JP2018110079A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で部分負荷運転状態におけるシステムの発電効率を高めることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガスポンプ２６と、改質用水を供給するための水ポンプ３４と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、燃料ガスポンプ２６及び水ポンプ３４を制御するためのコントローラ６０とを備える。コントローラ６０は、部分負荷運転における部分負荷燃料利用率を設定するための部分負荷燃料利用率設定手段６２を備え、部分負荷運転状態のときには、部分負荷燃料利用率設定手段は部分負荷運転状態に対応する部分負荷通常燃料利用率を設定し、また部分負荷運転状態において発電電流が静定状態に維持されると部分負荷高燃料利用率を設定する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガスを燃料として発電を行う燃料電池セルスタックを備えた燃料電池システム及びその運転方法に関する。

一般的に、燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、水供給手段より供給される水を用いて燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、燃料ガス供給手段及び水供給手段を制御するためのコントローラとを備えている。このような燃料電池システム（例えば、家庭用の小型燃料電池システム）では、電力負荷追従の運転制御が行われ、電力負荷の大きさに応じて燃料電池セルスタックの発電出力が変動するように制御される。そして、部分負荷の運転の場合、燃料電池セルスタックの発電出力は、電力負荷から買電保証電力を減算した電力値となるように制御され、この発電出力の制御は、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの供給流量及び水供給手段からの改質用水の供給流量を制御することによって行われる。

電力負荷に応じて燃料電池セルスタックの発電出力を制御する場合、電力負荷の増大による発電出力の上昇に備えてある程度の余裕を見て少し多い目に燃料ガスを供給するように燃料ガス供給手段が制御され、換言すると、システムの燃料利用率を限界付近まで上げずに、この限界燃料利用率より少し小さい燃料利用率となるように制御され、燃料ガスの供給流量をこのように制御することによって、急激な発電電力の上昇による燃料ガス不足の発生を回避し、燃料電池セルスタックの破損を未然に防止している。

ところが、このような運転では、部分負荷運転における発電出力がほぼ一定の静定状態においても燃料ガスを少し多い目に供給しているために、システムの発電効率が少し悪化し、この静定状態が長いほど発電効率の悪い状態が継続されることになる。

この燃料電池システムの発電効率を改善するために、例えば、燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガス（未反応の燃料ガスを含んでいる）を再利用するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスに含まれる二酸化炭素を吸収剤を用いて吸収除去し、二酸化炭素を除去した反応燃料ガスをリサイクルして新しい燃料ガスに混合して発電用の燃料ガスとして利用し、このように再利用することによりシステム全体の発電効率を高めている。

特開２００２−３１３４０２号公報

しかしながら、上述した燃料電池システムでは、二酸化炭素を吸収する吸収剤を必要とし、また二酸化炭素を吸収除去した反応燃料ガスをリサイクルするためのリサイクル流路を設ける必要があり、燃料電池システムの構成が複雑になるなどの問題がある。

本発明の目的は、比較的簡単な構成でもって部分負荷運転状態におけるシステムの発電効率を高めることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することである。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するためのコントローラとを備えた燃料電池システムであって、
前記コントローラは、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて部分負荷運転における部分負荷燃料利用率を設定するための部分負荷燃料利用率設定手段と、前記燃料電池セルスタックの発電電流に基づいて部分負荷運転であることを判定する部分負荷運転判定手段を含んでおり、
前記部分負荷運転状態のときには、前記部分負荷燃料利用率設定手段は前記部分負荷運転状態に対応する部分負荷通常燃料利用率を設定し、前記コントローラは前記部分負荷通常燃料利用率となるように運転する部分負荷通常燃料利用率運転でもって前記燃料供給手段を制御し、また前記部分負荷運転状態において前記燃料電池セルスタックの発電出力が所定時間にわたって継続して静定状態に維持されたときには、前記部分負荷燃料利用率設定手段は前記部分負荷通常燃料利用率よりも大きい部分負荷高燃料利用率を設定し、前記コントローラは前記部分負荷高燃料利用率となるように運転する部分負荷高燃料利用率運転でもって前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラは、更に、前記燃料電池セルスタックに送給される改質燃料ガスのＳ／Ｃを設定するためのＳ／Ｃ設定手段を含み、前記部分負荷通常燃料利用率運転においては、前記Ｓ／Ｃ設定手段は前記燃料電池セルスタックの発電電流とＳ／Ｃとの関係に基づいて通常Ｓ／Ｃを設定し、また前記部分負荷高燃料利用率運転においては、前記Ｓ／Ｃ設定手段は前記通常Ｓ／Ｃよりも小さい低Ｓ／Ｃを設定することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記部分負荷高燃料利用率運転状態においては、前記コントローラは、電力負荷の変動が小さいときは電力負荷に追従するように前記燃料ガス供給手段を及び水供給手段制御し、また電力負荷が大きく変動すると前記部分負荷高燃料利用率運転から前記部分負荷通常燃料利用率運転に切り換えることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記燃料電池セルスタックの発電電力を利用して作動されるヒータ手段が設けられ、前記部分負荷燃料利用率運転状態においては、前記コントローラは、電力負荷の変動が小さいときは電力負荷の所定計測時間の移動平均値となるように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御し、前記燃料電池セルスタックの発電電力が負荷電力以上になると余剰発電電力を前記ヒータ手段に送給して消費し、また電力負荷が大きく変動すると前記部分負荷高燃料利用率運転から前記部分負荷通常燃料利用率運転に切り換えることを特徴とする。

