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JP5686592B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムで用いられる水素含有燃料は、性状（組成や熱量など）が変化する場合がある。従来より、水素含有燃料の性状変化に対応するための燃料電池システムとして、例えば、特許文献１に示す燃料電池システムが知られている。特許文献１に示す燃料電池システムは、水素含有燃料の性状及び流量を計測する燃料性状計測手段と、燃料電池の状態を判定する燃料電池判定手段と、燃料電池の出力を制御する出力制御手段と、最適制御パラメーターを演算して出力する燃料電池運転制御手段と、を備えている。この燃料電池システムは、水素含有燃料の性状の変化に応じて、水蒸気供給量、燃料供給量、酸化剤供給量、燃料利用率、酸化剤利用率、電流密度、出力電圧、出力電流の何れかを制御して、熱自立状態を維持している。
特開２００６−４９０５６号公報
しかしながら、特許文献１に係る燃料電池システムは、水素含有燃料の性状を計測するためのセンサーが必要となる。このような計測機器は、水素含有燃料の性状を計測することのみに利用されるものであり、燃料電池システム内において他の用途に有効に利用することはできない。従って、性状を計測するためだけの特別な機器を配置することにより、設置やメンテナンスのためのコストが増加するという問題がある。そのため、計測のための特別な機器を用いることなく、水素含有燃料の性状の変化に対応することのできる燃料電池システムが求められていた。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、計測のための特別な機器を設けることなく、水素含有燃料の性状の変化に応じて適切な運転を行うことのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、所定量の水素含有燃料と所定量の酸化剤とを燃焼させる燃焼部と、燃焼部の温度を検出する温度検出部と、温度検出部の検出結果に基づいて燃焼部の温度変化を判定する判定部と、判定部によって温度変化があると判定された場合、水素発生部に対する水素含有燃料の供給量を調整する調整部と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムは、水素含有燃料と酸化剤とを燃焼させる燃焼部を備えている。一定量の水素含有燃料が燃焼部へ供給され、一定量の酸化剤が燃焼部へ供給される場合、水素含有燃料の性状に変化が無ければ燃焼部の温度は一定となり、変化があれば燃焼部の温度は変化する。従って、判定部は、温度検出部の検出結果に基づいて、燃焼部の温度変化を判定することによって、水素含有燃料の性状の変化を把握することができる。判定部によって温度変化があると判定された場合、調整部が、水素発生部に対する水素含有燃料の供給量を調整することによって、セルスタックの発電で用いられる水素含有燃料の供給量を最適にすることができる。このように、燃料電池システム内に燃焼部を設けるだけで、水素含有燃料の性状の変化に対応できる。また、燃焼部は、計測のためだけに用いられる特別な機器とは異なり、発生させた熱をシステム内で有効に利用させることができる。例えばシステム内で所定の加熱部が必要とされる場合に、当該加熱部を燃焼部で代用することが可能となるため、実質的な設置やメンテナンスのためのコストの増加を抑えることができる。以上により、本発明に係る燃料電池システムは、計測のための特別な機器を設けることなく、水素含有燃料の性状の変化に応じて適切な運転を行うことができる。
また、燃料電池システムは、水素含有燃料または酸化剤の濃度を検出する濃度検出部を更に備えることが好ましい。燃焼部の温度は、水素含有燃料や酸化剤の濃度変化による影響を受ける。従って、濃度検出部が、これらの濃度変化を検出することができるため、調整部は、水素含有燃料や酸化剤の濃度変化の具体的な量を考慮して調整することができる。従って、調整部は、一層最適な調整を行うことができる。
また、燃料電池システムは、燃焼部によって発生する熱を利用する熱利用部を更に備える。これによって、燃焼部によって発生した熱を有効利用することができる。熱利用部としては、具体的に、貯湯槽、水素発生部へ供給される水蒸気を生成する水気化部、水素発生部へ供給される水素含有燃料を脱硫する脱硫部、または、システム内の水の凍結を防止する凍結防止部が挙げられる。
