JP6197171B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスを酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池システムに関する。

都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系燃料を原料ガスとして水素をつくる方法の一つとして水蒸気改質反応がある。水蒸気改質反応は、原料ガスと水蒸気とを６００℃〜７００℃の高温の改質触媒上で反応させ、水素をはじめ、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素や水蒸気などが混合した改質ガスとして生成する反応である。

この水蒸気改質反応で生成した改質ガス中の水素を燃料電池で使用するときには、燃料電池に対して被毒作用のあるＣＯを改質ガス中から除去する必要がある。そのため、変成触媒を用いたシフト反応や、シフト反応後の変成ガスを酸素と混合して選択酸化触媒を用いた選択酸化反応をさせることにより、ＣＯを低濃度（例えば１０ｐｐｍ以下）まで低減している。

このような水素発生装置を用いた燃料電池システムでは、より少ない都市ガスやＬＰＧから効率的に発電できるように、燃料電池スタックから排出される水素やメタンなどの可燃ガスが含まれる燃料オフガスを水素発生装置のバーナに供給し、水素発生装置の加熱用燃料として使用している（例えば、特許文献１参照）。また、水素発生装置の運転方法としては、燃料電池スタックに必要な水素を供給するために発電量に応じて水素発生装置の改質触媒の温度を原料ガスを増減させて目標とする温度に制御し、安定して必要な水素量を供給している（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−０９０８６３号公報 特許第３７７２６１９号公報

上記の特許文献１記載の水素発生装置では、燃料電池スタックからの燃料オフガスを水素発生装置のバーナに供給するため、バーナに形成される火炎状態は燃料オフガスの組成や流量により異なる。バーナに火炎が形成されているかどうかを検知する火炎検知器が、火炎に高電圧をかけて火炎中に流れるイオン電流を捉えるフレームロッドの場合では、火炎中の炭化水素成分が少なくなるとイオン電流が小さくなり、火炎が形成されているにも関わらず、火炎が形成されていないと判断してしまうことがある。火炎が形成されていないと判断すると、燃料電池システムでは水素発生装置を高温に維持することができず水素生成が不可能と判断し、燃料電池システムの運転を停止する。

また、上記の特許文献２に記載の水素発生装置では、水素発生装置の改質触媒の温度の制御を、水素発生装置に供給する原料ガスの量を増減させることで燃料電池スタックからの燃料オフガス中のメタンや水素の可燃ガス量を増減させて行っている。燃料電池システムの運転は、制御器から要求される発電量にあうように高発電量から低発電量まで発電量を変化させて運転している。また、水素発生装置は一般的に金属の構造体に触媒を充填したもので熱容量がある。そのため、高発電量のために燃料電池システムに原料ガスが多く流れている状態から、低発電量に切り換わって原料ガスの流量を少なくしても、原料ガス
流量が低下して熱容量が低下した原料ガスが、熱容量の大きい原料ガス周囲の水素生成装置の金属構造体や触媒からの熱を受けて、原料ガスの温度が基準値より高くなる。その結果、発電量に応じて水素発生装置の温度を設計値に制御することができない可能性があった。水素発生装置の改質触媒の温度が設計値より高くなると、改質触媒で炭化水素が改質されて水素がたくさん生成され、炭化水素の量が少なくなる。水素発生装置からの生成ガス中の炭化水素が少なくなるとバーナに供給される燃料オフガスの炭化水素が少なくなるので、フレームロッドでの火炎検知が難しくなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの運転において、水素発生装置のバーナでの火炎状態を把握して運転することで、火炎が形成されているにも関わらずイオン電流が低下して失火していると誤検知しないように燃料電池システムの運転をコントロールするもので、確実な火炎検知による安定したシステム運転を実現する水素発生装置搭載の燃料電池システムを提供することを目的とする。

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は、水素発生装置の改質器の第１温度検知器の検知温度とスタックの発電量に対して設定される第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、制御器によりバーナに供給される燃料オフガス中の炭化水素流量を増加させるものである。

これによって、バーナのフレームロッドに流れるイオン電流値が大きくなることで、失火検知の閾値に対してバーナに火炎が形成されていることを確実に検知することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、制御器により改質器での改質反応の反応割合を示す転化率を下げる、及び、燃料オフガスの供給量を増加させるものである。

