特許 6904114 燃料電池システム

(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】6904114

(24)【登録日】2021年6月28日

(45)【発行日】2021年7月14日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04089 20160101AFI20210701BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20210701BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20210701BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20210701BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20210701BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20210701BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20210701BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20210701BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20210701BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04089

   H01M8/0612

   H01M8/04 J

   C01B3/38

   H01M8/04537

   H01M8/04746

   H01M8/04858

   !H01M8/12 101

   !H01M8/10 101

【請求項の数】3

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-130314(P2017-130314)

(22)【出願日】2017年7月3日

(65)【公開番号】特開2019-16424(P2019-16424A)

(43)【公開日】2019年1月31日

【審査請求日】2020年6月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】100089082

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 脩

(74)【代理人】

【識別番号】100190333

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 群司

(72)【発明者】

【氏名】村上 大河

【審査官】 加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−２７７０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６３５５３６７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００７−２２０４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−５３０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−１２１９７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２５６６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２７７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４８９７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、
前記水蒸気と改質用原料とから前記燃料を生成し、前記燃料を前記燃料電池に供給する改質部と、
前記蒸発部より上方に配置され、前記改質水を内部に貯留する水タンクと、
前記水タンクと前記蒸発部とを接続し、前記改質水が前記蒸発部に向けて流れる水流通管と、
前記水タンクの内部に気体を送入して前記水タンクの内部を加圧することにより、前記改質水を前記水流通管に導出する加圧装置と、
前記水流通管に配置され、開状態である場合に前記改質水の流れを許容し、閉状態である場合に前記改質水の流れを規制する電磁弁と、
前記水タンクの水位を検出する水位検出装置と、
前記燃料電池を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記燃料電池の発電量に応じて、前記加圧装置の駆動量を導出する導出部と、
前記水位検出装置によって検出された前記水タンクの水位を使用して、前記導出部によって導出された前記加圧装置の駆動量を補正する補正部と、
前記補正部によって補正された前記加圧装置の駆動量にて前記加圧装置を駆動し、かつ、前記電磁弁を前記開状態にすることにより、前記改質水を前記水タンクから前記蒸発部に供給する改質水供給部と、を備えている燃料電池システム。

【請求項2】

前記加圧装置の温度を検出する温度センサ、および、前記加圧装置の駆動時間を計測する計測装置の少なくとも一方をさらに備え、
前記補正部は、
前記温度センサによって検出された温度および前記計測装置によって駆動された駆動時間の少なくとも一方を使用して、前記導出部によって導出された前記加圧装置の駆動量をさらに補正する請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記水流通管は、前記水タンクと前記電磁弁との間に配置され、前記電磁弁から前記水タンクに向けた流体の流れを規制する規制部をさらに備えている請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の燃料電池システムは、改質水を貯留する水タンク、燃料電池モジュールに改質水を供給する装置を備えている。改質水を供給する装置は、プランジャポンプである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６−７２０５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した燃料電池システムにおける改質水を供給する装置であるプランジャポンプは、構成が比較的複雑であるため、部品点数が比較的多い。よって、改質水を供給する装置ひいては燃料電池システムが高コスト化する。一方、燃料電池システムは、普及率向上等と目的として低コスト化の要請がある。

【0005】

そこで、本発明は、上述した課題を解消するためになされたもので、改質水を供給する装置を有する燃料電池システムにおいて、低コスト化を図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、水蒸気と改質用原料とから燃料を生成し、燃料を燃料電池に供給する改質部と、蒸発部より上方に配置され、改質水を内部に貯留する水タンクと、水タンクと蒸発部とを接続し、改質水が蒸発部に向けて流れる水流通管と、水タンクの内部に気体を送入して水タンクの内部を加圧することにより、改質水を水流通管に導出する加圧装置と、水流通管に配置され、開状態である場合に改質水の流れを許容し、閉状態である場合に改質水の流れを規制する電磁弁と、水タンクの水位を検出する水位検出装置と、燃料電池を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、燃料電池の発電量に応じて、加圧装置の駆動量を導出する導出部と、水位検出装置によって検出された水タンクの水位を使用して、導出部によって導出された加圧装置の駆動量を補正する補正部と、補正部によって補正された加圧装置の駆動量にて加圧装置を駆動し、かつ、電磁弁を開状態にすることにより、改質水を水タンクから蒸発部に供給する改質水供給部と、を備えている。

【発明の効果】

【0007】

これによれば、電磁弁が開状態となり、かつ、加圧装置によって水タンクの内部に気体が送入されることにより、改質水が水流通管を介して蒸発部に供給される。すなわち、本発明の改質水を供給する装置は、電磁弁および気体を送出可能に設けられた加圧装置よって構成されている。よって、本発明の改質水を供給する装置は、従来技術のプランジャポンプに比べて構成を簡素化することができるため、部品点数を抑制することができる。したがって、改質水を供給する装置ひいては燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す概要図である。