本発明によれば、計測のための特別な機器を設けることなく、水素含有燃料の性状の変化に応じて適切な運転を行うことができる。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。 図２は、第一実施形態に係る燃料電池システムの一部の構成を示すブロック構成図である。 図３は、燃焼機の設置例を示すブロック構成図である。 図４は、燃焼機の設置例を示すブロック構成図である。 図５は、第一実施形態に係る燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。 図６は、第二実施形態に係る燃料電池システムの一部の構成を示すブロック構成図である。 図７は、第二実施形態に係る燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。 図８は、最適な供給量の算出に用いられるデータテーブルの一例を示す図である。 図９は、第三実施形態に係る燃料電池システムの一部の構成を示すブロック構成図である。 図１０は、第三実施形態に係る燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。 図１１は、第三実施形態に係る燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第一実施形態］
図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。
水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。
セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。
オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。
水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。
パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
本実施形態に係る燃料電池システム１は、水素含有燃料の熱量（組成）の変化や水素含有燃料及び酸化剤のガス濃度変化に応じ、適切な運転を行うことができる。燃料電池システム１は、燃焼機２０で水素含有燃料と酸化剤とを燃焼させ、当該燃焼機２０の温度の変化に基づいて、水素発生部４に対する水素含有燃料やセルスタック５に対する酸化剤の供給量を適切に調整する。更に、燃料電池システム１は、燃焼機２０で発生した熱を有効に利用することができる。具体的には、図２に示すように、燃料電池システム１は、燃焼機（燃焼部）２０と、温度計（温度検出部）２１と、水素含有燃料供給部２２と、酸化剤供給部２３と、熱利用部２４と、を更に備えている。また、制御部１１は、供給量指示部１０１と、温度検出部１０２と、判定部１０３と、調整部１０４と、を備えている。
燃焼機２０は、燃料電池システム１内に設けられる小型燃焼装置である。燃焼機２０として、例えばバーナが用いられる。燃焼機２０は、水素含有燃料と酸化剤とを燃焼させる。燃焼機２０の燃料電池システム１内での配置は特に限定されず、熱の利用先に応じて適宜変更することができる。燃焼機２０が水素含有燃料や酸化剤の監視を行っている間、燃焼機２０には常時一定量の水素含有燃料及び一定量の酸化剤が供給される。これにより、燃焼機２０の温度変化を検出することにより、水素含有燃料の熱量（組成）の変化、水素含有燃料のガス濃度変化、あるいは酸化剤のガス濃度変化を検出することができる。燃焼機２０の温度を変化させる要因である水素含有燃料の熱量（組成）の変化、水素含有燃料のガス濃度変化、酸化剤のガス濃度変化は、燃料電池システム１における運転状態にも影響を及ぼす。
温度計２１は、燃焼機２０に設けられており、燃焼機２０の温度を検出する機能を有している。温度計２１による燃焼機２０の温度の測定箇所は、特に限定されず、水素含有燃料の熱量（組成）の変化や水素含有燃料のガス濃度変化、酸化剤のガス濃度変化による温度変化を把握することができる位置であればよい。例えば、温度計２１は、燃焼機２０の火炎の温度を測定してもよく、燃焼機２０の本体温度を測定してもよい。温度計２１は、制御部１１と電気的に接続されており、燃焼機２０の温度を制御部１１へ出力する。
水素含有燃料供給部２２は、燃焼機２０に対して水素含有燃料を供給する。水素含有燃料供給部２２は、燃焼機２０に対して常時、一定量の水素含有燃料を供給する。水素含有燃料供給部２２が燃焼機２０に対して供給する水素含有燃料は、水素含有燃料供給部７が水素発生部４に対して供給している水素含有燃料と同じものが用いられる。すなわち、セルスタック５での発電に用いられる水素含有燃料の熱量（組成）の変化やガス濃度の変化による影響は、燃焼機２０での燃焼に反映される。水素含有燃料供給部２２は、水素含有燃料供給部７と共用してもよく（例えば、水素含有燃料供給部７の供給ラインを燃焼機２０へ分岐させる）、あるいは水素含有燃料供給部７とは別体のポンプによって構成されてもよい。
