(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質部、ＣＯ変成部並びにＣＯ選択酸化部とを有し、前記改質部にて改質用原料を改質し、且つ前記ＣＯ変成部とＣＯ選択酸化部とを通して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料処理装置と；
前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と；
前記燃料電池の発電量を計測する発電量計測手段と；
前記発電量を増加する際、前記改質部、ＣＯ変成部及びＣＯ選択酸化部のうち律速段階となる部分の温度に基づいて定められている前記燃料電池の発電量と発電量増加速度との関係に準拠して、前記発電量計測手段により計測される発電量に応じて発電量増加速度を制御する制御部とを備える；
燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記制御部は、低発電電力時は発電量増加速度を大きくし、発電量の増加に伴い発電量増加速度を小さくするように作動する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
改質部において改質用原料を改質し、且つＣＯ変成部とＣＯ選択酸化部とを通して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する工程と；
前記燃料ガスと酸化剤を燃料電池に供給して発電する工程と；
前記発電される発電量を計測する工程と；
前記発電量を増加する際、前記改質部、ＣＯ変成部及びＣＯ選択酸化部のうち律速段階となる部分の温度に基づいて定められている前記燃料電池の発電量と発電量増加速度との関係に準拠して、前記計測される発電量に応じて発電量増加速度を制御する工程とを備える；
燃料電池による発電方法。
【請求項４】
前記制御する工程では、低発電電力時は発電量増加速度を大きくし、発電量の増加に伴い発電量増加速度を小さくするように発電量増加速度を制御する、請求項３に記載の燃料電池による発電方法。
【請求項５】
改質部、ＣＯ変成部並びにＣＯ選択酸化部とを有し、前記改質部にて炭化水素やアルコールなどの改質用原料を改質し、且つ前記ＣＯ変成部とＣＯ選択酸化部とを通して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料処理装置と；
前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と；
前記改質部、ＣＯ変成部及びＣＯ選択酸化部のうち律速段階となる部分の温度に基いて発電可能電力量を算出し、前記燃料電池の発電量を前記算出された電力量に制御する制御部を備える；
燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記制御部は、発電量の設定値を変更する際に、前記算出された電力量に応じて発電量増加速度を制御する、請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記改質部の温度を検出し、前記制御部に信号を出力する改質部温度検出器と；
前記ＣＯ変成部の温度を検出し、前記制御部に信号を出力するＣＯ変成部温度検出器と；
前記ＣＯ選択酸化部の温度を検出し、前記制御部に信号を出力するＣＯ選択酸化部温度検出器とをさらに備える；
請求項５又は請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
改質部において改質用原料を改質し、且つＣＯ変成部とＣＯ選択酸化部とを通して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料生成工程と；
前記燃料ガスと酸化剤とを燃料電池に供給して発電する発電工程と；
前記改質部、ＣＯ変成部及びＣＯ選択酸化部のうち律速段階となる部分の温度に基づいて発電可能電力量を算出し、前記燃料電池の発電量を前記算出された電力量に制御する制御工程とを備える；
燃料電池による発電方法。
【請求項９】