更に、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池セルスタックの部分負荷運転状態のときには、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて設定される部分負荷通常燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記部分負荷運転状態において前記燃料電池セルスタックの発電出力が所定時間にわたって継続して静定状態に維持されたときには、前記部分負荷通常燃料利用率よりも大きい部分負荷高燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システム及び請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法によれば、コントローラは、部分負荷運転における部分負荷燃料利用率を設定するための部分負荷燃料利用率設定手段を含み、部分負荷運転状態のときには、部分負荷燃料利用率設定手段は部分負荷運転状態に対応する部分負荷通常燃料利用率を設定し、コントローラは部分負荷通常燃料利用率運転でもって燃料供給手段を制御し、また部分負荷運転状態において燃料電池セルスタックの発電出力が所定時間にわたって継続して静定状態に維持されたときには、部分負荷燃料利用率設定手段は部分負荷通常燃料利用率よりも大きい部分負荷高燃料利用率を設定し、コントローラは部分負荷高燃料利用率運転でもって燃料ガス供給手段を制御するので、この部分負荷運転状態におけるシステムの発電効率を高めることができ、この部分負荷高燃料利用率運転の運転状態が長いほどこの発電効率を高めることができる。

また、本発明の請求項２に記載の燃料システムによれば、Ｓ／Ｃ設定手段は、部分負荷通常燃料利用率運転時には燃料電池セルスタックの発電電流とＳ／Ｃとの関係に基づいて通常Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボンの比率）を設定し、また部分負荷高燃料利用率運転時にはこの通常Ｓ／Ｃよりも小さい低Ｓ／Ｃを設定するので、改質燃料ガスに含まれるスチームの量が少なくなり、これにより、燃料利用率を高くしたときに生じる燃料電池セルスタックの温度低下を抑えることができる。

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムによれば、部分負荷高燃料利用率運転状態において電力負荷が大きく変動すると、部分負荷高燃料利用率運転から部分負荷通常燃料利用率運転に切り換えられるので、燃料利用率が部分負荷高燃料利用率から部分負荷通常燃料利用率切り換わり、これにより、電力負荷変動に伴う燃料ガス不足を回避することができる。

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムによれば、コントローラは、電力負荷の変動が小さいときは電力負荷の所定計測時間の移動平均値となるように燃料ガス供給手段及び水供給手段を制御し、そして、燃料電池セルスタックの発電電力が負荷電力以上になると、この余剰発電電力がヒータ手段で消費されるので、発生した余剰発電電力がシステム内で消費されて商用電力側へ逆潮流するのを回避することができる。また、電力負荷が大きく変動すると、部分負荷高燃料利用率運転から部分負荷通常燃料利用率運転に切り換えられるので、燃料利用率が部分負荷通常燃料利用率切り換えられ、これにより、電力負荷変動に伴う燃料ガス不足を回避することができる。

本発明に従う燃料電池システムの一実施形態を示す簡略図。 図１の燃料電池システムの制御系を示すブロック図。 図２の制御系による制御の流れを示すフローチャート。 燃料電池システムにおける発電電流と限界燃料利用率、高燃料利用率及び通常燃料利用率との関係を示す図。 燃料電池システムにおける発電電流と通常Ｓ／Ｃ及び低Ｓ／Ｃとの関係を示す図。 燃料利用率とセルスタックの温度との関係を示す図。 Ｓ／Ｃとセルスタックの温度との関係を示す図。 発電電流と燃料利用率との関係を示す発電電流−燃料利用率特性マップを示す図。 本発明に従う燃料電池システムの他の実施形態における制御系を示すブロック図。 図９の制御系による制御の流れを示すフローチャート。 発電出力目標値及び負荷電力実効値の変化の一例を示す図。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システム及びその運転方法の一実施形態について説明する。

図１において、図示の燃料電池システム２は、燃料ガスとして炭化水素系の燃料ガス、例えば天然ガス（都市ガス）を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器４と、改質器４にて改質された燃料ガス（改質燃料ガス）及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタック６と、空気を燃料電池セルスタック６に送給するための送風手段８と、を備えている。

燃料電池セルスタック６は、例えば固体酸化物形のものから構成され、燃料電池反応によって発電を行うための複数の燃料電池セルが集電部材を介して積層され、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。

燃料電池セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給ライン１０を介して改質器４に接続され、この改質器４は、ガス・水蒸気送給ライン１２を介して気化器１４に接続され、この気化器１４は、燃料ガス供給ライン１６を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源１８（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続されているとともに、水供給ライン２０を介して水供給源２２（例えば、水タンクなど）に接続されている。改質器４は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって燃料ガスを水蒸気改質する。また、気化器１４は、水供給ライン２０を通して送給される水を気化させて水蒸気を発生する。なお、改質器４と気化器１４とを一体的に形成することもできる。

燃料ガス供給ライン１６には、脱硫器２４、燃料ガスポンプ２６、燃料ガス流量検知センサ２８（燃料ガス流量検知手段）及び遮断弁３０が配設されている。脱硫器２４は燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去し、燃料ガスポンプ２６は燃料ガス供給源１８からの燃料ガスを燃料ガス供給ライン１６を通して気化器１４に送給し、燃料ガス流量検知センサ２８は燃料ガス供給ライン１６を通して送給される燃料ガスの流量を検知し、また遮断弁３０は燃料ガス供給ライン１６を開閉して燃料ガスの供給、供給停止を行う。この形態では、燃料ガスポンプ２６の回転数を制御することによって、燃料ガス供給ライン１６を通して供給される燃料ガスの供給流量が制御され、その回転数が多くなる（又は少なくなる）と、燃料ガスの供給流量が増加し（又は減少し）、これら燃料ガス供給源１８、燃料ガスポンプ２６及び燃料ガス供給ライン１６が燃料ガス供給手段を構成する。