【図2】図１に示す燃料電池システムのブロック図である。

【図3】図２に示す記憶部に記憶されている第三マップであり、水位検出装置によって検出された検出水位と第一補正係数との相関関係を示したものである。

【図4】図２に示す記憶部に記憶されている第四マップであり、温度センサによって検出された検出温度と第二補正係数との相関関係を示したものである。

【図5】図２に示す記憶部に記憶されている第五マップであり、計測装置によって計測された計測駆動時間と第三補正係数との相関関係を示したものである。

【図6】図２に示す制御装置にて実行される水供給制御のフローチャートである。

【図7】図２に示す制御装置にて実行される水補給制御のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本明細書においては説明の便宜上、図１における上側および下側をそれぞれ燃料電池システム１の上方および下方とし、同じく左側および右側をそれぞれ燃料電池システム１の左方および右方として説明する。

【0010】

燃料電池システム１は、図１に示すように、本体部１０および貯湯槽２１を備えている。本体部１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、電力変換装置１３、水タンク１４、制御装置１５を備えている。燃料電池モジュール１１は、後述する燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。

【0011】

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガス（後述する）が供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。

【0012】

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、後述する水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。また、熱交換器１２は、水タンク１４より上方に配置されている。

【0013】

貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配置されている。

【0014】

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われて冷却されるとともに、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮される。冷却後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、後述する水補給制御によって凝縮水供給管１２ａを通って後述する水タンク１４に改質水として補給される。

【0015】

凝縮水供給管１２ａの一端（上端）が熱交換器１２に接続され、凝縮水供給管１２ａの他端（下端）が水タンク１４に接続されている。凝縮水供給管１２ａには、水精製部１２ａ１および第一電磁弁１２ａ２が配置されている。水精製部１２ａ１は、凝縮水供給管１２ａに配置され、イオン交換樹脂によって水を純水化するものである。

【0016】

第一電磁弁１２ａ２は、凝縮水供給管１２ａに配置され、開状態である場合に凝縮水の流れを許容し、閉状態である場合に凝縮水の流れを規制するものである。第一電磁弁１２ａ２は、ノーマルクローズ型の電磁弁である。第一電磁弁１２ａ２は、通電状態のとき開状態となり、非通電状態のとき閉状態となる。第一電磁弁１２ａ２は、制御装置１５からの制御指令によって通電状態と非通電状態とが切り替えられることにより、開状態と閉状態とが切り替えられる。

【0017】

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

【0018】

さらに、電力変換装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。

【0019】

また、電力変換装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して、補機や制御装置１５に出力する。

【0020】

制御装置１５は、燃料電池３４を少なくとも制御するものである。制御装置１５は、補機（ポンプやブロワ）を駆動して、燃料電池システム１の運転を制御する。制御装置１５は、燃料電池システム１の発電運転中において、燃料電池３４の発電電力を外部電力負荷１６ｃの消費電力となるように制御する（負荷追従運転）。

【0021】

燃料電池モジュール１１（３０）は、固体酸化物形の燃料電池モジュールである。燃料電池モジュール３０は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。

【0022】

燃料電池モジュール３０は、蒸発部３２に、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料としては天然ガス（メタンガス）、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）などの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料がある。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。原料ポンプ１１ａ１は、改質用原料を送るポンプである。

【0023】

また、蒸発部３２は、一端（上端）が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水流通管１１ｂの他端が接続されている。

【0024】

水タンク１４は、蒸発部３２より上方に配置され、改質水を内部に貯留するものである。水タンク１４は、後述する加圧装置１４ｂによって内部を加圧されることにより、改質水を水流通管１１ｂに導出するように設けられている。水タンク１４は、具体的には、箱状に形成され、密閉状態にて改質水を貯留する。

【0025】

水流通管１１ｂは、水タンク１４と蒸発部３２とを接続し、改質水が蒸発部３２に向けて流れる管である。水タンク１４の一端（上端）が水タンク１４の底部に接続されている。水流通管１１ｂの水タンク１４との接続部の位置は、水流通管１１ｂの蒸発部３２との接続部の位置より上方に位置する。水流通管１１ｂは、規制部１１ｂ１および第二電磁弁１１ｂ２（本発明の電磁弁に相当）が配置されている。

