以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む燃料ガス(改質ガス)を生成する改質装置20を備えている。
燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。
改質装置20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24、燃焼部25、および蒸発部26から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、LPGなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
改質部21は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部21は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。
改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、冷却部22から導入された改質用燃料と水蒸気供給管51から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部(熱交換部)22に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。改質部21の触媒21bの活性温度域は400℃から800℃である。
また、改質部21内には、改質部21内の温度例えば燃焼部25との間の壁付近の温度を測定する温度センサ21cが設けられている。温度センサ21cの検出結果は制御装置30に送信されている。
冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器(熱交換部)であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。
具体的には、冷却部22には図示しない燃料供給源(例えば都市ガス管)に接続された改質用燃料供給管41が接続されている。改質用燃料供給管41には、上流から順番に燃料ポンプ42、脱硫器46および改質用燃料バルブ43が設けられている。改質用燃料バルブ43は改質用燃料供給管41を開閉するものである。燃料ポンプ42は改質用燃料(および/または燃焼用燃料)を供給しその供給量を調整するものである。脱硫器46は燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を除去するものである。燃料のうち改質部21に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部25に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。
また、改質用燃料供給管41の脱硫器46と改質用燃料バルブ43との間には燃焼部25に接続された燃焼用空気供給管64に接続された燃焼用燃料供給管44が接続されている。燃焼用燃料供給管44には燃焼用燃料バルブ45が設けられている。燃焼用燃料バルブ45は燃焼用燃料供給管44を開閉するものである。燃料ポンプ42が駆動され改質用燃料バルブ43が閉じられ燃焼用燃料バルブ45が開かれている場合、燃焼部25に燃焼用燃料が供給され、また、燃料ポンプ42が駆動され改質用燃料バルブ43が開かれ燃焼用燃料バルブ45が閉じられている場合、改質部21に改質用燃料が供給される。
さらに、改質用燃料供給管41の改質用燃料バルブ43と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管51が接続されている。蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部22を通って改質部21に供給されている。
COシフト部23は、改質部21から冷却部22を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。COシフト部23は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路23aを備えている。折り返し流路23a内には触媒23b(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。COシフト部23においては、冷却部22から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒23bにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
また、COシフト部23内には、COシフト部23の触媒23bの温度を測定する複数(本実施の形態では3つ)の温度センサ23c〜23eが設けられている。各温度センサ23c〜23eの検出結果は制御装置30に送信されている。これら温度センサ23c〜23eは、COシフト部23の全触媒領域内のうち入口から出口への改質ガスの流れに沿って離れて配設されている。
温度センサ(第1温度センサ)23cは、COシフト部23の最も入口側の第1場所P1の温度S1を検出するものである。この温度センサ23cは、第1場所P1の温度が所定温度S1a以上で、燃料電池10の定格発電量より低い第1発電量W1に相当する量の改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度(例えば5000ppm)以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。
