(57)【要約】【課題】発電停止を極力避け、より安定した発電量を継続して得られる運転制御幅の広い燃料電池発電装置の改質触媒温度制御システムおよびその制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池の設定電流に対応して改質器の設定温度を定める温度設定手段と、改質器の実測温度と設定温度との温度差に対応して定めた水素利用率および空燃比になるような原燃料供給流量および燃焼空気供給流量を演算する流量演算手段と、改質器に原燃料を供給する原燃料供給手段または改質器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給手段の少なくとも一方が供給限界に達した場合は、設定電流を低減する制御を行う設定電流制御手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を加熱するバーナーを有し該改質触媒によって原燃料を改質して水素に富む改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスに含まれる水素と酸化ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出された燃料オフガスを燃焼させて前記改質触媒を加熱する燃料電池発電装置の改質触媒温度制御システムにおいて、
前記燃料電池の設定電流に対応して前記改質器の設定温度を定める温度設定手段と、前記改質器の実測温度と前記設定温度との温度差に対応して定めた水素利用率および空燃比になるような原燃料供給流量および燃焼空気供給流量を演算する流量演算手段と、前記改質器に原燃料を供給する原燃料供給手段または前記改質器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給手段の少なくとも一方が供給限界に達した場合は、設定電流を低減する制御を行う設定電流制御手段とを備えたことを特徴とする改質触媒温度制御システム。
【請求項２】
前記燃料電池の設定電流を低減する際、その低減量を前記実測温度が前記設定温度に近づくように前記原燃料供給手段、前記燃焼空気供給手段、および前記設定電流制御手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の改質触媒温度制御システムの制御方法。
【請求項３】
前記実測温度が前記設定温度より高いときには、前記バーナーへ供給する燃焼空気流量を増加し、さらに燃焼空気流量が供給限界に到達した場合には、空燃比を一定に維持した状態で燃料電池の設定電流を低減することを特徴とする請求項２に記載の改質触媒温度制御システムの制御方法。
【請求項４】
前記実測温度が設定温度より低いときには、前記改質器への原燃料供給流量を増加するとともに、空燃比が一定となるようにバーナーへ供給する燃焼空気流量を増加し、さらに前記原燃料供給流量または前記燃焼空気流量の少なくとも一方が供給限界に到達した場合には、空燃比を一定に維持した状態で燃料電池の設定電流を低減することを特徴とする請求項２に記載の改質触媒温度制御システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
改質触媒を加熱するバーナーを有し該改質触媒によって原燃料を改質して水素に富む改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスに含まれる水素と酸化ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出された燃料オフガスを燃焼させて前記改質触媒を加熱する燃料電池発電装置に関し、特に、改質触媒の温度制御システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電池で起きる電気化学反応を表す式を示す。式（１）はアノード側に於ける反応、式（２）はカソード側に於ける反応を表し、燃料電池全体では式（３）に表す反応が進行する。
【０００３】
Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ-                    ・・・（１）
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ        ・・・（２）
Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ                 ・・・（３）
燃料電池発電装置は、使用する電解質の種類により分類されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を燃料改質装置により水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。
