(57)【要約】【課題】供給される原料の組成が変化した場合においても、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極を防止することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】原料より水素を含む燃料ガスを生成する改質器１２と、改質器１２から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池１５と、原料の組成関連情報を取得する組成関連情報取得器２４と、組成関連情報に基づいて、原料供給量の変化速度、および燃料電池１５の発電量の変化速度のうちの少なくとも一方を変化させる制御器２６とを備え、組成関連情報に基づいて、原料供給量の変化速度および燃料電池１５の発電量の変化速度のうちの少なくとも一方を変化させることで、燃料電池１５の発電変化時に燃料電池１５で消費される水素量の変化速度に適した水素量を供給でき、エネルギー効率の低下や燃料電池１５での転極を防止することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料より水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記原料の組成関連情報を取得する組成関連情報取得器と、前記組成関連情報に基づいて、原料供給量の変化速度、および前記燃料電池の発電量の変化速度のうちの少なくとも一方を変化させる制御器とを有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記組成関連情報が、前記原料の熱量に関する情報である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記組成関連情報に基づいて、前記原料の単位体積あたりの熱量が低下したと判定した場合に、前記原料供給量の変化速度は上げ、前記燃料電池の発電量の変化速度は下げる、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記改質器の運転時間に基づいて、前記原料供給量の変化速度および前記燃料電池の発電量の変化速度のうちの少なくとも一方を補正する、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記改質器の運転時間が予め設定される第１時間を経過した場合に、前記原料供給量の変化速度は上げ、前記燃料電池の発電量の変化速度は下げるように補正する、請求項４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、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物原料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、この改質器で生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池とを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、一般に、天然ガス等の原料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、この改質器で生成された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池とを備えている。
【０００３】
燃料電池では、発生する電気出力（正確には電流）に応じて消費される水素量が変化するため、電気出力に応じた水素量が供給される必要がある。仮に、電気出力に対し燃料ガス中の水素の供給が過剰である場合は、燃料電池で消費されずに排出される燃料ガスが多くなりエネルギー効率が低下し、逆に、電気出力に対し燃料ガス中の水素の供給が不足する場合は、燃料電池で転極が生じて電極が損傷する可能性があるためである。
【０００４】
ここで、原料組成が変化すると、たとえ原料供給量が同じであっても、生成される燃料ガス中の水素量が変化する。
【０００５】
したがって、燃料電池システムは、原料組成毎の専用機となっており、異なる原料組成が供給される場合は使用できないという問題があった。
【０００６】
これに対し、原料組成に関連する組成関連情報を取得する組成関連情報取得手段を備えて、取得した組成関連情報に基づいて燃料ガス中の水素量ないし燃料電池で消費される水素量を制御する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
図５は、特許文献１で提案された従来の燃料電池システムの構成図である。
【０００８】
図５に示すように、従来の燃料電池システムは、原料である天然ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器１と、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池２と、改質器１に原料を供給する原料供給器３と、原料の供給量を検出する原料供給量検出器４と、改質器１に水を供給す水供給器５と、燃料電池２に発電用酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給器６と、燃料電池２で発生した直流の電気を交流の電気に変換し負荷に供給する出力制御装置７と、燃料電池２の出力端子から出力制御装置７に至る電流経路に設けられ燃料電池２の発電電流を検出する発電電流検出器８と、燃料電池２で消費されなかった燃料ガス（以下、オフ燃料ガスと呼ぶ）や原料を燃焼させて改質器１を加熱する燃焼器９と、燃焼器９に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器１０と、組成関連情報取得手段である情報入力装置を含む制御器１１とを備える。
【０００９】
