燃料電池システム
【課題】簡単な構成で燃料の性状変化を検出できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１では、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタック５の掃引電流が一定となる定格運転状態において、セルスタック５から出力される電圧の移動平均値の変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【解決手段】燃料電池システム１では、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタック５の掃引電流が一定となる定格運転状態において、セルスタック５から出力される電圧の移動平均値の変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
逆潮流可能なサイト又は電力需要の大きなサイトにおいて、燃料電池システムは、セルスタックに供給される燃料の性状が一定であるものとして構築することができる。そのため、燃料の性状が変動するような環境に燃料電池システムを設置すると、システム内の熱バランスの悪化やセルスタックの劣化の進行を引き起こすおそれがあった。
【０００３】
このような問題に対し、例えば特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料の性状及び流量を計測する燃料性状計測手段を燃料供給部に設け、計測結果に基づいて水蒸気供給量や燃料供給量といった各種のパラメータを制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４９０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような従来の燃料性状計測手段は、実際には燃料の組成・発熱量・流量といった複数の因子を計測する構成を要する。したがって、燃料電池システムの構成の複雑化を招いてしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な構成で燃料の性状変化を検出できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の解決のため、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含有する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、セルスタックから出力される電圧を検出する電圧検出部と、当該燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、運転状態判断部によって燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に、電圧検出部によって検出された電圧の現時点の第１移動平均値と、現時点より一定時間前の第２移動平均値とを算出し、第１移動平均値と第２移動平均値との比較に基づいて燃料の性状変化の有無を判断する性状変化判断部と、を備える。
【０００８】
この燃料電池システムでは、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタックの掃引電流が一定となる定格運転状態において、セルスタックから出力される電圧の移動平均値の変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含有する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、セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、燃焼部の温度を検出する温度検出部と、当該燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、運転状態判断部によって燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に、温度検出部によって検出された温度の現時点の第１移動平均値と、現時点より一定時間前の第２移動平均値とを算出し、第１移動平均値と第２移動平均値との比較に基づいて燃料の性状変化の有無を判断する性状変化判断部と、を備える。
【００１０】
この燃料電池システムでは、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタックの掃引電流が一定となる定格運転状態において、温度検出部で検出される燃焼部の温度の移動平均値の変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムによれば、簡単な構成で燃料の性状変化を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す図である。
【図２】制御部の機能的な構成要素を示す図である。
【図３】制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】診断開始条件の判断の一例を示すフローチャートである。
【図５】燃料の性状とセルスタックの出力との関係を示す図である。
【図６】変形例に係る制御部の機能的な構成要素を示す図である。
【図７】変形例に係る制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】変形例に係る燃料の性状とセルスタックの出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
続いて、制御部１１が実行する制御について更に詳細に説明する。
【００２６】
制御部１１は、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する部分であるが、これに加えて、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の性状（熱量や組成など）の変化に起因する燃料電池システム１の出力の変化を診断する診断処理を実行する。
【００２７】
この診断処理に関し、制御部１１は、図２に示すように、機能的な構成要素として、診断開始条件判断部１０１と、運転状態判断部１０２と、電圧検出部１０３と、性状変化判断部１０４と、燃料供給テーブル選択部１０５とを備えている。
【００２８】
診断開始条件判断部１０１は、診断処理の実行を開始するか否かを判断する部分である。診断開始条件は、種々の条件を適用し得るが、例えば燃料電池システム１が発電を開始してから所定時間が経過したか否か、或いは燃料電池システム１に接続される貯湯槽（不図示）の残量が少なく、温水需要が生じていること（燃料電池システム１が熱回収をしている状態にあること）などが挙げられる。発電を開始してからの所定時間は、例えば１０００時間に設定される。
【００２９】