温度センサ(第2温度センサ)23dは、第1場所P1より出口側の第2場所P2の温度S2を検出するものである。この温度センサ23dは、第2場所P2の温度が所定温度S2a以上で、第1発電量W1より大きい第2発電量W2に相当する量の改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度(例えば5000ppm)以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。
温度センサ(第3温度センサ)23eは、第2場所P2より出口側の第2場所P3の温度S3を検出するものである。この温度センサ23eは、第3場所P3の温度が所定温度S3a以上で、第2発電量W2より大きい第3発電量W3に相当する量の改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度(例えば5000ppm)以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。
例えば、第1位置P1は、触媒領域のうち入口部であり、最小発電量(200W)である第1発電量W1に対応した位置である。第2位置P2は、触媒領域の中間部であり、中間発電量(500W)である第2発電量W2に対応した位置である。第3位置P3は触媒領域のうち出口部であり、最大発電量(1000W)である第3発電量W3に対応した位置である。
前記所定温度は、温度センサ毎に異なる値S1a、S2a、S3aに設定したが、同一の値に設定してもよい。いずれの場合も所定温度は触媒23bの活性温度域(例えば180〜300℃)の値に設定される。
CO選択酸化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。CO選択酸化部24は、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。CO選択酸化部24の内部には、触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されている。
また、CO選択酸化部24内には、CO選択酸化部24内の温度を測定する温度センサ24bが設けられている。温度センサ24bの検出結果は制御装置30に送信されている。
このCO選択酸化部24の側壁面下部および側壁面上部には、COシフト部23に接続された接続管89および燃料電池10の燃料極11に接続された改質ガス供給管71がそれぞれ接続されている。接続管89には、酸化用空気供給管61が接続されている。これにより、CO選択酸化部24には、COシフト部23からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管61には、上流から順番に酸化用空気ポンプ62および酸化用空気バルブ63が設けられている。酸化用空気ポンプ62は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ63は酸化用空気供給管61を開閉するものである。
したがって、CO選択酸化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応(酸化)して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒24aによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。
燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されるとともに、燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介して燃焼部25が接続されている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間にアノードガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にアノードオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73にはバイパスバルブ76が設けられている。
燃料電池システムの起動開始から発電開始までは、改質装置20から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、アノードガスバルブ74およびアノードオフガスバルブ75を閉じバイパスバルブ76を開き、発電運転時には、改質装置20からの改質ガスを燃料電池10に供給するため、アノードガスバルブ74およびアノードオフガスバルブ75を開きバイパスバルブ76を閉じている。
また、燃料電池10の空気極12の導入口には、カソード用空気供給管67が接続されるとともに、空気極12の導出口には、排気管82が接続されている。空気極12に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69はカソード用空気供給管67を開閉するものである。
燃焼部25は、燃焼用燃料供給管44を通って供給される燃焼用燃料、改質部21から供給される改質ガス、および燃料電池10からのアノードオフガスの少なくとも何れか一を、燃焼用空気ポンプ65によって供給される燃焼用空気により燃焼してその燃焼ガスによって改質部21を加熱するものである。この燃焼部25は、改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。