これによって、改質反応での転化率を下げることで改質反応による炭化水素濃度が高くなり、同じ燃料オフガス流量であっても燃料オフガス中の炭化水素流量は多くなる。また、燃料オフガス流量を多くすることで改質反応による燃料オフガス中の炭化水素濃度は同じであっても炭化水素流量を多くすることができる。したがって、燃料オフガスが供給されるバーナでのフレームロッドにより火炎検知を確実に行うことができる。

また、本発明の燃料電池システムは、制御器により改質触媒の温度を下げるものである。

これによって、改質器での転化率を下げ、燃料オフガス中の炭化水素流量を増加させることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、制御器により第１温度検知器の検知温度を下げるものである。

これにより改質触媒の温度を下げることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、制御器により第１温度検知器の検知温度を下げるために、バーナに供給する燃焼用空気の供給量を増加させるものである。

これによって、水素発生装置のバーナに供給される燃料オフガス中の炭化水素の流量を確実に増加させてフレームロッドに流れるイオン電流値が大きくすることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、制御器により、バーナへの燃料オフガスの供給量を増加させるために、原料供給器からの原料ガスの供給量を増加させたり、スタックでの発電量を増加させたりするものである。

これによって、燃料オフガスの流量を増加によるバーナに供給される燃料オフガス中の炭化水素の流量を確実に増加させることができる。

さらに、水素発生装置の改質器の第１温度検知器の検知温度とスタックの発電量に対して設定される第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、制御器により、スタックの発電量の下限値を上げるものである。

これによって、水素発生装置のバーナに供給される燃料オフガス中の炭化水素が少なくなることを抑え、フレームロッドでバーナに火炎があることを確実に検知することができ、燃料電池システムを安定に運転することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、第２温度、スタックでの発電量の下限値は、スタックの発電量に対して設定されるものである。

これによって、バーナに供給される燃料ガス中の炭化水素の状態をより正確に捉え、スタックで可能な発電量の制限を最小限に抑えることができる。

さらに、本発明の燃料電池システムは、第２温度、スタックでの発電量の下限値は、水供給器の水供給量の情報に対して設定されるものである。

これによって、水供給量の情報も加えることでバーナに供給される燃料ガス中の炭化水素の状態をさらに正確に捉え、スタックで可能な発電量の制限を最小限に抑えながら、安定した燃料電池システムの運転を実現することができる。

本発明の燃料電池システムは、バーナのフレームロッドに流れるイオン電流値が大きくなることで、失火検知の閾値に対してバーナに火炎が形成されていることを確実に検知することができ、誤って失火を検知することを避け、燃料電池システムの安定した運転を実現することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略図 同実施の形態１の定格発電とＴＤＲ１／３発電を繰り返した時の第１温度検知器の温度特性図 第１温度検知器の温度とＳ／Ｃに対するフレームロッド出力の関係を示す図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略図 同実施の形態２の改質器と一酸化炭素低減器とを備えている水素発生装置の構成外略図

本発明は、原料ガスと水蒸気とを改質して水素を含む燃料ガスを発生させる改質触媒を備えている改質器と、改質器に原料ガスを供給する原料供給器と、改質器に水を供給する水供給器と、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電力を発生させるスタックと、改質触媒の温度を検知する第１温度検知器と、スタックから排出される燃料ガスである燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱するバーナと、バーナの火炎を検知するフレームロッドと、制御器とを備えており、制御器は、第１温度検知器の検知温度とスタックの発電量に対して設定される第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、バーナに供給される燃料オフガス中の炭化水素流量を増加させるものである。ここで、水供給器が供給する水は、液体の状態でも気体の状態（つまり、水蒸気）でもよい。この構成により、バーナのフレームロッドでの火炎検知をより確実に行うことができる。

制御器は、改質触媒の温度を下げる、及び、バーナへの前記燃料オフガスの供給量を増加させる、のうちの少なくとも一方を行うものである。この構成により、バーナのフレームロッドで確実な火炎検知を実現することができる。

制御器は、改質器での改質反応の反応割合である転化率を下げるものである。この構成により、改質反応による炭化水素濃度を高くして、火炎検知を確実に行うものである。

制御器は、第１温度検知器の検知温度を下げるもので、温度測定箇所である第１温度検知器の温度を下げることで、改質触媒の温度を低下させ、燃料オフガスの炭化水素流量を増加させるものである。

