JP5276018B2 - 燃料電池発電システム、及び燃料電池発電システムの運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、化石燃料等から水素含有ガスを生成する水素生成装置を備える燃料電池発電システム、及び燃料電池発電システムの運転方法に関する。
小型でも高効率発電が可能な燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電システムのキーコンポーネントとして開発が進められている。発電に必要な燃料となる水素ガスの供給システムは、一般的なインフラ（ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）として整備されていないので、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石燃料インフラから供給される原料を利用して水素含有ガスを生成させる水素生成装置が、燃料電池発電システムに併設される。
既存のインフラから供給される都市ガスやプロパンガスには、通常、ＣＨ3ＳＣＨ3や（ＣＨ3）3ＣＳＨ等の硫黄化合物に代表される付臭成分が、概ね数ｐｐｍ程度の体積濃度で添加されている。これは、インフララインの配管等からのガス漏れを検知するためである。しかし、これらの付臭成分として含まれる硫黄化合物は、水素生成装置で使用される触媒の被毒成分となる。従って、触媒の硫黄被毒の影響を抑えるためには、都市ガスやプロパンガスなどの原料を水素生成装置に供給する前に、原料から硫黄化合物を除去する必要がある。
特許文献１には、原料から硫黄化合物を除去することを目的として、ゼオライト系の吸着除去剤を用いた吸着除去部によって原料中の硫黄化合物を吸着除去させることが提案されている。
ゼオライト系の吸着除去剤を用いた吸着除去部では、硫黄化合物の吸着容量が小さいので、水素生成装置で用いられる触媒の硫黄被毒の影響を十分に抑えるためには、吸着除去部を一定期間毎に交換する必要がある。例えば本出願人による特許文献２には、燃料電池を用いた発電システム（燃料電池発電システム）に着脱可能な吸着除去部を適用することが記載されており、原料ガスの積算通過量に基づいて吸着除去部の交換時期を判定することが提案されている。また、特許文献３には、各家庭や施設に設置された複数の燃料電池発電システムをネットワーク化して、吸着除去部の交換時期を判定する方法が提案されている。
特開２００４−２２８０１６号公報 特開２００６−８４５９号公報 特開２００６−２７８１２０号公報
吸着除去剤を用いた吸着除去部に、プロパンガスや都市ガスなどの少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物及び付臭成分を含む原料（以下、単に「原料」ともいう）を通過させると、例えば、ゼオライト系の吸着除去剤は、原料中の硫黄成分（硫黄化合物を含む）以外に炭化水素成分も吸着する。特に、原料をほとんど通過させていない新しい吸着除去剤の炭化水素成分の吸着率は顕著に高い。ただし、吸着除去部に吸着された炭化水素成分が所定量（飽和吸着量）に達すると、吸着除去部は炭化水素成分をほとんど吸着しなくなるため、通過させる原料の積算流量（流通量）が多くなるにつれて、炭化水素成分の吸着率は低くなる。従って、新しい吸着除去部（吸着除去剤）を用いた直後の運転時の炭化水素成分の高い吸着率に応じて設定された燃料電池の発電電力の対する原料の目標流量を維持して燃料電池発電システムを運転すると、吸着除去部へ供給される原料の積算量の増加に伴い、燃料電池の発電電力に対して水素生成装置に供給される原料の流量が過剰になる。つまり、吸着除去部へ供給される原料の積算量の増加に伴い、燃料電池の発電電力に対して過剰な水素が供給され、エネルギーの無駄になるという問題がある。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、吸着除去部を備えた燃料電池発電システムにおいて、新しい吸着除去部を用いた場合でも、吸着除去部へ供給される原料の積算量の増加に伴い水素生成装置に供給される原料の流量が過剰になることが抑制される燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
本発明の燃料電池発電システムは、炭化水素成分および付臭成分を含む原料から生成される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池発電システムであって、前記原料の流量を制御する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料を通過させて、前記原料に含まれる前記付臭成分を吸着する吸着除去部と、前記吸着除去部を通過させた原料および前記水供給部から供給される水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスを燃料として用いて発電する燃料電池と、前記原料供給部から前記吸着除去部に供給される前記原料の積算流量の増加に伴って、前記燃料電池の発電電力に対して設定される、前記原料供給部より前記吸着除去部に供給される前記原料の流量を減少させる運転制御部とを備える。
ある好ましい実施形態において、前記原料の積算流量を計測する積算流量計測部をさらに備え、前記運転制御部は、前記積算流量計測部によって計測された前記原料の積算流量の増加に伴って、前記燃料電池の発電電力に対して設定される前記原料の流量を減少させる。
ある好ましい実施形態において、前記燃料電池の積算電力量を計測する積算電力量計測部をさらに備え、前記運転制御部は、前記積算電力量計測部によって計測された前記燃料電池の積算電力量の増加に伴い、前記燃料電池の発電電力に対して設定される前記原料の流量を減少させる。