【０００４】
そのため、この様な燃料電池を備える燃料電池システムには改質器および一酸化炭素変成器が設けられており、この改質器および一酸化炭素変成器において原燃料の改質を行ない燃料ガスを生成している。
【０００５】
式（４）は、例えば、改質器におけるメタンの改質反応について示したものである。
ＣＨ4 + Ｈ2Ｏ → ＣＯ + ３Ｈ2       （+206.14 kJ/mol：吸熱反応）  ・・・（４）
式（４）に示される通り、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにて粒状改質触媒を６００〜７００℃に保つことにより、水素に富む改質ガスを生成する。
【０００６】
改質器を出たこの改質ガスは、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために一酸化炭素変成器に供給され、ここで一酸化炭素は１％以下に低減され、リン酸形燃料電池(ＰＡＦＣ)であれば、このガスを燃料電池へと導入して発電を行なうことが出来る。
【０００７】
一方、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、その動作温度が６０〜８０℃と低いために、改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、これが触媒毒となって性能が劣化することから、一酸化炭素濃度をさらに低減するために改質ガスは所定の温度に制御された一酸化炭素除去器に供給され、ここで一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させる。
【０００８】
図４は、この種の燃料改質装置を使用する従来の固体高分子形燃料電池発電装置の概略構成図である。図４において、脱硫器１にて硫黄分を取りかれた原燃料１２は、改質用水供給ポンプ８で供給された改質用水と混合した後、蒸気発生器２に供給され、改質用水が気化された後に改質器３に供給されて、前記式（４）に示した水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスに改質される。その後、一酸化炭素変成器４に供給されて一酸化炭素変成反応によって水素濃度が高められ、さらに、図示しない一定量の空気とともに一酸化炭素除去器５に供給されて、一酸化炭素選択酸化反応によって一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された後、燃料電池６へ供給される。
【０００９】
燃料電池６においては、通常、水素利用率（燃料電池の消費水素量／供給水素量で定義される）が７５〜８５％に制御されており、即ち、燃料電池で７５〜８５％の水素が消費された後、燃料電池から排出される燃料オフガス１４は改質器３に還流し、バーナー３ａにおいて燃焼空気１３と混合され燃焼される。この燃焼熱は、前記式（４）に示した水蒸気改質反応（吸熱反応）に供せられる。また、バーナー３ａでの燃焼排ガス９の熱は蒸気発生器２において改質用水の蒸発に供せられる。
【００１０】
なお、図４において、部番７は改質用水タンク、１０は原燃料ガスブロワ、１１は燃焼空気ブロワ、１５は後述する加熱用燃料、２１は改質用水供給経路である。
【００１１】
ところで、図４に示す燃料電池発電装置において、特許文献１の装置では、改質器の温度制御システムは次のように構成されている。触媒層に流入する改質原料の温度を検出する改質原料温度検出器と、触媒層の改質原料の流れ方向に複数箇所に配した触媒層の温度を検出する複数の触媒層温度検出器と、これらの触媒層温度検出器での検出温度を平均して触媒平均温度を算出する平均温度演算器と、この平均温度演算器から出力する触媒平均温度と触媒平均基準温度とのずれから修正する修正温度を演算する修正温度演算器と、負荷指令による負荷に対応する設定温度を修正温度演算器からの修正温度で補正した補正設定温度を設定する温度設定器とを備え、温度設定器からの補正設定温度と改質原料温度検出器での検出改質原料温度との偏差から触媒層の温度を制御する。また、改質器の触媒層出口（最も温度が高い部位）に温度検出器を設け、触媒層出口温度を対象として制御上の所望温度を設定し、触媒層出口の実測温度（実温度）がその設定温度になるよう制御する構成としてもいいことが記載されている。図５において、目標状態は、上述の制御により算出した補正設定温度と実温度との差が０の状態である。
【００１２】
