(57)【要約】      （修正有）【課題】選択酸化部の温度の熱暴走を抑制しつつ、燃料電池に供給する水素含有ガスのＣＯ濃度を十分に低減する。【解決手段】原料と水とが供給されて改質反応により水素含有ガスを生成する改質部１４と、空気が供給されて選択酸化反応により改質部により生成された水素含有ガス中のＣＯ濃度をさらに低減する選択酸化部１７と、選択酸化部に空気を供給する空気供給部１６と、選択酸化部の温度を検出する選択酸化温度検出部２０と、を備える水素生成装置１と、選択酸化部でＣＯ濃度が低減された水素含有ガスと酸素含有ガスとが供給されて発電する燃料電池２と、選択酸化温度検出部で検出された温度と燃料電池への発電出力指令値とに基づいて、燃料電池への発電出力指令値と選択酸化部への空気流量指令値とを出力する制御部１２と、を備える燃料電池システム。【選択図】図１
2013134920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水とが供給されて改質反応により水素含有ガスを生成する改質部と、空気が供給されて選択酸化反応により前記改質部により生成された前記水素含有ガスの中のＣＯ濃度をさらに低減する選択酸化部と、前記選択酸化部に空気を供給する空気供給部と、前記選択酸化部の温度を検出する選択酸化温度検出部と、を備える水素生成装置と、
前記選択酸化部でＣＯ濃度が低減された前記水素含有ガスと酸素含有ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
前記選択酸化温度検出部で検出された温度と前記燃料電池への発電出力指令値とに基づいて、前記燃料電池への発電出力指令値を更新し、前記選択酸化部への空気流量指令値を出力する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記選択酸化温度検出部で検出された選択酸化温度が閾値Ｔ１を超え、かつ、前記燃料電池への発電出力指令値が閾値Ｗを超えるとき、前記燃料電池への発電出力指令値を閾値Ｗに下げ、かつ、前記選択酸化部への空気流量指令値を所定値Ｐ１に下げる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記選択酸化温度検出部で検出された選択酸化温度が閾値Ｔ１を超え、かつ、前記燃料電池への発電出力指令値が閾値Ｗ以下のとき、前記選択酸化部への空気流量指令値を所定値Ｐ２に下げる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記選択酸化温度検出部で検出された選択酸化温度が閾値Ｔ２以下で、かつ、前記燃料電池への発電出力指令値が閾値Ｗのとき、前記燃料電池への発電出力指令値を前記燃料電池が要求される発電出力にし、かつ、前記選択酸化部への空気流量指令値を所定値Ｐ３に上げる請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記選択酸化温度検出部で検出された選択酸化温度が閾値Ｔ２以下で、かつ、前記燃料電池への発電出力指令値が閾値Ｗ未満のとき、前記選択酸化部への空気流量指令値を所定値Ｐ４に上げる請求項２から４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分散型エネルギー供給源として、小型で高効率な発電を可能とする燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」と言う）を用いた燃料電池システムの開発が進められている。燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させて発生させた化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。
【０００３】
一般的に、水素含有ガスはインフラストラクチャーから供給されていない。そこで、従来の燃料電池システムには、既存のインフラストラクチャーから供給される都市ガス、または、ＬＰＧ等を原料とし、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で水蒸気と改質反応させる改質部とを備えた水素生成装置が設けられている。なお、改質反応により得られる水素含有ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれ、その濃度が高いと燃料電池の発電特性を低下させる。
【０００４】
そこで、水素生成装置には、改質部の他に変成部や反応部が設けられる。変成部は、２００℃〜３５０℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて一酸化炭素を低減させるＣｕ−Ｚｎ系触媒や貴金属系触媒を備えている。反応部は、酸化剤として空気を加え、１００℃〜２００℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させて、さらに一酸化炭素を低減させる、Ｒｕ触媒やＰｔ触媒を備える選択酸化部等が設けられる。選択酸化反応は、（１）式で示される。
【０００５】
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２              （１）
選択酸化反応は、発熱反応であり、空気（酸素）流量を上げると、発熱反応が進行し、選択酸化部の温度が上がる。逆に、空気（酸素）流量を下げると、発熱反応が抑制され、選択酸化部の温度が下がる。なお、水素含有ガスに含まれる原料由来の一酸化炭素を低減するために、一般に、選択酸化部に供給される空気流量は、改質部に供給される原料流量に応じて決められている。