運転状態判断部１０２は、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かを判断する部分である。定格運転状態とは、セルスタック５で発電される電力が仕様上最大の電力となるような運転状態であり、電圧・電流が安定した動作をする状態である。運転状態判断部１０２は、例えばセルスタック５から出力される電圧の移動平均値の変化が一定時間（例えば１５分）にわたって閾値以下であった場合に、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断する。
【００３０】
電圧検出部１０３は、セルスタック５からパワーコンディショナー１０に出力される電圧を検出する部分である。電圧検出部１０３は、燃料電池システム１が発電を行っている間、セルスタック５からパワーコンディショナー１０に出力される電圧を常時検出する。
【００３１】
性状変化判断部１０４は、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の性状変化の有無を判断する部分である。より具体的には、性状変化判断部１０４は、運転状態判断部１０２によって燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合に、電圧検出部１０３によって検出された電圧の現時点の第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗと、現時点より一定時間前の第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとを算出する。第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅは、例えば１５分間分の電圧の移動平均値とすればよい。また、第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅは、例えば第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗの１０時間前の移動平均値とすればよい。
【００３２】
第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅの算出の後、性状変化判断部１０４は、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅを比較し、第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅに対する第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗの変化量が閾値を超えているか否かを判断する。この場合、上限閾値は、例えば第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３、下限閾値は、例えば第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７とすればよい。以上のような第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅの比較は、一定時間おきに実行してもよく、常時実行してもよい。
【００３３】
燃料供給テーブル選択部１０５は、性状変化判断部１０４における判断結果に基づいて、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の供給テーブルを変更する部分である。燃料供給テーブル選択部１０５は、性状変化判断部１０４において、例えば第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３を超えていると判断された場合には、高発熱量用燃料供給テーブルを選択して燃料の供給を制御する。一方、燃料供給テーブル選択部１０５は、性状変化判断部１０４において、例えば第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７に満たないと判断された場合には、低発熱量用燃料供給テーブルを選択して燃料の供給を制御する。
【００３４】
高発熱量用燃料供給テーブルは、燃料の発熱量が従来よりも高くなっている場合に用いるテーブルである。高発熱量用燃料供給テーブルを用いる場合、燃料利用率及びＳ／Ｃが一定であること前提として、例えば燃料流量１．０Ｌ／ｍｉｎ、水７ｇ／ｍｉｎに制御される。低発熱量用燃料供給テーブルは、燃料の発熱量が従来よりも低くなっている場合に用いるテーブルである。低発熱量用燃料供給テーブルを用いる場合、燃料利用率及びＳ／Ｃが一定であること前提として、例えば燃料流量１．５Ｌ／ｍｉｎ、水１０．５ｇ／ｍｉｎに制御される。
【００３５】
次に、制御部１１の動作について説明する。図３は、制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【００３６】
まず、燃料電池システム１が発電を開始すると、セルスタック５から出力される電圧の検出が開始される（ステップＳ０１）。次に、セルスタック５から出力される電圧の移動平均値の変化量に基づいて、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かが判断される（ステップＳ０２）。
【００３７】
ステップＳ０２において、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合、診断開始条件の判断がなされる（ステップＳ０３，ステップＳ０４）。診断開始条件の判断では、例えば図４に示すように、まず、発電開始から所定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ２１）。次いで、温水需要が大きいか否かが判断され（ステップＳ２２）、ステップＳ２１，２２をいずれも満たす場合には、診断開始条件を満たすと判断される（ステップＳ２３）。また、ステップＳ２１，Ｓ２２のいずれかを満たさない場合には、診断開始条件を満たさないと判断される（ステップＳ２４）。診断開始条件を満たさないと判断された場合、ステップＳ０２〜ステップＳ０４までの処理が繰り返し行われる。
【００３８】
診断開始条件を満たすと判断された場合、図３に示すように、電圧検出部１０３によって検出された電圧の現時点の第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗと、現時点より一定時間前の第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとの算出が行われる（ステップＳ０５）。次に、第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７＜第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ＜第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３を満たすか否かが判断される（ステップＳ０６）。
【００３９】
