JP5948744B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガソリン、軽油、灯油、エタノール、メタノール等の液体燃料や、メタン、エタン、プロパン、都市ガスなどの炭化水素ガスを燃料とする燃料電池システムに関し、詳しくは、これらの燃料を改質し、この改質した改質ガスと、空気などの酸化ガスにて発電する燃料電池とを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料と水を改質器に供給して改質ガスを生成し、この改質ガス、及び空気ブロワより送出される空気を燃料電池に供給して発電電力を得る。このような燃料電池システムは、運転効率を向上させるために、より高効率で運転することが可能となる改質温度、アノード排出ガスの循環流量等の各種の運転条件を設定する。この際、運転条件は、燃料の組成により変化することになり、燃料の組成を考慮することが重要となる。

即ち、一般的に燃料は、油田から採掘された原油を蒸留して精製される。具体的な例を挙げると、ガソリンの場合は、原油から蒸留したＬＰガス、軽質ナフサ、重質ナフサ、重油、軽油、メタノール等を更に分解、分留、改質等の処理により、数種のガソリン基材を精製し、混合して製品となる。そのため、原油の産出場所、精製場所、時期等により、ガソリン組成にばらつきが発生する。例えば、日本国内のレギュラーガソリンの場合は、水素原子に対する炭素原子の含有量は数％程度のばらつきがあることが知られている。

従って、燃料電池システムに用いる燃料組成がばらつくため、改質に必要な原料（燃料、水、空気）の流量を、最も効率が高くなる運転条件に対して、炭素析出せずに、より確実に改質が実行できるように、水、或いは空気を余剰に導入する必要があり、若干低い効率で運転せざるを得ない。

また、特開２００６−１４０１０３号公報（特許文献１）には、燃料電池のアノード導入部に酸素センサを設け、アノードに供給される改質ガス中の酸素濃度を測定し、測定した酸素濃度から酸素分圧を求めて、原燃料の組成を推定する燃料電池について開示されている。

特開２００６−１４０１０３号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、燃料電池のアノードに供給する改質ガスの酸素分圧を測定して燃料の組成を予測するものであり、改質ガスを生成するための改質条件を設定する前に燃料の組成を予測することができないという問題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、改質条件を設定する前に燃料の組成を推定することが可能な燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願発明は、燃料を改質して改質ガスを生成する改質手段と、アノード、及びカソードを有し、前記アノードに前記改質ガスが供給され、前記カソードに空気が供給されて電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池のカソード流路に連通し、燃料が供給されて燃焼する燃焼手段と、前記燃焼手段の、燃焼ガス排出経路上に設けられ、燃焼ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、前記酸素濃度検出手段で検出される酸素濃度に基づいて、前記燃料の組成を推定する組成推定手段と、前記推定された組成に基づいて、前記改質手段における改質条件を設定する制御手段と、を備える。更に、燃焼手段は、カソードの入口側に設置されて燃料電池の起動時にカソードに加熱ガスを供給する起動燃焼バーナであり、酸素濃度検出手段は、起動燃焼バーナの排出口に設けられることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システム及び運転方法では、燃焼手段の燃焼ガス排出経路上に設けられる酸素濃度検出手段により、排出ガス中の酸素濃度を測定し、更に、測定した酸素濃度に基づき、組成推定手段により燃料の組成を推定する。この場合、燃焼による反応式に基づいて燃料の組成を推定できるので、従来の方式と対比して改質条件を設定する前に燃料組成の推定が可能となる。そして、推定した組成に基づいて、改質手段における改質条件などを制御することにより、システム全体の運転効率を向上させることが可能となる。

本発明の第１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図である。 本発明の実施形態で用いる、各燃料毎の燃料流量と酸素分圧との関係を示すマップ図である。 本発明の第２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図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、処理動作を示すフローチャートである。 本発明の第３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図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの、処理動作を示すフローチャートである。 本発明の変形例で用いる、各燃料毎の燃料流量と酸素分圧との関係を示すマップ図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムで用いる、Ｓ／Ｃ、Ｏ2／Ｃ、及びシステム効率との関係を示すマップ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード１１ａ及びアノード１１ｂを備えた燃料電池１１と、燃料改質器（改質手段）１５ａと該燃料改質器１５ａを加熱する改質器燃焼バーナ１５ｂ、及び熱交換器１５ｃを備えた改質装置１５と、を備えている。そして、燃料改質器１５ａより出力される改質ガスは、燃料電池１１のアノード１１ｂに供給される。また、カソード１１ａの排出ガスは改質器燃焼バーナ１５ｂに供給される。