そして、改質器の実温度が設定温度よりも高い場合には、その差分に比例して、改質器バーナーへの燃焼空気流量を増加させて改質器を冷却する（図５のａ制御）。逆に、改質器の実温度が設定温度よりも低い場合には、その差分に比例して、加熱用燃料１５の供給量を増加させ、その分必要になる改質器バーナーへの燃焼空気量も増加させていく（図５のｈ制御）。
【００１３】
上記図５に示す燃料電池発電装置の温度制御システムの場合、下記のような問題がある。一つには、加熱用燃料１５の供給手段および増減制御手段が必要となって、システムが複雑化する問題がある。さらに、改質器の実温度と設定温度の差が大きすぎると、それが高すぎても低すぎても、改質器バーナーへの燃焼空気量または加熱用燃料の供給量の上限値を超えて制御することはできず、結果として、改質器温度異常で燃料電池発電装置の運転を停止せざるを得なくなるという問題があった。
【００１４】
上記のように、加熱用燃料１５の供給を行わない改質器温度制御に関わる燃料電池発電装置の改質触媒温度制御システムとして、特許文献２が知られている。特許文献２には、当該明細書の従来の技術の項および図６および７に記載された温度制御システムと、特許文献２の要約書の解決手段の項および図１〜５に記載された温度制御システムの２種類が開示されている。
【００１５】
前記特許文献２の前者の温度制御システムは、後述する本発明の温度制御システムと関連し、特許文献２の図７に開示されたグラフは、「温度センサで測定される温度が目標値になるように、燃焼空気流量および原燃料（都市ガス）流量を制御する温度制御システムの温度制御出力特性を示すグラフ」である。図６は前記特許文献２の図７と同一の温度制御出力特性を示す説明図である。そして、図６における原燃料流量の増加は、電池出力一定の場合には結果として水素利用率の低下となるので、図５の加熱用燃料流量の増加と実質的に同一の作用がある。図６の詳細説明は、本発明との関連から後述することとする。
【００１６】
一方、前記特許文献２の後者の温度制御システムは、要約書の記載を引用すれば、下記のような温度制御システムである。「改質器の温度を温度センサで測定し、測定温度が目標温度よりも高いときには、直流電流値制御手段により直流電流値を増加させ、燃料電池本体で消費する改質ガスの量を増加させ、燃料電池本体から取り出されて改質器に供給されるオフガスの量を減少し、改質器で燃焼するガス量を減少して改質器の温度を低下させ、目標温度に近づける。一方、改質器の温度が目標温度よりも低いときには、直流電流値制御手段により直流電流値を減少させ、燃料電池本体で消費する改質ガスの量を減少させ、燃料電池本体から取り出されて改質器に供給されるオフガスの量を増加し、改質器で燃焼するガス量を増加して改質器の温度を上昇させ、目標温度に近づける。」
即ち、上記温度制御システムは、改質器の温度に対応させて発電量（負荷率）を増加または減少することにより、オフガス量を減少または増加させて、温度センサで測定される温度が目標値になるように制御する温度制御システムである（図７参照）。
【特許文献１】特開平８−２７３６８５号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところで、前記特許文献１、前記特許文献２に開示された前者および後者の温度制御システムは、いずれも、燃焼空気流量または原燃料流量が供給限界に到達した際の運転方法に関する記載はなく、供給限界に到達した際には、燃料電池発電装置の運転を停止することを前提にしていると考えられる。また、特許文献２の後者の温度制御システムは、発電量（負荷率）を増加または減少することにより改質器の温度制御を行うが、需要家サイドからは、通常運転時においては、できる限り発電量（負荷率）が一定で、安定した発電量が継続して得られることが望ましい。
【００１８】
この発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、改質器の温度制御に当り、発電停止は極力避け、より安定した発電量が継続して得られる運転制御幅の広い燃料電池発電装置の改質触媒温度制御システムおよびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題は、以下により達成される。即ち、改質触媒を加熱するバーナーを有し該改質触媒によって原燃料を改質して水素に富む改質ガスを生成する改質器と、該改質ガスに含まれる水素と酸化ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出された燃料オフガスを燃焼させて前記改質触媒を加熱する燃料電池発電装置の改質触媒温度制御システムにおいて、前記燃料電池の設定電流に対応して前記改質器の設定温度を定める温度設定手段と、前記改質器の実測温度と前記設定温度との温度差に対応して定めた水素利用率および空燃比になるような原燃料供給流量および燃焼空気供給流量を演算する流量演算手段と、前記改質器に原燃料を供給する原燃料供給手段または前記改質器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給手段の少なくとも一方が供給限界に達した場合は、設定電流を低減する制御を行う設定電流制御手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。