ステップＳ０６において、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが閾値の範囲内であった場合には、燃料の性状に変化はないと判断され、診断開始から所定の時間が経過した後、診断処理が終了する（ステップＳ１１）。一方、ステップＳ０６において、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが閾値の範囲外であった場合には、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗと第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとの大小が判断される（ステップＳ０７）。
【００４０】
ステップＳ０７において、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅより大きい場合には、燃料の性状が変化して、燃料の発熱量が従来よりも高くなっていると判断され、高発熱量用燃料供給テーブルに基づいて燃料の供給が制御される（ステップＳ０８）。一方、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅより小さい場合には、燃料の性状が変化して、燃料の発熱量が従来よりも低くなっていると判断され、低発熱量用燃料供給テーブルに基づいて燃料の供給が制御される（ステップＳ０９）。いずれの場合も、燃料供給テーブルの変更が行われた場合には、第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅが第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗに置換される（ステップＳ１０）。そして、診断開始から所定の時間が経過した後、診断処理が終了する（ステップＳ１１）。
【００４１】
以上説明したように、燃料電池システム１では、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタック５の掃引電流が一定となる定格運転状態において、セルスタック５から出力される電圧の移動平均値に変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【００４２】
図５は、燃料の性状とセルスタックの出力との関係を示す図である。同図では、燃料の熱量が従来よりも低くなる場合を例示している。掃引電流が一定となる定格運転状態において、燃料の性状が変化して熱量が低くなると、セルスタック５から出力される電圧が低下する。これに対し、制御部１１が燃料の性状の変化を検出し、燃料供給テーブルが変更されると、燃料の熱量の減少が流量の増加によって補われ、セルスタック５から出力される電圧が燃料の性状の変化前と同等の値まで回復する。
【００４３】
次に、本発明の変形例について説明する。変形例は、セルスタック５から出力される電圧の検出に代えて、オフガス燃焼部６の温度の検出によって燃料の性状の変化を診断する点で上述した実施形態と異なっている。
【００４４】
診断処理に関し、変形例における制御部２１は、図６に示すように、機能的な構成要素として、診断開始条件判断部２０１と、運転状態判断部２０２と、温度検出部２０３と、性状変化判断部２０４と、燃料供給テーブル選択部２０５とを備えている。診断開始条件判断部２０１については、上述した診断開始条件判断部１０１と同様であるため、説明を省略する。
【００４５】
運転状態判断部２０２は、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かを判断する部分である。運転状態判断部２０２は、例えばオフガス燃焼部６の温度の移動平均値の変化が一定時間（例えば１５分）にわたって閾値以下であった場合に、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断する。
【００４６】
温度検出部２０３は、オフガス燃焼部６の温度を検出する部分である。温度検出部２０３は、燃料電池システム１が発電を行っている間、オフガス燃焼部６の温度を常時検出する。
【００４７】
性状変化判断部２０４は、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の性状変化の有無を判断する部分である。より具体的には、性状変化判断部２０４は、運転状態判断部２０２によって燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合に、温度検出部２０３によって検出されたオフガス燃焼部６の温度の現時点の第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗと、現時点より一定時間前の第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとを算出する。第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅは、例えば１５分間分の温度の移動平均値とすればよい。また、第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅは、例えば第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗの１０時間前の移動平均値とすればよい。
【００４８】
第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅの算出の後、性状変化判断部２０４は、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅを比較し、第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅに対する第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗの変化量が閾値を超えているか否かを判断する。この場合、上限閾値は、例えば第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３、下限閾値は、例えば第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７とすればよい。以上のような第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅの比較は、一定時間おきに実行してもよく、常時実行してもよい。
【００４９】
燃料供給テーブル選択部２０５は、性状変化判断部２０４における判断結果に基づいて、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の供給テーブルを変更する部分である。燃料供給テーブル選択部２０５は、性状変化判断部２０４において、例えば第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３を超えていると判断された場合には、高発熱量用燃料供給テーブルを選択して燃料の供給を制御する。一方、燃料供給テーブル選択部２０５は、性状変化判断部２０４において、例えば第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７に満たないと判断された場合には、低発熱量用燃料供給テーブルを選択して燃料の供給を制御する。