更に、燃料電池１１のカソード１１ａに空気を供給する第１空気ブロワ１２と、該第１空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する空気加熱熱交換器１３と、第１空気ブロワ１２と空気加熱熱交換器１３との間に設けられる空気分岐弁２３と、アノード１１ｂの出口側に設置され、アノード排出ガスを燃料改質器１５ａに循環させる循環ブロワ１６と、該循環ブロワ１６の出口側に設置される分岐弁２５と、を備えている。

分岐弁２５は、循環ブロワ１６より送出されるアノード排出ガスを分岐するものであり、アノード排出ガスの一部を改質器燃焼バーナ１５ｂに供給し、残りのアノード排気ガスを燃料改質器１５ａ側に送出する。

また、この燃料電池システム１００は、改質装置１５の燃料改質器１５ａに空気を供給する第２空気ブロワ１７と、燃料改質器１５ａに燃料を供給する第１燃料ポンプ１８と、該第１燃料ポンプ１８より送出される液体燃料を蒸発させる燃料蒸発器１４と、改質器燃焼バーナ１５ｂに空気を供給する第３空気ブロワ２０と、該改質器燃焼バーナ１５ｂに燃料を供給する第２燃料ポンプ２７と、を備えている。従って、第２空気ブロワ１７より送出される空気、燃料蒸発器１４で気化された燃料ガス、及び分岐弁２５を介して送出されるアノード排気ガスは、混合ガスとして燃料改質器１５ａに供給される。

また、カソード１１ａの排出ガス、分岐弁２５から分岐したアノード排気ガス、第２燃料ポンプ２７より供給される燃料、及び第３空気ブロワ２０より送出される空気が混合されて改質器燃焼バーナ１５ｂに供給される。更に、改質器燃焼バーナ１５ｂより排出される排気ガスは、空気加熱熱交換器１３で熱交換され、その後、燃料蒸発器１４に供給されて、燃料蒸発用の熱源として用いられる。

また、カソード１１ａの入口側には、燃料電池１１を始動させる際に該燃料電池１１を所定の温度まで上昇させるための、起動燃焼バーナ（燃焼手段）２４が設けられている。該起動燃焼バーナ２４の入口側には、第３燃料ポンプ２１、及び燃料蒸発器２２が設けられ、且つ空気分岐弁２３の出口に接続されている。そして、起動燃焼バーナ２４は、第３燃料ポンプ２１より供給され、且つ燃料蒸発器２２で気化された燃料を、空気分岐弁２３より供給される空気と混合して燃焼させ、この燃焼ガスをカソード１１ａに供給する。これにより、燃料電池１１の始動時においてカソード１１ａを加熱することができる。

燃料電池１１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell）であり、アノード１１ｂに供給される改質ガスと、カソード１１ａに供給される空気を反応させて電力を発生させ、モータ等の電力需要設備に供給する。

改質装置１５は、例えば熱交換器型改質器であり、改質器燃焼バーナ１５ｂより供給される熱により加熱される。即ち、燃料改質器１５ａでの改質反応は、基本的に吸熱反応となるように運転するので、アノード排出ガスを燃焼させ、この燃焼により発生した熱を燃料改質器１５ａに伝熱させる機構を有している。そして、燃料改質器１５ａの動作温度に対して改質器燃焼バーナ１５ｂにて生成されるガス温度は高くなるように運転する。また、第１燃料ポンプ１８より供給される燃料と第２空気ブロワ１７より送出される空気とアノード排気ガスとの混合ガスとを、触媒反応を用いて改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）を燃料電池１１のアノード１１ｂに供給する。

更に、この燃料電池システム１００は、制御部３１と、記憶部３３と、起動燃焼バーナ２４の出力側の経路（カソード流路）に設けられ、該起動燃焼バーナ２４より送出される燃焼ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサＰ１（酸素濃度検出手段、第１酸素濃度検出手段）と、を備えている。そして、酸素センサＰ１により検出信号は、制御部３１に出力される。

制御部３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び各種の操作子等からなるマイコンにより構成することが可能であり、第１空気ブロワ１２、第２空気ブロワ１７、第３空気ブロワ２０、第１燃料ポンプ１８、第２燃料ポンプ２７、第３燃料ポンプ２１の各機器に接続され（接続用の配線は図示を省略している）、これらの各機器に制御信号を出力して、燃料電池システム１００を総括的に制御する。特に、本実施形態において該制御部３１は、酸素センサＰ１で検出される酸素濃度に基づいて、後述する手法により燃料の組成を推定し、推定した組成に基づいて、燃料改質器１５ａに供給する空気量、燃料量、及び改質器燃焼バーナ１５ｂに供給する燃料量などを調整して、システム全体が高効率で運転するように制御する。