制御器は、バーナに供給する燃焼用空気の供給量を増加させるものである。この構成により、改質触媒の温度を下げてバーナのフレームロッドでの火炎検知を確実に行うものである。

制御器は、原料供給器からの原料ガスの供給量を増加させるものである。この構成により、バーナでの炭化水素流量を増加させ、フレームロッドでの確実な火炎検知を実現するものである。

制御器は、スタックの発電量を増加させるもので、この方法でもバーナでの炭化水素流量を増加させ、スタックの発電量の下限値を上げるものである。この構成により、バーナのフレームロッドでの火炎検知をより確実に行うことができる。

制御器は、第２温度と発電量の下限値とを、スタックの発電量に基づいて定めてもよい。この構成により、バーナでの燃料オフガス状態をより精度高く予測することで、スタックでのよりひろい発電量の範囲を確保しながら、バーナの火炎検知を確実に行うものである。

制御器は、第２温度と発電量の下限値とを、原料供給器からの原料流量と水供給器からの水の供給量に対して設定してもよい。この構成により、バーナでの燃料オフガス状態をさらにより精度高く予測することが可能となり、スタックでの発電量の制限を最低限に抑えながら、バーナの火炎検知を確実に行うものである。

制御器は、第１温度検知器の検知温度がスタックの発電量に基づいて定められる温度になるように原料供給器から供給する原料ガス量を制御してもよい。
制御器は第１温度検知器の目標温度になるように原料ガス供給器から供給する原料ガス量を制御するもので、エネルギー効率の高い燃料電池システムにおいて、確実にバーナの火炎を検知するものである。

制御器は、スタックの発電量が予め定められる第２発電量以下の場合に、発電量が第２発電量より大きい場合より第１温度検知器の検知温度が低くなるように原料供給器を制御
してもよい。バーナの火炎を誤検知しやすくなる燃料電池システムで、確実に火炎を検知するものである。

また、本発明は、改質器から供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低減してスタックに供給する一酸化炭素低減器と、一酸化炭素低減器の温度を検知する第２温度検知器を有し、制御器は第２温度検知器の検知温度が予め定められる第３温度以上になった場合、水供給器の水供給量を増加させるものである。この構成、効率の高い燃料電池システムにおいてバーナでのガス状態をより精度高く予測し、バーナでの確実な火炎検知を行いながらスタックの発電範囲を最大限確保する燃料電池システムを実現するものである。

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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における固体高分子形の燃料電池システムの概略図を示すものである。

図１において、改質器１は内部に改質触媒（図示せず）を有し、原料供給器３から供給された原料ガスと水供給器４から供給された改質水から改質ガスを生成する。なお、改質水は液体の状態でも気体の状態でもよい。

改質器１からの改質ガスはスタック２に供給され、スタック２では改質ガスと別経路で供給された空気（図示せず）とを電気化学的に反応させて発電を行う。スタック２から送出された燃料ガスである燃料オフガスはバーナ６に供給される。

バーナ６ではスタック２からの水素及び原料ガスを含む燃料オフガスと燃焼用の空気とを燃焼させて火炎を形成し、バーナ６に隣接設置している改質器１を加熱する。改質器１には改質触媒の温度を検知する第１温度検知器５が設置され、バーナ６には火炎中のイオン電流を検知するフレームロッド１０が設置されている。

そして、改質触媒の温度を検知する第１温度検知器５やフレームロッド１０、原料供給器３や改質水を供給する水供給器４、スタック２は制御器７と電気的に繋がっており、各部を制御することができる燃料電池システムを構成している。

ここで、原料供給器３や水供給器４は、各々の供給物（原料ガス、水）の流量が調整可能に構成されており、供給物の吐出流量が変更可能な供給ポンプであっても、また供給物の供給源と下流側の流路に設けられた供給物の流量調整用バルブとを組み合わせた流体調整機構であっても良い。

また、改質触媒としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの貴金属やＮｉなどの卑金属を含みものが用いられる。