また、水供給ライン２０には水ポンプ３４及び水流量検知センサ３５（水流量検知手段）が配設されており、この水ポンプ３４は、水供給源２２からの水を気化器１４に供給し、水流量検知センサ３５は、水供給ライン２０を通して供給される改質用水の流量を検知する。この形態では、水ポンプ３４の回転数を制御することによって、水供給ライン２０を通して供給される改質用水の供給流量が制御され、その回転数が多くなる（又は少なくなる）と、改質用水の供給流量が増加し（又は減少し）、これら水供給源２２、水ポンプ３４及び水供給ライン２０が水供給手段を構成する。尚、改質用水として、排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮させて利用するようにすることもできる。

この燃料電池セルスタック６の酸素極の導入側は、空気水蒸気を送給ライン３６を介して空気（酸化材）を予熱するための空気予熱器３８に接続され、この空気予熱器３８は、空気供給ライン４０を介して送風手段８に接続されている。送風手段８は、例えば送風ブロアから構成され、この送風ブロアの回転数を制御することによって、空気供給ライン４０を通して供給される空気の送給量が制御され、送風ブロアの回転数が多くなる（又は少なくなる）と、空気供給ライン４０を通して供給される空気の供給流量が増加し（又は減少し）、これら送風手段８（送風ブロア）及び空気供給ライン４０が空気供給手段（酸化材供給手段）を構成する。

燃料電池セルスタック６の燃料極及び酸素極の各排出側には燃焼域４４が配設され、燃料電池セルスタック６の一端から排出された反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）と酸素極側から排出された空気（酸素を含んでいる）とがこの燃焼域４４に送給されて燃焼される。この燃焼域４４は排気ガス送給ライン４６を介して空気予熱器３８に接続され、空気予熱器３８を流れる排気ガスは排気ガス排出ライン４８を通して大気に排出される。空気予熱器３８においては、空気供給ライン４０を通して流れる空気と排気ガス送給ライン４６を通して流れる排気ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換により加温された空気が空気送給ライン３６を通して燃料電池セルスタック６に送給される。

この実施形態では、燃料電池セルスタック６の電力出力部（図示せず）には発電電流検知センサ５２（発電電流検知手段）（図２参照）が配設され、この発電電流検知センサ５２は、燃料電池セルスタック６からの発電電流を検知する。

この実施形態では、また、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１４及び空気予熱器３８が電池収容ハウジング５４に収容され、この電池収容ハウジング５４は、その内壁面が断熱材で覆われて高温室５６を規定し、改質器４、燃料電池セルスタック６、気化器１４及び空気予熱器３８がこの高温室５６内で高温状態に保たれる。

この燃料電池システム２では、例えば、次のように作動して発電が行われる。燃料ガス供給源１８からの燃料ガス（例えば、都市ガス）が、燃料ガス供給ライン１６を通して気化器１４に供給され、また水供給源２２からの水が、水供給ライン２０を通して気化器１４に供給される。気化器１４においては、水が加熱されて水蒸気となり、加熱された燃料ガスと発生した水蒸気が混合されてガス・水蒸気送給ライン１２を介して改質器４に送給される。

改質器４においては、燃料ガスと水蒸気とで水蒸気改質反応が行なわれ、水蒸気改質された燃料ガス（改質燃料ガス）が改質燃料ガス送給ライン１０を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。また、送風手段８からの空気は、空気供給ライン４０を通して空気予熱器３８に供給され、この空気予熱器３８において燃焼域４４から排気ガス送給ライン４６を通して流れる排気ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給ライン３６を通して燃料電池セルスタック６の酸素極側に送給される。

燃料電池セルスタック６の燃料極側は改質された燃料ガスを酸化し、またその酸素極側は空気中の酸素を還元し、燃料極側の酸化及び酸素極側の還元による電気化学反応により発電が行われる。燃料電池セルスタック６の一端側より排出された反応燃料ガス及び空気は燃焼域４４に送給されて燃焼され、この反応燃料ガスの燃焼熱を利用して改質器４及び気化器１４が加熱される。燃焼域４４からの排気ガスは排気ガス送給ライン４６を通して空気予熱器３８に送給され、この空気予熱器３８において送風手段８から供給される空気との熱交換に利用された後に、排気ガス排出ライン４８を通して大気に排出される。

この燃料電池システム２は、更に、燃料ガスポンプ２８、水ポンプ３４及び送風手段８を作動制御するためのコントローラ６０（例えば、マイクロプロセッサなどから構成される）を備えている。図２を参照して更に説明すると、この実施形態では、コントローラ６０は、部分負荷燃料利用率設定手段６２、定格負荷燃料利用率設定手段６４、部分負荷運転判定手段６６、静定状態発電判定手段６７、Ｓ／Ｃ設定手段６８、作動制御手段７０、タイマ手段７１及びメモリ手段７２を備えている。部分負荷燃料利用率設定手段６２は、部分負荷運転時における燃料利用率（部分負荷燃料利用率）を後述する如く設定し、定格負荷燃料利用率設定手段６４は、定格負荷運転時における燃料利用率（定格負荷燃料利用率）を設定し、部分負荷運転判定手段６６は、発電電流検知センサ５２からの検知信号に基づいて部分負荷発電状態であるかの判定を行い、静定状態発電判定手段６７は燃料電池セルスタック６の発電出力が静定状態であるか（換言すると、電力負荷の負荷変動が所定範囲内に保持されている）かの判定を行い、またＳ／Ｃ設定手段６８は、後述する如くＳ／Ｃを設定する。また、作動制御手段７０は、燃料ポンプ２６及び水ポンプ３４などを後述する如く作動制御する。