制御器１１は、上述の各構成要素を制御することにより、燃料電池システムの全体の動作を制御する。具体的には、原料供給器３と水供給器５の各々から改質器１に原料と水とが供給され、改質触媒のもとで水蒸気改質されて水素を含む燃料ガスが生成される。燃料ガスは、燃料電池２に供給され、発電用酸化剤ガス供給器６から供給された発電用酸化剤ガスと電気化学的に反応して、電気が生成される。
【００１０】
この燃料電池２で発生した電気は、出力制御装置７を通じて負荷に供給される。出力制御装置７は、インバータを有し、燃料電池２から入力される直流の電気を交流の電気に変
換する。制御器１１は、出力制御装置７を制御して燃料電池２の発電量を制御する。
【００１１】
次に、燃料電池２で消費されなかったオフ燃料ガスは、燃焼器９に供給されて、燃焼用空気供給器１０から供給される燃焼用空気と混合されて燃焼し、改質器１を改質反応に最適な温度に加熱する。また、制御器１１には、原料供給量検出器４及び発電電流検出器８の検出出力が入力されて上述の各種構成要素を制御する。
【００１２】
次に、組成情報の取得方法、および取得した組成情報に基づく燃料ガスの供給制御について説明する。
【００１３】
制御器１１は、組成関連情報取得手段である情報入力装置を備えており、ユーザーが情報入力装置に炭素Ｃ及び水素Ｈの平均原子数の数値を入力することで、原料の組成が設定される。
【００１４】
ここで、平均原子数とは、原料１モル中に含まれるＣ及びＨのモル数であり、このＣ及びＨの平均原子数を用いた平均分子式（例えば、Ｃ１．２Ｈ４．４）により原料組成を規定する。なお、既に初期値として製造段階で原料の組成が制御器１１に記憶されている場合は、入力された原料の組成により現在記憶されている原料の組成が上書きされ記憶される。
【００１５】
制御器１１は、この平均分子式と改質反応式とに基づいて、燃料電池２に供給する燃料ガス中の水素量を算出するための制御パラメータδを演算して記憶する。上述の改質反応式は、下記の一般式で表すことができる。
ＣｎＨｍ＋２ｎＨ２Ｏ→ｎαＣＯ２＋［１／２ｍ＋２ｎ（２αー１）］Ｈ２＋ｎ（１−α）ＣＨ４＋２ｎ（１−α）Ｈ２Ｏ
ここで、ｎはＣの平均原子数、ｍはＨの平均原子数であり、情報入力装置に入力された数値と同じである。また、αは改質器１の転化率である。
【００１６】
制御器１１は、上記反応式中の水素Ｈ２の係数である［１／２ｍ＋２ｎ（２αー１）］を演算して制御パラメータδとして設定する。そして、この制御パラメータδと原料供給量検出器４で検出された原料の供給量とから改質器１で生成される燃料ガス中の水素量を算出する。
【００１７】
また、発電電流検出器８で検出された発電電流から燃料電池２で消費される水素量を算出する。
【００１８】
そして、制御器１１は、燃料電池２で消費される水素量が制御パラメータδに基づき算出した燃料ガス中の水素量以下になるように出力制御装置７を制御して燃料電池２の発電量を制御する。また、制御パラメータδに基づき算出した燃料ガス中の水素量が、燃料電池２で消費される水素量以上となるように原料供給器３から供給される原料供給量および水供給器５から供給される水供給量を制御してもよい。
【００１９】
このように、組成関連情報を取得して原料の組成を設定し、その設定された原料の組成に基づいて燃料ガス中の水素量ないし燃料電池で消費される水素量を制御することで、異なる組成の原料が供給される場合においても燃料電池システムを使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】国際公開第２００６／０４６６２１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
燃料電池システムでは、燃料電池の発電量を変化させる場合、改質器に供給される原料と水の供給量を増減して燃料電池に供給する燃料ガス中の水素量を制御することで、燃料電池で消費される水素量の変化に対応する。その際、改質器に供給する原料と水の供給量を増減させてから、燃料ガス中の水素量が目標値に実際に到達するまでには時間的に応答遅れが生じる。
【００２２】
また、燃料電池の発電量を変化させる際に改質器の温度を上下させることで改質器の転化率を変化させる燃料電池システムの場合、燃焼器から改質器への供給熱量を増減させてから、改質器の温度・転化率が目標値に実際に到達するまでにも時間的応答遅れが生じ、その結果、燃料ガス中の水素量の応答遅れが生じる。
【００２３】
ここで、供給される原料の組成が変化すると、前述の時間的応答遅れも変化する。これは、原料の組成が異なる場合、改質器に供給される原料供給量の変化速度が同じであっても生成される燃料ガス中の水素量の変化速度が異なることや、原料組成の差異による改質器内での化学反応速度が異なること、また、原料組成の差異に基づくオフ燃料ガスの単位体積あたりの熱量の差異による燃焼器から改質器への供給熱量が変化することによる。
【００２４】
したがって、異なる組成の原料が供給され、かつ燃料電池の発電量を変化させる場合、原料組成によって燃料ガス中の水素量の変化速度が異なるため、実際の燃料ガス中の水素量と、前記従来の燃料電池システムのように、原料の平均分子式と改質反応式とから導き出された制御パラメータに基づき算出した理想的な燃料ガス中の水素量とには乖離が生じる。
【００２５】
その結果、燃料電池で消費される水素量に対し燃料ガス中の水素量が過剰である場合には、オフ燃料ガスが多くなりエネルギー効率が低下する、逆に、燃料電池で消費される水素量に対し燃料ガス中の水素量が不足する場合には、燃料電池で転極が生じて電極が損傷するという課題を有していた。
【００２６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、異なる組成の原料が供給される場合に、燃料電池の発電量を変化させたとしても、燃料電池で消費される水素量に適した水素量を供給することで、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極を防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムでは、原料より水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、改質器から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、原料の組成関連情報を取得する組成関連情報取得器と、組成関連情報に基づいて、原料供給量の変化速度、および燃料電池の発電量の変化速度のうちの少なくとも一方を変化させる制御器とを有する。
