特開 2022-113189 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022113189

(43)【公開日】2022-08-04

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20220728BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20220728BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20220728BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20220728BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20220728BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20220728BHJP

   H01M 8/04664 20160101ALI20220728BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20220728BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20220728BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20220728BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/0438

H01M8/04746

H01M8/04303

H01M8/04 J

H01M8/04 N

H01M8/0432

H01M8/04302

H01M8/04664

H01M8/0612

C01B3/38

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021009244

(22)【出願日】2021-01-25

(71)【出願人】

【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】110000017

【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】薮谷 元彦

【テーマコード（参考）】

4G140

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

4G140AB01

4G140EA03

4G140EA06

4G140EB03

4G140EB32

4G140EB42

4G140EB43

4G140EC02

4G140EC03

5H126BB06

5H127AA07

5H127AC07

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA18

5H127BA34

5H127BA37

5H127BA57

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB19

5H127BB37

5H127DA01

5H127DA11

5H127DB76

5H127DB80

5H127DB87

5H127DB90

5H127DC83

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

(57)【要約】

【課題】コストアップを抑えた簡易な構成で改質水を適切に供給可能とする。
【解決手段】燃料電池システムは、原燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器の改質に用いられる改質水を貯留する水タンクと、水タンク内の改質水を改質器に供給するための供給管に吐出する水ポンプと、供給管を流通する改質水の流量を検出する流量センサと、ダイヤフラム式の電磁弁として構成され、水ポンプと流量センサとの間および水タンクに接続されて開弁により水タンクに改質水を排出する排水弁と、排水弁を閉弁し流量センサの検出流量に基づくフィードバック制御により水ポンプを駆動して改質水を供給する給水制御と、システム停止時に排水弁を開弁し供給管内の改質水を排出させる排水制御とを実行可能な制御装置と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
原燃料ガスを改質して前記改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器の改質に用いられる改質水を貯留する水タンクと、
前記水タンク内の改質水を前記改質器に供給するための供給管に吐出する水ポンプと、
前記供給管を流通する改質水の流量を検出する流量センサと、
ダイヤフラム式の電磁弁として構成され、前記水ポンプと前記流量センサとの間および前記水タンクに接続されて開弁により前記水タンクに改質水を排出する排水弁と、
前記排水弁を閉弁し前記流量センサの検出流量に基づくフィードバック制御により前記水ポンプを駆動して改質水を供給する給水制御と、システム停止時に前記排水弁を開弁し前記供給管内の改質水を排出させる排水制御とを実行可能な制御装置と、
を備える燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記供給管における前記流量センサの下流側にオリフィスが設けられている
燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記排水弁と前記水ポンプと前記流量センサとを接続するＹ字継手またはＴ字継手を備える
燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記排水弁は、前記水ポンプと前記流量センサとに接続されるようにＹ字またはＴ字の流路がボディ内部に設けられている
燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、システム起動時に、前記排水弁を開弁して前記水ポンプを駆動した後に、前記供給管内の水位が前記改質器の改質に必要な所定水位となるように前記給水制御を実行する
燃料電池システム。

【請求項6】

請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部の温度に相関する温度を検出する温度センサと、
を備え、
前記制御装置は、システム起動時に、前記所定水位となるまで前記給水制御を実行した後に前記燃焼部でオフガスを燃焼させている状態で前記温度センサにより検出された温度が所定温度以上となった場合に、前記流量センサの検出精度の不良と判定する
燃料電池システム。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、システム停止時に、前記排水制御を実行した後に前記排水弁を閉弁して前記水ポンプを排水確認用に所定時間駆動させ、該駆動に伴って前記流量センサにより流量ありが検出された場合に、前記排水制御における排水不良と判定する
燃料電池システム。

【請求項8】

請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記流量センサは、前記水タンクの近傍に配置されている
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】

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃焼部と、改質器と、水タンクと、水タンク内の水を供給管に吐出して改質器に供給する水ポンプとを備えるものが提案されている。例えば、特許文献１には、水タンク内の水を加熱するための加熱部と、供給管に開閉弁を介して接続された排水管とをさらに備え、システム起動時には、開閉弁を開いて供給管内の水を排水管から排水し、加熱部により水タンク内の水を加熱してから供給管に給水することで、細菌が繁殖した水が改質器に供給されるのを抑制している。また、特許文献２には、供給管内の水位を検出する水位センサをさらに備え、燃焼部の着火前に、水位センサからの検出信号に基づいて供給管内の水位を改質器の入口直前の所定水位に調整することで、改質水不足による改質部のコーキング（燃料の炭化現象）や、改質水過多による触媒の活性低下（性能低下）を抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－９７５２号公報