メモリ手段７２には、部分負荷運転時において燃料利用率を設定する際のベースとなる発電電流−燃料利用率特性マップ、燃料利用率上昇値（部分負荷通常燃料利用率から部分負荷高燃料利用率に上昇するときの上昇値であって、例えば５％程度に設定される）、部分負荷運転時においてＳ／Ｃを設定する際のベースとなる発電電流−Ｓ／Ｃ特性マップ、Ｓ／Ｃ下降値（通常のＳ／Ｃより小さい低Ｓ／Ｃ値に下げるときの下降値であって、例えば０．３〜０．５程度の範囲内の例えば０．４に設定される）、静定状態を判定するための静定判定時間（例えば、５〜１５分程度の時間であって、例えば、１０分程度に設定される）及び静定電流範囲値（例えば、±０．３〜０．６Ａ程度の範囲であって、例えば、±０．５Ａに設定される）などが登録されている。

燃料ガス流量検知センサ２８（燃料ガス流量検知手段）、水流量検知センサ３５（水流量検知手段）及び発電電流検知センサ５２（発電電流検知手段）からの検知信号は、コントローラ６０に送給され、これら検知信号に基づいて、コントローラ６０は燃料ガスポンプ２６、水ポンプ３４及び送風手段８を次のように作動制御する。

主として図２及び図３を参照して、燃料電池システム２を発電運転すると、燃料電池セルスタック６にて上述したように発電が行われる。この発電運転では、発電電流検知センサ５２により発電電流の検知が行われ（ステップＳ１）、その検知信号に基づいて部分負荷状態かの判定が行われる（ステップＳ２）。即ち、発電電流検知センサ５２の検知電流が定格発電電流に達していないと、部分負荷運転判定手段６６は部分負荷状態であると判定し、ステップＳ２からステップＳ３に進んで部分負荷運転が行われ、この部分負荷運転においては、燃料電池セルスタック６の発電電力（発電電流）が電力負荷に追従するように、作動制御手段７０は燃料ガスポンプ２６及び水ポンプ３４を制御する。また、この検知電流が定格発電電流に達していると、ステップＳ２からＳ４に移って定格負荷運転が行われる。

この部分負荷運転状態においては、部分負荷通常燃料利用率（以下、「部分負荷通常Ｕｆ」とも称する）となるように運転制御される。燃料電池セルスタック６の発電電流と限界燃料利用率（以下、「限界Ｕｆ」とも称する）及び通常燃料利用率（以下、「通常Ｕｆ」とも称する）との関係は、例えば、図４に示すように設定され、燃料電池セルスタック６の発電電流が大きくなる（換言すると、燃料電池セススタック６の発電出力が大きくなる）ほど燃料利用率が大きくなるように制御される。

この部分負荷運転状態においては、部分負荷燃料利用率設定手段６４は、メモリ手段７２に登録された発電電流−燃料利用率特性マップに基づき燃料電池セルスタック６の発電電流に対応する部分負荷通常燃料利用率（部分負荷通常Ｕｆ）を設定し、作動制御手段７０は、設定された部分負荷通常Ｕｆとなるように燃料ガスポンプ２６を制御する。また、Ｓ／Ｃ設定手段６８は、メモリ手段７２に登録された発電電流−Ｓ／Ｃ特性マップに基づき燃料電池セルスタック６の発電電流に対応する通常Ｓ／Ｃを設定し、作動制御手段７０は、通常Ｓ／Ｃとなるように水ポンプ３４を制御し、燃料電池システム２は部分負荷通常燃料利用率運転（「部分負荷通常Ｕｆ運転」とも称する）される（ステップＳ５）。

この部分負荷通常燃料利用率運転において、燃料電池セルスタック６の発電電流が静定状態である（即ち、発電電流の変動幅が小さくて安定している状態である）かが判断される（ステップＳ６）。この発電電流の静定は、燃料電池セルスタック６の発電状態が例えば電流Ｉ_０のときに発電電流検知センサ５２の検知電流Ｉが例えば±０．５Ａの範囲である〔（Ｉ_０−０．５）≦Ｉ≦（Ｉ_０＋０．５）〕かが判断され、静定状態であるときにはステップＳ６からステップＳ７に進み、タイマ手段７１の計時が行われるが、静定状態でないときはステップＳ６からステップＳ１に戻り、このタイマ手段７１の計時がリセットされる。

ステップＳ７においては、燃料電池セルスタック６の発電電流の静定状態が所定時間（例えば、１０分）の間にわたって継続しているかが判定される。ステップＳ６における燃料電池セルスタック６の発電電流の静定判定は、例えば、１秒毎に行われ、この発電電流の静定状態が１０分間継続する、即ちタイマ手段７１がこの所定時間を計時すると、ステップＳ７からステップＳ８に進み、静定状態発電判定手段６７は、燃料電池セルスタック６の発電状態が静定状態にあると判定する。尚、静定状態と判定した後は、タイマ手段７１はリセットされる。