なお、原料ガスは、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系燃料を使用することができる。

次に、上記構成において燃料電池システムの動作を説明する。

燃料電池システムで発電するためには、改質器１を昇温させて水供給器４から供給した水を水蒸気とし、原料供給器３からの原料と混合させて改質触媒に供給し、水蒸気改質反応することで改質器１から高濃度の水素を含む改質ガスをスタック２に供給する必要がある。改質器１を昇温させるためには改質器１に隣接させたバーナ６や改質器１内に備えた
ヒータ（図示せず）により加熱を行い、改質器１内各部を昇温させて水の蒸発による水蒸気の生成と改質触媒の温度を水蒸気改質反応に適した温度（例えば、６００〜７００℃）としている。

改質器１から高濃度の水素を含んだ改質ガスが安定的に送出できるようになると、改質ガスをスタック２に供給し、スタック２では改質ガス中の水素と別供給の酸化剤ガス（酸素を含む空気）とで発電を行う。

スタック２に供給された改質ガス中の水素はスタック２で発電に必要な水素が消費されるが残りの水素を含んだガスは燃料オフガスとしてスタック２から送出される。燃料オフガスには、残った水素だけでなく、改質器１の改質触媒上での水蒸気改質反応時に水素にならなかった原料（炭化水素）が含まれており、燃料オフガスをバーナ６に供給することでバーナ６での火炎を形成することができる。スタック２での発電を行いながら、改質器１では、第１温度検知器５で改質触媒の温度を原料供給器３から供給する原料の流量を増減させることで制御する。スタック２での発電に必要な水素量は、発電量に対して異なる。そのため第１温度検知器５での改質触媒の目標温度をスタック２での発電量に対しての設定値とし、発電量に対して一定値として原料供給器３からの原料流量により制御することで、発電に必要な水素量を安定して供給することができる。

発電量に対しての第１温度検知器５で制御する設定値としては、例えば、定格発電量の時６５０℃、ＴＤＲ１／２の時６３５℃、ＴＤＲ１／３の時６２０℃などとすることができる。ＴＤＲとは定格発電量に対する比（ＴＵＲＮ ＤＯＷＮ ＲＡＴＩＯ）のことで、定格が７５０Ｗとすると、ＴＤＲ１／２は５００Ｗ、ＴＤＲ１／３は２５０Ｗとなる。

ここで、燃料電池システムを家庭に設置して家庭で必要とする発電量にあわせて発電する仕様とすると、発電量が定格からＴＤＲ１／３まで頻繁に変化する運転となることがある。改質器１は改質触媒を６００〜７００℃の高温状態とするために触媒を入れる構造体をステンレスで作製し、熱が逃げないように周囲を高性能な断熱材で覆う構成としている。

また改質触媒もアルミナなどのセラミックからできているため、改質器１全体の熱容量が大きく、第１温度検知器の目標温度を高温状態で変えようとしても瞬間的に変化させることは出来ず、ある程度の時間をかけて変化することとなり、目標とする目標温度と実際の第１温度検知器の温度に差がでてしまう。

特に目標温度の高い定格発電量で運転した後にＴＤＲ１／３などの低負荷発電量に変化させる時には、定格発電での６５０℃からＴＤＲ１／３の６２０℃に変化させようとする。しかしながら、原料供給器３からの原料流量は定格発電時の原料流量（例えば３ＮＬ／ｍｉｎ）からＴＤＲ１／３の原料流量（例えば１ＮＬ／ｍｉｎ）と原料流量は約１／３となる。そのため、バーナ６での加熱量は小さくなるが原料流量は熱容量の大きい周囲の構造体や触媒が有している６５０℃の熱を原料は受け、目標の温度とに差がでてしまう。このような状態でさらに目標温度が高く、バーナ６での加熱量が大きい定格発電とすると、ＴＤＲ１／３で通常より高い温度状態となっているにもかかわらず、さらにバーナ６で加熱されるため、定格発電での目標温度より高い状態となってしまい、実際の温度と目標温度とに差が出てしまう。

図２は、このような定格発電とＴＤＲ１／３の低発電を繰り返した時の第１温度検知器の温度変化を示した図（イメージ図）である。発電量の変化を繰り返すと低発電量時の第１温度検知器５の温度が高くなり目標温度に対しての差が大きくなっていくことがわかる。
このように運転条件によっては、第１温度検知器の温度が設定値からずれてかなり高くなってしまう場合がある。

