特許 6695263 燃料電池システム、制御装置、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6695263

(24)【登録日】2020年4月23日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】燃料電池システム、制御装置、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0606 20160101AFI20200511BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20200511BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20200511BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0606

   H01M8/12

   C01B3/38

【請求項の数】9

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-225864(P2016-225864)

(22)【出願日】2016年11月21日

(65)【公開番号】特開2018-85174(P2018-85174A)

(43)【公開日】2018年5月31日

【審査請求日】2019年5月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】櫛 拓人

(72)【発明者】

【氏名】白木 正浩

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１１１５５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１０７０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０８９９１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１３４１５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００− ８／２４９５

Ｃ０１Ｂ ３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化水素を含む燃料ガス、及び、二酸化炭素と空気中の酸素の少なくとも一方の改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、
前記改質器の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して炭素積算量を導出する導出部と、
前記導出部により導出された炭素積算量が第１閾値よりも多く、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以下である場合、前記二酸化炭素を前記酸素よりも多く前記改質器に供給し、前記炭素積算量が前記第２閾値よりも多い場合、前記酸素を前記二酸化炭素よりも多く前記改質器に供給する制御を行う制御部と、
を備えた燃料電池システム。

【請求項2】

前記制御部は、前記炭素積算量が前記第１閾値よりも多く前記第２閾値以下であり、かつ、予測される電力量の需要が予め定められた量以下である場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量を、前記炭素積算量が前記第１閾値以下で、かつ、前記予測される電力量の需要が前記予め定められた量よりも多い場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量よりも増加させる制御を行う請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記炭素積算量が前記第１閾値よりも多く前記第２閾値以下であり、かつ、予測される熱量の需要が予め定められた量以上である場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量を、前記炭素積算量が前記第１閾値以下で、かつ、前記予測される熱量の需要が前記予め定められた量よりも少ない場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量よりも増加させる制御を行う請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記導出部は、前記改質器において前記炭化水素の転化率が減少する割合に基づいて、前記第１閾値及び前記第２閾値の各々を更に導出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記第１閾値は、前記炭化水素の転化率が減少する割合が第１割合である場合に析出する炭素の量に相当し、
前記第２閾値は、前記炭化水素の転化率が減少する割合が前記第１割合よりも高い第２割合である場合に析出する炭素の量に相当する請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記導出部は、前記改質器における炭素の析出のし易さを示す炭素活量を更に導出し、導出した炭素活量を変換して得られる単位時間当たりの炭素析出量を時間的に積算することにより前記炭素積算量を導出する請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記改質器は、前記炭化水素と前記二酸化炭素との第１改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、前記炭化水素と前記酸素との第２改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、
前記炭化水素、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、前記水素、及び前記酸素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ_４）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ_２）、ｐ（Ｈ_２）、及びｐ（Ｏ_２）は、前記第１改質反応における反応比率をｗ、前記第２改質反応における反応比率をｖ、前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量をＡ、前記二酸化炭素の単位時間当たりの供給量をα、前記酸素の単位時間当たりの供給量をβとした場合、
ｐ（ＣＨ_４）＝Ａ×（１−ｗ−ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
ｐ（ＣＯ）＝Ａ×（２ｗ＋ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
ｐ（ＣＯ_２）＝α−（Ａ×ｗ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
ｐ（Ｈ_２）＝Ａ×（２ｗ＋２ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
ｐ（Ｏ_２）＝β−（Ａ×０．５ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
で表わされ、
前記第１改質反応及び前記第２改質反応の各々における平衡定数Ｋ１、Ｋ２は、
Ｋ１＝ｐ（Ｈ_２）^２×ｐ（ＣＯ）^２／ｐ（ＣＨ_４）／ｐ（ＣＯ_２）
Ｋ２＝ｐ（Ｈ_２）^２×ｐ（ＣＯ）／ｐ（ＣＨ_４）／ｐ（Ｏ_２）^０．５
で表わされ、
前記炭素活量をＡｃ、前記燃料電池の炭素析出反応における平衡定数をＫ３とした場合、
Ａｃ＝Ｋ３×ｐ（ＣＯ）^２／ｐ（ＣＯ_２）
で表わされ、
前記導出部は、前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量Ａ、前記二酸化炭素の単位時間当たりの供給量α、及び前記酸素の単位時間当たりの供給量βに応じて導出される前記反応比率ｗ、ｖに基づいて、前記分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ_２）の各々の値を導出し、導出した各々の値から前記炭素活量Ａｃを導出する請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

炭化水素を含む燃料ガス、及び、二酸化炭素と空気中の酸素の少なくとも一方の改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池の運転を制御する制御装置であって、
前記改質器の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して炭素積算量を導出する導出部と、
前記導出部により導出された炭素積算量が第１閾値よりも多く、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以下である場合、前記二酸化炭素を前記酸素よりも多く前記改質器に供給し、前記炭素積算量が前記第２閾値より多い場合、前記酸素を前記二酸化炭素よりも多く前記改質器に供給する制御を行う制御部と、
を備えた制御装置。

【請求項9】

コンピュータを、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムが備える導出部及び制御部として機能させるプログラム。

【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、制御装置、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ: Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ: Molten Carbonate Fuel Cell）等の燃料電池を用いた燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムは、改質器及びスタックを含む。改質器は、炭化水素を含む燃料ガスを水蒸気や空気中の酸素と反応させて改質し、水素（Ｈ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）を生成する。スタックは、改質器で生成された水素や一酸化炭素を用いて発電する。

【0003】

改質器では、水蒸気の供給量と燃料ガス中の炭素量との比（Ｓ／Ｃ比：Steam/Carbon）や、酸素の供給量と燃料ガス中の炭素量との比（Ｏ／Ｃ比：Oxygen/Carbon）を大きくし、炭素の析出を抑制する場合がある。

【0004】

従来、部分負荷時や発電停止時に、改質器に酸化剤（空気、水蒸気）を供給し、改質器を加熱機構により加熱することで、改質器にて析出する炭素の量を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

また、改質器に定期的に一定時間酸素を供給することで、上記Ｏ／Ｃ比を増加させ、改質器にて析出する炭素の量を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

【0006】

また、空気や水蒸気の代わりに、燃焼排ガス中の二酸化炭素を改質に利用し、発電効率を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００５−３１７４０２号公報

【特許文献2】特開２００２−１３４１５１号公報

【特許文献3】特開２０１４−１０７０５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、上記のＳ／Ｃ比を大きくする場合、燃料電池の発電に対する抵抗成分となる水蒸気や窒素がスタックに多く供給され、燃料電池の発電効率を低下させる。また、Ｏ／Ｃ比を大きくする場合、燃料と酸素の発熱反応によって燃料が消費され、システムの発電効率を低下させる。