ある好ましい実施形態において、前記運転制御部は、前記燃料電池の発電電力に対して設定された前記原料の流量を段階的に減少させる。
ある好ましい実施形態において、前記原料の流量の減少量は、前記吸着除去部の炭化水素成分に対する吸着特性に基づいて定められる。
前記吸着除去部は、ゼオライトを主成分とする吸着除去剤を有していてもよい。
本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、炭化水素成分および付臭成分を含む原料から生成される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池発電システムの運転方法であって、前記燃料電池発電システムは、前記原料の流量を制御する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料を通過させて、前記原料に含まれる前記付臭成分を吸着する吸着除去部と、前記吸着除去部を通過させた原料および前記水供給部から供給される水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記水素含有ガスを燃料として用いて発電する燃料電池とを備え、前記原料供給部から前記吸着除去部に供給される前記原料の積算流量の増加に伴い、前記燃料電池の発電電力に対して設定された、前記原料供給部から前記吸着除去部に供給される前記原料の流量を減少させる燃料電池発電システムの運転方法。
ある好ましい実施形態において、前記燃料電池発電システムの運転時間の経過に伴い、前記燃料電池の発電電力に対して設定された前記原料の流量を減少させる。
ある好ましい実施形態において、前記燃料電池の積算電力量の増加に伴い、前記燃料電池の発電電力に対して設定された前記原料の流量を減少させる。
ある好ましい実施形態において、前記燃料電池の発電電力に対して設定された前記原料の流量を段階的に減少させる。
ある好ましい実施形態において、前記原料の流量の減少量は、前記吸着除去部の炭化水素成分に対する吸着特性に基づいて定められる。
本発明によれば、原料をほとんど通過させていない新しい吸着除去部を用いた場合において、吸着除去部へ供給される原料の積算量の増加に伴い、水素生成装置に供給される原料の流量が過剰になることが抑制され、省エネルギー性が向上する。
新しい吸着除去部の入口側および出口側の流量比の変化を示す図である。 新しい吸着除去部を通過する前および通過した後の原料組成を示す図である。 本発明の燃料電池発電システムの構成図である。 本発明による原料流量の制御パターンの概略図である。 本発明の第１の実施形態における運転制御部による制御方法の一例を示す図である。
本発明者らは、吸着除去部の炭化水素成分の吸着特性の測定を行ったので、その方法および測定結果を説明する。
測定は、原料との接触のほとんどないゼオライト系の吸着脱硫剤が充填された新しい吸着除去部を用いて行った。吸着除去部における吸着脱硫剤の充填量は約４００ｇ（乾燥重量）とした。また、吸着除去部を通過させる原料として、大阪ガス（株）のガスインフラライン６から供給される都市ガス１３Ａを用いた。表１に、本測定で用いた大阪ガス（株）の１３Ａの組成（大阪ガス（株）提供のＭＳＤＳを参照）を示す。
Figure 0005276018
この吸着除去部を水素生成装置に設置し、吸着除去部を通過させた原料を水素生成装置の改質器に供給した。改質器において、原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成した。生成された水素含有ガスを燃料電池に供給して発電を行った。燃料電池の発電電力の目標値を１ｋＷに設定して（１ｋＷ発電時）、通常の１３Ａ流量となる４ＮＬ／ｍｉｎ（０℃、１気圧換算）で吸着除去部に上記原料を流通させた。このとき、吸着除去部を通過する前の原料の流量（入口側流量）と、吸着除去部を通過した後の原料の流量（出口側流量）とを測定し、入口側流量に対する出口側流量の比（以下、単に「流量比」という）を求めた。
測定結果を図１に示す。図１は、流通時間または原料の流通量（積算流量）に対する流量比の変化を示す図である。この結果からわかるように、吸着除去部を交換した直後のシステムの運転開始時では、吸着除去部で原料中の炭化水素成分の一部が吸着され、吸着除去部を通過した後の原料の流量（出口側流量）が通過する前の原料の流量（入口側流量）よりも減少するので、流量比（出口側流量／入口側流量）は１よりも小さくなる。水素生成装置では、吸着除去部を通過した後の原料および水が水蒸気改質部を含む改質器に供給され、ここで水素含有ガスが生成される。従って、流量比が１より小さいと、炭化水素成分が吸着されない場合（流量比＝1）と比べて、改質器で生成される水素含有ガス量が減少する。
また、図１に示すように、吸着除去部を流通させた原料の積算流量が増加すると流量比は徐々に１に近づく。これは、原料の積算流量の増加に伴って、原料中の炭化水素成分が吸着除去部で吸着される量が減少することを意味する。積算流量がさらに増加して所定の量に達すると、流量比は略１になる。これは、吸着除去部の炭化水素成分に対する吸着量が飽和したためと考えられる。本明細書では、炭化水素成分に対する吸着量を飽和させるために必要な積算流量を「吸着飽和流通量」とよぶ。この測定結果から、ここで用いた吸着除去部の吸着飽和流通量は例えば約７００Ｌであることがわかる。
続いて、上記測定で用いた吸着除去部と同様の吸着除去部を用い、吸着除去部を通過させた後の原料の定性および定量分析を行ったので、その方法および結果を説明する。