ここで、本発明の燃料電池システムのバーナ６での火炎検知にはフレームロッド１０を用いている。フレームロッド１０は、火炎に高電圧を印加することで火炎中のイオン電流を計測して火炎の存在を検知しているが、このイオン電流値は火炎中に存在するメタン、つまりバーナ６に燃料オフガスとして供給されるメタン量に比例し、メタン量が多ければイオン電流値が大きくなる。

式（１）は原料をメタンとした場合の水蒸気改質反応の式である。式（１）が進む割合は、改質触媒の温度によってほぼ決まる。つまり、第１温度検知器５の温度が高くなるほど式（１）はよく進み、水素の生成量が多くなり、逆に水素にならなかったメタンが少なくなる。ここで、式（１）の進む割合は一般的に転化率と言われるものである。

ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２ （１）
スタック２に供給された改質ガスは、スタック２での発電に必要な水素のみが消費され、バーナ６に燃料オフガスとして供給される。したがって、第１温度検知器５の温度が高く転化率が高い場合にはバーナ６でのメタン量が少なくなる。特に原料供給器３からの原料流量が少ない低発電量時には、第１温度検知器５の温度が同じで転化率が同じでも、供給している原料であるメタン量が定格発電時にくらべて約１／３と少ないので、改質ガス中のメタン量も１／３と少なくなってしまう。

図３は、ＴＤＲ１／３運転時のフレームロッド１０での出力（イオン電流値）を表した図である。縦軸のＳ／Ｃは改質器に供給する水流量と原料流量の比であるが、Ｓ／Ｃが一定の条件において、第１温度検知器の温度が高くなると上記現象により燃料オフガス中のメタン量が少なくなり、フレームロッド１０の出力が低くなっていくことがわかる。ここで、フレームロッド１０でバーナ６に火炎が存在するかどうかを判定する閾値は、火炎中のイオン電流値が小さいため、その小さい値に対して設定しなければいけないが、検出回路のばらつきやノイズなどの影響を受けない値としてある程度の大きな値として設定する必要がある。そのため、図３にあるように、火炎電流値があるにもかかわらず値が小さいと失火と誤検知してしまう領域（誤検知領域）が存在することがわかる。特に、第１温度検知器５の温度が設定温度からのズレ量が大きくなると誤検知領域に近づくことがわかる。仮にフレームロッド１０の値が小さくなり失火したと制御器７で判断すると、燃料電池システムの運転継続ができないため、燃料電池システムの運転を停止することになる。

なお、図３はＴＤＲ１／３の時に特性であるが、ＴＤＲが１／３より大きくなれば燃料オフガス流量が多くなり、例えば、定格運転条件では同じ温度とＳ／Ｃでのフレームロッドの出力値がＴＤＲ１／３の時の値に対して倍以上大きくなる。

そこで、本発明は第１温度検知器５の温度が予め設定した第１温度を越えた場合、あるいは、第１温度検知器５の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定された第１温度検知器５の目標温度との差が第２温度以上の場合には、第１温度検知器５が設定温度からずれが大きくなっていると判断してバーナ６に供給する燃焼用空気の供給量を増加させる。バーナ６に供給される燃料オフガス量が同じ状態（燃料オフガスの発熱量が同じ状態）で燃焼用空気を増加させるとバーナ６での燃焼に関係するガスの流量が増えるためバーナ６での火炎温度が低下する。従って改質触媒１１への伝熱量が少なくなり改質触媒の温度が低下し、改質反応での転化率が下がることで燃料オフガスのメタン量が増加することになる。図３の第１温度検知器の温度が高い状態から設定温度に向けて下がるため、フレームロッド１０の出力は増加し、失火検知領域から離れることでバーナ６での火炎が形成されているかどうかを誤検知することなく正確に判断することができる。

なお、第１温度検知器の設定温度を定格時６５０℃、ＴＤＲ１／３時６２０℃である場合、第１温度としては定格からＴＤＲ１／３の全領域に対して６６０℃と設定したり、第２温度を目標値との温度差として３０℃と設定したりすれば良いが、バーナや改質器の構成や運転条件により出力値は変わるため、最適な値を見極めて設定すれば良い。