即ち、制御部３１は、酸素濃度検出手段で検出される酸素濃度に基づいて、燃料の組成を推定する組成推定手段としての機能を備え、更に、推定された組成に基づいて、改質手段における改質条件（燃料の流量、改質温度等）を設定する制御手段としての機能を備えている。

記憶部３３は、燃料流量と酸素分圧との関係を、燃料の種類毎に設定したマップを記憶している。例えば、後述する図２，図７に示す如くの特性曲線を記憶している。特性曲線の詳細については後述する。

次に、本実施形態に係る燃料電池システムの作用について説明する。本実施形態では、酸素センサＰ１により検出した起動燃焼バーナ２４の燃焼ガス中に含まれる酸素濃度に基づいて、燃料の組成を推定する。以下、詳細に説明する。

一般式「ＣαＨβＯγ」（但し、α、β、γはそれぞれ、炭素、水素、酸素の分子量）で示される燃料が燃焼した場合の反応式は、下記の（１）式で示すことができる。

ｘＣαＨβＯγ＋ｙＯ２→
ａＨ2＋ｂＣＨ4＋ｃＣＯ＋ｄＣＯ2＋ｅＨ2Ｏ＋ｆＯ2 …（１）
（１）式において、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、それぞれ、Ｈ2、ＣＨ4、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、Ｏ2の流量［mol／sec］を示す。また、ｘは燃料、ｙは酸素の流量［mol/sec］である。

ここで、（１）式に示すｘは燃料の流量から、ｙは空気の流量から推定することができる。燃料が液体の場合は、気化後の燃料の温度と流量を検知することでｘを予測することができる。

また、（１）式において、質量保存の法則が成立することから、次の（２）式に示す３条件が成立する。

炭素Ｃについて、αｘ＝ｂ＋ｃ＋ｄ
水素Ｈについて、βｘ＝２ａ＋４ｂ＋２ｅ
酸素Ｏについて、γｘ＋２ｙ＝ｃ＋２ｄ＋ｅ＋２ｆ …（２）
更に、次の（３）〜（５）式に示す平衡条件が成立する。

即ち、ＣＯ＋１／２Ｏ2←→ＣＯ2より、（３）式が成立する。

（平衡定数Ｋ１）＝［ＣＯ２］／（［ＣＯ］＊［Ｏ2］^０．５） …（３）
また、ＣＨ4＋２Ｏ2←→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏより、（４）式が成立する。

（平衡定数Ｋ２）＝［ＣＯ2］＊［Ｈ2Ｏ］^２／（［ＣＨ4］＊［Ｏ2］^２） …（４）
更に、Ｈ2＋１／２Ｏ2←→Ｈ2Ｏより、（５）式が成立する。

（平衡定数Ｋ３）＝［Ｈ2Ｏ］／（［Ｈ2］＊［Ｏ2］^０．５） …（５）
なお、Ｋ１〜Ｋ３は既知の数値である。

そして、上記（２）式に示した３つの条件、及び（３）〜（５）式に示した等式に基づいて、６個の未知数ａ〜ｆを決定する。この際、α、β、γは、予測される燃料の種類に基づいて、適宜設定する。更に、空気中の窒素（Ｎ2）が未反応で燃焼ガス中に存在しており、Ｎ2の流量は７９ｙ／２１［mol／sec］で示すことができるので、酸素分圧ＰO2を次の（６）式で求めることができる。なお、空気中の窒素Ｎ2は７９％、酸素Ｏ2は２１％であると仮定している。

ＰO2＝ｆ＊Ｐ0／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋７８＊ｙ／２１） …（６）
但し、Ｐ0は全圧［atm］である。

そして、酸素濃度「ｆ」は、酸素センサＰ１により測定されており、更に、予め設定されている燃料流量［mol/sec］と酸素分圧との関係を示す特性曲線を用いて、燃料を推定する。例えば、記憶部３３には、図２に示すように、セタン（Ｃ16Ｈ34）の特性曲線Ｓ１、イソオク（Ｃ8Ｈ18）の特性曲線Ｓ２、及び混合ガソリン（Ｃ7.12Ｈ13）の特性曲線Ｓ３が記憶されている。そして、燃料流量ｘを測定し、この燃料流量ｘと上述した（６）式で求められる酸素分圧ＰO2［atm］により、燃料の種類を推定することができる。なお、図２では、簡略化のため３種類の燃料のみを記載したが、実際には多数種類の燃料についての特性が設定されている。