【特許文献2】特開２０１２－１３３９１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１のシステムでは、起動時に供給管内の水を排水するため、システム停止中に供給管内で繁殖した細菌が供給管の内面に付着している場合があり、その場合には細菌の影響を排除することが困難である。また、電源遮断された状態のシステム停止中に外気温が低下した場合に、供給管内の水が凍結すると供給管が破損して改質水を供給不能となるおそれがある。また、特許文献２のシステムでは、改質器の入口付近に水位センサを設けるため、高温雰囲気に耐えられる水位センサを用いる必要があり、コストアップを招いてしまう。

【0005】

本発明は、コストアップを抑えた簡易な構成で改質水を適切に供給可能とすることを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

本発明の燃料電池システムは、
水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
原燃料ガスを改質して前記改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器の改質に用いられる改質水を貯留する水タンクと、
前記水タンク内の改質水を前記改質器に供給するための供給管に吐出する水ポンプと、
前記供給管を流通する改質水の流量を検出する流量センサと、
ダイヤフラム式の電磁弁として構成され、前記水ポンプと前記流量センサとの間および前記水タンクに接続されて開弁により前記水タンクに改質水を排出する排水弁と、
前記排水弁を閉弁し前記流量センサの検出流量に基づくフィードバック制御により前記水ポンプを駆動して改質水を供給する給水制御と、システム停止時に前記排水弁を開弁し前記供給管内の改質水を排出させる排水制御とを実行可能な制御装置と、
を備えることを要旨とする。

【0008】

本発明の燃料電池システムでは、供給管を流通する改質水の流量を検出する流量センサと、ダイヤフラム式の電磁弁として構成され水ポンプと流量センサとの間および水タンクに接続された排水弁とを備える。これにより、水ポンプの吐出により生じる改質水の脈動を、閉状態の排水弁のダイヤフラムで吸収することができるから、脈動による流量変動によって流量センサの検出上限を超えるのを抑えて流量センサの検出精度が低下するのを抑制することができる。このため、流量センサの検出流量に基づくフィードバック制御により水ポンプを駆動することで、高精度の流量保証がなされた高価な水ポンプを用いなくても、比較的安価な水ポンプを用いて改質水を適切に供給することができる。また、改質器の近傍に供給管の水位を検知する水位センサを設置不要としてコストダウンを図ることができる。また、システム停止時に排水制御を行うことで、供給管内に改質水が残存することにより、次のシステム起動時に細菌が繁殖した改質水が供給されたり、凍結によって供給管が破損したりするのを防止することができる。したがって、コストアップを抑えた簡易な構成で改質水を適切に供給可能とすることができる。

【0009】

本発明の燃料電池システムにおいて、前記供給管における前記流量センサの下流側にオリフィスが設けられているものとしてもよい。こうすれば、水ポンプにより供給管に吐出された改質水が流量センサを勢いよく流通するのを抑えて排水弁に向かわせることができるから、排水弁のダイヤフラムによる脈動吸収効果を高めて、流量センサの検出精度が低下するのをさらに抑制することができる。

【0010】

本発明の燃料電池システムにおいて、前記排水弁と前記水ポンプと前記流量センサとを接続するＹ字継手またはＴ字継手を備えるものとしてもよい。こうすれば、排水制御を行う際に、供給管内（流量センサ側）の改質水を排出しやすくすることができる。あるいは、本発明の燃料電池システムにおいて、前記排水弁は、前記水ポンプと前記流量センサとに接続されるようにＹ字またはＴ字の流路がボディ内部に設けられているものとしてもよい。こうすれば、継手や配管を削減して、コストを低減することができる。

【0011】

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、システム起動時に、前記排水弁を開弁して前記水ポンプを駆動した後に、前記供給管内の水位が前記改質器の改質に必要な所定水位となるように前記給水制御を実行するものとしてもよい。排水弁を開弁して水ポンプを駆動することで、排水弁から改質水を排出しながらエアを抜くことができる。このため、システム起動時に、排水弁内などに残存しているエアを適切に除去して、改質に必要な所定水位まで改質水を精度よく供給することができる。