【0026】

規制部１１ｂ１は、水タンク１４と第二電磁弁１１ｂ２との間に配置され、第二電磁弁１１ｂ２から水タンク１４に向けた流体の流れを規制するものである。規制部１１ｂ１は、具体的には、水流通管１１ｂが上方を開放するＵ字状に形成された部位である。規制部１１ｂ１の下部に改質水が溜まることにより、第二電磁弁１１ｂ２から水タンク１４に向けた流体（例えば改質水、蒸発部３２内の水蒸気や改質用原料）の流れが規制される。

【0027】

第二電磁弁１１ｂ２は、水流通管１１ｂに配置され、開状態である場合に改質水の流れを許容し、閉状態である場合に改質水の流れを規制するものである。第二電磁弁１１ｂ２は、ノーマルクローズ型の電磁弁である。第二電磁弁１１ｂ２は、通電状態のとき開状態となり、非通電状態のとき閉状態となる。第二電磁弁１１ｂ２は、制御装置１５からの制御指令によって通電状態と非通電状態とが切り替えられることにより、開状態と閉状態とが切り替えられる。

【0028】

また、水タンク１４には、水位検出装置１４ａおよび加圧装置１４ｂが配置されている。
水位検出装置１４ａは、水タンク１４の水位を検出するものである。水位検出装置１４ａは、本実施形態において静電容量式の水位センサである。水位検出装置１４ａによって検出された水タンク１４の水位は、検出信号として制御装置１５に出力される。

【0029】

加圧装置１４ｂは、水タンク１４の内部に気体を送入して水タンク１４の内部を加圧するものである。気体は、筐体１０ａ内の空気である。加圧装置１４ｂは、第一方向に回転駆動することにより空気を送出する加圧ポンプある。加圧装置１４ｂと水タンク１４とは、空気流通管１４ｂ１を介して接続されている。加圧装置１４ｂが第一方向に回転駆動することにより、筐体１０ａ内の空気が空気流通管１４ｂ１を介して水タンク１４内に送入されて、水タンク１４の内部の圧力が増加する。

【0030】

このように、水タンク１４の内部が加圧されることにより、改質水が水流通管１１ｂに蒸発部３２に向けて導出される。また、水タンク１４が蒸発部３２より上方に配置されているため、水タンク１４内の改質水の重量によって、改質水が水流通管１１ｂに蒸発部３２に向けて導出される（詳細は後述する）。

【0031】

また、加圧装置１４ｂは、第一方向と反対方向の第二方向に回転駆動するように設けられている。加圧装置１４ｂが第二方向に回転駆動した場合、水タンク１４の内部の空気が空気流通管１４ｂ１を介して水タンク１４の外部に導出されて、水タンク１４の内部の圧力が減少する。

【0032】

蒸発部３２は、改質水から水蒸気を生成するものである。蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、改質水を蒸発させて水蒸気（改質用水蒸気）を生成する。また、蒸発部３２は、改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、凝縮水を蒸発させて生成された水蒸気（改質用水蒸気）と予熱された改質用原料を混合して改質部３３へ導出する。

【0033】

改質部３３は、水蒸気および改質用原料から燃料を生成し、燃料を燃料電池３４に供給するものである。燃料は、改質用原料が改質された改質ガスである。改質部３３は、具体的には、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出する。

【0034】

改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだ改質ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

【0035】

燃料電池３４は、燃料（改質ガス）と酸化剤ガスにより発電するものである。燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池３４は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。

【0036】

燃料電池３４の燃料極には、燃料として改質ガス（水素、一酸化炭素、メタンガスなど）が供給される。セル３４ａの燃料極側には、燃料（改質ガス）が流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。燃料電池３４は、比較的高温の動作温度（およそ７００℃）にて発電が行われる。

【0037】

燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口（図示なし）に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。

【0038】

筐体１０ａ内の空気が、酸化剤ガス（カソードエア）として、カソードエア供給管１１ｃを介してカソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されることにより、燃料電池モジュール３０内に供給される。この酸化剤ガスが空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出される。

【0039】

また、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間には、燃焼部３６が設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて燃焼ガス（火炎３７）が発生している。その燃焼ガスが蒸発部３２および改質部３３を加熱する。

【0040】

燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて、比較的高温の燃焼排ガスが発生している。比較的高温の燃焼排ガスは、熱交換器１２に導出される。また、燃焼部３６は、燃料電池モジュール３０内の温度を燃料電池３４の動作温度にする。

【0041】

また、燃料電池システム１は、電流検出装置４０、温度センサ５０および計測装置６０をさらに備えている。

【0042】

電流検出装置４０は、燃料電池３４から出力された電力の電流値を検出するものである。電流検出装置４０は、電力変換装置１３に配置されている。電流検出装置４０によって検出された電流値である検出電流値は、制御装置１５に出力される。