酸化剤供給部２３は、燃焼機２０に対して酸化剤を供給する。酸化剤供給部２３は、燃焼機２０に対して常時、一定量の酸化剤を供給する。酸化剤供給部２３が燃焼機２０に対して供給する酸化剤は、酸化剤供給部９がセルスタック５に対して供給している酸化剤と同じものが用いられる。すなわち、セルスタック５での発電に用いられる酸化剤のガス濃度の変化による影響は、燃焼機２０での燃焼に反映される。酸化剤供給部２３は、酸化剤供給部９と共用してもよく（例えば、酸化剤供給部９の供給ラインを燃焼機２０へ分岐させる）、あるいは酸化剤供給部９とは別体のポンプによって構成されてもよい。
熱利用部２４は、燃焼機２０で発生する熱を利用する部分である。熱利用部２４は、燃焼機２０と物理的に近接配置されることで燃焼機２０の熱を直接的に利用してもよく、燃焼機２０と物理的に離間しており熱媒体を介して燃焼機２０の熱を間接的に利用してもよい。熱利用部２４の一例については、図３及び図４を用いて後述する。
制御部１１の供給量指示部１０１は、水素含有燃料供給部２２へ制御信号を出力し、一定量の水素含有燃料を燃焼機２０へ供給する機能を有している。また、制御部１１の供給量指示部１０１は、酸化剤供給部２３へ制御信号を出力し、一定量の酸化剤を燃焼機２０へ供給する機能を有している。制御部１１の供給量指示部１０１は、水素含有燃料供給部７へ制御信号を出力し、所定量の水素含有燃料を水素発生部４へ供給する機能を有している。制御部１１の供給量指示部１０１は、調整部１０４によって水素発生部４への水素含有燃料供給量が調整された場合、調整された供給量に対応する制御信号を出力する。また、制御部１１の供給量指示部１０１は、酸化剤供給部９へ制御信号を出力し、所定量の酸化剤をセルスタック５へ供給する機能を有している。制御部１１の供給量指示部１０１は、調整部１０４によってセルスタック５への酸化剤供給量が調整された場合、調整された供給量に対応する制御信号を出力する。
制御部１１の温度検出部１０２は、温度計２１からの検出信号を受信することで、燃焼機２０の温度を検出する機能を有している。温度検出部１０２は、温度計２１からの検出信号に基づいて燃焼機２０の温度を測定することができる。なお、温度検出部１０２は、例えば、温度計２１での温度を直ちに測定値として取得してもよく、温度計２１での温度を平均処理した値を測定値として取得してもよい。
制御部１１の判定部１０３は、温度計２１及び温度検出部１０２の検出結果に基づいて、燃焼機２０の温度変化を判定する機能を有している。制御部１１の判定部１０３は、燃焼機２０の温度が一定であるか、あるいは温度が変化したかを判定する。判定部１０３による温度変化の判定の方法は特に限定されない。例えば、判定部１０３は、燃焼機２０の温度の測定値と前回の制御処理時に取得した測定値とを比較してもよく、あるいは、条件によって導き出される温度の所定の基準値と比較してもよい。また、判定部１０３は、燃焼機２０の温度が変化したら、直ちに温度変化が生じたと判定してもよく、あるいは、測定誤差などを考慮して、燃焼機２０の温度の変化量が所定の閾値を上回ったときに温度変化が生じたと判定してもよい。
制御部１１の調整部１０４は、判定部１０３によって燃焼機２０に温度変化があると判定された場合、水素発生部４に対する水素含有燃料の供給量を調整する機能を有している。調整部１０４は、燃焼機２０での温度変化に基づいて、燃料電池システム１の運転において最適な水素含有燃料供給量となるように調整する。制御部１１の調整部１０４は、調整した供給量指示値を供給量指示部１０１を介して水素含有燃料供給部７へ出力する。また、制御部１１の調整部１０４は、判定部１０３によって燃焼機２０に温度変化があると判定された場合、セルスタック５に対する酸化剤の供給量を調整する機能を有してもよい。調整部１０４は、燃焼機２０での温度変化に基づいて、燃料電池システム１の運転において最適な酸化剤供給量となるように調整する。制御部１１の調整部１０４は、調整した供給量指示値を供給量指示部１０１を介して酸化剤供給部９へ出力する。制御部１１の調整部１０４による水素含有燃料供給量や酸化剤供給量の調整方法は特に限定されず、最適な供給量に調整可能な方法であれば特に限定されない。例えば、制御部１１の調整部１０４は、所定の演算によって調整してもよく、予め用意したデータと照会することで調整してもよい。