【0012】

本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部の温度に相関する温度を検出する温度センサと、を備え、前記制御装置は、システム起動時に、前記所定水位となるまで前記給水制御を実行した後に前記燃焼部でオフガスを燃焼させている状態で前記温度センサにより検出された温度が所定温度以上となった場合に、前記流量センサの検出精度の不良と判定するものとしてもよい。所定水位となるまで給水制御を行ったにも拘わらず燃焼部が所定温度以上となった場合、流量センサの検出精度の不良によりフィードバック制御における供給流量が不足して所定水位まで給水されていなかった可能性が高いと考えられる。このため、流量センサの検出精度の不良を速やかに把握して、例えばシステム起動を停止するなどの適切な対処が可能となる。

【0013】

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、システム停止時に、前記排水制御を実行した後に前記排水弁を閉弁して前記水ポンプを排水確認用に所定時間駆動させ、該駆動に伴って前記流量センサにより流量ありが検出された場合に、前記排水制御における排水不良と判定するものとしてもよい。こうすれば、排水弁の故障や作動不良を速やかに把握して、適切な対処が可能となる。

【0014】

本発明の燃料電池システムにおいて、前記流量センサは、前記水タンクの近傍に配置されているものとしてもよい。こうすれば、改質器近傍の高温雰囲気の影響を抑えることができるから、流量センサが高温雰囲気の影響を受けて検出精度が低下するのを抑制することができる。なお、水タンクの近傍に配置されているとは、流量センサが、改質器近傍の高温雰囲気の影響を受けないように、改質器よりも水ポンプに近い位置に配置されているものなどであればよい。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。

【図2】改質水供給装置４０の構成図である。

【図3】起動時水位調整制御の一例を示すフローチャートである。

【図4】起動時着火制御の一例を示すフローチャートである。

【図5】作動停止時排水制御の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

次に、本発明を実施するための形態について説明する。

【0017】

図１は、燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの水蒸気改質に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０で発生した排熱を回収するための排熱回収装置６０と、燃料電池スタック２１の出力端子に接続されると共にリレーを介して電力系統２から負荷４への電力ライン３に接続されるパワーコンディショナ７０と、を備える。これらは、筐体１２に収容されている。筐体１２には、吸気口１２ａと排気口１２ｂとが形成されており、吸気口１２ａの近傍には、外気を取り込んで筐体１２の内部を換気するための換気ファン１４が設置されている。

【0018】

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、２つの改質器２３を含み、これらは、本実施形態の燃料電池ケースとしてのモジュールケース２９に収容されている。本実施形態では、発電モジュール２０は、２つの燃料電池スタック２１を有し、２つの燃料電池スタック２１は、間隔をおいて互いに対向するようにモジュールケース２９内に配置されたマニホールド２４上に設置される。

【0019】

各燃料電池スタック２１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有すると共に図１中、左右方向（水平方向）に配列された複数の固体酸化物形の単セルを有する。各単セルのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が単セルの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。また、各単セルのカソード電極の周囲には、カソードガスを流通させる図示しないカソードガス通路が単セルの配列方向に直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。各単セルのアノードガス通路は、マニホールド２４に接続され、各単セルのカソードガス通路は、モジュールケース２９内のエア通路に接続される。更に、２つの燃料電池スタック２１の間（近傍）には、両者との距離が同一となるように温度センサ９４が設置されている。温度センサ９４は、各燃料電池スタック２１の温度に相関する温度Ｔ４を検出する。

【0020】

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２９内の２つの燃料電池スタック２１の上方に両者と間隔をおいて配設される。本実施形態では、一方の燃料電池スタック２１の上方に気化器２２および一方の改質器２３が配置され、他方の燃料電池スタック２１の上方に他方の改質器２３が配置される。更に、一方の燃料電池スタック２１と気化器２２および一方の改質器２３との間、並びに他方の燃料電池スタック２１と他方の改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼部２５が画成されている。各燃焼部２５には、着火ヒータ２６が設置されている。

【0021】

気化器２２は、燃焼部２５からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に生成した水蒸気を改質器２３へ供給する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。また、改質器２３には、当該改質器２３に流入する混合ガスの温度Ｔ１を検出する温度センサ９１が設置されている。

【0022】

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部２５からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、配管やマニホールド２４を介して各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。

【0023】

また、燃料電池スタック２１の各単セルのカソード電極には、モジュールケース２９内に形成されたエア通路を介してカソードガスとしてのエアが供給される。各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ₂ ^-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、各単セルのアノードガス通路やカソードガス通路から上方の燃焼部２５へと流出する。

【0024】

各単セルから燃焼部２５に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルから燃焼部２５に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、着火ヒータ２６により点火させられて燃焼部２５でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼部２５では、未燃燃料や水蒸気を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼触媒２７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒２７は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。更に、燃焼触媒２７が設けられたガス通路には、燃焼触媒２７を暖機するための触媒ヒータ２８や、燃焼排ガスの温度Ｔ８を検出する温度センサ９８が設置されている。