【００２８】
これにより、異なる組成の原料が供給される場合、原料の組成関連情報に基づいて原料供給量の変化速度を変化させることで燃料ガス中の水素量の変化速度を変える、または発電量の変化速度を変化させることで燃料電池での消費水素量の変化速度を変えることで、燃料電池の発電量変化時においても燃料電池で消費される水素量に適した水素量を供給することができ、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極を防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の燃料電池システムは、異なる組成の原料が供給される場合に、燃料電池の発電
量を変化させたとしても、燃料電池で消費される水素量に適した水素量を供給することができ、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【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動作を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動作を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの動作を示すフローチャート
【図５】従来の燃料電池システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
第１の発明は、原料より水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、改質器から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、原料の組成関連情報を取得する組成関連情報取得器と、組成関連情報に基づいて、原料供給量の変化速度、および燃料電池の発電量の変化速度のうちの少なくとも一方を変化させる制御器とを有する燃料電池システムである。
【００３２】
これにより、原料の組成情報に基づいて原料供給量の変化速度を変化させることで燃料ガス中の水素量の変化速度を変える、または原料の組成情報に基づいて燃料電池の発電量の変化速度を変化させることで燃料電池での消費水素量の変化速度を変えることで、燃料電池の発電量変化時においても燃料電池で消費される水素量に適した水素量を供給することができ、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極を防止することが可能となる。
【００３３】
第２の発明は、特に第１の発明において、組成関連情報が、原料の熱量に関する情報である燃料電池システムである。
【００３４】
原料の熱量は、原料１ｍｏｌ中に含まれる炭素Ｃや水素Ｈの含有量と相関があるため、原料の熱量に関する情報から、改質反応により生成される生成水素量を推測することが可能となる。
【００３５】
したがって、原料の熱量に関する情報に基づいて原料供給量の変化速度を変化させることで燃料ガス中の水素量の変化速度を変える、または発電量の変化速度を変化させることで燃料電池での消費水素量の変化速度を変えることで、燃料電池の発電量変化時においても燃料電池で消費される水素量に適した水素量を供給することができ、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極を防止することが可能となる。
【００３６】
第３の発明は、特に第２の発明において、制御器が、組成関連情報に基づいて、原料の単位体積あたりの熱量が低下したと判定した場合に、原料供給量の変化速度は上げ、燃料電池の発電量の変化速度は下げる燃料電池システムである。
【００３７】
原料の単位体積あたりの熱量が低下しているということは、原料１ｍｏｌ中に含まれる炭素Ｃや水素Ｈの含有量が低下している。したがって、原料の単位体積あたりの熱量が低下した場合、原料の熱量変化に関係なく改質器に供給される原料供給量の変化速度を一定に制御すると、生成される燃料ガス中の水素量の変化速度が低下する。
【００３８】
また、仮に、燃料電池の発電量を変化させる際に改質器の温度を上下させることで改質器の転化率を変化させる燃料電池システムの場合、原料の熱量の低下により、オフ燃料ガ
スの単位体積あたりの熱量の変化速度も低下するため、改質器の温度変化速度、つまりは改質器の転化率の変化速度が低下する。その結果としても、燃料ガス中の水素量の変化速度が低下する。
【００３９】
その結果、燃料電池の発電量上昇時においては、燃料電池で消費される消費水素量に対して改質器から供給される水素量が不足して燃料電池での転極が生じる可能性がある。一方、燃料電池の発電量低下時においては、燃料電池で消費される消費水素量に対して改質器から供給される水素量が過多となりエネルギー効率の低下を招く可能性がある。
【００４０】
ここで、本発明の燃料電池システムでは、原料の単位体積あたりの熱量が低下したと判定した場合に原料供給量の変化速度を上げることにより改質器で生成される水素量の変化速度を上げる、または、燃料電池の発電量の変化速度を下げることで燃料電池での消費水素量の変化速度を落とす。
【００４１】
これによって、燃料電池の発電量上昇・低下時において、燃料電池で消費される水素量の変化速度に適した燃料ガスの供給制御を行うことができ、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極を防止することが可能となる。
【００４２】
第４の発明は、特に第１から第３のいずれかの発明において、制御器が、改質器の運転時間に基づいて、原料供給量の変化速度および燃料電池の発電量の変化速度のうちの少なくとも一方を補正するように構成されている燃料電池システムである。