次に、図３及び図４を参照して、燃焼機２０の設置例について説明する。なお、燃料電池システム１においては改質器や補機類からの熱回収も行われるが、図３及び図４では省略されている。図３及び図４では、発電部３０からの熱は、貯湯槽３１の加熱に利用される。なお、発電部３０とは、水素リッチガス（水素含有ガス）を用いて発電を行うセルスタック５を含んで構成されたものである。発電部３０は、少なくともセルスタック５を含むものであって、さらにオフガス燃焼部６や水素発生部４等を含む場合もあれば、オフガス燃焼部６や水素発生部４等を含まない場合もある。
図３（ａ）に示す設置例では、燃焼機２０で発生した熱は、貯湯槽３１の加熱に利用される。この場合、貯湯槽３１が図２における熱利用部２４に該当する。燃焼機２０から貯湯槽３１への熱の供給の形態は特に限定されない。例えば、燃焼機２０からの熱が熱媒体を介して貯湯槽３１へ供給されてもよく、燃焼機２０を貯湯槽３１の近くに配置することによって燃焼機２０からの熱が貯湯槽３１へ供給されてもよい。
図３（ｂ）に示す設置例では、燃焼機２０で発生した熱は、水気化部３での水の加熱に利用される。この場合、水気化部３が図２における熱利用部２４に該当する。燃焼機２０から水気化部３への熱の供給の形態は特に限定されない。例えば、燃焼機２０からの熱が熱媒体を介して水気化部３へ供給されてもよく、燃焼機２０を水気化部３の近くに配置することによって燃焼機２０からの熱が水気化部３へ供給されてもよい。
図４（ａ）に示す設置例では、燃焼機２０で発生した熱は、脱硫部２での水の加熱に利用される。この場合、脱硫部２が図２における熱利用部２４に該当する。燃焼機２０から脱硫部２への熱の供給の形態は特に限定されない。例えば、燃焼機２０からの熱が熱媒体を介して脱硫部２へ供給されてもよく、燃焼機２０を脱硫部２の近くに配置することによって燃焼機２０からの熱が脱硫部２へ供給されてもよい。
図４（ｂ）に示す設置例では、燃焼機２０で発生した熱は、貯湯槽３１へ水を供給する水供給管３２の凍結防止に利用される。この場合、水供給管３２における凍結防止部３３が図２における熱利用部２４に該当する。燃焼機２０から凍結防止部３３への熱の供給の形態は特に限定されない。例えば、燃焼機２０からの熱が熱媒体を介して凍結防止部３３へ供給されてもよく、燃焼機２０を凍結防止部３３の近くに配置することによって燃焼機２０からの熱が凍結防止部３３へ供給されてもよい。
次に、図２及び図５を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御処理の一例について説明する。図５に示す処理は、制御部１１において所定のタイミングで繰り返し実行される。
図５に示すように、制御部１１の供給量指示部１０１は、水素含有燃料供給部２２へ制御信号を出力することによって燃焼機２０へ水素含有燃料を供給すると共に、酸化剤供給部２３へ制御信号を出力することによって燃焼機２０へ酸化剤を供給する（ステップＳ１０）。Ｓ１０では、一定量の水素含有燃料が燃焼機２０へ供給され、一定量の酸化剤が燃焼機２０へ供給される。制御部１１の温度検出部１０２は、温度計２１の検出結果に基づいて燃焼機２０の温度Ｔを測定する（ステップＳ２０）。
制御部１１の判定部１０３は、Ｓ２０で取得した燃焼機２０の温度Ｔが一定であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。Ｓ３０で温度Ｔが一定であると判定された場合、判定部１０３は、水素含有燃料の熱量（組成）やガス濃度や酸化剤のガス濃度に変化はないと判断する。この場合、水素発生部４に対する水素含有燃料の供給量は一定のままで、図５の処理が終了し、再びＳ１０から処理が開始される。なお、Ｓ１０での燃焼機２０に対する水素含有燃料及び酸化剤の供給量は、設定変更などがなされない限り、一定である。
Ｓ３０で温度Ｔが変化したと判定された場合、制御部１１の調整部１０４は、水素発生部４に対する水素含有燃料の供給量を調整する（ステップＳ４０）。調整部１０４は、温度Ｔの変化量に基づいて、演算やデータ照会などの方法により、最適な水素含有燃料供給量を取得する。調整部１０４は、供給量指示部１０１を介して水素含有燃料供給部７へ制御信号を出力する。なお、調整部１０４は、セルスタック５に対する酸化剤の供給量も調整してよい。Ｓ４０の処理が終了すると、図５の処理が終了し、再びＳ１０から処理が開始される。燃焼機２０の温度Ｔが最適な値になるまで、燃焼機２０の温度Ｔの測定と水素発生部４への水素含有燃料供給量の調整が繰り返し実行されてもよい。ただし、そのときのＳ１０での燃焼機２０に対する水素含有燃料及び酸化剤の供給量は、一定である。
