燃料電池発電システム
【課題】定格を超えた負荷変動に追従可能で、かつ寿命短縮を抑制した燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】制御部５には燃料電池３の発電上限電力として、定格上限電力である第１上限電力と、第１上限電力を上回る第２上限電力とが設定されている。制御部５は、燃料電池３へ要求される発電電力が、第１上限電力を上回る場合、発電上限電力を第２上限電力に変更するとともに、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。
【解決手段】制御部５には燃料電池３の発電上限電力として、定格上限電力である第１上限電力と、第１上限電力を上回る第２上限電力とが設定されている。制御部５は、燃料電池３へ要求される発電電力が、第１上限電力を上回る場合、発電上限電力を第２上限電力に変更するとともに、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特にその利便性を向上させる制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、水素ガスを燃料とし、酸素を含む空気を酸化剤として利用する。固体高分子型燃料電池には、設計により定まる発電能力の限界があり、発電電力を無限に増やすことができない。そこで、発電能力を考慮して、発電電力の定格上限値を定め、それ以下の範囲でのみ燃料電池を運転するのが一般的である。
【０００３】
また、燃料電池を発電システムとして家庭に設置する場合、メタン等の炭化水素を主体とする都市ガスといった燃料ガスを水蒸気と改質反応させ水素ガスを発生させる燃料処理機が用いられる。改質反応では、燃料ガス由来の二酸化炭素、一酸化炭素が発生する。一酸化炭素は燃料電池の燃料極の触媒を被毒し、発電効率を低下させるとともに燃料電池の寿命を低下させる。そのため燃料処理機は、一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去部を有する。燃料ガスは一酸化炭素除去部によってさらに処理され、例えば、一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ程度まで低減してから用いられる。
【０００４】
このような処理をしても燃料ガスの一酸化炭素による被毒の影響を生じる場合がある。例えば、燃料電池の発電量を定格上限値内で増大させると発電に必要な燃料ガスの絶対量が増えるため、一酸化炭素の絶対量が大きくなり、一酸化炭素による被毒の影響が大きくなる。したがって、従来は、燃料電池の発電量に応じて燃料ガスに酸素（空気）を添加して一酸化炭素の影響を低減している（例えば、特許文献１、２）。
【０００５】
また燃料電池の発電量を急激に増加させると、やはり一酸化炭素による被毒の影響が大きくなる。発電量を急激に増加させるには、燃料処理機に送る燃料ガスの量を急速に増加させる必要があり、その結果、一酸化炭素除去部での一酸化炭素除去性が低下する。そこで、燃料電池で発電する電力の増加率にも一般的に定格増加率上限値が定められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０９５４７号公報
【特許文献２】特開２００７−２５０２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように発電量の定格上限値を定めると、電力使用量がこの定格上限値を超えた場合、燃料電池は追従できない。そのため、燃料電池の電力で駆動される機器の使用が制限されたり、商用電力で補う必要を生じたりする。
【０００８】
また燃料電池で発電する電力の増加率に上限値が定められていると、比較的消費電力の大きい機器を起動させた場合やいくつかの機器を一度に起動させた場合に、燃料電池は追従できない。このように電力使用量の上昇（負荷増加率）が早く、燃料電池で電力の定格増加率上限値を上回ると、発電電力が追いつかない場合がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、一酸化炭素被毒による影響を抑制しつつ、燃料電池の電力供給不足の状態を改善する燃料電池発電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】
【００１０】
従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、原料を改質して水素ガスを発生させる燃料処理機と、水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、制御部とを有する。制御部には、燃料電池の発電上限電力として、定格上限電力である第１上限電力と、第１上限電力を上回る第２上限電力とが設定されている。制御部は、燃料電池へ要求される発電電力が、第１上限電力を上回る場合、発電上限電力を第２上限電力に変更する。この変更とともに制御部は、燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機が燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。また本発明の燃料電池発電システムでは、制御部に燃料電池で発電する電力の増加率として、定格増加率上限値である第１増加率上限値と、第１増加率上限値を上回る第２増加率上限値とが設定されている。制御部は、燃料電池へ要求される発電電力の増加率が、第１増加率上限値を上回る場合、発電する電力の増加率上限値を第２増加率上限値に変更する。この変更とともに燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機から供給される水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池発電システムによれば、一時的に燃料電池の発電電力の定格上限値を上回るように発電できるので、電力使用量の一時的な増大に対応できる。また、一時的に燃料電池の電力増加率上限値を大きくできるので急速な負荷増加にも追従できる。その際、一酸化炭素による燃料極の被毒を最小限に抑えることができる。これらの構成によって、燃料電池発電システムの利便性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムの燃料処理機のブロック図
【図３】図２に示す燃料処理機の変成部から排出されるガス中の一酸化炭素濃度と反応温度との関係を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムのブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムのブロック図、図２は同燃料電池発電システムの燃料処理機のブロック図である。図１に示すように、この燃料電池発電システムは、燃料処理機１と燃料電池３と制御部５と熱交換機７と貯湯槽９とを有する。燃料処理機１は水蒸気や空気を用いて都市ガス等の原料（原料ガス）を処理し、水素ガスを主体とする燃料ガスを発生する。すなわち燃料処理機１は原料を改質して水素ガスを発生させる。燃料電池３はこの水素ガスを燃料とし、空気を用いて発電する。本実施の形態において、燃料電池３は固体高分子の薄膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池である。
【００１４】