【0025】

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に組み込まれた開閉弁（２連弁）３２，３３、オリフィス３４、ガスポンプ３５および脱硫器３６とを有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３５を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３６を介して気化器２２へと圧送（供給）される。脱硫器３６は、例えば常温脱硫式の脱硫器として構成される。また、原燃料ガス供給管３１の開閉弁３３とオリフィス３４との間には、原燃料ガス供給管３１内の圧力を検出する圧力センサ３７や、原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量（ガス流量Ｑｇ）を検出するガス流量センサ３８が設置されている。

【0026】

図２は、改質水供給装置４０の構成図である。改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２から改質水を汲み上げて吐出する改質水ポンプ４３と、改質水ポンプ４３から吐出された改質水を発電モジュール２０（気化器２２，改質器２３）に供給するための改質水供給管４１と、改質水タンク４２に接続された排水弁４５と、改質水供給管４１を流通する改質水の流量を検出する改質水流量センサ４７と、改質水流量センサ４７の出口側（下流側，発電モジュール２０側）に設けられ流量を制限するオリフィス４８とを有する。排水弁４５は、改質水ポンプ４３と改質水流量センサ４７との間に接続されている。また、改質水供給装置４０は、改質水ポンプ４３と排水弁４５と改質水流量センサ４７とを接続するＹ字継手４４を有する。即ち、排水弁４５は、Ｙ字継手４４を介して改質水ポンプ４３と改質水流量センサ４７とに接続されている。

【0027】

排水弁４５は、ゴムなどの弾性材料によって形成されたダイヤフラム膜を有するダイヤフラム式の電磁弁として構成され、開弁により改質水供給管４１（Ｙ字継手４４）内の改質水を改質水タンク４２に排出する。また、Ｙ字継手４４は、主管４４ａと、主管４４ａに対してＹ字状（二股）に斜めに分岐した分岐管４４ｂ，４４ｃとを有し、主管４４ａが排水弁４５に接続され、分岐管４４ｂが改質水ポンプ４３に接続されると共に分岐管４４ｃが改質水流量センサ４７の入口側に接続されている。Ｙ字継手４４は、例えば樹脂やフレキシブルチューブなど可撓性を有する材料で形成されている。あるいは、改質水ポンプ４３と改質水流量センサ４７とに接続されるように、排水弁４５（電磁弁）のボディ内部にＹ字の流路またはＴ字の流路を構成してもよい。

【0028】

改質水供給装置４０は、排水弁４５が閉弁した状態で、改質水ポンプ４３により改質水タンク４２から汲み上げて吐出した改質水をＹ字継手４４から排水弁４５および改質水流量センサ４７（オリフィス４８）を経て改質水供給管４１から気化器２２へ圧送（供給）する供給流路を形成する。また、改質水供給装置４０は、排水弁４５が開弁した状態で、改質水供給管４１（Ｙ字継手４４）内の改質水を改質水タンク４２に排出可能であり、その状態で改質水ポンプ４３を駆動することで改質水タンク４２から汲み上げた改質水をＹ字継手４４から排水弁４５を経て改質水タンク４２に排出する循環流路を形成する。

【0029】

エア供給装置５０は、モジュールケース２９内に形成されたエア通路に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に組み込まれたエアポンプ５３とを有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、モジュールケース２９内のエア通路を経て各燃料電池スタック２１へと圧送（供給）される。

【0030】

排熱回収装置６０は、湯水を貯留する貯湯タンク６３と、発電モジュール２０の燃焼部２５で生成された燃焼排ガスと湯水とを熱交換する熱交換器６２と、貯湯タンク６３と熱交換器６２とを接続する循環配管６１と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６４とを有する。貯湯タンク６３内に貯留されている湯水は、循環ポンプ６４を作動させることで、熱交換器６２へと導入され、熱交換器６２で燃焼排ガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク６３へと返送される。熱交換器６２で湯水との熱交換によって燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮し、これにより凝縮水が得られる。

【0031】

また、排熱回収装置６０の熱交換器６２は、凝縮水排出管６６を介して改質水タンク４２と接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮することにより得られた凝縮水は、当該凝縮水排出管６６を介して改質水タンク４２内へと導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、燃焼排ガス排出管６７に接続されている。これにより、発電モジュール２０の燃焼部２５から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、燃焼排ガス排出管６７を介して大気中に排出される。

