特許 7484351 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】

(24)【登録日】2024-05-08

(45)【発行日】2024-05-16

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04313 20160101AFI20240509BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240509BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04313

H01M8/0432

H01M8/04694

H01M8/04746

H01M8/04858

H01M8/0612

H01M8/12 101

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020066500

(22)【出願日】2020-04-02

(65)【公開番号】P2021163686

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-02-27

(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】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】後藤 俊介

(72)【発明者】

【氏名】上山 浩司

(72)【発明者】

【氏名】安岐 拓哉

(72)【発明者】

【氏名】市川 正樹

(72)【発明者】

【氏名】守谷 憲造

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 直樹

(72)【発明者】

【氏名】福島 彰

【審査官】藤森 一真

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０７３９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２１６２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８９２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０４７４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１１４０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２３４８６９（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】

燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
水タンク内に貯留されている改質水を前記蒸発部へ供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電に伴って生成される排気から水分を凝縮させて凝縮水を生成すると共に生成した凝縮水を前記水タンクに供給する凝縮部と、
前記燃料電池の温度が第１所定温度以上であり且つ前記水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、前記燃料電池の発電出力を下げ、前記酸化剤ガスの供給量が所定量以上となるまでは、前記酸化剤ガスの供給量が増量し、前記酸化剤ガスの供給量が前記所定量以上となると、前記改質水の供給量が増量するよう前記酸化剤ガス供給装置と前記改質水供給装置とを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記蒸発部への改質水の供給量を増量するに際して、所定時間ごとに所定量ずつ増量す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、
前記制御装置は、前記酸化剤ガスの供給量が前記所定量以上となると、前記蒸発部の温度が第２所定温度未満となるか前記改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまで、前記改質水の供給量が増量するよう前記改質水供給装置を制御する、
燃料電池システム。

【請求項3】

燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
水タンク内に貯留されている改質水を前記蒸発部へ供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電に伴って生成される排気から水分を凝縮させて凝縮水を生成すると共に生成した凝縮水を前記水タンクに供給する凝縮部と、
前記燃料電池の温度が第１所定温度以上であり且つ前記水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、前記燃料電池の発電出力を下げ、前記蒸発部の温度が第２所定温度未満となるか前記改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまでは、前記改質水の供給量が増量し、前記蒸発部の温度が前記第２所定温度未満となるか前記スチームカーボン比が前記所定比よりも大きくなると、前記酸化剤ガスの供給量が増量するよう前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
を備える燃料電池システム。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記蒸発部への改質水の供給量を増量するに際して、所定時間ごとに所定量ずつ増量する、
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、原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガスおよび空気（酸化材）の電気化学反応によって発電する燃料電池（固体酸化物形燃料電池）と、空気を燃料電池に送給する送風手段と、を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の作動温度が制限温度を超えないように送風手段を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、燃料電池の作動温度が制限温度を超えないようにすることで、燃料電池の劣化の進行を抑制し、燃料電池の寿命を延ばすことができるとしている。

【0003】

また、原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、燃料電池の排ガス中の水蒸気から水（凝縮水）を回収する凝縮器と、凝縮水を貯める水タンクと、を備え、水タンク内の水を改質用水蒸気に再利用する燃料電池システムにおいて、水タンクの水位が予め定めた設定水位よりも低いときには、燃料電池のカソードへの空気の供給量を減らし、水タンクの水位が設定水位よりも高いときには、カソードへの空気の供給量を増やすものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。このシステムでは、水タンクの水位が設定水位未満になったときには、空気の供給量を規定値よりも減少させることで、空気利用率を大きくし、燃料電池からの排気ガス量を少なくする。これにより、水タンクに回収される水量を増やして、水タンクの水位を上昇させることができ、外部からの水を補給しない運転（水自立運転）を安定して継続することができるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－１１４０００号公報