【００４３】
経時的な改質器の性能低下により、一定の原料流量を供給しているにもかかわらず改質器で生成される水素量が低下することが想定される。改質器で生成される水素量が低下するため、原料供給量の変化速度および燃料電池の発電量の変化速度が一定であると、燃料電池で消費される水素量に対し改質器から供給される水素量が不足し、燃料電池での転極に至る可能性がある。
【００４４】
本発明の燃料電池システムでは、改質器の運転時間に基づいて原料供給量の変化速度、および燃料電池の発電量の変化速度のうちの少なくとも一方を補正することで、改質器で生成される水素量の変化速度、および燃料電池で消費される水素量の変化速度のうちの少なくとも一方を補正でき、経時的な改質器の性能低下が生じた場合でも燃料電池で消費される水素量に適した水素量を供給することで燃料電池での転極を防止することが可能となる。
【００４５】
第５の発明は、特に第４の発明において、制御器が、改質器の運転時間が予め設定される第１時間を経過した場合に、原料供給量の変化速度は上げ、燃料電池の発電量の変化速度は下げるように補正する燃料電池システムである。
【００４６】
これにより、改質器の運転時間が第１時間を経過し改質器の性能低下が生じた場合、原料供給量の変化速度を上げることにより改質器で生成される水素量の変化速度を上げる、または、発電量の変化速度を下げることで燃料電池での消費水素量に適した水素量を供給することができ、燃料電池での転極を防止することが可能となる。
【００４７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００４８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図を示すものである。
【００４９】
図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池システムは、炭化水素成分を含む原料と水との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器１２と、水蒸気と一酸化炭素ガスとを変成反応により水素と二酸化炭素とに変える変成器１３と、一酸化炭素選択酸化反応により一酸化炭素を二酸化炭素に変える選択酸化器１４と、選択酸化器１４から供給される燃料ガスと発電用酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池１５と、改質器１２に原料を供給する原料供給器１６と、改質器１２に水を供給する水供給器１７と、選択酸化器１４に一酸化炭素選択酸化反応に用いる酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器１８と、燃料電池１５に発電用酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給器１９と、燃料電池１５から排出される排出燃料ガス及び排出発電用酸化剤ガスを冷却し、水を凝縮させる水凝縮器２０と、水凝縮器２０で凝縮させた水を回収する水回収器２１と、燃料電池１５の内部で消費されなかった未反応の燃料ガスを燃焼させて改質器１２を加熱する燃焼器２２と、燃焼器２２に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器２３と、原料組成関連情報を取得する組成関連情報取得器２４と、燃料電池１５で発生した直流の電気を交流の電気に変換し負荷に供給する出力制御装置２５と、制御器２６とを備える。
【００５０】
なお、本実施の形態１における燃料電池システムでは、改質器１２、変成器１３、選択酸化器１４と燃焼器２２とを合わせて水素生成装置２７と呼ぶこととする。
【００５１】
なお、本実施の形態１における燃料電池システムでは、改質触媒存在下での水蒸気改質反応により燃料ガスを得る改質器１２を用いたが、原料を空気存在下で燃焼させて部分酸化反応により燃料ガスを得る改質器を用いても良い。
【００５２】
なお、本実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料電池１５として、固体高分子型燃料電池を用い、固体高分子型燃料電池にとって被毒物質である一酸化炭素の濃度を低減する為に、変成器１３と選択酸化器１４とを備える構成とした。
【００５３】
しかしながら、一酸化炭素に対して耐性のある燃料電池１５を用いる場合は、必ずしも変成器１３と選択酸化器１４とを備える必要はない。例えば、変成器１３と選択酸化器１４とのうち少なくとも一方の機器を備える構成としても良い。
【００５４】
なお、本実施の形態１における燃料電池システムでは、原料供給器１６の操作量に基づき原料供給量を算出することとした。原料供給器１６として、予め定められた操作量において、所定の体積流量の原料を改質器１２に供給することが可能な定容積形原料供給器を備える構成とした。
【００５５】
定容積形原料供給器とは、定容積形原料供給器の作動領域内では、負荷（背圧）の変化がある場合でも、所定の操作量では所定の一定量の体積流量を供給することが出来る原料供給器を指し、定容積形原料供給器の操作量に基づいて、原料の体積流量を算出することができる。
【００５６】
ここで、操作量とは定容積形原料供給器に供給する電圧値、電流値、周波数、またはｄｕｔｙ比等を指す。しかしながら、原料供給量を計測する原料供給量計測器を備える構成としてもよい。
【００５７】
なお、制御器２６は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して、燃料電池システムの制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器２６は、マイクロコントローラで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、論理回路等によって構成されていてもよい。
【００５８】