前記制御工程では、発電量の設定値を変更する際に、前記算出された電力量に応じて発電量増加速度を制御する、請求項８に記載の燃料電池による発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池発電システムの低負荷運転から高負荷運転への負荷変更時や起動時の安定性を向上させると共に、負荷変更時間や起動時間を短縮できる燃料電池発電システム及び燃料電池による発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型の燃料電池発電システムでは、天然ガスのような炭化水素化合物から燃料ガスとしての水素リッチガスを生成する改質装置を用いている形式がある。この場合には、改質装置に設けられる改質触媒層等の触媒層温度が所定温度に到達してから、燃料電池発電システムの発電開始を行う必要がある。そこで、触媒層温度が所定温度に到達してから、燃料電池の出力電力を増大させて、定格出力が可能な安定運転状態に移行させている。
【０００３】
特にアノードオフガスを燃料処理装置に具備されたバーナーにおいて全量燃焼するよう構成されたシステムにおいては、このような燃料電池における発電電力量の増加操作は、燃料電池の電圧やその他の系統に影響を与えないある一定速度により、発電電力量を増加してゆくことが望ましい。また、このように発電電力量を増加していくことによりバーナーでの失火を抑制する効果も得られる。さらに発電電力量を増加させる運転は、燃料電池発電システムの低負荷運転から高負荷運転への負荷変更時にも行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池発電システムの特性を考慮しないで一律に発電電力量の増加速度を定める場合には、燃料電池触媒のＣＯ被毒等に起因する燃料電池の電圧低下やその他の系統に影響を与えないように、増加速度が低めに設定されるので、発電電力量が定格出力に到達するまでに時間が掛かるという課題があった。また、触媒層温度が定格出力に対して一定割合での発電が可能である場合に、この触媒層温度に応じた範囲で発電を行なうことなく単に待機していると、エネルギー効率が低下するという課題があった。
【０００５】
本発明は上述する課題を解決するもので、燃料電池発電システムの低負荷運転から高負荷運転への負荷変更時や起動時の安定性を向上させると共に、負荷変更時間や起動時間を短縮できる燃料電池発電システム及び燃料電池による発電方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、改質部３５、ＣＯ変成部３６並びにＣＯ選択酸化部３７とを有し、改質部３５にて改質用原料を改質し、且つＣＯ変成部３６とＣＯ選択酸化部３７とを通して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料処理装置３０と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池６１と、燃料電池６１の発電量を計測する発電量計測手段８０と、前記発電量を増加する際、改質部３５、ＣＯ変成部３６及びＣＯ選択酸化部３７のうち律速段階となる部分の温度に基づいて定められている燃料電池６１の発電量と発電量増加速度との関係に準拠して、発電量計測手段８０により計測される発電量に応じて発電量増加速度を制御する制御部７１とを備えている。
【０００７】
このように構成すると、発電量を増加する際、改質部、ＣＯ変成部及びＣＯ選択酸化部のうち律速段階となる部分の温度に基づいて定められている燃料電池の発電量と発電量増加速度との関係に準拠して、発電量計測手段８０により計測される発電量に応じて発電量増加速度を制御部７１により制御しているので、発電量に応じた木目細かな発電量増加速度の制御が行え、燃料電池発電システムの低負荷運転から高負荷運転への負荷変更時や起動時の安定性を向上させることができる。
【０００８】
好ましくは、制御部７１は、低発電電力時は発電量増加速度を大きくし、発電量の増加に伴い発電量増加速度を小さくするように作動する構成とすると、燃料電池発電システムが定格出力に対して一定割合での発電が可能である場合に、燃料処理装置３０にて生成される燃料ガス性状の低下を起こすことなく、適正な発電電力量まで迅速に出力電力を増大させて運転継続することが可能となる。