燃焼部25には、図示しない燃料供給源(例えば都市ガス管)に接続された燃焼用燃料供給管44が燃焼用空気供給管64を介して接続されるとともに、燃料極11の導出口に一端が接続されているオフガス供給管72の他端が接続されている。基本的には、燃料電池10の起動当初、燃焼用燃料が燃焼部25に供給され、燃料電池10の起動時のうちCOシフト部23の温度S1が所定温度S1a未満である場合、CO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10を経由しないで燃焼部25に供給され、燃料電池10の発電が開始されると、燃料電池10から排出されるアノードオフガス(燃料極11にて未使用な水素や改質部で未改質な改質用燃料などを含んだ改質ガス)が燃焼部25に供給されるようになっている。
また、発電運転中に、改質ガスやアノードオフガスによる燃焼熱量では改質部を所定温度に加熱するのに必要な熱量に足りない場合には、その不足分の燃焼熱量に相当する量の燃焼用燃料を追加供給して補うようにしている。このように、燃焼部25においてアノードオフガスだけでなく不足熱量を燃焼用燃料で補うシステムを追い焚きシステムという。なお、燃料電池システムには、この追い焚きシステム以外に、発電運転中に、アノードオフガスのみ燃焼部25に供給し、追い焚きシステムのように燃焼用燃料などの可燃ガスを追加供給しない、追い焚きレスシステムがある。本発明は追い焚きシステムだけでなく追い焚きレスシステムにも適用可能である。
また、燃焼部25には、燃焼用空気供給管64が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガスを燃焼(酸化)させるための燃焼用空気が大気から供給されるようになっている。燃焼用空気供給管64には上流から順番に燃焼用空気ポンプ65および燃焼用空気バルブ66が設けられている。燃焼用空気ポンプ65は燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気を供給しその供給量を調整する燃焼用酸化剤ガス供給手段である。燃焼用空気バルブ66は燃焼用空気供給管64を開閉するものである。
このように構成された燃焼部25は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、燃焼ガス流路27を流通し、排気管81を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部21および蒸発部26をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路27は、改質部21の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部21の外周壁と断熱部28との間に当接して配設され、折り返されて断熱部28と蒸発部26の間に当接して配設された流路である。
蒸発部26は、改質水を沸騰(蒸発)させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものである。蒸発部26は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路27の外周壁を覆って当接して設けられている。
この蒸発部26の下部(例えば側壁面下部、底面)には改質水タンク(図示省略)に接続された給水管52が接続されている。蒸発部26の上部(例えば側壁面上部)には水蒸気供給管51が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部26内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびCO選択酸化部24からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管51および冷却部22を介して改質部21へ導出するようになっている。なお、給水管52には、上流から順番に改質水ポンプ53および改質水バルブ54が設けられている。改質水ポンプ53は、蒸発部26に改質水を供給するものである。改質水バルブ54は給水管52を開閉し改質水供給量を調整する改質水調整手段である。なお、改質水ポンプ53で改質水の供給量を調整するようにしてもよい。
また、蒸発部26には、蒸発部26内の温度を検出する温度センサ26aが設けられている。温度センサ26aは蒸発部26内の上流部(入口側)に設けることが好ましい。温度センサ26aの検出結果は制御装置30に送信されている。
また、燃料電池システムは制御装置30を備えており、この制御装置30には、上述した温度センサ21c,23c,23d,23e,24b,26a、各ポンプ42,53,62,65,68、各バルブ43,45,54,63,66,69,74,75,76、および燃焼部25(着火装置)が接続されている(図2参照)。制御装置30はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。CPUは、温度センサ21c,23c,24b,26aからの温度に基づいて、各ポンプ42,53,62,65,68、各バルブ43,45,54,63,66,69,74,75,76、および燃焼部25(着火装置)を制御することにより、燃料電池システムの運転を制御している。RAMは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ROMは前記プログラムを記憶するものである。
次に、上述した燃料電池システムの作動の一例について説明する。制御装置30は、図示しない主電源が投入されると、ステップ100にてプログラムを起動しプログラムをステップ102に進める。制御装置30は、ステップ102において、運転を開始するか否かを判定する。制御装置30は、図示しないスタートスイッチが押されて運転が開始される場合、運転計画にしたがって運転が開始される場合には、ステップ102で「YES」と判定し、改質装置20の暖機を実施する(ステップ104)。そうでなければ、ステップ102で「NO」の判定を繰り返し実行する。