まず、吸着除去部を通過させる前の原料（脱硫前原料サンプル）Ｎ０に対する分析を行った。その後、吸着除去部に上記と同様の流量で原料を通過させ、吸着除去部を通過させた原料の積算流量が２４０Ｌ、４８０Ｌおよび７２０Ｌに達した時点で、それぞれ、吸着除去部を通過した後の原料（脱硫後原料サンプル）Ｎ１、Ｎ２およびＮ３の分析を行った。脱硫前原料サンプルＮ０および脱硫後原料サンプルＮ１〜Ｎ３に対する定量分析は、原料をサンプリングした後、ガスクロマトグラフィーを用いて行った。なお、これらの原料サンプルの成分の分析（定性分析）は、一般的に用いられる都市ガスの可燃性ガス成分分析と同様の方法で行ったので、その方法の説明は省略する。
分析結果を図２に示す。図２は、脱硫前原料サンプルＮ０および脱硫後原料サンプルＮ１〜Ｎ３に含まれる各炭化水素成分（メタン、エタン、プロパンおよびブタン）の相対濃度を示す図である。「相対濃度」は、各原料サンプルに含まれる各炭化水素成分の濃度の、脱硫前原料サンプルＮ０に含まれるその炭化水素成分の濃度に対する割合である。
図２に示す測定結果から、吸着除去部に原料を通過させ始めた直後に、都市ガスの主成分であるメタンの吸着は飽和するが、メタンよりも沸点の高いプロパンやブタンの吸着は、ある程度の量の原料を吸着除去部に流通させ、メタンの吸着が飽和した後に飽和に達することがわかる。
上述した２つの測定による結果（図１および図２）を比較したところ、以下のことが確認される。積算流量が２４０Ｌに達するまで原料を吸着除去部に通過させると、図１に示すように、ガス流通比は約０．９６（流通時間：６０ｍｉｎのデータ）となり、吸着除去部を通過させる前の原料の約４％が吸着される。一方、図２に示すように、積算流量が２４０Ｌに達した時には、原料中のプロパンおよびブタンのほぼ全量が吸着除去部で吸着される。なお、表１に示すように、プロパンおよびブタンの２つの成分量の和は、体積基準で４．３％である。よって、積算流量が２４０Ｌに達した時には、吸着除去部によって原料中のプロパンおよびブタンのほぼ全量が吸着され、その体積相当分だけ原料の流量が減少しており、図１および図２に示す測定結果と表１の成分表とが整合していることがわかる。
このように、新しい吸着除去部が水素生成装置に設置されると、水素生成装置の運転開始時には、吸着除去部で原料の炭化水素成分の一部が吸着されるので、吸着除去部を通過させた後の原料Ｎ１の流量は通過させる前の原料Ｎ０の流量よりも減少する。その後、さらに原料を吸着除去部に流通させていくと、沸点の低い炭化水素成分から順次飽和に達していくので、図１に示されるように吸着量が少なくなり、流量比は１に近づく。しかし、炭素数が２以上の成分（エタン、プロパン、ブタン）は、メタンよりも同一体積あたりの水素発生量が大きいので、これらの成分が吸着されると、吸着による体積減少率以上に水素含有ガス発生量が低下する。例えば、積算流量が２４０Ｌの時は、上記のように原料の体積は約４％減少するが、これを体積基準で発生可能な水素ガス量に換算すると約１０％の減少となる。従って、原料を吸着除去部を通過させる前の初期流量を基準として発電電力を設定して燃料電池で発電を行い、その設定のままで運転を継続すると、燃料電池で必要となる水素量が実際の水素ガス発生量よりも多くなってしまう。その結果、発電状態が不安定になることや、あるいは水素生成装置の燃焼部に供給される水素オフガス量が増加し、改質反応に必要以上の熱量を供給してしまうことがわかる。
本発明は、上述したような測定結果および検討結果を踏まえてなされたものである。本発明では、原料に含まれる炭化水素成分のうち吸着除去部で吸着される量を考慮して、外部から燃料電池発電システムに供給する原料の流量を、燃料電池の発電電力に対して必要な水素量が得られるように設定される。燃料電池の運転を開始した後、燃料電池の発電電力に対して設定された原料流量を、原料供給部から吸着除去部に供給される原料の積算流量の増加に伴い、減少させる。これにより、新しい吸着除去部を用いても、発電電力に応じて最適な量の水素含有ガスを改質器から燃料電池に確実に供給することが可能になる。
本発明による好ましい実施形態における燃料電池発電システムは、炭化水素成分を含む原料を用いて生成される水素含有ガスを燃料として発電を行うシステムである。上記原料には付臭成分も含まれており、この付臭成分を除去するために、吸着除去部を用いている。吸着除去部は、ゼオライトを主成分とする吸着脱硫剤を有することが好ましい。ゼオライト系の吸着脱硫剤を用いると、常温で脱硫でき、かつ、取り扱いが簡便となる。この燃料電池発電システムは、外部から供給される原料の流量を制御する原料供給部と、水を供給する水供給部と、原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、燃料電池とを備えている。本実施形態では、原料供給部から吸着除去部に供給される原料の積算流量の増加に伴い、燃料電池の発電電力に対して設定された流量を初期の設定流量から減少させる。上記原料の積算流量は、新しい吸着除去部に原料の供給を開始してから吸着除去部に供給される原料の積算量をいう。従って、システムの停止・再起動を繰り返しても、同じ吸着除去部を使用する限り、積算流量はリセットされず、加算される。
本実施形態の燃料電池発電システムでの、燃料電池の発電電力に対して設定される「原料流量」は、発電電力の目標値に応じて適宜設定される。例えば発電電力の目標値が１ｋＷのとき（単に「１ｋＷ発電時」ともいう）、１ｋＷの出力を得るために必要な原料流量（例えば４ＮＬ／ｍｉｎ）であり、水素生成装置で生成させる水素量と燃料電池の発電電力に基づいて設定される。