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池による発電方法は、例えば図１に示すように、改質部３５において改質用原料を改質し、且つＣＯ変成部３６とＣＯ選択酸化部３７とを通して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する工程と、前記燃料ガスと酸化剤を燃料電池に供給して発電する工程と、前記発電される発電量を計測する工程と、前記発電量を増加する際、改質部３５、ＣＯ変成部３６及びＣＯ選択酸化部３７のうち律速段階となる部分の温度に基づいて定められている燃料電池６１の発電量と発電量増加速度との関係に準拠して、前記計測される発電量に応じて発電量増加速度を制御する工程とを備える。酸化剤としては、例えば空気や酸素などが用いられる。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、改質部３５、ＣＯ変成部３６並びにＣＯ選択酸化部３７を有し、改質部３５にて改質用原料を改質し、且つＣＯ変成部３６とＣＯ選択酸化部３７とを通して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料処理装置３０を備えている。また、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池６１と、改質部３５、ＣＯ変成部３６及びＣＯ選択酸化部３７のうち律速段階となる部分の温度に基いて発電可能電力量を算出し、前記燃料電池の発電量を前記算出された電力量に制御する制御部７１を備えている。
【００１１】
このように構成すると、燃料処理装置３０において、改質部３５の温度が低く平衡論的に改質反応が進みにくい場合や、ＣＯ変成部３６又はＣＯ選択酸化部３７の温度が低く触媒活性が低い場合には、改質反応、ＣＯ変成反応又はＣＯ選択酸化反応のいずれか一つが燃料処理プロセスにおける律速段階となっている。そこで、制御部７１が改質部３５、ＣＯ変成部３６及びＣＯ選択酸化部３７のうち律速段階となる部分の温度から定まる発電可能電力量を算出し、燃料電池の発電量を前記算出された電力量に制御する構成としているので、燃料処理装置３０の改質部３５、ＣＯ変成部３６又はＣＯ選択酸化部３７の処理能力に応じた燃料電池の発電量となるので、例えば燃料処理装置３０にて生成される燃料ガス性状の低下を起こすことなく、適正な発電電力量にて運転継続することが可能となる。
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明の燃料電池による発電方法は、例えば図１に示すように、改質部３５にて改質用原料を改質し、且つＣＯ変成部３６とＣＯ選択酸化部３７とを通して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料生成工程と、前記燃料ガスと酸化剤とを燃料電池に供給して発電する発電工程と、改質部３５、ＣＯ変成部３６及びＣＯ選択酸化部３７とのうち律速段階となる部分の温度に基づいて発電可能電力量を算出し、前記燃料電池の発電量を前記算出された電力量に制御する制御工程とを備える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似記号を付し、重複した説明は省略する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態を説明する燃料電池発電システム全体の構成ブロック図である。図において、固体高分子型の燃料電池発電システムは、プロトン伝導性を持つ固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池６１と、炭化水素またはアルコール等を主とする改質用原料を改質して燃料電池に水素を主成分とする燃料ガスを供給する燃料処理装置３０とを含んで構成されている。
【００１５】
燃料処理装置３０は、改質用原料を固体高分子型燃料電池６１に供給可能な燃料ガスへの改質を行う触媒等を充填した改質部３５と、ここで改質を行うために必要な熱を得るための燃焼部３１とを含んで構成される。燃焼部３１は、燃焼用原料及び未利用燃料ガスの燃焼を行うバーナー３２および燃焼室３３とを含んで構成される。燃焼室３３は、バーナー３２で生じる火炎を収納する。改質部３５は、水蒸気改質等の改質反応を行う改質触媒層３５ｄ、ＣＯ変成反応を行うＣＯ変成部としてのＣＯ変成触媒層３６、燃料電池内の触媒活性を低下させ発電能力を低下させるＣＯの除去を行うＣＯ選択酸化部としてのＣＯ選択酸化触媒層３７を含んで構成される。
【００１６】