次に、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。制御器２６には、出
力制御装置２５に組み込まれた発電電流検出器（図示せず）が検出した発電電流等、各種の検出出力が入力され、上述の各構成要素を制御することにより、燃料電池システムの全体の動作を制御する。
【００５９】
燃料電池システムは、制御器２６からの運転開始の制御信号により起動する。まず、原料供給器１６により、原料供給経路２８を介して改質器１２に原料が供給される。また、水供給器１７により、水供給経路２９を介して改質器１２に水蒸気改質反応に必要な水が供給される。
【００６０】
改質器１２に供給された原料と水は、改質器１２内部の改質触媒（図示せず）存在下で水蒸気改質反応によって水素を含む燃料ガスに改質される。水蒸気改質反応後の燃料ガスには１０％程度の一酸化炭素が含まれているが、この一酸化炭素は燃料電池１５にとって被毒物質であり燃料電池１５の発電性能を著しく損なうため、一酸化炭素濃度を低減させる必要がある。
【００６１】
そこで、改質器１２の下流の変成器１３で、水蒸気と一酸化炭素とを水素と二酸化炭素とに変成反応させ、一酸化炭素濃度を低減する。変成器１３を経た燃料ガスは、更に、選択酸化器１４に供給される。選択酸化器１４には、酸化剤ガス供給器１８により、酸化剤ガス供給経路３０を介して、一酸化炭素選択酸化反応に必要な酸化剤ガスが供給される。
【００６２】
選択酸化器１４では、酸化剤ガスを利用して一酸化炭素を二酸化炭素に変える一酸化炭素選択酸化反応が行われる。これにより、一酸化炭素濃度１０ｐｐｍ以下の燃料ガスが生成される。
【００６３】
なお、本実施の形態における燃料電池システムでは、改質器１２に供給した水のうち、改質反応に使用されなかった分を変成器１３に供給するようにした（図示せず）が、改質器１２へ供給する水供給経路２９を途中で分岐する、または、別経路にするなどして、別々に供給する構成としてもよい。また、改質反応に使用されなかった分を変成器１３に供給しない構成としてもよい。
【００６４】
なお、原料供給経路２８上に、原料中の硫黄成分を低減する脱硫器を備える構成としてもよい。
【００６５】
生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路３１を介して、燃料電池１５のアノード（図示せず）に供給される。ここで、燃料ガスには、改質反応に供された水蒸気が一定量含まれているが、さらに一定量の水蒸気を加湿するような構成としてもよい。
【００６６】
また、発電用酸化剤ガス供給器１９により、発電用酸化剤ガス供給経路３２を介して、発電用酸化剤ガスが燃料電池１５のカソード（図示せず）に供給される。ここで、発電用酸化剤ガス供給器１９には、吸入口が大気開放されているブロワを用いたが、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。また、発電用酸化剤ガス供給経路３２上に、発電用酸化剤ガスを一定量の水蒸気で加湿する加湿器を備える構成としてもよい。
【００６７】
燃料電池１５では、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された発電用酸化剤ガスとが電気化学的に反応して、電気と熱と水とが発生する。この燃料電池１５で発生した電気は、制御器２６と連携した出力制御装置２５を通じて電力負荷に供給される。制御器２６は燃料電池１５の発電量を設定し、その設定値に基づいて出力制御装置２５は燃料電池１５の電気を電力負荷に供給する。
【００６８】
出力制御装置２５はインバータを有し、燃料電池１５から入力される直流の電気を交流
の電気に変換する。一方、発電反応に伴って発生した熱は、熱回収手段（図示せず）によって回収され、熱負荷に供給されて種々の用途で利用される。熱回収手段としては、例えば、温水回収手段等の従来の構成のものが用いられる。
【００６９】
燃料電池１５の発電量を変化させる場合は、原料供給器１６及び出力制御装置２５を用いて、原料供給量の変化速度および燃料電池１５の発電量の変化速度を、燃料電池１５で消費される水素量に対して燃料ガス中の水素量の過不足が生じないように予め定められた値に制御される。
【００７０】
なお、原料供給量を変化させる際は水供給器１７を制御して水供給量も変化させる。なお、発電量上昇時と発電量低下時とにおいて、原料供給量の変化速度と燃料電池１５の発電量の変化速度とのうちの少なくとも一方を異なる値に設定しても良い。
【００７１】
また、本実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させるため、燃料電池１５の発電量を変化させる際に改質器１２の温度を上下させることで改質器１２の転化率を変化させることとした。
【００７２】
燃料電池１５の内部で消費されなかったオフ燃料ガスは水凝縮器２０に供給され、オフ燃料ガス中に含まれる水蒸気は、水に凝縮される。水蒸気を除去されたオフ燃料ガスは、オフ燃料ガス経路３３を介して燃焼器２２に供給される。一方、燃焼用空気供給器２３により、燃焼空気供給経路３４を介して、燃焼器２２に供給されたオフ燃料ガスを燃焼させるのに必要な燃焼用空気が供給される。
【００７３】
燃焼器２２では、オフ燃料ガスと、燃焼用空気供給器２３から供給された燃焼用空気とを混合し燃焼させ、改質器１２での水蒸気改質反応に必要な熱を供給する。
【００７４】
なお、燃料電池１５の内部で消費されなかった未反応の発電用酸化剤ガス（以下、オフ酸化剤ガスと呼ぶ）も水凝縮器２０に供給され、オフ酸化剤ガス中に含まれる水蒸気は、水に凝縮される。水蒸気を除去されたオフ酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガス経路３５を介してシステム外へ排出される。
【００７５】
水凝縮器２０にてオフ燃料ガス及びオフ酸化剤ガスから分離された水は、凝縮水経路３６を介して水回収器２１に回収される。水回収器２１に回収された凝縮水の一部又は全部が、水供給経路２９を介して水供給器１７に供給される。なお、水回収器２１は、導電性イオン等の不純物を取り除く浄化器やフィルターを備える構成としてもよい。
