JP6066580B2

JP6066580B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6066580B2
Application number: JP2012101448A
Authority: JP
Inventors: 卓若林
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: JP2013229228A

Description

本発明は、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、改質器で生成された燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、発電反応で用いられた後にアノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分と発電反応に用いられた後にカソードから排出される排出酸素ガスとを燃焼させ、その燃焼熱によって改質器を加熱する燃焼部と、燃料電池の出力電流を調節する出力調節手段と、改質器からアノードへの燃料ガスの供給量を調節する燃料ガス供給量調節手段と、出力調節手段及び燃料ガス供給量調節手段の動作を制御する運転制御手段とを備える燃料電池システムに関する。

特許文献１には、アノードに供給される燃料ガスの量に対する、アノードで発電反応に用いられる燃料ガスの量の比率である燃料利用率の目標値を出力電流の関数として定めている特性曲線に従って、出力調節手段の動作を制御して出力電流を調節し及び燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して改質器からアノードへの燃料ガスの供給量を調節するように構成されている燃料電池システムが記載されている。つまり、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の出力電流に応じて、燃料利用率を調節している。そして、燃焼部において、燃料電池の発電反応で消費されずに排出される排出燃料ガス中の燃料成分（Ｈ₂など）を燃焼させ、改質器の加熱に利用している。

このような燃料電池システムにおいて、燃焼部での燃焼が失火すると、改質器での熱量の不足や、燃焼排気ガス中の可燃性・毒性ガス（Ｈ₂、ＣＯ）の増加が生じるので、燃焼部での失火を極力避けることが望ましい。尚、排出燃料ガス中に含まれる燃料成分、即ち、燃料電池のアノードで発電反応に利用されなかった燃料成分は、燃料利用率が高くなるほど少なくなる。そのため、燃料利用率が高くなると、燃焼部に供給される燃料成分の絶対量の減少による発熱量（燃焼負荷）の低下、燃料成分の濃度減少により、安定した燃焼が行われ難くなる。そのため、定常状態では燃焼部において燃焼が維持できていたとしても、負荷変動などにより排出燃料ガス中の燃料成分の量が変化した場合、流速変化から火炎が不安定になりやすく、著しい場合には失火に至る。

尚、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料利用率が、低出力電流域では高出力電流域より低くなるようにすることで、発電反応に使用されなかった排出燃料ガス中の燃料成分の熱量が低出力電流域で増大し、燃焼部における燃料の熱量はほぼ一定に維持できるという効果を狙っている。

特開２０１０−９２８３６号公報

特許文献１に記載のように、燃料利用率が、低出力電流域では高出力電流域より低くなるようにしたとしても、出力電流を増大変化させようとすると、排出燃料ガス中の燃料成分の量、即ち、燃焼部に供給される燃料成分の量が変化して、それを原因とする失火が発生する可能性がある。
特に出力電流を増大変化させる際には、出力電流の増大と共に燃料ガスの生成量を増大させるが、増量された燃料ガスがアノードに到達する前に出力電流が増大される、即ち、アノードへ供給される燃料ガスの量が増大される前にアノードでの燃料ガスの消費量が増大されることになる。そのため、燃焼部での燃焼に用いることのできる燃料成分の量が減少するため、燃焼部での失火が相対的に発生し易くなる。この現象は、先に説明した燃料利用率を出力電流に関係して制御するとき、燃料利用率を出力電流に対して一意的に固定している場合に顕著となり易い。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼部での燃焼を安定して維持した状態で出力電流を増加変化させることのできる燃料電池システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分と発電反応に用いられた後に前記カソードから排出される排出酸素ガスとを燃焼させ、その燃焼熱によって前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃料電池の出力電流を調節する出力調節手段と、前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を調節する燃料ガス供給量調節手段と、前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御する運転制御手段とを備え、
前記運転制御手段は、前記アノードに供給される前記燃料ガスの量に対する、前記アノードで発電反応に用いられる前記燃料ガスの量の比率である燃料利用率の目標値を前記出力電流の関数として定めている特性曲線に従って、前記出力調節手段の動作を制御して前記出力電流を調節し及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を調節するように構成されている燃料電池システムであって、
前記出力電流を所定の目標電流に向けて増大変化させるとき、前記出力電流を維持させたまま、前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を増加させて前記特性曲線で定められている増大開始時の前記燃料利用率の目標値よりも前記燃料利用率を低下させた後で、前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記出力電流及び前記燃料利用率を前記目標電流及び前記特性曲線に従って当該目標電流の関数で定められる増大完了時の前記燃料利用率の目標値に向けて変化させる過渡時運転を行い、
前記運転制御手段は、前記出力電流を前記燃焼部での前記排出燃料ガスと前記排出酸素ガスとの燃焼が不安定になる電流範囲を通って増大変化させるときに前記過渡時運転を行う点にある。