【0043】

温度センサ５０は、加圧装置１４ｂの温度を検出するものである。温度センサ５０は、加圧装置１４ｂの外郭の所定位置に配置されている。温度センサ５０は、所定位置の温度を検出する。所定位置は、加圧装置１４ｂにおける回転駆動する駆動部（図示なし）の温度を検出可能な位置である。温度センサ５０によって検出された温度である検出温度は、制御装置１５に出力される。

【0044】

計測装置６０は、加圧装置１４ｂの駆動時間を計測するものである。計測装置６０は、電力変換装置１３から加圧装置１４ｂを駆動する電力が加圧装置１４ｂに供給された時間を、加圧装置１４ｂの駆動時間として計測する。加圧装置１４ｂの駆動時間は、燃料電池システム１が設置された時点をゼロとして計測される。計測装置６０は、電力変換装置１３に配置されている。計測装置６０によって計測された駆動時間である計測駆動時間は、制御装置１５に出力される。

【0045】

また、制御装置１５は、図２に示すように、水供給制御部１５ａおよび水補給制御部１５ｂを備えている。水供給制御部１５ａは、燃料電池システム１の発電運転中において、改質水を水タンク１４から蒸発部３２に供給する水供給制御を実行するものである（詳細は後述する）。水補給制御部１５ｂは、凝縮水を改質水として水タンク１４に補給する水補給制御を実行するものである（詳細は後述する）。

【0046】

水供給制御部１５ａは、設定部１５ａ１、導出部１５ａ２、補正部１５ａ３、記憶部１５ａ４および改質水供給部１５ａ５を備えている。

【0047】

設定部１５ａ１は、改質水の目標とする流量である目標流量を設定するものである。設定部１５ａ１は、燃料電池３４が発電を行う燃料電池システム１の発電運転中において、燃料電池３４の発電量に応じて目標流量を設定する。

【0048】

設定部１５ａ１は、具体的には、第一マップ（図示なし）を使用して、電流検出装置４０によって検出された検出電流値に対応した目標流量を設定する。第一マップは、検出電流値が増加するにしたがって改質水の目標流量が増加する相関関係を示したものである。

【0049】

導出部１５ａ２は、燃料電池３４の発電量に応じて加圧装置１４ｂの第一駆動量（本発明の駆動量に相当）を導出するものである。第一駆動量は、加圧装置１４ｂが第一方向に回転駆動する場合の駆動量である。導出部１５ａ２は、具体的には、第二マップ（図示なし）を使用して、設定部１５ａ１によって設定された目標流量に対応した第一駆動量を導出する。第二マップは、目標流量が増加するにしたがって第一駆動量が増加する相関関係を示したものである。

【0050】

補正部１５ａ３は、水位検出装置１４ａによって検出された水タンク１４の水位（以下、検出水位ともいう。）を使用して、導出部１５ａ２によって導出された加圧装置１４ｂの第一駆動量を補正するものである。補正部１５ａ３は、具体的には、導出部１５ａ２によって導出された加圧装置１４ｂの第一駆動量に、第一補正係数Ｃ１を乗じることにより補正する。

【0051】

補正部１５ａ３は、第三マップＭ３（図３参照）を使用して導出部１５ａ２によって導出された加圧装置１４ｂの第一駆動量に対応する第一補正係数Ｃ１を導出する。第三マップＭ３は、検出水位が増加するにしたがって、第一補正係数Ｃ１が減少する相関関係を示すものである。第一補正係数Ｃ１は、検出水位が基準水位Ｈ０（本実施形態においてはゼロ）である場合に「１」となるように設定されている。

【0052】

上述したように、加圧装置１４ｂの駆動および水タンク１４内の改質水の重量によって、水タンク１４内の改質水が水流通管１１ｂに導出される。水タンク１４の水位が高くなるにしたがって、水タンク１４内の改質水の重量が増加するため、水タンク１４内の改質水の重量によって水流通管１１ｂに導出する改質水の流量が増加する。これに対して、導出部１５ａ２によって導出された加圧装置１４ｂの第一駆動量を、水タンク１４内の改質水の重量によって水タンク１４から水流通管１１ｂに導出する改質水の流量に相当する分だけ減少させるように、第一補正係数Ｃ１が設定されている。

【0053】

また、補正部１５ａ３は、温度センサ５０によって検出された温度（以下、検出温度ともいう。）および計測装置６０によって計測された駆動時間（以下、計測駆動時間ともいう。）を使用して、導出部１５ａ２によって導出された加圧装置１４ｂの第一駆動量をさらに補正するものである。補正部１５ａ３は、具体的には、導出部１５ａ２によって導出された第一駆動量に、第一補正係数Ｃ１だけでなく、第二補正係数Ｃ２および第三補正係数Ｃ３を、さらに乗じることにより補正する。