【０００６】
ところで、燃料電池システムの長期運転等で、選択酸化部に供給される空気と水素含有ガスとの混合が不均一になった場合、または、選択酸化部に供給される空気と水素含有ガスとの混合ガスの流れに偏流が生じた場合、選択酸化部において、局所的に一酸化炭素流量に対する空気（酸素）流量の割合が高い部分や、また、一酸化炭素流量、及び、空気（酸素）流量の絶対流量が高い部分ができ、その部分において、選択酸化反応（発熱反応）が加速され、選択酸化部の一部の温度が過度に上昇し、それに引きずられて、選択酸化部全体の温度が上昇する恐れがあった。
【０００７】
さらに、選択酸化部では、選択酸化部の温度が１９０℃〜２００℃付近まで上昇すると、選択酸化反応に加え、水素含有ガスに含まれる水素と一酸化炭素、及び、水素と二酸化炭素とによるメタン化反応（メタネーション）が起こり始める。メタン化反応は、（２）式、及び、（３）式で示される。
【０００８】
ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ          （２）
ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ      （３）
メタン化反応は、選択酸化反応と同様、発熱反応であり、メタン化反応が起こり始める
と、発熱反応が加速され、選択酸化部の温度が上昇し、さらにメタン化反応が加速される。この結果、選択酸化部の一部の温度が過度に上昇し、それに引きずられて、選択酸化部全体の温度が熱暴走する恐れがあった。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献１には、選択酸化部の温度が過度に上昇することを防止することを目的として、選択酸化部の触媒層の温度が上限温度を上回った場合に、酸素含有ガスの単位時間当たりの供給量（本願発明の空気流量に相当する）を低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−２６２７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記従来の技術では、一酸化炭素濃度（以下、「ＣＯ」という）が増加した場合に、燃料電池システムの選択酸化部で十分にＣＯ濃度を低減することができないという課題があった。燃料電池に供給される水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が上がると、燃料電池のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池の寿命低下に至る恐れがある。
【００１２】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に抑制しつつ、燃料電池に供給される水素含有ガスのＣＯ濃度を十分に低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１３】
また、前記従来の技術では、選択酸化部の温度を十分に下げるために、選択酸化部に供給する空気流量を過剰に低減する必要がある場合があった。この場合、選択酸化部でＣＯを酸化するために必要な空気流量が足りなくなり、選択酸化部で十分にＣＯ濃度を低減することができないという課題があることを見出した。選択酸化部で十分にＣＯ濃度を低減することができないと、燃料電池の貴金属触媒が被毒し、触媒活性が低下する恐れがある。
【００１４】
図７は、選択酸化部の温度に対する水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度の関係の例を示すグラフである。空気流量指令値を基準値より下げる（例えば、Ｏ２／ＣＯ＝２．０相当の空気流量指令値を基準として、Ｏ２／ＣＯ＝１．７相当の空気流量指令値に下げる）と、選択酸化温度に対するＣＯ濃度が高くなる傾向にあった。
【００１５】
例えば、燃料電池のＣＯ被毒を防止するための許容ＣＯ濃度を２０ｐｐｍとした場合、ＣＯ濃度を２０ｐｐｍ未満にするためには、Ｏ２／ＣＯ＝２．０相当を基準とする空気流量指令値の場合、Ｏ２／ＣＯ＝１．８相当以上の空気流量指令値が必要であった。
【００１６】
ところが、Ｏ２／ＣＯ＝１．８相当の空気流量指令値では、選択酸化部の温度を、選択酸化部の温度が熱暴走に至る温度域の下限程度までしか下げることができず、選択酸化部の温度が熱暴走に至るのを、十分に防止することができない恐れがあった。なお、選択酸化部の温度を選択酸化反応に適した温度域の上限まで下げるには、Ｏ２／ＣＯ＝２．０相当から１．６相当まで空気流量指令値を下げる必要があった。
【００１７】
つまり、空気流量指令値を基準値から下げる場合、空気流量を過剰に下げると、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が上がる恐れがあった。一方で、ＣＯ濃度を十分に低減しようとすると、選択酸化部の温度を十分に低減できず、熱暴走が十分に抑制できない恐れがあ
った。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記従来の技術の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、選択酸化温度検出部で検出された温度と燃料電池への発電出力指令値とに基づいて、燃料電池への発電出力指令値と選択酸化部への空気流量指令値とを出力する制御部を備え、選択酸化温度検出部で検出された選択酸化温度が閾値Ｔ１を超え、且つ、燃料電池への発電出力指令値が閾値Ｗを超えるとき、燃料電池への発電出力指令値を閾値Ｗに下げ、且つ、選択酸化部への空気流量指令値を所定値Ｐ１に下げる、としたものである。
