特許 6971623 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法

(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】6971623

(24)【登録日】2021年11月5日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20211111BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 J

   H01M8/04858

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-94832(P2017-94832)

(22)【出願日】2017年5月11日

(65)【公開番号】特開2018-190682(P2018-190682A)

(43)【公開日】2018年11月29日

【審査請求日】2020年1月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(74)【代理人】

【識別番号】100125151

【弁理士】

【氏名又は名称】新畠 弘之

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(74)【代理人】

【識別番号】100125151

【弁理士】

【氏名又は名称】新畠 弘之

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(72)【発明者】

【氏名】小川 雅弘

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開平９−２２７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１７５８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１−１９５６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平２−２５３５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−５１７７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

副生水素ガスが流れる副生水素母管の分岐部から分岐した燃料供給配管が燃料極の吸気口に接続され、排出配管の一端が前記燃料極の排気口に接続され、他端側が前記副生水素母管の前記分岐部よりも下流側の合流部に接続され、前記分岐部と、前記合流部との差圧により供給される前記副生水素ガスを用いて直流電流を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記燃料極から排出された排出ガスの少なくとも一部を定常的に前記燃料供給配管の外に排出する排出部と、
前記燃料電池スタックが発電した直流電力を交流電力に変換し、変換電力量により前記燃料電池スタックの発電量を調整する調整部と、
前記燃料供給配管を介して供給される前記副生水素ガスの水素比率に少なくとも基づき、前記燃料電池スタックの水素燃焼利用率が所定値になるように前記調整部を制御する制御部と、
を備える、燃料電池発電システム。

【請求項2】

前記制御部は、前記燃料電池スタックに供給される前記副生水素ガスの水素比率及び流量の値と、前記燃料電池スタックが出力する直流電流値とに基づき、前記燃料電池スタックの発電量を制御する請求項１に記載の燃料電池発電システム。

【請求項3】

前記燃料供給配管内の前記副生水素ガスを送風する送風装置を更に備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの水素燃焼利用率が所定値になるように前記送風装置を制御する請求項２に記載の燃料電池発電システム。

【請求項4】

前記燃料供給配管内、及び前記排出配管内の少なくともいずれかを流れる前記副生水素ガスの量を測定する燃料流量計を更に備え、
前記制御部は、前記燃料流量計の測定値に基づき、前記燃料供給配管内の前記副生水素ガスの流量が所定値になるように前記送風装置を制御する請求項３に記載の燃料電池発電システム。

【請求項5】

前記燃料供給配管内、及び前記排出配管内の少なくともいずれかの圧力を測定する圧力計を更に備え、
前記制御部は、前記圧力計の測定値に基づき、前記圧力が所定値になるように前記送風装置を制御する請求項３に記載の燃料電池発電システム。

【請求項6】

前記燃料電池スタックの前記燃料極から排出された前記排出ガスの少なくとも一部を前記燃料供給配管に戻す循環経路を更に備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。

【請求項7】

前記燃料電池スタックの前記燃料極から排出された前記排出ガスの少なくとも一部を水素燃焼装置に排出する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。

【請求項8】

副生水素ガスが流れる副生水素母管の分岐部から分岐した燃料供給配管が燃料極の吸気口に接続され、排出配管の一端が前記燃料極の排気口に接続され、他端側が前記副生水素母管の前記分岐部よりも下流側の合流部に接続され、前記分岐部と、前記合流部との差圧により供給される前記副生水素ガスを用いて直流電流を発生する燃料電池スタックに供給される前記副生水素ガスの水素比率及び流量と、前記燃料電池スタックが出力する直流電流とに基づき、水素燃焼利用率を演算する工程と、
前記水素燃焼利用率に応じて、前記燃料電池スタックが発電した直流電力を交流電力に変換する電力を調整する工程と、
を備える燃料電池発電システムの制御方法。

【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及び燃料電池発電システムの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素ガスと、酸化剤である酸素ガスとを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる。また、燃料電池は、静かで、有害な排ガスを出さず、環境性に優れたシステムでもある。これまで、比較的大型のＰＡＦＣ（リン酸形燃料電池）が主として開発されてきたが、近年では小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発も進められている。これにより、家庭用燃料電池発電システムの商品化も実現し、２０１６年度には国内に１５万台が設置されている状況となっている。

