期を判定する寿命診断部２５をさらに備えている。なお、寿命診断部２５は、本発明の寿命診断手段の一例である。なお、本実施の形態４における燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
本実施の形態４における燃料電池発電システムの改質器１２の取替え時期を判定する寿命診断動作について、図４と図８を用いて説明する。図８は、改質器１２の取替え時期を判定する際の運転方法を示すフローチャートである。図８に示すステップＳ１からＳ５については、図５で説明した実施の形態１のステップと同様なので説明を省略する。
寿命診断部２５は、実施の形態１について図５で説明したステップＳ５により劣化度検出部２２が算出したメタン転化率を受け、メタン転化率と発電時間の関係からメタン転化率の低下速度を求める（ステップＳ６）。そして、メタン転化率の低下速度から、燃料電池１１が発電可能なメタン転化率の下限値に至るまでの期間を算出する（ステップＳ７）。そして、改質器１２の取替え時期を判定し寿命診断をする（ステップＳ８）。
すなわち、本実施の形態４における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、実施の形態１の燃料電池発電システムに加えて寿命診断部２５をさらに備えることにより、メタン転化率と発電時間の関係からメタン転化率の低下速度を求め、改質器１２の取替え時期を判定し寿命診断をすることができる。
なお、本実施の形態４の燃料電池発電システムは、実施の形態１の燃料電池発電システムおよびその運転方法からの発展形として説明したが、他の実施の形態の燃料電池発電システムおよびその運転方法からの発展形としても同様に実施できる。
以上説明したことから明らかなように、改質ガス温度を一定温度に制御する本発明の燃料電池発電システムでは、改質器の劣化検出をその場で瞬時に且つ連続的に行い、改質触媒の取替時期を判定することが可能である。
（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図１０の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
本実施の形態５における燃料電池発電システムは、改質器１２の劣化がもたらす、燃料ガス中の水素の減少に伴う、燃料電池１１の電圧低下に起因する出力電力減少を改善するものである。一般に燃料電池１１は、水素リッチな燃料ガスの流れ方向にスタックされ、燃料ガスが通過する複数のセルからなるが、改質器が劣化し、燃料ガス中の水素が燃料ガスの流れ上流側のセルにて消費されてしまい、下流側ではほとんど起電力を発生しなくなってしまうため、直列接続されたセルからなる燃料電池１１の電圧が低下してしまう。また燃料ガスの流量が低下するため、発生する電流量が減少し、ひいては得られる電力量も減少してしまう。
本実施の形態以下の燃料システムは、改質器１２の劣化にともなう上記の問題を解消するものであり、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムの構成に加えて、劣化度検出部２２での劣化度を受けてバーナ１３の動作を制御するバーナ制御手段２６をさらに備えている。なお、バーナ制御手段２６およびバーナ１３は、本発明の改質器加熱手段の構成の一例である。また、燃料電池１１から図示しない負荷に交流電力を供給するための、ＤＣ−ＡＣインバータ２７も示した。
本実施の形態５における燃料電池発電システムの、改質器１２の劣化度を受けた改質器１２の反応温度を上昇させる動作を図１０と図１１を用いて説明するとともに、本発明の燃料電池発電方法について説明を行う。なお、以下の実施の形態についても、それぞれ本発明の燃料電池発電方法について説明を行うものとする。
図１１は、改質器１２の昇温動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。
図１１に示すステップＳ１からＳ３については、図５で説明した実施の形態１のステップと同様であり、またＳ３１はＳ４およびＳ５をひとくくりにしたステップであるので説明を省略する。
次に、劣化度判定部２２から得られた劣化度としてのメタン転化率φと、燃料ガス流量Ｑ３とを受けて、バーナ制御手段２６は、現在改質器１２が生成可能な生成水素量Ｑ４を演算する（Ｓ３２）。さらに、この生成水素量Ｑ４に基づいて、燃料電池１１が発電可能な出力直流電流Ａ１を演算する（Ｓ３３）。
さらに、ＤＣ−ＡＣインバータ２７の運転状態を参照して、現在の交流発電量Ｗｎにおける出力直流電流Ａｎに対して、Ａｎ＞Ａ１であるかどうかの判定を行う（Ｓ３４）。Ａｎ＞Ａ１ならば、バーナ制御手段２６は、改質器１２の反応温度をΔＴだけ上昇させるように、都市ガスの供給量を増加させるなど、バーナ１３の火力を上げる制御を行い、Ｓ３に戻る（Ｓ３５）。改質器１２の温度が上昇すると、メタン転化率は改善に転じ、良好な燃料ガスが燃料電池１１に供給され、適切な電圧を得ることができる。
一方、Ａｎ≦Ａ１ならば、バーナ制御手段２６は、改質器の反応温度を現状維持するように制御を行う。現在の交流発電量Ｗｎは維持される（Ｓ３６）。
（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図１２の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
本実施の形態の燃料システムは、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムの構成に加えて、水蒸気の供給量を可変する流量制御弁２８および劣化度検出部２２での劣化度を受けて流量制御弁２８の動作を制御する流量制御弁制御手段２９をさらに備えている。なお、流量制御弁２８および流量制御弁制御手段２９は、本発明の水蒸気流量制御手段の構成の一例である。また、実施の形態５の場合と同様、燃料電池１１から図示しない負荷に交流電力を供給するための、ＤＣ−ＡＣインバータ２７も示した。
本実施の形態６における燃料電池発電システムの、改質器１２の動作を図１２と図１３を用いて説明する。図１３は、改質器１２への水蒸気供給動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。
図１３に示すステップＳ１からＳ３については、図５で説明した実施の形態１のステップと同様であり、またＳ３１はＳ４およびＳ５をひとくくりにしたステップであり、またＳ３２〜３４およびＳ３６は、実施の形態５の図１１のフローチャートと同様である。すなわち本実施の形態は、劣化度判定部２２から得られた劣化度としてのメタン転化率φと、燃料ガス流量Ｑ３とを受けて、流量制御弁制御手段２９が、現在改質器１２が生成可能な生成水素量Ｑ４を演算する（Ｓ３２）。さらに、この生成水素量Ｑ４に基づいて、燃料電池１１が発電可能な出力直流電流Ａ１を演算する（Ｓ３３）。
さらに、ＤＣ−ＡＣインバータ２７の運転状態を参照して、現在の交流発電量Ｗｎにおける出力直流電流Ａｎに対して、Ａｎ＞Ａ１であるかどうかの判定を行う（Ｓ３４）。Ａｎ＞Ａ１ならば、流量制御弁制御手段２９は、改質器１２への水蒸気流量をΔＱ２だけ上昇させるように、流量制御弁２８の開度を大きくする制御を行う（Ｓ４１）。改質器１２への水蒸気供給量が増加すると、改質反応の平衡状態が水素生成側へシフトし、メタン転化率は改善に転じ、良好な燃料ガスが燃料電池１１に供給され、適切な電圧を得ることができる。
一方、Ａｎ≦Ａ１ならば、流量制御弁制御手段２９は、流量制御弁２８の開度を現状維持する。現在の交流発電量Ｗｎは維持される（Ｓ３６）。
（実施の形態７）
図１４は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１、図１２と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図１４の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
本実施の形態の燃料システムは、図１４に示す実施の形態６の燃料電池発電システムの構成に加えて、流量制御弁制御手段２９が、さらに都市ガスの流量制御弁１８も制御する構成とした点が異なる。
本実施の形態６における燃料電池発電システムの、改質器１２の劣化度を受けた改質器１２の反応温度を上昇させる動作を図１４と図１５を用いて説明する。図１５は、改質器１２への水蒸気および原料ガスとしての都市ガスの供給動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。ただし実施の形態６と同様のステップは省略し、相違点を中心に述べる。すなわち、Ｓ３４において、現在の出力直流電流Ａｎ＞発電可能な出力直流電流Ａ１と判断した場合、流量制御弁制御手段２９は、改質器１２への水蒸気流量をΔＱ２だけ上昇させるように、流量制御弁２８の開度を大きくする制御を行い（Ｓ４１）、この後に改質器１２への都市ガスの流量をΔＱ１だけ上昇させるように、流量制御弁１８の開度を大きくする制御を行う（Ｓ４２）。
ここで水蒸気流量を制御した後に都市ガスの流量を制御する理由は以下の通りである。すなわち、先に原料ガスを単独で増やすと（１）燃料ガスの露点が下がり、燃料電池１１の寿命が短くなる恐れがある、（２）また燃料ガスに占める水蒸気割合が少なくなると、改質器１２内部でメタン（ＣＨ４）の炭素が析出し、改質器１２の触媒の性能が低下する恐れがある、（３）一酸化炭素除去器１４での一酸化炭素（ＣＯ）除去能力が低下し、燃料ガス中のＣＯが多くなり、燃料電池１１がＣＯ被毒する恐れがある、等の不具合がある。したがって、実施の形態６および本実施の形態においては、原料ガスの供給量を単独で制御すること、および原料ガスの供給量の増加を、水蒸気の供給量の増加に先だって制御することは実行しない。
以上の制御により、改質器１２には、水蒸気供給量に併せて都市ガスの供給量も増加される。これにより実施の形態６と同様の原理によりメタン転化率が改善に転ずることと併せて、改質反応に必要な原料ガスおよび水蒸気の絶対量が増加することにより、発生する燃料ガスの総量も増加することで、燃料電池１１に必要な都市ガスを供給して適切な電圧を得ることができる。
（実施の形態８）
図１６は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図１６の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
本実施の形態の燃料システムは、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムの構成に加えて、燃料電池１１から図示しない負荷に交流電力を供給するための、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が、燃料電池１１から引き出す電流量を制御するための入力電流制御手段３０および劣化度検出部２２での劣化度を受けて入力電流制御手段３０の動作を制御するインバータ制御手段３１をさらに備えている。なお、入力電流制御手段３０およびインバータ制御手段３１は、本発明の発電出力制御手段の一例である。