【0009】

これに対して、上記特許文献３に記載の技術では、二酸化炭素を改質に利用するため、水蒸気による電圧の低下を抑制し、燃料の消費を抑え、高い発電効率を得ることができる。しかしその反面、温度が低下した場合等に、炭素析出耐性が水蒸気や酸素に比べて低く、炭素の析出を十分に抑制できない場合がある。

【0010】

一方、上記特許文献２に記載の技術では、炭素除去時に常に酸素が供給されるため、改質器にて発電に利用したい炭化水素燃料、水素や一酸化炭素まで酸化され、発電効率を低下させる可能性がある。また、上記特許文献１に記載の技術では、水蒸気が酸化剤として供給されるため、酸素を供給する場合と同様に発電効率を低下させる可能性がある。つまり、上記特許文献１〜３に記載の技術では、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することは困難である。

【0011】

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる燃料電池システム、制御装置、及びプログラ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】

【0012】

上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、炭化水素を含む燃料ガス、及び、二酸化炭素と空気中の酸素の少なくとも一方の改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池と、前記改質器の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して炭素積算量を導出する導出部と、前記導出部により導出された炭素積算量が第１閾値よりも多く、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以下である場合、前記二酸化炭素を前記酸素よりも多く前記改質器に供給し、前記炭素積算量が前記第２閾値よりも多い場合、前記酸素を前記二酸化炭素よりも多く前記改質器に供給する制御を行う制御部と、を備えたものである。

【0013】

この燃料電池システムによれば、炭素積算量を考慮することなく常に二酸化炭素と空気中の酸素のいずれか一方を他方よりも多く供給する場合と比べ、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる。

【0014】

また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記炭素積算量が前記第１閾値よりも多く前記第２閾値以下であり、かつ、予測される電力量の需要が予め定められた量以下である場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量を、前記炭素積算量が前記第１閾値以下で、かつ、前記予測される電力量の需要が前記予め定められた量よりも多い場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量よりも増加させる制御を行うものである。

【0015】

また、請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記炭素積算量が前記第１閾値よりも多く前記第２閾値以下であり、かつ、予測される熱量の需要が予め定められた量以上である場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量を、前記炭素積算量が前記第１閾値以下で、かつ、前記予測される熱量の需要が前記予め定められた量よりも少ない場合に前記改質器に供給する前記二酸化炭素の量よりも増加させる制御を行うものである。

【0016】

この燃料電池システムによれば、電力量や熱の需要に応じて二酸化炭素及び酸素の供給量を制御するため、無駄に改質剤を供給することがなく、経済性を向上させることができる。

【0017】

また、請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記導出部が、前記改質器において前記炭化水素の転化率が減少する割合に基づいて、前記第１閾値及び前記第２閾値の各々を更に導出するものである。

【0018】

この燃料電池システムによれば、炭化水素の転化率が減少する割合に基づいて２つの閾値を導出しているため、炭素積算量の多少の判定を精度良く行うことができる。

【0019】

また、請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１閾値が、前記炭化水素の転化率が減少する割合が第１割合である場合に析出する炭素の量に相当し、前記第２閾値が、前記炭化水素の転化率が減少する割合が前記第１割合よりも高い第２割合である場合に析出する炭素の量に相当するものである。

【0020】

この燃料電池システムによれば、炭化水素の転化率が減少する割合が第１割合である場合に析出する炭素の量を第１閾値、第１割合よりも高い第２割合である場合に析出する炭素の量を第２閾値とするため、炭素積算量の多少の判定を精度良く行うことができる。

【0021】

また、請求項６に記載の燃料電池システムは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記導出部が、前記改質器における炭素の析出のし易さを示す炭素活量を更に導出し、導出した炭素活量を変換して得られる単位時間当たりの炭素析出量を時間的に積算することにより前記炭素積算量を導出するものである。

【0022】

この燃料電池システムによれば、炭素活量を導出し、さらに、炭素活量から炭素積算量を導出しているため、比較的容易な手法で正確な炭素積算量を得ることができる。

【0023】

また、請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器が、前記炭化水素と前記二酸化炭素との第１改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、前記炭化水素と前記酸素との第２改質反応により水素と一酸化炭素を生成し、
前記炭化水素、前記一酸化炭素、前記二酸化炭素、前記水素、及び前記酸素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ_４）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ_２）、ｐ（Ｈ_２）、及びｐ（Ｏ_２）が、前記第１改質反応における反応比率をｗ、前記第２改質反応における反応比率をｖ、前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量をＡ、前記二酸化炭素の単位時間当たりの供給量をα、前記酸素の単位時間当たりの供給量をβとした場合、
ｐ（ＣＨ_４）＝Ａ×（１−ｗ−ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
ｐ（ＣＯ）＝Ａ×（２ｗ＋ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
ｐ（ＣＯ_２）＝α−（Ａ×ｗ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
ｐ（Ｈ_２）＝Ａ×（２ｗ＋２ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
ｐ（Ｏ_２）＝β−（Ａ×０．５ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）)
で表わされ、
前記第１改質反応及び前記第２改質反応の各々における平衡定数Ｋ１、Ｋ２が、
Ｋ１＝ｐ（Ｈ_２）^２×ｐ（ＣＯ）^２／ｐ（ＣＨ_４）／ｐ（ＣＯ_２）
Ｋ２＝ｐ（Ｈ_２）^２×ｐ（ＣＯ）／ｐ（ＣＨ_４）／ｐ（Ｏ_２）^０．５
で表わされ、
前記炭素活量をＡｃ、前記燃料電池の炭素析出反応における平衡定数をＫ３とした場合、
Ａｃ＝Ｋ３×ｐ（ＣＯ）^２／ｐ（ＣＯ_２）
で表わされ、
前記導出部が、前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量Ａ、前記二酸化炭素の単位時間当たりの供給量α、及び前記酸素の単位時間当たりの供給量βに応じて導出される前記反応比率ｗ、ｖに基づいて、前記分圧ｐ（ＣＯ）及びｐ（ＣＯ_２）の各々の値を導出し、導出した各々の値から前記炭素活量Ａｃを導出するものである。

【0024】

この燃料電池システムによれば、改質反応及び炭素析出反応の各々における各成分の平衡状態での分圧及び平衡定数から炭素活量を導出し、さらに、炭素活量から炭素積算量を導出しているため、比較的容易な手法で正確な炭素積算量を得ることができる。