起動運転が開始されると、制御装置30は、ステップ104において、燃焼用空気バルブ66を開いて燃焼用空気ポンプ65を駆動して、燃焼用空気を燃焼部25に供給する。また、制御装置30は、燃焼部25の点火用電極に通電する。さらに、制御装置30は、燃焼用燃料バルブ45を開いて燃料ポンプ42を駆動して、燃焼用燃料を燃焼部25に供給する。これにより、燃焼用燃料が燃焼部25で燃焼され、その燃焼ガスにより改質部21および蒸発部26が加熱される。なお、このとき、改質用燃料バルブ43、改質水バルブ54、酸化用空気バルブ63、アノードガスバルブ74、バイパスバルブ76およびアノードオフガスバルブ75は閉じられている。
そして、制御装置30は、改質水バルブ54と改質水ポンプ53を制御して蒸発部26に所定量の水を供給し、一旦、水の供給を停止する。その後、制御装置30は、温度センサ26aが所定値(例えば、100℃)以上になったら水蒸気が発生したと判断する。そして、制御装置30は、水蒸気の発生を確認してから、改質水バルブ54を開いて改質水ポンプ53を駆動して蒸発部26に所定流量の水を供給開始する。
その後、制御装置30は、改質用燃料バルブ43を開いて燃料ポンプ42を駆動して、改質用燃料を改質部21に供給する。また、制御装置30は酸化用空気バルブ63を開いて酸化用空気ポンプ62を駆動させ酸化用空気を所定流量(所定供給量)だけCO選択酸化部24に供給する。これにより、改質部21に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部21では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部21から導出された改質ガスはCOシフト部23(およびCO選択酸化部24)を暖機してCO選択酸化部24から導出され、燃料電池10を通らないで、バイパス管73を通って直接燃焼部25に供給され燃焼される。なお、このとき、改質部21で改質のための熱量が不足する場合には、燃焼用燃料バルブ45を開いて、燃焼用燃料を燃焼部25に供給することにより、不足熱量を補充する。
このような改質ガスの生成中において、COシフト部23には、改質部21から高温の改質ガスが供給される。供給された改質ガスの温度によりCOシフト部23の上流側から順に昇温する。昇温された上流部分がCOシフト部23の活性温度になると触媒反応の発熱による昇温も加わる、この結果、COシフト部23は、起動時に上流から順に昇温し、所定温度以上の領域が上流から下流に広がっていく。なお、COシフト部23入口側に改質ガスを暖機するヒータを設け暖機を加速するようにしてもよく、同様な制御が可能である。
また、このような改質ガスの生成中において、制御装置30は、ステップ106において、COシフト部23の触媒の第1場所P1の温度S1を温度センサ23cで検出し、この検出した温度S1が所定温度S1a以上であるか否かを判定する。温度S1が所定温度S1a未満である場合には、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度より高いとして、すなわち暖機が完了していないとして、制御装置30は、ステップ106の処理を繰り返す。
一方、温度S1が所定温度S1a以上となれば(図4の時刻Tm1)、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度以下となったとして、制御装置30は、アノードガスバルブ74およびアノードオフガスバルブ75を開きバイパスバルブ76を閉じてCO選択酸化部24を燃料電池10の燃料極11の導入口に接続するとともに燃料極11の導出口を燃焼部25に接続する(ステップ108)。そして、制御装置30は、定格運転より発電量の低い第1発電量W1(例えば300W)で発電する低発電量運転で燃料電池10の発電を開始する(発電開始手段)。このとき、制御装置30は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量W3における水素利用率Uf3より低い低水素利用率Uf1で燃料電池10の発電を開始する。
定常状態とは、定格運転が可能になったときの運転状態である(時刻Tm3以降)。起動中における水素利用率は、定常状態における所定発電量の水素利用率より低くなるように制御されている。定格運転とは、燃料電池10をその最大発電量で運転することである。定格運転時の発電量を定格発電量という。なお、起動運転(起動時)は、燃料電池10を定格運転できるまで改質装置20を暖機するための運転であり、COシフト部23の温度S3が所定温度S3a未満である状態である(時刻Tm0からTm3の間)。起動運転中であっても、COシフト部23の温度S1が所定温度S1a以上となれば(時刻Tm1以降)、出力制限のもと発電可能(発電運転中)である。
なお、温度が所定温度S1a以上である入口から第1場所P1までの触媒領域では、改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定の濃度以下に低減することができる。しかし、その触媒領域で一酸化炭素濃度を所定の濃度に低減できるのは、最低発電出力(第1発電量)に相当するガス流量に限られる。すなわち、そのガス流量以上の流量が流れると、その触媒領域の処理能力を超えるため、一酸化炭素濃度は所定の濃度より大きい値となる。