【文献】特開２００８－２３４８６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１記載の燃料電池システムでは、燃料電池の温度を低下させるために燃料電池に供給する空気を増やすと、燃料電池からの排気ガス量が増えるため、水タンクに回収される水量が少なくなり、水自立運転を継続することができなくなるおそれが生じる。一方、特許文献２記載の燃料電池システムでは、水タンクの水位が設定水位よりも低いときに、燃料電池（カソード）に供給する空気の供給量を減らすため、水タンクに回収される水量は増えて水自立運転の継続は可能となるものの、燃料電池の温度上昇を招き、燃料電池の劣化を進行させるおそれが生じる。

【0006】

本発明の燃料電池システムは、水自立運転を継続しつつ、燃料電池の高温化による劣化を抑制することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0008】

本発明の第１の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
水タンク内に貯留されている改質水を前記蒸発部へ供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電に伴って生成される排気から水分を凝縮させて凝縮水を生成すると共に生成した凝縮水を前記水タンクに供給する凝縮部と、
前記燃料電池の温度が第１所定温度以上であり且つ前記水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、前記燃料電池の発電出力を下げ、前記酸化剤ガスの供給量が所定量以上となるまでは、前記酸化剤ガスの供給量が増量し、前記酸化剤ガスの供給量が前記所定量以上となると、前記改質水の供給量が増量するよう前記酸化剤ガス供給装置と前記改質水供給装置とを制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。

【0009】

この本発明の第１の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が第１所定温度以上であり且つ水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、燃料電池の発電出力を下げ、酸化剤ガスの供給量が所定量以上となるまでは、酸化剤ガスの供給量が増量し、酸化剤ガスの供給量が所定量以上となると、改質水の供給量が増量するよう酸化剤ガス供給装置と改質水供給装置とを制御する。すなわち、まず、酸化剤ガスの供給量の増量（発電に寄与しない余剰の酸化剤ガスの供給）により燃料電池の温度上昇を抑制しつつ、酸化剤ガスの供給量が所定量以上となって、水自立運転の継続が困難となると、改質水の供給量を増量し、蒸発部において改質水が蒸発する際の気化潜熱により燃料電池の温度上昇を抑制するのである。この結果、水自立運転を継続しつつ、燃料電池の高温化による劣化を抑制することができる燃料電池システムとすることができる。

【0010】

こうした本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記酸化剤ガスの供給量が前記所定量以上となると、前記蒸発部の温度が第２所定温度未満となるか前記改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまで、前記改質水の供給量が増量するよう前記改質水供給装置を制御するものとしてもよい。こうすれば、蒸発部において水蒸気が適正に生成される範囲内で改質水の供給量を増量させることができる。すなわち、蒸発部において改質水を蒸発させるための熱量が不足することにより十分な水蒸気が生成されず、水蒸気改質が適正に行なわれなくなったり、水蒸気が過剰に生成されることにより水蒸気分圧が過大となることで燃料電池が劣化したりするのを抑制することができる。

【0011】

本発明の第２の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
水蒸気を用いて原燃料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質部と、
改質水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発部と、
水タンク内に貯留されている改質水を前記蒸発部へ供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の発電に伴って生成される排気から水分を凝縮させて凝縮水を生成すると共に生成した凝縮水を前記水タンクに供給する凝縮部と、
前記燃料電池の温度が第１所定温度以上であり且つ前記水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、前記燃料電池の発電出力を下げ、前記蒸発部の温度が第２所定温度未満となるか前記改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまでは、前記改質水の供給量が増量し、前記蒸発部の温度が前記第２所定温度未満となるか前記スチームカーボン比が前記所定比よりも大きくなると、前記酸化剤ガスの供給量が増量するよう前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。