【００７６】
なお、本実施の形態１における燃料電池システムでは、オフ燃料ガス及びオフ酸化剤ガスの両方から水を回収する形態を採用したが、これに限定されない。どちらか一方のオフガスから水を回収する構成としても良い。水凝縮器２０としては、例えば、熱交換器を使用することが出来る。
【００７７】
なお、本実施の形態１における燃料電池システムでは、水供給器１７は、水回収器２１に回収された水を改質器１２に供給する構成としたが、インフラ等から供給される水を水供給器１７が供給する構成としても良い。
【００７８】
そして、燃料電池システムは、制御器２６からの運転停止の制御信号により停止する。具体的には、制御器２６は、燃料電池システムの各機器に停止指令を出し、停止動作を実施する。停止動作が完了すると、燃料電池システムは停止する。
【００７９】
次に、本実施の形態１の燃料電池システムにおける特徴的な構成である組成関連情報取
得器２４について説明する。
【００８０】
組成関連情報取得器２４は、施工主やユーザーが組成関連情報を入力可能な情報入力装置である。ユーザーが情報入力装置を操作して、「高熱量ガス」ないし「低熱量ガス」と入力し、エンター等の確定操作をすると、「高熱量ガス」ないし「低熱量ガス」が制御器２６に記憶される。
【００８１】
なお、本実施の形態１の燃料電池システムでは、「高熱量ガス」ないし「低熱量ガス」の情報を入力する構成としたが、「原料の熱量」に関連する情報であれば良い。これは、原料の熱量は、原料１ｍｏｌ中に含まれる炭素Ｃや水素Ｈの含有量と相関があるため、原料の熱量に関する情報から、改質反応により生成される生成水素量を推測することが可能となるためである。
【００８２】
情報としては、例えば、「１３Ａ」等の原料の種類や、原料中の炭素Ｃ及び水素Ｈの各平均原子数や、平均分子式、更には、原料の供給主体や、原料供給エリアや時期情報であっても構わない。
【００８３】
その場合、各々の入力された情報と「原料の熱量」との対応関係を表すテーブルが制御器２６に格納されており、情報とテーブルとに基づいて「原料の熱量」が特定される。ここで、原料ガス中の平均原子数とは、原料１ｍｏｌ中に含まれる炭素Ｃや水素Ｈのモル数であり、このＣ及びＨの平均原子数を用いた平均分子式（例えば、Ｃ１．２Ｈ４．４）により原料ガスの組成を規定する。
【００８４】
なお、本実施の形態１における組成関連情報取得器２４は、施工主やユーザーが組成関連情報を入力可能な情報入力装置としたが、施工主やユーザーが情報を直接入力するのではなく、組成関連情報取得器２４が組成関連情報を取得し、その情報を制御器２６に送る構成としてもよい。
【００８５】
例えば、組成関連情報取得器２４として無線装置を備え、この無線装置を通じて取得した組成関連情報である「位置情報」と、制御器２６に格納されている「位置情報」と「原料の熱量」との対応関係を表すテーブルとから「原料の熱量」を特定しても良い。
【００８６】
また、組成関連情報取得器２４として、燃料電池システム内部に備える各種の検出器を用い、得られた検出出力を制御器に送る構成としても良い。例えば、組成関連情報取得器２４として、例えば、原料供給量検出器と改質器１２の温度を検知する改質温度検知器とを用い、原料供給量検出器が検出した原料供給量と改質温度検知器が検出した改質温度とを制御器２６に送る。
【００８７】
制御器２６は、原料供給量が予め定められた値であるときの改質温度から改質器１２の温度変化速度を算出する。そして、制御器２６は、その算出した改質器１２の温度変化速度と、予め格納されている「改質器１２の温度変化速度」と「原料の熱量」との対応関係を表すテーブルとを用いて、原料の熱量を特定する。
【００８８】
なお、既に初期値として製造段階で原料の熱量が記憶されている場合、特定された熱量により現在記憶されている熱量は上書きされ記憶される。
【００８９】
次に、本実施の形態１の燃料電池システムにおける特徴的な制御である、制御器２６が組成関連情報取得器２４の取得する情報に基づいて原料供給量の変化速度を変化させる方法について説明する。
【００９０】
従来の燃料電池システムは、異なる組成の原料が供給される場合、燃料電池１５の発電量変化時に、燃料電池１５で消費される水素量に対して燃料ガス中の水素量の過不足が生じ、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極が生じるという課題を有していた。
【００９１】
燃料電池１５での転極を防止するため、例えば、原料の供給量を予め増加させ燃料ガス中の水素量を増加させることが考えられる。しかしながら、燃料電池システムに供給される原料の熱量によっては、燃料電池１５で消費される水素量に対して燃料ガス中の水素量を過剰に生成することになり、エネルギー効率の低下を招き好ましくない。
【００９２】
また、燃料電池１５での転極を防止するため、燃料電池１５の発電量の変化速度を予め十分に小さい値に設定することも考えられる。つまり、燃料ガス中の水素量が少ない場合でも水素量不足が生じないように、燃料電池１５の発電量の変化速度を小さい値に設定する。
【００９３】
しかしながら、原料の熱量に関係なく、常時、発電量の変化速度を小さい値に設定することは、電力負荷の変動に対する燃料電池１５の発電量の追従性が低下し燃料電池システムの省エネ性の低下を招き好ましくない。
【００９４】
本制御の目的は、異なる組成の原料が供給される場合、燃料電池１５の発電量変化時に、原料の熱量に関連する組成関連情報に基づいて原料供給量の変化速度を変化させることで、燃料電池１５で消費される水素量に適した水素量を供給し、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極を防止することである。
【００９５】
図２は、本実施の形態１における燃料電池システムの組成情報に基づいて原料供給量の変化速度を変化させる動作を示すフローチャートである。この動作は制御器２６の制御により遂行される。
【００９６】