水素ガスは燃料電池３の燃料極（図示せず）に供給され、燃料電池３内での発電に係る反応によって消費される。ただし燃料電池３は燃料ガス中の水素ガスを全て消費して発電に用いることはできないため、供給された水素ガスの内、約２０％が二酸化炭素とともに排出ガスＡとして排出される。この排ガスＡは燃料処理機１で、図２に示す改質部２５の加熱に利用される。
【００１５】
一方、酸化剤である酸素を含む空気は燃料電池３の空気極（図示せず）に供給される。酸素は燃料電池３内での発電に係る反応によって燃料極に供給された水素ガスと反応して水になる。この水由来の水蒸気と、未反応の酸素や反応しない窒素等が排ガスＢとして排出される。
【００１６】
制御部５は燃料処理機１や燃料電池３等の動作を制御する。熱交換機７と燃料電池３との間では冷媒（例えば、水）が循環される。これにより燃料電池３の温度を適切に制御している。図示していないが、この冷媒の循環のためのポンプや流量弁が熱交換機７と燃料電池３との間に設けられている。制御部５はこのポンプや流量弁の動作も制御する。貯湯槽９は熱交換機７の熱によって加熱された水（湯）を貯める。この湯は暖房や給湯に利用される。燃料電池３で発電された電力はインバータ１０を介して負荷１１に供給される。
【００１７】
次に、図２を参照しながら燃料処理機１の構成を説明する。燃料処理機１は脱硫部２１と第１混合部２３と改質部２５と変成部２７と選択酸化部２９と第２混合部３１とを有する。脱硫部２１は原料ガスに含まれ、燃料電池３の触媒を被毒する硫黄化合物（例えば、硫黄系付臭成分）を除去する。第１混合部２３は脱硫部２１で脱硫した原料ガスと水蒸気とを所定の割合で混合する。混合後のガスは改質部２５で６５０〜７００℃を目安に加熱されて、（１）式の反応によってメタンが水素ガスと二酸化炭素になる。この反応は一般に改質反応と呼ばれる。しかしながらこの反応と並行して（２）式の反応が起き、同時に一酸化炭素が発生する。
【００１８】
【化１】
【００１９】
【化２】
【００２０】
一酸化炭素は反応生成ガスの１０〜１５％含まれるのが一般的であり、燃料電池３の燃料極の触媒を被毒するため除去する必要がある。そのため、反応生成ガスは変成部２７に送られ、水蒸気と一酸化炭素が１６０〜２５０℃で反応し、（３）式の反応によって水素ガスと二酸化炭素が生成する。この段階で一酸化炭素濃度は約０．５％まで低減される。（３）式は変成反応あるいはＣＯシフト反応と呼ばれる。
【００２１】
【化３】
【００２２】
この処理ガスはさらに選択酸化部２９に送られ、空気中の酸素と１５０〜２００℃で反応し、（４）式の反応によって二酸化炭素が生成する。このようにして一酸化炭素濃度は約１０ｐｐｍまで低減される。（４）式は選択酸化反応と呼ばれる。なお、選択酸化部２９には、一酸化炭素を酸化させる酸素量の当量を１としその２〜４倍となるように、改質部２５に送られる原料ガスの量を基準にして予め設定された空気が送られる。
【００２３】
【化４】
【００２４】
さらに、一酸化炭素濃度が増加した場合に備えて、第２混合部３１が設けられている。第２混合部３１は選択酸化部２９で処理されたガスに酸素を含む空気を混合する。これによって燃料ガス中の酸素濃度を増加させ、一酸化炭素による燃料電池３の燃料極触媒の被毒を抑制する。
【００２５】
次に、制御部５による制御を説明する。制御部５には、燃料電池３の発電上限電力として、定格上限電力である第１上限電力と、第１上限電力を上回る第２上限電力とが設定されている。通常、制御部５は第１上限電力を用いて燃料電池３を運転している。すなわち、制御部５は燃料処理機１におけるガス処理量を制御して燃料電池３の発電電力が第１上限電力以下となるようにしている。
【００２６】
この状態で燃料電池３へ要求される発電電力が、第１上限電力を上回る場合、制御部５は発電上限電力を第２上限電力に変更する。すなわち、第１上限電力を超えて燃料電池３を運転させるのが好ましい場合、制御部５は第２上限電力を上限として燃料電池３を運転させる。好ましい場合とは、例えば次のような場合が相当する。（Ａ）供給する電力量を増加させることで、燃料電池発電システムから供給される電力を消費する機器を安定的に動作させることのできる場合、（Ｂ）供給する電力量を増加させないと電力会社から購入する電力量が契約電力量を超す場合、（Ｃ）電力会社から購入する電力量を制限するブレーカーが切れる場合。
【００２７】
このように制御部５が第２上限電力を上限として燃料電池３を運転させ、実際に第１上限電力を超えると、燃料電池３の燃料極における一酸化炭素による触媒被毒が促進される。これは単純に燃料流量が増え、一酸化炭素の絶対量が増える以外に、（３）式に示す変成反応や（４）式に示す選択酸化反応が発熱反応であることによる。前述のように改質部２５における反応温度は６５０〜７００℃程度である。ガス処理量が多くなると変成部２７や選択酸化部２９に送られるガスが変成部２７や選択酸化部２９に運ぶ熱量が大きくなる。そのため、変成部２７や選択酸化部２９の温度が高くなる。その結果、平衡反応である変成反応（（３）式）や選択酸化反応（（４）式）において右側に進行しにくくなる。その結果、処理されたガスにおける一酸化炭素の濃度が高まる。
【００２８】
そのため制御部５は、上記上限電力の切り替えとともに、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。
【００２９】
燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードでは例えば、熱交換機７で放熱させる熱量を減少させて燃料電池３の温度を上げ、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる。例えば定格での運転温度を６０℃程度とし、一時的に運転温度を８０℃程度に上げる。そのために、流量弁を制御して熱交換機７との間で循環する冷媒の流量を減少させる。
【００３０】
このように燃料電池３の温度を上げると、一酸化炭素が触媒に吸着しにくくなる。これにより燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させることができる。
【００３１】
あるいは、第２混合部３１での酸素の添加量を増加させ、燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の酸素濃度を増加させる。例えば、上限電力を第１上限電力で運転している状態で、第２混合部３１は燃料ガスの０．６％程度の空気を添加している。そして上限電力を第２上限電力に切り替えると、第２混合部３１は燃料ガスの３％程度の空気を添加する。この場合、触媒に吸着した一酸化炭素を混合した酸素で酸化させることができる。
【００３２】
燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードでは、変成部２７に供給する水蒸気流量や選択酸化部２９に供給する空気の流量を増加させる。すなわち、燃料処理機１に供給する水蒸気流量と空気の流量の少なくとも一方を増加させる。このいずれかにより燃料処理機１から供給される水素ガス中の一酸化炭素を低減させる。この場合、変成部２７、選択酸化部２９における反応を促進させることができる。
【００３３】
以上のように、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードや、燃料処理機１から供給される水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードは、第２上限電力を上限として燃料電池３を運転する間に制限する。
【００３４】