上記の燃料電池発電システムによると、新しい吸着除去部を用いて運転するとき、吸着脱硫部に原料の供給を開始してからの一定期間、すなわち吸着除去部が付臭成分以外に無視できない量の炭化水素成分を吸着する期間、原料供給部から吸着脱硫部への原料の供給を開始してからの原料の積算流量の増加に伴い、吸着除去部を通過させる原料流量を減少させる。例えば、最初の運転の開始時には、原料流量を発電電力に応じて予め設定された初期値に調整し、その後、上記原料の積算流量の増加に伴い発電電力に対して設定される原料流量を減少させる。このように燃料電池の発電電力に対する原料流量の目標値を減少させながら行う運転を、吸着除去部に供給される原料の積算流量が予め設定される量（所定の積算流量）に達するまで継続させる。吸着除去部に供給される原料の積算流量が所定の積算流量に達した後は、吸着除去部の炭化水素成分に対する吸着特性を考慮した原料流量の減少を行わなくてもよい。これにより、新しい吸着除去部を用いて行う初期の運転（運転開始初期）では、その吸着量に見合う分の原料を供給できるので、燃料電池の発電に必要な水素含有ガス量を確保できる。水素含有ガス量が余剰となり、原料の通過に伴い吸着量が減少する状況では、原料流量を減少させ、かつ、吸着量が飽和した後には原料流量の減少を停止することによって、適正な水素含有ガス量を燃料電池に供給できるので、エネルギーが有効利用される効率的な運転ができる。また、吸着除去部による炭化水素成分の吸着に起因し、スチームカーボン比が増加すること、水素含有ガスの生成量が低下することを抑制できるので、改質器を安定的に運転させることもできる。
上記の「所定の積算流量」は、炭化水素成分の吸着量を飽和させるために必要な原料の流通量（吸着飽和流通量）に基づいて設定されることが好ましい。吸着飽和流通量は、吸着除去部に含まれる吸着剤の種類や量によって変わるため、使用する吸着除去部の原料に含まれる炭化水素成分に対する吸着率を測定し、その結果から予め求めることができる。なお、炭化水素成分に対する吸着率は、前述した方法と同様の方法で、吸着除去部に対する原料の流通量と、吸着除去部の入口側流量に対する出口側流量の比（流量比）との関係を測定することによって求められる。具体的には、吸着率（％）＝（１−（原料の入口側流量／原料の出口側流量））×１００で算出される。そして、吸着除去部に供給された原料の積算流量に対する吸着率の変化が、吸着除去部の原料中の炭化水素成分に対する吸着特性として定義される。
なお、本実施の形態の燃料電池発電システムにおいては、上述のように原料供給部から吸着除去部に供給される原料の積算流量の増加に伴い、燃料電池の発電電力に対して設定された流量を初期の設定流量から減少させるとしたが、上記「原料の積算流量の増加」とは、原料積算流量そのものの増加を指す直接的な意味である場合と、原料積算流量と相関する（比例する）物理量（例えば、燃料電池発電システムの積算運転時間、燃料電池の積算発電量等）の増加を指す間接的な意味である場合の両方を含む。
具体的には、燃料電池発電システムの運転時間（積算運転時間）又は燃料電池の積算電力量を計測しながら運転を行い、計測値に基づいて燃料電池の発電電力に対して設定される原料流量を調整する運動制御部が設けられていてもよい。上記燃料電池発電システムの運転時間（積算運転時間）又は燃料電池の積算電力量についても、原料の積算流量の場合と同様に、システムの停止・再起動を繰り返しても、同じ吸着除去部を使用する限り、積算値はリセットされず、加算される。また、この場合、上記吸着特性は、燃料電池発電システムの運転時間に対する吸着率の変化、又は燃料電池の積算発電量に対する吸着率の変化として、それぞれ定義される。なお、運転時間、積算流量、又は積算電力量と原料流量の減少量（または減少させる割合）との関係は、使用する吸着除去部の炭化水素成分に対する吸着特性に基づいてテーブル化され、運転制御部に予め入力されていてもよい。
以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態をより具体的に説明する。
（第１の実施形態）
＜燃料電池発電システムの構成＞
燃料電池発電システム１００は、水素含有ガスを生成させる改質器１と、改質器１から供給された水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池８と、改質器１から燃料電池８へ水素ガスを供給する水素ガス供給経路１２と、燃料電池８で排出されるアノードオフガスを改質器１の燃焼部２に供給するオフガス経路１４と、燃焼ガス供給経路１５とを備えている。水素ガス供給経路１２には、改質器１から水素含有ガスの供給を封止する封止部９が設けられ、封止部９は改質器バイパス経路１１及び燃料電池バイパス経路１３に接続されている。また、複数の電磁弁を組み合わせた構成（詳細説明は省略する）により、水素ガス供給経路１２、改質器バイパス経路１１から供給されるガスの流通を切り替え機能も有する。燃料電池８は、酸素含有ガスとしての空気を供給する燃料電池空気ブロア１７と、燃料電池８の発電電力を検出する電力検出部２０を備えている。その他の構成については、一般的な固体高分子型の燃料電池と同様なので、詳細な説明を省略する。
改質器１には、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する吸着除去部５と、その吸着除去部５に供給される原料の流量（原料流量）を制御するための原料供給部４と、水を供給する水供給部３とが接続されている。