図２において例えば、燃料流量ｘがｘ＝３．８×１０^−４であり、酸素センサＰ１により測定された酸素分圧が０．１６［atm］である場合には、この交点は図２の符号ｑ１となるので、この燃料は混合ガソリン（曲線Ｓ３）であると推定できる。また、燃料流量ｘがｘ＝３．８×１０^−４であり、酸素センサＰ１により測定された酸素分圧が０．１４［atm］である場合には、この交点は符号ｑ２となるので、この燃料はイソオク（曲線Ｓ２）であると推定でき、酸素センサＰ１により測定された酸素分圧が０．０８［atm］である場合には、この交点は符号ｑ３となるので、この燃料はセタン（曲線Ｓ１）であると推定できる。なお、上記では、酸素分圧を求める例について説明したが、酸素モル濃度を用いるようにしても良い。こうして、燃料の組成を推定することができるのである。なお、この場合は、第３燃料ポンプ２１より供給される燃料を推定することになるが、第１燃料ポンプ１８及び第２燃料ポンプ２７より供給される燃料も、供給源が同一であることから同様の組成であるものとする。

その後、上記の手法で推定した燃料の組成に基づいて、燃料改質器１５ａに供給する空気流量、燃料流量、アノード排出ガスの流量等の、改質条件、改質温度を適宜設定して、運転効率を高くすることが可能となる。即ち、図８に示すように、Ｓ／ＣとＯ2／Ｃとの関係と、システムの運転効率との関係を示すマップが記憶部３３に記憶されており、このマップを参照して、最も高い効率となる運転条件でシステム全体を運転することが可能となる。具体的な運転条件の設定については、周知の技術を用いることができるので、ここでは詳細な説明を省略する。

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、起動燃焼バーナ２４より出力される燃焼ガスの酸素濃度を測定し、測定した酸素濃度からカソード流路中の酸素分圧を算出する。そして、この酸素分圧と、燃料の供給量に基づき、予め設定されているマップ（図２参照）を用いることにより、燃料の組成を求める。従って、燃料の組成を高精度に推定することができることとなる。更に、推定した組成に基づいて、システム全体を炭素析出を回避し、且つ、高効率で運転することが可能となる。

即ち、燃料の組成を推定することにより、燃料流量に対する水、空気の流量を適切に導入することが可能となり、たとえ燃料組成がばらついていたとしても、最も効率が高くなる改質条件にて燃料電池システムを運転させることが可能となる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図３は、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１の構成を示すブロック図である。図示のように、第２実施形態では、図１に示した燃料電池システム１００と対比して、分岐弁２５を備えない点、即ち、アノード排出ガスが全て改質器燃焼バーナ（燃焼手段）１５ｂに供給されている点、改質器燃焼バーナ１５ｂの出口側に酸素センサＰ２が設けられている点、燃料電池１１に電流センサＪ１、温度センサＴ１が設けられている点、及び酸素センサＰ１を取り除いた点で相違する。それ以外の構成は、図１と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

そして、第２実施形態では、改質器燃焼バーナ１５ｂの出口における酸素濃度を検出し、この酸素濃度に基づいて、燃料の組成を検出する。以下、燃料の組成を推定する手順について、図４に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに図４のステップＳ１１において、制御部３１は、発電電流量、及び燃料電池１１のプロセスガス温度を検出する。発電電流量、及びプロセスガス温度は、燃料電池１１に設けられる電流センサＪ１、及び温度センサＴ１により測定することができる。

ステップＳ１２において、制御部３１は、燃料電池１１の排出空気、及び排出燃料（カソード１１ａより排出される空気及び燃料）により、改質器燃焼バーナ１５ｂを燃焼させ、更に、酸素センサＰ２により燃焼により発生する燃焼ガス中の酸素分圧を測定する。

ステップＳ１３において、制御部３１は、アノード１１ｂに導入する燃料流量、カソード１１ａに導入する空気流量、及び上記の発電電流量に基づいて改質器燃焼バーナ１５ｂに導入される未利用燃料流量と未利用酸素流量を予測し、これらを燃焼したときのカソード排気ガスの平衡組成時の酸素分圧から、燃料の組成を推定する。詳細については、後述する。