【００１９】
まず、選択酸化温度が閾値（例えば、選択酸化部が熱暴走に至らない温度、または、その上限）を超え、発電出力指令値が閾値（例えば、空気流量指令値がＯ２／ＣＯ＝２．０相当のとき、選択酸化部の温度が熱暴走に至らない発電出力、または、その上限）を超えたとき、発電出力指令値を閾値に下げることにより、水素生成装置で生成する水素含有ガス流量が下がるため、改質部に供給される原料流量、及び、選択酸化部に供給される原料流量に応じて決まる空気流量指令値の基準値が下がる。
【００２０】
次に、選択酸化部に供給される空気流量指令値を基準値から下げる（例えば、ＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となる空気流量指令値、または、その下限）ことにより、さらに空気指令値が下がる。
【００２１】
これによって、選択酸化部に供給される空気流量の指令値が大幅に下がり、選択酸化反応（発熱反応）が大幅に減るため、選択酸化部の温度が選択酸化反応に適した温度域まで下がる。また、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池システムは、選択酸化部の温度の熱暴走を抑制しつつ、燃料電池に供給する水素含有ガスのＣＯ濃度を十分に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの特徴的な動作の１サイクルを模式的に示すフローチャート
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの特徴的な動作の１サイクルを模式的に示すフローチャート
【図４】選択酸化部が熱暴走に至るときの選択酸化温度挙動を模式的に示すグラフ
【図５】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの特徴的な動作の１サイクルの挙動を模式的に示すグラフ
【図６】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの特徴的な動作の１サイクルの挙動を模式的に示すグラフ
【図７】選択酸化温度に対するＣＯ濃度の関係を模式的に示したグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の発明は、原料と水とが供給されて改質反応により水素含有ガスを生成する改質部と、空気が供給されて選択酸化反応により前記改質部により生成された前記水素含有ガスの中のＣＯ濃度をさらに低減する選択酸化部と、前記選択酸化部に空気を供給する空気供給部と、前記選択酸化部の温度を検出する選択酸化温度検出部と、を備える水素生成装置と、前記選択酸化部でＣＯ濃度が低減された前記水素含有ガスと酸素含有ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記選択酸化温度検出部で検出された温度と前記燃料電池への発電出力指令値とに基づいて、前記燃料電池への発電出力指令値を更新し、前記選択酸化
部への空気流量指令値を出力する制御部と、を備える燃料電池システムである。この構成により、選択酸化部の温度が選択酸化反応に適した温度域まで下がり、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となり、燃料電池のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池の寿命低下を防止することができる。
【００２５】
第２の発明は、特に第１の発明において、制御部は、選択酸化温度検出部で検出された選択酸化温度が閾値Ｔ１を超え、かつ、前記燃料電池への発電出力指令値が閾値Ｗを超えるとき、前記燃料電池への発電出力指令値を閾値Ｗに下げ、かつ、前記選択酸化部への空気流量指令値を所定値Ｐ１に下げるものである。これにより、Ｏ２／ＣＯを大幅に下げることなく、選択酸化部に供給される空気流量の指令値が大幅に下がり、選択酸化反応（発熱反応）が大幅に減るため、選択酸化部の温度が選択酸化反応に適した温度域まで下がり、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となり、燃料電池のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池の寿命低下を防止することができる。
【００２６】
第３の発明は、特に第２の発明において、制御部は、選択酸化温度検出部で検出された選択酸化温度が閾値Ｔ１を超え、かつ、燃料電池への発電出力指令値が閾値Ｗ以下のとき、選択酸化部への空気流量指令値を所定値Ｐ２に下げるものである。これにより、Ｏ２／ＣＯを大幅に下げることなく、選択酸化部に供給される空気流量の低い指令値がさらに下がり、選択酸化反応（発熱反応）が減るため、選択酸化部の温度が選択酸化反応に適した温度域まで下がり、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となり、燃料電池のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池の寿命低下を防止することができる。
【００２７】
第４の発明は、特に第２または第３の発明において、制御部は、選択酸化温度検出部で検出された選択酸化温度が閾値Ｔ２以下で、かつ、燃料電池への発電出力指令値が閾値Ｗのとき、燃料電池への発電出力指令値を燃料電池が要求される発電出力にし、かつ、選択酸化部への空気流量指令値を所定値Ｐ３に上げるものである。これにより、燃料電池が要求される発電出力を発電できる。また、Ｏ２／ＣＯが上がるため、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満であり、かつ、さらに低く下がり、燃料電池のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池の寿命低下を防止することができる。