上記特徴構成によれば、出力電流を所定の目標電流に向けて増大変化させるとき、出力電流を維持させたまま、燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して改質器からアノードへの燃料ガスの供給量を増加させて特性曲線で定められている増大開始時の燃料利用率の目標値よりも燃料利用率を低下させることで、アノードで発電反応に用いられずに排出される排出燃料ガス中の燃料成分の量が増大する。つまり、燃焼部での燃焼量が増大することで、燃焼を安定させることができる。そして、そのように燃焼が安定された状態で出力電流及び燃料利用率が変化される。
従って、燃焼部での燃焼を安定して維持した状態で出力電流を増加変化させることのできる燃料電池システムを提供できる。
また上記特徴構成によれば、例えば、燃料電池毎に燃焼が不安定になる電流範囲が分かっているのであれば、その電流範囲を通って出力電流を増大変化させるときに上記過渡時運転を行うと、燃焼部での燃焼をより安定させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記運転制御手段は、
前記出力電流を前記所定の目標電流に向けて増大変化させるとき、
増大開始時に、前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を増加させて、前記燃料利用率を、前記燃料利用率の目標値を前記出力電流の関数として定めている、前記特性曲線とは別で且つ前記特性曲線よりも低燃料利用率側にある過渡時特性曲線で定められている前記燃料利用率の過渡時目標値に低下させ、
引き続いて、
前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して、前記出力電流及び前記燃料利用率を、前記過渡時特性曲線で定められている値に従って変化させ、
前記出力電流が前記目標電流に到達すると、前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を減少させて、前記燃料利用率を、前記特性曲線で定められている前記燃料利用率の目標値に上昇させて、増大変化を完了する前記過渡時運転を行う点にある。

上記特徴構成によれば、出力電流を所定の目標電流に向けて増大変化させるとき、増大開始時に、燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して改質器からアノードへの燃料ガスの供給量を増加させて、燃料利用率を、燃料利用率の目標値を出力電流の関数として定めている、特性曲線とは別で且つ特性曲線よりも低燃料利用率側にある過渡時特性曲線で定められている燃料利用率の過渡時目標値に低下させことで、アノードで発電反応に用いられずに排出される排出燃料ガス中の燃料成分の量が増大する。つまり、燃焼部での燃焼量が増大することで、燃焼を安定させることができる。
更に、そのような燃焼が安定した状態で、燃料利用率が、目標電流に対して過渡時特性曲線で定められている燃料利用率の過渡時目標値となるように、出力電流及び燃料利用率を共に変化させる。つまり、燃焼が安定した状態を維持しながら、出力電流を目標電流に到達させることができる。
また更に、出力電流が目標電流に到達した後、改質器からアノードへの燃料ガスの供給量を減少させて、燃料利用率を、特性曲線で定められている燃料利用率の目標値に上昇させて、一連の出力電流増大変化を完了することで、安定した燃焼が維持できる程度まで排出燃料ガス中の燃料成分の量を減らすことができ、それだけ発電効率を向上させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分と発電反応に用いられた後に前記カソードから排出される排出酸素ガスとを燃焼させ、その燃焼熱によって前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃料電池の出力電流を調節する出力調節手段と、前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を調節する燃料ガス供給量調節手段と、前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御する運転制御手段とを備え、
前記運転制御手段は、前記アノードに供給される前記燃料ガスの量に対する、前記アノードで発電反応に用いられる前記燃料ガスの量の比率である燃料利用率の目標値を前記出力電流の関数として定めている特性曲線に従って、前記出力調節手段の動作を制御して前記出力電流を調節し及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を調節するように構成されている燃料電池システムであって、
前記特性曲線として、
前記出力電流を増大変化させる場合に適用する増大変化時特性曲線と、
前記出力電流を増大変化させる以外の場合に適用する通常変化時特性曲線とを備え、
同一出力電流に対応する、前記増大変化時特性曲線上の燃料利用率が、前記通常変化時
特性曲線上の燃料利用率より小さく設定されており、
前記増大変化時特性曲線は、前記出力電流を前記燃焼部での前記排出燃料ガスと前記排出酸素ガスとの燃焼が不安定になる電流範囲で増大変化させる場合に適用され、
前記出力電流を所定の目標電流に向けて増大変化させるとき、前記出力電流を維持させたまま、前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を増加させて、前記燃料利用率を前記増大変化時特性曲線で定められている前記燃料利用率の目標値に低下させた後で、前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して、前記出力電流及び前記燃料利用率を前記増大変化時特性曲線に従って前記所定の目標電流に向けて変化させる点にある。