以上より、本実施形態に係る燃料電池システム１は、水素含有燃料と酸化剤とを燃焼させる燃焼機２０を備えている。水素含有燃料供給部２２から一定量の水素含有燃料が燃焼機２０へ供給され、酸化剤供給部２３から一定量の酸化剤が燃焼機２０へ供給される場合、水素含有燃料の熱量（組成）やガス濃度や酸化剤のガス濃度に変化が無ければ燃焼機２０の温度は一定となり、変化があれば燃焼機２０の温度は変化する。従って、制御部１１の判定部１０３は、温度計２１及び温度検出部１０２の検出結果に基づいて、燃焼機２０の温度変化を判定することによって、水素含有燃料の熱量（組成）やガス濃度や酸化剤のガス濃度の変化を把握することができる。更に、判定部１０３によって温度変化があると判定された場合、調整部１０４が、水素発生部４に対する水素含有燃料の供給量を調整することによって、セルスタック５の発電で用いられる水素含有燃料の供給量を最適にすることができる。このように、燃料電池システム１内に燃焼機２０を設けるだけで、水素含有燃料の熱量（組成）やガス濃度や酸化剤のガス濃度の変化に対応できる。また、燃焼機２０は、計測のためだけに用いられる特別な機器とは異なり、発生させた熱をシステム内で有効に利用させることができる。例えばシステム内で所定の加熱手段が必要とされる場合に、当該加熱手段を燃焼機２０で代用することが可能となるため、実質的な設置やメンテナンスのためのコストの増加を抑えることができる。以上により、燃料電池システム１は、計測のための特別な機器を設けることなく、水素含有燃料の性状などの変化に応じて適切な運転を行うことができる。
［第二実施形態］
図６を参照して、第二実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第二実施形態に係る燃料電池システム１は、燃焼機２０に供給される水素含有燃料のガス濃度を検出する構成を備えている。燃焼機２０の上流には、ガスセンサ（濃度検出部）２６が配置されている。ガスセンサ２６は、例えば、酸素センサや窒素センサによって構成されている。ガスセンサ２６は、水素含有燃料供給部２２から燃焼機２０へ供給される水素含有燃料の酸素や窒素の濃度を検出できる。ガスセンサ２６は、制御部１１と電気的に接続されており、検出結果を制御部１１へ出力する。なお、ガスセンサ２６の位置は特に限定されず、水素含有燃料の酸素や窒素の濃度を検出できる位置であればどこでもよい。
制御部１１は、濃度検出部１０５を更に備えている。濃度検出部１０５は、ガスセンサ２６の検出結果に基づいて、水素含有燃料のガス濃度を取得することができる。なお、濃度検出部１０５は、水素含有燃料に含まれる酸素や窒素の濃度に基づいて、水素含有燃料のガス濃度を演算することができる。なお、制御処理において用いられる水素含有燃料のガス濃度の単位は、特に限定されず、水素含有燃料のガス濃度を示すものであればどのような単位を用いてもよい。また、判定部１０３は、燃焼機２０の温度変化を判定すると共に、水素含有燃料のガス濃度変化も判定する。調整部１０４は、燃焼機２０の温度変化及び水素含有燃料のガス濃度変化に基づいて、水素発生部４に対する水素含有燃料供給量及びセルスタック５に対する酸化剤供給量を最適に調整する。
図７は、第二実施形態に係る燃料電池システム１の制御処理の一例を示すフローチャートである。図７に示すように、制御部１１の供給量指示部１０１は、水素含有燃料供給部２２へ制御信号を出力することによって燃焼機２０へ水素含有燃料を供給すると共に、酸化剤供給部２３へ制御信号を出力することによって燃焼機２０へ酸化剤を供給する（ステップＳ１１０）。Ｓ１１０では、一定量の水素含有燃料が燃焼機２０へ供給され、一定量の酸化剤が燃焼機２０へ供給される。制御部１１の濃度検出部１０５は、ガスセンサ２６の検出結果に基づいて水素含有燃料のガス濃度Ｃｘを測定する（ステップＳ１２０）。制御部１１の温度検出部１０２は、温度計２１の検出結果に基づいて燃焼機２０の温度Ｔを測定する（ステップＳ１３０）。
制御部１１の判定部１０３は、Ｓ１２０で取得した水素含有燃料のガス濃度Ｃｘが一定であり、且つ、Ｓ１３０で取得した燃焼機２０の温度Ｔが一定であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。Ｓ１４０でガス濃度Ｃｘが一定であり、且つ、温度Ｔが一定であると判定された場合、判定部１０３は、水素含有燃料の熱量（組成）やガス濃度や酸化剤のガス濃度に変化はないと判断する。この場合、水素発生部４に対する水素含有燃料の供給量及びセルスタック５に対する酸化剤の供給量は一定のままで、図７の処理が終了し、再びＳ１１０から処理が開始される。なお、Ｓ１１０での燃焼機２０に対する水素含有燃料及び酸化剤の供給量は、設定変更などがなされない限り、一定である。