【００２８】
第５の発明は、特に第２から第４の発明において、制御部は、選択酸化温度検出部で検出された選択酸化温度が閾値Ｔ２以下で、かつ、燃料電池への発電出力指令値が閾値Ｗ未満のとき、選択酸化部への空気流量指令値を所定値Ｐ４に上げるものである。これにより、Ｏ２／ＣＯが上がるため、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満であり、かつ、さらに低く下がり、燃料電池のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池の寿命低下を防止することができる。
【００２９】
以下、本発明を実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３０】
（実施の形態１）
本発明の燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置１と燃料電池２とを用いた燃料電池システム１００の概略構成図を示すものである。
【００３１】
燃料電池システム１００は、水素含有ガスを生成する水素生成装置１と、水素生成装置１から供給される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池２と、水素生成装置１から燃
料電池２へ切換弁３ａを介して水素ガスを供給する水素ガス供給経路４と、燃料電池２で排出される燃料を水素生成装置１のバーナユニット５へ切換弁３ｂを介して供給する燃料供給経路６と、切換弁３ａと切換弁３ｂとを接続する燃料電池バイパス経路７と、一般家庭等で使用される負荷２６に応じて、水素生成装置１、及び、燃料電池２の運転動作を制御する制御部１２とを備えている。なお、一般的な固体高分子型の燃料電池システム１００と同等の構成なので、その他の構成の詳細な説明は省略する。
【００３２】
水素生成装置１は、水素生成装置１に水を供給する水供給部８と、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、原料に含まれる硫黄成分を吸着して除去する脱硫部９と、脱硫部９を通過させた後の原料と水供給部８から供給される水とを用いて水素含有ガスを生成させる改質器１０と、脱硫部９に供給される原料流量を制御するための原料供給部１１とを備えている。
【００３３】
改質器１０は、水供給部８から供給される水を蒸発させるとともに、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する蒸発部１３と、原料と水蒸気との改質反応を進行させる改質部１４と、改質部１４で生成した水素含有ガス中のＣＯと水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスのＣＯ濃度を低減させる変成部１５を有している。また、変成部１５を通過した後の水素含有ガス中に残留するＣＯを、空気供給部１６から変成部１５を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部１７が備えられている。改質部１４にはＲｕ系の改質触媒、変成部１５にはＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒、選択酸化部１７にはＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている。
【００３４】
また、改質部１４、変成部１５、選択酸化部１７には、それぞれの温度を検出する改質温度検出部１８、変成温度検出部１９、選択酸化温度検出部２０が備えられている。
【００３５】
また、改質器１０は、改質部１４、変成部１５、選択酸化部１７における各反応に必要な熱を供給するためのバーナユニット５を備えている。バーナユニット５には、燃料を供給する燃料供給経路６と空気を供給する燃焼ファン２１が配設されている。燃料は、水素ガス供給経路４から燃料電池バイパス経路７を介して、あるいは、燃料電池２を経て燃料供給経路６からバーナユニット５に供給される。
【００３６】
また、改質部１４と蒸発部１３は、バーナユニット５で発生した燃焼排ガスから、内筒２２の壁面を介して熱を供給される構成となっている。なお、改質部１４、変成部１５、選択酸化部１７の構成において、一般的な構成と同様な構成部分についての図示、及び、詳細な説明は省略する。
【００３７】
脱硫部９に供給される炭化水素系の原料は、炭化水素等の少なくとも炭素、及び、水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等である。ここでは、原料の供給源として都市ガスのガスインフラライン２３を用い、そのガスインフラライン２３に脱硫部９が接続されている。脱硫部９は、上流側、及び、下流側に配置された脱硫接続部２４に着脱可能な形状を有しており、脱硫部９の硫黄成分に対する吸着量が飽和して吸着特性が低下すると、新しい脱硫部９に交換できる構成となっている。脱硫部９には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤が充填されている。また、脱硫接続部２４は、原料の流通を制御する弁機能も有し、例えば、構成に電磁弁が設けられる。なお、脱硫部９は、水添脱硫を用いた構成としてもよい。