【0003】

また、燃料電池発電システムでは一般に、燃料電池スタックを用いて発電を行い、燃料電池スタックから排出された未反応の水素ガスを循環流路により循環させている。この未反応の水素ガスの循環を繰り返しているうちに、水素ガス中の不純物が次第に濃縮される。このため、水素ガスとしては、純水素や、不純物の少ない水素ガスを用いることが望ましい。従来の燃料電池発電システムでは、不純物が所定値を超えて濃縮されると、水素ガスの一部を循環流路から大気に排出することが行われる。ところが、より多くの不純物が含まれている副生水素ガスなどを燃料電池発電システムの燃料電池スタックの発電に用いると、定常運転時に不純物がより短時間に増加し、水素燃料利用率が１００％を超えてしまい、燃料電池スタックを劣化させてしまう恐れがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６−９６０８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックの劣化を抑制可能な燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本実施形態に係る燃料電池発電システムは、燃料供給配管を介して供給される水素ガスを用いて直流電流を発生する燃料電池スタックを備える。前記システムは更に、前記燃料電池スタックの燃料極から排出された排出ガスの少なくとも一部を定常的に前記燃料供給配管の外に排出する排出部を備える。前記システムは更に、前記排出部が前記排出ガスの少なくとも一部を定常的に前記燃料供給配管の外に排出するように、前記排出ガスの排出を制御する制御部を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図。

【図2】制御部の構成を示すブロック図。

【図3】制御部の制御動作の一例を示すフローチャート。

【図4】第２実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図。

【図5】第３実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図。

【図6】第４実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を説明するブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

【0010】

（第１実施形態）
（構成）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００の構成を説明するブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素比率のより低い水素ガスを用いて発電するシステムであり、燃料供給配管１０２と、大気供給配管１０４と、燃料電池スタック１０６と、燃料排出配管１０８と、大気排出配管１１０と、燃料遮断弁１１２と、燃料流量計１１４と、除湿器１１６と、アノードオフガス遮断弁１１８と、排出部１２０と、調整部１２２と、直流電流計１２４と、制御部１２６とを、備えて構成されている。水素比率とは、不純物を含み得る水素ガス中の水素（水素分子）の比率である。

【0011】

図１は更に、燃料電池発電システム１００の外に設けられた副生水素母管２、副生水素引込管４、副生水素戻し管６、水素燃焼装置８、及び副生水素利用管１０を示している。副生水素母管２は、曹達工場や石油精製工場などの工場で発生するガスから分離された副生水素ガスを発電施設などに供給する母管である。この副生水素母管２には接続部４Ａで副生水素引込管４が接合されている。また、副生水素ガスは、不純物を含んでいるが、一般的にその組成はほぼ一定であり、安定している。副生水素戻し管６、水素燃焼装置８、及び副生水素利用管１０の詳細については、後述する。

【0012】

燃料供給配管１０２の一端は、副生水素引込管４の端部に接続されており、他端は燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａの吸気口に接続されている。すなわち、この燃料供給配管１０２は、副生水素引込管４を介して、副生水素母管２から供給される水素ガスを燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給する管である。

【0013】

大気供給配管１０４は、燃料電池スタック１０６のカソード１０６Ｂの吸気口に接続され、大気中の酸素ガスをカソード１０６Ｂに供給する。

【0014】

燃料電池スタック１０６は、電解質膜を挟んで設けられたアノード１０６Ａとカソード１０６Ｂとを備えている。すなわち、この燃料電池スタック１０６は、副生水素母管２、副生水素引込管４、及び燃料供給配管１０２を介してアノード１０６Ａに供給された水素ガスと、大気供給配管１０４を介してカソード１０６Ｂに供給された大気中の酸素ガスとを用いて発電する。また、アノード１０６Ａの吸気口及び排気口の大きさは、燃料供給配管１０２内を流れる水素ガスの圧損を抑制する大きさに構成されている。例えば、アノード１０６Ａの吸気口及び排気口は、一般的な燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａの吸気口及び排気口のよりも大きく構成されている。なお、このアノード１０６Ａが、本実施形態に係る燃料極を構成し、カソード１０６Ｂが本実施形態に係る空気極を構成している。