また、本実施形態における改質器１は、吸着除去部５を通過させた後の原料と水供給部３から供給される水（反応は水蒸気）とを用いて水素含有ガスを生成させる装置であり、原料と水蒸気との改質反応を進行させる、Ｒｕ系触媒を備えた水蒸気改質部と、水蒸気改質部で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒を備えた変成部と、変成部を通過した後の水素含有ガスに空気を供給する空気供給部１９と、空気供給部１９から供給される空気を用いて、変成部を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を主に酸化させて除去する、Ｒｕ系触媒を備えた選択酸化部とを有している。水蒸気改質部、変成部および選択酸化部の構成は、一般的な構成と同様なので、詳細な説明は省略する。
改質器１は、また、水蒸気改質部における改質反応に必要な反応熱を供給する、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させる燃焼部（例えばバーナー）２、燃焼部２の着火源となるイグナイター（詳細は図示せず）、燃焼部２の燃焼状態を検知するフレームロッド（詳細は図示せず）、および燃焼部２に燃料用空気を供給する燃焼ファン１８を有している。燃焼部２で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路１５によって燃焼部２に供給される。改質器１によって生成された水素含有ガスは、水素ガス供給経路１２を介して燃料電池８に供給される。
吸着除去部５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６を用い、そのガスインフラライン６に吸着除去部５が接続されている。吸着除去部５は、上流側および下流側に配置された接続部７に着脱可能な形状を有しており、一定期間の使用によって吸着除去部５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、新しい吸着除去部に交換される。本実施形態における吸着除去部５には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着するゼオライト系吸着除去剤が充填されている。
本実施形態における水供給部３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４は、吸着除去部５と改質器１とを接続する原料供給経路１０に配置され、改質器１に供給される原料の流量を制御することによって、ガスインフラライン６から吸着除去部５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４は、吸着除去部５に供給される原料の流量を制御できればよく、原料供給部４の下流側に配置されていてもよい。本実施形態では、原料供給部４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、吸着除去部５に供給される原料の流量を調節できる。
運転制御部１６は、改質器１の運転動作、燃料電池８の発電動作を制御する制御部であり、ここでは、原料供給部４から改質器１に供給される原料の供給量、水供給部３から改質器１に供給される水の供給量などの制御を行う。なお、運転制御部１６は、半導体メモリーやＣＰＵ等により、改質器１や燃料電池８の運転動作シーケンス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、水供給部３や原料供給部４等の運転に必要な構成に動作条件を指示することができる。また、燃料電池８の運転時間を演算する機能、原料供給部４の電流パルスや入力電力および運転時間等から原料積算流量を演算する機能（積算流量計測部の機能）、電力検出部２０で検出する燃料電池の発電電力および運転時間等から積算電力量を演算する機能を有する。
また、運転制御部１６には、改質器１に対する運転指示信号や吸着除去部５の交換信号等を入力するための入力部を備えていても良い。例えば、入力部はタッチパネルを備えており、メンテナンス業者やユーザーは、必要に応じて、タッチパネルから運転指示信号や交換信号を入力してもよい。また、吸着除去部５の交換信号を運転制御部１６に出力する交換信号出力部をさらに備えていてもよい。交換信号は、例えば改質器１のメンテナンス業者が入力部に入力した信号に基づいて出力されてもよい。または、吸着除去部５を保持する機構（例えば接続部７）などに吸着除去部５の交換を検知するための脱硫部交換検知部（接点スイッチやセンサなど）を設け、脱硫部交換検知部によって交換が検知されると、交換信号出力部で交換信号を生成し、運転制御部１６に出力することもできる。
〈通常時の燃料電池発電システムの動作〉
次に、改質器１の通常時の運転動作を説明する。
停止状態から燃料電池発電システム１００を起動させる場合、まず、改質器１のガス流路に設置されているバルブ等（詳細は図示せず）を適宜閉め、各ガス流路等からのガス漏れの有無をチェックする動作を行う。ガス漏れがない場合は、改質器１の起動を行う。運転制御部１６からの指令により、改質器１を通過させた原料を燃焼部２に供給し、燃焼部２で着火して加熱を開始する。
この時、水供給部３を動作させて改質器１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３からの水の供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数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（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。改質器１では、水蒸気改質部で水蒸気改質反応、変成部で変成反応、選択酸化部で一酸化炭素の選択酸化反応を進行させ、生成した水素含有ガスを、水素ガス供給経路１２を通して燃料電池８に供給する。なお、水素含有ガス中の一酸化炭素の濃度は、例えば、固体高分子型の燃料電池に水素含有ガスを供給する場合、一酸化炭素濃度を体積濃度（ドライガスベース）で約２０ｐｐｍ以下まで低減させる。また、運転制御部１６によって、原料供給部４の動作を制御して、燃料電池８の発電に必要な水素含有ガスの量に対して予め設定された流量で原料が吸着除去部５に供給されるように調整する。この時、燃料電池空気ブロア１７の動作も制御して、燃料電池８の発電に必要な空気も供給する。