燃料処理装置３０は、例えば全体的に円筒形に形成されており、該円筒の中心線が鉛直方向に向くように設置される。図中、円筒形構造の中心部には、燃焼室３３が形成されており、燃焼室３３の内部に、上方から下方に向けて燃焼用原料等を導くバーナー３２が設置されている。バーナー３２の先端部に火炎が形成される。改質部３５には、温度検出器としての熱電対を利用した温度計７４、７７、７８、７９が取り付けられており、それぞれ燃焼室３３、ＣＯ変成触媒層３６、ＣＯ選択酸化触媒層３７、改質触媒層３５ｄの温度を測定する。
【００１７】
またバーナー３２には、弁１１ｂを有する燃焼用原料供給系１１と弁２１ａを有する未利用燃料ガス供給系２１及び弁１３ｂを有する燃焼用空気供給系１３が接続されている。未利用燃料ガスは、燃料電池６１で発電に利用されなかった燃料ガスである。未利用燃料ガス供給系２１で供給されるガスは燃焼部３１で燃焼される。
【００１８】
燃焼用原料供給系１１は、本燃料電池発電システムの起動初期の燃焼を行うために必要な燃焼用原料を供給する系である。燃焼用原料としては、本実施の形態では天然ガスを主成分とする都市ガスを用いる。但し、他の炭化水素ガスや液体燃料であってもよい。液体燃料としては、メタノール等のアルコールが適している。但し、灯油、軽油等の液体炭化水素であってもよい。
【００１９】
また改質部３５には、弁１２ｂを有する改質用原料供給系１２が接続されている。改質用原料は、本実施の形態では、燃焼用原料と共通なものとなっており、天然ガスを主成分とする都市ガスが用いられている。但し、燃焼用原料と同様に、他の炭化水素ガスや液体燃料であってもよい。また、メタノール等のアルコールや、灯油、軽油等の液体炭化水素であってもよい。
【００２０】
燃焼用原料供給系１１には、燃焼用原料を昇圧する昇圧機であるブロワ１１ａが弁１１ｂの上流側に備えられ、改質用原料供給系１２には、改質用原料を昇圧する昇圧機であるブロワ１２ａが弁１２ｂの上流側に備えられ、燃焼用空気供給系１３には、燃焼用空気を昇圧する昇圧機であるブロワ１３ａが弁１３ｂの上流側に備えられている。またブロワ１１ａの上流側には弁１１ｃが、ブロワ１２ａの上流側には弁１２ｃが備えられている。なお、燃焼用原料及び改質用原料として、例えばガスボンベから供給される加圧ガスを用いる場合には、前記ブロワは用いなくてもよい。
【００２１】
この実施の形態では、前述のように燃焼用原料と改質用原料とが共通化されている。したがって、燃焼用原料供給系１１と改質用原料供給系１２とは、弁１１ｃと弁１２ｃの上流側で共通の原料供給系から分岐している。さらに、改質部３５には、改質部３５で改質された燃料ガスを燃料電池６１に供給する燃料ガス供給系２５が接続されている。また燃焼部３１には、燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排気系２３が接続されている。
【００２２】
バーナー３２に供給された燃焼用原料又は未利用燃料ガスは、燃焼用空気供給系１３を通して供給される空気と混合され燃焼室３３で燃焼する。発生した燃焼排ガスは、燃焼室３３から流出する。この間に改質部３５を加熱する。燃焼室３３の温度は、ここでの燃焼による発熱量に敏感であり、燃焼排ガス量が増えると直ちに上昇する。他方、改質部３５の改質触媒層３５ｄ、ＣＯ変成触媒層３６、ＣＯ選択酸化触媒層３７の温度上昇は緩慢であり、各々の熱容量及び伝熱係数に応じた所定の時定数を持って、触媒の動作温度まで上昇する。
【００２３】
本発明の実施の形態で使用される燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池６１である。この燃料電池６１は、セルスタックとして構成されている。この各セルは、電解質を構成する固体高分子膜を有し、該固体高分子膜の一方の面側に燃料極６１ａを、他方の面側に酸化剤極６１ｂを有する。燃料極６１ａには水素を主成分とする燃料ガスが供給され、酸化剤極６１ｂには酸化剤ガスとしての空気が供給される。この燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う。このような固体高分子膜と、炭素等の導電性材料で作られたセパレータとからなるセルが交互に重ねられ多層構造として、セルスタックが構成されている。
【００２４】
酸化剤極６１ｂには、空気ブロワ５１と酸化剤ガス（空気）供給管５２により空気が供給される。酸化剤極６１ｂに供給された空気は、セルスタックにて燃料ガスと電気化学的に反応して、発電が行なわれると共に、未利用分空気及び生成される水分が空気排出管５３により排出される。