【００５０】
高発熱量用燃料供給テーブルは、燃料の発熱量が従来よりも高くなっている場合に用いるテーブルである。高発熱量用燃料供給テーブルを用いる場合、燃料利用率及びＳ／Ｃが一定であること前提として、例えば燃料流量１．０Ｌ／ｍｉｎ、水７ｇ／ｍｉｎに制御される。低発熱量用燃料供給テーブルは、燃料の発熱量が従来よりも低くなっている場合に用いるテーブルである。低発熱量用燃料供給テーブルを用いる場合、燃料利用率及びＳ／Ｃが一定であること前提として、例えば燃料流量１．５Ｌ／ｍｉｎ、水１０．５ｇ／ｍｉｎに制御される。
【００５１】
次に、制御部２１の動作について説明する。図７は、変形例に係る制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【００５２】
まず、燃料電池システム１が発電を開始すると、オフガス燃焼部６の温度の検出が開始される（ステップＳ３１）。次に、オフガス燃焼部６の温度の移動平均値の変化量に基づいて、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かが判断される（ステップＳ３２）。
【００５３】
ステップＳ３２において、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合、診断開始条件の判断がなされる（ステップＳ３３，ステップＳ３４）。診断開始条件の判断では、例えば図４と同様の判断がなされる（ステップＳ２１〜Ｓ２４）。診断開始条件を満たさないと判断された場合、ステップＳ３２〜ステップＳ３４までの処理が繰り返し行われる。
【００５４】
診断開始条件を満たすと判断された場合、図７に示すように、温度検出部２０３によって検出された温度の現時点の第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗと、現時点より一定時間前の第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとの算出が行われる（ステップＳ３５）。次に、第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７＜第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ＜第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３を満たすか否かが判断される（ステップＳ３６）。
【００５５】
ステップＳ３６において、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが閾値の範囲内であった場合には、燃料の性状に変化はないと判断され、診断開始から所定の時間が経過した後、診断処理が終了する（ステップＳ４１）。一方、ステップＳ３６において、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが閾値の範囲外であった場合には、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗと第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとの大小が判断される（ステップＳ３７）。
【００５６】
ステップＳ３７において、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅより大きい場合には、燃料の性状が変化して、燃料の発熱量が従来よりも高くなっていると判断され、高発熱量用燃料供給テーブルに基づいて燃料の供給が制御される（ステップＳ３８）。一方、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅより小さい場合には、燃料の性状が変化して、燃料の発熱量が従来よりも低くなっていると判断され、低発熱量用燃料供給テーブルに基づいて燃料の供給が制御される（ステップＳ３９）。いずれの場合も、燃料供給テーブルの変更が行われた場合には、第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅが第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗに置換される（ステップＳ４０）。そして、診断開始から所定の時間が経過した後、診断処理が終了する（ステップＳ４１）。
【００５７】
以上説明したように、本変形例では、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタック５の掃引電流が一定となる定格運転状態において、オフガス燃焼部６の温度の移動平均値に変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【００５８】
図８は、変形例に係る燃料の性状とセルスタックの出力との関係を示す図である。同図では、燃料の熱量が従来よりも低くなる場合を例示している。掃引電流が一定となる定格運転状態において、燃料の性状が変化して熱量が低くなると、オフガス燃焼部６の温度が低下する。これに対し、制御部２１が燃料の性状の変化を検出し、燃料供給テーブルが変更されると、燃料の熱量の減少が流量の増加によって補われ、オフガス燃焼部６の温度が燃料の性状の変化前と同等の値まで回復する。
【符号の説明】
【００５９】
１…燃料電池システム、４…水素発生部、５…セルスタック、６…オフガス燃焼部、１０２，２０２…運転状態判断部、１０３…電圧検出部、１０４，２０４…性状変化判断部、２０３…温度検出部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
逆潮流可能なサイト又は電力需要の大きなサイトにおいて、燃料電池システムは、セルスタックに供給される燃料の性状が一定であるものとして構築することができる。そのため、燃料の性状が変動するような環境に燃料電池システムを設置すると、システム内の熱バランスの悪化やセルスタックの劣化の進行を引き起こすおそれがあった。
【０００３】
このような問題に対し、例えば特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料の性状及び流量を計測する燃料性状計測手段を燃料供給部に設け、計測結果に基づいて水蒸気供給量や燃料供給量といった各種のパラメータを制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４９０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような従来の燃料性状計測手段は、実際には燃料の組成・発熱量・流量といった複数の因子を計測する構成を要する。したがって、燃料電池システムの構成の複雑化を招いてしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な構成で燃料の性状変化を検出できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の解決のため、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含有する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、セルスタックから出力される電圧を検出する電圧検出部と、当該燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、運転状態判断部によって燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に、電圧検出部によって検出された電圧の現時点の第１移動平均値と、現時点より一定時間前の第２移動平均値とを算出し、第１移動平均値と第２移動平均値との比較に基づいて燃料の性状変化の有無を判断する性状変化判断部と、を備える。