なお、制御部５は、燃料電池３へ要求される発電電力を例えば以下のようにして検出する。制御部５はインバータ１０の出力側の抵抗変化を検出し、抵抗が下がれば燃料電池３へ要求される発電電力が増加したと認識する。
【００３５】
なお、前述のように、燃料電池３から排出される排ガスＡは燃料処理機１の改質部２５を加熱する燃料として燃料処理機１に供給される。発電量が増加し排ガスＡに含まれる水素ガスの量が少なくなると、改質部２５の温度が低下する。制御部５はこの温度低下を検知して燃料電池３での発電量が増加したことを検知することができる。そのため、図示しない温度検知部を改質部２５に設け、その出力を制御部５に入力することが好ましい。
【００３６】
なお図１では熱交換機７と貯湯槽９を設けているが、これらを設けず、単に燃料電池３を冷却水によって所定温度に冷却してもよい。この場合、冷却水の流量を少なくしたり、冷却水の温度を上げたりすることで燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードを実現できる。
【００３７】
次に、本実施の形態による燃料電池発電システムの他の制御について説明する。
【００３８】
燃料電池３の発電量を急激に増加させた場合にも一酸化炭素による被毒の影響が大きくなるため、燃料電池で発電する電力の増加率にも一般的に定格増加率上限値が定められている。そのため、比較的消費電力の大きい機器を起動させた場合やいくつかの機器を一度に起動させた場合、燃料電池発電システムは追従できない。このように電力使用量の上昇（負荷増加率）が早く、燃料電池で電力の定格増加率上限値を上回り、発電電力が追いつかない場合がある。
【００３９】
このように発電量を急激に増加させた場合に一酸化炭素による被毒の影響が大きくなる理由を、図３を参照しながら説明する。図３は、図２に示す燃料処理機の変成部２７から排出されるガス中の一酸化炭素濃度と反応温度との関係を示す模式図である。
【００４０】
例えば、７５０Ｗが定格発電電力である燃料電池３を想定する。各発電量に相当する量の燃料ガスを変成部２７で処理する場合、変成部２７から排出されるガス中の一酸化炭素濃度は、図３に示すように、ある反応温度で最低値となる。例えば２５０Ｗの場合、１６０℃、５００Ｗの場合１８０℃、７５０Ｗの場合２００℃でそれぞれ一酸化炭素濃度が最も小さくなる。これは、温度が低すぎると反応速度が追従せず、一方、温度が高すぎると平衡反応である（４）式の反応が右へ進まないためである。後者は、変成反応が発熱反応であることによる。
【００４１】
燃料電池３の発電量をたとえば２５０Ｗから７５０Ｗへと急激に増加させると、１６０℃で運転されていた変成部２７に、７５０Ｗに必要なガス量へ供給量を急激に増加させるよう要求される。しかしながらこの温度で７５０Ｗに相当するガスを変成部２７で処理すると矢印で示すように、一酸化炭素濃度は大きくなる。変成反応後の一酸化炭素濃度が増加すると、選択酸化部２９に送られる処理ガス中の一酸化炭素濃度が増加することになる。この一酸化炭素濃度の増加は、通常の２５０Ｗから７５０Ｗへの発電量増加時に想定している増加よりも大きくなり、選択酸化部２９で一酸化炭素に対する酸素の割合が小さくなる。そのため、一酸化炭素の選択酸化性が低下し結果として、燃料電池３に送られる水素ガス中の一酸化炭素濃度が増加する。
【００４２】
この課題に対し、以下のように制御することが好ましい。すなわち、制御部５に、燃料電池３で発電する電力の増加率上限値として、定格増加率上限値である第１増加率上限値と、第１増加率上限値を上回る第２増加率上限値とを予め設定する。そして制御部５は、燃料電池３へ要求される発電電力の増加率が、第１増加率上限値を上回る場合、発電する電力の増加率上限値を第２増加率上限値に変更する。この変更とともに制御部５は、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。
【００４３】
すなわち、電力の第１増加率上限値を超えて燃料電池３を運転させるのが好ましい場合、制御部５Ａは第２増加率上限値を上限として燃料電池３を運転する。好ましい場合とは、燃料電池発電システムから供給される電力を消費する機器側での電力要求量が大きく増加側に変化し、第１増加率上限値ではその増加量に追従できない場合である。通常、第１増加率上限値は例えば１Ｗ／秒程度であるが、上記制御によって第２増加率上限値である２Ｗ／秒程度に増加率上限値を上げることができる。
【００４４】
このように制御することで一時的に燃料電池の電力増加率上限値を大きくできるので急激な負荷増加率にも追従できる。その際、一酸化炭素による燃料極の被毒を最小限に抑えることができる。なおこの制御は電力上限値の切替制御と並存してもよく、また単独で実現してもよい。
【００４５】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムのブロック図である。なお実施の形態１と同様の構成をなすものには同じ符号を付しており、詳細な説明を省略する。また図２では図１における熱交換機７、貯湯槽９を図示していないが、図１と同様に設けてもよい。燃料処理機１の構成は図２を用いて説明した実施の形態１の構成と同様である。
【００４６】
本実施の形態では制御部５に代わって制御部５Ａが設けられるとともに、推定部４１と記憶部４２が設けられている。制御部５Ａは実施の形態１で説明した制御部５と同様の機能を少なくとも有する。推定部４１には燃料電池３で発電された電力の電流値と電圧値とが入力される。推定部４１は、制御部５Ａが発電上限電力を第１上限電力に設定した状態で、これらの値から求められる電流−電圧特性から燃料電池３の寿命を推定する。
【００４７】
燃料電池３を同じ運転条件で動作させた場合、運転時間の経過に伴って燃料電池３の性能が低下し、電圧値が低下する。同じ運転条件とは、供給する水素ガス量、水素ガスの露点、動作温度、および燃料電池３から出力する電流値を同じにすることを意味する。寿命を予測する場合、電圧値の低下を予め測定／シミュレーションし、運転時間と電圧値低下をテーブル化する。そして寿命を予測したい時点での電圧値を測定する。電圧値と上述のテーブルから、測定した電圧値が、どの運転時間に相当するかを当てはめる。次に、寿命として設定している電圧値までの運転時間との差を計算する。このようにして燃料電池３の寿命を推定することができる。どの電圧値を燃料電池３の寿命と判断するかは個別機器で設定すればよい。例えば、電圧値の低下は発電効率の低下と同義なので、目標とする発電効率を下回る場合を燃料電池３の寿命としてもよい。あるいは、電圧が低下すると同じだけ発電させる場合、必要となる水素ガス量が多くなるので、燃料処理機１での水素ガス発生能力を考慮して、寿命を設定することもできる。
【００４８】
また推定部４１は制御部５Ａによる燃料電池３の発電動作の変更に伴う燃料電池３の寿命の変化を推定する。すなわち、推定部４１は発電上限電力を第２上限電力に変更したり、発電する電力の増加率を第２増加率上限値に変更したりしたことによる寿命への影響を寿命の変化として見積もる。例えば、運転条件の変更によって運転単位時間あたり寿命がどの程度短くなるかのデータを保持させておき、第１上限電力を超えて運転した時間や第１増加率上限値を超えて運転した時間を乗じて、寿命の短縮を見積もることができる。
【００４９】
記憶部４２は推定部４１で推定した燃料電池３の寿命の値を保持している。推定部４１は、推定した燃料電池３の寿命の値が変化したとき、記憶部４２に保持された燃料電池３の寿命の値を更新する。
【００５０】