【0054】

補正部１５ａ３は、第四マップＭ４（図４参照）を使用して検出温度に対応する第二補正係数Ｃ２を導出する。第四マップＭ４は、検出温度が高くなるにしたがって第二補正係数Ｃ２が小さくなる相関関係を示すものである。第二補正係数Ｃ２は、検出温度が基準温度Ｔｈ０（例えば２０℃）である場合に「１」となるように設定されている。

【0055】

加圧装置１４ｂの温度が高くなるにしたがって、加圧装置１４ｂの潤滑剤（例えばグリス）によって生じる加圧装置１４ｂの駆動に対する抵抗が低下するため、導出部１５ａ２によって導出された第一駆動量に相当する加圧装置１４ｂの実際の駆動量が増加する。

【0056】

これに対して、導出部１５ａ２によって導出された第一駆動量を、基準温度Ｔｈ０からの温度変化による加圧装置１４ｂの実際の駆動量の変動に相当する分だけ増加または減少させるように、第二補正係数Ｃ２が設定されている。換言すれば、加圧装置１４ｂの実際の駆動量が、検出温度が基準温度Ｔｈ０である場合に相当する駆動量となるように、第一駆動量が第二補正係数Ｃ２によって補正される。

【0057】

補正部１５ａ３は、第五マップＭ５（図５参照）を使用して計測駆動時間に対応する第三補正係数Ｃ３を導出する。第五マップＭ５は、計測駆動時間が長くなるにしたがって第三補正係数Ｃ３が大きくなる相関関係を示すものである。第三補正係数Ｃ３は、計測駆動時間が基準計測駆動時間Ｔｍ０（本実施形態においてはゼロ）である場合に「１」となるように設定されている。

【0058】

加圧装置１４ｂの駆動時間が長くなるにしたがって、加圧装置１４ｂの経年変化が進行するため、導出部１５ａ２によって導出された第一駆動量に相当する加圧装置１４ｂの実際の駆動量が減少する。これに対して、導出部１５ａ２によって導出された第一駆動量を、加圧装置１４ｂの経年変化による加圧装置１４ｂの実際の駆動量の減少に相当する分だけ増加させるように、第三補正係数Ｃ３が設定されている。換言すれば、加圧装置１４ｂの実際の駆動量が、加圧装置１４ｂの駆動時間がゼロである場合に相当する駆動量となるように、第一駆動量が第三補正係数Ｃ３によって補正される。

【0059】

記憶部１５ａ４は、プログラムを実行する際に用いられるデータ等を記憶するものである。記憶部１５ａ４は、第一マップ〜第五マップＭ５を記憶する。第一マップ〜第五マップＭ５は、予め実験によって実測されて導出されている。なお、この実験が行われる場合の環境温度は、基準温度Ｔｈ０である。

【0060】

改質水供給部１５ａ５は、補正部１５ａ３によって補正された加圧装置１４ｂの第一駆動量にて加圧装置１４ｂを駆動し、かつ、第二電磁弁１１ｂ２を開状態にすることにより、改質水を水タンク１４から蒸発部３２に供給するものである。改質水供給部１５ａ５は、補正部１５ａ３によって補正された第一駆動量を制御指令値として加圧装置１４ｂに出力する。また、改質水供給部１５ａ５は、第二電磁弁１１ｂ２を開状態とする制御指令値を第二電磁弁１１ｂ２に出力する。

【0061】

水補給制御部１５ｂは、水位判定部１５ｂ１および改質水補給部１５ｂ２を備えている。
水位判定部１５ｂ１は、水位検出装置１４ａによって検出された水タンク１４の水位を使用して、水タンク１４の水位が第一所定水位以下であるか否かを判定するものである。第一所定水位は、水タンク１４の内部の改質水の量が所定量である場合の水タンク１４の水位に設定されている。所定量は、燃料電池３４の発電が所定時間（例えば２４時間）継続するために必要な改質水の量である。水位判定部１５ｂ１の判定結果は、改質水補給部１５ｂ２に出力される。

【0062】

また、水位判定部１５ｂ１は、水位検出装置１４ａによって検出された水タンク１４の水位を使用して、水タンク１４の水位が第二所定水位以上であるか否かを判定するものである。第二所定水位は、第一所定水位より高い水タンク１４の水位である。第二所定水位は、具体的には、水タンク１４内の上面より若干低い位置に設定されている。

【0063】

改質水補給部１５ｂ２は、水位判定部１５ｂ１によって水タンク１４の水位が第一所定水位以下であると判定された場合、水タンク１４に改質水を補給するものである。この場合、改質水補給部１５ｂ２は、具体的には、第一電磁弁１２ａ２を開状態とする制御指令値を第一電磁弁１２ａ２に出力する。