ステップＳ１４において、制御部３１は、推定された燃料の組成に基づいて、改質装置１５における改質運転条件を決定し、この条件でシステム全体を運転する。

次に、図５のステップＳ１３に示した処理を詳細に説明する。時刻ｔでのアノード１１ｂ、カソード１１ａのガス導入流量を検知し、アノード側の燃料流量をＸ（ｔ）［mol／sec］、空気流量をＺa（ｔ）［mol／sec］とする。即ち、第１燃料ポンプ１８より供給される燃料流量をＸ（ｔ）とし、第２空気ブロワ１７より導入される空気流量をＺa（ｔ）とする。また、カソード側の空気流量をＺc（ｔ）［mol／sec］とする。即ち、第１空気ブロワ１２より導入される空気量をＺc（ｔ）とする。

更に、改質器燃焼バーナ１５ｂに新規に導入する燃料と空気流量を検知し、燃料流量をＸb（ｔ）［mol／sec］とし、空気流量をＺb（ｔ）［mol／sec］とする。即ち、第２燃料ポンプ２７より導入される燃料流量をＸb（ｔ）とし、第３空気ブロワ２０より導入される空気流量をＺa（ｔ）とする。

また、燃料電池１１における発生電流Ｉ（ｔ）を電流センサＪ１により検知する。この検知結果により、燃料電池１１内のカソード流路からアノード流路へ、電解質を介して通過した酸化物イオン「Ｏ^２−」の量を求めることができ、この酸化物イオン「Ｏ^２−」の量により、発生電流に起因する酸素相当流量ＩＯ2(t)［mol／sec］を見出すことができる。即ち、下記の（７）式が成立する。

ＩO2（ｔ）＝Ｉ（ｔ）／４Ｆ …（７）
但し、Ｆ＝９６４８５［Ｃ／mol］（ファラデー定数）である。

また、アノード流路中のガスと、カソード流路中のガスが改質器燃焼バーナ１５ｂまで到達する時間には差が発生するため、その時間分を考慮する必要がある。即ち、配管径と配管長さ、改質器と燃料電池流路を含めた総流路体積、更に、ガス流量と温度に応じて、アノード流路、カソード流路へ到達する時間が変化する。

このため、まず、燃料電池１１のプロセス温度を測定し、想定している燃料組成から、アノードガスの体積流量と、カソードガスの体積流量を想定する。これらと総流路体積から、燃料導入口或いは空気導入口から燃料電池１１の出口までのアノードガス流通時間Ｔfaと燃料電池１１の出口から改質器燃焼バーナ１５ｂまでのアノードガス流通時間Ｔbaを予測し、同様に、空気導入口から燃料電池１１の出口までのカソードガス流通時間Ｔfcと、燃料電池１１の出口から改質器燃焼バーナ１５ｂまでのカソードガス流通時間Ｔbcを予測する。

そして、各予測時間Ｔba、Ｔfc、Ｔbcを用いて、時刻Ｔでの改質器燃焼バーナ１５ｂに導入されるガス導入条件を予測すると、以下のようになる。

即ち、アノード１１ｂ側において、燃料流量は、Ｘ(Ｔ−Ｔfa−Ｔba）［mol／sec］で示され、空気流量は、Ｚa（Ｔ−Ｔfa−Ｔba)［mol／sec］で示され、酸素相当流量は、ＩO2（Ｔ−Ｔba）［mol／sec］で示される。

また、カソード１１ａ側において、空気流量は、Ｚc（Ｔ−Ｔfc−Ｔbc）［mol／sec］で示され、酸素相当流量は、−ＩO2（Ｔ−Ｔbc）［mol／sec］で示される。

更に、新規原料として、燃料流量は、Ｘb（Ｔ）［mol／sec］で示され、空気流量はＺb（Ｔ）［mol／s］で示される。

よって、空気中に含まれる酸素濃度がモル分率で２１％であるとすると、改質器燃焼バーナ１５ｂに導入される燃料流量、及び酸素流量は、次の（８）、（９）式で求めることができる。