【００３８】
水供給部８は、流量調節機能を有するポンプを有している。原料供給部１１は、脱硫部９と改質器１０とを接続する原料供給経路２５に配置され、改質器１０に供給される原料流量を制御することによって、ガスインフラライン２３から脱硫部９に供給される原料の
流量を制御している。なお、原料供給部１１は、脱硫部９に供給される原料流量を制御できればよく、原料供給部１１の下流側に配置されていてもよい。原料供給部１１はブースターポンプを有しており、例えば、入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、脱硫部９に供給される原料流量を調節する機能を有している。
【００３９】
制御部１２は、半導体メモリやＣＰＵ等により、改質器１０の運転動作シーケンス、原料積算流量など運転情報等を記憶し、状況に応じた適切な動作条件を演算し、かつ、燃料電池２、水素生成装置１の水供給部８、原料供給部１１、空気供給部１６、切換弁３ａ、３ｂ等、運転に必要な動作条件を指令する。
【００４０】
本発明の燃料電池システムの運転動作について説明する。以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作（起動、発電、停止）を、水素生成装置１の動作を中心に説明する。
【００４１】
まず、停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、制御部１２からの指令により、原料は原料供給部１１から原料供給経路２５を通して改質器１０へ供給される。蒸発部１３、改質部１４、変成部１５、選択酸化部１７を経た原料は、水素ガス供給経路４、燃料電池バイパス経路７を介して燃料供給経路６からバーナユニット５へ供給され、燃焼ファン２１により燃焼空気を供給されたバーナユニット５で点火されて改質器１０の加熱が開始する。
【００４２】
バーナユニット５による加熱開始後、水供給部８を動作させて改質器１０に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供給部８からの水供給流量は、都市ガスの平均分子式中の炭素分子量１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように制御される（Ｓ／Ｃ＝３程度）。
【００４３】
さらに、空気供給部１６を動作させて改質器１０に空気を供給する。空気供給部１６からの空気供給流量は、酸素流量が水素含有ガスに含まれるＣＯ流量の２倍のモル数（Ｏ２／ＣＯ＝２）となるよう制御される。改質器１０では、改質部１４で水蒸気改質反応、変成部１５で変成反応、選択酸化部１７でＣＯの選択酸化反応を進行させる。この時、改質部１４、変成部１５，選択酸化部１７が各反応に適した温度になるように、バーナユニット５の燃焼を制御する。
【００４４】
ＣＯ濃度を所定濃度（例えば、ドライガスベースで２０ｐｐｍ未満）まで低減させた後、切換弁３ａ、３ｂを動作させ、水素ガス供給経路４を通して水素含有ガスを燃料電池２に供給することにより、燃料電池２において発電動作が行われる。また、燃料電池２で排出される燃料は、燃料供給経路６を通り、バーナユニット５へ供給される。
【００４５】
発電動作中、制御部１２は、負荷２６により燃料電池システム１００が要求される発電出力Ｗｂ等に応じて、燃料電池２に発電出力指令値Ｗａを出力し、かつ、水素生成装置１に発電出力指令値Ｗａに応じた水素含有ガスを生成させ、改質部１４、変成部１５，選択酸化部１７が各反応に適した温度になるように、原料流量と、原料流量に応じた改質水、及び、空気流量と、バーナユニット５の燃焼流量（λ（燃料に対する空気比）＝１．７程度）を制御する。
【００４６】
燃料電池システム１００の運転を停止させる場合、制御部１２からの指令により、切換弁３ａ、３ｂを動作させて、燃料電池２に供給している水素含有ガスを、燃料電池バイパス経路７を通してバーナユニット５に供給する。その後、水供給部８と原料供給部１１と空気供給部１６との動作を停止させて、水と原料と空気の供給を停止させ、水素生成装置
１の動作を停止させる。
【００４７】
なお、水素生成装置１の停止動作には、切換弁３ａ、３ｂを動作させて改質器１０を封止する動作や、改質器１０が降温して体積減少する量に相当する量の原料を供給する動作等、改質器１０内に外気の混入を防止する動作を併設して行うことが好ましい。
【００４８】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の特徴的な動作の１サイクルを模式的に示すフローチャートである。なお、実際には、燃料電池システム１００の発電運転の際、図２に示す１サイクルの動作が断続することなく連続して実行される。
【００４９】
まず、燃料電池システム１００が備える制御部１２は、選択酸化温度検出部２０で検出される選択酸化温度Ｔａと、燃料電池２が要求される発電出力Ｗｂと、燃料電池２が要求される発電出力Ｗｂに追従するよう燃料電池２に指令される発電出力指令値Ｗａとを取得する（ステップＳ１）。
【００５０】
そして、制御部１２は、選択酸化温度Ｔａが制御部１２の記憶部に予め設定される選択酸化温度閾値Ｔ１を超えるか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、選択酸化温度閾値Ｔ１は、選択酸化部１７が熱暴走に至らない温度、または、その上限に設定してもよい。
【００５１】