【0064】

また、この場合、改質水補給部１５ｂ２は、加圧装置１４ｂの第二駆動量を制御指令値として加圧装置１４ｂに出力する。第二駆動量は、加圧装置１４ｂが第二方向に回転駆動する場合の加圧装置１４ｂの駆動量である。第二駆動量の回転数は、所定回転数にて一定となるように設定されている。所定回転数は、水タンク１４の内部を大気圧に対して負圧にするために必要な回転数である。

【0065】

また、改質水補給部１５ｂ２は、水位判定部１５ｂ１によって水タンク１４の水位が第二所定水位以上であると判定された場合、水タンク１４への改質水の補給を停止する。この場合、改質水補給部１５ｂ２は、具体的には、第一電磁弁１２ａ２を閉状態とする制御指令値を第一電磁弁１２ａ２に出力する。また、この場合、改質水補給部１５ｂ２は、加圧装置１４ｂの第二駆動量をゼロとする制御指令値を加圧装置１４ｂに出力する。

【0066】

次に、制御装置１５が実行する水供給制御について図６に示すフローチャートを用いて説明する。水供給制御は、燃料電池システム１が発電運転中である場合に実行される。

【0067】

制御装置１５は、ステップＳ１０２にて、燃料電池３４の発電量に応じて目標流量を設定する（設定部１５ａ１）。続けて、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて目標流量に相当する加圧装置１４ｂの第一駆動量を導出する（導出部１５ａ２）。

【0068】

そして、制御装置１５は、ステップＳ１０６にて、検出水位を使用して加圧装置１４ｂの第一駆動量を補正する（補正部１５ａ３）。これにより、第一駆動量は、水タンク１４内の改質水の重量によって水タンク１４から水流通管１１ｂに導出する改質水の流量に相当する分だけ減少するように補正される。

【0069】

さらに、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて検出温度を使用して加圧装置１４ｂの第一駆動量を補正する（補正部１５ａ３）。これにより、第一駆動量は、基準温度Ｔｈ０からの温度変化による加圧装置１４ｂの実際の駆動量の変動に相当する分だけ増加または減少するように補正される。

【0070】

また、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて計測駆動時間を使用して加圧装置１４ｂの第一駆動量を補正する（補正部１５ａ３）。これにより、第一駆動量は、加圧装置１４ｂの経年変化による加圧装置１４ｂの実際の駆動量の減少に相当する分だけ増加するように補正される。

【0071】

そして、制御装置１５は、ステップＳ１１２にて、補正された第一駆動量にて加圧装置１４ｂを駆動する（改質水供給部１５ａ５）。また、制御装置１５は、ステップＳ１１４にて第二電磁弁１１ｂ２を開状態にする（改質水供給部１５ａ５）。このとき、加圧装置１４ｂの駆動および水タンク１４内の改質水の重量によって、改質水が水タンク１４から水流通管１１ｂに導出されて、水流通管１１ｂを通って蒸発部３２に供給される。

【0072】

また、このとき、蒸発部３２に供給される改質水の第一流量Ｑ１は、補正された第一駆動量に相当する改質水の第二流量Ｑ２と、水タンク１４内の改質水の重量によって水流通管１１ｂに導出される改質水の第三流量Ｑ３とを合わせた流量である（Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３）。

【0073】

ここで、補正された駆動量に相当する改質水の第二流量Ｑ２は、補正される前の駆動量に相当する改質水の目標流量から、水タンク１４内の改質水の重量によって水流通管１１ｂに導出される改質水の第三流量Ｑ３だけ減少した流量である（Ｑ２＝目標流量−Ｑ３）。よって、蒸発部３２に供給される改質水の第一流量Ｑ１は、目標流量に相当する（Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３＝（目標流量−Ｑ３）＋Ｑ３＝目標流量）。

【0074】

次に、制御装置１５が実行する水補給制御について、図７に示すフローチャートを用いて説明する。水補給制御は、燃料電池システム１が起動されている場合に実行される。

【0075】

制御装置１５は、ステップＳ２０２にて、検出水位が第一所定水位以下であるか否かを判定する（水位判定部１５ｂ１）。水タンク１４の水位が比較的高いことにより場合、検出水位が第一所定水位より高い場合、制御装置１５は、ステップＳ２０２にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ２０２を繰り返し実行する。

【0076】

一方、水タンク１４内の改質水が発電に使用されることにより、水タンク１４の水位が低下して、検出水位が第一所定水位以下となった場合、制御装置１５は、ステップＳ２０２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ２０４に進める。