【００２５】
発電量計測手段としての電力計８０は、燃料電池６１により発生される電力を測定する。なお、発電量計測手段としては、電力を計測できる計器であればよく、電力と相関関係を有する電流を測定する電流計を用いても良い。直流電流回路は、燃料電池６１を構成するセルスタックの燃料極６１ａと酸化剤極６１ｂを接続するもので、途中にＤＣ−ＤＣコンバータ及びＤＣ−ＡＣインバータ（図示せず）を挿入し、ＤＣ−ＡＣインバータの後段に交流電流回路を接続し、商用の交流電力と同様に家庭用や産業用の電力機器に電力を供給しても良い。電力計８０は、直流電流回路の直流電力を測定するものでもよく、また交流電流回路の交流電力を測定するものでもよい。
【００２６】
次に図１の構成ブロック図を参照して、本発明の第１の実施の形態を説明する。弁１１ｂと弁１２ｂは、信号伝達系でコントローラ７１に接続されている。コントローラ７１には、温度計７４、７７、７８、７９が接続されている。なおコントローラ７１は、後述のような制御を行わせるソフトをインストールしたマイクロコンピュータ又はパソコンであってもよい。
【００２７】
燃料ガス供給系２５は、燃料電池６１に接続されている。燃料ガス供給系２５には、燃料電池６１に接続される上流側に弁２５ａが備えられている。この燃料ガス供給系２５で供給される燃料ガスは、燃料電池６１の燃料極６１ａに供給される。なお、燃料電池６１には、空気供給系５２により、酸化剤としての空気が供給される。
【００２８】
未利用燃料ガス供給系２１は、燃料電池６１に接続されている。ここでいう未利用燃料ガスは、燃料極６１ａで水素が発電に利用された後の余剰改質ガスであり、まだ水素をかなり含むいわゆる水素リッチガスである。未利用燃料ガス供給系２１には、燃料電池６１側から、弁２１ｂと弁２１ａがこの順番で備えられている。
【００２９】
燃料処理装置３０と弁２５ａとの間の燃料ガス供給系２５と、弁２１ａと弁２１ｂとの間の未利用燃料ガス供給系２１とは、バイパス系２４で接続されている。バイパス系２４には、弁２４ａが備えられている。また弁２１ａと弁２１ｂとの間の未利用燃料ガス供給系２１からは、未利用燃料ガス排気系２２が引き出されており、この系には弁２２ａが備えられている。なお図１において、図中黒く塗りつぶした弁は閉、白く示された弁は開となっていることを意味する。
【００３０】
このように構成された燃料電池発電システムでは、以下の工程▲１▼、▲２▼、▲３▼をへて発電を開始する状態に移行する。
▲１▼燃料処理装置３０を所定動作温度まで昇温させる工程…燃料処理装置３０には、燃焼用原料と燃焼用空気が供給され、燃料処理装置３０が燃焼用原料の燃焼により加熱されている。しかし、改質用原料は燃料処理装置３０に供給されていないため燃料ガスはまだ燃料電池６１には供給されておらず、従って未利用燃料ガスも、まだ燃料処理装置３０に戻って来ていない。
▲２▼燃料処理装置３０に改質用原料の供給が開始される工程…改質用原料は燃料ガス供給系２５を通って、さらにバイパス系２４を通って未利用燃料ガス供給系２１に流入し、最後にバーナー３２に到る。
▲３▼燃焼用原料の供給が停止される工程…未利用燃料ガスが燃焼部３１に供給されるので、燃焼用原料を供給する必要がなくなり、従って弁１１ｃが閉となる。なお、燃焼用原料の供給を停止するのは発電開始後であってもよく、また継続して供給しても良い。
【００３１】
図１においては、発電中又は発電可能状態における弁の開閉状態の一例を示している。弁１３ｂ、１２ｂ、１２ｃ、２５ａ、２１ａ、２１ｂが開となり、弁１１ｂ、１１ｃ、２４ａ、２２ａが閉となっている。この状態では、バーナー３２には、未利用燃料ガスが未利用燃料ガス供給系２１を通して供給されて、空気が燃焼用空気供給系１３を通して供給されている。燃料処理装置３０には、改質用原料が改質用ガス供給系１２を通して供給されるが、併せて燃焼用原料供給系１１を通じて燃焼用原料を供給しても良い。燃料電池６１には、燃料ガスが燃料ガス供給系２５を通して供給される。
【００３２】
続いて、以上のように構成された燃料処理装置３０における作用を説明する。水分を含んだ改質用原料は、改質触媒層３５ｄにより水素ガスを主成分とし、ＣＯガスを含むガスに改質される。ＣＯ変成触媒層３６では、ガス中のＣＯガスと水が反応して、二酸化炭素と水素を生成する。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２        （１）