例えば家庭用の燃料電池発電システムには、１０年程度の寿命を保証することが必要である。そのため燃料電池３は、定格上限で運転しても１０年の寿命を有するように設計されている。しかしながら上述のように定格を超えて運転した場合、一酸化炭素被毒によって寿命が多少短くなる。このように短くなった寿命の値を記憶部４２に保持することで、例えば定格を超えた運転を制限することができる。これによって確実に１０年程度の寿命を保証することができる。
【００５１】
逆に、通常の運転において比較的軽負荷で使われることが多い場合、燃料電池３の寿命が１０年をはるかに超える状況もありうる。このように寿命に余裕がある場合、制御部５Ａは積極的に定格を超える運転を活用する。すなわち、制御部５Ａは、予め設定され記憶部４２に記憶された燃料電池３の保証寿命の値と、実際に推定された燃料電池３の寿命の値とを比較し、その比較結果に応じて燃料電池３の発電上限電力や電力の増加率上限値を変更する。このようにすれば、保証寿命を確保しつつ、負荷１１の変動に柔軟に対応することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明の燃料電池発電システムでは一時的に燃料電池の発電上限電力や発電電力の増加率上限値を、定格値を超えた水準に引き上げつつ、燃料電池の一酸化炭素耐性を向上させる、あるいは一酸化炭素の濃度を下げる。これによって寿命への影響を抑えつつ、利便性を向上することができる。本発明にかかる燃料電池発電システムは、特に家庭での電力を安定的に供給するシステムとして有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 燃料処理機
３ 燃料電池
５，５Ａ 制御部
７ 熱交換機
９ 貯湯槽
１０ インバータ
１１ 負荷
２１ 脱硫部
２３ 第１混合部
２５ 改質部
２７ 変成部
２９ 選択酸化部
３１ 第２混合部
４１ 推定部
４２ 記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特にその利便性を向上させる制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、水素ガスを燃料とし、酸素を含む空気を酸化剤として利用する。固体高分子型燃料電池には、設計により定まる発電能力の限界があり、発電電力を無限に増やすことができない。そこで、発電能力を考慮して、発電電力の定格上限値を定め、それ以下の範囲でのみ燃料電池を運転するのが一般的である。
【０００３】
また、燃料電池を発電システムとして家庭に設置する場合、メタン等の炭化水素を主体とする都市ガスといった燃料ガスを水蒸気と改質反応させ水素ガスを発生させる燃料処理機が用いられる。改質反応では、燃料ガス由来の二酸化炭素、一酸化炭素が発生する。一酸化炭素は燃料電池の燃料極の触媒を被毒し、発電効率を低下させるとともに燃料電池の寿命を低下させる。そのため燃料処理機は、一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去部を有する。燃料ガスは一酸化炭素除去部によってさらに処理され、例えば、一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ程度まで低減してから用いられる。
【０００４】
このような処理をしても燃料ガスの一酸化炭素による被毒の影響を生じる場合がある。例えば、燃料電池の発電量を定格上限値内で増大させると発電に必要な燃料ガスの絶対量が増えるため、一酸化炭素の絶対量が大きくなり、一酸化炭素による被毒の影響が大きくなる。したがって、従来は、燃料電池の発電量に応じて燃料ガスに酸素（空気）を添加して一酸化炭素の影響を低減している（例えば、特許文献１、２）。
【０００５】
また燃料電池の発電量を急激に増加させると、やはり一酸化炭素による被毒の影響が大きくなる。発電量を急激に増加させるには、燃料処理機に送る燃料ガスの量を急速に増加させる必要があり、その結果、一酸化炭素除去部での一酸化炭素除去性が低下する。そこで、燃料電池で発電する電力の増加率にも一般的に定格増加率上限値が定められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０９５４７号公報
【特許文献２】特開２００７−２５０２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように発電量の定格上限値を定めると、電力使用量がこの定格上限値を超えた場合、燃料電池は追従できない。そのため、燃料電池の電力で駆動される機器の使用が制限されたり、商用電力で補う必要を生じたりする。
【０００８】
また燃料電池で発電する電力の増加率に上限値が定められていると、比較的消費電力の大きい機器を起動させた場合やいくつかの機器を一度に起動させた場合に、燃料電池は追従できない。このように電力使用量の上昇（負荷増加率）が早く、燃料電池で電力の定格増加率上限値を上回ると、発電電力が追いつかない場合がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、一酸化炭素被毒による影響を抑制しつつ、燃料電池の電力供給不足の状態を改善する燃料電池発電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】
【００１０】
従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、原料を改質して水素ガスを発生させる燃料処理機と、水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、制御部とを有する。制御部には、燃料電池の発電上限電力として、定格上限電力である第１上限電力と、第１上限電力を上回る第２上限電力とが設定されている。制御部は、燃料電池へ要求される発電電力が、第１上限電力を上回る場合、発電上限電力を第２上限電力に変更する。この変更とともに制御部は、燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機が燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。また本発明の燃料電池発電システムでは、制御部に燃料電池で発電する電力の増加率として、定格増加率上限値である第１増加率上限値と、第１増加率上限値を上回る第２増加率上限値とが設定されている。制御部は、燃料電池へ要求される発電電力の増加率が、第１増加率上限値を上回る場合、発電する電力の増加率上限値を第２増加率上限値に変更する。この変更とともに燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機から供給される水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池発電システムによれば、一時的に燃料電池の発電電力の定格上限値を上回るように発電できるので、電力使用量の一時的な増大に対応できる。また、一時的に燃料電池の電力増加率上限値を大きくできるので急速な負荷増加にも追従できる。その際、一酸化炭素による燃料極の被毒を最小限に抑えることができる。これらの構成によって、燃料電池発電システムの利便性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムの燃料処理機のブロック図