【0015】

燃料排出配管１０８の一端は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａの排出口に接続され、他端は副生水素戻し管６に接続されている。また、副生水素戻し管６は、接続部６Ａで副生水素母管２に接続され、さらに、副生水素母管２の下流には水素燃焼装置８が配置されている。すなわち、この燃料排出配管１０８は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａから排出されたガスを副生水素戻し管６、及び副生水素母管２を介して水素燃焼装置８に排出する。そして、水素燃焼装置８に排出されガスは、水素燃焼装置８により燃焼される。これにより、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、燃料電池スタック１０６の排出ガスに含まれる不純物などは燃焼される。このため、この燃料電池発電システム１００は、有害な排ガスを出すことがなく、環境性にも優れている。なお、本実施形態に係る水素母管は、副生水素母管２により構成され、本実施形態に係る水素引込管は、副生水素引込管４により構成され、本実施形態に係る水素戻し管は、副生水素戻し管６により構成される。

【0016】

また、副生水素戻し管６には、アノード１０６Ａから排出されたガスを、副生水素母管２を介さずに水素燃焼装置８に供給する副生水素利用管１０も利用可能に接続されている。これらから分かるように、副生水素利用管１０を利用しない場合、副生水素母管２と副生水素引込管４との接続部４Ａの気圧と、副生水素母管２と副生水素戻し管６との接続部６Ａの気圧との差圧に応じて、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに水素ガスが供給される。

【0017】

一方で、副生水素利用管１０を利用する場合、燃料排出配管１０８の出口の気圧がより低下し、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスがより増加する。なお、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、燃料排出配管１０８からアノード１０６Ａの排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す循環流路を設けていないが、これに限定されず、循環流路を設けてもよい。

【0018】

大気排出配管１１０は、燃料電池スタック１０６のカソード１０６Ｂの排出口に接続されている。これにより、カソード１０６Ｂから排出されたガスは、大気排出配管１１０を介して燃料電池発電システム１００の外部に排出される。

【0019】

燃料遮断弁１１２は、燃料供給配管１０２に設けられ、燃料供給配管１０２を遮断する。この燃料遮断弁１１２は、例えば低圧損タイプのバタフライ弁により構成されている。このバタフライ弁は、弁を開いた状態での圧損が一般的な遮断弁よりも低くなるように構成されている。

【0020】

燃料流量計１１４は、燃料供給配管１０２に設けられ、燃料供給配管１０２内を流れる水素ガスの流量を測定する。そして、燃料流量計１１４は、測定した流量の値を後述の制御部１２６に出力する。

【0021】

除湿器１１６は、燃料排出配管１０８に設けられ、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａから排出されるガスを除湿する。

【0022】

アノードオフガス遮断弁１１８は、燃料排出配管１０８に設けられ、燃料排出配管１０８を遮断する。このアノードオフガス遮断弁１１８は、燃料遮断弁１１２と同等の構成であり、低圧損タイプのバタフライ弁により構成されている。

【0023】

排出部１２０は、例えば燃料排出配管１０８と副生水素戻し管６との接続部に構成され、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａから排出された排出ガスを定常的に副生水素戻し管６に排出する。つまり、この排出部１２０は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａから排出された排出ガスを、燃料電池スタック１０６の発電中に燃料供給配管１０２の外に常に排出する。

【0024】

調整部１２２は、燃料電池スタック１０６の電極に接続され、燃料電池スタック１０６の発電量を調整する。この調整部１２２は、例えばインバータであり、燃料電池スタック１０６が発電した直流電力を交流電力に変換する。つまり、調整部１２２は、交流電力に変換する電力量を調整することにより、燃料電池スタック１０６の発電量を調整する。また、調整部１２２の交流出力部は、負荷１２に接続されている。

【0025】

直流電流計１２４は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａと、調整部１２２の直流入力部との間に配置され、燃料電池スタック１０６が出力する直流電流値を測定する。そして、直流電流計１２４は、測定した直流電流値を制御部１２６に出力する。

【0026】

制御部１２６は、燃料電池発電システム１００全体の制御を行う。例えば、燃料電池スタック１０６の発電開始時には、制御部１２６は、燃料遮断弁１１２、及びアノードオフガス遮断弁１１８を開状態にし、除湿器１１６を駆動状態にする制御を行う。一方で、燃料電池スタック１０６の発電終了時には、制御部１２６は、燃料遮断弁１１２、及びアノードオフガス遮断弁１１８を閉状態にし、除湿器１１６を停止状態にする制御を行う。このように、制御部１２６は、燃料電池スタック１０６の発電開始時から発電終了時までアノードオフガス遮断弁１１８を継続的に開状態に設定することで、排出部１２０から副生水素戻し管６に排出ガスを定常的に排出させる。