上記特徴構成によれば、同一出力電流に対応する、増大変化時特性曲線上の燃料利用率が、通常変化時特性曲線上の燃料利用率より小さく設定されている、即ち、排出燃料ガス中の燃料成分の量が相対的に増大するように設定されているので、増大変化時特性曲線を適用すると、燃焼部での燃焼は安定するようになる。その結果、出力電流を増大変化させる場合に増大変化時特性曲線を適用することで、燃焼部での燃焼を安定させた状態で出力電流を増大させることができる。また、出力電流を増大変化させる以外の場合に通常変化時特性曲線を適用することで、アノードに供給する燃料ガスの量を相対的に減らすことができ、それだけ発電効率を向上させることができる。
また上記特徴構成によれば、例えば、燃料電池毎に燃焼が不安定になる電流範囲が分かっているのであれば、その電流範囲を通って出力電流を増大変化させるときに上記増大変化時特性曲線を適用すると、燃焼部での燃焼をより安定させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記増大変化時特性曲線は、前記出力電流を前記燃焼部での前記排出燃料ガスと前記排出酸素ガスとの燃焼が不安定になる電流範囲で増大変化させる場合に適用される点にある。

上記特徴構成によれば、例えば、燃料電池毎に燃焼が不安定になる電流範囲が分かっているのであれば、その電流範囲を通って出力電流を増大変化させるときに上記増大変化時特性曲線を適用すると、燃焼部での燃焼をより安定させることができる。

燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池の出力電流と燃料利用率との設定関係を示す特性曲線のグラフである。

図１は、燃料電池システムの構成を示す図である。本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質して水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３で生成された燃料ガスが供給されるアノード２４、及び、酸素ガスが供給されるカソード２５を有する燃料電池２１と、発電反応で用いられた後にアノード２４から排出される排出燃料ガス中の燃料成分と発電反応に用いられた後にカソード２５から排出される排出酸素ガスとをそれらの混合状態で燃焼させ、その燃焼熱によって改質器３を加熱する燃焼部２２とを備える。本実施形態では、これら改質器３と燃料電池２１と燃焼部２２とは装置筐体１の内部に収容されている。更に、装置筐体１の内部には、蒸発器２も収容されている。

燃料電池２１は、改質器３で生成された水素ガスを主成分とする燃料ガスが供給されるアノード２４と酸素ガス（空気）が供給されるカソード２５とを備えた固体酸化物形のセル２６を複数個電気的に直列接続した状態で備えたセルスタックにて構成されている。図示は省略するが、セル２６は、アノード２４とカソード２５との間に固体電解質層を備えた固体酸化物形に構成される。アノード２４には燃料ガスが通流するように構成され、カソード２５には空気が通流するように構成される。燃料電池２１は、複数のセル２６がアノード２４の燃料ガス排出口２４ｅ及びカソード２５の空気排出口２５ｅが上向きになる姿勢で横方向に並ぶ状態で、装置筐体１の内部に設置されている。尚、セル２６の形状や構造は図１に例示したものに限定されない。