【図３】図２に示す燃料処理機の変成部から排出されるガス中の一酸化炭素濃度と反応温度との関係を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムのブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムのブロック図、図２は同燃料電池発電システムの燃料処理機のブロック図である。図１に示すように、この燃料電池発電システムは、燃料処理機１と燃料電池３と制御部５と熱交換機７と貯湯槽９とを有する。燃料処理機１は水蒸気や空気を用いて都市ガス等の原料（原料ガス）を処理し、水素ガスを主体とする燃料ガスを発生する。すなわち燃料処理機１は原料を改質して水素ガスを発生させる。燃料電池３はこの水素ガスを燃料とし、空気を用いて発電する。本実施の形態において、燃料電池３は固体高分子の薄膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池である。
【００１４】
水素ガスは燃料電池３の燃料極（図示せず）に供給され、燃料電池３内での発電に係る反応によって消費される。ただし燃料電池３は燃料ガス中の水素ガスを全て消費して発電に用いることはできないため、供給された水素ガスの内、約２０％が二酸化炭素とともに排出ガスＡとして排出される。この排ガスＡは燃料処理機１で、図２に示す改質部２５の加熱に利用される。
【００１５】
一方、酸化剤である酸素を含む空気は燃料電池３の空気極（図示せず）に供給される。酸素は燃料電池３内での発電に係る反応によって燃料極に供給された水素ガスと反応して水になる。この水由来の水蒸気と、未反応の酸素や反応しない窒素等が排ガスＢとして排出される。
【００１６】
制御部５は燃料処理機１や燃料電池３等の動作を制御する。熱交換機７と燃料電池３との間では冷媒（例えば、水）が循環される。これにより燃料電池３の温度を適切に制御している。図示していないが、この冷媒の循環のためのポンプや流量弁が熱交換機７と燃料電池３との間に設けられている。制御部５はこのポンプや流量弁の動作も制御する。貯湯槽９は熱交換機７の熱によって加熱された水（湯）を貯める。この湯は暖房や給湯に利用される。燃料電池３で発電された電力はインバータ１０を介して負荷１１に供給される。
【００１７】
次に、図２を参照しながら燃料処理機１の構成を説明する。燃料処理機１は脱硫部２１と第１混合部２３と改質部２５と変成部２７と選択酸化部２９と第２混合部３１とを有する。脱硫部２１は原料ガスに含まれ、燃料電池３の触媒を被毒する硫黄化合物（例えば、硫黄系付臭成分）を除去する。第１混合部２３は脱硫部２１で脱硫した原料ガスと水蒸気とを所定の割合で混合する。混合後のガスは改質部２５で６５０〜７００℃を目安に加熱されて、（１）式の反応によってメタンが水素ガスと二酸化炭素になる。この反応は一般に改質反応と呼ばれる。しかしながらこの反応と並行して（２）式の反応が起き、同時に一酸化炭素が発生する。
【００１８】
【化１】
【００１９】
【化２】
【００２０】
一酸化炭素は反応生成ガスの１０〜１５％含まれるのが一般的であり、燃料電池３の燃料極の触媒を被毒するため除去する必要がある。そのため、反応生成ガスは変成部２７に送られ、水蒸気と一酸化炭素が１６０〜２５０℃で反応し、（３）式の反応によって水素ガスと二酸化炭素が生成する。この段階で一酸化炭素濃度は約０．５％まで低減される。（３）式は変成反応あるいはＣＯシフト反応と呼ばれる。
【００２１】
【化３】
【００２２】
この処理ガスはさらに選択酸化部２９に送られ、空気中の酸素と１５０〜２００℃で反応し、（４）式の反応によって二酸化炭素が生成する。このようにして一酸化炭素濃度は約１０ｐｐｍまで低減される。（４）式は選択酸化反応と呼ばれる。なお、選択酸化部２９には、一酸化炭素を酸化させる酸素量の当量を１としその２〜４倍となるように、改質部２５に送られる原料ガスの量を基準にして予め設定された空気が送られる。
【００２３】
【化４】
【００２４】
さらに、一酸化炭素濃度が増加した場合に備えて、第２混合部３１が設けられている。第２混合部３１は選択酸化部２９で処理されたガスに酸素を含む空気を混合する。これによって燃料ガス中の酸素濃度を増加させ、一酸化炭素による燃料電池３の燃料極触媒の被毒を抑制する。
【００２５】
次に、制御部５による制御を説明する。制御部５には、燃料電池３の発電上限電力として、定格上限電力である第１上限電力と、第１上限電力を上回る第２上限電力とが設定されている。通常、制御部５は第１上限電力を用いて燃料電池３を運転している。すなわち、制御部５は燃料処理機１におけるガス処理量を制御して燃料電池３の発電電力が第１上限電力以下となるようにしている。
【００２６】
この状態で燃料電池３へ要求される発電電力が、第１上限電力を上回る場合、制御部５は発電上限電力を第２上限電力に変更する。すなわち、第１上限電力を超えて燃料電池３を運転させるのが好ましい場合、制御部５は第２上限電力を上限として燃料電池３を運転させる。好ましい場合とは、例えば次のような場合が相当する。（Ａ）供給する電力量を増加させることで、燃料電池発電システムから供給される電力を消費する機器を安定的に動作させることのできる場合、（Ｂ）供給する電力量を増加させないと電力会社から購入する電力量が契約電力量を超す場合、（Ｃ）電力会社から購入する電力量を制限するブレーカーが切れる場合。
【００２７】
このように制御部５が第２上限電力を上限として燃料電池３を運転させ、実際に第１上限電力を超えると、燃料電池３の燃料極における一酸化炭素による触媒被毒が促進される。これは単純に燃料流量が増え、一酸化炭素の絶対量が増える以外に、（３）式に示す変成反応や（４）式に示す選択酸化反応が発熱反応であることによる。前述のように改質部２５における反応温度は６５０〜７００℃程度である。ガス処理量が多くなると変成部２７や選択酸化部２９に送られるガスが変成部２７や選択酸化部２９に運ぶ熱量が大きくなる。そのため、変成部２７や選択酸化部２９の温度が高くなる。その結果、平衡反応である変成反応（（３）式）や選択酸化反応（（４）式）において右側に進行しにくくなる。その結果、処理されたガスにおける一酸化炭素の濃度が高まる。
【００２８】
そのため制御部５は、上記上限電力の切り替えとともに、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。
【００２９】
燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードでは例えば、熱交換機７で放熱させる熱量を減少させて燃料電池３の温度を上げ、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる。例えば定格での運転温度を６０℃程度とし、一時的に運転温度を８０℃程度に上げる。そのために、流量弁を制御して熱交換機７との間で循環する冷媒の流量を減少させる。
【００３０】
このように燃料電池３の温度を上げると、一酸化炭素が触媒に吸着しにくくなる。これにより燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させることができる。
【００３１】
あるいは、第２混合部３１での酸素の添加量を増加させ、燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の酸素濃度を増加させる。例えば、上限電力を第１上限電力で運転している状態で、第２混合部３１は燃料ガスの０．６％程度の空気を添加している。そして上限電力を第２上限電力に切り替えると、第２混合部３１は燃料ガスの３％程度の空気を添加する。この場合、触媒に吸着した一酸化炭素を混合した酸素で酸化させることができる。
【００３２】
燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードでは、変成部２７に供給する水蒸気流量や選択酸化部２９に供給する空気の流量を増加させる。すなわち、燃料処理機１に供給する水蒸気流量と空気の流量の少なくとも一方を増加させる。このいずれかにより燃料処理機１から供給される水素ガス中の一酸化炭素を低減させる。この場合、変成部２７、選択酸化部２９における反応を促進させることができる。
【００３３】
以上のように、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードや、燃料処理機１から供給される水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードは、第２上限電力を上限として燃料電池３を運転する間に制限する。
【００３４】
なお、制御部５は、燃料電池３へ要求される発電電力を例えば以下のようにして検出する。制御部５はインバータ１０の出力側の抵抗変化を検出し、抵抗が下がれば燃料電池３へ要求される発電電力が増加したと認識する。
【００３５】
なお、前述のように、燃料電池３から排出される排ガスＡは燃料処理機１の改質部２５を加熱する燃料として燃料処理機１に供給される。発電量が増加し排ガスＡに含まれる水素ガスの量が少なくなると、改質部２５の温度が低下する。制御部５はこの温度低下を検知して燃料電池３での発電量が増加したことを検知することができる。そのため、図示しない温度検知部を改質部２５に設け、その出力を制御部５に入力することが好ましい。
【００３６】
なお図１では熱交換機７と貯湯槽９を設けているが、これらを設けず、単に燃料電池３を冷却水によって所定温度に冷却してもよい。この場合、冷却水の流量を少なくしたり、冷却水の温度を上げたりすることで燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードを実現できる。
【００３７】
次に、本実施の形態による燃料電池発電システムの他の制御について説明する。
【００３８】
燃料電池３の発電量を急激に増加させた場合にも一酸化炭素による被毒の影響が大きくなるため、燃料電池で発電する電力の増加率にも一般的に定格増加率上限値が定められている。そのため、比較的消費電力の大きい機器を起動させた場合やいくつかの機器を一度に起動させた場合、燃料電池発電システムは追従できない。このように電力使用量の上昇（負荷増加率）が早く、燃料電池で電力の定格増加率上限値を上回り、発電電力が追いつかない場合がある。
【００３９】
このように発電量を急激に増加させた場合に一酸化炭素による被毒の影響が大きくなる理由を、図３を参照しながら説明する。図３は、図２に示す燃料処理機の変成部２７から排出されるガス中の一酸化炭素濃度と反応温度との関係を示す模式図である。
【００４０】
例えば、７５０Ｗが定格発電電力である燃料電池３を想定する。各発電量に相当する量の燃料ガスを変成部２７で処理する場合、変成部２７から排出されるガス中の一酸化炭素濃度は、図３に示すように、ある反応温度で最低値となる。例えば２５０Ｗの場合、１６０℃、５００Ｗの場合１８０℃、７５０Ｗの場合２００℃でそれぞれ一酸化炭素濃度が最も小さくなる。これは、温度が低すぎると反応速度が追従せず、一方、温度が高すぎると平衡反応である（４）式の反応が右へ進まないためである。後者は、変成反応が発熱反応であることによる。
【００４１】
燃料電池３の発電量をたとえば２５０Ｗから７５０Ｗへと急激に増加させると、１６０℃で運転されていた変成部２７に、７５０Ｗに必要なガス量へ供給量を急激に増加させるよう要求される。しかしながらこの温度で７５０Ｗに相当するガスを変成部２７で処理すると矢印で示すように、一酸化炭素濃度は大きくなる。変成反応後の一酸化炭素濃度が増加すると、選択酸化部２９に送られる処理ガス中の一酸化炭素濃度が増加することになる。この一酸化炭素濃度の増加は、通常の２５０Ｗから７５０Ｗへの発電量増加時に想定している増加よりも大きくなり、選択酸化部２９で一酸化炭素に対する酸素の割合が小さくなる。そのため、一酸化炭素の選択酸化性が低下し結果として、燃料電池３に送られる水素ガス中の一酸化炭素濃度が増加する。
【００４２】
この課題に対し、以下のように制御することが好ましい。すなわち、制御部５に、燃料電池３で発電する電力の増加率上限値として、定格増加率上限値である第１増加率上限値と、第１増加率上限値を上回る第２増加率上限値とを予め設定する。そして制御部５は、燃料電池３へ要求される発電電力の増加率が、第１増加率上限値を上回る場合、発電する電力の増加率上限値を第２増加率上限値に変更する。この変更とともに制御部５は、燃料電池３の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、燃料処理機１が燃料電池３に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる。
【００４３】
すなわち、電力の第１増加率上限値を超えて燃料電池３を運転させるのが好ましい場合、制御部５Ａは第２増加率上限値を上限として燃料電池３を運転する。好ましい場合とは、燃料電池発電システムから供給される電力を消費する機器側での電力要求量が大きく増加側に変化し、第１増加率上限値ではその増加量に追従できない場合である。通常、第１増加率上限値は例えば１Ｗ／秒程度であるが、上記制御によって第２増加率上限値である２Ｗ／秒程度に増加率上限値を上げることができる。
【００４４】
このように制御することで一時的に燃料電池の電力増加率上限値を大きくできるので急激な負荷増加率にも追従できる。その際、一酸化炭素による燃料極の被毒を最小限に抑えることができる。なおこの制御は電力上限値の切替制御と並存してもよく、また単独で実現してもよい。
【００４５】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムのブロック図である。なお実施の形態１と同様の構成をなすものには同じ符号を付しており、詳細な説明を省略する。また図２では図１における熱交換機７、貯湯槽９を図示していないが、図１と同様に設けてもよい。燃料処理機１の構成は図２を用いて説明した実施の形態１の構成と同様である。
【００４６】
本実施の形態では制御部５に代わって制御部５Ａが設けられるとともに、推定部４１と記憶部４２が設けられている。制御部５Ａは実施の形態１で説明した制御部５と同様の機能を少なくとも有する。推定部４１には燃料電池３で発電された電力の電流値と電圧値とが入力される。推定部４１は、制御部５Ａが発電上限電力を第１上限電力に設定した状態で、これらの値から求められる電流−電圧特性から燃料電池３の寿命を推定する。
【００４７】
燃料電池３を同じ運転条件で動作させた場合、運転時間の経過に伴って燃料電池３の性能が低下し、電圧値が低下する。同じ運転条件とは、供給する水素ガス量、水素ガスの露点、動作温度、および燃料電池３から出力する電流値を同じにすることを意味する。寿命を予測する場合、電圧値の低下を予め測定／シミュレーションし、運転時間と電圧値低下をテーブル化する。そして寿命を予測したい時点での電圧値を測定する。電圧値と上述のテーブルから、測定した電圧値が、どの運転時間に相当するかを当てはめる。次に、寿命として設定している電圧値までの運転時間との差を計算する。このようにして燃料電池３の寿命を推定することができる。どの電圧値を燃料電池３の寿命と判断するかは個別機器で設定すればよい。例えば、電圧値の低下は発電効率の低下と同義なので、目標とする発電効率を下回る場合を燃料電池３の寿命としてもよい。あるいは、電圧が低下すると同じだけ発電させる場合、必要となる水素ガス量が多くなるので、燃料処理機１での水素ガス発生能力を考慮して、寿命を設定することもできる。