Ｓ１４０でガス濃度Ｃｘまたは温度Ｔが変化したと判定された場合、制御部１１の調整部１０４は、ガス濃度Ｃｘの変化及び温度Ｔの変化に基づいて、水素発生部４に対する水素含有燃料及びセルスタック５に対する酸化剤の最適供給量を算出する（ステップＳ１５０）。Ｓ１５０での最適供給量の算出方法は特に限定されず、調整部１０４は、所定の演算式を用いてもよく、予め準備したデータを用いてもよい。例えば、調整部１０４は、図８に示すようなデータテーブルを用いることができる。図８のテーブルでは、水素含有燃料のガス濃度Ｃｘの変化量及び燃焼機２０の温度Ｔの変化量と、それらに対して設定される水素含有燃料及び酸化剤の最適供給量が設定されている。例えば、水素含有燃料のガス濃度Ｃｘの変化量が図８のＡ１に示す位置における値であり、燃焼機２０の温度Ｔの変化量が図８のＢ１に示す位置における値である場合、調整部１０４は、図８のＰ１に示す位置における供給量を取得することができる。
調整部１０４は、Ｓ１５０での結果に基づいて、水素発生部４に対する水素含有燃料供給量及びセルスタック５に対する酸化剤供給量を調整する（ステップＳ１６０）。調整部１０４は、供給量指示部１０１を介して水素含有燃料供給部７へ制御信号を出力する。また、調整部１０４は、供給量指示部１０１を介して酸化剤供給部９へ制御信号を出力する。Ｓ１６０の処理が終了すると、図７の処理が終了し、再びＳ１１０から処理が開始される。燃焼機２０の温度Ｔが最適な値になるまで、図７に示す処理が繰り返し実行されてもよい。ただし、そのときのＳ１１０での燃焼機２０に対する水素含有燃料及び酸化剤の供給量は、一定である。
以上のように、第二実施形態に係る燃料電池システム１は、水素含有燃料のガス濃度を検出しているため、調整部１０４は、水素含有燃料のガス濃度の変化の具体的な量を考慮して調整することができる。これによって、調整部１０４は、一層最適な調整を行うことができる。
［第三実施形態］
図９を参照して、第三実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第三実施形態に係る燃料電池システム１は、第二実施形態に係る燃料電池システム１に対して、更に、燃焼機２０に供給される酸化剤のガス濃度を検出する構成を備えている。燃焼機２０の上流には、ガスセンサ（濃度検出部）２７が配置されている。ガスセンサ２７は、例えば、酸素センサや窒素センサによって構成されている。ガスセンサ２７は、酸化剤供給部２３から燃焼機２０へ供給される酸化剤の酸素や窒素の濃度を検出できる。ガスセンサ２７は、制御部１１と電気的に接続されており、検出結果を制御部１１へ出力する。なお、ガスセンサ２７の位置は特に限定されず、酸化剤の酸素や窒素の濃度を検出できる位置であればどこでもよい。
制御部１１の濃度検出部１０５は、ガスセンサ２７の検出結果に基づいて、酸化剤のガス濃度を取得することができる。なお、濃度検出部１０５は、酸化剤に含まれる酸素や窒素の濃度に基づいて、酸化剤のガス濃度を演算することができる。なお、制御処理において用いられる酸化剤のガス濃度の単位は、特に限定されず、酸化剤のガス濃度を示すものであればどのような単位を用いてもよい。また、判定部１０３は、燃焼機２０の温度変化を判定すると共に、酸化剤のガス濃度変化も判定する。調整部１０４は、燃焼機２０の温度変化及び酸化剤のガス濃度変化に基づいて、水素発生部４に対する水素含有燃料供給量及びセルスタック５に対する酸化剤供給量を最適に調整する。更に、判定部１０３は、燃焼機２０の温度変化を判定すると共に、水素含有燃料のガス濃度変化及び酸化剤のガス濃度変化も判定する。調整部１０４は、燃焼機２０の温度変化、水素含有燃料のガス濃度変化、及び酸化剤のガス濃度変化に基づいて、水素発生部４に対する水素含有燃料供給量及びセルスタック５に対する酸化剤供給量を最適に調整する。
図１０は、第三実施形態に係る燃料電池システム１の制御処理の一例を示すフローチャートである。図１０は、燃焼機２０の温度変化及び酸化剤のガス濃度変化を検出した制御処理である。なお、図１０の制御処理のみを実行する燃料電池システム１は、ガスセンサ２６が省略されていてもよい。図１０に示すように、制御部１１の供給量指示部１０１は、水素含有燃料供給部２２へ制御信号を出力することによって燃焼機２０へ水素含有燃料を供給すると共に、酸化剤供給部２３へ制御信号を出力することによって燃焼機２０へ酸化剤を供給する（ステップＳ２１０）。Ｓ２１０では、一定量の水素含有燃料が燃焼機２０へ供給され、一定量の酸化剤が燃焼機２０へ供給される。制御部１１の濃度検出部１０５は、ガスセンサ２７の検出結果に基づいて酸化剤のガス濃度Ｃｙを測定する（ステップＳ２２０）。制御部１１の温度検出部１０２は、温度計２１の検出結果に基づいて燃焼機２０の温度Ｔを測定する（ステップＳ２３０）。