【0032】

パワーコンディショナ７０は、燃料電池スタック２１から出力された直流電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータや、変換された直流電圧を電力系統２と連系可能な交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するインバータを有する。燃料電池スタック２１の出力端子には、当該燃料電池スタック２１から出力される電流Ｉを検出する図示しない電流センサが設けられ、燃料電池スタック２１の出力端子間には、燃料電池スタック２１の端子間電圧を検出する図示しない電圧センサが設けられている。パワーコンディショナ７０は、システムに要求される要求発電電力に応じた電流が燃料電池スタック２１から出力されるようＤＣ／ＤＣコンバータやインバータが備えるスイッチング素子をスイッチング制御する。

【0033】

パワーコンディショナ７０から分岐した電力ラインには電源基板７２が接続されている。電源基板７２は、燃料電池スタック２１からの直流電圧や電力系統２からの交流電圧を補機類の作動に適した直流電圧に変換して当該補機類に供給するものである。実施形態では、補機類としては、換気ファン１４や開閉弁３２，３３、ガスポンプ３５、改質水ポンプ４３、排水弁４５、エアポンプ５３、循環ポンプ６４などを挙げることができる。

【0034】

制御装置８０は、ＣＰＵ８１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ８１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ８２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３と、計時を行うタイマ８４と、図示しない不揮発性メモリと、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置８０には、圧力センサ３７やガス流量センサ３８、改質水流量センサ４７、温度センサ９１，９４，９８などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、換気ファン１４のファンモータや開閉弁３２，３３のソレノイド、ガスポンプ３５のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、排水弁４５のソレノイド、エアポンプ５３のポンプモータ、循環ポンプ６４のポンプモータ、パワーコンディショナ７０のＤＣ／ＤＣコンバータやインバータ、電源基板７２、着火ヒータ２６、触媒ヒータ２８などへの各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。

【0035】

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作について説明する。まず、燃料電池システム１０を起動する際の動作として、給水制御を行うことにより改質水供給管４１内の改質水の水位を調整する起動時水位調整制御と、燃焼部２５内の着火を行う起動時着火制御とを説明する。

【0036】

まず、起動時水位調整制御を説明する。図３は、起動時水位調整制御の一例を示すフローチャートであり、システム起動が指示された場合に制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される。起動時水位調整制御では、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、改質水ポンプ４３を所定回転で駆動するように運転を開始して（Ｓ１００）、改質水流量センサ４７からの検出信号に基づいて検出流量あり即ち改質水の流通があると判定するのを待つ（Ｓ１１０）。なお、運転開始時は、排水弁４５が閉弁されているため、上述したように改質水の供給流路が形成されている。ＣＰＵ８１は、Ｓ１１０で検出流量あり（出力あり）と判定すると、所定時間（例えば数秒から十秒程度）にわたり開弁するように排水弁４５を制御する（Ｓ１２０）。なお、排水弁４５は、所定時間開弁した後に、閉弁される。上述したように、排水弁４５の開弁中は、改質水ポンプ４３により改質水タンク４２から汲み上げた改質水をＹ字継手４４から排水弁４５を経て改質水タンク４２に排出する循環流路が形成されるから、Ｙ字継手４４や排水弁４５内などのエア抜きを伴って排水を行うことができる。また、所定時間開弁した後は、排水弁４５を閉弁して改質水の供給流路を形成するため、改質水は改質水供給管４１に流れる。

【0037】

次に、ＣＰＵ８１は、改質水流量センサ４７の検出流量ありと判定するのを待つ（Ｓ１３０）。ＣＰＵ８１は、検出流量ありと判定すると、改質水流量センサ４７の検出流量が目標流量となるように改質水ポンプ４３を駆動するフィードバック制御を行って（Ｓ１４０）、検出流量の累積値に基づいて規定流量の改質水が改質水ポンプ４３から吐出（供給）されるのを待つ（Ｓ１５０）。なお、規定流量は、改質器２３（気化器２２）への改質水の供給に必要な流量として予め定められた流量である。Ｓ１４０，Ｓ１５０の処理により、改質水供給管４１内の水位が、改質に必要な所定水位に調整される。ＣＰＵ８１は、Ｓ１５０で規定流量の改質水が吐出されたと判定すると、改質水ポンプ４３の運転を停止して（Ｓ１６０）、起動時水位調整制御を終了する。起動時水位調整制御を終了すると、起動時着火制御に移行する。