【0025】

一方、上記目的を達成するために、請求項８に記載の制御装置は、炭化水素を含む燃料ガス、及び、二酸化炭素と空気中の酸素の少なくとも一方の改質剤が供給される改質器を備えた燃料電池の運転を制御する制御装置であって、前記改質器の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して炭素積算量を導出する導出部と、前記導出部により導出された炭素積算量が第１閾値よりも多く、前記第１閾値よりも大きい第２閾値以下である場合、前記二酸化炭素を前記酸素よりも多く前記改質器に供給し、前記炭素積算量が前記第２閾値よりも多い場合、前記酸素を前記二酸化炭素よりも多く前記改質器に供給する制御を行う制御部と、を備えたものである。

【0026】

さらに、上記目的を達成するために、請求項９に記載のプログラムは、コンピュータを、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムが備える導出部及び制御部として機能させるものである。

【0027】

上記の制御装置及びプログラムの各々によれば、炭素積算量を考慮することなく常に二酸化炭素と空気中の酸素のいずれか一方を他方よりも多く供給する場合と比べ、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる。

【発明の効果】

【0028】

以上詳述したように、本発明によれば、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。

【図2】実施形態に係る炭素析出量の計測値とメタンの転化率との関係の一例を示すグラフである。

【図3】実施形態に係る炭素活量と単位時間当たりの炭素析出量との関係の一例を示すグラフである。

【図4】実施形態に係る炭素活量から単位時間当たりの炭素析出量への変換の一例を示すグラフである。

【図5】実施形態に係る積算炭素析出量と時間との関係の一例を示すグラフである。

【図6】実施形態に係るプログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【図7】実施形態に係る導出部による処理内容の一例の説明に供する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。

【0031】

図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０の全体構成の一例を示すブロック図である。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、制御装置３０と、を備えている。燃料電池２０は、改質器２２と、スタック（燃料電池本体）２４と、燃焼器２６と、を備えている。これら改質器２２、スタック２４、及び燃焼器２６は、ホットボックス内に収容されている。

【0032】

改質器２２は、スタック２４の前段に配置されている。この改質器２２には、都市ガスＧｆが供給される。都市ガスＧｆは、炭化水素を含む燃料ガスの一例である。燃料ガスとしては、都市ガス以外でもよく、バイオガス、又は、都市ガス及びバイオガスの混合ガス等を用いてもよい。都市ガスＧｆの組成は、１３Ａガスの場合、約９０％がメタン（ＣＨ_４）である。メタンは、炭化水素の一例である。なお、ここでいうバイオガスとは、動植物に由来する有機性廃棄物をメタン発酵させることで発生する可燃性ガスを意味する。バイオガスの代表的な組成は、メタンが約６０％、二酸化炭素（ＣＯ_２）が約４０％であるが、組成が変化する場合がある。

【0033】

改質器２２は、二酸化炭素と空気中の酸素（Ｏ_２）の少なくとも一方の改質剤が供給される。つまり、改質器２２には、都市ガスＧｆに二酸化炭素ＣＯ_２を供給して改質する二酸化炭素改質器と、都市ガスＧｆに空気中の酸素Ｏ_２を供給して改質させる部分酸化改質器と、が設けられている。

【0034】

改質器２２は、改質用の触媒を有する。改質用の触媒には、高活性で炭素析出耐性の高い触媒が用いられる。担持する担体の酸化物は、塩基性であることが望ましい。担体には、一例として、アルカリ土類金属である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）等が用いられる。塩基性の担体を用いることにより、触媒表面に化学吸着する二酸化炭素ＣＯ_２が安定化し、メタンの分解によって生成した炭素と化学吸着した二酸化炭素ＣＯ_２との反応が促進される。上記改質用の触媒としては、一例として、Ｒｕ／ＭｇＯ、Ｒｈ／ＢａＯ、Ｎｉ／ＳｒＴｉＯ_３等が挙げられる。この改質器２２における二酸化炭素ＣＯ_２による改質反応は、下記式（１）に示す通りである。なお、式（１）は、第１改質反応の一例を示す。

【0035】

ＣＨ_４＋ＣＯ_２ → ２Ｈ_２＋２ＣＯ …（１）

【0036】

また、この改質器２２における空気中の酸素Ｏ_２による改質反応は、下記式（２）に示す通りである。なお、式（２）は、第２改質反応の一例を示す。

【0037】

ＣＨ_４＋０．５Ｏ_２ → ２Ｈ_２＋ＣＯ …（２）

【0038】

スタック２４には、一例として、固体酸化物形燃料電池が適用される。このスタック２４は、積層された複数のセルを有している。各セルは、燃料極、電解質層、及び空気極を有している。各セルの燃料極には、改質器２２にて生成された改質ガスが供給され、各セルの空気極には、酸化剤ガスとして空気が供給される。

【0039】

空気極では、下記式（３）で示されるように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層を通って燃料極に到達する。

【0040】

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− …（３）

【0041】

一方、燃料極では、下記式（４）及び式（５）で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気、二酸化炭素、及び電子が生成される。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各セルにおいて発電される。また、各セルは、発電時に以上の電気化学反応に伴ってジュール熱が発生する。

【0042】

(燃料極反応)
Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（４）
ＣＯ＋Ｏ^２− → ＣＯ_２＋２ｅ⁻ …（５）

【0043】

この燃料極で発生するガス（以下、アノードオフガスという。）には、燃料極反応にて生成された水蒸気及び二酸化炭素の他に、改質器２２にて生成されスタック２４の燃料極で未反応の水素及び一酸化炭素が含まれる。燃料電池２０内を流通するアノードオフガスの温度は、例えば、２００℃以上８００℃以下である。

【0044】

燃焼器２６は、スタック２４の後段に配置されている。この燃焼器２６には、スタック２４の空気極から排出されたガス（以下、カソードオフガスという。）が供給されると共に、スタック２４の燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される。アノードオフガスには、上述の通り、スタック２４の燃料極にて未反応の水素及び一酸化炭素が含まれており、燃焼器２６は、酸素を含むカソードオフガスを利用してアノードオフガスを燃焼する。この燃焼器２６の燃焼に伴い生成された燃焼排ガスは、燃料電池２０の外部に排出される。