まず、制御器２６は、組成関連情報取得器２４が取得した組成情報が「低熱量ガス」であるか否かを判定する（ステップＳ１）。組成情報が「低熱量ガス」であると判定した場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）は、原料供給量の変化速度を予め定められたＡ［Ｌ／ｓｅｃ］に設定する（ステップＳ２）。
【００９７】
一方、組成情報が「低熱量ガス」ではないと判定した場合（ステップＳ１：ＮＯ）は、原料供給量の変化速度を予め定められたＢ［Ｌ／ｓｅｃ］に設定する（ステップＳ３）。ここで、Ａ≧Ｂに設定されている。
【００９８】
原料が「低熱量ガス」である場合、原料１ｍｏｌ中に含まれる炭素Ｃや水素Ｈの含有量が減少している。したがって、改質器１２に供給される原料供給量の変化速度が一定である場合、改質器１２から生成される燃料ガス中の水素量の変化速度が低下する。
【００９９】
また、燃料電池１５の発電量を変化させる際に改質器１２の温度を上下させることで改質器１２の転化率を変化させる本実施の形態１の燃料電池システムにおいては、原料の熱量の低下により、オフ燃料ガスの単位体積あたりの熱量の変化速度も低下するため、改質器１２の温度変化速度、つまりは改質器１２の転化率の変化速度が低下する。その結果としても、燃料ガス中の水素量の変化速度が低下する。
【０１００】
その結果、燃料電池１５の発電量上昇時においては、燃料電池１５で消費される消費水素量に対して改質器１２から供給される水素量が不足し燃料電池１５での転極が生じる可能性がある。一方、燃料電池１５の発電量低下時においては、燃料電池１５で消費される消費水素量に対して改質器１２から供給される水素量が過多となりエネルギー効率の低下
を招く可能性がある。
【０１０１】
本実施の形態１における燃料電池システムでは、組成情報が「低熱量ガス」であると判定した場合には、組成情報が「低熱量ガス」ではないと判定した場合に比べ、原料供給量の変化速度を大きい値に設定することにより改質器１２で生成される水素量の変化速度を上げる。
【０１０２】
これによって、燃料電池１５の発電量上昇時には、燃料電池１５で消費される水素量に対して改質器１２から供給される水素量が不足することを防止でき、燃料電池１５での転極を防ぐことが可能となる。また、燃料電池１５の発電量低下時には、燃料電池１５で消費される水素量に対して改質器１２から供給される水素量が過多となることを防止でき、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。
【０１０３】
なお、本実施の形態１における燃料電池システムでは、組成関連情報取得器２４が取得した組成関連情報が「低熱量ガス」であるか否かを判定したが、組成関連情報は原料の熱量に関する情報であればよく、例えば、「１３Ａ」等の原料の種類や、原料中の炭素Ｃ及び水素Ｈの各平均原子数に基づいて原料供給量の変化速度を制御してもよい。
【０１０４】
また、本実施の形態１における燃料電池システムでは、組成関連情報に基づいて原料流量の変化速度をＡとＢの２種類で切り替えることとしたが、３種類以上の原料流量変化速度値を設定できるようにしても良い。また、例えば、制御器２６は得られた組成関連情報と原料流量変化速度値との相関式を予め記憶しており、得られた組成関連情報と前記相関式とを用いて原料流量変化速度を算出・設定するようにしても良い。
【０１０５】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における燃料電池システムについて説明する。本発明の実施の形態２における燃料電池システムは、実施の形態１で説明した燃料電池システムと同様の構成を備えるものであるため、当該構成の説明は省略する。
【０１０６】
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの組成関連情報に基づいて燃料電池１５の発電量の変化速度を変化させる動作を示すフローチャートである。この動作は制御器２６の制御により遂行される。
【０１０７】
まず、制御器２６は、組成関連情報取得器２４が取得した組成関連情報が「低熱量ガス」であるか否かを判定する（ステップＳ１）。組成情報が「低熱量ガス」であると判定した場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）は、発電量の変化速度を予め定められたＣ［Ｗ／ｓｅｃ］に設定する（ステップＳ４）。
【０１０８】
一方、組成関連情報が「低熱量ガス」ではないと判定した場合（ステップＳ１：ＮＯ）は、発電量の変化速度を予め定められたＤ［Ｗ／ｓｅｃ］に設定する（ステップＳ５）。ここで、Ｃ≦Ｄに設定されている。
【０１０９】
本実施の形態１における燃料電池システムでは、組成関連情報が「低熱量ガス」であると判定した場合には、組成関連情報が「低熱量ガス」ではないと判定した場合に比べ、燃料電池１５の発電量の変化速度を小さい値に設定することにより燃料電池１５の消費水素量の変化速度を下げる。
【０１１０】
これによって、燃料電池１５の発電量上昇時には、燃料電池１５で消費される水素量に対して改質器１２から供給される水素量が不足することを防止でき、燃料電池１５での転極を防ぐことが可能となる。また、燃料電池１５の発電量低下時には、燃料電池１５で消
費される水素量に対して改質器１２から供給される水素量が過多となることを防止でき、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。
【０１１１】
なお、本実施の形態２における燃料電池システムにおいても、組成情報は原料の熱量に関する情報であればよく、例えば、「１３Ａ」等の原料の種類や、原料中の炭素Ｃ及び水素Ｈの各平均原子数に基づいて原料供給量の変化速度を制御してもよい。
【０１１２】
また、組成関連情報に基づいて燃料電池１５の発電量の変化速度をＣとＤの２種類で切り替えることとしたが、３種類以上発電量変化速度値を設定できるようにしても良い。また、例えば、制御器２６は得られた組成関連情報と発電量変化速度値との相関式を予め記憶しており、得られた組成関連情報と前記相関式とを用いて発電量変化速度を算出・設定してもよい。