本実施の形態８における燃料電池発電システムは、改質器１２の劣化がもたらす、燃料ガス中の水素の減少に伴う、燃料電池１１の電圧低下に対し、燃料電池１１の発電出力を低減することにより、ＤＣ−ＡＣインバータ２７の安定動作を確保するものである。
本実施の形態８における燃料電池発電システムの、改質器１２の劣化度を受けた燃料電池１１からの発電出力低減動作を図１６と図１７を用いて説明する。図１７は、燃料電池１１からの発電出力低減動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。
図１７に示すステップＳ１からＳ３については、図５で説明した実施の形態１のステップと同様であり、またＳ３１はＳ４およびＳ５をひとくくりにしたステップであり、またＳ３２〜３４およびＳ３６は、実施の形態５の図１１のフローチャートと同様である。
すなわち本実施の形態は、劣化度判定部２２から得られた劣化度としてのメタン転化率φと、燃料ガス流量Ｑ３とを受けて、インバータ制御手段３１が、現在改質器１２が生成可能な生成水素量Ｑ４を演算する（Ｓ３２）。さらに、この生成水素量Ｑ４に基づいて、燃料電池１１が発電可能な出力直流電流Ａ１を演算する（Ｓ３３）。
さらに、ＤＣ−ＡＣインバータ２７の運転状態を参照して、現在の交流発電量Ｗｎにおける出力直流電流Ａｎに対して、Ａｎ＞Ａ１であるかどうかの判定を行う（Ｓ３４）。Ａｎ＞Ａ１ならば、インバータ制御手段３１は、インバータ２７の入力電流制御手段３０が燃料電池１１から引き出す電流量を低減するように制御する（Ｓ５１）。燃料電池１１からの電流量が低減されることにより、燃料電池１１が出力するＤＣ−ＡＣインバータ２７への電力は低減されることになる。また、入力電流制御手段３０は、燃料電池１１の電圧に対する制御は行わないが、燃料電池１１の電圧は上昇する。
したがって、燃料電池１１については、電流値を低減させることで電力が低減させる一方、電圧は高く保たせることができる。
燃料電池１１は電圧が低くなっても電力を供給することができるが、負荷に交流電力として燃料電池の電力を変換して供給するＤＣ−ＡＣインバータ２７は、所定の電圧値以下となると動作しなくなる。図１８に示すように、改質器１２の劣化による転化率φに起因して、燃料電池１１が供給可能な電圧、電流はともに劣化するが、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が動作可能な入力下限電圧Ｖｔに対応する電流量も低下する。
燃料電池１１に供給される燃料ガスが一定であるとき、劣化前の場合、入力下限電圧Ｖｔに対する電流量は大きいが、劣化後は図中点線に示す直線のように、必要な電流量を得られなくなる。燃料ガスの供給量を増加すればこれは解消されるが、改質器１２の劣化度が高くなり、メタン転化率が悪化している状態で燃料ガスを供給することは原料ガスおよび水蒸気の浪費を招くことになる。
そこで本実施の形態は、劣化による電流−電圧曲線の傾きの変化を利用して、電流量を低減することにより燃料電池の電圧を入力下限電圧Ｖｔ以上となるように保ち、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が動作可能な時間をより長く保つようにしている。燃料電池１１から引き出せる電力量は低減されるが、負荷に対する不足分は図示しない系統電力により供給することになる。
一方、Ａｎ≦Ａ１ならば、インバータ制御手段３１は、入力電流制御手段３０の動作状態を現状維持する。現在の交流発電量Ｗｎは維持される（Ｓ３６）。
このように、本実施の形態によれば、改質器１２の劣化を受けても、燃料電池１１からの電力量を低減することにより、一定の原料ガス、水蒸気の供給条件の下でも、長期間システムを動作可能な状態におくことが可能となる。
以上、実施の形態５〜８において、改質器１２のメタン転化率の低下としての劣化度を受けて、燃料電池発電システムを良好に動作させるための構成を説明したが、これら各実施の形態は、個別に実施してもよいし、複数の構成を任意に組み合わせて実施してもよい。
実施の形態５〜８の全構成を備えた燃料電池発電システムを実施例として以下に示す。
【実施例】  本実施例の燃料電池発電システムは、劣化度検出部２２が改質器１２の劣化度を検出すると、（１）実施の形態５の動作（２）実施の形態６の動作（３）実施の形態７の動作（４）実施の形態８の動作をそれぞれ順番に追加して行うことにより、システムの動作の安定化を図る。さらに詳細には、最初に改質器の劣化が検出されると実施の形態５の改質器１２の加熱動作を行い、以後はこの動作をバックグラウンドで行いながら、上記（２）〜（４）の動作を平行させて実行する。
燃料電池１１として通常運転時の定格出力１０００Ｗのものを用い、連続運転を試みた場合の発電時間毎の流量（Ｌ／ｍｉｎ）、メタン転化率（％）、改質器１２の温度（℃）、燃料電池１１の出力電力（Ｗ）の推移をグラフとして図１９に示す。
図１９に示すように、運転時間が１０００時間に達したあたりから転化率の低下が見られ、１７００時間を経過したあたりで、転化率が８０％近くまで低下したため、バーナ制御手段２６により、改質器１２の反応温度をΔＴとして３０℃上昇するようバーナ１３の火力を上げる制御を行った。これにより転化率は回復し、改質器１２へ供給する水蒸気流量、原料ガス流量および燃料電池１１の電力出力のいずれも運転開始当初の状態を維持できている。
次に、運転時間が３４００時間を経過したあたりで、転化率が再び８０％まで低下したため、今度は流量制御弁制御手段２９が、改質器１２への水蒸気流量をΔＱ２として２Ｌ／ｍｉｎだけ上昇させるように、流量制御弁２８の開度を大きくする制御を行った。これにより転化率は再び初期状態に回復し、改質器１２へ供給する原料ガス流量および燃料電池１１の電力出力のいずれが運転開始当初の状態を維持できている。
さらに運転時間が４８００時間を経過したあたりで、転化率が再び８０％まで低下したため、今度は流量制御弁制御手段２９が、改質器１２への水蒸気流量および原料ガス流量小刻みに増加させるよう、流量制御弁１８および２８の開度を断続的に大きくする制御を行った。これにより転化率の大幅な低下を抑えつつ、燃料ガスの生成量を増加させることにより、交流出力を初期状態に維持している。
さらに運転時間が６３００時間を経過したあたりで、流量制御弁制御手段２９の制御上限に達したため、水蒸気流量および原料ガス流量の供給量を最大値（水蒸気５Ｌ／ｍｉｎ、原料ガス１７．５Ｌ／ｍｉｎ）で固定し、入力電流制御手段３０が制御するインバータ制御手段３１を制御して、燃料電池１１からの交流出力を減少させる。減少した電力分は外部の系統電力で補う。最終的に、転化率が６２％近くを割り込むと、燃料電池１１の電圧は、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が動作可能な入力下限電圧Ｖｔ以下となり、システムの運転は開始後約７０００時間で停止する。
（比較例）
一方、実施の形態１と同一構成であって、実施の形態５〜８の構成を有さない燃料電池発電システムを比較例とした。上記実施例と同様、燃料電池１１として通常運転時の定格出力１０００Ｗのものを用い、連続運転を試みた場合の発電時間毎の流量（Ｌ／ｍｉｎ）、メタン転化率（％）、改質器１２の温度（℃）、燃料電池１１の出力電力（Ｗ）の推移をグラフとして図２０に示す。
図２０に示すように、運転時間が１０００時間に達したあたりから転化率の低下が見られ、１７００時間を経過したあたりで、転化率が８０％近くまで低下した。１８００時間を経過したあたりで燃料電池１１の出力電力に低下が見られるようになり、転化率が７７％近くを割り込むと、燃料電池１１の電圧が、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が動作可能な入力下限電圧Ｖｔ以下となり、システムの運転は開始後約１９００時間で停止した。
このように、実施の形態５〜８を同時に実施した構成とすることにより、燃料電池発電システムの運転時間を向上させることが可能となることがわかった。なお、（１）実施の形態５の動作（２）実施の形態６の動作（３）実施の形態７の動作（４）実施の形態８の動作、の順に実行するものとしたが、運転の都合に応じて、順序を入れ替える、不要な動作を省く等してもよい。ただし、実施の形態６の動作と７の動作だけは、この順を保つようにすることが望ましい。
なお、本発明にかかるプログラムは、上述した本発明の燃料電池発電システムの全部または一部の手段の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムであってもよい。
また、本発明は、上述した本発明の燃料電池発電システムの全部または一部の手段の全部または一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する媒体であってもよい。
なお、本発明の上記「一部の手段」とは、それらの複数の手段の内の、幾つかの手段を意味し、あるいは、一つの手段の内の、一部の機能を意味するものである。
また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータに読みとり可能な記録媒体も本発明に含まれる。
また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
また、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
また、本発明のデータ構造としては、データベース、データフォーマット、データテーブル、データリスト、データの種類などを含む。
また、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送機構、光・電波・音波等が含まれる。
また、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。
なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。
【産業上の利用可能性】  本発明にかかる燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法は、改質ガス温度を一定温度に制御して運転する燃料電池発電システムの改質器の劣化検出を行うことができ、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等として有用である。
【図１】
2005018035.tif 000004
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2005018035.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2005018035.tif 000018
【図１６】
2005018035.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2005018035.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月27日(2006.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、