【００２０】
設定電流の減少量は、式（５）に従って算出し制御を行ってもよい。
【００２１】
設定電流の減少量  ＝  係数  ×  温度差の絶対値  ＋  定数      ・・・（５）
また、請求項１に記載の改質触媒温度制御システムの制御方法において、前記燃料電池の設定電流を低減する際、その低減量を前記実測温度が前記設定温度に近づくように前記原燃料供給手段、前記燃焼空気供給手段、および前記設定電流制御手段を制御することを特徴とする（請求項２）。
【００２２】
また、請求項２に記載の改質触媒温度制御システムの制御方法において、前記実測温度が前記設定温度より高いときには、前記バーナーへ供給する燃焼空気流量を増加し、さらに燃焼空気流量が供給限界に到達した場合には、空燃比を一定に維持した状態で燃料電池の設定電流を低減することを特徴とする（請求項３）。
【００２３】
また、請求項２に記載の改質触媒温度制御システムの制御方法において、前記実測温度が設定温度より低いときには、前記改質器への原燃料供給流量を増加するとともに、空燃比が一定となるようにバーナーへ供給する燃焼空気流量を増加し、さらに前記原燃料供給流量または前記燃焼空気流量の少なくとも一方が供給限界に到達した場合には、空燃比を一定に維持した状態で燃料電池の設定電流を低減することを特徴とする（請求項４）。この時、原燃料流量に対する燃料オフガス流量の比は増加する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、発電停止を極力避け、より安定した発電量を継続して得られる運転制御幅の広い燃料電池発電装置の改質触媒温度制御システムおよびその制御方法を提供できる。特に、請求項３の発明によれば、改質器の周囲環境が暑い場合は、発電停止を極力避け、より安定した発電量を継続して得ることができる。また、請求項４の発明によれば、改質器の周囲環境が寒い場合、メタン濃度が変動するバイオガスを原燃料に用いておりこのメタン濃度が低下した場合、および、原燃料の元圧が一時的に低下した場合は、発電停止を極力避け、より安定した発電量を継続して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、この発明の実施形態に関して、図１、図２および図３に基いて説明する。
図１は本発明の実施形態に関わる改質触媒温度制御システムのブロック図である。改質触媒温度制御システムは、一定周期で原燃料流量と燃焼空気流量を演算する。原燃料供給手段に出力される原燃料供給流量、ならびに燃焼空気供給手段に出力される燃焼空気流量は、設定電流と改質触媒温度センサで測定された改質触媒温度を入力として計算される。温度設定手段は、式（６）のように、設定電流に応じて設定温度を定める。
設定温度  ＝（−２０  ×  設定電流  ／  最大設定電流）  ＋  ７００  ・・・（６）
次いで、温度差演算手段は、前記設定温度から改質触媒温度センサで測定した改質触媒温度を引き、温度差を計算する。次に、流量演算手段は、制御演算の次サイクルの原燃料流量と燃焼空気流量を図２に示す手順で算出する。供給限界検出手段は、流量演算手段で算出した前記原燃料流量および前記燃焼空気流量と、原燃料ガスブロワ１０および燃焼空気ブロワ１１の各流量上限値とを比較し、少なくとも一方が流量上限値を超える場合は設定電流制御手段で設定電流を変更し、新たな設定電流値で再計算を行う。前記流量上限値以下の場合は、原燃料供給手段および燃焼空気供給手段は、前記流量演算手段で算出された原燃料流量および燃焼空気流量で作動し、燃料電池電流制御手段は前記設定電流の条件で燃料電池の電流を制御する。運転継続可否判断手段は、改質触媒温度センサの温度が予め定めた値と比較して異常値であるか判断する。温度が異常の場合、運転停止制御手段は、当該改質器の運転を停止させる。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態に関わる改質触媒温度制御システムの一部について、より詳しいブロック図である。前記温度差が、０以下の場合、水素利用率は式（７）により計算する。
【００２７】
水素利用率  ＝  ０．５  ×  温度差  ＋  ８０      ・・・（７）
前記温度差が０より大きい場合、水素利用率は、現状の値を変更しない。
【００２８】