制御部１１の判定部１０３は、Ｓ２２０で取得した酸化剤のガス濃度Ｃｙが一定であり、且つ、Ｓ２３０で取得した燃焼機２０の温度Ｔが一定であるか否かを判定する（ステップＳ２４０）。Ｓ２４０でガス濃度Ｃｙが一定であり、且つ、温度Ｔが一定であると判定された場合、判定部１０３は、水素含有燃料の熱量（組成）やガス濃度や酸化剤のガス濃度に変化はないと判断する。この場合、水素発生部４に対する水素含有燃料の供給量及びセルスタック５に対する酸化剤の供給量は一定のままで、図１０の処理が終了し、再びＳ２１０から処理が開始される。なお、Ｓ２１０での燃焼機２０に対する水素含有燃料及び酸化剤の供給量は、設定変更などがなされない限り、一定である。
Ｓ２４０でガス濃度Ｃｙまたは温度Ｔが変化したと判定された場合、制御部１１の調整部１０４は、ガス濃度Ｃｙの変化及び温度Ｔの変化に基づいて、水素発生部４に対する水素含有燃料及びセルスタック５に対する酸化剤の最適供給量を算出する（ステップＳ２５０）。Ｓ２５０での最適供給量の算出方法は特に限定されず、調整部１０４は、所定の演算式を用いてもよく、予め準備したデータを用いてもよい。例えば、図８に示すようなデータテーブルであって、水素含有燃料のガス濃度Ｃｘの変化量の項目を酸化剤のガス濃度Ｃｙの変化量に置き換えたものを用いることができる。
調整部１０４は、Ｓ２５０での結果に基づいて、水素発生部４に対する水素含有燃料供給量及びセルスタック５に対する酸化剤供給量を調整する（ステップＳ２６０）。調整部１０４は、供給量指示部１０１を介して水素含有燃料供給部７へ制御信号を出力する。また、調整部１０４は、供給量指示部１０１を介して酸化剤供給部９へ制御信号を出力する。Ｓ２６０の処理が終了すると、図１０の処理が終了し、再びＳ２１０から処理が開始される。燃焼機２０の温度Ｔが最適な値になるまで、図１０に示す処理が繰り返し実行されてもよい。ただし、そのときのＳ２１０での燃焼機２０に対する水素含有燃料及び酸化剤の供給量は、一定である。
図１１は、第三実施形態に係る燃料電池システム１の制御処理の一例を示すフローチャートである。図１１は、燃焼機２０の温度変化、水素含有燃料のガス濃度変化、及び酸化剤のガス濃度変化を検出した制御処理である。図１１に示すように、制御部１１の供給量指示部１０１は、水素含有燃料供給部２２へ制御信号を出力することによって燃焼機２０へ水素含有燃料を供給すると共に、酸化剤供給部２３へ制御信号を出力することによって燃焼機２０へ酸化剤を供給する（ステップＳ３１０）。Ｓ３１０では、一定量の水素含有燃料が燃焼機２０へ供給され、一定量の酸化剤が燃焼機２０へ供給される。制御部１１の濃度検出部１０５は、ガスセンサ２６の検出結果に基づいて水素含有燃料のガス濃度Ｃｘを測定する（ステップＳ３２０）。制御部１１の濃度検出部１０５は、ガスセンサ２７の検出結果に基づいて酸化剤のガス濃度Ｃｙを測定する（ステップＳ３３０）。制御部１１の温度検出部１０２は、温度計２１の検出結果に基づいて燃焼機２０の温度Ｔを測定する（ステップＳ３４０）。
制御部１１の判定部１０３は、Ｓ３２０で取得した水素含有燃料のガス濃度Ｃｘが一定であり、且つ、Ｓ３３０で取得した酸化剤のガス濃度Ｃｙが一定であり、且つ、Ｓ３４０で取得した燃焼機２０の温度Ｔが一定であるか否かを判定する（ステップＳ３５０）。Ｓ３５０でガス濃度Ｃｘが一定であり、且つ、ガス濃度Ｃｙが一定であり、且つ、温度Ｔが一定であると判定された場合、判定部１０３は、水素含有燃料の熱量（組成）やガス濃度や酸化剤のガス濃度に変化はないと判断する。この場合、水素発生部４に対する水素含有燃料の供給量及びセルスタック５に対する酸化剤の供給量は一定のままで、図１１の処理が終了し、再びＳ３１０から処理が開始される。なお、Ｓ３１０での燃焼機２０に対する水素含有燃料及び酸化剤の供給量は、設定変更などがなされない限り、一定である。
Ｓ３５０でガス濃度Ｃｘ、ガス濃度Ｃｙ、温度Ｔのいずれかが変化したと判定された場合、制御部１１の調整部１０４は、ガス濃度Ｃｘの変化、ガス濃度Ｃｙの変化及び温度Ｔの変化に基づいて、セルスタック５に対する水素含有燃料及び酸化剤の最適供給量を算出する（ステップＳ３６０）。Ｓ３６０での最適供給量の算出方法は特に限定されず、調整部１０４は、所定の演算式を用いてもよく、予め準備したデータを用いてもよい。例えば、水素含有燃料のガス濃度Ｃｘの変化量、酸化剤のガス濃度Ｃｙの変化量、燃焼機２０の温度Ｔの変化量の項目を有する三次元のデータテーブルを用いることができる。