燃料電池２１には、改質器３から燃料ガス供給路２３を通して供給される燃料ガスを受け入れるガスマニホールド２７が設けられる。複数のセル２６は、ガスマニホールド２７の上方側に上述のように並ぶ状態で配置され、ガスマニホールド２７と複数のセル２６におけるアノード２４の下端のガス導入口（図示せず）とが連通接続されている。そして、ガスマニホールド２７に供給された燃料ガスが、複数のセル２６夫々のアノード２４に対して下端のガス導入口から供給され、各アノード２４に対して下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の燃料ガスは、上端の燃料ガス排出口２４ｅから排出燃料ガスとして排出される。

装置筐体１には、空気導入口２８が設けられ、その空気導入口２８には空気供給路２９が接続される。ブロア３０の作動により、空気が空気供給路２９を通して装置筐体１内に供給される。複数のセル２６夫々におけるカソード２５の下端部近傍には、装置筐体１内とカソード２５とを連通する空気供給孔（図示せず）が設けられている。複数のセル２６夫々のカソード２５には装置筐体１内の空気がこの空気供給孔を通して供給され、各カソード２５に対して下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供された後の空気は、上端の空気排出口２５ｅから排出酸素ガスとして排出される。

燃料電池２１の上方には、各セル２６のアノード２４の燃料ガス排出口２４ｅから排出される排出燃料ガスとカソード２５の空気排出口２５ｅから排出される排出酸素ガスとを燃焼させる燃焼空間が形成される。つまり、燃料電池２１により、燃焼部２２が実現される。加えて、後述するように、一体で構成された蒸発器２と改質器３とが、燃焼部２２として機能する燃料電池２１の上方の燃焼空間に隣接して設けられている。

装置筐体１には、燃焼部２２にて発生した燃焼排ガスを外部に排出させる排出部３１が下面部等に形成されている。そして、装置筐体１内には、排出部３１から外部に排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素ガスを除去する燃焼触媒部３２（例えば、白金系触媒）が設けられている。

本実施形態において、燃料電池２１のアノード２４に供給される燃料ガスを生成する燃料改質装置Ｒは、改質器３と、蒸発器２と、燃料電池２１により実現される燃焼部２２とで構成される。
燃焼部２２は、可燃性ガスを燃焼して燃焼熱を発生させる。具体的には、上述したように、燃焼部２２は、各セル２６のアノード２４の燃料ガス排出口２４ｅから排出される排出燃料ガス中の燃料成分（主に水素ガス）とカソード２５の空気排出口２５ｅから排出される排出酸素ガスとを燃焼させて燃焼熱を発生させる。

蒸発器２の内部空間には、原燃料ガスが供給される原燃料ガス供給管７と、改質水が供給される改質水供給管６とが、蒸発器２の外部から引き込まれる。そして、蒸発器２の内部に、原燃料ガス及び改質水が供給される。蒸発器２に対する原燃料ガスの供給量は、原燃料ガス供給管７の途中に設けられる原燃料流量調節弁４によって調節可能である。蒸発器２に対する改質水の供給量は、改質水供給管６の途中に設けられる改質水ポンプ９によって調節可能である。

そして、蒸発器２は、供給される改質水を、燃焼部２２から伝えられる燃焼熱を用いて加熱して蒸発させる。更に、蒸発器２では、改質水の蒸発によって生成された水蒸気と、原燃料ガスとが混合される。
改質器３は、供給される原燃料ガスを蒸発器２にて生成された水蒸気を用いて改質処理する。具体的には、改質器３の内部には改質触媒が充填されており、この改質触媒の触媒作用によって原燃料ガスが改質処理される。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池２１の出力電流を調節する出力調節手段Ｌと、改質器３からアノード２４への燃料ガスの供給量を調節する燃料ガス供給量調節手段Ｆと、出力調節手段Ｌ及び燃料ガス供給量調節手段Ｆの動作を制御する運転制御手段Ｃとを備える。燃料ガス供給量調節手段Ｆは、上述した原燃料流量調節弁４及び改質水ポンプ９によって実現できる。つまり、改質器３に供給される原燃料ガスの量及び水蒸気の量を調節することで、改質器３での燃料ガスの生成量、即ち、改質器３からアノード２４への燃料ガスの供給量が調節される。燃料電池２１の出力電流を調節する出力調節手段Ｌは、例えばインバータ装置などの電力変換装置である。そして、この出力調節手段Ｌを介して、燃料電池２１の発電電力が様々な電力消費装置に供給される。