【0027】

また、制御部１２６は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率に基づき、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が所定値、例えば８０パーセントになるように調整部１２２を制御する。

【0028】

図２は、制御部１２６の構成を示すブロック図の一例であり、図２に基づき、調整部１２２に対する制御に関してより詳細に説明する。すなわち、この制御部１２６は、水素流量演算部１２６Ａと、水素消費量演算部１２６Ｂと、水素燃焼利用率演算部１２６Ｃと、発電制御部１２６Ｄとを備えて構成されている。

【0029】

水素流量演算部１２６Ａは、予め運転員に設定された水素比率と燃料流量計１１４から入力される燃料流量の値に基づき、単位時間あたりに燃料供給配管１０２内を流れる水素ガスの流量である水素流量を演算する。具体的には、水素流量（リットル／秒）＝水素比率×燃料流量（リットル／秒）として演算される。ここで、水素比率は、０から１．０の間の値である。つまり、水素比率が０であれば、燃料供給配管１０２内を流れるガスは水素ガスを含んでいないことを示している。一方で、水素比率が１．０であれば、燃料供給配管１０２内を流れるガスは、全て純水な水素ガスであることを示している。

【0030】

水素消費量演算部１２６Ｂは、直流電流計１２４の測定値に基づき、単位時間あたりに燃料電池スタック１０６が発電に用いる水素ガスの量を演算する。具体的には、水素消費量（リットル／秒）＝直流電流計１２４の測定値（クーロン／秒）×２２．４（リットル／モル）／Ｆ（クーロン／モル）／２として演算される。ここで、Ｆはファラデー定数である。つまり、この水素消費量は、直流電流値から求められる水素の消費量である。

【0031】

水素燃焼利用率演算部１２６Ｃは、水素流量演算部１２６Ａにより演算された水素流量（リットル／秒）と、水素消費量演算部１２６Ｂにより演算された水素消費量（リットル／秒）とに基づき、水素燃焼利用率を演算する。具体的には、水素燃焼利用率（パーセント）＝水素消費量（リットル／秒）／水素流量（リットル／秒）×１００（パーセント）として演算される。例えば、燃料電池スタック１０６による水素消費量と燃料供給配管１０２内の水素流量が一致する場合、水素燃焼利用率は１００パーセントである。このように、水素燃焼利用率は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率及び流量と、燃料電池スタック１０６が出力する直流電流値とに基づき、演算可能である。なお、水素燃焼利用率の上限は、一般に８０パーセント程度に設定されている。水素燃焼利用率が１００パーセント近くになると、燃料電池スタック１０６のカーボンを腐食しながらの発電となり、燃料電池スタック１０６を永続的に劣化させてしまう恐れがあるためである。なお、水素ガスに一酸化炭素が混入しているケースがある。この場合には、燃料電池スタック１０６の触媒の一酸化炭素による被毒により、燃料電池スタック１０６に一時的な特性低下が生じ、発電の継続が不能となってしまう恐れがある。

【0032】

発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率演算部１２６Ｃで演算された水素燃焼利用率が所定値、例えば上述の８０％になるように調整部１２２を制御する。この発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率が所定値よりも高い場合には、調整部１２２を制御して燃料電池スタック１０６の発電量を減少させる。一方で、発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率が所定値よりも低い場合には、調整部１２２を制御して燃料電池スタック１０６の発電量を増加させる。
（作用）

【0033】

次に、制御部１２６の制御動作例について説明する。

【0034】

図３は、制御部１２６の制御動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、制御部１２６の制御に従い燃料遮断弁１１２、及びアノードオフガス遮断弁１１８が共に開状態となり、副生水素母管２から水素ガスが燃料電池発電システム１００内に引き込まれている場合の制御例を説明する。

【0035】

水素流量演算部１２６Ａは、予め設定された水素比率と燃料流量計１１４から入力された流量の値に基づき、燃料供給配管１０２内を流れる水素流量を演算する（ステップＳ１００）。次に、水素消費量演算部１２６Ｂは、直流電流計１２４の測定値に基づき、燃料電池スタック１０６が消費する水素ガスの量を演算する（ステップＳ１０２）。次に、水素燃焼利用率演算部１２６Ｃは、水素流量演算部１２６Ａが演算した水素流量と、水素消費量演算部１２６Ｂが演算した水素消費量とに基づき、水素燃焼利用率を演算する（ステップＳ１０４）。