燃料流量＝Ｘ（Ｔ−Ｔfa−Ｔba）＋Ｘb（Ｔ）［mol／sec］ …（８）
酸素流量＝０．２１＊｛Ｚa（Ｔ−Ｔfa−Ｔba）＋Ｚc（Ｔ−Ｔfc−Ｔbc）
＋Ｚb（Ｔ）｝＋ＩO2（Ｔ−Ｔba）−ＩO2（Ｔ−Ｔbc） …（９）
そして、上記の（８）、（９）式と、改質器燃焼バーナ１５ｂ出口の酸素分圧計測結果ＰO2[atm]に基づき、前述した第１実施形態と同様の方法を採用して燃料の組成を推定することが可能となる。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、改質器燃焼バーナ１５ｂの排出口の酸素濃度を酸素センサＰ２により測定し、この酸素濃度に基づいて、改質器燃焼バーナ１５ｂに供給される燃料、及び酸素の平衡式により燃料の組成を推定する。従って、燃料の組成を高精度に推定することが可能となる。

また、前述した第１実施形態では、起動燃焼バーナ２４が作動している場合に燃料の組成を推定するので、システムが始動開始してから所定時間が経過して起動燃焼バーナ２４が停止した場合には、燃料の組成を推定することができなかったが、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、システムの運転中においても燃料組成を推定することが可能となる。このため、リアルタイムで燃料組成が変化する場合であっても、これに対応して高効率となる運転条件でシステムを運転することが可能となる。

［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図５は、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２の構成を示すブロック図である。図示のように、第３実施形態では、図１に示した燃料電池システム１００と対比して、改質器燃焼バーナ１５ｂの出口側に酸素センサＰ２が設けられている点、及び燃料電池１１に電流センサＪ１、及び温度センサＴ１が設けられている点で相違する。それ以外の構成は、図１と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

そして、第３実施形態では、起動燃焼バーナ２４の出口における酸素濃度を酸素センサＰ１（第１酸素濃度検出手段）で測定し、改質器燃焼バーナ１５ｂの出口における酸素濃度を酸素センサＰ２（第２酸素濃度検出手段）で測定し、燃料電池１１の運転状況に応じて各センサＰ１，Ｐ２うちの少なくとも一方で検出される酸素濃度に基づいて、燃料の組成を検出する。以下、燃料の組成を推定する手順について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに、ステップＳ３１において、制御部３１は、事前の準備として発電停止時において発電開始までの時間を認識する。

ステップＳ３２において、燃料補給のタイミングを検出する。本実施形態では、移動体に搭載する燃料電池システムを想定しており、燃料は液体燃料であり、燃料補給のタイミングは移動体に備えた燃料タンク中の残燃料の変化を検出することにより認識することができる。なお、残燃料の変化は、図示省略の燃料センサにより検出することができる。

ステップＳ３３において、制御部３１は、燃料電池システムが停止中であるか否かを判断する。そして、停止中であれば（ステップＳ３３でＹＥＳ）、ステップＳ３５に処理を進め、動作中であれば（ステップＳ３３でＮＯ）、ステップＳ３４に処理を進める。

ステップＳ３４において、制御部３１は、改質器燃焼バーナ１５ｂに新規で燃料を導入し、燃料電池の排出空気及び排出燃料と共に燃焼させて、酸素センサＰ２により酸素濃度を検出する。

ステップＳ３５において、制御部３１は、システムが停止していた時間から燃料電池１１、及び燃料改質器１５ａの温度を予測し、この予測温度が規定温度以下であるか否かを判断する。そして、規定温度以下でない場合には（ステップＳ３５でＮＯ）、ステップＳ３６に処理を進め、規定温度以下である場合には（ステップＳ３５でＹＥＳ）、ステップＳ３７に処理を進める。

ステップＳ３４の処理が終了した場合、及びステップＳ３５の処理でＮＯと判定された場合には、ステップＳ３６において、制御部３１は、改質器燃焼バーナ１５ｂに新規の燃料を導入し、カソード１１ａより排出される燃料、及び空気と混合して燃焼させ、このときの燃料流量、空気流量、及び発生電流量から燃焼ガス中の酸素濃度を測定する。即ち、前述した第２実施形態に示した手法により、燃焼ガス中の酸素濃度を測定する。その後、ステップＳ３８に処理を進める。

ステップＳ３７において、制御部３１は、起動燃焼バーナ２４に燃料、及び空気を所定流量で導入して燃焼させる。そして、酸素センサＰ１により燃焼ガス中の酸素濃度を測定する。即ち、前述した第１実施形態に示した手法により、燃焼ガス中の酸素濃度を測定する。その後、ステップＳ３８に処理を進める。