運転制御手段Ｃは、燃料電池２１が出力すべき電流（出力電流）を決定し、その出力電流を出力調節手段Ｌに伝達する。そして、出力調節手段Ｌが、燃料電池２１の出力電流を調節することで、燃料電池２１ではその出力電流に応じた発電反応（即ち、出力電流に応じた燃料ガスの消費）が行われることとなる。尚、燃料電池２１の出力電流が所望の値になるためには、燃料電池２１のアノード２４に対して適切な量の燃料ガスが供給されていること及びカソード２５に対して適切な量の酸素ガスが供給されていることが必要である。そのため、運転制御手段Ｃは、原燃料流量調節弁４及び改質水ポンプ９の動作を制御して改質器３へ供給される原燃料の量及び水蒸気の量を調節することで、改質器３で生成される燃料ガスの量、即ち、改質器３から燃料電池２１のアノード２４に供給される燃料ガスの量を調節する。また、運転制御手段Ｃは、ブロア３０の動作を制御して、燃料電池２１のカソード２５に供給される酸素ガスの量を調節する。

図２は、燃料電池の出力電流と燃料利用率との設定関係を示す特性曲線のグラフである。この燃料利用率は、アノード２４に供給される燃料ガスの量（即ち、改質器３で生成される燃料ガスの量に相当）に対する、アノード２４で発電反応に用いられる燃料ガスの量の比率である。そして、運転制御手段Ｃは、燃料利用率の目標値を出力電流の関数として定めている図２の特性曲線に従って、出力調節手段Ｌの動作を制御して出力電流を調節し及び燃料ガス供給量調節手段Ｆの動作を制御して改質器３からアノード２４への燃料ガスの供給量を調節するように構成されている。

図２の特性曲線では、出力電流Ｉが決まると、その出力電流Ｉを燃料電池２１で発生させるのに要する燃料ガスの量が決まる。つまり、燃料電池２１のアノード２４で発電反応に用いられる燃料ガスの量が決まる。また、出力電流Ｉが決まると、そのときの燃料利用率Ｕｆ（Ｉ）が決まる。その結果、燃料電池２１のアノード２４で発電反応に用いられる燃料ガスの量と、燃料利用率とから、燃料電池２１のアノード２４で発電反応に用いられずに排出される排出燃料ガス中の燃料成分の量も導出できる。従って、出力電流Ｉに対して、図２の特性曲線で決定される燃料利用率Ｕｆ（Ｉ）を満たすための、燃料電池２１のアノード２４に供給する必要がある燃料ガスの量（発電反応に用いられる燃料ガスの量、及び、発電反応に用いられずに排出される排出燃料ガス中の燃料成分の量）が導出される。そして、その燃料電池２１のアノード２４に供給する必要がある燃料ガスの量は、改質器３で生成するべき燃料ガスの量であるので、その燃料ガスを生成するために必要な原燃料ガスの量及び水蒸気の量を導出できる。その結果、運転制御手段Ｃは、燃料ガス供給量調節手段Ｆとしての原燃料流量調節弁４及び改質水ポンプ９に対して、改質器３へ供給する原燃料ガスの量及び水蒸気の量を調節するように指令する。

〔過渡時運転〕
次に、運転制御手段Ｃが燃料電池２１の出力電流を増大変化させるときに行う過渡時運転について説明する。図２には、燃料電池２１の出力電流を、増大開始時の出力電流Ｉ１から、所定の目標電流Ｉ２に増大変化させる場合を例示する。