また、燃焼用空気の増加量は、燃料オフガスに対する理論空気量の比である空気比が０．２〜０．５増加させる空気量などとすれば、第１温度検知器５の温度は１０℃〜３０℃下がるためフレームロッド１０の出力をかなり増加させることができる。ただし、この空気の増加量も改質器やバーナが異なれば変わるため、個別に最適値を設定すれば良い。

さらに、上記実施の形態では、燃焼用空気量を増加させて第１温度検知器５の温度を低下させたが、それ以外の方法でも、転化率を低下させたり、改質触媒の温度を低下させることができれば同様な効果が得られる。

また、上記説明では、メタンの改質反応で説明を行ったが、メタン以外の炭化水素を含む燃料の改質反応でも同様で、フレームロッド１０は、燃料オフガス中のメタンを含む炭化水素の総流量が多いほど出力が高くなる傾向となる。

（実施の形態２）
第２の実施の形態は、第１の実施の形態と異なる箇所のみを説明する。

第２の実施の形態は第１の実施の形態と同じ構成の改質器において、第１温度検知器の温度が予め設定した第１温度を越えた場合、あるいは、第１温度検知器５の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定された第１温度検知器５の目標温度との差が第２温度以上の場合に、制御器７での制御方法が異なるものである。

第１の実施の形態では、制御器７でバーナ６への燃焼用空気量を増加させたが、第２の実施の形態では、原料供給器３からの原料流量を増加させる。原料流量を増加させるとバーナ６へ供給される燃料オフガスの流量が増加するため、改質器１での転化率が同じでメタン濃度が同じであっても、燃料オフガスの流量が増えるため燃料オフガスのメタン流量は増加する。たとえば、上記の図３説明時に記載したように、定格運転時の流量まで増加させると、フレームロッド出力はＴＤＲ１／３に対して倍以上大きな値となる。したがって、フレームロッド１０での電流値が大きくなり、失火と誤検知する領域を避けて、正確に火炎があるかどうかを判断することができる。

（実施の形態３）
第３の実施の形態は、第２の実施の形態で、第１温度検知器の温度が予め設定した第１温度を越えた場合、あるいは、第１温度検知器５の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定された第１温度検知器５の目標温度との差が第２温度以上の場合に、制御器７でスタック２での発電量を増やすものである。

スタック２での発電量を増やすと発電に必要な水素量が多くなる。スタック２での発電には、発電に直接必要な水素量の２，３割多くの水素量をスタック２に改質器１から供給する必要がある。そのため、スタック２での発電量を増やすことは、改質器１でつくる水素量を多くすることとなる。改質器１では第１温度検知器の温度に応じたほぼ一定の割合の転化率で水素をつくるため改質器１からの水素量を増やすためには、原料供給器３からの原料ガスの供給量を増やす必要がある。従って、スタック２での発電量を増加させると、実施の形態２と同様に原料ガス流量の増加させることになり、フレームロッド１０での出力を増加させることができ、失火誤検知領域を避けた確実な火炎検知により燃料電池シ
ステムの安定した運転を実現することができる。

（実施の形態４）
第４の実施の形態は、第２の実施の形態と異なる箇所のみを説明する。

第４の実施の形態は第２の実施の形態と同じ構成の改質器において、第１温度検知器の温度が予め設定した第１温度を越えた場合、あるいは、第１温度検知器５の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定された第１温度検知器５の目標温度との差が第２温度以上の場合に、制御器７によりスタック２で発電できる発電量の下限値を上げて運転を行うものである。例えば、第１温度検知器５の温度が６６０℃を越えた場合には、通常の発電下限値をＴＤＲ１／３の２５０Ｗとしていたものを５００Ｗとし、定格発電量の７５０Ｗと下限値の５００Ｗとの間で発電可能とする。発電下限値を５００Ｗとすることで、発電量に対して原料供給器３から供給される原料流量の下限値が決まっているので、供給される原料流量が上昇し、改質触媒温度が高くて式（１）の転化率が高くてもメタン流量を多く保つことが出来るので、バーナ６での火炎電流値が小さくなることを防ぐことができる。