【0038】

図４は、起動時着火制御の一例を示すフローチャートである。起動時着火制御では、ＣＰＵ８１は、まず、エアポンプ５３の運転を開始し（Ｓ２００）、ガスポンプ３５の運転を開始すると共に（Ｓ２１０）、改質水ポンプ４３の運転を開始する（Ｓ２２０）。なお、各ポンプは、それぞれの所定回転で駆動するように運転が開始される。そして、燃焼部２５に燃料（原燃料ガス）とエアとの混合ガスが供給された状態でＣＰＵ８１は、着火ヒータ２６をオンして混合ガスに着火し（Ｓ２３０）、タイマ８４による時間の計測を開始して（Ｓ２４０）、所定の待ち時間が経過するのを待つ（Ｓ２５０）。

【0039】

Ｓ２５０で待ち時間が経過すると、ＣＰＵ８１は、温度センサ９１により検出された温度Ｔ１が、規定温度Ｔｒｅｆ１以下であるか否か（Ｓ２６０）、規定温度Ｔｒｅｆ２以上であるか否か（Ｓ２７０）、をそれぞれ判定する。規定温度Ｔｒｅｆ１は、高温異常を判定するための温度であり、規定温度Ｔｒｅｆ２は、規定温度Ｔｒｅｆ１よりも低い温度であって着火（燃焼）の有無を判定するための温度である。ＣＰＵ８１は、Ｓ２６０，Ｓ２７０で、温度Ｔ１が規定温度Ｔｒｅｆ１以下で且つ規定温度Ｔｒｅｆ２以上であると判定すると、着火が正常に行われたと判定して（Ｓ２８０）、起動時着火制御を終了する。なお、図示は省略するが、起動時着火制御を正常終了すると暖機運転制御に移行し、暖機運転制御を正常終了すると発電制御に移行する。

【0040】

一方、ＣＰＵ８１は、Ｓ２６０で温度Ｔ１が規定温度Ｔｒｅｆ１以下でなく規定温度Ｔｒｅｆ１を超える（高温異常）と判定すると、改質水流量センサ４７の検出精度不良と判定しシステム異常停止（システム起動を停止）して（Ｓ２９０）、起動時着火制御を終了する。ここで、高温異常と判定される場合、起動時水位調整制御で調整された水位が正常でなく、実際に供給された改質水が不足していた可能性がある。起動時水位調整制御では、改質水流量センサ４７の検出流量に基づくフィードバック制御を行うから、改質水の不足は、改質水流量センサ４７の検出精度に問題があるためと考えられる。Ｓ２９０では、改質水流量センサ４７の検出精度の不良と速やかに判定して、直ちにシステム異常停止することで、改質触媒等の保護を図るのである。なお、Ｓ２９０では、図示しない操作パネルの画面に異常停止の旨や改質水流量センサ４７の検出精度不良の旨を示すメッセージを表示したり、操作パネルの異常報知ランプを点灯したりしてもよい。

【0041】

また、ＣＰＵ８１は、Ｓ２７０で温度Ｔ１が規定温度Ｔｒｅｆ２以上でなく規定温度Ｔｒｅｆ２未満であると判定すると、正常に着火しなかったと判定しガスポンプ３５と改質水ポンプ４３の運転を一旦停止して再着火の準備を行う（Ｓ３００）。Ｓ３００では、エアポンプ５３の運転を停止せずに、ガスポンプ３５の運転を停止してから一定時間が経過するのを待つことで、着火不良の混合ガスを排出する。次に、ＣＰＵ８１は、再着火回数が許容回数以下であるか否かを判定する（Ｓ３１０）。Ｓ３１０で再着火回数が許容回数以下であると判定すると、Ｓ２１０に戻って処理を実行することで再着火を行う。一方、Ｓ３１０で再着火回数が許容回数以下でなく許容回数を超えると判定すると、着火不良と判定しシステム異常停止して（Ｓ３２０）、起動時着火制御を終了する。

【0042】

次に、発電制御中の燃料電池システム１０の運転を通常停止する際の動作として、改質水供給管４１内の水抜きを行う排水制御を説明する。図５は、作動停止時排水制御の一例を示すフローチャートであり、システムの運転停止が指示されて通常停止制御を正常終了した場合に制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される。なお、通常停止制御は、例えば、原燃料ガスと改質水とが少量供給されると共に燃料電池スタック２１を冷却するためのエアが最大量供給されるようにガスポンプ３５と改質水ポンプ４３とエアポンプ５３とを制御することで開始し、燃料電池スタック２１がアノード電極が酸化しにくい所定温度まで低下すると原燃料ガスと改質水との供給が停止されるようにガスポンプ３５と改質水ポンプ４３とを運転停止し、さらに温度が低下して所定の停止温度に到達するとエアの供給が停止されるようにエアポンプ５３を運転停止することなどにより行われる。