運転制御手段Ｃは、現在の出力電流Ｉ１を所定の目標電流Ｉ２に向けて増大変化させるとき、燃料ガス供給量調節手段Ｆの動作を制御して改質器３からアノード２４への燃料ガスの供給量を増加させて特性曲線Ｕｆａ（Ｉ）で定められている増大開始時（現在）の燃料利用率の目標値：Ｕｆａ（Ｉ１）よりも燃料利用率を低下させた後で、出力調節手段Ｌ及び燃料ガス供給量調節手段Ｆの動作を制御して、出力電流及び燃料利用率を、目標電流Ｉ２及び特性曲線Ｕｆａ（Ｉ）に従ってその目標電流Ｉ２の関数で定められる増大完了時の燃料利用率の目標値Ｕｆａ（Ｉ２）に向けて変化させる過渡時運転を行う。

具体的には、図２の点Ａは増大開始時の出力電流及び燃料利用率（出力電流，燃料利用率）を示し、それぞれの値は（Ｉ１，Ｕｆａ（Ｉ１））である。運転制御手段Ｃは、この出力電流Ｉ１を目標電流Ｉ２に増大変化させようとするとき、先ず、点Ａよりも燃料利用率を低下させる。図２に示す例では、出力電流はＩ１を維持させたまま、燃料利用率のみをＵｆｂ（Ｉ１）に低下させる。ここで、出力電流を維持したままで燃料利用率を低下させるためには、燃料電池２１のアノード２４へ供給する燃料ガスの量を増大させればよい。そして、燃料利用率のみを低下させた結果、出力電流及び燃料利用率は点Ｂ（Ｉ１，Ｕｆｂ（Ｉ１））の状態になる。

図２に示すように、本実施形態では、実線で示す特性曲線Ｕｆａ（Ｉ）とは別で且つ特性曲線Ｕｆａ（Ｉ）よりも低燃料利用率側にある過渡時特性曲線Ｕｆｂ（Ｉ）（図２中では細線で示す）を利用している。この過渡時特性曲線Ｕｆｂ（Ｉ）も、燃料利用率の目標値を出力電流の関数として定めている。そして、点Ｂ（Ｉ１，Ｕｆｂ（Ｉ１））は、この過渡時特性曲線Ｕｆｂ（Ｉ）上の点である。つまり、運転制御手段Ｃは、増大開始時に、燃料ガス供給量調節手段Ｆの動作を制御して改質器３での燃料ガスの生成量を増加させて、燃料利用率を過渡時特性曲線Ｕｆｂ（Ｉ）で定められている燃料利用率の過渡時目標値Ｕｆｂ（Ｉ１）に低下させている。

引き続いて、運転制御手段Ｃは、点Ｂの状態から出力電流が目標電流Ｉ２に到達するまで、出力調節手段Ｌ及び燃料ガス供給量調節手段Ｆの動作を制御して、出力電流及び燃料利用率を、過渡時特性曲線Ｕｆｂ（Ｉ）で定められている値に従って変化させる。その結果、出力電流はＩ２になり、燃料利用率はＵｆｂ（Ｉ２）になる。つまり、このときの出力電流及び燃料利用率は点Ｃ（Ｉ２，Ｕｆｂ（Ｉ２））の状態になる。

そして、運転制御手段Ｃは、出力電流が目標電流Ｉ２に到達すると、改質器３からアノード２４への燃料ガスの供給量を減少させて、燃料利用率を、特性曲線Ｕｆａ（Ｉ）で定められている燃料利用率の目標値Ｕｆａ（Ｉ２）に上昇させる。その結果、出力電流をＩ１からＩ２へと増大変化させる過渡時運転が完了する。

このように、本実施形態では、特性曲線として、出力電流を増大変化させる場合に適用する増大変化時特性曲線（上述した「過渡時特性曲線」）Ｕｆｂ（Ｉ）と、出力電流を増大変化させる以外の場合（即ち、出力電流を一定に保つ或いは低下させる場合）に適用する通常変化時特性曲線（上述した「特性曲線」）Ｕｆａ（Ｉ）とを備える。特に、同一出力電流に対応する、増大変化時特性曲線Ｕｆｂ（Ｉ）上の燃料利用率は、通常変化時特性曲線Ｕｆａ（Ｉ）上の燃料利用率より小さく設定されている。