このように静定状態であると判定されると、部分負荷燃料利用率設定手段６２は、通常燃料利用率よりも燃料利用率上昇値（例えば、５％）だけ上昇した部分負荷高燃料利用率（「部分負荷高Ｕｆ」とも称する）を設定し、作動制御手段７０は、設定された部分負荷高Ｕｆとなるように燃料ガスポンプ２６を制御し、燃料電池システム２は部分負荷高燃料利用率運転（「部分負荷高Ｕｆ運転」とも称する）される（ステップＳ９）。

そして、この部分負荷高燃料利用率運転（部分負荷高Ｕｆ運転）においては、部分負荷通常Ｕｆよりも燃料利用率が大きい部分負荷高Ｕｆに設定されるので、図５に示すように、Ｓ／Ｃ設定手段６８は、通常Ｓ／ＣよりもＳ／Ｃ下降値（例えば、０．４）下がった低Ｓ／Ｃに設定変更する（ステップＳ１０）。例えば、部分負荷通常Ｕｆ運転時において部分負荷通常Ｕｆが例えば６５％である場合、部分負荷高Ｕｆ運転に変わると燃料利用率が５ポイント上昇して部分負荷高Ｕｆが例えば７０％となる。このとき、Ｓ／Ｃは通常Ｓ／Ｃ（例えば、２．７）から例えば０．４ポイント下がった低Ｓ／Ｃ（例えば、２．３）に設定される。

一般的に、燃料電池セルスタック６での燃料利用率（Ｕｆ）とその温度とは、図６に示す関係にあり、燃料利用率が大きく（又は小さく）なると燃料電池セルスタック６における燃料電池反応にて消費される燃料ガスが多く（又は少なく）なり、従って、燃料電池セルスタック６から排出される反応ガス中に含まれる燃料ガスが少なく（又は多く）なり、燃焼域４４での燃料ガスの燃焼による燃焼熱の発生が少なく（又は多く）なり、その結果、燃料電池セルスタック６の温度が低下傾向（又は上昇傾向）となる。一方、燃料電池セルスタック６でのスチーム／カーボンの比率（Ｓ／Ｃ）とその温度との関係は、図７に示す関係にあり、Ｓ／Ｃが大きく（又は小さく）なると改質燃料ガスに含まれるスチームの割合が多く（又少なく）なり、従って、燃料電池セルスタック６の温度が低下傾向（又は上昇傾向）となる。

このようなことから、この実施形態では、部分負荷高燃料利用率運転（部分負荷高Ｕｆ運転）においては、部分負荷高Ｕｆになるように制御するために燃料電池セルスタック６の温度が低下傾向となるが、この温度低下傾向を抑えるために低Ｓ／Ｃとなるように制御しており、このように制御することにより、燃料電池セルスタック６の温度低下を抑えながら部分負荷運転状態における発電効率を高めることができる。

この部分負荷高Ｕｆ運転中は、発電電流検知センサ５２により燃料電池セルスタック６の発電電流の検知が行われ（ステップＳ１１）、燃料電池セルスタック６の発電電流が静定状態であるか否か、換言すると発電電流検知センサ５２の検知電流Ｉが例えば±０．５Ａに維持されている〔（Ｉ_０−０．５）≦Ｉ≦（Ｉ_０＋０．５）〕かが判断される（ステップＳ１２）。

そして、燃料電池セルスタック６の発電電流が安定していて静定状態に維持されているときには、ステップＳ１２からステップＳ１１に戻り、部分負荷高Ｕｆ運転が継続して行われる。また、この発電電流が大きく変動すると、上述の静定状態でなくなったとしてステップＳ１２からステップＳ１３に進み、上述した部分負荷高Ｕｆ運転が解除され、その後ステップＳ１に戻り、部分負荷運転が継続されているときには部分負荷通常Ｕｆ運転に切り換わる。

尚、部分負荷運転から定格負荷運転になる（即ち、燃料電池セルスタック６の発電電流が定格発電電流となる）と、定格負荷燃料利用率設定手段６４は、定格負荷燃料利用率（「定格負荷Ｕｆ」とも称する）を設定し、作動制御手段７０は定格負荷燃料利用率（定格負荷Ｕｆ）となるように燃料ガスポンプ２６を制御する。また、Ｓ／Ｃ設定手段６８は、燃料電池セルスタック６の定格発電電流に対応するＳ／Ｃを設定し、作動制御手段７０はこのＳ／Ｃとなるように水ポンプ３４を制御する。