ステップＳ３８において、制御部３１は、ステップＳ３６の処理で求められた酸素濃度、或いはステップＳ３７の処理で求められた酸素濃度に基づいて、燃料の組成を推定する。即ち、改質器燃焼バーナ１５ｂの酸素濃度を用いた場合には、第２実施形態に示した手法で燃料の組成を推定し、起動燃焼バーナ２４の酸素濃度を用いた場合には、第１実施形態に示した手法で燃料の組成を推定する。

ステップＳ３９において、制御部３１はステップＳ３８の処理で推定された燃料の組成に基づいて、改質運転の条件を決定する。

ステップＳ４０において、制御部３１は、発電中の燃料組成推定モードとする。即ち、システムが運転中において、前述した第２実施形態に示した手法により、燃料の組成を推定し、運転効率が高くなるように、改質運転条件を決定する処理を実行する。その後、本処理を終了する。

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２では、起動燃焼バーナ２４の出口、及び改質器燃焼バーナ１５ｂの出口にそれぞれ酸素センサＰ１，Ｐ２を設け、ホットスタートモードである場合（起動燃焼バーナ２４を作動させない場合）には、改質器燃焼バーナ１５ｂに設けられた酸素センサＰ２を用いた燃料組成の推定を行い、ホットスタートモードでない場合には、起動燃焼バーナ２４に設けられた酸素センサＰ１を用いた燃料組成の推定を行う。

従って、運転開始時には、起動燃焼バーナ２４の燃焼ガスに基づく燃料組成の推定を行うので、推定精度を向上させることができ、他方、運転中のように、起動燃焼バーナ２４が停止している場合には、改質器燃焼バーナ１５ｂの燃焼ガスに基づく燃料組成の推定を行うので、起動燃焼バーナ２４が停止している場合でも、高精度に燃料組成の推定を行うことができる。その結果、システムの運転状況に関わらず、燃料電池システム１０２を常に高い効率で運転させることができる。

また、例えば車両の場合には、燃料の補給時において、燃料タンク中に存在する残燃料と補給時に追加された新規燃料が徐々に混合されるため、発電時に用いる燃料組成は時間的に変動する可能性が高い。この補給時のタイミングに合わせて、燃料組成を推定するので、より高効率な運転が可能となる。

［変形例の説明］
前述した第１〜第３実施形態では、酸素分圧を推定し、且つ燃料流量に基づき、図２に示す特性曲線を参照して燃料の組成を推定する方式を採用した。ところが、例えば、図２の曲線Ｓ３に示すガソリン（Ｃ7.13Ｈ13）と、曲線Ｓ２に示すイソオク（Ｃ8Ｈ18）のように、曲線の特性が極めて類似している場合には、測定結果に誤差が生じる場合があり得る。

変形例に係る燃料電池システムでは、導入する燃料流量の計測に誤差が発生することを想定し、燃料流量を流量計測の測定において有意な変化させることで、２点以上の酸素濃度を測定し、その変化（傾き）から、ガソリンとイソオクの分離精度を向上させる。即ち、例えば、図２に示す燃料流量ｘ＝３．８×１０^−４の場合と、ｘ＝５．８×１０^−４の場合の２つの点でそれぞれ酸素分圧をそれぞれ測定し、この２点を結ぶ直線の傾きと、ガソリン、及びイソオクの特性から得られる傾きとの一致、不一致を見ることにより、燃料の組成を高精度に推定することが可能となる。具体的には、曲線Ｓ２とＳ３の傾きの相違から、ガソリンであるかイソオクであるかを高精度に区別することが可能となる。

また、他の例として、図７に示すように、エタノール（Ｃ2Ｈ6Ｏ）とエチレン（Ｃ2Ｈ4）を燃焼させた場合においても同様に誤差が生じる可能性がある。

エタノールは、下記（１０）の化学反応式により発電し、エチレンは、下記（１１）の化学反応式により発電する。

Ｃ2Ｈ6Ｏ＋３Ｏ2 → ２ＣＯ2＋３Ｈ2Ｏ …（１０）
Ｃ2Ｈ4＋３Ｏ2 → ２ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ …（１１）
エタノールの場合には、１モルの燃料に対して空気中の酸素を３モル使用するので、燃料が少ないような希釈燃焼での酸素分圧は元々の空気中の酸素分圧に対して変化が小さいため、酸素分圧の測定精度や流量制御器の精度内に入ってしまい、エタノールかエチレンかを分類することが困難になる。

このため、燃料流量、或いは空気流量のうちの少なくとも一方を異なる条件における燃焼ガス中の酸素分圧を２点以上調べ、その変化（２点の場合は傾き）も含めて、燃料組成を分類することにより、燃料組成の予測精度を向上させる。こうすることにより、より高精度に燃料の組成を推定することができる。