以上のように、出力電流を所定の目標電流に向けて増大変化させるとき、増大開始時に、燃料ガス供給量調節手段Ｆの動作を制御して改質器３からアノード２４への燃料ガスの供給量を増加させて、増大開始時の燃料利用率Ｕｆａ（Ｉ１）を、特性曲線Ｕｆａ（Ｉ）とは別で且つ特性曲線Ｕｆａ（Ｉ）よりも低燃料利用率側にある過渡時特性曲線Ｕｆｂ（Ｉ）で定められている燃料利用率の過渡時目標値Ｕｆｂ（Ｉ１）に低下させことで、アノード２４で発電反応に用いられずに排出される排出燃料ガス中の燃料成分の量が増大する。つまり、燃焼部２２での燃焼量が増大することで、燃焼を安定させることができる。
更に、そのような燃焼が安定した状態で、目標電流Ｉ２に対して過渡時特性曲線Ｕｆｂ（Ｉ）で定められている燃料利用率の過渡時目標値Ｕｆｂ（Ｉ２）となるように、出力電流及び燃料利用率を共に変化させる。つまり、燃焼が安定した状態を維持しながら、出力電流を目標電流に到達させることができる。
また更に、出力電流が目標電流Ｉ２に到達した後、改質器３からアノード２４への燃料ガスの供給量を減少させて、燃料利用率を、特性曲線Ｕｆａ（Ｉ）で定められている燃料利用率の目標値Ｕｆａ（Ｉ２）に上昇させて増大変化を完了することで、安定した燃焼が維持できる程度まで排出燃料ガス中の燃料成分の量を減らすことができ、それだけ発電効率を向上させることができる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、燃料電池システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。例えば、原燃料ガス供給管７の途中に、原燃料ガス（例えば、都市ガス等）に含まれる硫黄化合物を取り除くための脱硫器等を設けてもよい。
また、燃料電池２１及び燃料改質装置Ｒが装置筐体１の内部に収容し、その装置筐体１の内部にガスや水などを取り込む構成について図示したが、それらの構成は例示目的で記載したものであり適宜変更可能である。

＜２＞
上記実施形態では、点Ａ（Ｉ１，Ｕｆａ（Ｉ１））から点Ｄ（Ｉ２，Ｕｆａ（Ｉ２））へ出力電流及び燃料利用率を変化させるとき、点Ａ→点Ｂ→点Ｃ→点Ｄという手順で出力電流及び燃料利用率を変化させる例を説明したが、他の手順で点Ａから点Ｄへと出力電流及び燃料利用率を変化させてもよい。例えば、点Ａ→点Ｂ→点Ｄという手順で出力電流及び燃料利用率を変化させてもよい。但し、点Ｂから点Ｄへの変化において、Ｕｆａ（Ｉ）を超えないことを条件とする。
また、上記実施形態では、出力電流Ｉ１を所定の目標電流Ｉ２に向けて増大変化させるとき、先ず、出力電流Ｉ１は変更させず、且つ、燃料利用率のみを増大開始時の燃料利用率の目標値Ｕｆａ（Ｉ１）よりも低下させてＵｆｂ（Ｉ１）に変更させる例を説明したが、このとき、燃料利用率を低下させると共に出力電流を変化させるような改変も可能である。

＜３＞
上記実施形態において、出力電流を増大変化させるときに燃焼部での燃焼状態が不安定になるような出力電流の範囲が例えば実験的に分かっているのであれば、そのような出力電流の範囲（図２に示す例では、出力電流Ｉ１〜Ｉ２までの特定の出力電流範囲）を通って出力電流を増大変化させるときに上述した過渡時運転を行ってもよい。つまり、運転制御手段Ｃが、出力電流を燃焼部２２での排出燃料ガスと排出酸素ガスとの燃焼が不安定になる電流範囲を通って増大変化させるときに過渡時運転を行うように（即ち、増大変化時特性曲線Ｕｆｂ（Ｉ）が、出力電流を燃焼部２２での排出燃料ガスと排出酸素ガスとの燃焼が不安定になる電流範囲で増大変化させる場合に適用されるように）構成してもよい。