上述した実施形態では、部分負荷の燃料利用率に関して、コントローラ６０のメモリ手段７２に発電電流−燃料利用率特性マップ及び燃料利用率上昇値を登録し、部分負荷通常Ｕｆについては発電電流−燃料利用率特性マップを用いて設定し、部分負荷高Ｕｆについては発電電流−燃料利用率特性マップ及び燃料利用率上昇値を用いて設定しているが、このような構成に代えて、次のように構成することもできる。図８に示すように、このメモリ手段７２に、発電電流−通常燃料利用率特性マップ（図８で一点鎖線で示す）及び発電電流−高燃料利用率特性マップ（図８で実線で示す）を登録し、この発電電流−高燃料利用率特性マップにおける発電電流に対する燃料利用率の値が、発電電流−通常燃料利用率特性マップにおける同じ発電電流に対する燃料利用率の値よりも大きくなるように設定される。このように二つの上述した特性マップを用いた場合、部分負荷通常Ｕｆ運転においては、発電電流−通常燃料利用率特性マップを用いて燃料電池セルスタック６の発電電流に対応する部分負荷通常Ｕｆを設定するようにし、また部分負荷高Ｕｆ運転においては、発電電流−高燃料利用率特性マップを用いて燃料電池セルスタック６の発電電流に対応する部分負荷高Ｕｆを設定するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、部分負荷運転におけるＳ／Ｃに関して、コントローラ６０のメモリ手段７２に発電電流−Ｓ／Ｃ特性マップ及びＳ／Ｃ下降値を登録し、通常Ｓ／Ｃについては発電電流−Ｓ／Ｃ特性マップを用いて設定し、低Ｓ／Ｃについては発電電流−Ｓ／Ｃ特性マップ及びＳ／Ｃ下降値を用いて設定しているが、このような構成に代えて、次のように構成することもできる。即ち、燃料利用率の設定と略同様に、このメモリ手段７２に、発電電流−通常Ｓ／Ｃ特性マップ及び発電電流−低Ｓ／Ｃ特性マップを登録し、この発電電流−低Ｓ／Ｃ特性マップにおける発電電流に対するＳ／Ｃの値が、発電電流−通常Ｓ／Ｃ特性マップにおける同じ発電電流に対するＳ／Ｃの値よりも小さくなるように設定される。このように二つのＳ／Ｃ特性マップを用いた場合、部分負荷通常Ｕｆ運転においては、発電電流−通常Ｓ／Ｃ特性マップを用いて燃料電池セルスタック６の発電電流に対応する通常Ｓ／Ｃを設定するようにし、また部分負荷高Ｕｆ運転においては、発電電流−低Ｓ／Ｃ特性マップを用いて燃料電池セルスタック６の発電電流に対応する低Ｓ／Ｃを設定するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、部分負荷高Ｕｆ運転においては、低Ｓ／Ｃに常に設定するようにして燃料電池セルスタック６の温度低下を抑えているが、このような構成に代えて、次のように構成することもできる。即ち、燃料電池セルスタック６の温度を検知するためのスタック温度検知センサ（図示せず）を設け、部分負荷高Ｕｆ運転において燃料電池セルスタック６の温度が低下したときに、スタック温度検知センサの検知温度に基づいて通常Ｓ／Ｃから低Ｓ／Ｃに設定変更して燃料電池セルスタック６の温度低下を抑えるようにしてもよい。

次に、図９〜図１１を参照して、本発明に従う燃料電池システムの他の実施形態について説明する。この他の実施形態においては、商用電源への逆潮流が生じないように構成されている。尚、この他の実施形態において、上述した実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図９を参照して、この他の実施形態では、燃料ガス流量検知センサ２８、水流量検知センサ３５及び発電電流検知センサ５２に加えて、系統電力検知手段１０２が設けられ、系統電力検知手段１０２は系統電流検知センサ１０４を含んでいる。系統電力検知手段１０２は、系統接続される電力負荷（図示せず）の負荷電力を検知し、系統電流検知センサ１０４は、この電力負荷に流れる系統電流を検知する。商用電源から電力供給を受ける場合、商用電源側へ逆潮流が生じないように構成され、電力負荷の負荷変動を考慮して商用電源から例えば３０Ｗ程度使用するように構成される。

このことに関連して、コントローラ６０Ａは、部分負荷燃料利用率設定手段６２、定格負荷燃料利用率設定手段６４、部分負荷運転判定手段６６、静定状態発電判定手段６７、Ｓ／Ｃ設定手段６８、作動制御手段７０、タイマ手段７１及びメモリ手段７２Ａに加えて、移動平均値演算手段１０６、余剰発電判定手段１０８、Ｕｆ特性マップ切換手段１１０及びＳ／Ｃ特性マップ切換手段１１２を含んでいる。移動平均値演算手段１０６は、系統電力検知手段１０２により検知される負荷電力の移動平均値（例えば１秒毎に負荷電力を検知したときの例えば３秒間の平均値）を演算し、この移動平均値に基づいて燃料電池セルスタックの発電電力が設定される。余剰発電判定手段１０８は、系統電流検知センサ１０４の検知電流に基づいて逆潮流状態であるか否か、換言すると余剰発電状態であるかを判定する。また、Ｕｆ特性マップ切換手段１１０は、メモリ手段７２Ａに登録された発電電流−通常燃料利用率特性マップ及び発電電流−高燃料利用率特性マップを後述するようにして選択的に切り換え、Ｓ／Ｃ特性マップ切換手段１１２は、メモリ手段７２Ａに登録された発電電流−通常Ｓ／Ｃ特性マップ及び発電電流−低Ｓ／Ｃ特性マップを後述するようにして選択的に切り換える。

更に、燃料電池セルスタックに関連して、余剰電力ヒータ１１４（ヒータ手段を構成する）が設けられる。この余剰電力ヒータ１１４は、燃料電池セルスタックの発電電力が大きくなってその一部が余剰電力となったときに消費するものである。この他の実施形態におけるその他の構成は、上述した実施形態と実質上同一でよい。尚、燃料電池システムが凍結防止ヒータなどの電力ヒータを備えている場合、この凍結防止ヒータなどを余剰電力を消費するヒータ手段として機能させるようにしてもよい。