【0036】

次に、発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率演算部１２６Ｃが演算した水素燃焼利用率と、予め定められた水素燃焼利用率との差分を演算し、差分の絶対値が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。差分の絶対値が所定値以上である場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、発電制御部１２６Ｄは、水素燃焼利用率が予め定められた水素燃焼利用率未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。水素燃焼利用率が予め定められた水素燃焼利用率未満である場合（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、発電制御部１２６Ｄは、調整部１２２に対して交流電力への変換量を増加させる制御を行い（ステップＳ１１０）、後述のステップＳ１１４の処理を行う。一方で、水素燃焼利用率が予め定められた水素燃焼利用率以上である場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、発電制御部１２６Ｄは、調整部１２２に対して交流電力への変換量を減少させる制御を行い（ステップＳ１１２）、後述のステップＳ１１４の処理を行う。

【0037】

一方で、差分の絶対値が所定値未満である場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、発電制御部１２６Ｄは、調整部１２２に対して現在の発電量を維持させる制御を行う。次に、発電制御部は、運転員により燃料電池発電システム１００の停止指示が出されたか否かを判定し（ステップＳ１１４）、停止指示が出されていない場合（ステップＳ１１４：Ｎｏ）、制御部は、ステップＳ１００からの制御動作を繰り返す。一方で、停止指示が出されている場合（ステップＳ１１４：Ｙｅｓ）、制御部は、燃料遮断弁１１２、及びアノードオフガス遮断弁１１８を共に閉状態にして制御動作を終了する。

【0038】

このように、制御部１２６は、燃料電池スタック１０６に供給される水素ガスの水素比率及び流量と、燃料電池スタック１０６が出力する直流電流とに基づき、水素燃焼利用率を演算し、この水素燃焼利用率に基づき、燃料電池スタック１０６の発電量を制御する。
（効果）

【0039】

以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、排出部１２０がアノード１０６Ａから排出された排出ガスを、定常的に燃料供給配管１０２の外に排出することにした。これにより、燃料電池発電システム１００の定常運転時において、アノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率の低下を抑制できる。このため、制御部１２６が、アノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率及び流量に基づき、調整部１２２を制御することで、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が上限値を超えないように燃料電池スタック１０６の発電量を制御でき、燃料電池スタック１０６の劣化を抑制できる。
（第２実施形態）

【0040】

上述した第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、燃料供給配管１０２の入口の気圧と、燃料排出配管１０８の出口の気圧との差圧に応じて、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに水素ガスが供給されていたが、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００では、水素ブロワ１２８を燃料供給配管１０２に設け、水素ブロワ１２８によりアノード１０６Ａに水素ガスを供給する点で相違する。以下に第１実施形態と相違する点を説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００と同等の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、必要な場合を除き説明を省略する。
（構成）

【0041】

図４は、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００の構成を説明するブロック図である。図４に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８と、燃料圧力計１３０と、流量調整弁１３２とを、更に備えることで、第１実施形態に係る燃料電池発電システム１００と相違する。すなわち、燃料供給配管１０２における燃料遮断弁１１２の下流側に水素ブロワ１２８、及び燃料圧力計１３０が設けられている。

【0042】

水素ブロワ１２８は、燃料供給配管１０２内の水素ガスを燃料電池スタック１０６に向けて圧送する。水素ブロワ１２８は、例えば、羽根車の回転運動により、水素ガスを燃料電池スタック１０６に向けて圧風する。なお、本実施形態に係る送風装置は、水素ブロワ１２８により構成されている。

【0043】

燃料圧力計１３０は、燃料供給配管１０２内の水素ガスの圧力を測定し、測定値を制御部１２６に出力する。なお、水素ブロワ１２８を副生水素引込管４内に設置してもよい。この場合にも、燃料供給配管１０２に水素ブロワ１２８を設けた場合と同等の効果が得られる。

【0044】

流量調整弁１３２は、例えば燃料排出配管１０８の除湿器１１６と排出部１２０との間に設けられている。この流量調整弁１３２は、弁の開度を変化させることで、燃料供給配管１０２内及び燃料排出配管１０８内を流れるガスの流量を調整する。すなわち、この流量調整弁１３２は、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの流量を調整する。

【0045】

制御部１２６は、燃料圧力計１３０で測定された圧力値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とに基づき、水素ブロワ１２８を制御する。また、制御部１２６は、流量調整弁１３２における弁の開度を制御する。