【0045】

一方、制御装置３０は、燃料電池２０の運転を制御する。制御装置３０は、演算部３２及び記憶部３４を含んで構成されている。記憶部３４には、炭素積算量（以下、積算炭素析出量Ｃａという。）に基づいて二酸化炭素ＣＯ_２及び酸素Ｏ_２の各々の供給量を制御し、燃料電池２０の運転を制御するためのプログラム３４Ａが予め記憶されている。プログラム３４Ａは、例えば、制御装置３０に予めインストールされていてもよい。プログラム３４Ａは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又は、ネットワークを介して配布して、制御装置３０に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ(Compact Disc Read Only Memory)、光磁気ディスク、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)、ＤＶＤ-ＲＯＭ(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、フラッシュメモリ、メモリカード等が挙げられる。

【0046】

演算部３２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)を含み、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行することにより、導出部３２Ａ、需要予測部３２Ｂ、判定部３２Ｃ、及び運転制御部３２Ｄとして機能する。

【0047】

ところで、二酸化炭素を改質に利用する場合、水蒸気を利用した場合における電圧の低下を抑制し、高い発電効率を得ることができる。しかしその反面、温度が低下した場合等に、炭素析出耐性が水蒸気や酸素に比べて低く、析出する炭素を十分に抑制できない場合がある。

【0048】

一方、空気中の酸素を用いて部分酸化により改質を行う場合、改質器にて発電に利用したい水素や一酸化炭素まで酸化され、発電効率を低下させる可能性がある。しかし、酸素による改質は、二酸化炭素よりも炭素析出耐性が高く、炭素の析出を短時間で抑制するためには有効である。

【0049】

また、上記式（１）に示す二酸化炭素による改質反応は、吸熱反応である。一方、上記式（２）に示す酸素による改質反応は、発熱反応であり、発熱によるエネルギーロスが発生する。従って、二酸化炭素と酸素とを適宜混合することで、発熱を抑え、発電効率の低下を抑制することができると考えられる。

【0050】

以上の事柄を踏まえ、二酸化炭素及び空気中の酸素を用いて改質を行う場合に、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することが望まれている。

【0051】

そこで、本実施形態に係る導出部３２Ａは、改質器２２の改質反応により予め定められた時間内に析出する炭素の量を積算して積算炭素析出量Ｃａを導出し、導出した積算炭素析出量Ｃａを判定部３２Ｃに出力する。また、導出部３２Ａは、積算炭素析出量Ｃａの判定に用いる第１閾値ＴＨ１及び第２閾値ＴＨ２を導出し、導出した第１閾値ＴＨ１及び第２閾値ＴＨ２を判定部３２Ｃに出力する。第２閾値ＴＨ２は、第１閾値よりも大きく、一例として最大許容値を示す。第１閾値ＴＨ１＜第２閾値ＴＨ２の関係を有する。この導出部３２Ａによる積算炭素析出量Ｃａ、第１閾値ＴＨ１、及び第２閾値ＴＨ２の導出方法については後述する。

【0052】

需要予測部３２Ｂは、必要とされる電力量の需要を予測し、予測した電力量の需要（以下、単に電力需要Ｗａという。）を判定部３２Ｃに出力する。なお、電力量の需要を予測する方法としては、特に限定されるものではないが、一例として、燃料電池２０にて過去に発電した電力量の実績値に基づいて予測してもよい。

【0053】

電力需要に代えて熱需要を予測してもよい。この場合、需要予測部３２Ｂは、必要とされる熱量の需要を予測し、予測した熱量の需要を判定部３２Ｃに出力する。なお、熱量の需要を予測する方法としては、一例として、燃料電池２０にて過去に供給した熱量の実績値に基づいて予測してもよい。

【0054】

判定部３２Ｃは、導出部３２Ａにより導出された積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１よりも多く第２閾値ＴＨ２以下であるか否かを判定する。また、判定部３２Ｃは、積算炭素析出量Ｃａが第２閾値ＴＨ２よりも多いか否かを判定する。また、判定部３２Ｃは、電力需要Ｗａが予め定められた量以下であるか否かを判定する。そして、判定部３２Ｃは、これらの判定結果を運転制御部３２Ｄに出力する。

【0055】

運転制御部３２Ｄは、燃料電池２０の運転を制御する。ここで、本実施形態に係る運転制御部３２Ｄは、判定部３２Ｃの判定結果に基づいて、改質器２２に供給される二酸化炭素ＣＯ_２及び酸素Ｏ_２の各々の供給量を制御する。なお、運転制御部３２Ｄは、都市ガスＧｆの供給量の制御も行う。運転制御部３２Ｄは、制御部の一例である。

【0056】

都市ガスＧｆの供給経路５０には第１バルブ４１が設けられている。この供給経路５０には、第１バルブ４１と燃料電池２０との間に流量計Ｆｍ１が設けられている。流量計Ｆｍ１は、都市ガスＧｆの供給量を計測する。二酸化炭素ＣＯ_２の供給経路５２には第２バルブ４２が設けられている。この供給経路５２には、第２バルブ４２と燃料電池２０との間に流量計Ｆｍ２が設けられている。流量計Ｆｍ２は、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量を計測する。酸素Ｏ_２の供給経路５４には第３バルブ４３が設けられている。この供給経路５４には、第３バルブ４３と燃料電池２０との間に流量計Ｆｍ３が設けられている。流量計Ｆｍ３は、酸素Ｏ_２の供給量を計測する。流量計Ｆｍ１〜Ｆｍ３の各々は、導出部３２Ａに接続される。

【0057】

上記の第１バルブ４１、第２バルブ４２、及び第３バルブ４３の各々の開度は、運転制御部３２Ｄにより制御される。つまり、都市ガスＧｆの供給量は、運転制御部３２Ｄが第１バルブ４１の開度を制御することにより調整される。同様に、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量は、運転制御部３２Ｄが第２バルブ４２の開度を制御することにより調整される。酸素Ｏ_２の供給量は、運転制御部３２Ｄが第３バルブ４３の開度を制御することにより調整される。

【0058】

運転制御部３２Ｄは、判定部３２Ｃにより積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１よりも多く第２閾値ＴＨ２以下と判定された場合、二酸化炭素ＣＯ_２を酸素Ｏ_２よりも多く改質器２２に供給する制御を行う。運転制御部３２Ｄは、判定部３２Ｃにより積算炭素析出量Ｃａが第２閾値ＴＨ２よりも多いと判定した場合、酸素Ｏ_２を二酸化炭素ＣＯ_２よりも多く供給する制御を行う。