あるいは、第１温度検知器５の温度と、その時の発電量に対しての第１温度検知器５での目標温度との差が予め設定した第２温度以上の場合、スタック２で発電できる発電量の下限値を上げて運転するものである。例えば、ＴＤＲ１／３の２５０Ｗ発電時には第１温度検知器５で制御目標値が６２０℃であるが、第１温度検知器５での温度との差が４０℃以上となった場合、スタック２で発電できる下限値を５００Ｗとするものである。下限値を５００Ｗとすることで、上記のように原料流量を上昇させてバーナ６でのメタン流量を多くし、バーナ６での火炎電流値を大きくしてフレームロッド１０での確実な火炎検知を実現することができる。

ここで、第１温度や第２温度、発電量の下限値は、スタック２の発電量によらず一定値として設定しても良いし、発電量に対して補正して設定しても良い。例えば、第１温度を６６０℃、発電量の下限値を５００Ｗと発電量によらず一定値としても良いし、２５０Ｗに対しては第１温度６６０℃で発電量の下限値を５００Ｗ、５００Ｗに対しては第１温度６７０℃で発電量の下限値を６００Ｗ、というように発電量に対して設定しても良い。第２温度に対しても、第２温度を４０℃、発電量の下限値を５００Ｗと発電量によらす一定値としても良いし、２５０Ｗに対しては第２温度を４０℃、発電量の下限値を５００Ｗ、５００Ｗに対しては第２温度３５℃、発電量の下限値を６００Ｗと発電量に対して設定しても良い。

さらに、原料供給器３からの原料流量と水供給器４からの水および水蒸気の供給量の値も用いて、第１温度や第２温度、発電量の下限値を設定しても良い。図３に示したようにフレームロッドの出力値は、第１温度検知器の温度だけでなく、Ｓ／Ｃの値の影響も受ける。つまり水供給器４からの水の供給量が変わりＳ／Ｃが変化すると、改質器１での改質反応での転化率が変わり、燃料オフガス中のメタン濃度が変化する。ちなみに、Ｓ／Ｃが大きくなると改質反応が進んで転化率が高くなり、メタン濃度が低下することになる。よって、第１温度検知器の温度だけでなく、原料供給器３からの原料ガス流量と水供給器４からの水供給量からＳ／Ｃを把握することでより正確な燃料オフガス状態を把握し、失火誤検知が起こらないように発電の下限値を上げることが可能となる。

例えば、Ｓ／Ｃの値が標準値である３．０の時には、第１温度を６６０℃、発電量の下限値を５００Ｗとするが、Ｓ／Ｃが３．３の時には第１温度を６５０℃、発電量の下限値を５００Ｗ 、Ｓ／Ｃが３．５の時には第１温度を６４０℃、発電量の下限値を５００Ｗと設定したり、あるいは、Ｓ／Ｃが３．３の時には第１温度を６６０℃で発電量の下限値
を５５０Ｗ 、Ｓ／Ｃが３．５の時には第１温度を６６０℃、発電量の下限値を６００Ｗなどと設定しても良い。これは、式（１）での転化率は、Ｓ／Ｃが大きくなると大きくなるため、Ｓ／Ｃが大きいほどバーナ６でのメタン流量が少なくなり火炎電流が得られにくくなる。したがって、Ｓ／Ｃの値も考慮することで、メタン流量をより精度高く予測することができる。

（実施の形態５）
図４は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの概略図を示すものである。

第５の実施の形態について、第４の実施の形態と異なる箇所のみを説明する。

図４において、改質器１の下流には一酸化炭素低減触媒（図示せず）を有する一酸化炭素低減器８が設置され、一酸化炭素低減器８からの生成ガスはスタック２に供給される。一酸化炭素低減器８には一酸化炭素低減触媒の温度を検知する第２温度検知器９が設置されている。

図５は、図４の改質器１やバーナ６、一酸化炭素低減器８により構成された水素発生装置の一例の構成外略図である。改質触媒１１と一酸化炭素低減触媒１２、バーナ６が一体化し、周囲が断熱材１４で覆われた構成となっている。また、水供給器４から供給された水を水蒸気とする水蒸発部１３がバーナ６と一酸化炭素低減触媒１２との間に設けられている。

なお、一酸化炭素低減触媒としてはＰｔなどの貴金属やＦｅ−ＣｒやＣｕ−Ｚｎなどのシフト反応させる変成触媒やＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの酸素との混合により選択酸化反応させる選択酸化触媒が用いられる。