一方、燃料電池発電システム１００の運転を停止させる場合には、改質器１への原料および水の供給を停止させ、燃料電池８への水素含有ガスの供給を停止する。同時に、改質器１の水蒸気改質部、変成部、選択酸化部の各触媒層の温度を低下させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させた後、改質器１に原料を供給し、改質器１のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する。この時、改質器１の内部から置換される水素含有ガスは、燃焼部２に通気して燃焼させる。
なお、燃焼部２で燃焼させる燃焼ガスには、ガスインフラライン６から供給される原料、改質器１で生成された水素含有ガス、燃料電池８に供給された水素含有ガスのうち、燃料電池８のアノードから排出される水素オフガスなどが用いられ得る。これらの燃焼ガスは、それぞれ、燃焼ガス経路１５によって燃焼部２に送られる。
〈新しい吸着除去部を用いる場合の燃料電池発電システムの動作〉
次に、原料をほとんど通過させていない新しい吸着除去部５を用いる場合の、燃料電池発電システム１００の運転方法を説明する。
本実施形態では、燃料電池８の発電電力に対して予め原料流量を設定し、燃料電池８の運転時間の経過に伴い、吸着除去部５を通過させる原料流量を減少させるように、運転制御部１６で原料供給部４の動作を制御する。具体的に説明すると、燃料電池８での水素含有ガス不足を回避するため、吸着除去部５で吸着される原料の量を考慮して、燃料電池８の発電電力に対して必要な原料流量を予め設定しておく。ただし、吸着除去部５を通過させる原料の総量の増加に伴い、吸着除去部５による炭化水素成分の吸着量が減少するので、当初予め設定した原料流量のままでは、改質器１で生成する水素含有ガス量が、燃料電池８の発電電力に対して過剰となり、エネルギーの利用効率が低下する。そこで、吸着除去部５による炭化水素成分の吸着量の減少に対応して、吸着除去部５を通過させる原料流量を減少させるように、運転制御部１６で原料供給部４の動作を制御する。これにより、吸着除去部５に供給される原料の累積量の増加に伴い、吸着除去部５による炭化水素成分の吸着量が減少しても、燃料電池８の発電電力に対して過剰な量の原料が改質器１に供給されることが抑制される。この結果、燃料電池発電システムの省エネルギー性を向上させることが可能になる。
燃料電池８の運転時間と、燃料電池８で消費する水素含有ガス量、すなわち吸着除去部５を通過させる原料の総量とは相関関係があるので、燃料電池８の運転時間の経過に伴い、吸着除去部５を通過させる原料流量を減少させてもよい。これにより、上記と同様の効果が得られる。
本実施形態では、新しい吸着除去部を用いて最初の運転を開始する時の、燃料電池８の発電電力に応じて設定される原料流量は、初期値として予め設定される。予め設定される値は、図１を参照しながら前述したような測定により吸着除去部５の炭化水素成分に対する吸着特性を求めた結果に基づいて、吸着除去部５で吸着されることによって減少する原料の量を補償するように決められることが好ましい。また、燃料電池８の運転時間の経過に伴って、吸着除去部５を通過させる原料流量を減少させるが、このときの減少量も、吸着除去部５の吸着特性に基づいて予め設定されてもよい。
以下に、本実施形態の燃料電池発電システム１００に適用する場合を例に具体的に説明する。
原料をほとんど通過させていない新しい吸着除去部５では、上述した測定結果より、１ｋＷ発電に必要な水素含有ガスを確保するために約２０％の原料流量を増加させる必要がある。このため、運転開始時の原料流量を４．８ＮＬ／ｍｉｎと設定する。ただし、運転開始後、運転時間の経過に伴って吸着除去部５による炭化水素成分の吸着量は減少するので、運転時間の経過に伴い原料流量を４．８ＮＬ／ｍｉｎから減少させる。例えば、運転開始から約２４０Ｌの原料を通過させた（積算流量：約２４０Ｌ）時点では、上述した測定結果より、１ｋＷ発電に必要な水素含有ガスを確保するために約１０％の原料流量を増加させればよく、上記の運転開始時の原料流量では多すぎる。そこで、運転開始時の原料流量から１０％減少させた流量である４．４ＮＬ／ｍｉｎとなるように制御する。原料流量を段階的に減少させる場合には、上記時点までの減少量の合計が１０％となればよい。
最終的には、図１に示されるように、所定量の原料を通過させることによって、吸着脱硫剤５に吸着される炭化水素成分の量は飽和に向かう。つまり、吸着除去部５の交換後、改質器１を運転して一定期間原料を吸着除去部５に流すと、吸着除去部５による炭化水素成分の吸着量は小さくなり、吸着除去部５を通過した後の原料の流量が安定化される。すなわち、吸着除去部５で原料中の炭化水素成分の吸着がほとんど生じない状態になった場合、燃料電池の発電電力の目標値を１ｋＷとすると、原料流量は通常時の原料流量、例えば４ＮＬ／ｍｉｎとなり、その後は、吸着除去部５を通過させる原料流量を減少させる運転は不要となる（新しい吸着除去部５を使用する以外の原料流量の増減要因を除く）。なお、上記の「通常時の原料流量」とは、吸着除去部５による炭化水素成分の吸着が飽和した後の燃料電池発電システムの発電運転において、発電電力の目標値に応じて設定された流量である。