【0012】

この本発明の第２の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が第１所定温度以上であり且つ水タンク内に貯留されている改質水の水量が所定水量未満であるときには、燃料電池の発電出力を下げ、蒸発部の温度が第２所定温度未満となるか改質部におけるスチームカーボン比が所定比よりも大きくなるまでは、改質水の供給量が増量し、蒸発部の温度が第２所定温度未満となるかスチームカーボン比が所定比よりも大きくなると、酸化剤ガスの供給量が増量するよう改質水供給装置と酸化剤ガス供給装置とを制御する。すなわち、まず、蒸発部において水蒸気が適正に生成される範囲内で改質水の供給量を増量して燃料電池の温度上昇を抑制し、適正範囲での改質水の供給が困難となると、酸化剤ガスの供給量を増量（発電に寄与しない余剰の酸化剤ガスの供給）させることで燃料電池の温度上昇を抑制するのである。この結果、水自立運転を継続しつつ、燃料電池の高温化による劣化を抑制することができる燃料電池システムとすることができる。

【0013】

本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記蒸発部への改質水の供給量を増量するに際して、所定時間ごとに所定量ずつ増量するものとしてもよい。こうすれば、改質水の増量によって燃料電池が温度低下するまでの応答遅れを考慮して、改質水を増量することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態の燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。

【図2】電池温度制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【図3】第１実施形態の供給切替処理の一例を示すフローチャートである。

【図4】第２実施形態の供給切替処理の一例を示すフローチャートである。

【図5】第３実施形態の供給切替処理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】

【0015】

本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

【0016】

図１は、燃料電池システムの概略構成図である。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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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、モジュールケース２９に接触するように設置されている。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）を検出する流量センサ３８が設置されている。

【0025】

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と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に組み込まれた改質水ポンプ４３とを有する。改質水タンク４２内の改質水は、改質水ポンプ４３を作動させることで、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。改質水タンク４２内には、貯留されている改質水を精製する図示しない水精製器が設置されている。また、改質水タンク４２には、貯留されている改質水の水位を検出するための水位センサ４４（例えば、フロートスイッチ）が設置されている。

【0026】

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。

【0027】

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。また、排熱回収装置６０は、図示しないが、循環配管６１に組み込まれたラジエータと、ラジエータに空気を送り込むラジエータファン（電動ファン）と、発電モジュール３０からの余剰の電力を消費して循環配管６１内の湯水を加熱する電気ヒータ（例えば、セラミックヒータ）と、電気ヒータにより加熱された湯水の温度を検出するサーミスタ（温度センサ）も有する。

【0028】

また、排熱回収装置６０の熱交換器６２は、配管６６を介して改質水タンク４２と接続されており、湯水との熱交換によ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、当該配管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。

【0029】

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。

【0030】

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、エアポンプ５３、循環ポンプ６４などを挙げることができる。

【0031】

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、計時を行なうタイマ８４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や流量センサ３８、水位センサ４４、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、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。

【0032】

次に、こうして構成された本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。本実施形態では、システムに要求される要求発電出力に応じた目標電流Ｉｔａｇが燃料電池スタック２１から出力されるよう原燃料ガス、改質水およびエア（空気）の供給量を制御する。原燃料ガスの供給量の制御は、目標電流Ｉｔａｇに応じたガス流量を燃料利用率Ｕｆに基づいて増加側に補正した目標ガス流量Ｑｇｔａｇを設定し、流量センサ３８により検出されるガス流量Ｑｇが設定した目標ガス流量Ｑｇｔａｇに一致するようガスポンプ３５を制御することにより行なわれる。改質水の供給量の制御は、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣ（原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比）が予め定められた目標比ＳＣｔａｇに一致するよう目標改質水流量Ｑｗｔａｇを設定し、設定した目標改質水流量Ｑｗｔａｇの改質水が供給されるよう改質水ポンプ４３を制御することにより行なわれる。エアの供給量の制御は、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が予め定められた目標温度Ｔ４ｔａｇに一致するようフィードバック制御により目標エア流量Ｑａｔａｇを設定し、設定した目標エア流量Ｑａｔａｇのエアが供給されるようエアポンプ５３を制御することにより行なわれる。