【0046】

なお、本実施形態においても、燃料排出配管１０８からアノード１０６Ａの排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す循環流路を設けてもよい。また、本実施形態に係る副生水素戻し管６には逆止弁１４が設けられており、水素ガスの逆流が防止されている。さらにまた、大気供給配管１０４及び大気排出配管１１０のうちの少なくとも一方に、送風機能を有するブロワを設けてもよい。
（作用）

【0047】

ここでは、副生水素母管２から供給される副生水素ガスの水素比率が一定値で安定している場合に、水素燃焼利用率を所定値に保つための制御について説明する。すなわち、副生水素ガスの水素比率は一定値で安定しているので、水素燃焼利用率を所定値に保つためには、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの量と、燃料電池スタック１０６の発電量とを比例させればよい。

【0048】

より具体的には、制御部１２６は、燃料供給配管内１０２の水素ガスの流量が、燃料電池スタック１０６の出力電流に比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行う。例えば、制御部１２６は、燃料流量計１１４で測定された流量の値に水素比率を乗算した値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とが第１定数に従って比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行う。この第１定数は、水素燃焼利用率に基づき定まる定数である。これらから分かるように、水素比率が低下するに従い、燃料電池スタック１０６の発電量も低下する。

【0049】

また、制御部１２６は、燃料圧力計１３０で測定された燃料供給配管内１０２の圧力値に水素比率を乗算した値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とが第２定数に従って比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行ってもよい。燃料供給配管内１０２の水素ガスの圧力値と、燃料供給配管内１０２の水素ガスの流量とは、比例するためである。この第２定数も、水素燃焼利用率に基づき定まる定数である。

【0050】

このように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８を設けたので、水素燃焼利用率を所定値にするためには、水素ブロワ１２８の送風量及び燃料電池スタック１０６の発電量の内の少なくとも一方の制御を行えばよい。
（効果）

【0051】

以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、制御部１２６が、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素量と、燃料電池スタック１０６の発電量とが比例するように、燃料供給配管１０２に配置される水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行うこととした。これにより、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が所定値になるように制御できるので、燃料電池スタック１０６の劣化を抑制できる。
（第３実施形態）

【0052】

上述した第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８及び燃料圧力計１３０を燃料供給配管１０２に設けていたが、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８及び燃料圧力計１３０を燃料排出配管１０８に設けた点で相違する。以下に第２実施形態と相違する点を説明する。なお、以下の説明において、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００と同等の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、必要な場合を除き説明を省略する。
（構成）

【0053】

図５は、第３実施形態に係る燃料電池発電システム１００の構成を説明するブロック図である。図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、水素ブロワ１２８、及び燃料圧力計１３０が燃料排出配管１０８に設けられている。

【0054】

制御部１２６は、燃料圧力計１３０で測定された圧力値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とに基づき、水素ブロワ１２８を制御する。

【0055】

なお、水素ブロワ１２８を副生水素戻し管６内に設けてもよい。この場合にも、燃料排出配管１０８に水素ブロワ１２８を設けた場合と同等の効果が得られる。さらにまた、本実施形態においても、燃料排出配管１０８からアノード１０６Ａの排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す循環流路を設けてもよい。
（作用）

【0056】

ここでは、第２実施形態と同様に、副生水素母管２から供給される副生水素ガスの水素比率が一定値で安定している場合に、水素燃焼利用率を所定値に保つための制御について説明する。すなわち、副生水素ガスの水素比率は一定値で安定しているので、水素燃焼利用率を所定値に保つため、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素量と、燃料電池スタック１０６の発電量とを比例させる制御を行う。

【0057】

より具体的には、制御部１２６は、燃料排出配管内１０８の排出ガスの流量が、燃料電池スタック１０６の出力電流に比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行う。例えば、制御部１２６は、燃料流量計１１４で測定された流量の値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とが第３定数に従って比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行う。この第３定数は、水素燃料利用率に基づき定まる定数である。これらから分かるように、水素比率が低下するに従い、燃料電池スタック１０６の発電量も低下する。

【0058】

また、制御部１２６は、燃料圧力計１３０で測定された燃料排出配管１０８内の排出ガスの圧力値と、直流電流計１２４で測定された直流電流値とが第４定数に従って比例するように、水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行ってもよい。燃料排出配管１０８内の排出ガスの圧力値と、燃料供給配管内１０２の水素ガスの流量とは、比例するためである。この第４定数も、水素燃料利用率に基づき定まる定数である。