【0059】

すなわち、積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１よりも多く第２閾値ＴＨ２以下の範囲は、炭素の析出量がある程度多い範囲を示す。このため、二酸化炭素ＣＯ_２を酸素Ｏ_２よりも多く供給する制御を行うことで、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制することができる。一方、積算炭素析出量Ｃａが第２閾値ＴＨ２よりも多い範囲は、炭素の析出量がかなり多い範囲を示す。このため、酸素Ｏ_２を二酸化炭素ＣＯ_２よりも多く供給する制御を行うことで、炭素の析出を短時間で抑制することができる。なお、積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１以下の範囲では、炭素の析出量が比較的少なく、二酸化炭素ＣＯ_２及び酸素Ｏ_２の各々の供給量は特に限定されない。一例として、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量が酸素Ｏ_２の供給量と略等しいか、酸素Ｏ_２の供給量よりもやや多い程度としてもよい。

【0060】

ここで、電力需要Ｗａを考慮してもよい。例えば、積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１よりも多く第２閾値ＴＨ２以下であり、かつ、電力需要Ｗａが予め定められた量以下である場合に改質器２２に供給する二酸化炭素ＣＯ_２の量をＬ１とする。また、積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１以下で、かつ、電力需要Ｗａが予め定められた量よりも多い場合に改質器２２に供給する二酸化炭素ＣＯ_２の量をＬ２とする。この場合、運転制御部３２Ｄは、Ｌ１＞Ｌ２となるように、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量を増加させる制御を行う。

【0061】

より具体的には、積算炭素析出量Ｃａが比較的少なく、予測される電力需要Ｗａが比較的多い場合、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量をＬ２にして定格運転を行う。ここでいう定格運転とは、燃料電池２０を定格出力で運転している状態を示す。そして、積算炭素析出量Ｃａがある程度多くなり、予測される電力需要Ｗａが比較的少ない場合、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量をＬ１（＞Ｌ２）にして、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制できるようにする。ここで、燃料電池２０における炭素析出反応は、一例として下記式（６）により示される。

【0062】

２ＣＯ → Ｃ＋ＣＯ_２ …（６）

【0063】

なお、電力需要Ｗａに代えて熱需要を考慮してもよい。この場合、例えば、積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１よりも多く第２閾値ＴＨ２以下であり、かつ、熱需要が予め定められた量以上である場合に改質器２２に供給する二酸化炭素ＣＯ_２の量をＬ１とする。また、積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１以下で、かつ、熱需要が予め定められた量よりも少ない場合に改質器２２に供給する二酸化炭素ＣＯ_２の量をＬ２とする。この場合、運転制御部３２Ｄは、Ｌ１＞Ｌ２となるように、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量を増加させる制御を行う。

【0064】

なお、燃料電池２０の起動時においては、改質器２２の温度が低い状態であるため、二酸化炭素ＣＯ_２による改質では炭素が析出する場合がある。そこで、炭素の析出を抑制するために、酸素Ｏ_２を二酸化炭素ＣＯ_２よりも多く供給するほうが望ましい。この場合、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量を０（ゼロ）にして、酸素Ｏ_２のみを供給する場合を含む。一方、燃料電池２０を定格運転している場合、発電効率の低下を抑制するために、二酸化炭素ＣＯ_２を酸素Ｏ_２よりも多く供給するほうが望ましい。

【0065】

次に、導出部３２Ａによる第１閾値ＴＨ１及び第２閾値ＴＨ２の導出方法について説明する。

【0066】

本実施形態に係る燃料電池２０を、予め定めた運転条件に従って試験運転し、第１閾値ＴＨ１及び第２閾値ＴＨ２を予め導出しておく。

【0067】

（Ｓ１）まず、運転条件として、都市ガス（メタン）Ｇｆ、二酸化炭素ＣＯ_２、及び酸素Ｏ_２の各ガスの供給量（供給比率）と、改質器２２の作動温度と、を設定する。運転条件として、例えば、都市ガス（メタン）Ｇｆの単位時間当たりの供給量をＡ[ｍｏｌ／ｈ]、二酸化炭素ＣＯ_２の単位時間当たりの供給量をα[ｍｏｌ／ｈ]、酸素Ｏ_２の単位時間当たりの供給量をβ[ｍｏｌ／ｈ]、改質器２２の作動温度をＴ[Ｋ]（一例として９２３Ｋ（＝６５０℃））に設定する。なお、都市ガスＧｆの供給量Ａ、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量α、及び酸素Ｏ_２の供給量βは、比率（例えば、Ａ：α：β＝１：ｘ：ｙ）で表すようにしてもよい。また、本実施形態ではＨ_２Ｏを供給しないが、飽和水蒸気として含まれる可能性があるため、考慮してもよい。

【0068】

（Ｓ２）上記の運転条件で改質器２２を運転し、改質器２２から出てくる改質ガスをガス分析器（ガスクロマトグラフィ等）により分析し、メタン、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素の各々の濃度を得る。得られた濃度から下記の式（７）を用いて、メタンの転化率Ｃｏｎｖを導出する。なお、Ｃｏｎｖはメタンの転化率[％]、Ｆ_ＣＨ４はメタンの濃度、Ｆ_ＣＯは一酸化炭素の濃度、Ｆ_ＣＯ２は二酸化炭素の濃度を示す。

【0069】

Ｃｏｎｖ＝｛１−Ｆ_ＣＨ４／（Ｆ_ＣＨ４＋Ｆ_ＣＯ＋Ｆ_ＣＯ２）｝×１００ …（７）

【0070】

（Ｓ３）上記の運転条件で引き続き改質器２２を運転させ続け、一定時間（一例として１７０時間（約１週間））が経過した時点でのメタンの転化率Ｃｏｎｖを、上記式（７）を用いて導出する。そして、メタンの転化率Ｃｏｎｖが顕著な低下を示し、かつ、スタック２４のメタン転化率許容値（一例として６０％）を下回った場合に、試験運転を終了する。

【0071】

（Ｓ４）改質器２２の内部の触媒を取り出し、赤外吸収法等を用いて、触媒における炭素析出量を計測し、計測値を得る。触媒中の炭素析出量として、例えば、１０ｗｔ％（質量パーセント濃度）が得られる。

【0072】

上記（Ｓ１）〜（Ｓ４）の処理を繰り返すことにより、図２に示すように、一定時間における炭素析出量の計測値Ｃｍとメタンの転化率Ｃｏｎｖとの関係を得る。なお、上記（Ｓ１）において、上記運転条件は１つではないため、各ガスの供給量及び改質器２２の作動温度をいくつか設定し、一定時間における炭素析出量の計測値Ｃｍとメタンの転化率Ｃｏｎｖとのプロットを増やすことが望ましい。