【０００８】
この燃料電池システムでは、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタックの掃引電流が一定となる定格運転状態において、セルスタックから出力される電圧の移動平均値の変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含有する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、セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、燃焼部の温度を検出する温度検出部と、当該燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、運転状態判断部によって燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に、温度検出部によって検出された温度の現時点の第１移動平均値と、現時点より一定時間前の第２移動平均値とを算出し、第１移動平均値と第２移動平均値との比較に基づいて燃料の性状変化の有無を判断する性状変化判断部と、を備える。
【００１０】
この燃料電池システムでは、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタックの掃引電流が一定となる定格運転状態において、温度検出部で検出される燃焼部の温度の移動平均値の変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムによれば、簡単な構成で燃料の性状変化を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す図である。
【図２】制御部の機能的な構成要素を示す図である。
【図３】制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】診断開始条件の判断の一例を示すフローチャートである。
【図５】燃料の性状とセルスタックの出力との関係を示す図である。
【図６】変形例に係る制御部の機能的な構成要素を示す図である。
【図７】変形例に係る制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】変形例に係る燃料の性状とセルスタックの出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
続いて、制御部１１が実行する制御について更に詳細に説明する。
【００２６】
制御部１１は、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する部分であるが、これに加えて、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の性状（熱量や組成など）の変化に起因する燃料電池システム１の出力の変化を診断する診断処理を実行する。
【００２７】
この診断処理に関し、制御部１１は、図２に示すように、機能的な構成要素として、診断開始条件判断部１０１と、運転状態判断部１０２と、電圧検出部１０３と、性状変化判断部１０４と、燃料供給テーブル選択部１０５とを備えている。
【００２８】
診断開始条件判断部１０１は、診断処理の実行を開始するか否かを判断する部分である。診断開始条件は、種々の条件を適用し得るが、例えば燃料電池システム１が発電を開始してから所定時間が経過したか否か、或いは燃料電池システム１に接続される貯湯槽（不図示）の残量が少なく、温水需要が生じていること（燃料電池システム１が熱回収をしている状態にあること）などが挙げられる。発電を開始してからの所定時間は、例えば１０００時間に設定される。
【００２９】
運転状態判断部１０２は、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かを判断する部分である。定格運転状態とは、セルスタック５で発電される電力が仕様上最大の電力となるような運転状態であり、電圧・電流が安定した動作をする状態である。運転状態判断部１０２は、例えばセルスタック５から出力される電圧の移動平均値の変化が一定時間（例えば１５分）にわたって閾値以下であった場合に、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断する。
【００３０】
電圧検出部１０３は、セルスタック５からパワーコンディショナー１０に出力される電圧を検出する部分である。電圧検出部１０３は、燃料電池システム１が発電を行っている間、セルスタック５からパワーコンディショナー１０に出力される電圧を常時検出する。
【００３１】
性状変化判断部１０４は、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の性状変化の有無を判断する部分である。より具体的には、性状変化判断部１０４は、運転状態判断部１０２によって燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合に、電圧検出部１０３によって検出された電圧の現時点の第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗと、現時点より一定時間前の第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとを算出する。第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅは、例えば１５分間分の電圧の移動平均値とすればよい。また、第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅは、例えば第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗの１０時間前の移動平均値とすればよい。
【００３２】