【0077】

そして、制御装置１５は、ステップＳ２０４にて加圧装置１４ｂを第二駆動量にて駆動し（改質水補給部１５ｂ２）、ステップＳ２０６にて第一電磁弁１２ａ２を開状態にする（改質水補給部１５ｂ２）。このとき、水タンク１４の内部の圧力が負圧になるため、凝縮水が熱交換器から凝縮水供給管１２ａを通って自重にて落下して、改質水として水タンク１４に補給される。これにより、水タンク１４の水位が上昇する。

【0078】

続けて、制御装置１５は、ステップＳ２０８にて、検出水位が第二所定水位以上であるか否かを判定する（水位判定部１５ｂ１）。水タンク１４への改質水の補給が開始されて比較的短時間しか経過していないために水タンク１４の水位が比較的低い場合、検出水位が第二所定水位より低い。この場合、制御装置１５は、ステップＳ２０８にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ２０８を繰り返し実行する。

【0079】

一方、水タンク１４の水位が上昇して、検出水位が第二所定水位以上となった場合、制御装置１５は、ステップＳ２０８にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ２１０に進める。制御装置１５は、ステップＳ２１０にて加圧装置１４ｂの駆動を停止し、ステップＳ２１２にて第一電磁弁１２ａ２を閉状態にする（改質水補給部１５ｂ２）。これにより、改質水の補給が停止される。

【0080】

本実施形態によれば、燃料電池システム１は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部３２と、水蒸気と改質用原料とから燃料を生成し、燃料を燃料電池３４に供給する改質部と、蒸発部３２より上方に配置され、改質水を内部に貯留する水タンク１４と、水タンク１４と蒸発部３２とを接続し、改質水が蒸発部３２に向けて流れる水流通管１１ｂと、水タンク１４の内部に気体を送入して水タンク１４の内部を加圧することにより、改質水を水流通管１１ｂに導出する加圧装置１４ｂと、水流通管１１ｂに配置され、開状態である場合に改質水の流れを許容し、閉状態である場合に改質水の流れを規制する第二電磁弁１１ｂ２と、水タンク１４の水位を検出する水位検出装置１４ａと、燃料電池３４を少なくとも制御する制御装置１５と、を備えている。制御装置１５は、燃料電池３４の発電量に応じて、加圧装置１４ｂの第一駆動量を導出する導出部１５ａ２と、水位検出装置１４ａによって検出された水タンク１４の水位を使用して、導出部１５ａ２によって導出された加圧装置１４ｂの第一駆動量を補正する補正部１５ａ３と、補正部１５ａ３によって補正された加圧装置１４ｂの第一駆動量にて加圧装置１４ｂを駆動し、かつ、第二電磁弁１１ｂ２を開状態にすることにより、改質水を水タンク１４から蒸発部３２に供給する改質水供給部１５ａ５と、を備えている。

【0081】

これによれば、第二電磁弁１１ｂ２が開状態となり、かつ、加圧装置１４ｂによって水タンク１４の内部に気体が送入されることにより、改質水が水流通管１１ｂを介して蒸発部３２に供給される。すなわち、本発明の改質水を供給する装置は、第二電磁弁１１ｂ２および気体を送出可能に設けられた加圧装置１４ｂよって構成されている。よって、本発明の改質水を供給する装置は、従来技術のプランジャポンプに比べて構成を簡素化することができるため、部品点数を抑制することができる。したがって、改質水を供給する装置ひいては燃料電池システム１の低コスト化を図ることができる。

【0082】

また、改質水は、加圧装置１４ｂの駆動および水タンク１４内の改質水の重量によって水タンク１４から水流通管１１ｂに導出される。そして、水タンク１４の水位が高くなるにしたがって、水タンク１４内の改質水の重量により水タンク１４から水流通管１１ｂに導出される改質水の流量が増加する。これに対して、制御装置１５は、水位検出装置１４ａによって検出された改質水の水位が高くなるにしたがって、すなわち水タンク１４内の改質水の重量が増加するにしたがって、加圧装置１４ｂの第一駆動量を小さくするように補正する。よって、燃料電池システム１は、改質水の流量の高精度化を図ることができる。したがって、蒸発部３２に供給される改質水の流量の高精度化および加圧装置１４ｂの低コスト化の両立を図ることができる。

【0083】

また、燃料電池システム１は、加圧装置１４ｂの温度を検出する温度センサ５０、および、加圧装置１４ｂの駆動時間を計測する計測装置６０をさらに備えている。補正部１５ａ３は、温度センサ５０によって検出された温度および計測装置６０によって駆動された駆動時間を使用して、導出部１５ａ２によって導出された加圧装置１４ｂの第一駆動量をさらに補正する。