前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、
前記改質器で生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出手段と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記劣化度検出手段は、前記演算流量として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスの流量を演算する、請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段をさらに備えた、請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段をさらに備えた、請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御手段をさらに備えた、請求項４記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段をさらに備えた、請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記改質器の前記劣化度と発電時間から劣化度低下速度を求め、前記燃料電池での発電が可能な前記改質器の劣化度の下限値に至るまでの期間を算出する寿命診断手段を備えた、請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記劣化度検出手段は、前記改質器の前記劣化度としてメタン転化率を用いる、請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、
前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、
前記改質器にて生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出工程と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池システムの改質器の劣化度検出方法。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱工程を備えた、燃料電池発電方法。
【請求項１１】
請求項９記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法。
【請求項１２】
請求項９記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法。
【請求項１３】
請求項９記載の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御工程を備えた、燃料電池発電方法。
【請求項１４】
請求項１記載の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１５】
請求項３記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１６】
請求項４記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１７】
請求項５記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量増加手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１８】
請求項６記載の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項１９】
請求項１４から請求項１８のいずれかに記載のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池発電システムには、改質ガスの温度を測定することにより改質器の劣化診断を行なうものがあった（例えば、特許文献１参照）。図９は、上記文献１に記載された従来の燃料電池発電システムを示すものである。
【０００３】
図９において、原燃料としての都市ガスは遮断弁６を開けることにより脱硫器５に供給され、触媒劣化要因の腐臭成分が除去される。腐臭成分を除去された都市ガスは、改質用水蒸気と混合され、改質器２で水素リッチな改質ガスが生成される。生成された改質ガス中には触媒劣化要因となる一酸化炭素が１０〜１５％含まれるが、変成器４で一酸化炭素を二酸化炭素に変換させた後、一酸化炭素を低減した燃料ガスとして燃料電池１に供給される。
【０００４】
燃料電池１では、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素を反応させることにより発電を行う。燃料電池発電システムの起動時には遮断弁７を開け、バーナ３で都市ガスを燃焼することにより改質器２を昇温する。起動時以外は遮断弁７を閉め、燃料電池１から排出される排気燃料ガスをバーナ３で燃焼することにより改質器２の温度維持（最大７００℃程度）を行なう。
【０００５】
そして、改質器２内部の改質ガス温度を温度センサ９で測定し、測定した改質ガス温度を用いて劣化診断部１０で改質器２の劣化状態を診断している。
【特許文献１】特開２０００−２６８８４０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、上記の従来の燃料電池発電システムでは、改質器２の劣化状態を診断する手段として改質ガス温度を用いているが、これには以下のような課題がある。
【０００７】
具体的には、上記文献１に記載された図９の燃料電池発電システムは２００ｋＷリン酸形燃料電池発電システムである。このような出力規模のリン酸形燃料電池発電システムでは、通常、その出力（２００ｋＷ）での一定出力発電を行なう。このように出力が大きい場合には、改質器２で生成する改質ガス量および改質器２の改質ガス温度は多少変動しても許容できる。
【０００８】
しかし、出力規模が１ｋＷ程度の小型の燃料電池発電システムや出力変動を行なう家庭用の燃料電池発電システムにおいては、改質器の温度維持に対する温度制御は、より精度よく行なわなければならない。
【０００９】
その理由は、出力規模が１ｋＷ程度のシステムでは、改質器の大きさが上記文献１に記載された改質器２のそれと比較すると非常に小さいために、改質器は温度変動の影響を受けやすいからである。また、出力変動を行なうシステムについても、出力変動による都市ガス供給量と改質用水蒸気量の変動により温度変動を受けやすいことが挙げられる。
【００１０】
そのため、出力規模が１ｋＷ程度の小型の燃料電池発電システムや出力変動を行なう家庭用の燃料電池発電システムにおいては、改質ガスの温度を一定温度に制御することで一定のメタン転化率の下で改質反応を行わせるために、安定した燃料ガス供給を行う必要がある。すなわち、このような燃料電池発電システムでは、改質ガスの温度を一定温度に制御するため、改質ガス温度を用いて改質器の劣化状態を診断することは非常に困難である。
【００１１】
本発明は、上述した課題を考慮して、改質ガス温度を一定温度に制御しながら改質器の劣化検出を行える、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、およびそれらを用いた燃料電池発電システム、燃料電池発電方法等を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、
前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、
前記改質器で生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出手段と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた燃料電池発電システム。
【００１３】
また、第２の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記演算流量として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスの流量を演算する、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００１４】
また、第３の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、
前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、
前記燃料ガスの流路の所定の２点におけるそれぞれの前記燃料ガスの圧力の差を検出する差圧検出手段と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスによる前記所定の２点間の圧力の差の演算値と、前記所定の２点間の前記燃料ガスの前記圧力の差の検出値とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた、燃料電池発電システムである。
【００１５】
また、第４の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記演算値として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスによる前記所定の２点間の圧力の差を演算する、第３の本発明の燃料電池発電システムである。
【００１６】
また、第５の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記改質器に供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出手段と、
前記改質器に供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出手段と、
前記燃料ガスの水蒸気濃度または原料濃度を検出する濃度検出手段と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量と演算される、燃料ガスに含まれる水蒸気濃度の演算値と、前記検出された水蒸気濃度または原料濃度とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段とを備えた、燃料電池発電システムである。
【００１７】
また、第６の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記演算値として、前記改質器が劣化していない場合に生成される燃料ガスに含まれる水蒸気濃度または原料濃度を演算する、第５の本発明の燃料電池発電システムである。
【００１８】
また、第７の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段をさらに備えた、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