【００４８】
また推定部４１は制御部５Ａによる燃料電池３の発電動作の変更に伴う燃料電池３の寿命の変化を推定する。すなわち、推定部４１は発電上限電力を第２上限電力に変更したり、発電する電力の増加率を第２増加率上限値に変更したりしたことによる寿命への影響を寿命の変化として見積もる。例えば、運転条件の変更によって運転単位時間あたり寿命がどの程度短くなるかのデータを保持させておき、第１上限電力を超えて運転した時間や第１増加率上限値を超えて運転した時間を乗じて、寿命の短縮を見積もることができる。
【００４９】
記憶部４２は推定部４１で推定した燃料電池３の寿命の値を保持している。推定部４１は、推定した燃料電池３の寿命の値が変化したとき、記憶部４２に保持された燃料電池３の寿命の値を更新する。
【００５０】
例えば家庭用の燃料電池発電システムには、１０年程度の寿命を保証することが必要である。そのため燃料電池３は、定格上限で運転しても１０年の寿命を有するように設計されている。しかしながら上述のように定格を超えて運転した場合、一酸化炭素被毒によって寿命が多少短くなる。このように短くなった寿命の値を記憶部４２に保持することで、例えば定格を超えた運転を制限することができる。これによって確実に１０年程度の寿命を保証することができる。
【００５１】
逆に、通常の運転において比較的軽負荷で使われることが多い場合、燃料電池３の寿命が１０年をはるかに超える状況もありうる。このように寿命に余裕がある場合、制御部５Ａは積極的に定格を超える運転を活用する。すなわち、制御部５Ａは、予め設定され記憶部４２に記憶された燃料電池３の保証寿命の値と、実際に推定された燃料電池３の寿命の値とを比較し、その比較結果に応じて燃料電池３の発電上限電力や電力の増加率上限値を変更する。このようにすれば、保証寿命を確保しつつ、負荷１１の変動に柔軟に対応することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明の燃料電池発電システムでは一時的に燃料電池の発電上限電力や発電電力の増加率上限値を、定格値を超えた水準に引き上げつつ、燃料電池の一酸化炭素耐性を向上させる、あるいは一酸化炭素の濃度を下げる。これによって寿命への影響を抑えつつ、利便性を向上することができる。本発明にかかる燃料電池発電システムは、特に家庭での電力を安定的に供給するシステムとして有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 燃料処理機
３ 燃料電池
５，５Ａ 制御部
７ 熱交換機
９ 貯湯槽
１０ インバータ
１１ 負荷
２１ 脱硫部
２３ 第１混合部
２５ 改質部
２７ 変成部
２９ 選択酸化部
３１ 第２混合部
４１ 推定部
４２ 記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質して水素ガスを発生させる燃料処理機と、
前記水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、
制御部と、を備え、
前記制御部には、前記燃料電池の発電上限電力として、定格上限電力である第１上限電力と、前記第１上限電力を上回る第２上限電力とが設定され、
前記制御部は、前記燃料電池へ要求される発電電力が、前記第１上限電力を上回る場合、前記発電上限電力を第２上限電力に変更するとともに、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードにおいて前記燃料電池の運転温度を上昇させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードにおいて前記燃料処理機から供給される水素ガス中の酸素濃度を増加させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードにおいて前記燃料処理機に供給する水蒸気流量と空気の流量の少なくとも一方を増加させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記制御部が前記発電上限電力を前記第１上限電力に設定した状態で前記燃料電池の電流−電圧特性から前記燃料電池の寿命を推定するとともに、前記制御部が前記発電上限電力を前記第２発電上限電力に変更したことに伴って生じる前記燃料電池の寿命の変化を見積もる推定部をさらに備えた請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記推定部で推定した前記燃料電池の寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記推定部は、推定した前記燃料電池の寿命の値が変化したとき、前記記憶部に保持された前記燃料電池の寿命の値を更新する請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
予め設定された前記燃料電池の保証寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記燃料電池の保証寿命の値と前記燃料電池の寿命の値とを比較し、その比較結果に応じて前記発電上限電力を変更する請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記制御部には、前記燃料電池で発電する電力の増加率上限値として、定格増加率上限値である第１増加率上限値と、前記第１増加率上限値を上回る第２増加率上限値とが設定され、
前記制御部は、前記燃料電池へ要求される発電電力の増加率が、前記第１増加率上限値を上回る場合、発電する電力の前記増加率上限値を前記第２増加率上限値に変更するとともに、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
原料を改質して水素ガスを発生させる燃料処理機と、
前記水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、
制御部と、を備え、
前記制御部には、前記燃料電池で発電する電力の増加率上限値として、定格増加率上限値である第１増加率上限値と、前記第１増加率上限値を上回る第２増加率上限値とが設定され、
前記制御部は、前記燃料電池へ要求される発電電力の増加率が、前記第１増加率上限値を上回る場合、発電する電力の前記増加率上限値を前記第２増加率上限値に変更するとともに、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードにおいて、前記燃料電池の運転温度を上昇させる請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記制御部は、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードにおいて、前記燃料処理機から供給される水素ガス中の酸素濃度を増加させる請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記制御部は、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードにおいて、前記燃料処理機に供給する水蒸気流量と空気の流量の少なくとも一方を増加させる請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記制御部が前記発電上限電力を前記第１上限電力に設定した状態で前記燃料電池の電流−電圧特性から前記燃料電池の寿命を推定するとともに、前記制御部が前記発電上限電力を前記第２発電上限電力に変更したことに伴って生じる前記燃料電池の寿命の変化を見積もる推定部をさらに備えた推定部をさらに備えた請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記推定部で推定した前記燃料電池の寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記推定部は、推定した前記燃料電池の寿命の値が変化したとき、前記記憶部に保持された前記燃料電池の寿命の値を更新する請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