以上、本発明の燃料電池システム及びその運転方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、燃料電池システムの効率を向上させることに利用することができる。

１１ 燃料電池
１１ａ カソード
１１ｂ アノード
１２ 第１空気ブロワ
１３ 空気加熱熱交換器
１４ 燃料蒸発器
１５ 改質装置
１５ａ 燃料改質器
１５ｂ 改質器燃焼バーナ
１５ｃ 熱交換器
１６ 循環ブロワ
１７ 第２空気ブロワ
１８ 第１燃料ポンプ
２０ 第３空気ブロワ
２１ 第３燃料ポンプ
２２ 燃料蒸発器
２３ 空気分岐弁
２４ 起動燃焼バーナ
２５ 分岐弁
２７ 第２燃料ポンプ
３１ 制御部
３３ 記憶部
１００，１０１，１０２燃料電池システム

Claims (6)

1. 燃料を改質して改質ガスを生成する改質手段と、
   アノード、及びカソードを有し、前記アノードに前記改質ガスが供給され、前記カソードに空気が供給されて電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池のカソード流路に連通し、燃料が供給されて燃焼する燃焼手段と、
   前記燃焼手段の、燃焼ガス排出経路上に設けられ、燃焼ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
   前記酸素濃度検出手段で検出される酸素濃度に基づいて、前記燃料の組成を推定する組成推定手段と、
   前記推定された組成に基づいて、前記改質手段における改質条件を設定する制御手段と、
   を備え、
   前記燃焼手段は、前記カソードの入口側に設置されて前記燃料電池の起動時に前記カソードに加熱ガスを供給する起動燃焼バーナであり、前記酸素濃度検出手段は、前記起動燃焼バーナの排出口に設けられること
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃焼手段として、前記カソードの入口側に設置されて前記燃料電池の起動時に前記カソードに加熱ガスを供給する起動燃焼バーナと、前記カソードの排気ガス及び燃料が供給されて燃焼し、燃焼熱を前記改質手段に伝達する改質器燃焼バーナと、を備え、
   前記起動燃焼バーナの排出口に第１酸素濃度検出手段を設け、前記改質器燃焼バーナの排出口に第２酸素濃度検出手段を設け、
   前記組成推定手段は、燃料電池システムの運転状況に応じて、前記第１酸素濃度検出手段及び前記第２酸素濃度検出手段のうちの少なくとも一方で検出される酸素濃度に基づいて、前記燃料の組成を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記改質手段に供給する燃料流量を検出する燃料検出手段を更に備え、
   前記組成推定手段は、
   前記燃料検出手段により燃料の補給が検出されているときに、前記燃料電池が停止している場合には、その後、前記燃料電池の運転開始時に、前記第１酸素濃度検出手段または前記第２酸素濃度検出手段のうちの少なくとも一方で検出される酸素濃度に基づいて、前記燃料の組成を推定し、
   前記燃料検出手段により燃料の補給が検出されているときに、前記燃料電池が運転中の場合には、前記第２酸素濃度検出手段で検出される酸素濃度に基づいて、前記燃料の組成を推定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. 前記組成推定手段は、燃料の組成と、この燃料を燃焼させた際の燃焼ガスの成分との関係を示す計算式より得られる、質量保存則及び平衡条件式に基づき、
   更に、前記酸素濃度検出手段にて検出される酸素濃度を用いて、前記燃焼ガスの酸素分圧を求め、該酸素分圧に基づいて、前記燃料の組成を推定することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記組成推定手段は、前記燃焼手段に導入する燃料流量と空気流量の少なくとも一方の流量を変更し、前記流量の変化前と変化後の酸素濃度の変化に基づいて前記燃料の組成を推定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 燃料を改質して改質ガスを生成するステップと、
   アノードに前記改質ガスが供給され、カソードに空気が供給されて電力を発生する燃料電池の、前記カソードの入り口側に設置されて前記燃料電池の起動時に前記カソードに加熱ガスを供給する起動燃焼バーナに燃料を供給して燃焼させるステップと、
   前記起動燃焼バーナの排出口に設けられた酸素濃度検出手段により、該起動燃焼バーナの燃焼ガス中に含まれる酸素濃度を検出するステップと、
   前記燃焼ガス中に含まれる酸素濃度に基づいて、前記燃料の組成を推定するステップと、
   前記推定された組成に基づいて、改質手段における改質条件を設定するステップと、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
   
   

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