【0084】

加圧装置１４ｂの温度が高くなるにしたがって、加圧装置１４ｂの潤滑剤によって生じる加圧装置１４ｂの駆動に対する抵抗が低下するため、加圧装置１４ｂの第一駆動量に対する加圧装置１４ｂの実際の駆動量が増加する。また、加圧装置１４ｂの駆動時間が増加するにしたがって、加圧装置１４ｂの経年変化が進行するため、加圧装置１４ｂの第一駆動量に対する加圧装置１４ｂの実際の駆動量が減少する。これに対して、補正部１５ａ３は、加圧装置１４ｂの温度および加圧装置１４ｂの駆動時間を使用して、加圧装置１４ｂの第一駆動量を補正する。よって、燃料電池システム１は、蒸発部３２に供給される改質水の流量の高精度化を、より図ることができる。

【0085】

また、水流通管１１ｂは、水タンク１４と第二電磁弁１１ｂ２との間に配置され、第二電磁弁１１ｂ２から水タンク１４に向けた流体の流れを規制する規制部１１ｂ１をさらに備えている。

【0086】

これによれば、規制部１１ｂ１によって第二電磁弁１１ｂ２から水タンク１４への流体の流れが規制されるため、改質水を蒸発部３２に確実に供給することができる。よって、燃料電池システム１は、蒸発部３２に供給される改質水の流量の高精度化を、さらに図ることができる。また、水蒸気や改質用原料が水タンク１４へ流入することを規制することができる。

【0087】

また、規制部１１ｂ１には、改質水が溜まっているため、水タンク１４からの改質水の供給が停止されている燃料電池システム１の停止時であっても、流体が蒸発部３２（燃料電池モジュール１１）から水タンク１４へ逆流することが抑制される。さらに、規制部１１ｂ１は、水タンク１４に比べて蒸発部３２に近い位置に配置されている。このため、規制部１１ｂ１に溜められた改質水は、水タンク１４内の改質水より、短時間にて蒸発部３２に供給される。よって、燃料電池システム１の起動運転における改質水の供給するための準備の時間を短縮することができる。したがって、燃料電池システム１が停止状態から発電運転を開始するまでの時間の短縮化を図ることができる。

【0088】

なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した実施形態において、水タンク１４の内部に送入される気体は、空気であるが、これに代えて、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを用いるようにしても良い。

【0089】

また、上述した実施形態において、水位検出装置１４ａは、静電容量式であるが、これに代えて、水位検出装置１４ａをフロート式にしても良い。

【0090】

また、上述した実施形態において、燃料電池システム１は、温度センサ５０および計測装置６０の両方を備えているが、これに代えて、温度センサ５０および計測装置６０の両方を備えないようにしても良い。この場合、補正部１５ａ３は、検出水位のみを使用して、加圧装置１４ｂの第一駆動量を補正する。

【0091】

また、上述した実施形態において、燃料電池システム１は、温度センサ５０および計測装置６０の両方を備えているが、これに代えて、温度センサ５０および計測装置６０の一方を備えるようにしても良い。この場合、補正部１５ａ３は、検出温度および計測駆動時間の一方、並びに検出水位を使用して加圧装置１４ｂの第一駆動量を補正する。

【0092】

また、上述した実施形態において、規制部１１ｂ１は、水流通管１１ｂが上方を開放するＵ字形状に形成されることにより設けられているが、これに代えて、水流通管１１ｂを水タンク１４側から第二電磁弁１１ｂ２側に向かうにしたがって、上方から下方に向けて傾斜させて、規制部１１ｂ１を設けるようにしても良い。

【0093】

また、上述した実施形態において、燃料電池３４は、固体酸化物形燃料電池であるが、これに代えて、固体高分子形燃料電池とするようにしても良い。

【0094】

また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、水流通管１１ｂおよび規制部１１ｂ１の形状、水タンク１４および熱交換器１２の配置位置、並びに、水位検出装置１４ａの種類を変更するようにしても良い。

【符号の説明】

【0095】

１…燃料電池システム、１１（３０）…燃料電池モジュール、１１ｂ…水流通管、１１ｂ１…規制部、１１ｂ２…第二電磁弁（電磁弁）、１２…熱交換器、１２ａ…凝縮水供給管、１２ａ２…第一電磁弁、１３…電力変換装置、１４…水タンク、１４ａ…水位検出装置、１４ｂ…加圧装置、１４ｂ１…空気流通管、１５…制御装置、１５ａ…水供給制御部、１５ａ１…設定部、１５ａ２…導出部、１５ａ３…補正部、１５ａ４…記憶部、１５ａ５…改質水供給部、１５ｂ…水補給制御部、１５ｂ１…水位判定部、１５ｂ２…改質水補給部、３２…蒸発部、３３…改質部、３４…燃料電池、５０…温度センサ、６０…計測装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】