【００１９】
また、第８の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段をさらに備えた、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
【００２０】
また、第９の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御手段をさらに備えた、第８の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２１】
また、第１０の本発明は、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段をさらに備えた、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
【００２２】
また、第１１の本発明は、前記水蒸気濃度検出手段は、前記燃料ガスの流路を通流する前記燃料ガスの露点を検出することによって前記水蒸気濃度を検出する、第５の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２３】
また、第１２の本発明は、前記水蒸気濃度検出手段は、前記燃料ガスの流路を通流する前記燃料ガスの相対湿度を検出することによって前記水蒸気濃度を検出する、第５の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２４】
また、第１３の本発明は、前記水蒸気流量検出手段の代わりに、前記改質器に供給される前記水蒸気を生成するために供給する水の量を測定する水用流量計を備え、
前記劣化度検出手段は、前記水蒸気の流量の代わりに、前記水用流量計で測定した前記供給する水の量に基づいて前記改質器の劣化度を算出する、第５の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２５】
また、第１４の本発明は、前記改質器の前記劣化度と発電時間から劣化度低下速度を求め、前記燃料電池での発電が可能な前記改質器の劣化度の下限値に至るまでの期間を算出する寿命診断手段を備えた、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
【００２６】
また、第１５の本発明は、前記劣化度検出手段は、前記改質器の前記劣化度としてメタン転化率を用いる、第１、第３、第５のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
【００２７】
また、第１６の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、
前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、
前記改質器にて生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出工程と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池システムの改質器の劣化度検出方法。
【００２８】
また、第１７の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、
前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、
前記改質器にて生成される前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出工程と、
前記燃料ガスの流路の所定の２点におけるそれぞれの前記燃料ガスの圧力の差を検出する差圧検出工程と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスによる前記所定の２点間の圧力の差の演算値と、前記所定の２点間の前記燃料ガスの前記圧力の差の検出値とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法である。
【００２９】
また、第１８の本発明は、原料と水蒸気を反応させて水素リッチな燃料ガスを生成する改質器へ供給される前記原料の流量を検出する原料流量検出工程と、
前記改質器へ供給される前記水蒸気の流量を検出する水蒸気流量検出工程と、
前記燃料ガスの水蒸気濃度または原料濃度を検出する濃度検出工程と、
前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスに含まれる水蒸気濃度の演算値と、前記検出された水蒸気濃度または原料濃度とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出工程とを備えた、燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法である。
【００３０】
また、第１９の本発明は、第１６から第１８のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱工程を備えた、燃料電池発電方法である。
【００３１】
また、第２０の本発明は、第１６から第１８のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法である。
【００３２】
また、第２１の本発明は、第１６から第１８のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量制御工程を備えた、燃料電池発電方法である。
【００３３】
また、第２２の本発明は、第１６から第１８のいずれかの本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法を利用して、前記燃料ガスを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記劣化度検出工程が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御工程を備えた、燃料電池発電方法である。
【００３４】
また、第２３の本発明は、第１の本発明の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される燃料ガスの演算流量と、前記検出された燃料ガスの検出流量とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００３５】
また、第２４の本発明は、第３の本発明の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量とから演算される、燃料ガスによる前記所定の２点間の圧力の差の演算値と、前記所定の２点間の前記燃料ガスの前記圧力の差の検出値とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００３６】
また、第２５の本発明は、第５の本発明の燃料電池発電システムの、前記原料の流量と前記水蒸気の流量と演算される、燃料ガスに含まれる水蒸気濃度または原料濃度の演算値と、前記検出された水蒸気濃度とを比較することにより、前記改質器の劣化度を算出する劣化度検出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００３７】
また、第２６の本発明は、第７の本発明の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように、前記改質器の反応温度を上昇させる改質器加熱手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００３８】
また、第２７の本発明は、第８の本発明の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記水蒸気流量を増加する制御を行う水蒸気流量制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【００３９】
また、第２８の本発明は、第９の本発明の燃料電池発電システムの、前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な燃料ガス流量以上となるように前記原料流量を増加する制御を行う原料流量増加手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００４０】
また、第２９の本発明は、第１０の本発明の前記劣化度検出手段が検出した劣化度を受けて、前記燃料電池での発電が可能な出力以下に発電出力を低減する制御を行う発電出力制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
【００４１】
また、第３０の本発明は、第２３から第２９のいずれかの本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。
【発明の効果】
【００４２】
本発明により、改質ガス温度を一定温度に制御しながら改質器の劣化検出を行える、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下に本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００４４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。なお、図１の点線で示す矢印は、検出した信号の流れを示している。
【００４５】
本実施の形態１における燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１１を備えている。また、原料ガスである都市ガスを水蒸気改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成する改質器１２を備えている。また、燃焼ガスとしての都市ガスまたは燃料電池１１から排出される排気燃料ガスを燃焼することにより改質器１２の温度維持を行なうバーナ１３を備えている。
【００４６】
また、改質器１２で生成される燃料ガスに含まれる一酸化炭素を低減させる一酸化炭素除去器１４と、都市ガスに含まれる腐臭成分を除去する脱硫器１５を備えている。
【００４７】
また、原料ガスおよび燃焼ガスの供給／遮断を行なう遮断弁１６および遮断弁１７を備えている。また、原料ガスの流量を制御する流量制御弁１８を備えている。また、原料ガスの流量を検出する原料ガス流量計１９と、改質器１２に供給される水蒸気の流量を検出する水蒸気流量計２０と、改質器１２出口の燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量計２１を備えている。
【００４８】
また、原料ガス流量計１９、水蒸気流量計２０および燃料ガス流量計２１からの信号を受けて改質器１２の劣化度を検出する劣化度検出部２２を備えている。
【００４９】