第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅの算出の後、性状変化判断部１０４は、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅを比較し、第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅに対する第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗの変化量が閾値を超えているか否かを判断する。この場合、上限閾値は、例えば第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３、下限閾値は、例えば第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７とすればよい。以上のような第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅの比較は、一定時間おきに実行してもよく、常時実行してもよい。
【００３３】
燃料供給テーブル選択部１０５は、性状変化判断部１０４における判断結果に基づいて、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の供給テーブルを変更する部分である。燃料供給テーブル選択部１０５は、性状変化判断部１０４において、例えば第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３を超えていると判断された場合には、高発熱量用燃料供給テーブルを選択して燃料の供給を制御する。一方、燃料供給テーブル選択部１０５は、性状変化判断部１０４において、例えば第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７に満たないと判断された場合には、低発熱量用燃料供給テーブルを選択して燃料の供給を制御する。
【００３４】
高発熱量用燃料供給テーブルは、燃料の発熱量が従来よりも高くなっている場合に用いるテーブルである。高発熱量用燃料供給テーブルを用いる場合、燃料利用率及びＳ／Ｃが一定であること前提として、例えば燃料流量１．０Ｌ／ｍｉｎ、水７ｇ／ｍｉｎに制御される。低発熱量用燃料供給テーブルは、燃料の発熱量が従来よりも低くなっている場合に用いるテーブルである。低発熱量用燃料供給テーブルを用いる場合、燃料利用率及びＳ／Ｃが一定であること前提として、例えば燃料流量１．５Ｌ／ｍｉｎ、水１０．５ｇ／ｍｉｎに制御される。
【００３５】
次に、制御部１１の動作について説明する。図３は、制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【００３６】
まず、燃料電池システム１が発電を開始すると、セルスタック５から出力される電圧の検出が開始される（ステップＳ０１）。次に、セルスタック５から出力される電圧の移動平均値の変化量に基づいて、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かが判断される（ステップＳ０２）。
【００３７】
ステップＳ０２において、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合、診断開始条件の判断がなされる（ステップＳ０３，ステップＳ０４）。診断開始条件の判断では、例えば図４に示すように、まず、発電開始から所定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ２１）。次いで、温水需要が大きいか否かが判断され（ステップＳ２２）、ステップＳ２１，２２をいずれも満たす場合には、診断開始条件を満たすと判断される（ステップＳ２３）。また、ステップＳ２１，Ｓ２２のいずれかを満たさない場合には、診断開始条件を満たさないと判断される（ステップＳ２４）。診断開始条件を満たさないと判断された場合、ステップＳ０２〜ステップＳ０４までの処理が繰り返し行われる。
【００３８】
診断開始条件を満たすと判断された場合、図３に示すように、電圧検出部１０３によって検出された電圧の現時点の第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗと、現時点より一定時間前の第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとの算出が行われる（ステップＳ０５）。次に、第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７＜第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗ＜第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３を満たすか否かが判断される（ステップＳ０６）。
【００３９】
ステップＳ０６において、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが閾値の範囲内であった場合には、燃料の性状に変化はないと判断され、診断開始から所定の時間が経過した後、診断処理が終了する（ステップＳ１１）。一方、ステップＳ０６において、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが閾値の範囲外であった場合には、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗと第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとの大小が判断される（ステップＳ０７）。
【００４０】
ステップＳ０７において、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅより大きい場合には、燃料の性状が変化して、燃料の発熱量が従来よりも高くなっていると判断され、高発熱量用燃料供給テーブルに基づいて燃料の供給が制御される（ステップＳ０８）。一方、第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅより小さい場合には、燃料の性状が変化して、燃料の発熱量が従来よりも低くなっていると判断され、低発熱量用燃料供給テーブルに基づいて燃料の供給が制御される（ステップＳ０９）。いずれの場合も、燃料供給テーブルの変更が行われた場合には、第２移動平均値Ｖｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅが第１移動平均値Ｖｃｃ＿ｎｏｗに置換される（ステップＳ１０）。そして、診断開始から所定の時間が経過した後、診断処理が終了する（ステップＳ１１）。
【００４１】
以上説明したように、燃料電池システム１では、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタック５の掃引電流が一定となる定格運転状態において、セルスタック５から出力される電圧の移動平均値に変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【００４２】