ここで、水素利用率の制御について説明する。水素利用率=(発電に利用される水素量(水素流量)/燃料電池に供給される水素量(水素流量))である。燃料電池10の発電量は制御装置30により制御可能である。本実施の形態では、制御装置30に接続されているインバータ(図示省略)により制御されている。燃料電池10に供給される水素流量は、燃料電池10に供給される燃料ガス(改質ガス)流量にほぼ比例する。燃料ガス流量は、改質部21に供給される改質用燃料流量で決まる。水素利用率の制御は、改質用燃料流量で制御(流量が大きいほど水素利用率が下がる)するか、発電量で制御(発電量が小さいほど水素利用率が下がる)する。
本実施の形態では、改質用燃料流量で制御している。すなわち、起動時の各段階に対応した発電量(各発電上限値を上限としてユーザ負荷に応じて変化させている)は予め決定されている。また起動時に各段階に対応した目標水素利用率が予め決定されている(だだし、目標水素利用率は発電量によって変化させてもよい)。発電量と目標水素利用率から演算により求められた改質用燃料流量を改質部21に供給する。もちろん、改質用燃料流量と目標水素利用率を決定して発電量を制御することも可能である。目標水素利用率は、予め決定された値でなく、COシフト部23などの温度や発電量などにより最適な値に決定して制御してもよい。
制御装置30は、ステップ110において、燃料電池10の最大出力をW1に制限して発電するとともに水素利用率を低水素利用率Uf1に設定する。
さらに、改質部21から供給される改質ガスや自己発熱によってCOシフト部23が暖機され、第1場所P1より下流側の温度が上昇する。制御装置30は、ステップ112において、COシフト部23の触媒の第2場所P2の温度S2を温度センサ23dで検出し、この検出した温度S2が所定温度S2a以上であるか否かを判定する。温度S2が所定温度S2a未満である場合には、制御装置30は、ステップ112の処理を繰り返す。一方、温度S2が所定温度S2a以上となれば(図4の時刻Tm2)、制御装置30は、ステップ114において、燃料電池10の最大出力をW1からW2に変更しW2に設定して発電するとともに水素利用率をUf1からUf2に変更しUf2に設定して発電する。Uf2は低水素利用率Uf1より大きく、かつ定格発電量で発電運転可能な定常状態での水素利用率Uf3より小さい値である。
さらに、COシフト部23が暖機されるなかで、制御装置30は、ステップ116において、COシフト部23の触媒の第3場所P3の温度S3を温度センサ23eで検出し、この検出した温度S3が所定温度S3a以上であるか否かを判定する。温度S3が所定温度S3a未満である場合には、制御装置30は、ステップ116の処理を繰り返す。一方、温度S3が所定温度S3a以上となれば(図4の時刻Tm3)、制御装置30は、ステップ118において、燃料電池10の最大出力をW2からW3に変更しW3に制限して発電するとともに水素利用率をUf2からUf3に変更しUf3に設定して発電する。これにより、定常状態が開始される。
このように、制御装置30は、温度S1が所定温度S1a以上となれば最大出力W1、温度S2が所定温度S2a以上となれば最大出力W2、温度S3が所定温度S3a以上となれば最大出力W3で制限して発電し、最大出力以下の範囲でユーザー負荷に追従するように発電を行う。
発電運転中に、制御装置30は、ステップ120において、運転を停止するか否かを判定する。制御装置30は、図示しないストップスイッチが押されて運転が停止される場合、運転計画にしたがって運転が停止される場合には、ステップ120で「YES」と判定し、燃料電池システムの停止を実施する(ステップ122)。そうでなければ、ステップ120で「NO」の判定を繰り返し実行する。
制御装置30は、ステップ122において、燃料ポンプ42の駆動を停止し改質用燃料の供給を停止し、改質用燃料バルブ43を閉じる。制御装置30は、改質水ポンプ53の駆動を停止し改質水の供給を停止し、改質水バルブ54を閉じる。制御装置30は、酸化用空気ポンプ62の駆動を停止し酸化用空気の供給を停止し、酸化用空気バルブ63を閉じる。制御装置30は、燃料ポンプ42の駆動を停止し燃焼用燃料の供給を停止し、燃焼用燃料バルブ45を閉じる。制御装置30は、燃焼用空気ポンプ65の駆動を停止し燃焼用空気の供給を停止し、燃焼用空気バルブ66を閉じる。そして、制御装置30は、アノードガスバルブ74、アノードオフガスバルブ75、バイパスバルブ76を閉じる。これにより、燃料電池10の発電が停止される。その後、プログラムをステップ124に進めて本プログラムを終了する。
さらに、上述した燃料電池システムの作動について図4および図5のタイムチャートを参照して説明する。図4は、上段でCOシフト部23の各場所P1〜P3の温度、中段でユーザー負荷(破線で示す)と制限値(一点破線で示す)、下段で発電量(実線)と制限値(中段と同一であり一点破線で示す)とで決定される発電量を示している。図5は、上段でCOシフト部23の各場所P1〜P3の温度、下段で水素利用率を示している。
図4および図5に示すように、時刻Tm0で起動が開始される。その後、時刻Tm1に、COシフト部23の第1場所P1の温度S1が所定温度S1a以上となると、発電が開始される。時刻Tm1から時刻Tm2まで(COシフト部23の第2場所P2の温度S2が所定温度S2a以上となるまで)の間、発電量の上限値はW1に制限される。したがって、図4に示すように、ユーザー負荷(破線で示す)がW1を超えても燃料電池10の発電はW1に維持される。このとき、水素利用率はUf1に制限される。これにより、燃料電池10から燃焼部25に導出されるアノードオフガスの熱量が大きく、COシフト部23を早期に暖機することが可能となる。