なお、原料ガス、原料ガス流量計１９、水蒸気流量計２０、燃料ガス流量計２１、劣化度検出部２２は、それぞれ本発明の、原料、原料流量検出手段、水蒸気流量検出手段、燃料ガス流量検出手段、劣化度検出手段としての具体的な一例である。また、一酸化炭素除去器１４としては、水蒸気によりシフト反応を行なう変成器と酸素により酸化反応をさせる一酸化炭素選択酸化器のいずれか一方、もしくは両方が考えられる。
【００５０】
次に、本実施の形態１における燃料電池発電システムの動作について説明するとともに、これにより、本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法について説明を行う。なお、以下の実施の形態についても、それぞれ本発明の燃料電池発電システムの改質器の劣化度検出方法について説明を行うものとする。
【００５１】
システム外部から供給された原料ガスとしての都市ガスは、脱硫器１５で腐臭成分が除去された後、水蒸気とともに改質器１２に供給される。そして、原料ガスは、改質器１２で水蒸気改質され、さらに一酸化炭素除去器１４で一酸化炭素濃度が低減されて、水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１１に供給される。
【００５２】
一方、燃料電池１１には酸化剤ガスとしての反応空気が供給されており、燃料ガスと反応空気とが電気化学的に反応して発電を行なう。この燃料電池１１で発生した直流電流は、ＤＣ−ＡＣインバータ（図示せず）で交流電力に変換された後、外部負荷へ供給される。また、燃料電池１１で発電に使用されなかった水素を含む排気燃料ガスは、バーナ１３に供給され、改質器１２を加熱する燃料として使用される。なお、燃料電池発電システムの起動時には、遮断弁１７を開けて都市ガスをバーナ１３で燃焼させ、改質器１２を昇温する。また、供給される原料ガス流量は流量制御弁１８で制御される。
【００５３】
次に、改質器１２の劣化度の検出動作について、図１と図５を用いて説明する。図５は、改質器１２の劣化度を検出する際の運転方法を示すフローチャートである。
【００５４】
まず、原料ガスの流量を原料ガス流量計１９で検出する（ステップＳ１）。次に、改質用水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で検出する（ステップＳ２）。さらに、改質器１２により生成される燃料ガスの流量を燃料ガス流量計２１で検出する（ステップＳ３）。劣化度検出部２２は、これらの各流量検出信号を受信し、検出された原料ガス流量と水蒸気流量から改質器１２におけるメタン転化率と燃料ガス所定流量の関係を算出する。そして、劣化度検出部２２は、この算出したメタン転化率と燃料ガス所定流量の関係と、実際に検出された燃料ガス流量とを比較する（ステップＳ４）。これによって得られる改質器１２におけるメタン転化率の低下割合から、改質器１２の劣化度を算出する（ステップＳ５）。
【００５５】
本実施の形態１の燃料電池発電システムの改質器１２における劣化度の算出動作の原理は次のとおりである。
【００５６】
改質器１２では、（化１）に示す改質反応によりメタンから水素が生成される。
【００５７】
【化１】
2005018035.tif 000024
メタン転化率が１００％の場合、１ＮＬ／ｍｉｎのメタンと２ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気から、４ＮＬ／ｍｉｎの水素と１ＮＬ／ｍｉｎの二酸化炭素が生成される。つまり、全体の流量は３ＮＬ／ｍｉｎから５ＮＬ／ｍｉｎに増加する。
【００５８】
また、メタン転化率が５０％の場合、１ＮＬ／ｍｉｎのメタンと２ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気から、２ＮＬ／ｍｉｎの水素と０．５ＮＬ／ｍｉｎの二酸化炭素が生成され、０．５ＮＬ／ｍｉｎのメタンと１ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気が残る。この場合には、全体の流量は３ＮＬ／ｍｉｎから４ＮＬ／ｍｉｎに増加するが、全体の流量の増加量は、メタン転化率が１００％の場合よりも減少している。
【００５９】
本実施の形態１の改質器１２における劣化度の検出動作は、このようにメタン転化率の変化によって、同じ組成のインプット流量に対するアウトプット流量が変化すること、具体的に言えば、メタン転化率が減少すると、同じ組成のインプット流量（メタンの流量と水蒸気の流量の和）に対するアウトプット流量（改質器１２で生成された水素リッチな燃焼ガスの流量）の増分が減少することを利用している。当然、原料ガスとしての都市ガスには、メタンのほかにエタン、ブタン、プロパン等も含まれるが、メタン以外についても同様のことが言える。また、もちろん、改質器１２には（化１）の理論比以上に水蒸気を供給するが、そのことも考慮して算出し比較する。
【００６０】
すなわち、本実施の形態１における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、原料ガス流量計１９および水蒸気流量計２０および燃料ガス流量計２１および劣化度検出部２２を備えることにより、原料ガス流量および水蒸気流量から予め算出される改質器１２固有のメタン転化率と燃料ガス所定流量の関係と、実際に検出された燃料ガス流量とを比較することができ、改質器１２のメタン転化率の低下割合から改質器１２の劣化度を算出することができる。
【００６１】
なお、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは、改質器１２の劣化度として、より好ましい「メタン転化率」を用いる場合について説明したが、たとえば別の劣化度を用いる方法として、「原料流量と水蒸気流量に対して、予め燃料ガス流量と燃料ガス中の水素濃度の相関を実験的に求め、それらのデータと比較する」ことによって行なうことも可能である。
【００６２】
また、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは、燃料ガス流量計２１を改質器１２と一酸化炭素除去器１４の間に配置したが、メタン転化率は改質器１２の性能で決まるため、一酸化炭素除去器１４と燃料電池１１との間に配置しても同様である。また、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは、「改質反応に必要な水は水蒸気として供給し、その供給水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で測定する」構成としたが、「改質反応に必要な水蒸気を水（液体）で供給し、その供給水流量を水用流量計で測定する」構成としても同様である。ただし、この場合は、水を蒸発させる蒸発部が水用流量計の下流に必要となる。
【００６３】
また、本実施の形態１の燃料電池発電システムでは、図５のフローチャートに示すように、劣化度検出部２２は、改質器１２には（化１）の理論比以上に水蒸気を供給されることから、そのことも考慮して算出し比較するものとして説明を行ったが、改質器１２の実際の運転条件を考慮せず、測定値としての原料流量と水蒸気流量および理論比のみに基づいて、理想値としての燃料ガス流量を算出し、これを検出された燃料ガス流量の実測値と比較して、メタン転化率を求めるようにしてもよい。この場合、劣化度検出部２２の演算方式をより簡略化し、汎用性を高めることができる効果がある。
【００６４】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図２の点線で示す矢印は、検出した信号の流れを示している。
【００６５】
本実施の形態２における燃料電池発電システムでは、図１の燃料ガス流量計２１の代わりに、改質器１２の燃料ガスが排出される改質器１２の下流側流路に差圧計２３を備えている。また、本実施の形態２における燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。なお、差圧計２３は、本発明の差圧検出手段の一例である。
【００６６】
次に、本実施の形態２における燃料電池発電システムの改質器１２の劣化度の検出動作について、図２と図６を用いて説明する。図６は、改質器１２の劣化度を検出する際の運転方法を示すフローチャートである。
【００６７】
まず、原料ガスの流量を原料ガス流量計１９で検出する（ステップＳ１１）。次に、改質用水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で検出する（ステップＳ１２）。さらに、改質器１２により生成される燃料ガスの、改質器１２の下流側流路における所定の２点間の圧力の差を差圧計２３で測定する（ステップＳ１３）。劣化度検出部２２は、これらの各流量検出信号および差圧測定信号を受信し、検出された原料ガス流量と水蒸気流量から改質器１２におけるメタン転化率と下流側流路における流体差圧の関係を算出する。そして、劣化度検出部２２は、この算出したメタン転化率と下流側流路における流体差圧の関係と、実際に検出された下流側流路における流体差圧の値とを比較する（ステップＳ１４）。これによって得られる改質器１２のメタン転化率の低下割合から改質器１２の劣化度を算出する（ステップＳ１５）。
【００６８】
本実施の形態２の燃料電池発電システムの改質器１２における劣化度の算出動作は、メタン転化率変化による流量変化に従い、測定区間の流体圧力損失が変化すること、具体的に言えば、改質器１２が劣化した後の燃料ガスの差圧が、改質器１２が劣化する前の燃料ガスの差圧よりも減少することを利用している。本実施の形態２で使用した差圧計２３は、実施の形態１で用いた燃料ガス流量計２１に比べて低コスト化を図ることができるとともに、高温下でも安定して作動し、流体の脈動に対しても正確に測定できるという利点がある。
【００６９】
なお、上記の構成においては、劣化度検出部２２は、改質器１２には（化１）の理論比以上に水蒸気を供給されることから、そのことも考慮して算出し比較するものとして説明を行ったが、改質器１２の実際の運転条件を考慮せず、測定値としての原料流量と水蒸気流量および理論比のみに基づいて、理想値としての燃料ガスの差圧を算出し、これを検出された燃料ガスの差圧の実測値と比較して、メタン転化率を求めるようにしてもよい。
【００７０】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図３の点線で示す矢印は、検出した信号の流れを示している。また、本実施の形態３における燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００７１】
本実施の形態３における燃料電池発電システムでは、図１の燃料ガス流量計２１の代わりに、改質器１２と一酸化炭素除去器１４との間の燃料ガス流路に水蒸気濃度計２４を備えている。なお、水蒸気濃度計２４は、本発明の濃度検出手段の一例である。
【００７２】
次に、本実施の形態３における燃料電池発電システムの改質器１２の劣化度の検出動作について、図３と図７を用いて説明する。図７は、改質器１２の劣化度を検出する際の運転方法を示すフローチャートである。