【0033】

次に、燃料電池スタック２１の温度を適正範囲内に維持（調整）する際の動作について説明する。図２は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される電池温度制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。

【0034】

電池温度制御ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、温度センサ９４からの水温Ｔ４や、水位センサ４４からの水位Ｌｗなどの制御に必要なデータを入力する（ステップＳ１００）。続いて、実行フラグＦが値０であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、実行フラグＦは、後述する供給切替処理が実行中であるか否かを示すものであり、値０であれば供給切替処理が実行中でないことを示し、値１であれば供給切替処理が実行中であることを示す。実行フラグＦが値０であると判定すると、温度Ｔ４が所定温度Ｔｒｅｆ（例えば、目標温度Ｔ４ｔａｇよりも若干高い温度）以上であるか否か（ステップＳ１２０）、水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ（例えば、改質水タンク４２の上限水位よりも若干低い水位）未満であるか否か（ステップＳ１３０）、をそれぞれ判定する。すなわち、燃料電池スタック２１の温度が上がり、改質水タンク４２内の改質水の水量が減ってきているかを判定する。温度Ｔ４が所定温度Ｔｒｅｆ以上でないと判定すると、そのまま電池温度制御ルーチンを終了し、温度Ｔ４が所定温度Ｔｒｅｆ以上であると判定すると共に水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ未満でないと判定すると、燃料電池スタック２１の温度上昇がエア（空気）により抑制されるよう燃料電池スタック２１へのエアの供給量を増量して（ステップＳ１４０）、電池温度制御ルーチンを終了する。本実施形態では、エアの供給量の制御は、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４が目標温度Ｔ４ｔａｇに一致するようフィードバック制御により目標エア流量Ｑａｔａｇを設定することにより行なわれるため、温度Ｔ４が所定温度Ｔｒｅｆ以上であるときには、当該フィードバック制御が作用することでエアの供給量が増量されることになる。

【0035】

一方、温度Ｔ４が所定温度Ｔｅｒｆ以上であると判定すると共に水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ未満であると判定すると、燃料電池スタック２１の発熱量を減らすために燃料電池スタック２１の発電出力を低下させ（ステップＳ１５０）、実行フラグＦに値１を設定すると共に（ステップＳ１６０）、外部から改質水タンク４２に水を補給することなく運転する水自立運転を維持しつつ燃料電池スタック２１の温度上昇が抑制されるよう改質水の供給とエアの供給とを切り替える供給切替処理を実行して（ステップＳ１７０）、電池温度制御ルーチンを終了する。

【0036】

ここで、燃料電池スタック２１へのエアの供給量が増量されると、燃焼部２５において生成される燃料排ガスも増量し、排ガス（湿度１００％のガス）として大気中に持ち去られる水量が増えることで、投入した改質水の水量よりも大気中に持ち去られる水量の方が多くなり、改質水タンク４２内の改質水の水量は低下する。このため、燃料電池スタック２１の温度を所定温度Ｔｒｅｆ未満とするためにエアの供給量の増量を長時間に亘って継続すると、改質水タンク４２内の改質水が不足し、水自立運転が継続できなくなるおそれがある。そこで、本実施形態では、温度Ｔ４が所定温度Ｔｅｒｆ以上であり且つ水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ未満であるときには、燃料電池スタック２１の発電出力を低下させてその発熱量を減らした上で、それでも燃料電池スタック２１の温度が高くなる場合には、供給切替処理を実行することにより、水自立運転を継続しつつ燃料電池スタック２１の温度上昇を抑制するものとした。供給切替処理の詳細については後述する。