図５は、燃料の性状とセルスタックの出力との関係を示す図である。同図では、燃料の熱量が従来よりも低くなる場合を例示している。掃引電流が一定となる定格運転状態において、燃料の性状が変化して熱量が低くなると、セルスタック５から出力される電圧が低下する。これに対し、制御部１１が燃料の性状の変化を検出し、燃料供給テーブルが変更されると、燃料の熱量の減少が流量の増加によって補われ、セルスタック５から出力される電圧が燃料の性状の変化前と同等の値まで回復する。
【００４３】
次に、本発明の変形例について説明する。変形例は、セルスタック５から出力される電圧の検出に代えて、オフガス燃焼部６の温度の検出によって燃料の性状の変化を診断する点で上述した実施形態と異なっている。
【００４４】
診断処理に関し、変形例における制御部２１は、図６に示すように、機能的な構成要素として、診断開始条件判断部２０１と、運転状態判断部２０２と、温度検出部２０３と、性状変化判断部２０４と、燃料供給テーブル選択部２０５とを備えている。診断開始条件判断部２０１については、上述した診断開始条件判断部１０１と同様であるため、説明を省略する。
【００４５】
運転状態判断部２０２は、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かを判断する部分である。運転状態判断部２０２は、例えばオフガス燃焼部６の温度の移動平均値の変化が一定時間（例えば１５分）にわたって閾値以下であった場合に、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断する。
【００４６】
温度検出部２０３は、オフガス燃焼部６の温度を検出する部分である。温度検出部２０３は、燃料電池システム１が発電を行っている間、オフガス燃焼部６の温度を常時検出する。
【００４７】
性状変化判断部２０４は、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の性状変化の有無を判断する部分である。より具体的には、性状変化判断部２０４は、運転状態判断部２０２によって燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合に、温度検出部２０３によって検出されたオフガス燃焼部６の温度の現時点の第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗと、現時点より一定時間前の第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとを算出する。第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅは、例えば１５分間分の温度の移動平均値とすればよい。また、第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅは、例えば第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗの１０時間前の移動平均値とすればよい。
【００４８】
第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅの算出の後、性状変化判断部２０４は、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅを比較し、第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅに対する第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗの変化量が閾値を超えているか否かを判断する。この場合、上限閾値は、例えば第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３、下限閾値は、例えば第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７とすればよい。以上のような第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ及び第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅの比較は、一定時間おきに実行してもよく、常時実行してもよい。
【００４９】
燃料供給テーブル選択部２０５は、性状変化判断部２０４における判断結果に基づいて、水素含有燃料供給部７から供給される水素含有燃料の供給テーブルを変更する部分である。燃料供給テーブル選択部２０５は、性状変化判断部２０４において、例えば第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３を超えていると判断された場合には、高発熱量用燃料供給テーブルを選択して燃料の供給を制御する。一方、燃料供給テーブル選択部２０５は、性状変化判断部２０４において、例えば第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７に満たないと判断された場合には、低発熱量用燃料供給テーブルを選択して燃料の供給を制御する。
【００５０】
高発熱量用燃料供給テーブルは、燃料の発熱量が従来よりも高くなっている場合に用いるテーブルである。高発熱量用燃料供給テーブルを用いる場合、燃料利用率及びＳ／Ｃが一定であること前提として、例えば燃料流量１．０Ｌ／ｍｉｎ、水７ｇ／ｍｉｎに制御される。低発熱量用燃料供給テーブルは、燃料の発熱量が従来よりも低くなっている場合に用いるテーブルである。低発熱量用燃料供給テーブルを用いる場合、燃料利用率及びＳ／Ｃが一定であること前提として、例えば燃料流量１．５Ｌ／ｍｉｎ、水１０．５ｇ／ｍｉｎに制御される。
【００５１】
次に、制御部２１の動作について説明する。図７は、変形例に係る制御部による診断処理の一例を示すフローチャートである。
【００５２】
まず、燃料電池システム１が発電を開始すると、オフガス燃焼部６の温度の検出が開始される（ステップＳ３１）。次に、オフガス燃焼部６の温度の移動平均値の変化量に基づいて、燃料電池システム１が定格運転状態であるか否かが判断される（ステップＳ３２）。
【００５３】
ステップＳ３２において、燃料電池システム１が定格運転状態であると判断された場合、診断開始条件の判断がなされる（ステップＳ３３，ステップＳ３４）。診断開始条件の判断では、例えば図４と同様の判断がなされる（ステップＳ２１〜Ｓ２４）。診断開始条件を満たさないと判断された場合、ステップＳ３２〜ステップＳ３４までの処理が繰り返し行われる。
【００５４】
診断開始条件を満たすと判断された場合、図７に示すように、温度検出部２０３によって検出された温度の現時点の第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗと、現時点より一定時間前の第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとの算出が行われる（ステップＳ３５）。次に、第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×０．９７＜第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗ＜第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅ×１．０３を満たすか否かが判断される（ステップＳ３６）。