【００７３】
まず、原料ガスの流量を原料ガス流量計１９で検出する（ステップＳ２１）。次に、改質用水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で検出する（ステップＳ２２）。
【００７４】
さらに、改質器１２により生成される燃料ガス中の水蒸気濃度を水蒸気濃度計２４で検出する（ステップＳ２３）。劣化度検出部２２は、これらの各流量検出信号および水蒸気濃度信号を受信し、検出された原料ガス流量と水蒸気流量から改質器１２におけるメタン転化率と燃料ガス中の水蒸気所定濃度の関係を算出する。
【００７５】
そして、劣化度検出部２２は、この算出したメタン転化率と燃料ガス中の水蒸気所定濃度の関係と、実際に検出された燃料ガス中の水蒸気濃度とを比較する（ステップＳ２４）。これによって得られる改質器１２のメタン転化率の低下割合から改質器１２の劣化度を算出する（ステップＳ２５）。
【００７６】
本実施の形態３の燃料電池発電システムの改質器１２における劣化度の算出動作の原理は次のとおりである。
【００７７】
改質器１２では、（化１）に示す改質反応によりメタンから水素が生成される。
【００７８】
メタン転化率が１００％の場合、１ＮＬ／ｍｉｎのメタンと２ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気から、４ＮＬ／ｍｉｎの水素と１ＮＬ／ｍｉｎの二酸化炭素が生成される。つまり、燃料ガス中の水蒸気濃度は０％となる。
【００７９】
また、メタン転化率が５０％の場合、１ＮＬ／ｍｉｎのメタンと２ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気から、２ＮＬ／ｍｉｎの水素と０．５ＮＬ／ｍｉｎの二酸化炭素が生成され、０．５ＮＬ／ｍｉｎのメタンと１ＮＬ／ｍｉｎの水蒸気が残る。この場合には、燃料ガス中の水蒸気濃度は２５％となる。
【００８０】
本実施の形態３の改質器１２における劣化度の算出動作は、このようにメタン転化率の変化によって、同じ組成のインプット流量に対するアウトプットの燃料ガス中の水蒸気濃度が変化することを利用している。当然、原料ガスとしての都市ガスには、メタンのほかにエタン、ブタン、プロパン等も含まれるが、メタン以外についても同様のことが言える。また、もちろん、改質器１２には水蒸気を（化１）の理論比以上に供給するが、そのことも考慮して算出し比較する。
【００８１】
すなわち、本実施の形態２における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、原料ガス流量計１９および水蒸気流量計２０および水蒸気濃度計２４および劣化度検出部２２を備えることにより、原料ガス流量および水蒸気流量から予め算出されるメタン転化率と水蒸気所定濃度の関係と、実際に検出された水蒸気濃度とを比較することができ、改質器１２のメタン転化率の低下割合から改質器１２の劣化度を算出することができる。
【００８２】
なお本実施の形態３の燃料電池発電システムでは、改質器１２の劣化度として、より好ましい「メタン転化率」を用いる場合について説明をしたが、たとえば別の劣化度を用いる方法として、「原料流量と水蒸気流量に対して、予め燃料ガス中の水蒸気濃度と水素濃度の相関を実験的に求め、それらのデータと比較する」ことによって行なうことも可能である。
【００８３】
また、本実施の形態３の燃料電池発電システムでは、水蒸気濃度計２４を改質器１２と一酸化炭素除去器１４の間に配置したが、メタン転化率は改質器１２の性能で決まるため、一酸化炭素除去器１４と燃料電池１１との間に配置しても同様である。また、本実施の形態３の燃料電池発電システムでは、「改質反応に必要な水は水蒸気として供給し、その供給水蒸気の流量を水蒸気流量計２０で測定する」構成としたが、「改質反応に必要な水蒸気を水（液体）で供給し、その供給水流量を水用流量計で測定する」構成としても同様である。ただし、この場合は、水を蒸発させる蒸発部が水用流量計の下流に必要となる。
【００８４】
また、改質器１２で生成される燃料ガスに含まれる水蒸気の濃度を検出する手段として露点計を用いることができる。この場合、水分量を正確に検出できるため有用である。
【００８５】
また、改質器１２で生成される燃料ガスに含まれる水蒸気の濃度を検出する手段として相対湿度を測定する湿度計を用いることもできる。この場合、システムを低コスト化できるとともにコンパクト化もできるため有用である。
【００８６】
また、図７のフローチャートに示すように、劣化度検出部２２は、改質器１２には（化１）の理論比以上に水蒸気を供給されることから、そのことも考慮して算出し比較するものとして説明を行ったが、改質器１２の実際の運転条件を考慮せず、測定値としての原料流量と水蒸気流量および理論比のみに基づいて、理想値としての燃料ガス流量を算出し、これを検出された燃料ガス流量の実測値と比較して、メタン転化率を求めるようにしてもよい。
【００８７】
また、上記の説明においては、改質器１２で生成される燃料ガスに含まれる水蒸気の濃度を検出し、これと、原料ガス流量および水蒸気流量から予め算出されるメタン転化率と水蒸気所定濃度の関係とを比較することにより改質器１２の劣化度を求めることとしたが、本発明の濃度検出手段は、ガス分析計等を用いた、燃料ガスに含まれるメタン等の原料ガスの濃度を直接検出する手段として実現してもよい。この場合、直接原料ガスの濃度を得られるために、より精度の高いメタン転化率の算出が可能となる。
【００８８】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図４の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
【００８９】
本実施の形態４における燃料電池発電システムでは、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムの構成に加えて、劣化度検出部２２での劣化度の算出値をもとに改質器１２の取替え時期を判定する寿命診断部２５をさらに備えている。なお、寿命診断部２５は、本発明の寿命診断手段の一例である。なお、本実施の形態４における燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００９０】
本実施の形態４における燃料電池発電システムの改質器１２の取替え時期を判定する寿命診断動作について、図４と図８を用いて説明する。図８は、改質器１２の取替え時期を判定する際の運転方法を示すフローチャートである。図８に示すステップＳ１からＳ５については、図５で説明した実施の形態１のステップと同様なので説明を省略する。
【００９１】
寿命診断部２５は、実施の形態１について図５で説明したステップＳ５により劣化度検出部２２が算出したメタン転化率を受け、メタン転化率と発電時間の関係からメタン転化率の低下速度を求める（ステップＳ６）。そして、メタン転化率の低下速度から、燃料電池１１が発電可能なメタン転化率の下限値に至るまでの期間を算出する（ステップＳ７）。そして、改質器１２の取替え時期を判定し寿命診断をする（ステップＳ８）。
【００９２】
すなわち、本実施の形態４における燃料電池発電システムの構成および運転方法によれば、実施の形態１の燃料電池発電システムに加えて寿命診断部２５をさらに備えることにより、メタン転化率と発電時間の関係からメタン転化率の低下速度を求め、改質器１２の取替え時期を判定し寿命診断をすることができる。
【００９３】
なお、本実施の形態４の燃料電池発電システムは、実施の形態１の燃料電池発電システムおよびその運転方法からの発展形として説明したが、他の実施の形態の燃料電池発電システムおよびその運転方法からの発展形としても同様に実施できる。
【００９４】
以上説明したことから明らかなように、改質ガス温度を一定温度に制御する本発明の燃料電池発電システムでは、改質器の劣化検出をその場で瞬時に且つ連続的に行い、改質触媒の取替時期を判定することが可能である。
【００９５】
（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図１０の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
【００９６】
本実施の形態５における燃料電池発電システムは、改質器１２の劣化がもたらす、燃料ガス中の水素の減少に伴う、燃料電池１１の電圧低下に起因する出力電力減少を改善するものである。一般に燃料電池１１は、水素リッチな燃料ガスの流れ方向にスタックされ、燃料ガスが通過する複数のセルからなるが、改質器が劣化し、燃料ガス中の水素が燃料ガスの流れ上流側のセルにて消費されてしまい、下流側ではほとんど起電力を発生しなくなってしまうため、直列接続されたセルからなる燃料電池１１の電圧が低下してしまう。また燃料ガスの流量が低下するため、発生する電流量が減少し、ひいては得られる電力量も減少してしまう。
【００９７】
本実施の形態以下の燃料システムは、改質器１２の劣化にともなう上記の問題を解消するものであり、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムの構成に加えて、劣化度検出部２２での劣化度を受けてバーナ１３の動作を制御するバーナ制御手段２６をさらに備えている。なお、バーナ制御手段２６およびバーナ１３は、本発明の改質器加熱手段の構成の一例である。また、燃料電池１１から図示しない負荷に交流電力を供給するための、ＤＣ−ＡＣインバータ２７も示した。
【００９８】
本実施の形態５における燃料電池発電システムの、改質器１２の劣化度を受けた改質器１２の反応温度を上昇させる動作を図１０と図１１を用いて説明するとともに、本発明の燃料電池発電方法について説明を行う。なお、以下の実施の形態についても、それぞれ本発明の燃料電池発電方法について説明を行うものとする。
【００９９】
図１１は、改質器１２の昇温動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。
【０１００】
図１１に示すステップＳ１からＳ３については、図５で説明した実施の形態１のステップと同様であり、またＳ３１はＳ４およびＳ５をひとくくりにしたステップであるので説明を省略する。
【０１０１】
次に、劣化度判定部２２から得られた劣化度としてのメタン転化率φと、燃料ガス流量Ｑ３とを受けて、バーナ制御手段２６は、現在改質器１２が生成可能な生成水素量Ｑ４を演算する（Ｓ３２）。さらに、この生成水素量Ｑ４に基づいて、燃料電池１１が発電可能な出力直流電流Ａ１を演算する（Ｓ３３）。
【０１０２】
さらに、ＤＣ−ＡＣインバータ２７の運転状態を参照して、現在の交流発電量Ｗｎにおける出力直流電流Ａｎに対して、Ａｎ＞Ａ１であるかどうかの判定を行う（Ｓ３４）。Ａｎ＞Ａ１ならば、バーナ制御手段２６は、改質器１２の反応温度をΔＴだけ上昇させるように、都市ガスの供給量を増加させるなど、バーナ１３の火力を上げる制御を行い、Ｓ３に戻る（Ｓ３５）。改質器１２の温度が上昇すると、メタン転化率は改善に転じ、良好な燃料ガスが燃料電池１１に供給され、適切な電圧を得ることができる。