予め設定された前記燃料電池の保証寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記燃料電池の保証寿命の値と前記燃料電池の寿命の値とを比較し、その比較結果に応じて前記発電上限電力を変更する請求項１４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１】
原料を改質して水素ガスを発生させる燃料処理機と、
前記水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、
制御部と、を備え、
前記制御部には、前記燃料電池の発電上限電力として、定格上限電力である第１上限電力と、前記第１上限電力を上回る第２上限電力とが設定され、
前記制御部は、前記燃料電池へ要求される発電電力が、前記第１上限電力を上回る場合、前記発電上限電力を第２上限電力に変更するとともに、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードにおいて前記燃料電池の運転温度を上昇させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードにおいて前記燃料処理機から供給される水素ガス中の酸素濃度を増加させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードにおいて前記燃料処理機に供給する水蒸気流量と空気の流量の少なくとも一方を増加させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記制御部が前記発電上限電力を前記第１上限電力に設定した状態で前記燃料電池の電流−電圧特性から前記燃料電池の寿命を推定するとともに、前記制御部が前記発電上限電力を前記第２発電上限電力に変更したことに伴って生じる前記燃料電池の寿命の変化を見積もる推定部をさらに備えた請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記推定部で推定した前記燃料電池の寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記推定部は、推定した前記燃料電池の寿命の値が変化したとき、前記記憶部に保持された前記燃料電池の寿命の値を更新する請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
予め設定された前記燃料電池の保証寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記燃料電池の保証寿命の値と前記燃料電池の寿命の値とを比較し、その比較結果に応じて前記発電上限電力を変更する請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記制御部には、前記燃料電池で発電する電力の増加率上限値として、定格増加率上限値である第１増加率上限値と、前記第１増加率上限値を上回る第２増加率上限値とが設定され、
前記制御部は、前記燃料電池へ要求される発電電力の増加率が、前記第１増加率上限値を上回る場合、発電する電力の前記増加率上限値を前記第２増加率上限値に変更するとともに、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
原料を改質して水素ガスを発生させる燃料処理機と、
前記水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、
制御部と、を備え、
前記制御部には、前記燃料電池で発電する電力の増加率上限値として、定格増加率上限値である第１増加率上限値と、前記第１増加率上限値を上回る第２増加率上限値とが設定され、
前記制御部は、前記燃料電池へ要求される発電電力の増加率が、前記第１増加率上限値を上回る場合、発電する電力の前記増加率上限値を前記第２増加率上限値に変更するとともに、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードと、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードとの少なくともいずれかを実施させる燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードにおいて、前記燃料電池の運転温度を上昇させる請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記制御部は、前記燃料電池の耐一酸化炭素性を向上させる運転モードにおいて、前記燃料処理機から供給される水素ガス中の酸素濃度を増加させる請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記制御部は、前記燃料処理機が前記燃料電池に供給する水素ガス中の一酸化炭素を低減させる運転モードにおいて、前記燃料処理機に供給する水蒸気流量と空気の流量の少なくとも一方を増加させる請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記制御部が前記発電上限電力を前記第１上限電力に設定した状態で前記燃料電池の電流−電圧特性から前記燃料電池の寿命を推定するとともに、前記制御部が前記発電上限電力を前記第２発電上限電力に変更したことに伴って生じる前記燃料電池の寿命の変化を見積もる推定部をさらに備えた推定部をさらに備えた請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記推定部で推定した前記燃料電池の寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記推定部は、推定した前記燃料電池の寿命の値が変化したとき、前記記憶部に保持された前記燃料電池の寿命の値を更新する請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
予め設定された前記燃料電池の保証寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記燃料電池の保証寿命の値と前記燃料電池の寿命の値とを比較し、その比較結果に応じて前記発電上限電力を変更する請求項１４に記載の燃料電池発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１８１１９８（Ｐ２０１１−１８１１９８Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４１５０２（Ｐ２０１０−４１５０２）
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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