【0059】

このように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、燃料排出配管１０８に水素ブロワ１２８を設けたので、水素燃焼利用率を所定値にするために、燃料排出配管１０８の水素ブロワ１２８の送風量及び燃料電池スタック１０６の発電量の内の少なくとも一方の制御を行なえばよい。
（効果）

【0060】

以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、制御部１２６が、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素量と、燃料電池スタック１０６の発電量とが比例するように、燃料排出配管１０８に配置される水素ブロワ１２８及び調整部１２２の内の少なくとも一方の制御を行うこととした。これにより、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が所定値になるように制御できるので、燃料電池スタック１０６の劣化を抑制できる。
（第４実施形態）

【0061】

上述した第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、循環経路を設けていなかったが、第４実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、循環経路を設け、アノード１０６Ａから排出されたガスを再びアノード１０６Ａに供給する点で相違する。以下に第２実施形態と相違する点を説明する。なお、以下の説明において、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００と同等の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、必要な場合を除き説明を省略する。
（構成）

【0062】

図６は、第４実施形態に係る燃料電池発電システム１００の構成を説明するブロック図である。図６に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、循環配管１３４と、循環量調整弁１３６とを更に備えることで、第２実施形態に係る燃料電池発電システム１００と相違する。

【0063】

循環配管１３４は、燃料排出配管１０８からアノード１０６Ａの排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す循環流路を構成する。すなわち、循環配管１３４は、燃料供給配管１０２と、燃料排出配管１０８とを接続し、燃料排出配管１０８内を流れる排出ガスの一部を燃料供給配管１０２に戻す管である。

【0064】

循環量調整弁１３６は、燃料電池スタック１０６におけるアノード１０６Ａの排出ガスの中から燃料供給配管１０２に戻す排出ガスの量を調整する。例えば、副生水素母管２から供給される水素ガスの水素比率が上がるに従い、開度が上がるように制御部１２６により制御される。また、副生水素母管２から供給される水素ガスの水素比率が所定値以下の場合には閉状態にしてもよい。
（作用）

【0065】

本実施形態に係る排出部１２０は、アノード１０６Ａの排出ガスの少なくとも一部を定常的に燃料供給配管１０２の外に排出する。このため、定常運転時において、排出ガスを排出しない場合と比較し、不純物の増加を抑制させることが可能である。

【0066】

また、制御部１２６は、副生水素母管２から供給される水素ガスの水素比率に基づき、流量調整弁１３２、及び循環量調整弁１３６の制御を行う。例えば、制御部１２６は、水素比率が低くなるに従い、流量調整弁１３２の開度を大きくし、循環量調整弁１３６の開度を小さくする制御を行う。これにより、水素比率が低くなるに従い、排出ガスの中から燃料供給配管１０２に戻す排出ガスの割合を低下させることが可能となる。このように、排出部１２０から排出する排出ガスの量と、循環経路を戻す排出ガスの量とを調整することで、燃料電池スタック１０６のアノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率を所定値に収束させることも可能である。この場合、副生水素母管２から供給される水素ガスの水素比率よりもアノード１０６Ａに供給される水素ガスの水素比率は低下するが、燃料電池発電システム１００に供給される水素ガスの中で発電に使用させる水素ガスの割合は増加する。

【0067】

（効果）
以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、循環経路を設けた場合に、排出部１２０がアノード１０６Ａから排出された排出ガスの少なくとも一部を、定常的に燃料供給配管１０２の外に排出することにした。これにより、定常運転時において、排出ガスを排出しない場合と比較し、不純物の増加を抑制させることが可能である。このため、定常運転時において、制御部１２６は、排出ガスを排出しない場合と比較し、燃料電池スタック１０６の水素燃焼利用率が所定値になるようにより安定的に制御でき、燃料電池スタック１０６の劣化をより抑制できる。

【0068】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0069】

１００：燃料電池発電システム、１０２：燃料供給配管、１０６：燃料電池スタック、１０６Ａ：アノード、１０６Ｂ：カソード、１０８：燃料排出配管、１１２：燃料遮断弁、
１１４：燃料流量計、１１６：除湿器、１１８：アノードオフガス遮断弁、１２０：排出部、１２２：調整部、１２４：直流電流計、１２６制御部、１２８：水素ブロワ、１３０：燃料圧力計、１３２：流量調整弁、１３４：循環配管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】