【0043】

作動停止時排水制御では、ＣＰＵ８１は、まず改質水ポンプ４３を運転停止した状態で所定時間にわたり開弁するように排水弁４５を制御して排水（水抜き）を行う（Ｓ４００）。なお、排水弁４５は、所定時間開弁した後に、閉弁される。そして、所定時間後に排水弁４５を閉弁した状態で、ＣＰＵ８１は、改質水ポンプ４３を排水確認用に運転を開始すると共に（Ｓ４１０）、タイマ８４による時間の計測を開始して（Ｓ４２０）、確認用運転時間が経過するのを待つ（Ｓ４３０）。なお、確認用運転時間は、Ｙ字継手４４を含めて改質水供給管４１に改質水が残存していなければ、即ち水抜きが確実に行われていれば、改質水ポンプ４３を運転しても改質水流量センサ４７まで改質水が到達しない程度の短時間に定められており、例えば２～３秒などの数秒程度の時間である。

【0044】

ＣＰＵ８１は、確認用運転時間が経過したと判定すると、改質水流量センサ４７の検出流量なしか否かを判定する（Ｓ４４０）。即ち改質水の流通がないことを確認（判定）するのである。ＣＰＵ８１は、検出流量なしであると判定すると、Ｓ４００の排水（水抜き）が正常に行われたと判定し（Ｓ４５０）、改質水ポンプ４３の運転を停止して（Ｓ４６０）、作動停止時排水制御を終了する。なお、確認用運転時間は短時間であり、少量の改質水がＹ字継手４４内などに残存しても凍結などによる影響が生じるおそれはない。一方、ＣＰＵ８１は、Ｓ４４０で検出流量なしではなく検出流量ありと判定すると、排水不良であると判定してシステム異常停止し（Ｓ４７０）、改質水ポンプ４３の運転を停止して（Ｓ４６０）、作動停止時排水制御を終了する。なお、改質水ポンプ４３の運転停止はＳ４７０のシステム異常停止で行ってもよい。また、排水不良は、排水弁４５の作動不良や故障の可能性があるためと考えられるから、Ｓ４７０では、図示しない操作パネルの画面に排水異常の旨や排水弁４５の不良の旨を示すメッセージを表示したり、操作パネルの異常報知ランプを点灯したりしてもよい。

【0045】

以上説明した燃料電池システム１０では、ダイヤフラム式の電磁弁としての排水弁４５が改質水ポンプ４３と改質水流量センサ４７との間に接続されているため、改質水ポンプ４３の吐出により生じる脈動を、閉状態の排水弁４５のダイヤフラムで吸収して抑制することができる。このため、脈動による改質水の流量変動があっても、改質水流量センサ４７の検出上限を超えるのを抑えて検出精度が低下するのを抑制することができる。また、改質水流量センサ４７の検出流量に基づくフィードバック制御により改質水ポンプ４３を駆動することで、高精度の流量保証がなされた高価なポンプを用いなくても、比較的安価な改質水ポンプ４３を用いて改質水を適切に供給することができる。また、改質水供給管４１の所定水位を検知する水位センサを不要として、コストダウンを図ることができる。また、システム停止時に排水弁４５を開弁して排水制御を行うことで、改質水供給管４１内に改質水が残存しているために、細菌が繁殖した改質水が供給されたり、凍結によって改質水供給管４１が破損したりするのを防止することができる。

【0046】

また、改質水流量センサ４７の下流側にオリフィス４８が設けられているため、吐出された改質水が改質水流量センサ４７を勢いよく通過するのを抑えて排水弁４５に向かわせるから、排水弁４５のダイヤフラムによる脈動吸収効果を高めることができる。

【0047】

また、排水弁４５と改質水ポンプ４３と改質水流量センサ４７とをＹ字継手４４で接続するため、改質水供給管４１内の改質水を排出しやすくすることができる。また、改質水流量センサ４７を改質水タンク４２（改質水ポンプ４３）の近傍に配置することができるから、改質器２３（気化器２２）の近傍に配置するものに比して、高温雰囲気の影響を抑えることができる。このため、改質水流量センサ４７が高温雰囲気の影響を受けて検出精度が低下するのを抑制することができる。