この反応は触媒として例えばＣｕ−Ｚｎ系のものを用いた場合、１８０−２８０℃程度の温度で進行する。なお、この反応は発熱反応であるためＣＯ変成触媒層３６では全体で昇温傾向を持つ。このＣＯ変成反応による発熱と燃焼室３１からの伝熱による昇温傾向は、例えば水供給系（図示せず）から供給される水を加熱して蒸気として改質部３５に送る際に、ＣＯ変成触媒層３６近傍領域から気化熱を奪うことによる降温傾向と相殺される。このようにしてＣＯ変成触媒層３６の温度が最適に保たれる。
【００３３】
ＣＯ選択酸化触媒層３７では、ＣＯ変成触媒層３６でＣＯ２にならずに残ったＣＯガスを、ＣＯ選択酸化用空気供給口（図示せず）から供給された空気中の酸素で選択的に酸化する。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２            （２）
したがってＣＯ選択酸化触媒層３７を出たガス中には、ＣＯガスがほとんど含まれず、水素ガスと炭酸ガスを主成分とするガスとなり、燃料ガス供給系２５に出て行く。
【００３４】
図２は触媒層温度と発電電力量の関係を説明する図である。燃料電池での負荷が大きい時は、燃料処理装置３０の各触媒における燃料処理量も大きくなる。したがって、触媒活性を上げるため、燃料電池での負荷が大きい時には高い触媒温度が要求される。このように固体高分子電解質型燃料電池６１における発電可能電力量と、燃料処理装置３０の触媒層温度としての改質触媒層３５ｄ、ＣＯ変成触媒層３６、ＣＯ選択酸化触媒層３７の温度には密接な関係がある。即ち、発電可能電力量が定格出力に比較して小さい低出力領域では、燃料処理装置３０の触媒層温度は比較的低い温度から高い温度まで許容される。これに対して、発電可能電力量が定格出力に近い高出力領域では、燃料処理装置３０の触媒層温度は比較的高い温度しか許容されない。
【００３５】
図３はシステム起動時の触媒層温度、出力電力と運転時間の関係を説明する図である。ここでは、改質部３５の触媒層温度は比較的早く上昇するが、ＣＯ変成部３６の触媒層温度とＣＯ選択酸化部３７の触媒層温度は適性範囲まで上昇するのに要する時間が長い場合を示している。このような場合には、ＣＯ変成部３６の触媒層温度とＣＯ選択酸化部３７の触媒層温度が定格運転に適する温度に上昇するまで、燃料電池６１における発電を待つよりは、定格電力には至らない部分的な発電を行うのが燃料ガスの有効利用として好ましい。
【００３６】
ここでは、時刻ｔ０にて、燃料処理装置３０に対して燃焼用ガスと燃焼用空気が供給され始める。すると、燃料処理装置３０が燃焼用ガスの燃焼により加熱されて、時刻ｔ１にて、改質触媒層３５ｄの温度が改質反応を行うには充分な温度まで上昇する。しかし、ＣＯ変成触媒層３６やＣＯ選択酸化触媒層３７は、主に改質触媒層３５ｄ近傍からの伝熱により昇温するので、昇温が遅い。そこで、ＣＯ変成触媒層３６やＣＯ選択酸化触媒層３７の温度は、低発電電力量運転には充分な温度域には到達しているものの、定格出力に近い高発電電力量運転には温度域が到達していない。
【００３７】
時刻ｔ２にて、燃料電池における発電が開始される。このとき、ＣＯ変成触媒層３６やＣＯ選択酸化触媒層３７の温度は、燃料電池における発電が低発電電力量運転には充分な温度域にあるが、高発電電力運転に充分な温度域には至っていない。時刻ｔ３にて、燃料電池における発電電力は、例えば定格出力の５０％に到達する。時刻ｔ４にて、燃料電池における発電電力は、例えば定格出力の７５％に到達する。時刻ｔ５にて、燃料電池における発電電力は、例えば定格出力の９０％に到達する。時刻ｔ６にて、燃料電池における発電電力は、例えば定格出力の１００％に到達し、高発電電力量運転を継続する。このとき、ＣＯ変成触媒層３６やＣＯ選択酸化触媒層３７の温度は、燃料電池における発電が高発電電力量運転に充分な温度となっている。
【００３８】
図４は出力電力並びに出力電力増加速度と運転時間の関係を説明する図で、（Ａ）は出力電力、（Ｂ）は出力電力増加速度を示している。時刻ｔ２から時刻ｔ３の間は、出力電力が定格出力の０％から５０％まで増加する区間で、出力電力増加速度が最も大きくなっている。時刻ｔ３から時刻ｔ４の間は、出力電力が定格出力の５０％から７５％まで増加する区間で、出力電力増加速度は時刻ｔ２から時刻ｔ３の区間に比較して少し小さくなっている。時刻ｔ４から時刻ｔ５の間は、出力電力が定格出力の７５％から９０％まで増加する区間で、出力電力増加速度は時刻ｔ３から時刻ｔ４の区間に比較して小さくなっている。時刻ｔ５から時刻ｔ６の間は、出力電力が定格出力の９０％から１００％まで増加する区間で、出力電力増加速度は時刻ｔ２から時刻ｔ６の間で、最も小さくなっている。