燃料電池水素消費流量演算手段は設定電流に対応した水素消費流量を演算する。原燃料流量演算手段は、前記水素消費流量と前記水素利用率から原燃料流量を計算する。
【００２９】
前記温度差が、０以下の場合、現状の空燃比は変更しない。前記温度差が０より大きい場合は、以下の処理を行う。まず、次サイクルの空燃比を式（８）により試算する。
【００３０】
試算された空燃比  ＝  ０．０２５  ×  温度差  ＋１．５    ・・・（８）
試算された空燃比が空燃比上限以下なら空燃比を試算された空燃比に変更し、試算された空燃比が空燃比上限より大きい場合は、現状の空燃比を変更しない。燃焼空気流量演算手段は、前記原燃料流量と前記空燃比から燃焼空気流量を演算する。このようにして、流量演算手段は、原燃料流量および燃焼空気流量を算出する。
【００３１】
図３は、本発明の実施形態に関わる水素利用率および空燃比を制御する手段の説明図である。また、図６は、図３のベースとなる改質触媒温度制御システムの出力特性図であり、前述のように、特許文献２の図７と実質的に同一の運転方法を示す説明図である。
【００３２】
図３と図６は、目標状態の左右に示すａ制御およびｂ制御は共通で、図３においては、さらに、その左右に示すｃ制御とｄ制御が追加されている点が図６と異なる。
【００３３】
まず、図３における各制御について説明する。目標状態およびａ制御に関しては、図６と同等である。即ち、改質器の実温度が設定温度よりも高い場合には、設定電流を一定に維持し、かつ改質器の実温度から設定温度を引いた温度差に比例して、改質器バーナーへの燃焼空気流量を増加させて改質器を冷却する（ａ制御）。なお、この場合、設定電流、原燃料流量および燃料オフガス量が一定、つまり水素利用率は一定である。
【００３４】
改質器の実温度が設定温度よりも低い場合には、設定電流を一定に維持し、かつ改質器の実温度から設定温度を引いた温度差に比例して、水素利用率を下げる（ｂ制御）。水素利用率を下げるために実質上は、改質器への原燃料流量を増加する。これにより、燃料オフガス量が増加し、改質器の温度を上昇させるように作用する。また、この際、バーナーにおける空燃比が一定となるようにバーナーへ供給する燃焼空気流量も増加する。なお、図３に示したａ制御、ｂ制御、ｃ制御およびｄ制御において、改質用水流量は原燃料流量に対して一定比率で制御する。
【００３５】
次に、図６をベースにした本発明の運転方法に係る図３について述べる。前述のように、図３において、目標状態の左右に示すａ制御およびｂ制御は、前記図６と同様である。図３では、前記温度差がさらにプラスに大きくなり、かつ改質器バーナーへの燃焼空気流量が上限に達したら、空燃比はその後一定に制御して、設定電流（発電量）を下げる（ｃ制御）。この場合、発電量の減少に伴い、原燃料流量（相応する改質用水量）および燃料オフガス量は減少する。また、空燃比一定のため燃焼空気流量も減少する。これにより、改質器の温度を下げる方向に作用しつつ、設定電流を下げた状態で燃料電池の継続運転が可能となる。
【００３６】
一方、前記温度差がさらにマイナスに大きくなり、水素利用率を下げても改質器の実温度が設定温度に近づくことができず、やがて、原燃料流量、または改質器バーナーへの燃焼空気流量のいずれかが上限に達したら、空燃比はその後一定に制御して、設定電流（発電量）を下げる（ｄ制御）。すると、原燃料流量に対する燃料オフガス流量の比は増加する。すなわち、改質反応による吸熱量が減る一方、燃料オフガスの燃焼により供給される熱量は増加するので、改質器の温度を上げる方向に作用しつつ、設定電流を下げた状態で燃料電池の継続運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に関わる改質触媒温度制御システムのブロック図
【図２】本発明の実施形態に関わる改質触媒温度制御システムの一部のブロック図
【図３】本発明の実施形態に関わる水素利用率および空燃比を制御する手段の説明図
【図４】従来の固体高分子形燃料電池発電装置の概略構成図
【図５】特許文献１の改質触媒温度制御システムの出力特性図
【図６】特許文献２の図７と実質的に同一の改質触媒温度制御システムの出力特性図
【図７】特許文献２に記載の改質触媒温度制御システムの出力特性図
【符号の説明】
【００３８】
１：脱硫器、２：蒸気発生器、３：改質器、３ａ：バーナー、４：一酸化炭素変成器、５：一酸化炭素除去器、６：燃料電池、７：改質用水タンク、８：改質用水供給ポンプ、１０：原燃料ガスブロワ、１１：燃焼空気ブロワ、１２：原燃料、１３：燃焼空気、１４：燃料オフガス、１６：温度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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