【００５５】
ステップＳ３６において、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが閾値の範囲内であった場合には、燃料の性状に変化はないと判断され、診断開始から所定の時間が経過した後、診断処理が終了する（ステップＳ４１）。一方、ステップＳ３６において、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが閾値の範囲外であった場合には、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗと第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅとの大小が判断される（ステップＳ３７）。
【００５６】
ステップＳ３７において、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅより大きい場合には、燃料の性状が変化して、燃料の発熱量が従来よりも高くなっていると判断され、高発熱量用燃料供給テーブルに基づいて燃料の供給が制御される（ステップＳ３８）。一方、第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗが第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅより小さい場合には、燃料の性状が変化して、燃料の発熱量が従来よりも低くなっていると判断され、低発熱量用燃料供給テーブルに基づいて燃料の供給が制御される（ステップＳ３９）。いずれの場合も、燃料供給テーブルの変更が行われた場合には、第２移動平均値Ｔｃｃ＿ｂｅｆｏｒｅが第１移動平均値Ｔｃｃ＿ｎｏｗに置換される（ステップＳ４０）。そして、診断開始から所定の時間が経過した後、診断処理が終了する（ステップＳ４１）。
【００５７】
以上説明したように、本変形例では、燃料の性状を直接測定する代わりに、セルスタック５の掃引電流が一定となる定格運転状態において、オフガス燃焼部６の温度の移動平均値に変化があった場合に、燃料の性状が変化したと判断する。したがって、燃料の性状に関する複数の因子を計測する従来の手法に比べて、燃料の性状変化の有無を判断するために必要な構成を簡単化できる。
【００５８】
図８は、変形例に係る燃料の性状とセルスタックの出力との関係を示す図である。同図では、燃料の熱量が従来よりも低くなる場合を例示している。掃引電流が一定となる定格運転状態において、燃料の性状が変化して熱量が低くなると、オフガス燃焼部６の温度が低下する。これに対し、制御部２１が燃料の性状の変化を検出し、燃料供給テーブルが変更されると、燃料の熱量の減少が流量の増加によって補われ、オフガス燃焼部６の温度が燃料の性状の変化前と同等の値まで回復する。
【符号の説明】
【００５９】
１…燃料電池システム、４…水素発生部、５…セルスタック、６…オフガス燃焼部、１０２，２０２…運転状態判断部、１０３…電圧検出部、１０４，２０４…性状変化判断部、２０３…温度検出部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する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、
前記セルスタックから出力される電圧を検出する電圧検出部と、
当該燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に、前記電圧検出部によって検出された前記電圧の現時点の第１移動平均値と、前記現時点より一定時間前の第２移動平均値とを算出し、前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との比較に基づいて前記燃料の性状変化の有無を判断する性状変化判断部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
水素を含有する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、
前記セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃焼部の温度を検出する温度検出部と、
当該燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に、前記温度検出部によって検出された前記温度の現時点の第１移動平均値と、前記現時点より一定時間前の第２移動平均値とを算出し、前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との比較に基づいて前記燃料の性状変化の有無を判断する性状変化判断部と、を備える燃料電池システム。
【請求項１】
水素を含有する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、
前記セルスタックから出力される電圧を検出する電圧検出部と、
当該燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に、前記電圧検出部によって検出された前記電圧の現時点の第１移動平均値と、前記現時点より一定時間前の第２移動平均値とを算出し、前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との比較に基づいて前記燃料の性状変化の有無を判断する性状変化判断部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
水素を含有する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、
前記セルスタックから供給されるオフガスを燃焼させる燃焼部と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃焼部の温度を検出する温度検出部と、
当該燃料電池システムが定格運転状態であるか否かを判断する運転状態判断部と、
前記運転状態判断部によって前記燃料電池システムが定格運転状態であると判断された場合に、前記温度検出部によって検出された前記温度の現時点の第１移動平均値と、前記現時点より一定時間前の第２移動平均値とを算出し、前記第１移動平均値と前記第２移動平均値との比較に基づいて前記燃料の性状変化の有無を判断する性状変化判断部と、を備える燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１４２１２２（Ｐ２０１２−１４２１２２Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２６８５（Ｐ２０１０−２９２６８５）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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