この燃料電池システムにおける発電運転は、次のように行われる。図９とともに図１０を参照して、燃料電池セルスタックの発電運転では、発電電流検知センサ５２により発電電流の検知が行われ（ステップＳ２１）、その検知信号に基づいて部分負荷状態かの判定が行われる（ステップＳ２２）。上述したと同様に、発電電流検知センサ５２の検知電流が定格発電電流に達していないと、部分負荷運転判定手段６６は部分負荷運転状態であると判定し、ステップＳ２２からステップＳ２３に進んで部分負荷運転が行われる。また、この検知電流が定格発電電流に達していると、ステップＳ２２からＳ２４に移って定格負荷運転が行われる。

この部分負荷運転状態においては、燃料利用率が部分負荷通常Ｕｆとなるように運転制御される。移動平均値演算手段１０６は、系統電力検知手段１０２の検知信号に基づいて負荷電力の移動平均値を演算し、この移動平均値に基づいて燃料電池セルスタックの発電電流（発電電力）が決定され、この発電電力は電力負荷の負荷電力に追従するように決定される。そして、部分負荷燃料利用率設定手段６４は、メモリ手段７２Ａに登録された発電電流−部分負荷通常燃料利用率特性マップを選択し、この発電電流−部分負荷通常燃料利用率に基づき燃料電池セルスタック６の発電電流に対応する部分負荷通常Ｕｆを設定し、作動制御手段７０は、設定された部分負荷通常Ｕｆとなるように燃料ガスポンプ２６を制御する。また、Ｓ／Ｃ設定手段６８は、メモリ手段７２Ａに登録された発電電流−通常Ｓ／Ｃ特性マップを選択し、この発電電流−通常Ｓ／Ｃ特性マップに基づき燃料電池セルスタックの発電電流に対応する通常Ｓ／Ｃを設定し、作動制御手段７０は、通常Ｓ／Ｃとなるように水ポンプ３４を制御し、燃料電池システムはこのようにして部分負荷通常Ｕｆ運転される（ステップＳ２５）。

この部分負荷通常燃料利用率運転においては、上述したと同様に、燃料電池セルスタック６の発電電流が静定状態であるかが判定され（ステップＳ２６）、またこの静定状態が所定時間（例えば、１０分）継続して維持されているかが判断される（ステップＳ２７）。

このようにして燃料電池セルスタックの発電電流が所定時間継続して静定状態であると判定されると、ステップＳ２６からステップＳ２７を経てステップＳ２８に進み、静定状態発電判定手段６７は、発電電流が静定状態にあると判定する。尚、燃料電池セルスタックの発電電流が変動している（即ち、静定状態に保たれていない）ときには、ステップ２６からステップＳ２１に戻り、またこの静定状態が所定時間継続しないときには、ステップＳ２７からステップＳ２１に戻る。

上述したようにして静定状態と判定されると、部分負荷高Ｕｆ運転が行われる（ステップＳ２９）。即ち、Ｕｆ特性マップ切換手段１１０は、発電電流−通常燃料利用率特性マップから発電電流−高燃料利用率特性マップに切り換え、部分負荷燃料利用率設定手段６２は、切り換えられた発電電流−高燃料利用率特性マップに基づき燃料電池セルスタックの発電電流に対応する高燃料利用率、即ち部分負荷高Ｕｆを設定し、作動制御手段７０は、設定された部分負荷高Ｕｆとなるように燃料ガスポンプ２６を制御する。

この部分負荷高Ｕｆ運転においては、上述したと略同様に、Ｓ／Ｃ設定手段６８によりＳ／Ｃの変更設定が行われる（ステップＳ３０）。Ｓ／Ｃ特性マップ切換手段１１２は、発電電流−通常Ｓ／Ｃ特性マップから発電電流−低Ｓ／Ｃ特性マップに切り換え、Ｓ／Ｃ設定手段６８は、この発電電流−低Ｓ／Ｃ特性マップに基づき燃料電池セルスタックの発電電流に対応する低Ｓ／Ｃを設定し、作動制御手段７０は、低Ｓ／Ｃとなるように水ポンプ３４を制御し、燃料電池システムはこのようにして部分負荷高Ｕｆ運転される。

この部分負荷高Ｕｆ運転においては、系統電力検知手段１０２が電力負荷の負荷電力を検知し（ステップＳ３１）、移動平均値演算手段１０６が検知された負荷電力に基づいて移動平均値を演算し（ステップＳ３２）、この部分負荷高Ｕｆ運転においてもこの移動平均値に基づいて燃料電池セルスタックの発電電流（発電電力）が決定され、この発電電力は電力負荷の負荷電力に追従するように決定される。そして、この移動平均値の変動が小さいと、ステップＳ３３からステップＳ３４に進み、この負荷電力が燃料電池セルスタックの発電電力以下である（換言すると、商用電源への逆潮流が生じていない）かが判断される（ステップＳ３４）。

このとき、負荷電力が発電電力以下であると、商用電源への逆潮流が生じるとしてステップＳ３５に進み、作動制御手段７０は余剰電力ヒータ１１４を作動させ、燃料電池セルスタックにて発電された発電電力の一部、即ち余剰発電電力が余剰電力ヒータ１１４に送給されて消費され、これにより、余剰発電電力が商用電源側へ逆潮流することが防止される。

このことを図１１を参照して説明すると、燃料電池セルスタックの発電出力目標値が負荷電力実測値以上である場合、燃料電池セルスタックの発電電力の一部（電力負荷で消費されない余剰発電電力）が商用電源側に流れ、図１１において領域Ａ、領域Ｂ及び領域Ｃにおいて逆潮流が生じることになるが、この逆潮流を防止するために、これら領域Ａ〜Ｃにおける余剰発電電力が余剰電力ヒータ１１４に送給されて消費されることになる。尚、ステップＳ３４において負荷電力がこの発電電力よりも大きいといには、逆潮流が生じることがなく、ステップＳ３４からステップＳ３１に戻り、またステップＳ３５において余剰電力ヒータ３５が作動した後はステップＳ３１に戻り、部分負荷高Ｕｆ運転が継続して行われる。