調整部１０４は、Ｓ３６０での結果に基づいて、水素発生部４に対する水素含有燃料供給量及びセルスタック５に対する酸化剤供給量を調整する（ステップＳ３７０）。調整部１０４は、供給量指示部１０１を介して水素含有燃料供給部７へ制御信号を出力する。また、調整部１０４は、供給量指示部１０１を介して酸化剤供給部９へ制御信号を出力する。Ｓ３７０の処理が終了すると、図１１の処理が終了し、再びＳ３１０から処理が開始される。燃焼機２０の温度Ｔが最適な値になるまで、図１１に示す処理が繰り返し実行されてもよい。ただし、そのときのＳ３１０での燃焼機２０に対する水素含有燃料及び酸化剤の供給量は、一定である。
以上のように、第三実施形態に係る燃料電池システム１は、酸化剤のガス濃度を検出しているため、調整部１０４は、酸化剤のガス濃度の変化の具体的な量を考慮して調整することができる。更に、調整部１０４は、水素含有燃料のガス濃度及び酸化剤のガス濃度の具体的な変化量を考慮して調整することができる。これによって、調整部１０４は、一層最適な調整を行うことができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る燃料電池システムは、実施形態に係る上記燃料電池システム１に限定されない。
例えば、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｂ）を組み合わせてもよい。すなわち、燃焼機２０の熱を複数の熱利用部で利用してもよい。また、図３及び図４は設置例の一部に過ぎず、燃料電池システムの中及び燃料電池システムの外で熱を用いる箇所であれば、いずれの箇所を熱利用部としてもよい。
１…燃料電池システム、２…脱硫部（熱利用部）、３…水気化部（熱利用部）、４…水素発生部、５…セルスタック、１１…制御部、２０…燃焼機（燃焼部）、２１…温度計（温度検出部）、２６，２７…ガスセンサ（濃度検出部）、２４…熱利用部、３１…貯湯槽（熱利用部）、３３…凍結防止部（熱利用部）、１０１…供給量指示部、１０２…温度検出部、１０３…判定部、１０４…調整部、１０５…濃度検出部。

Claims (4)

  1. 水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
    前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、
    前記水素発生部を加熱する第１の燃焼部と、
    所定量の前記水素含有燃料と所定量の酸化剤とを燃焼させる第２の燃焼部と、
    前記第２の燃焼部の温度を検出する温度検出部と、
    前記温度検出部の検出結果に基づいて前記第２の燃焼部の温度変化を判定する判定部と、
    前記判定部によって温度変化があると判定された場合、前記水素発生部に対する前記水素含有燃料の供給量を調整する調整部と、を備え、
    前記水素発生部に前記水素含有燃料を供給する第１の水素含有燃料供給部と、
    前記第２の燃焼部に一定量の前記水素含有燃料を供給する第２の水素含有燃料供給部と、
    前記セルスタックに前記酸化剤を供給する第１の酸化剤供給部と、
    前記第２の燃焼部に一定量の前記酸化剤を供給する第２の酸化剤供給部と、
    前記第２の燃焼部で発生する熱を利用する熱利用部と、を更に備え、
    前記第１の燃焼部と前記第２の燃焼部とは別体に構成され、
    前記第１の水素含有燃料供給部と前記第２の水素含有燃料供給部とは別体に構成され、
    前記第１の酸化剤供給部と前記第２の酸化剤供給部とは別体に構成され、
    前記第２の燃焼部は、前記水素発生部を介することなく前記熱利用部に熱を供給し、
    前記熱利用部は、貯湯槽、システム内の水の凍結を防止する凍結防止部、又はシステムの外で熱を用いる箇所の少なくともいずれかであることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記水素含有燃料または前記酸化剤の濃度を検出する濃度検出部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記調整部は、前記水素含有燃料の濃度の変化量、及び前記第２の燃焼部の温度の変化量と、それらに対して設定される前記水素含有燃料の最適供給量が設定されたデータテーブルに基づいて、前記水素発生部に対する前記水素含有燃料の供給量を調整することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記調整部は、前記酸化剤の濃度の変化量、及び前記第２の燃焼部の温度の変化量と、それらに対して設定される前記酸化剤の最適供給量が設定されたデータテーブルに基づいて、前記セルスタックに対する前記酸化剤の供給量を調整することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
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