なお、ここでは、積算流量が約２４０Ｌの時点での原料流量の設定例を説明したが、同様に、吸着除去部５の交換直後や、積算流量が約２４０Ｌと異なる時点における発電電力の目標値に対する原料流量の値も、吸着除去部５における原料の吸着量の測定結果から適宜設定できる。また、原料流量を減少させる割合は、例えば、目安とする原料の積算流量を数点設定しておき、それらの積算流量に達する毎に所定の割合で原料流量を減少させてもよい。あるいは、原料の積算流量および吸着除去部５における吸着量の関係を関数化して対応させてもよい。
本実施形態において、吸着除去部５に用いられるゼオライト系の吸着脱硫剤は、特に限定されないが、その種類によって原料中の炭化水素成分に対する吸着特性は変化する。従って、ゼオライト系の吸着脱硫剤の種類の異なる吸着除去部５を使用する際には、例えば上記と同様の方法でその吸着除去部５の炭化水素成分に対する吸着特性を予め測定しておき、得られた吸着特性に基づいて、原料流量を制御することが好ましい。このように、吸着除去部５の交換直後の改質器１の運転条件を、使用する吸着脱硫剤毎に設定すると、吸着脱硫剤による炭化水素成分の吸着量をより確実に補償できるので有利である。
なお、原料流量は、吸着除去部５で吸着される炭化水素成分を完全に補完する量であることが望ましいが、完全に補完する量が多少前後してもよい。水素含有ガスの生成量が設定値から多少ずれる場合でも、燃料電池８の運転が安定して行われる範囲内であればよく、そのような範囲内で原料流量を決めてもよい。
本実施形態では、システムの運転開始から一定期間、吸着除去部を通過させる原料流量が燃料電池の積算運転時間の増加にしたがって減少すればよい。積算運転時間を計測し、その計測値に基づいて原料流量を制御してもよい。あるいは、積算運転時間を計測する代わりに、積算運転時間と相関関係にある他のパラメータを計測してもよい。
例えば吸着除去部５を通過した原料の積算流量を計測し、その計測値に基づいて、吸着除去部を通過させる原料流量を減少させてもよい。吸着除去部５に供給される原料の積算流量は、乾式または湿式の積算流量計を含む積算流量計測部を設置して測定してもよい。この場合、運転制御部１６は、積算流量の計測を開始するように積算流量計測部の動作を制御し、計測された積算流量が予め設定された量に達すると、原料流量が通常時の原料流量となるように原料供給部４を制御することが好ましい。また、積算流量計測部は、原料流量および運転時間から積算流量を算出するように構成されていてもよい。原料流量は、流量計を用いて直接測定されてもよいし、原料供給部４の動作指示値（入力電力や入力周波数）から推測されてもよい。
また、積算電力量計測部で燃料電池８の積算電力量を計測し、積算電力量の計測値に基づいて、吸着除去部５を通過させる原料流量を減少させてもよい。例えば、電力検出部２０で燃料電池の発電電力を検出し、運転制御部により、その発電電力と運転時間とから積算流量を算出するように構成されていてもよい。
図４は、本実施形態の燃料電池発電システムにおける原料流量の制御パターンの一例を示すグラフであり、横軸はシステムの運転を開始してからの時間（運転時間）Ｔ、縦軸は原料流量を表している。図４に示す例Ａ１およびＡ２は、新しい吸着脱硫部を用いて、初めてシステムの運転を開始するときの原料流量の時間変化を示している。
図４に示すように、運転開始後、所定の発電電力（例えば３００Ｗ）が出力されるまでの期間（０≦Ｔ＜Ｔ0、以下「起動期間」と呼ぶ）は、改質器の温度上昇を調整するため、原料流量をａ1に抑えている。所定の発電電力が出力されると（Ｔ≧Ｔ0）、発電電力の目標値（例えば１ｋＷ）を得るために必要な流量ｂ1まで増加させている。流量ｂ1は、発電電力および吸着除去部の吸着特性に基づいて予め設定された値である。図示する例Ａ１では、運転時間Ｔが所定の時間ｔに達するまで、原料流量を流量ｂ1からｂ2へ直線的に減少させている。運転時間Ｔ＝ｔの時点の原料流量ｂ2は、上述した通常時の原料流量である。
なお、例Ａ１では、起動期間の原料流量および吸着除去部の炭化水素成分に対する吸着が飽和した後（運転時間Ｔ＝ｔに達した後）の原料流量はそれぞれ略一定の値ａ1、ｂ2であるが、実際には、出力変化などにより複雑な制御が行われるので略一定の値にならない場合がある。また、例Ａ１では、原料流量を直線的に減少させているが、例Ａ２のようにステップ的に原料流量ｂ２まで減少させてもよい。一方、吸着除去部の炭化水素成分に対する吸着が飽和した後に運転を行なう際には、例Ｂに示すように、原料流量は、起動期間では流量ａ2（ａ2＜ａ1）となり、所定の発電電力が出力された後（Ｔ≧Ｔ0）には流量ｂ２となるように制御される。
次に、運転制御部による制御方法を具体的に説明する。図５は、制御方法の一例を示すフローチャートである。この例では、原料供給部に指令を送って原料流量を制御することにより、発電電力の目標値に対する原料流量の比を調整している。
まず、新しい吸着脱硫部を設置してシステムの運転を開始する（ステップＳ１）。このとき、原料供給部に指令を送り、原料流量Ｍを予め設定された流量ｆにセットする（ステップＳ２）。続いて、例えば吸着脱硫部の上流側に配置された積算流量計測部をリセットして、吸着脱硫部に供給される原料の積算流量の計測を開始させる（ステップＳ３）。なお、ステップＳ３はステップＳ２よりも先に行われてもよいし、同時に行われてもよい。次いで、積算流量計測部で計測された積算流量の値を読み取る（ステップＳ４）。ここでは、例えば５分ごとにステップＳ４を実行し、その都度、ステップＳ４で読み取られた積算流量の値から、予め設定された流量ｆに対する原料流量の減少量の割合ｘを決定し（ステップＳ５）、原料供給部に指令を送って原料流量を減少させる（ステップＳ６）。このときの原料流量はｆ×（１−ｘ）となる。この後、再びステップＳ４を実行する。なお、上記割合ｘは、ステップＳ４で読み取られた積算流量の値が所定の積算流量（吸着飽和流通量に基づいて設定された値）に達した後には一定値となるように設定されている。