時刻Tm2に、COシフト部23の第2場所P2の温度S2が所定温度S2a以上となると、発電量の上限値がW1からW2に増大される。時刻Tm2から時刻Tm3まで(COシフト部23の第3場所P3の温度S3が所定温度S3a以上となるまで)の間、発電量の上限値はW2に制限される。したがって、図4に示すように、ユーザー負荷がW2を超えない場合にはユーザー負荷に追従して発電が行われ、ユーザー負荷がW2を超えると燃料電池10の発電はW2に維持される。このとき、水素利用率はUf1からUf2に増大されてUf2に制限される。これにより、燃料電池10から燃焼部25に導出されるアノードオフガスの熱量が大きく、COシフト部23を早期に暖機することが可能となる。
時刻Tm3に、COシフト部23の第3場所P3の温度S3が所定温度S3a以上となると、発電量の上限値がW2からW3に増大される。時刻Tm3以降(定常状態開始)においては、発電量の上限値はW3に制限される。したがって、図4に示すように、ユーザー負荷がW3を超えない場合にはユーザー負荷に追従して発電が行われ、ユーザー負荷がW3を超えると燃料電池10の発電はW3に維持される。このとき、水素利用率はUf2からUf3に増大されてUf3に制限される。なお、図4、5は、模式的にあらわした図であり、特にCOシフト部の温度の所定値以上になった後の温度は一定ではなく、所定値より高い温度範囲で変動している。
なお、上述したステップ106〜118の処理は発電制御手段であり、ステップ106,110の処理は第1制限設定手段であり、ステップ112,114(またはステップ116,118)の処理は第2制限設定手段である。
上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、発電開始手段(ステップ106,108)が、燃料電池システムの起動時に、COシフト部23の全触媒領域内のうちの所定範囲が所定温度以上となると、所定範囲以外の触媒領域が所定温度に達していない場合でも、燃料電池に燃料ガスを供給して発電を開始する。これにより、所定温度以上である(触媒の活性温度域である)触媒範囲で処理可能な量に、改質部21からCOシフト部23へのガス量ひいては改質部21への投入する改質用燃料量を制限することが可能となり、起動時にCOシフト部23で一酸化炭素を適切な濃度に確実に低減することができる。起動時とは、起動開始(時刻Tm0)から最大能力で発電を開始可能となるまで(時刻Tm3)のことをいい、最大能力より小さい発電の開始(時刻Tm1)を含んでいる。
また、COシフト部23の全触媒領域が活性温度域以上となって始めて発電を開始する場合と比べて、起動時間(起動開始から発電開始までの時間)、起動エネルギを低減することができる。このように、確実に一酸化炭素濃度を低減しつつ、起動時間・起動エネルギを低減することができる。
また、起動時の過渡的な状態においても、確実に一酸化炭素濃度を低減することができる。さらに、低濃度の一酸化炭素の供給で安定運転が可能であり、効率的な運転が可能である。
また、発電開始手段は、燃料電池10の定格運転より発電量の低い低発電量運転で燃料電池10の発電を開始するので、低発電量運転に相当する改質部21への燃料投入量を少なく抑制でき、ひいては改質部21からCOシフト部23へのガス量を少なく抑制できる。これにより、所定温度以上である触媒範囲も小さくてすむので、確実に一酸化炭素濃度を低減しつつ、起動時間・起動エネルギを低減することができる。また、特にユーザーによって低発電量運転が続く場合には、一酸化炭素濃度を低減するとともにエネルギー低減ができ、効率を向上することができる。
また、燃焼部25は燃料極11からのアノードオフガスが供給されそのアノードオフガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼しその燃焼ガスにより改質部21を加熱する。発電開始手段は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池10の発電を開始する。燃料電池10の燃料極11からの未使用ガス(アノードオフガス)を利用して改質部21を加熱する場合(例えばアノードオフガスを改質部を加熱する燃焼部で燃焼させる場合)、発電開始時には水素の利用量が少なくアノードオフガス中の水素が比較的多いので、その燃焼熱量が増大する。その増大した熱量により改質部21ひいてはCOシフト部23の暖機能力が増大する。この結果、COシフト部23の暖機時間を短縮することができる。また、起動時にCOシフト部23の暖機に余剰な熱量を使用可能なため、夏季など給湯の少ない場合にも発電・給湯のバランスが保たれ、エネルギー効率が低下しにくい。
また、発電制御手段が、燃料電池10が最小能力で発電可能となった時点(時刻Tm1)から最大能力で発電可能となった時点(時刻Tm3)までの間に、COシフト部23の全触媒領域内のうち入口から出口への燃料ガスの流れに沿って離れて位置する複数の場所P1〜P3の温度S1〜S3に基づいて設定される発電上限値を発電量の上限として燃料電池を発電させる。これにより、所定温度以上である(触媒の活性温度域である)触媒範囲を複数の場所の温度によって検知することができ、その検知した触媒範囲で処理可能な量に、改質部21からCOシフト部23へのガス量ひいては改質部21への投入する改質用燃料量を制限することが可能となり、起動時にCOシフト部23で一酸化炭素を適切な濃度に確実に低減することができる。
また、起動時などにおいて、温度外乱の影響がある場合も、確実に一酸化炭素濃度を低減することが可能である。
また、第1制限設定手段が、一酸化炭素シフト反応部23内の最も入口側の場所P1の温度S1が所定温度S1a以上になった場合には、発電上限値を第1上限値W1に設定し、第2制限設定手段が、最も入口側の場所より出口側に位置する場所P2(またはP3)の温度S2(またはS3)が所定温度S2a(またはS3a)以上になった場合には、発電上限値を第1上限値W1より大きい第2上限値W2(またはW3)に設定する。起動時において、COシフト部23の触媒が入口側から暖機されていくなかで、まず入口から所定範囲が所定温度以上になると、第1上限値を上限として発電出力を発電量電力に応じて制御し、さらに最も入口側の場所より出口側に位置する場所を含む範囲が所定温度以上になると、第1上限値より大きい第2上限値を上限として発電出力を発電量電力に応じて制御することができる。