ここで、制御部１２が、選択酸化温度Ｔａが選択酸化温度閾値Ｔ１を超えると判定した場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、制御部１２は発電出力指令値Ｗａが制御部１２の記憶部に予め設定される発電出力指令値閾値Ｗを超えるか否かを判定する（ステップＳ３）。なお、発電出力指令値閾値Ｗは、空気流量指令値がＯ２／ＣＯ＝２．０相当のとき、選択酸化部１７が熱暴走に至らない発電出力、または、その上限に設定してもよい。
【００５２】
ここで、制御部１２が、発電出力指令値Ｗａが発電出力指令値閾値Ｗを超えると判定した場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、発電出力指令値ＷａをＷに下げ、かつ、空気流量指令値をＰ１に下げる（ステップＳ４）。なお、空気流量指令値Ｐ１は、ＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となる空気流量指令値、または、その下限に設定してもよい。
【００５３】
つまり、選択酸化温度が閾値Ｔ１を超え、発電出力指令値が閾値Ｗを超えたとき、発電出力指令値を閾値Ｗに下げることにより、水素生成装置１で生成する水素含有ガス流量が下がるため、改質部１４に供給される原料流量、及び、選択酸化部１７に供給される原料流量に応じて決まる空気流量の指令値の基準値を下げることができる。また、選択酸化部１７に供給される空気流量指令値を基準値から下げることにより、空気指令値を下げることができる。
【００５４】
したがって、Ｏ２／ＣＯを大幅に下げることなく、選択酸化部１７に供給される空気流量の指令値を大幅に下げ、選択酸化反応（発熱反応）を大幅に減らすことができる。また、選択酸化部１７の温度を選択酸化反応に適した温度域まで下げることができ、選択酸化部１７の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となるので、燃料電池２のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池２の寿命低下を防止することができる。
【００５５】
一方、制御部１２が、発電出力指令値Ｗａが発電出力指令値閾値Ｗを超えないと判定した場合（ステップＳ３でＮＯ）、空気流量指令値をＰ２に下げる（ステップＳ５）。これにより、水素生成装置１で生成する水素含有ガス流量が低下し、改質部１４に供給される原料流量が低下する。
【００５６】
これにより、Ｏ２／ＣＯを大幅に下げることなく、選択酸化部１７に供給される低い空気流量の指令値をさらに下げ、選択酸化反応（発熱反応）を下げることができる。また、選択酸化部１７の温度を選択酸化反応に適した温度域まで下げることができ、選択酸化部１７の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となるので、燃料電池２のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池２の寿命低下を防止することができる。
【００５７】
一方、制御部１２が、選択酸化温度Ｔａが、選択酸化温度閾値Ｔ１を超えないと判定した場合（ステップＳ２でＮＯ）、選択酸化温度Ｔａは選択酸化温度閾値Ｔ１以下であり、正常に発電動作が行われる。この場合、何も制御動作を行わずＥＮＤに移行する。
【００５８】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００、及び、水素生成装置１の特徴的な動作を、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００５９】
まず、図４は、燃料電池２が要求される発電出力と、燃料電池２が要求される発電出力に追従するよう燃料電池２に指令される発電出力指令値と、空気供給部１６に指令される空気流量指令値と、選択酸化温度検出部２０で検出された選択酸化温度との時間変化を表したグラフで、選択酸化部１７が熱暴走に至るときの選択酸化温度挙動を示している。
【００６０】
正常時は選択酸化温度が安定しているのに対し、異常時は選択酸化温度が過度に上昇し、さらに、選択酸化反応に加えてメタン化反応が始まり、選択酸化部１７の温度が熱暴走（急上昇）に至っている。
【００６１】
なお、異常の原因の一つとして、燃料電池システム１００の長期運転等により、選択酸化部１７に供給される空気と水素含有ガスとの混合が不均一になることがある。ほかの原因としては、選択酸化部１７に供給される空気と水素含有ガスとの混合ガスの流れに偏流が生じた等、水素生成装置１に何らかの変化が生じ、選択酸化部１７において、局所的にＣＯ流量に対する空気流量の割合が高い部分や、また、ＣＯ流量、及び、空気流量の絶対流量が高い部分ができ、その部分において、選択酸化反応（発熱反応）が加速され、選択酸化部１７の一部の温度が過度に上昇し、それに引きずられて、選択酸化部１７全体の温度が上昇する等が考えられる。
【００６２】
次に、図５は、本発明の特徴的な動作である、ステップＳ１〜Ｓ４の動作による選択酸化温度挙動を示している。
【００６３】
まず、時間がｔ１のとき、ステップＳ１において、燃料電池システム１００が備える制御部１２は、選択酸化温度検出部２０で検出される選択酸化温度と、燃料電池２が要求される発電出力と、燃料電池２が要求される発電出力に追従するよう燃料電池２に指令される発電出力指令値と、を取得する。
【００６４】
次に、ステップＳ２において、制御部１２は、選択酸化温度が制御部１２の記憶部に予め設定される選択酸化温度閾値を超えると判定する。なお、選択酸化温度閾値は、選択酸化部１７が熱暴走に至らない温度として設定されている。
【００６５】
次に、ステップＳ３において、制御部１２は、発電出力指令値が、制御部１２の記憶部に予め設定される発電出力指令値閾値を超えると判定する。なお、発電出力指令値閾値は、空気流量指令値がＯ２／ＣＯ＝２相当のとき、選択酸化部１７が熱暴走に至らない発電出力として設定した。