【0073】

図２は、本実施形態に係る炭素析出量の計測値Ｃｍとメタンの転化率Ｃｏｎｖとの関係の一例を示すグラフである。
図２において、横軸は炭素析出量の計測値Ｃｍを示し、縦軸はメタンの転化率Ｃｏｎｖを示す。

【0074】

図２に示す炭素析出量の計測値Ｃｍとメタンの転化率Ｃｏｎｖとの関係を示すデータは、導出部３２Ａに入力される。そして、導出部３２Ａは、メタンの転化率Ｃｏｎｖが減少する割合に基づいて、第１閾値ＴＨ１及び第２閾値ＴＨ２の各々を導出する。第１閾値ＴＨ１は、図２に示すメタンの転化率Ｃｏｎｖが減少する割合が第１割合である場合の炭素析出量の計測値Ｃｍに相当する。第１割合は、一例として１％である。また、第１割合は、例えば、１％以上５％未満の範囲としてもよい。第２閾値ＴＨ２は、図２に示すメタンの転化率Ｃｏｎｖが減少する割合が第２割合である場合の炭素析出量の計測値Ｃｍに相当する。第２割合は、第１割合よりも高く、一例として５％である。第２割合は、例えば、５％以上１０％未満の範囲としてもよい。

【0075】

なお、スタック２４のアノードには、一般的に、Ｎｉ-ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）が使用されており、改質器２２から出てくる改質ガスにメタンが残存していてもスタック２４の内部での改質が可能である。しかし、メタンが多く残っている場合にはスタック２４内で炭素が析出し、性能を低下させる可能性がある。

【0076】

上記ＹＳＺは、特に塩基性があるわけではなく、炭素析出耐性を高めた構造ではないため、一般的に、二酸化炭素改質用の触媒と比較し、炭素が析出し易い。そこで、改質器２２の場合と同様に、下記（Ｓ１１）〜（Ｓ１４）の処理を繰り返し行い、上述のスタック２４のメタン転化率許容値を導出するようにしてもよい。

【0077】

（Ｓ１１）まず、運転条件として、例えば、都市ガスＧｆの供給量をＡ[ｍｏｌ／ｈ]、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量をα[ｍｏｌ／ｈ]、酸素Ｏ_２の供給量をβ[ｍｏｌ／ｈ]、スタック２４の作動温度をＴ[Ｋ]（一例として９２３Ｋ（＝６５０℃））に設定する。なお、都市ガスＧｆの供給量Ａ、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量α、及び酸素Ｏ_２の供給量βは、比率（例えば、Ａ：α：β＝１：ｘ：ｙ）で表すようにしてもよい。また、本実施形態ではＨ_２Ｏを供給しないが、飽和水蒸気として含まれる可能性があるため、考慮してもよい。

【0078】

（Ｓ１２）上記の運転条件でスタック２４を運転し、スタック２４から出てくる改質ガスをガス分析器（ガスクロマトグラフィ等）により分析し、メタン、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素の各々の濃度を得る。得られた濃度から上記式（７）を用いて、メタンの転化率を導出する。このとき、スタック２４の作動電圧を計測しておく。

【0079】

（Ｓ１３）上記の運転条件で引き続きスタック２４を運転させ続け、一定時間（一例として１７０時間（約１週間））が経過した時点でのメタンの転化率Ｃｏｎｖを、上記式（７）を用いて導出する。そして、メタンの転化率が顕著な低下を示す場合、又は、スタック２４の性能許容値を下回った場合に、試験運転を終了する。

【0080】

（Ｓ１４）スタック２４の内部材料を取り出し、赤外吸収法等を用いて、取り出した内部材料における炭素析出量を計測し、計測値を得る。例えば、１０ｗｔ％（質量パーセント濃度）が得られる。

【0081】

上記（Ｓ１１）〜（Ｓ１４）の処理を繰り返すことにより、一定時間における炭素析出量の計測値と、スタック２４の作動電圧と、メタンの転化率との関係を得る。この関係から、スタック２４のメタン転化率許容値が導出される。

【0082】

次に、図３〜図５を参照して、導出部３２Ａによる積算炭素析出量Ｃａの導出方法について説明する。

【0083】

図３は、本実施形態に係る炭素活量Ａｃと単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔとの関係の一例を示すグラフである。
図３において、横軸は炭素活量Ａｃを示し、縦軸は単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔを示す。なお、炭素活量Ａｃとは、改質器２２における炭素の析出のし易さを示す指標の一例である。炭素活量Ａｃの値が大きいほど、炭素が析出し易いとされる。

【0084】

導出部３２Ａには、上記（Ｓ１）〜（Ｓ４）での試験運転の場合と同様の運転条件とし、都市ガスＧｆの供給量Ａ、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量α、及び酸素Ｏ_２の供給量βが入力される。また、導出部３２Ａには、気体定数Ｒ（単位：Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、改質器２２の作動温度Ｔ（単位：Ｋ）、及びファラデー定数Ｆ（単位：Ｃ／ｍｏｌ）が入力される。導出部３２Ａには、上記式（１）によって定まるギブス自由エネルギーΔＧ１の値ｇ１[Ｊ／ｍｏｌ]が入力され、上記式（２）により定まるギブス自由エネルギーΔＧ２の値ｇ２が入力される。さらに、導出部３２Ａには、上記式（６）により定まるギブス自由エネルギーΔＧ３の値ｇ３が入力される。

【0085】

導出部３２Ａは、上記式（１）に対応する平衡定数Ｋ１、上記式（２）に対応する平衡定数Ｋ２、及び上記式（６）に対応する平衡定数Ｋ３を、下記式（８）〜式（１０）により各々導出する。但し、ｇ１〜ｇ３は、ギブス自由エネルギーΔＧ１〜ΔＧ３の値[Ｊ／ｍｏｌ]、Ｒは気体定数、Ｔは作動温度である。

【0086】

Ｋ１＝Ｅｘｐ（−ΔＧ１／ＲＴ）＝Ｅｘｐ（−ｇ１／ＲＴ） …（８）
Ｋ２＝Ｅｘｐ（−ΔＧ２／ＲＴ）＝Ｅｘｐ（−ｇ２／ＲＴ） …（９）
Ｋ３＝Ｅｘｐ（−ΔＧ３／ＲＴ）＝Ｅｘｐ（−ｇ３／ＲＴ） …（１０）