【0037】

供給切替処理を実行した後、次の制御周期において電池温度制御ルーチンが実行されると、ステップＳ１１０において実行フラグＦが値１であると判定されるため、温度Ｔ４が所定温度Ｔｒｅｆ未満であるか否か（ステップＳ１８０）、水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ以上であるか否か（ステップＳ１９０）、をそれぞれ判定する。すなわち、燃料電池スタック２１の温度が下がり、改質水タンク４２内の改質水の水量が回復したか否かを判定する。なお、ステップＳ１８０で用いる所定温度は、ステップＳ１２０で用いる所定温度よりも低い温度に定められてもよい。温度Ｔ４が所定温度Ｔｒｅｆ未満でないと判定したり、水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ以上でないと判定すると、供給切替処理を継続して（ステップＳ１７０）、電池温度制御ルーチンを終了する。一方、温度Ｔ４が所定温度Ｔｒｅｆ未満であると判定すると共に水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ以上であると判定すると、その状態が所定時間継続したか否かをタイマ８４により判定し（ステップＳ２１０）、所定時間継続していなければ、供給切替処理を継続して（ステップＳ１７０）、電池温度制御ルーチンを終了し、所定時間継続したと判定すると、燃料電池スタック２１の発電出力を復帰させると共に（ステップＳ２１０）、実行フラグＦに値０を設定して（ステップＳ２２０）、電池温度制御ルーチンを終了する。

【0038】

図３は、第１実施形態の供給切替処理の一例を示すフローチャートである。第１実施形態の供給切替処理では、ＣＰＵ８１は、まず、エアポンプ５３から供給されるエアの流量（エア流量Ｑａ）を入力する（ステップＳ３００）。本実施形態の燃料電池システム１０では、エア供給装置５０には、エア供給管５１を流れるエアの流量を検出する流量センサを備えていないため、ステップＳ３００の処理は、エアポンプ５３の目標エア流量Ｑａｔａｇをエア流量Ｑａとして入力することにより行なう。勿論、エア供給装置５０に流量センサを備えている場合には、当該流量センサにより検出される流量をエア流量Ｑａとして入力してもよい。

【0039】

続いて、入力したエア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１０）。ここで、所定流量Ｑａｒｅｆは、排ガスとして大気中に持ち去られる水量が投入される改質水の水量以上となるか否かを判定するための閾値であり、予め実験的に求めた流量が定められる。したがって、ステップＳ３１０の判定は、これ以上、エアの供給量を増量した状態を継続すると、水自立運転の継続が困難となるか否かを判定するものと言える。エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｅｒｆ以上でないと判定すると、エアの供給量を増量して（ステップＳ３２０）、供給切替処理を終了する。なお、エアの供給量の増量は、上述した電池温度制御ルーチンのステップＳ１４０と同様に、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４を目標温度Ｔ４ｔａｇに一致させるためのフィードバック制御の作用による。供給切替処理を終了すると、電池温度制御ルーチンに戻り、電池温度制御ルーチンを終了する。

【0040】

一方、エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上であると判定すると、改質水の供給量の増量が初回である（前回に実行された供給切替処理のステップＳ３１０においてエア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上でないと判定された）か否かを判定し（ステップＳ３３０）、初回であれば、改質水の供給量を所定量だけ増量して（ステップＳ３５０）、供給切替処理を終了する。改質水の供給量の増量は、前回の目標改質水流量Ｑｗｔａｇに予め定められた所定量ΔＱｗを加えることで新たな目標改質水流量Ｑｗｔａｇを設定し、設定した新たな目標改質水流量Ｑｗｔａｇで改質水ポンプ４３を制御することにより行なわれる。これにより、燃料電池スタック２１は、気化器２２において改質水が気化する際の気化潜熱によって温度上昇が抑制されることになる。供給切替処理を終了すると、電池温度制御ルーチンに戻り、電池温度制御ルーチンを終了する。そして、次の制御周期で実行される電池温度制御ルーチンにおいて引き続き供給切替処理が実行されると、ステップＳ３３０において初回でないと判定され、次に、前回の増量から所定時間が経過したか否かをタイマ８４により判定する（ステップＳ３４０）。前回の増量から所定時間が経過していないと判定すると、そのまま供給切替処理を終了し、前回の増量から所定時間が経過したと判定すると、再度、改質水の流量を所定量だけ増量して（ステップＳ３５０）、供給切替処理を終了する。すなわち、第１実施形態では、エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上であるときに、改質水の供給量を所定時間が経過する度に所定量ずつ増量する。こうするのは、改質水の供給量を増量してから燃料電池スタック２１が温度低下するまでに比較的長い応答遅れが生じるから、この応答遅れ時間を考慮したものである。