【００６６】
そして、ステップＳ４において、発電出力指令値に下げ、かつ、下げた発電出力指令値における空気流量指令値を基準値から下げる。なお、ＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となるＯ２／ＣＯの最小が１．８であることから、空気流量指令値をＯ２／ＣＯ１．８相当と設定した。
【００６７】
発電出力指令値を下げることにより、水素生成装置１で生成する水素含有ガス流量が下がるため、選択酸化部１７に供給される原料流量に応じて決まる空気流量指令値の基準値を下げることができ、かつ、選択酸化部１７に供給される空気流量指令値をＯ２／ＣＯ＝２．０相当から１．８相当に下げることにより、さらに空気指令値を基準値から下げることができる。
【００６８】
したがって、Ｏ２／ＣＯを大幅に下げることなく、選択酸化部１７に供給される空気流量の指令値を下げ、選択酸化反応（発熱反応）を大幅に下げることができる。これにより、選択酸化部１７の温度が選択酸化反応に適した温度域の上限まで下げることができ、選択酸化部１７の温度の熱暴走を十分に防止することができる。また、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となるので、燃料電池２のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池２の寿命低下を防止することができる。
【００６９】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００の特徴的な動作について、図３を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同じ動作については説明を省略する。
【００７０】
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００の特徴的な動作の１サイクルを模式的に示すフローチャートである。なお、実際には、燃料電池システム１００の発電運転の際、図３に示す１サイクルの動作が断続することなく連続して実行される。
【００７１】
まず、制御部１２は、選択酸化温度Ｔａが選択酸化温度閾値Ｔ１を超えないと判定した場合（ステップＳ２でＮＯ）、選択酸化温度Ｔａが選択酸化温度閾値Ｔ２以下か否かを判断する（ステップＳ６）。なお、選択酸化温度閾値Ｔ２は、選択酸化部１７の温度が選択酸化反応に適した温度、または、その上限に設定してもよい。
【００７２】
ここで、制御部１２は、選択酸化温度Ｔａが選択酸化温度閾値Ｔ２以下と判定した場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、「発電出力指令値ＷａをＷに下げ、かつ、空気流量指令値をＰ１に下げた、または、空気流量指令値をＰ２に下げた」か否かを判定する（ステップＳ７）。
【００７３】
ここで、制御部１２が、「発電出力指令値ＷａをＷに下げ、かつ、空気流量指令値をＰ１に下げた、または、空気流量指令値をＰ２に下げた」と判定した場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、制御部１２は、さらに、発電出力指令値Ｗａが発電出力指令値閾値Ｗと等しいか否かを判定する（ステップＳ８）。
【００７４】
ここで、制御部１２が、発電出力指令値Ｗａが、発電出力指令値閾値Ｗと等しいと判定した場合（ステップＳ８でＹＥＳ）、発電出力指令値Ｗａを燃料電池が要求される発電出力Ｗｂにし、かつ、空気流量指令値をＰ３に上げる（ステップＳ９）。なお、空気流量指令値Ｐ３は、ＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となる空気流量指令値、または、その下限に設定してもよい。
【００７５】
つまり、選択酸化温度が閾値Ｔ２以下になったとき、選択酸化部１７の温度が熱暴走に至る恐れがないため、発電出力指令値の閾値Ｗにした発電出力指令値Ｗａを、燃料電池２
が要求される発電出力Ｗｂに戻すことができ、さらに、選択酸化部１７に供給される空気流量指令値を所定値に上げることができる。
【００７６】
したがって、燃料電池２が要求される発電出力を発電することができる。また、Ｏ２／ＣＯが上がるため、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満であり、かつ、さらに低く下げることができ、燃料電池２のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池２の寿命低下を防止することができる。
【００７７】
一方、制御部１２が、発電出力指令値Ｗａが、発電出力指令値閾値Ｗと等しくないと判定した場合（ステップＳ８でＮＯ）、換言すると、発電出力指令値Ｗａが、発電出力指令値閾値Ｗより低いと判断した場合、空気流量指令値をＰ４に上げる。なお、空気流量指令値Ｐ４は、ＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満となる倍率、または、その下限に設定してもよい。
【００７８】
つまり、選択酸化温度が閾値Ｔ２以下になったとき、選択酸化部１７の温度が熱暴走に至る恐れがないため、選択酸化部１７に供給される空気流量指令値を所定値に上げることができる。なお、発電出力指令値が閾値Ｗより低いことから、発電出力指令値と燃料電池２が要求される発電出力とは等しく、ここでは、発電出力指令値を変える動作を行わない。
【００７９】