上記構成において、一酸化炭素低減触媒１２は触媒性能を発揮するための適正な温度（例えば２５０〜３００℃）とする必要がある。従って、一酸化炭素低減触媒１２の温度が高くなったことを第２温度検知器９で検知すると、水供給器４からの水供給量を増加させて一酸化炭素低減触媒１２の温度を低下させる。したがって、第２温度検知器９の温度が第３の温度（例えば３００℃）より高くなれば、水供給器４により水の供給量を増加させる。この時、第１温度検知器５での温度状態を検知しながら必要に応じて制御器７でスタック２での発電量の下限値を上げる制御を行うことで、バーナ６のフレームロッド１０で火炎検知を確実に行うことができ、安定した燃料電池システムの運転を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、発電量が変動する運転において、バーナで火炎が形成されるにもかかわらずフレームロッドで失火と誤検知して燃料電池システムが停止してしまうことを避け、安定した発電を行う燃料電池システムを実現することができる。従って、必要な発電量が変化する家庭用、業務用での発電、例えば、数万時間、数千回の運転を安定的に行う家庭用、業務用の固体高分子形、固体酸化物形燃料電池システムに有用である。

１ 改質器
２ スタック
３ 原料供給器
４ 水供給器
５ 第１温度検知器
６ バーナ
７ 制御器
８ 一酸化炭素低減器
９ 第２温度検知器
１０ フレームロッド
１１ 改質触媒
１２ 一酸化炭素低減触媒
１３ 水蒸発部
１４ 断熱材

Claims (13)

1. 原料ガスと水蒸気とを改質して水素を含む燃料ガスを発生させる改質触媒を備えている改質器と、
   前記改質器に原料ガスを供給する原料供給器と、
   前記改質器に水を供給する水供給器と、
   前記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電力を発生させるスタックと、
   前記改質触媒の温度を検知する第１温度検知器と、
   前記スタックから排出される燃料ガスである燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱するバーナと、
   前記バーナの火炎を検知するフレームロッドと、
   制御器と、
   を備えており、
   前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定される前記第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、
   前記バーナに供給される前記燃料オフガス中の炭化水素流量を増加させる、
   燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定される前記第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、
   前記改質器での改質反応の反応割合を示す転化率を下げる、及び、前記燃料オフガスの供給量を増加させる、のうちの少なくとも一方を行う、
   請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定される前記第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、
   前記改質触媒の温度を下げる、
   請求項１、２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定さ
   れる前記第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、
   前記第１温度検知器の検知温度を下げる、
   請求項１から３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定される前記第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、
   前記バーナに供給する燃焼用空気の供給量を増加させる、
   請求項１から４記載の燃料電池システム。
6. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定される前記第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、前記原料供給器からの原料ガスの供給量を増加させる、
   請求項１、２記載の燃料電池システム。
7. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定される前記第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、前記スタックの発電量を増加させる、
   請求項１、２、６記載の燃料電池システム。
8. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度と前記スタックの発電量に対して設定される前記第１温度検知器の目標温度との差が第２温度以上の場合に、前記スタックの発電量の下限値を上げる、
   請求項１記載の燃料電池システム。
9. 前記制御器は、前記第２温度と前記発電量の下限値を、前記スタックの発電量に基づいて定める、
   請求項８記載の燃料電池システム。
10. 前記制御器は、前記第２温度と前記発電量の下限値を、前記原料供給器からの原料流量と前記水供給器からの水の供給量に対して設定する、
    請求項８、９項に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度が前記スタックの発電量に基づいて定められる温度になるように前記原料供給器から供給する原料ガス量を制御する、
    請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記制御器は、前記スタックの発電量が予め定められる第２発電量以下の場合に、前記発電量が前記第２発電量より大きい場合より前記第１温度検知器の検知温度が低くなるように前記原料供給器を制御する、
    請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記改質器から供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低減して前記スタックに供給する一酸化炭素低減器と、
    前記一酸化炭素低減器の温度を検知する第２温度検知器と、
    を備えており、
    前記制御器は、前記第２温度検知器の検知温度が予め定められる第３温度以上になった場合、前記水供給器の水供給量を増加させる、
    請求項１〜１２のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。