【0041】

このように、第１実施形態では、温度Ｔ４が所定温度Ｔｅｒｆ以上であり且つ水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ未満であるときには、燃料電池スタック２１の発電出力を下げた上で、エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上となるまでは、エアの供給量を増量し、エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上となった後は、改質水の供給量を増量する。これにより、エアの供給と改質水の供給とを切り替えることで水自立運転を継続しつつ燃料電池スタック２１の温度上昇を抑制することができる。また、水自立運転を継続することができるよう改質水タンク４２の水位を管理することで、熱交換器６２にて燃焼排ガス中の水蒸気の凝縮を促進させるためのラジエータやラジエータファンをより小型化することもできる。

【0042】

図４は、第２実施形態の供給切替処理の一例を示すフローチャートである。第２実施形態の供給切替処理では、ＣＰＵ８１は、まず、温度センサ９１により検出される温度Ｔ１（気化器２２の温度）を入力し（ステップＳ４００）、入力した温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ｒｅｆ以上であるか否か（ステップＳ４１０）、現在のスチームカーボン比ＳＣ（目標比ＳＣｔａｇ）が所定比ＳＣｒｅｆ以下であるか否か（ステップＳ４２０）、をそれぞれ判定する。ここで、所定温度Ｔ１ｒｅｆは、気化器２２において改質水を適正に気化させることができる温度範囲における下限温度近傍に定められる。また、所定比ＳＣｒｅｆは、改質器２３において水蒸気改質を適正に行なうことができるスチームカーボン比の範囲における上限比近傍に定められる。温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ｒｅｆ以上であると判定すると共に現在のスチームカーボン比ＳＣが所定比ＳＣｒｅｆ以下であると判定すると、改質水の増量が初回であるか否かを判定し（ステップＳ４３０）、初回であれば、改質水の供給量を所定量だけ増量して（ステップＳ４５０）、供給切替処理を終了する。一方、初回でなければ、前回の増量から所定時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ４４０）、所定時間が経過していないと判定すると、そのまま供給切替処理を終了し、所定時間が経過したと判定すると、再度、改質水の供給量を所定量だけ増量して（ステップＳ４５０）、供給切替処理を終了する。すなわち、第２実施形態では、温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ｒｅｆ以上であり且つスチームカーボン比ＳＣが所定比ＳＣｒｅｆ以下であるときに、改質水の供給量を所定時間が経過する度に所定量ずつ増量する。

【0043】

一方、温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ｒｅｆ以上でないときには、これ以上改質水を増量すると、気化器２２において改質水を適正に気化させることができず、現在のスチームカーボン比ＳＣが所定比ＳＣｒｅｆ以下でないときには、これ以上改質水を増量すると、気化器２２において水蒸気が過剰に生成され水蒸気分圧が過大となることで燃料電池スタック２１を劣化させるおそれがあると判断し、改質水の供給に代えてエアの供給によって燃料電池スタック２１の温度上昇が抑制されるようにエアの供給量を増量して（ステップＳ４６０）、供給切替処理を終了する。なお、エアの供給量の増量は、上述した電池温度制御ルーチンのステップＳ１４０と同様に、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４を目標温度Ｔ４ｔａｇに一致させるためのフィードバック制御の作用による。