【０１０３】
一方、Ａｎ≦Ａ１ならば、バーナ制御手段２６は、改質器の反応温度を現状維持するように制御を行う。現在の交流発電量Ｗｎは維持される（Ｓ３６）。
【０１０４】
（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図１２の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
【０１０５】
本実施の形態の燃料システムは、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムの構成に加えて、水蒸気の供給量を可変する流量制御弁２８および劣化度検出部２２での劣化度を受けて流量制御弁２８の動作を制御する流量制御弁制御手段２９をさらに備えている。なお、流量制御弁２８および流量制御弁制御手段２９は、本発明の水蒸気流量制御手段の構成の一例である。また、実施の形態５の場合と同様、燃料電池１１から図示しない負荷に交流電力を供給するための、ＤＣ−ＡＣインバータ２７も示した。
【０１０６】
本実施の形態６における燃料電池発電システムの、改質器１２の動作を図１２と図１３を用いて説明する。図１３は、改質器１２への水蒸気供給動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。
【０１０７】
図１３に示すステップＳ１からＳ３については、図５で説明した実施の形態１のステップと同様であり、またＳ３１はＳ４およびＳ５をひとくくりにしたステップであり、またＳ３２〜３４およびＳ３６は、実施の形態５の図１１のフローチャートと同様である。すなわち本実施の形態は、劣化度判定部２２から得られた劣化度としてのメタン転化率φと、燃料ガス流量Ｑ３とを受けて、流量制御弁制御手段２９が、現在改質器１２が生成可能な生成水素量Ｑ４を演算する（Ｓ３２）。さらに、この生成水素量Ｑ４に基づいて、燃料電池１１が発電可能な出力直流電流Ａ１を演算する（Ｓ３３）。
【０１０８】
さらに、ＤＣ−ＡＣインバータ２７の運転状態を参照して、現在の交流発電量Ｗｎにおける出力直流電流Ａｎに対して、Ａｎ＞Ａ１であるかどうかの判定を行う（Ｓ３４）。Ａｎ＞Ａ１ならば、流量制御弁制御手段２９は、改質器１２への水蒸気流量をΔＱ２だけ上昇させるように、流量制御弁２８の開度を大きくする制御を行う（Ｓ４１）。改質器１２への水蒸気供給量が増加すると、改質反応の平衡状態が水素生成側へシフトし、メタン転化率は改善に転じ、良好な燃料ガスが燃料電池１１に供給され、適切な電圧を得ることができる。
【０１０９】
一方、Ａｎ≦Ａ１ならば、流量制御弁制御手段２９は、流量制御弁２８の開度を現状維持する。現在の交流発電量Ｗｎは維持される（Ｓ３６）。
【０１１０】
（実施の形態７）
図１４は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１、図１２と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図１４の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
【０１１１】
本実施の形態の燃料システムは、図１４に示す実施の形態６の燃料電池発電システムの構成に加えて、流量制御弁制御手段２９が、さらに都市ガスの流量制御弁１８も制御する構成とした点が異なる。
【０１１２】
本実施の形態６における燃料電池発電システムの、改質器１２の劣化度を受けた改質器１２の反応温度を上昇させる動作を図１４と図１５を用いて説明する。図１５は、改質器１２への水蒸気および原料ガスとしての都市ガスの供給動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。ただし実施の形態６と同様のステップは省略し、相違点を中心に述べる。すなわち、Ｓ３４において、現在の出力直流電流Ａｎ＞発電可能な出力直流電流Ａ１と判断した場合、流量制御弁制御手段２９は、改質器１２への水蒸気流量をΔＱ２だけ上昇させるように、流量制御弁２８の開度を大きくする制御を行い（Ｓ４１）、この後に改質器１２への都市ガスの流量をΔＱ１だけ上昇させるように、流量制御弁１８の開度を大きくする制御を行う（Ｓ４２）。
【０１１３】
ここで水蒸気流量を制御した後に都市ガスの流量を制御する理由は以下の通りである。すなわち、先に原料ガスを単独で増やすと（１）燃料ガスの露点が下がり、燃料電池１１の寿命が短くなる恐れがある、（２）また燃料ガスに占める水蒸気割合が少なくなると、改質器１２内部でメタン（ＣＨ4）の炭素が析出し、改質器１２の触媒の性能が低下する恐れがある、（３）一酸化炭素除去器１４での一酸化炭素（ＣＯ）除去能力が低下し、燃料ガス中のＣＯが多くなり、燃料電池１１がＣＯ被毒する恐れがある、等の不具合がある。したがって、実施の形態６および本実施の形態においては、原料ガスの供給量を単独で制御すること、および原料ガスの供給量の増加を、水蒸気の供給量の増加に先だって制御することは実行しない。
【０１１４】
以上の制御により、改質器１２には、水蒸気供給量に併せて都市ガスの供給量も増加される。これにより実施の形態６と同様の原理によりメタン転化率が改善に転ずることと併せて、改質反応に必要な原料ガスおよび水蒸気の絶対量が増加することにより、発生する燃料ガスの総量も増加することで、燃料電池１１に必要な都市ガスを供給して適切な電圧を得ることができる。
【０１１５】
（実施の形態８）
図１６は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。なお、図１６の点線で示す矢印は、検出した信号または算出した信号の流れを示している。
【０１１６】
本実施の形態の燃料システムは、図１に示す実施の形態１の燃料電池発電システムの構成に加えて、燃料電池１１から図示しない負荷に交流電力を供給するための、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が、燃料電池１１から引き出す電流量を制御するための入力電流制御手段３０および劣化度検出部２２での劣化度を受けて入力電流制御手段３０の動作を制御するインバータ制御手段３１をさらに備えている。なお、入力電流制御手段３０およびインバータ制御手段３１は、本発明の発電出力制御手段の一例である。
【０１１７】
本実施の形態８における燃料電池発電システムは、改質器１２の劣化がもたらす、燃料ガス中の水素の減少に伴う、燃料電池１１の電圧低下に対し、燃料電池１１の発電出力を低減することにより、ＤＣ−ＡＣインバータ２７の安定動作を確保するものである。
【０１１８】
本実施の形態８における燃料電池発電システムの、改質器１２の劣化度を受けた燃料電池１１からの発電出力低減動作を図１６と図１７を用いて説明する。図１７は、燃料電池１１からの発電出力低減動作を行う際の運転方法を示すフローチャートである。
【０１１９】
図１７に示すステップＳ１からＳ３については、図５で説明した実施の形態１のステップと同様であり、またＳ３１はＳ４およびＳ５をひとくくりにしたステップであり、またＳ３２〜３４およびＳ３６は、実施の形態５の図１１のフローチャートと同様である。
【０１２０】
すなわち本実施の形態は、劣化度判定部２２から得られた劣化度としてのメタン転化率φと、燃料ガス流量Ｑ３とを受けて、インバータ制御手段３１が、現在改質器１２が生成可能な生成水素量Ｑ４を演算する（Ｓ３２）。さらに、この生成水素量Ｑ４に基づいて、燃料電池１１が発電可能な出力直流電流Ａ１を演算する（Ｓ３３）。
【０１２１】
さらに、ＤＣ−ＡＣインバータ２７の運転状態を参照して、現在の交流発電量Ｗｎにおける出力直流電流Ａｎに対して、Ａｎ＞Ａ１であるかどうかの判定を行う（Ｓ３４）。Ａｎ＞Ａ１ならば、インバータ制御手段３１は、インバータ２７の入力電流制御手段３０が燃料電池１１から引き出す電流量を低減するように制御する（Ｓ５１）。燃料電池１１からの電流量が低減されることにより、燃料電池１１が出力するＤＣ−ＡＣインバータ２７への電力は低減されることになる。また、入力電流制御手段３０は、燃料電池１１の電圧に対する制御は行わないが、燃料電池１１の電圧は上昇する。
【０１２２】
したがって、燃料電池１１については、電流値を低減させることで電力が低減させる一方、電圧は高く保たせることができる。
【０１２３】
燃料電池１１は電圧が低くなっても電力を供給することができるが、負荷に交流電力として燃料電池の電力を変換して供給するＤＣ−ＡＣインバータ２７は、所定の電圧値以下となると動作しなくなる。図１８に示すように、改質器１２の劣化による転化率φに起因して、燃料電池１１が供給可能な電圧、電流はともに劣化するが、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が動作可能な入力下限電圧Ｖｔに対応する電流量も低下する。
【０１２４】
燃料電池１１に供給される燃料ガスが一定であるとき、劣化前の場合、入力下限電圧Ｖｔに対する電流量は大きいが、劣化後は図中点線に示す直線のように、必要な電流量を得られなくなる。燃料ガスの供給量を増加すればこれは解消されるが、改質器１２の劣化度が高くなり、メタン転化率が悪化している状態で燃料ガスを供給することは原料ガスおよび水蒸気の浪費を招くことになる。
【０１２５】
そこで本実施の形態は、劣化による電流−電圧曲線の傾きの変化を利用して、電流量を低減することにより燃料電池の電圧を入力下限電圧Ｖｔ以上となるように保ち、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が動作可能な時間をより長く保つようにしている。燃料電池１１から引き出せる電力量は低減されるが、負荷に対する不足分は図示しない系統電力により供給することになる。
【０１２６】
一方、Ａｎ≦Ａ１ならば、インバータ制御手段３１は、入力電流制御手段３０の動作状態を現状維持する。現在の交流発電量Ｗｎは維持される（Ｓ３６）。
【０１２７】
このように、本実施の形態によれば、改質器１２の劣化を受けても、燃料電池１１からの電力量を低減することにより、一定の原料ガス、水蒸気の供給条件の下でも、長期間システムを動作可能な状態におくことが可能となる。
【０１２８】
以上、実施の形態５〜８において、改質器１２のメタン転化率の低下としての劣化度を受けて、燃料電池発電システムを良好に動作させるための構成を説明したが、これら各実施の形態は、個別に実施してもよいし、複数の構成を任意に組み合わせて実施してもよい。
【０１２９】
実施の形態５〜８の全構成を備えた燃料電池発電システムを実施例として以下に示す。
【０１３０】
（実施例）
本実施例の燃料電池発電システムは、劣化度検出部２２が改質器１２の劣化度を検出すると、（１）実施の形態５の動作（２）実施の形態６の動作（３）実施の形態７の動作（４）実施の形態８の動作をそれぞれ順番に追加して行うことにより、システムの動作の安定化を図る。さらに詳細には、最初に改質器の劣化が検出されると実施の形態５の改質器１２の加熱動作を行い、以後はこの動作をバックグラウンドで行いながら、上記（２）〜（４）の動作を平行させて実行する。