本発明は、燃焼部での燃焼を安定して維持した状態で出力電流を増加変化させることのできる燃料電池システムに利用できる。

３改質器
４原燃料流量調節弁（燃料ガス供給量調節手段Ｆ）
９改質水ポンプ（燃料ガス供給量調節手段Ｆ）
２１燃料電池
２２燃焼部
２４アノード
２５カソード
Ｃ運転制御手段
Ｌ出力調節手段

Claims

原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分と発電反応に用いられた後に前記カソードから排出される排出酸素ガスとを燃焼させ、その燃焼熱によって前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃料電池の出力電流を調節する出力調節手段と、前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を調節する燃料ガス供給量調節手段と、前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御する運転制御手段とを備え、
前記運転制御手段は、前記アノードに供給される前記燃料ガスの量に対する、前記アノードで発電反応に用いられる前記燃料ガスの量の比率である燃料利用率の目標値を前記出力電流の関数として定めている特性曲線に従って、前記出力調節手段の動作を制御して前記出力電流を調節し及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を調節するように構成されている燃料電池システムであって、
前記出力電流を所定の目標電流に向けて増大変化させるとき、前記出力電流を維持させたまま、前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を増加させて前記特性曲線で定められている増大開始時の前記燃料利用率の目標値よりも前記燃料利用率を低下させた後で、前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記出力電流及び前記燃料利用率を前記目標電流及び前記特性曲線に従って当該目標電流の関数で定められる増大完了時の前記燃料利用率の目標値に向けて変化させる過渡時運転を行い、
前記運転制御手段は、前記出力電流を前記燃焼部での前記排出燃料ガスと前記排出酸素ガスとの燃焼が不安定になる電流範囲を通って増大変化させるときに前記過渡時運転を行う燃料電池システム。
前記運転制御手段は、
前記出力電流を前記所定の目標電流に向けて増大変化させるとき、
増大開始時に、前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を増加させて、前記燃料利用率を、前記燃料利用率の目標値を前記出力電流の関数として定めている、前記特性曲線とは別で且つ前記特性曲線よりも低燃料利用率側にある過渡時特性曲線で定められている前記燃料利用率の過渡時目標値に低下させ、
引き続いて、
前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して、前記出力電流及び前記燃料利用率を、前記過渡時特性曲線で定められている値に従って変化させ、
前記出力電流が前記目標電流に到達すると、前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を減少させて、前記燃料利用率を、前記特性曲線で定められている前記燃料利用率の目標値に上昇させて、増大変化を完了する前記過渡時運転を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分と発電反応に用いられた後に前記カソードから排出される排出酸素ガスとを燃焼させ、その燃焼熱によって前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃料電池の出力電流を調節する出力調節手段と、前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を調節する燃料ガス供給量調節手段と、前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御する運転制御
手段とを備え、
前記運転制御手段は、前記アノードに供給される前記燃料ガスの量に対する、前記アノードで発電反応に用いられる前記燃料ガスの量の比率である燃料利用率の目標値を前記出力電流の関数として定めている特性曲線に従って、前記出力調節手段の動作を制御して前記出力電流を調節し及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を調節するように構成されている燃料電池システムであって、
前記特性曲線として、
前記出力電流を増大変化させる場合に適用する増大変化時特性曲線と、
前記出力電流を増大変化させる以外の場合に適用する通常変化時特性曲線とを備え、
同一出力電流に対応する、前記増大変化時特性曲線上の燃料利用率が、前記通常変化時特性曲線上の燃料利用率より小さく設定されており、
前記増大変化時特性曲線は、前記出力電流を前記燃焼部での前記排出燃料ガスと前記排出酸素ガスとの燃焼が不安定になる電流範囲で増大変化させる場合に適用され、
前記出力電流を所定の目標電流に向けて増大変化させるとき、前記出力電流を維持させたまま、前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して前記改質器から前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を増加させて、前記燃料利用率を前記増大変化時特性曲線で定められている前記燃料利用率の目標値に低下させた後で、前記出力調節手段及び前記燃料ガス供給量調節手段の動作を制御して、前記出力電流及び前記燃料利用率を前記増大変化時特性曲線に従って前記所定の目標電流に向けて変化させる燃料電池システム。