【0087】

一方、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び酸素の各々の平衡状態での分圧ｐ（ＣＨ_４）、ｐ（ＣＯ）、ｐ（ＣＯ_２）、ｐ（Ｈ_２）、及びｐ（Ｏ_２）、は、下記式（１１）〜式（１５）により表わされる。但し、ｗは上記式（１）における反応比率、ｖは上記式（２）における反応比率、αは二酸化炭素ＣＯ_２の単位時間当たりの供給量[ｍｏｌ／ｈ]、βは酸素Ｏ_２の単位時間当たりの供給量[ｍｏｌ／ｈ]、Ａは都市ガスＧｆの単位時間当たりの供給量[ｍｏｌ／ｈ]である。

【0088】

ｐ（ＣＨ_４）＝Ａ×（１−ｗ−ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）) …（１１）
ｐ（ＣＯ）＝Ａ×（２ｗ＋ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）) …（１２）
ｐ（ＣＯ_２）＝α−（Ａ×ｗ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）) …（１３）
ｐ（Ｈ_２）＝Ａ×（２ｗ＋２ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）) …（１４）
ｐ（Ｏ_２）＝β−（Ａ×０．５ｖ）/ (Ａ×（１−ｗ−ｖ）)+(Ａ×（２ｗ＋ｖ）)+(α−（Ａ×ｗ）)+(Ａ×（２ｗ＋２ｖ）)+(β−（Ａ×０．５ｖ）) …（１５）

【0089】

また、上記式（１）における平衡定数Ｋ１は、下記式（１６）により表わされ、上記式（２）における平衡定数Ｋ２は、下記式（１７）により表わされる。

【0090】

Ｋ１＝ｐ（Ｈ_２）^２×ｐ（ＣＯ）^２／ｐ（ＣＨ_４）／ｐ（ＣＯ_２） …（１６)
Ｋ２＝ｐ（Ｈ_２）^２×ｐ（ＣＯ）／ｐ（ＣＨ_４）／ｐ（Ｏ_２）^０．５…（１７)

【0091】

さらに、炭素活量Ａｃは、下記式（１８）により表わされる。但し、Ｋ３は、上記式（６）に対応する平衡定数で、上記式（１０）により導出される。

【0092】

Ａｃ＝Ｋ３×ｐ（ＣＯ）^２／ｐ（ＣＯ_２） …（１８）

【0093】

上記において、平衡定数Ｋ１、Ｋ２は、ある作動温度Ｔの下で既知の値である。上記式（１１）〜式（１７）の関係から、反応比率ｗ、ｖを未知数とする２つの連立方程式が成立する。この２つの連立方程式を解くと、反応比率ｗ、ｖの値が得られ、上記の各分圧ｐが決定する。そして、平衡定数Ｋ３もある作動温度Ｔの下で既知の値であるため、上記式（１８）から炭素活量Ａｃが導出される。

【0094】

すなわち、図３に示すグラフは、上記により導出された炭素活量Ａｃを、単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔに対応付けたものである。なお、単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔは、図２に示す一定時間における炭素析出量の計測値Ｃｍを単位時間当たりの炭素析出量に換算して得られるものである。これにより、単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔと炭素活量Ａｃとの関係が得られる。

【0095】

図４は、本実施形態に係る炭素活量Ａｃから単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔへの変換の一例を示すグラフである。
図４の左図において、横軸は時間を示し、縦軸は炭素活量Ａｃを示す。図４の右図において、横軸は時間を示し、縦軸は単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔを示す。

【0096】

燃料電池２０を実際に運転する場合の運転条件（改質器２２に供給されるガスの量及び改質器２２の作動温度）は、上記試験運転における燃料電池２０の運転条件と異なる場合がある。導出部３２Ａは、実際の運転時に流量計Ｆｍ１〜Ｆｍ３で計測された都市ガスＧｆの供給量Ａ、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量α、及び酸素Ｏ_２の供給量β、さらに、改質器２２の作動温度Ｔに基づいて、上記式（８）〜式（１８）を用いて、炭素活量Ａｃを導出する。導出した炭素活量Ａｃを図４の左図に示す。そして、導出部３２Ａは、上述の図３に示す単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔと炭素活量Ａｃとの関係を用いて、図４の左図に示す炭素活量Ａｃを、図４の右図に示す単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔに変換する。

【0097】

図５は、本実施形態に係る積算炭素析出量Ｃａと時間との関係の一例を示すグラフである。
図５において、横軸は時間を示し、縦軸は積算炭素析出量Ｃａを示す。

【0098】

図５に示すように、導出部３２Ａは、図４の右図に示す単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔを、さらに、時間的に積算することにより積算炭素析出量Ｃａを導出する。具体的には、積算炭素析出量Ｃａは、下記式（１９）により導出される。なお、Ｃａは積算炭素析出量を示し、Ｃｔ（＝Ｃｔ１＋Ｃｔ２＋Ｃｔ３＋…）は単位時間当たりの炭素析出量を示す。

【0099】

Ｃａ＝ΣＣｔ＝Ｃｔ１＋Ｃｔ２＋Ｃｔ３＋… …（１９）

【0100】

次に、図６を参照して、本第１の実施形態に係る制御装置３０の作用を説明する。なお、図６は、第１の実施形態に係るプログラム３４Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
演算部３２は、燃料電池２０の運転開始が指示された場合に、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行する。

【0101】

まず、図６のステップ１００では、運転制御部３２Ｄが、燃料電池２０の起動処理を行う。この場合、運転制御部３２Ｄは、第１バルブ４１、第２バルブ４２、及び第３バルブ４３の各々の開度を調整し、都市ガスＧｆの供給量Ａ、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量α、及び酸素Ｏ_２の供給量βが所定の比率になるように制御する。燃料電池２０の起動状態においては、作動温度が低いため、酸素Ｏ_２の供給量βを二酸化炭素ＣＯ_２の供給量αよりも多くし、炭素の析出を抑制しながら起動させる。なお、この場合、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量αを０（ゼロ）にし、酸素Ｏ_２のみを供給するようにしてもよい。

【0102】

次に、ステップ１０２では、運転制御部３２Ｄが、燃料電池２０の作動温度が所定温度に達し、定格出力での定格運転に移行したか否かを判定する。定格運転に移行したと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１０４に移行し、定格運転に移行していないと判定した場合（否定判定の場合）ステップ１０２で待機となる。

【0103】

ステップ１０４では、運転制御部３２Ｄが、燃料電池２０を定格出力で定格運転する制御を行う。定格運転の状態では、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量αを酸素Ｏ_２の供給量βよりも多くして、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を抑制する。