【０１３１】
燃料電池１１として通常運転時の定格出力１０００Ｗのものを用い、連続運転を試みた場合の発電時間毎の流量（Ｌ／ｍｉｎ）、メタン転化率（％）、改質器１２の温度（℃）、燃料電池１１の出力電力（Ｗ）の推移をグラフとして図１９に示す。
【０１３２】
図１９に示すように、運転時間が１０００時間に達したあたりから転化率の低下が見られ、１７００時間を経過したあたりで、転化率が８０％近くまで低下したため、バーナ制御手段２６により、改質器１２の反応温度をΔＴとして３０℃上昇するようバーナ１３の火力を上げる制御を行った。これにより転化率は回復し、改質器１２へ供給する水蒸気流量、原料ガス流量および燃料電池１１の電力出力のいずれも運転開始当初の状態を維持できている。
【０１３３】
次に、運転時間が３４００時間を経過したあたりで、転化率が再び８０％まで低下したため、今度は流量制御弁制御手段２９が、改質器１２への水蒸気流量をΔＱ２として２Ｌ／ｍｉｎだけ上昇させるように、流量制御弁２８の開度を大きくする制御を行った。これにより転化率は再び初期状態に回復し、改質器１２へ供給する原料ガス流量および燃料電池１１の電力出力のいずれが運転開始当初の状態を維持できている。
【０１３４】
さらに運転時間が４８００時間を経過したあたりで、転化率が再び８０％まで低下したため、今度は流量制御弁制御手段２９が、改質器１２への水蒸気流量および原料ガス流量小刻みに増加させるよう、流量制御弁１８および２８の開度を断続的に大きくする制御を行った。これにより転化率の大幅な低下を抑えつつ、燃料ガスの生成量を増加させることにより、交流出力を初期状態に維持している。
【０１３５】
さらに運転時間が６３００時間を経過したあたりで、流量制御弁制御手段２９の制御上限に達したため、水蒸気流量および原料ガス流量の供給量を最大値（水蒸気５Ｌ／ｍｉｎ、原料ガス１７．５Ｌ／ｍｉｎ）で固定し、入力電流制御手段３０が制御するインバータ制御手段３１を制御して、燃料電池１１からの交流出力を減少させる。減少した電力分は外部の系統電力で補う。最終的に、転化率が６２％近くを割り込むと、燃料電池１１の電圧は、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が動作可能な入力下限電圧Ｖｔ以下となり、システムの運転は開始後約７０００時間で停止する。
【０１３６】
（比較例）
一方、実施の形態１と同一構成であって、実施の形態５〜８の構成を有さない燃料電池発電システムを比較例とした。上記実施例と同様、燃料電池１１として通常運転時の定格出力１０００Ｗのものを用い、連続運転を試みた場合の発電時間毎の流量（Ｌ／ｍｉｎ）、メタン転化率（％）、改質器１２の温度（℃）、燃料電池１１の出力電力（Ｗ）の推移をグラフとして図２０に示す。
【０１３７】
図２０に示すように、運転時間が１０００時間に達したあたりから転化率の低下が見られ、１７００時間を経過したあたりで、転化率が８０％近くまで低下した。１８００時間を経過したあたりで燃料電池１１の出力電力に低下が見られるようになり、転化率が７７％近くを割り込むと、燃料電池１１の電圧が、ＤＣ−ＡＣインバータ２７が動作可能な入力下限電圧Ｖｔ以下となり、システムの運転は開始後約１９００時間で停止した。
【０１３８】
このように、実施の形態５〜８を同時に実施した構成とすることにより、燃料電池発電システムの運転時間を向上させることが可能となることがわかった。なお、（１）実施の形態５の動作（２）実施の形態６の動作（３）実施の形態７の動作（４）実施の形態８の動作、の順に実行するものとしたが、運転の都合に応じて、順序を入れ替える、不要な動作を省く等してもよい。ただし、実施の形態６の動作と７の動作だけは、この順を保つようにすることが望ましい。
【０１３９】
なお、本発明にかかるプログラムは、上述した本発明の燃料電池発電システムの全部または一部の手段の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムであってもよい。
【０１４０】
また、本発明は、上述した本発明の燃料電池発電システムの全部または一部の手段の全部または一部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した媒体であり、コンピュータにより読み取り可能且つ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記機能を実行する媒体であってもよい。
【０１４１】
なお、本発明の上記「一部の手段」とは、それらの複数の手段の内の、幾つかの手段を意味し、あるいは、一つの手段の内の、一部の機能を意味するものである。
【０１４２】
また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータに読みとり可能な記録媒体も本発明に含まれる。
【０１４３】
また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【０１４４】
また、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。
【０１４５】
また、本発明のデータ構造としては、データベース、データフォーマット、データテーブル、データリスト、データの種類などを含む。
【０１４６】
また、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送機構、光・電波・音波等が含まれる。
【０１４７】
また、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。
【０１４８】
なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本発明にかかる燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法は、改質ガス温度を一定温度に制御して運転する燃料電池発電システムの改質器の劣化検出を行うことができ、燃料電池発電システムおよびその改質器の劣化度検出方法、燃料電池発電方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】実施の形態１における燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図２】実施の形態２における燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図３】実施の形態３における燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図４】実施の形態４における燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図５】実施の形態１における劣化度の検出動作を示すフローチャートである。
【図６】実施の形態２における劣化度の検出動作を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態３における劣化度の検出動作を示すフローチャートである。
【図８】実施の形態４における寿命診断動作を示すフローチャートである。
【図９】従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図１０】実施の形態５における燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図１１】実施の形態５における燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
【図１２】実施の形態６における燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図１３】実施の形態６における燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
【図１４】実施の形態７における燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図１５】実施の形態７における燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
【図１６】実施の形態８における燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図１７】実施の形態８における燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
【図１８】実施の形態８における燃料電池発電システムの動作を説明する為の図である。
【図１９】本発明の燃料電池発電システムの実施例の運転状態を示すグラフである。
【図２０】本発明の燃料電池発電システムの比較例の運転状態を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５１】
１、１１  燃料電池
２、１２  改質器
３、１３  バーナ
４  変成器
５、１５  脱硫器
６、７、１６、１７  遮断弁
８、１８、２８  流量制御弁
９  温度センサ
１０  劣化診断部
１４  一酸化炭素除去器
１９  原料ガス流量計
２０  水蒸気流量計
２１  燃料ガス流量計
２２  劣化度検出部
２３  差圧計
２４  水蒸気濃度計
２５  寿命診断部
２６  バーナ制御手段
２７  ＤＣ−ＡＣインバータ
２９  流量制御弁制御手段
３０  入力電流制御手段
３１  インバータ制御手段
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005018035.tif 000025
【図２】
2005018035.tif 000026
【図３】
2005018035.tif 000027
【図４】
2005018035.tif 000028
【図５】
2005018035.tif 000029
【図６】
2005018035.tif 000030
【図７】
2005018035.tif 000031
【図８】
2005018035.tif 000032
【図９】
2005018035.tif 000033
【図１０】
2005018035.tif 000034
【図１１】
2005018035.tif 000035
【図１２】
2005018035.tif 000036
【図１３】
2005018035.tif 000037
【図１４】
2005018035.tif 000038
【図１５】
2005018035.tif 000039
【図１６】
2005018035.tif 000040
【図１７】
2005018035.tif 000041
【図１８】
2005018035.tif 000042
【図１９】
2005018035.tif 000043
【図２０】
2005018035.tif 000044
【国際調査報告】
2005018035.tif 000045
2005018035.tif 000046
2005018035.tif 000047
2005018035.tif 000048