【0044】

このように、第２実施形態では、温度Ｔ４が所定温度Ｔｅｒｆ以上であり且つ水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ未満であるときには、燃料電池スタック２１の発電出力を下げた上で、温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ｒｅｆ未満となるかスチームカーボン比ＳＣ（目標比ＳＣｔａｇ）が所定比ＳＣｒｅｆよりも大きくなるまでは、改質水の供給量を増量し、温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ｒｅｆ未満となったりスチームカーボン比ＳＣ（目標比ＳＣｔａｇ）が所定比ＳＣｒｅｆよりも大きくなったりした後は、エアの供給量を増量する。これにより、エアの供給と改質水の供給とを切り替えることで水自立運転を継続しつつ燃料電池スタック２１の温度上昇を抑制することができる。

【0045】

図５は、第３実施形態の供給切替処理の一例を示すフローチャートである。第３実施形態の供給切替処理では、ＣＰＵ８１は、まず、エアポンプ５３から供給されるエアの流量（エア流量Ｑａ）と温度センサ９１により検出される温度Ｔ１とを入力する（ステップＳ５００）。続いて、入力したエア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ５１０）。なお、所定流量Ｑａｒｅｆについては上述した。エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｅｒｆ以上でないと判定すると、エアの供給量を増量して（ステップＳ５２０）、供給切替処理を終了する。なお、エアの供給量の増量は、上述した電池温度制御ルーチンのステップＳ１４０と同様に、温度センサ９４により検出される温度Ｔ４を目標温度Ｔ４ｔａｇに一致させるためのフィードバック制御の作用による。供給切替処理を終了すると、電池温度制御ルーチンに戻り、電池温度制御ルーチンを終了する。

【0046】

一方、エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上であると判定すると、入力した温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ｒｅｆ以上であるか否か（ステップＳ５３０）、現在のスチームカーボン比ＳＣ（目標比ＳＣｔａｇ）が所定比ＳＣｒｅｆ以下であるか否か（ステップＳ５４０）、をそれぞれ判定する。なお、所定温度Ｔ１ｒｅｆや所定比ＳＣｒｅｆについては上述した。温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ｒｅｆ以上であると判定すると共に現在のスチームカーボン比ＳＣが所定比ＳＣｒｅｆ以下であると判定すると、改質水の増量が初回であるか否かを判定し（ステップＳ５５０）、初回であれば、改質水の供給量を所定量だけ増量して（ステップＳ５７０）、供給切替処理を終了する。一方、初回でなければ、前回の増量から所定時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ５６０）、所定時間が経過していないと判定すると、そのまま供給切替処理を終了し、所定時間が経過したと判定すると、再度、改質水の供給量を所定量だけ増量して（ステップＳ５７０）、供給切替処理を終了する。

【0047】

このように、第３実施形態では、温度Ｔ４が所定温度Ｔｅｒｆ以上であり且つ水位Ｌｗが所定水位Ｌｒｅｆ未満であるときには、燃料電池スタック２１の発電出力を下げた上で、エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上となるまでは、エアの供給量を増量し、エア流量Ｑａが所定流量Ｑａｒｅｆ以上となった後は、温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ｒｅｆ未満となるかスチームカーボン比ＳＣ（目標比ＳＣｔａｇ）が所定比ＳＣｒｅｆよりも大きくなるまで改質水の供給量を増量する。これにより、エアの供給と改質水の供給とを切り替えることで水自立運転を継続しつつ燃料電池スタック２１の温度上昇を抑制することができる。

【0048】

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「改質部」に相当し、気化器２２が「蒸発部」に相当し、改質水供給装置４０が「改質水供給装置」に相当し、エア供給装置５０が「酸化剤ガス供給装置」に相当し、熱交換器６２が「凝縮部」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。

【0049】

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な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。

【0050】

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】

【0051】

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】

【0052】

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 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、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 配管、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】