【００３９】
図５は燃料電池における出力電力の増加速度制御を行うコントローラ７１の詳細を説明する構成ブロック図である。コントローラ７１は、発電可能電力量算出部７１ａ、発電量設定値算出部７１ｂ、並びに増加速度制御部７１ｃを備えている。発電可能電力量算出部７１ａは、温度計７７からＣＯ変成触媒層３６の温度信号を入力し、温度計７８からＣＯ選択酸化触媒層３７の温度信号を入力し、温度計７９から改質触媒層３５ｄの温度信号を入力している。発電可能電力量算出部７１ａは、図２に示すような発電電力量に対して、改質触媒層３５ｄ、ＣＯ変成触媒層３６並びにＣＯ選択酸化触媒層３７の適性範囲に対して、より律速状態となる触媒の触媒温度に基づいて、燃料電池による発電可能電力量を算出する。図３に示す場合では、燃料処理装置３０の熱収支の関係で、改質触媒層３５ｄの温度が律速段階となることはなく、主にＣＯ変成触媒層３６又はＣＯ選択酸化触媒層３７の温度が律速段階になっている。
【００４０】
発電量設定値算出部７１ｂは、発電可能電力量算出部７１ａで算出された発電可能電力量と、増加速度制御部７１ｃより定められた増加速度に基づいて、発電量設定値の増加パターンを算出し、この発電量に応じた弁開度信号を弁１１ｂ、１２ｂに出力する。この結果、弁１２ｂの弁開度に応じた改質用原料が燃料処理装置３０に供給される。また、燃料処理装置３０に対して改質用原料に加えて燃焼用原料も供給している場合には、弁１１ｂの弁開度に応じた燃焼用原料が燃料処理装置３０に供給される。
【００４１】
増加速度制御部７１ｃは、発電量設定値算出部７１ｂにより燃料電池による発電設定値を変更する際に、図４（Ｂ）の線図で説明したように、増加速度を制御している。ここでは、燃料電池による実際の発電電力値あるいは電流値から算出される最適供給量になるように燃料ガスの供給量を制御している為、弁１１ｂ、１２ｂの弁開度信号は実発電電力値あるいは電流値に応じたものとなる。
【００４２】
このように構成された装置においては、燃料処理装置３０の触媒温度が低い場合に、増加速度制御部７１ｃによる増加速度が過大であれば、ＣＯ濃度増大等の燃料ガス性状の劣化により燃料電池での発電継続が困難になるおそれがある。そこで、発電可能電力量算出部７１ａによりＣＯ変成触媒層３６とＣＯ選択酸化触媒層３７の温度に応じた燃料電池での発電可能電力量を算出しているので、発電量設定値算出部７１ｂによる燃料電池による発電設定値を当該発電可能電力量の範囲内とする。すると、燃料処理装置３０の触媒温度に応じた燃料ガス流量となるので、燃料ガス性状の低下を起こすことなく、適正な発電電力量にて運転継続することが可能となる。
【００４３】
なお、上記の実施の形態においては、発電可能電力量算出部７１ａで算出された発電可能電力量が、ＣＯ変成触媒層３６とＣＯ選択酸化触媒層３７の温度に基づいて変更される場合を説明したが、燃料処理装置３０の形状によってはＣＯ変成触媒層３６とＣＯ選択酸化触媒層３７の昇温よりは改質触媒層３５ｄの昇温が燃料ガス性状に対する律速段階となる場合もある。このような場合には、燃料処理装置３０の触媒温度として改質触媒層３５ｄの温度を、発電可能電力量算出部７１ａで算出される発電可能電力量のパラメータとするとよい。要するに、改質用原料を燃料ガスに改質する際に、律速段階となる触媒層温度を、発電可能電力量算出部７１ａで発電可能電力量を算出する際のパラメータとするとよい。
【００４４】
また、上記の実施の形態においては、増加速度制御部７１ｃより定められた増加速度に基づいて、発電量設定値算出部７１ｂの算出した発電量設定値に応じた弁開度信号を弁１１ｂ、１２ｂに出力する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＣＯ変成触媒層３６またはＣＯ選択酸化触媒層３７の温度により処理可能な改質用原料流量を算出し、この改質用原料流量に応じた弁開度信号を１２ｂに出力するとともに、この改質用原料流量から生成する水素ガス量より燃料電池６１で採取可能な電力量を算出し、これを燃料電池６１への発電量設定値として設定しても良い。なお、実施例としてシステム起動時を挙げているが低負荷運転から高負荷運転へと変更する場合についても全く同様の形態が適用される。