上記の制御方法では、所定のタイミングで積算流量の値を読み取り、その値に基づいて原料流量の減少量の割合を更新しているので、吸着脱硫部における炭化水素成分の吸着量が低下しても、最適な量の原料を改質器に供給できる。
本発明は、新しい吸着除去部を用いた場合において、吸着除去部へ供給される原料の積算量の増加に伴い、水素生成装置に供給される原料の流量が過剰になることが抑制され、省エネルギー性が向上するもので、家庭用燃料電池発電システム等として有用である。
１ 改質器
２ 燃焼部
３ 水供給部
４ 原料供給部
５ 吸着除去部
６ ガスインフラライン
７ 接続部
８ 燃料電池
９ ガス切り替え部
１０ 原料供給経路
１１ 改質器バイパス経路
１２ 水素ガス供給経路
１３ 燃料電池バイパス経路
１４ オフガス経路
１５ 燃焼ガス供給経路
１６ 運転制御部
１７ 燃料電池空気ブロア
１８ 燃焼ファン
１９ 空気供給部
２０ 電力検出部
１００ 燃料電池発電システム

Claims (11)

  1. 炭化水素成分および付臭成分を含む原料から生成される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池発電システムであって、
    前記原料の流量を制御する原料供給部と、
    水を供給する水供給部と、
    前記原料を通過させて、前記原料に含まれる前記付臭成分を吸着する吸着除去部と、
    前記吸着除去部を通過させた原料および前記水供給部から供給される水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記水素含有ガスを燃料として用いて発電する燃料電池と、
    前記原料供給部から前記吸着除去部に供給される前記原料の積算流量の増加に伴って、前記燃料電池の発電電力に対して設定される、前記原料供給部より前記吸着除去部に供給される前記原料の流量を減少させる運転制御部とを備える燃料電池発電システム。
  2. 前記原料の積算流量を計測する積算流量計測部をさらに備え、
    前記運転制御部は、前記積算流量計測部によって計測された前記原料の積算流量の増加に伴って、前記燃料電池の発電電力に対して設定される前記原料の流量を減少させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  3. 前記燃料電池の積算電力量を計測する積算電力量計測部をさらに備え、
    前記運転制御部は、前記積算電力量計測部によって計測された前記燃料電池の積算電力量の増加に伴い、前記燃料電池の発電電力に対して設定される前記原料の流量を減少させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  4. 前記運転制御部は、前記燃料電池の発電電力に対して設定された前記原料の流量を段階的に減少させる請求項２または３に記載の燃料電池発電システム。
  5. 前記原料の流量の減少量は、前記吸着除去部の炭化水素成分に対する吸着特性に基づいて定められる請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  6. 前記吸着除去部は、ゼオライトを主成分とする吸着除去剤を有する請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  7. 炭化水素成分および付臭成分を含む原料から生成される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池発電システムの運転方法であって、
    前記燃料電池発電システムは、
    前記原料の流量を制御する原料供給部と、
    水を供給する水供給部と、
    前記原料を通過させて、前記原料に含まれる前記付臭成分を吸着する吸着除去部と、
    前記吸着除去部を通過させた原料および前記水供給部から供給される水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記水素含有ガスを燃料として用いて発電する燃料電池と
    を備え、
    前記原料供給部から前記吸着除去部に供給される前記原料の積算流量の増加に伴い、前記燃料電池の発電電力に対して設定された、前記原料供給部から前記吸着除去部に供給される前記原料の流量を減少させる燃料電池発電システムの運転方法。
  8. 前記燃料電池発電システムの運転時間の経過に伴い、前記燃料電池の発電電力に対して設定された前記原料の流量を減少させる、請求項７記載の燃料電池発電システムの運転方法。
  9. 前記燃料電池の積算電力量の増加に伴い、前記燃料電池の発電電力に対して設定された前記原料の流量を減少させる、請求項７記載の燃料電池発電システムの運転方法。
  10. 前記燃料電池の発電電力に対して設定された前記原料の流量を段階的に減少させる請求項７から９のいずれかに記載の燃料電池発電システムの運転方法。
  11. 前記原料の流量の減少量は、前記吸着除去部の炭化水素成分に対する吸着特性に基づいて定められる請求項７から１０のいずれかに記載の燃料電池発電システムの運転方法。
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