したがって、Ｏ２／ＣＯが上がるため、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満であり、かつ、さらに低く下げることができ、燃料電池２のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池２の寿命低下を防止することができる。
【００８０】
一方、制御部１２が、選択酸化温度Ｔａが選択酸化温度閾値Ｔ２以下ではないと判定した場合（ステップＳ６でＮＯ）、選択酸化温度Ｔａは、選択酸化温度閾値Ｔ１と選択酸化温度閾値Ｔ２との間（Ｔ１≧Ｔａ＞Ｔ２）にあり、正常に発電動作が行われている。この場合、何も制御動作を行わず、ＥＮＤに移行する。
【００８１】
また、「発電出力指令値ＷａをＷに下げ、かつ、空気流量指令値をＰ１に下げた、または、空気流量指令値をＰ２に下げた」の動作を行っていないと判定した場合（ステップＳ７でＮＯ）、選択酸化温度Ｔａは、選択酸化温度閾値Ｔ２以下であり、正常に発電動作が行われている。したがって、動作を行わず、ＥＮＤに移行する。
【００８２】
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００、及び、水素生成装置１の特徴的な動作を図６を参照しながら説明する。図６は、図５で説明したステップＳ１〜Ｓ４の動作に、さらに、本発明の特徴的な動作である、ステップＳ６〜Ｓ９の動作を加えたときの選択酸化温度挙動を表している。ここでは、便宜上、図５で説明したステップＳ１〜Ｓ４の動作の説明を省略する。
【００８３】
まず、時間ｔ２のとき、ステップＳ１において、燃料電池システム１００が備える制御部１２は、選択酸化温度検出部２０で検出される選択酸化温度と、燃料電池２が要求される発電出力と、発電出力指令値と、を取得する。
【００８４】
次に、ステップＳ２において、制御部１２は、選択酸化温度が制御部１２の記憶部に予め設定される選択酸化温度閾値を超えないと判定する。なお、選択酸化温度閾値は、選択酸化部１７が熱暴走に至らない温度として設定されている。
【００８５】
次に、ステップＳ６において、制御部１２は、選択酸化温度が制御部１２の記憶部に予め設定される選択酸化温度閾値以下であると判定する。なお、選択酸化温度閾値は、選択酸化反応に適した選択酸化部１７の温度として設定されている。
【００８６】
次に、ステップＳ７において、制御部１２は、前回ステップＳ４において、発電出力指令値を下げ、かつ、下げた空気流量指令値をさらに下げた、と判定する。
【００８７】
次に、ステップＳ８において、制御部１２は、発電出力指令値が、発電出力指令値閾値と等しいと判定する。
【００８８】
そして、ステップＳ９において、制御部１２は、発電出力指令値を燃料電池２が要求される発電出力にし、かつ、空気流量指令値をＯ２／ＣＯ＝１．８相当から２．０相当に上げる。なお、空気流量指令値は、ステップＳ４でＯ２／ＣＯ＝１．８相当に下げる前の値の２．０相当として設定されている。
【００８９】
したがって、燃料電池２が要求される発電出力を発電することができる。また、Ｏ２／ＣＯ＝１．８から２．０に上がるため、水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度が２０ｐｐｍ未満であり、かつ、さらに低く下げることができ、燃料電池２のＣＯ被毒による発電出力の低下、あるいは、燃料電池２の寿命低下を防止することができる。
【００９０】
なお、空気流量指令値Ｐ３をＯ２／ＣＯ＝２．０相当としたが、Ｏ２／ＣＯ＝２．０相当＞Ｐ３＞Ｐ１、または、Ｏ２／ＣＯ＝２．０相当＞Ｐ３＞Ｐ２であってもよい。この場合、空気流量指令値がＯ２／ＣＯ＝２．０相当より低く、選択酸化反応が低くなり、選択酸化部１７の温度の上昇速度が遅くなるため、選択酸化部１７の温度が熱暴走をより抑えることができる。なお、Ｐ３＞Ｏ２／ＣＯ＝２．０相当であってもよい。
【００９１】
また、Ｏ２／ＣＯ＝２．０相当の空気流量指令値を基準としたが、これに限定されるものではないのは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
以上のように、本発明の燃料電池システムは、選択酸化部の温度の熱暴走を十分に防止することができる。さらに、燃料電池のＣＯ被毒による発電出力の低下、または、発電停止、あるいは、燃料電池の寿命低下を防止することができる。さらに、太陽光発電システム、蓄電池等を組み合わせた用途にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１  水素生成装置
２  燃料電池
３ａ  切換弁
３ｂ  切換弁
４  水素ガス供給経路
５  バーナユニット
６  燃料供給経路
７  燃料電池バイパス経路
８  水供給部
９  脱硫部
１０  改質器
１１  原料供給部
１２  制御部
１３  蒸発部
１４  改質部
１５  変成部
１６  空気供給部
１７  選択酸化部
１８  改質温度検出部
１９  変成温度検出部
２０  選択酸化温度検出部
２１  燃焼ファン
２２  内筒
２３  ガスインフラライン
２４  脱硫接続部
２５  原料供給経路
２６  負荷
１００  燃料電池システム
【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図１】
2013134920.tif 000006
【図４】
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【図５】
2013134920.tif 000008
【図６】
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