【0048】

また、システム起動時に、まず排水弁４５を開弁して改質水ポンプ４３を駆動することで改質水を排水弁４５から排出しながらエアを適切に抜くことができるから、その後の水位調整制御（給水制御）において所定水位まで改質水を精度よく供給することができる。

【0049】

また、起動時着火制御では、温度Ｔ１が規定温度（所定温度）Ｔｒｅｆ１以上と判定した場合に、改質水流量センサ４７の検出精度不良と判定して異常停止するから、検出精度不良を速やかに把握してシステム保護を図ることができる。

【0050】

また、作動停止時排水制御において、排水処理後に排水弁４５を閉弁して改質水ポンプ４３を排水確認用に駆動させ、改質水流量センサ４７の検出流量ありの場合に排水（水抜き）不良と判定して異常停止するから、排水弁４５の不良を速やかに把握してシステム保護を図ることができる。

【0051】

上述した実施形態では、Ｙ字継手４４を備えたが、これに限られず、Ｔ字継手など、排水弁４５と改質水ポンプ４３と改質水流量センサ４７とを接続する三方継手を備えるものであればよい。また、樹脂やフレキシブルチューブなどに限られず、金属材料で形成されていてもよい。あるいは、三方継手に限られず、排水弁４５を改質水ポンプ４３と改質水流量センサ４７との間に接続するものであればよい。

【0052】

実施形態では、作動停止時排水制御において、排水処理後に排水を確認する処理を毎回行うものとしたが、これに限られず、排水を確認する処理を所定回数毎に行ってもよいし所定期間経過毎に行ってもよい。あるいは、排水処理後に排水を確認する処理を行わなくてもよい。なお、排水正常を確認した後に再度排水弁４５を所定時間開弁することで、確認用に改質水ポンプ４３を駆動した際に吐出された改質水を排出してもよい。

【0053】

実施形態では、起動時着火制御において、温度センサ９１により検出された温度Ｔ１に基づいて高温異常を判定したが、これに限られず、温度センサ９４により検出された温度Ｔ４など燃焼部２５の温度に相関する温度に基づいて高温異常を判定すればよい。あるいは、高温異常の判定を省略してもよいが、システム保護のため判定するものが好ましい。

【0054】

実施形態では、起動時水位調整制御において、先に排水制御（エア抜き）を行ってから所定水位まで給水制御を行ったが、これに限られず、排水制御を省略して所定水位まで給水制御を行ってもよい。例えば、システム停止時の排水制御において、排水を確認する処理を省略した場合、次のシステム起動時の水位調整制御では排水制御を省略してもよい。

【0055】

実施形態では、改質水流量センサ４７の下流に設けられたオリフィス４８を備えたが、これに限られず、オリフィス４８を備えなくてもよい。

【0056】

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック２１が「燃料電池」に相当し、改質器２３が「改質器」に相当し、改質水タンク４２が「水タンク」に相当し、改質水供給管４１が「供給管」に相当し、改質水ポンプ４３が「水ポンプ」に相当し、改質水流量センサ４７が「流量センサ」に相当し、排水弁４５が「排水弁」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。オリフィス４８が「オリフィス」に相当する。Ｙ字継手４４が「Ｙ字継手」に相当する。燃焼部２５が「燃焼部」に相当し、温度センサ９１が「温度センサ」に相当する。

【0057】

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行われるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

【0058】

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0059】

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0060】

１ 原燃料供給源、２ 電力系統、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、１２ 筐体、１２ａ 吸気口、１２ｂ 排気口、１４ 換気ファン、２０ 発電モジュール、２１ 燃料電池スタック、２２ 気化器、２３ 改質器、２４ マニホールド、２５ 燃焼部、２６ 着火ヒータ、２７ 燃焼触媒、２８ 触媒ヒータ、２９ モジュールケース、３０ 原燃料ガス供給装置、３１ 原燃料ガス供給管、３２，３３ 開閉弁、３４ オリフィス、３５ ガスポンプ、３６ 脱硫器、３７ 圧力センサ、３８ ガス流量センサ、４０ 改質水供給装置、４１ 改質水供給管、４２ 改質水タンク、４３ 改質水ポンプ、４４ Ｙ字継手、４４ａ 主管、４４ｂ，４４ｃ 分岐管、４５ 排水弁、４７ 改質水流量センサ、４８ オリフィス、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ エアポンプ、６０ 排熱回収装置、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 貯湯タンク、６４ 循環ポンプ、６６ 凝縮水排出管、６７ 燃焼排ガス排出管、７０ パワーコンディショナ、７２ 電源基板、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８４ タイマ、９１，９４，９８ 温度センサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】