また、ステップＳ３１にて負荷変動が大きいと判断されると、ステップＳ３３からステップＳ３６に進み、部分負荷高Ｕｆ運転が解除された後にステップＳ２１に戻り、部分負荷運転状態における通常Ｕｆ運転となり、このようにして部分負荷運転が行われる。

尚、この他の実施形態では、余剰電力を消費するための専用の余剰電力ヒータ１１４を設けているが、燃料電池システムが例えば凍結防止ヒータなどのヒータ手段を備えている場合、この凍結防止ヒータなどを余剰発電電力を消費するためのヒータ手段として機能させるようにしてもよい。

以上、本発明に従う燃料電池システム及びその運転方法の一実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

例えば、上述した実施形態では、水供給源２２として水タンクなどを用いているが、このような構成に代えて、排気ガス排出ライン４８を通して排出される排気ガスに含まれる水分を凝縮して水回収タンクに回収し、この水回収タンクに回収した水を改質用水として利用することもできる。

また、例えば、排気ガスの熱を温水として貯える貯湯タンクを備えた貯湯装置と組み合わせて用いるようにすることもできる。例えば、排気ガス排出ライン４８に熱交換器を配設し、この熱交換器において排気ガス排出ライン４８を流れる排気ガスと貯湯タンクからの水との間で熱交換を行い、この熱交換により加温された温水を貯湯タンクに貯えるようにしてもよい。

２ 燃料電池システム
４ 改質器
６ 燃料電池セルスタック
８ 送風手段
１４ 気化器
１８ 燃料ガス供給源
２２ 水供給源
２６ 燃料ガスポンプ
２８ 燃料ガス流量検知センサ
３４ 水ポンプ
４４ 燃焼域
５２ 発電電流検知センサ
６０ コントローラ
６２ 部分負荷燃料利用率設定手段
６４ 定格負荷燃料利用率設定手段
６６ 部分負荷運転判定手段
６７ 静定状態発電判定手段
６８ Ｓ／Ｃ設定手段
７０ 作動制御手段
１０２ 系統電力検知手段
１０８ 余剰発電判定手段
１１０ Ｕｆ特性マップ切換手段
１１２ Ｓ／Ｃ特性マップ切換手段
１１４ 余剰電力ヒータ

Claims (5)

1. 
   燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するためのコントローラとを備えた燃料電池システムであって、
   前記コントローラは、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて部分負荷運転における部分負荷燃料利用率を設定するための部分負荷燃料利用率設定手段と、前記燃料電池セルスタックの発電電流に基づいて部分負荷運転であることを判定する部分負荷運転判定手段を含んでおり、
   前記部分負荷運転状態のときには、前記部分負荷燃料利用率設定手段は前記部分負荷運転状態に対応する部分負荷通常燃料利用率を設定し、前記コントローラは前記部分負荷通常燃料利用率となるように運転する部分負荷通常燃料利用率運転でもって前記燃料供給手段を制御し、また前記部分負荷運転状態において前記燃料電池セルスタックの発電出力が所定時間にわたって継続して静定状態に維持されたときには、前記部分負荷燃料利用率設定手段は前記部分負荷通常燃料利用率よりも大きい部分負荷高燃料利用率を設定し、前記コントローラは前記部分負荷高燃料利用率となるように運転する部分負荷高燃料利用率運転でもって前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記コントローラは、更に、前記燃料電池セルスタックに送給される改質燃料ガスのＳ／Ｃを設定するためのＳ／Ｃ設定手段を含み、前記部分負荷通常燃料利用率運転においては、前記Ｓ／Ｃ設定手段は前記燃料電池セルスタックの発電電流とＳ／Ｃとの関係に基づいて通常Ｓ／Ｃを設定し、また前記部分負荷高燃料利用率運転においては、前記Ｓ／Ｃ設定手段は前記通常Ｓ／Ｃよりも小さい低Ｓ／Ｃを設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記部分負荷高燃料利用率運転状態においては、前記コントローラは、電力負荷の変動が小さいときは電力負荷に追従するように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御し、また電力負荷が大きく変動すると前記部分負荷高燃料利用率運転から前記部分負荷通常燃料利用率運転に切り換えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池セルスタックの発電電力を利用して作動されるヒータ手段が設けられ、前記部分負荷燃料利用率運転状態においては、前記コントローラは、電力負荷の変動が小さいときは電力負荷の所定計測時間の移動平均値となるように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御し、前記燃料電池セルスタックの発電電力が負荷電力以上になると余剰発電電力を前記ヒータ手段に送給して消費し、また電力負荷が大きく変動すると前記部分負荷高燃料利用率運転から前記部分負荷通常燃料利用率運転に切り換えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
5. 
   燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックから排出される反応燃料ガスを燃焼させるための燃焼域とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池セルスタックの部分負荷運転状態のときには、前記燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係に基づいて設定される部分負荷通常燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記部分負荷運転状態において前記燃料電池セルスタックの発電出力が所定時間にわたって継続して静定状態に維持されたときには、前記部分負荷通常燃料利用率よりも大きい部分負荷高燃料利用率となるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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