【００４５】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。第一の実施の形態において、発電システムの出力電力をＣＯ変成部またはＣＯ選択酸化部の温度に基づく発電可能電力量に制御した場合、結果として低負荷側では早く、高負荷側では遅い負荷変更速度が実現される。このことから、出力電力の変化速度を個々で実現されたパターンに設定すれば、ＣＯ変成部又はＣＯ選択酸化部の温度が常に適正な領域にあるといえる。そこで、コントローラ７１による燃料電池出力電力の増加速度制御は、電力計８０の測定する出力電力に基づいて、図６に準拠して行うと、より簡便な制御が実現される。即ち、出力電力が小さい間は出力電力増加速度を大きくし、出力電力が定格出力（若しくは負荷に対する目標供給量）に比較して近づいてきたときは出力電力増加速度を小さく制御する。
【００４６】
図６は出力電力と出力電力増加速度の関係を説明する図である。出力電力が定格出力の０％から５０％の区間では、出力電力が小さいので出力電力増加速度が最も大きく定められている。出力電力が定格出力の５０％から７５％の区間では、出力電力が定格出力の０％から５０％の区間に比較して、出力電力増加速度が少し小さく定められている。出力電力が定格出力の７５％から９０％の区間では、出力電力増加速度はさらに小さく定められている。出力電力が定格出力の９０％から１００％の区間では、出力電力増加速度を最も遅くすることで、定格出力に対して過大にならないように漸増させている。
【００４７】
なお、上記の実施の形態においては、出力電力に対する出力電力増加速度を定める区間として、５０％、７５％、９０％を区分の境界とする４区分の場合を示しているが、出力電力増加速度を定める区間の数は２区分や３区分でも良く、また区分の境界となる値は適宜に定めて良い。また、出力電力と出力電力増加速度を区分ごとに不連続に定めるのに代えて、連続的に定めても良い。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃料電池発電システムによれば、発電量を増加する際、発電量計測手段により計測される発電量に応じて発電量増加速度を制御部により制御しているので、発電量に応じた木目細かな発電量増加速度の制御が行え、燃料電池発電システムの低負荷運転から高負荷運転への負荷変更時や起動時の安定性を向上させることができる。
【００４９】
また、本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料処理装置における燃料ガスを生成する能力の律速段階が改質部、ＣＯ変成部又はＣＯ選択酸化部の温度である場合に、制御部が改質部、ＣＯ変成部又はＣＯ選択酸化部の温度から定まる発電可能電力量を算出し、燃料電池の発電量を前記算出された電力量に制御する構成としているので、燃料処理装置の改質部、ＣＯ変成部又はＣＯ選択酸化部に応じた燃料電池の発電量となるので、燃料電池発電システムの起動時においても、例えば燃料処理装置にて生成される燃料ガス性状の低下を起こすことなく、適正な発電電力量にて運転継続することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態を説明する燃料電池発電システム全体の構成ブロック図である。
【図２】  触媒層温度と発電電力量の関係を説明する図である。
【図３】  触媒層温度、出力電力と運転時間の関係を説明する図である。
【図４】  出力電力並びに出力電力増加速度と運転時間の関係を説明する図である。
【図５】  燃料電池における出力電力の増加速度制御を行うコントローラの詳細を説明する構成ブロック図である。
【図６】  出力電力と出力電力増加速度の関係を説明する図である。
【符号の説明】
３０  燃料処理装置
３５ｄ  改質部（改質触媒層）
３６  ＣＯ変成部（ＣＯ変成触媒層）
３７  ＣＯ選択酸化部（ＣＯ選択酸化触媒層）
６１  燃料電池
７１  制御部
７４  温度計
８０  電力計（発電量計測手段）
【図１】
0003921391.tif 000002
【図２】
0003921391.tif 000003
【図３】
0003921391.tif 000004
【図４】
0003921391.tif 000005
【図５】
0003921391.tif 000006
【図６】
0003921391.tif 000007