【０１１３】
また、本実施の形態２における燃料電池システムでは、組成関連情報に基づいて燃料電池１５の発電量の変化速度を変化させるように制御したが、組成関連情報に基づいて、原料供給量の変化速度および燃料電池１５の発電量の変化速度を変化させるように制御してもよい。
【０１１４】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における燃料電池システムについて説明する。本発明の実施の形態３における燃料電池システムは、実施の形態１で説明した燃料電池システムと同様の構成を備えるものであるため、当該構成の説明は省略する。
【０１１５】
図４は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの組成関連情報に基づいて原料供給量の変化速度を変化させる動作を示すフローチャートである。この動作は制御器２６の制御により遂行される。
【０１１６】
まず、制御器２６は、組成関連情報取得器２４が取得した組成関連情報が「低熱量ガス」であるか否かを判定する（ステップＳ１）。組成関連情報が「低熱量ガス」であると判定した場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、次に、改質器１２の運転時間が予め定められた第１時間以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。
【０１１７】
改質器１２の運転時間が第１時間以上であると判定した場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）は、原料供給量の変化速度をＡ１［Ｌ／ｓｅｃ］に設定する（ステップＳ７）。一方、改質器１２の運転時間が第１時間以上でないと判定した場合（ステップＳ６：ＮＯ）、原料供給量の変化速度をＡ２［Ｌ／ｓｅｃ］に設定する（ステップＳ８）。ここで、Ａ１≧Ａ２に設定されている。
【０１１８】
また、組成関連情報が「低熱量ガス」でないと判定した場合（ステップＳ１：ＮＯ）においても、次に、改質器１２の運転時間が予め定められた第１時間以上であるか否かを判定する（ステップＳ９）。改質器１２の運転時間が第１時間以上であると判定した場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、原料供給量の変化速度をＢ１［Ｌ／ｓｅｃ］に設定する（ステップＳ１０）。
【０１１９】
一方、改質器１２の運転時間が第１時間以上でないと判定した場合（ステップＳ９：ＮＯ）、原料供給量の変化速度をＢ２［Ｌ／ｓｅｃ］に設定する（ステップＳ１１）。ここで、Ｂ１≧Ｂ２に設定されている。また、Ａ１≧Ｂ１、Ａ２≧Ｂ２に設定されている。
【０１２０】
これにより、改質器１２の運転時間が第１時間を経過し改質器１２の性能低下が生じた場合、原料供給量の変化速度を上げることにより改質器１２で生成される水素量の変化速
度を上げることで、燃料電池１５で消費される水素量の変化速度に適した燃料ガスの供給制御を行うことができ、燃料電池１５での転極を防止することが可能となる。
【０１２１】
なお、本実施の形態３における燃料電池システムでは、改質器１２の運転時間が第１時間以上であるか否かに基づいて原料供給量の変化速度を設定したが、改質器１２の運転時間の閾値を第１時間、第２時間等、複数設定し、その閾値に応じて原料供給量の変化速度を変更してもよい。
【０１２２】
また、制御器２６は改質器１２の運転時間と原料供給量の変化速度との相関式を予め記憶しており、改質器１２の運転時間と前記相関式とを用いて経時的に原料供給量の変化速度が変わるよう算出・設定しても良い。
【０１２３】
また、本実施の形態３の燃料電池システムにおいても、組成関連情報は原料の熱量に関する情報であればよく、例えば、「１３Ａ」等の原料の種類や、原料中の炭素Ｃ及び水素Ｈの各平均原子数に基づいて原料供給量の変化速度を制御してもよい。
【０１２４】
また、本実施の形態３における燃料電池システムでは、改質器１２の運転時間に基づいて原料供給量の変化速度を補正したが、改質器１２の運転時間に基づいて燃料電池１５の発電量の変化速度を補正するようにしても良い。
【０１２５】
その際は、改質器１２の運転時間が第１時間以上の場合、燃料電池１５の発電量の変化速度を下げるように補正することで、燃料電池１５の発電量上昇・低下時において、燃料電池１５で消費される水素量の変化速度に適した燃料ガスの供給制御を行うことができ、燃料電池１５での転極を防ぐことが可能となる。
【０１２６】
また、改質器１２の運転時間に基づいて、原料供給量の変化速度および燃料電池１５の発電量の変化速度を補正することとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、供給される原料ガスの組成が変化した場合においても、エネルギー効率の低下や燃料電池での転極を防止することが可能となるので、供給される原料ガスの組成が異なる、家庭用等で用いられる燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【０１２８】
１２  改質器
１３  変成器
１４  選択酸化器
１５  燃料電池
１６  原料供給器
１７  水供給器
１８  酸化剤ガス供給器
１９  発電用酸化剤ガス供給器
２０  水凝縮器
２１  水回収器
２２  燃焼器
２３  燃焼用空気供給器
２４  組成関連情報取得器
２５  出力制御装置
２６  制御器
２７  水素生成装置
２８  原料供給経路
２９  水供給経路
３０  酸化剤ガス供給経路
３１  燃料ガス供給経路
３２  発電用酸化剤ガス供給経路
３３  オフ燃料ガス経路
３４  燃焼空気供給経路
３５  オフ酸化剤ガス経路
３６  凝縮水経路
【図１】
2016213035.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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