【0104】

ステップ１０６では、運転制御部３２Ｄが、定格運転開始から所定時間が経過したか否かを判定する。定格運転開始から所定時間が経過したと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１０８に移行し、定格運転開始から所定時間が経過していないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１０６で待機となる。

【0105】

ステップ１０８では、導出部３２Ａが、都市ガスＧｆの供給量Ａ、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量α、及び酸素Ｏ_２の供給量βの各々の計測値に応じて、炭素活量Ａｃを導出し、導出した炭素活量Ａｃを単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔに換算する。そしてさらに、単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔを時間的に積算して積算炭素析出量Ｃａを導出する。なお、炭素活量Ａｃは、上記式（８）〜式（１８）を用いて導出される。また、積算炭素析出量Ｃａは、上記式（１９）を用いて導出される。

【0106】

ステップ１１０では、判定部３２Ｃが、導出部３２Ａにより導出された積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１よりも多いか否かを判定する。積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１よりも多いと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１１２に移行し、積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１以下であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１０４に戻る。

【0107】

ステップ１１２では、判定部３２Ｃが、導出部３２Ａにより導出された積算炭素析出量Ｃａが第２閾値ＴＨ２（＞ＴＨ１）よりも多いか否かを判定する。積算炭素析出量Ｃａが第２閾値ＴＨ２よりも多いと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１１４に移行し、積算炭素析出量Ｃａが第２閾値ＴＨ２以下であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１１６に移行する。

【0108】

ステップ１１４では、運転制御部３２Ｄが、判定部３２Ｃの判定結果に従って、一定時間、酸素Ｏ_２の供給量βを二酸化炭素ＣＯ_２の供給量αよりも多くする制御を行う。そして、ステップ１２０に移行する。

【0109】

一方、ステップ１１６では、判定部３２Ｃが、需要予測部３２Ｂにより予測された電力需要Ｗａが一定量以下であるか否かを判定する。電力需要Ｗａが一定量以下であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１１８に移行し、電力需要Ｗａが一定量より多いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１０４に戻る。なお、電力需要Ｗａに代えて熱需要を判定に用いてもよい。つまり、判定部３２Ｃが、需要予測部３２Ｂにより予測された熱需要が一定量以上であるか否かを判定する。熱需要が一定量以上であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１１８に移行し、熱需要が一定量より少ないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１０４に戻る。

【0110】

ステップ１１８では、運転制御部３２Ｄが、判定部３２Ｃの判定結果に従って、一定時間、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量αを、積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１以下で、かつ、電力需要Ｗａが一定量よりも多い場合に供給する二酸化炭素ＣＯ_２の供給量よりも増加させる制御を行う。つまり、ステップ１１８での二酸化炭素ＣＯ_２の供給量αは、ステップ１０４での二酸化炭素ＣＯ_２の供給量よりも多い。なお、この場合、酸素Ｏ_２の供給量βを０（ゼロ）にし、二酸化炭素ＣＯ_２のみを供給するようにしてもよい。そして、ステップ１２０に移行する。

【0111】

ステップ１２０では、運転制御部３２Ｄが、燃料電池２０の運転終了の指示が有ったか否かを判定する。燃料電池２０の運転終了の指示が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１２２に移行し、燃料電池２０の運転終了の指示が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１０４に戻る。なお、一例として、操作者による運転終了の指示を受け付けた場合に、燃料電池２０の運転を終了すると判定してもよい。

【0112】

ステップ１２２では、運転制御部３２Ｄが、第１バルブ４１、第２バルブ４２、及び第３バルブ４３を全閉にし、都市ガスＧｆ、二酸化炭素ＣＯ_２、及び酸素Ｏ_２の供給を停止する。運転制御部３２Ｄは、燃料電池２０の運転を終了する制御を行い、上記一連の処理を終了する。

【0113】

図７は、本実施形態に係る導出部３２Ａによる処理内容の一例の説明に供する模式図である。

【0114】

図７に示すように、導出部３２Ａは、入力値群１〜入力値群３が入力される。入力値群１には、気体定数Ｒ[Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ]と、改質器２２の作動温度Ｔ[Ｋ]と、ファラデー定数Ｆ[Ｃ／ｍｏｌ]と、が含まれる。入力値群２には、ギブス自由エネルギーΔＧ１〜ΔＧ３の値ｇ１〜ｇ３[Ｊ／ｍｏｌ]が含まれる。入力値群３には、都市ガスＧｆの供給量Ａ[ｍｏｌ／ｈ]と、二酸化炭素ＣＯ_２の供給量α[ｍｏｌ／ｈ]と、酸素Ｏ_２の供給量β[ｍｏｌ／ｈ]と、が含まれる。

【0115】

そして、導出部３２Ａは、上記入力値群１〜入力値群３に含まれる各パラメータを用いて、積算炭素析出量Ｃａを導出する。積算炭素析出量Ｃａは、上記式（８）〜式（１８）により導出される炭素活量Ａｃを単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔに変換し、変換した単位時間当たりの炭素析出量Ｃｔを時間的に積算することで導出される。

【0116】

本実施形態によれば、積算炭素析出量Ｃａが第１閾値ＴＨ１よりも多く第２閾値ＴＨ２以下である場合に、二酸化炭素ＣＯ_２を酸素Ｏ_２よりも多く供給する制御を行う。一方、積算炭素析出量Ｃａが第２閾値ＴＨ２を超える場合に、酸素Ｏ_２を二酸化炭素ＣＯ_２よりも多く供給する制御を行う。この制御により、発電効率の低下を抑制しながら、炭素の析出を効果的に抑制することができる。
また、電力需要Ｗａに応じて二酸化炭素ＣＯ_２及び酸素Ｏ_２の供給量を制御するため、無駄に改質剤を供給することがなく、経済性を向上させることができる。

【0117】

以上、実施形態として燃料電池システム及びその制御装置を例示して説明した。実施形態は、制御装置が備える各部の機能をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。

【0118】

その他、上記実施形態で説明した制御装置の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。

【0119】

また、上記実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

【0120】

また、上記実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。

【符号の説明】

【0121】

１０ 燃料電池システム
２０ 燃料電池（ホットボックス）
２２ 改質器
２４ スタック（燃料電池本体）
２６ 燃焼器
３０ 制御装置
３２ 演算部
３２Ａ 導出部
３２Ｂ 需要予測部
３２Ｃ 判定部
３２Ｄ 運転制御部
３４ 記憶部
３４Ａ プログラム
４１ 第１バルブ
４２ 第２バルブ
４３ 第３バルブ
５０、５２、５４ 供給経路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】