また、一酸化炭素シフト反応部23内の最も入口側の第1場所P1の温度が第1温度センサ23cによって検出され、第1温度センサ23cは、第1場所P1の温度S1が所定温度S1a以上で、燃料電池の定格発電量より低い第1発電量である第1上限値W1に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。これにより、所定温度以上である触媒範囲を確実に検知することができ、その触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。
また、第1場所P1より出口側の第2場所P2の温度S2が第2温度センサ23dによって検出され、第2温度センサ23dは、第2場所P2の温度S2が所定温度S2a以上で、第1発電量W1より大きい第2発電量である第2上限値W2に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。これにより、所定温度以上である触媒範囲を確実に検知することができ、その触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。
また、第2場所P2より出口側の第3場所P3の温度S3が第3温度センサ23eによって検出され、第3温度センサ23eは、第3場所P3の温度S3が所定温度S3a以上で、第2発電量より大きい第3発電量である第3上限値W3に相当する量の燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下に低減できる触媒量の位置に配設されている。これにより、所定温度以上である触媒範囲を確実に検知することができ、その触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。
また、上述した実施の形態においては、複数の場所(本実施の形態では第1〜第3場所P1〜P3)の温度が、COシフト部23の入口側の温度から出口側の温度の順に所定温度以上に上がるにしたがって発電上限値を増大させる。これによれば、COシフト部23は、起動時に上流から順に昇温し、所定温度以上の領域が上流から下流に広がっていくなかで、所定温度に達した触媒範囲に応じた適切な発電量に確実に制限することができる。
なお、上述した実施の形態においては、発電開始手段は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池10の発電を開始するようにしたが、追い焚きシステムにて、発電開始手段は、燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入して燃料電池の発電を開始するようにしてもよい。これによれば、追い焚きシステムにおいて、発電開始時には燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するので、その燃焼熱量が増大する。その増大した熱量により改質部21ひいてはCOシフト部23の暖機能力が増大する。この結果、COシフト部23の暖機時間を短縮することができる。追加供給の規定は、定常状態において通常補おうとしている熱量に相当する追加供給量である。
また、発電開始手段は、燃料電池システムの定常状態の所定の発電量における水素利用率より低い低水素利用運転で燃料電池10の発電を開始するとともに、これと合わせて燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するようにしてもよい。これによれば、追い焚きシステムにおいて、発電開始時には燃焼用燃料を追加供給の規定より多く投入するだけでなく、水素を比較的多く含むアノードオフガスを投入するので、その燃焼熱量がより増大する。その増大した熱量により改質部ひいてはCOシフト部の暖機能力がより増大する。この結果、COシフト部の暖機時間をより短縮することができる。また、必要に応じて両方を適宜調整することも可能となる。
10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質装置、21…改質部、21c…温度センサ、22…冷却部(熱交換部)、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、23c,23d,23e…温度センサ、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、24b…温度センサ、25…燃焼部、26…蒸発部、26a…温度センサ、27…燃焼ガス流路、28…断熱部、30…制御装置(発電開始手段、発電制御手段、第1および第2制限設定手段)、41…改質用燃料供給管、42…燃料ポンプ、43…改質用燃料バルブ、44…燃焼用燃料供給管、45…燃焼用燃料バルブ、46…脱硫器、51…水蒸気供給管、52…給水管、53…改質水ポンプ、54…改質水バルブ、61…酸化用空気供給管、62…酸化用空気ポンプ、63…酸化用空気バルブ、64…燃焼用空気供給管、65…燃焼用空気ポンプ、66…燃焼用空気バルブ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71,77…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…アノードガスバルブ、75…アノードオフガスバルブ、76…バイパスバルブ、78…第3改質ガスバルブ、81,82…排気管、89…接続管。