JP6569256B2

JP6569256B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6569256B2
Application number: JP2015057580A
Authority: JP
Inventors: 隆夫福水; 俊介後藤; 吾朗鈴木; 山▲崎▼　史朗; 史朗山▲崎▼
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: EP3070774B1; EP3070774A1; JP2016177998A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、供給される燃料と改質水から生成された改質ガスと、酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、燃料と改質水から前記改質ガスを生成して前記燃料電池に供給する改質部と、前記改質水を収容する貯水器と、前記改質部および前記燃料電池を流通する改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮した凝縮水を前記貯水器に供給する凝縮器と、高圧給水源に接続され前記貯水器に水を補給する給水管と、前記給水管に設けられ該給水管を開閉する給水弁と、前記貯水器に貯えられた改質水の水位の上限と下限とを検出する水位センサと、前記貯水器の水位が前記下限以下となった場合は、前記給水弁を作動させて給水を開始し、前記貯水器の水位が前記上限以上となった場合に、前記給水弁の作動を停止して、前記貯水器の水位の下限と上限との間を正常レベルとして、燃料電池の出力を定常状態に制御する定常運転を行っていた。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００８−９８０３６公報

しかしながら、この様な、貯水器の水位の下限と上限との間を正常レベルとして、燃料電池の出力を定常状態に制御する定常運転を行う燃料電池システムでは、貯水器の水位が、正常レベルの下限よりも低下すると、燃料電池システムを停止しなければならない。再度、燃料システムの運転を再開するには、別途、貯水器に水を補給する必要があり、保守が面倒であった。

そこで、本発明は、貯水器の水位が正常レベルの下限よりも下がっても、貯水器に水を別途補給することなく、燃料電池システムの発電を継続できる燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る燃燃料電池システムは、改質ガスおよび酸化剤ガスを供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料と改質水から前記改質ガスを生成して前記燃料電池に供給する改質部と、前記改質水を収容し、容量を超えるとオーバフロー位置から溢れさせる貯水器と、前記改質部および前記燃料電池を流通する前記改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮した凝縮水を前記貯水器に供給する凝縮器と、高圧給水源に接続され、イオン成分を除去する水精製器を介して前記貯水器に水道水を補給する給水管と、前記給水管に設けられ該給水管を開閉する給水弁と、吸込口が前記貯水器の底部に配設され、吐出口が前記改質部に連通されたポンプと、前記貯水器に貯えられた前記改質水の水位が前記ポンプによる前記改質部への汲み上げが困難になる異常レベルを検出する低位置検出センサと、前記貯水器に貯えられた前記改質水の水位が前記オーバフロー位置と前記異常レベルとの間の高位置を越えた正常レベルを検出する高位置検出センサと、前記高位置検出センサが前記正常レベルを検出しているときは前記水位が正常範囲にあると判定し、前記燃料電池の出力を定常状態に制御し、前記低位置検出センサが前記異常レベルを検出せず、かつ前記高位置検出センサが前記正常レベルを検出しないときは前記水位が出力制限範囲にあると判定し、前記燃料電池の出力を低下させる制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記燃料電池システムを設置する場合、前記燃料電池の起動前に、前記給水弁を開けて前記水道水を前記貯水器に注入することにより前記貯水器に前記改質水を収容し、前記貯水器に前記正常範囲で収容される前記改質水の量を、前記燃料電池が１回起動して停止した後再起動するに必要な量に相当する第１所定量とすることを要旨とする。

これによれば、貯水器の水位が正常レベルよりも低下した場合でも即ち出力制限範囲にある場合、燃料電池システムは運転を停止することなく、燃料電池の出力を低下して、燃料電池の発電を継続できる。また、燃料電池が出力を低下して発電している場合では、貯水器には燃料電池の発電における電気化学反応にて発生する水に加え凝縮器からの凝縮水を供給できるので、貯水器に改質水を別途補給する必要がなく、保守容易となる。また、燃料電池が出力を低下して発電している場合にも、出力を制限していない定常運転にて発電している場合と同様に、燃料電池の発電における電気化学反応にて発生する水に加え凝縮器から供給される凝縮水により、貯水器の改質水は、増えることが可能であるため、貯水器に別途水を補給することなく、貯水器の改質水の水位を出力制限範囲から正常レベルに復帰可能である。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの概要図である。図１に示す貯水器の水位を説明する図である。図１に示す制御装置にて実行される貯水器の水張りを行う制御プログラムのフローチャートである。図１に示す制御装置にて実行される貯水器の水位異常をモニターする制御プログラムのフローチャートである。

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説明する。図１に示すように、燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、筐体１０ａの内部には燃料電池モジュール１１、熱交換器１２（凝縮器に相当する）、インバータ装置１３、貯水器１４、制御装置１５及び貯湯槽２１を備えている。

燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水および酸化剤ガスとして空気であるカソードエアが供給されている。改質用原料としては天然ガス、ＬＰ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。本実施形態においては天然ガスにて説明する。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓ例えば都市ガス（天然ガス）のガス供給管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。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が貯水器１４に接続されて改質水が供給される改質水供給管１１ｂの他端が接続されている。改質水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ２（ポンプに相当する）が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

熱交換器１２（凝縮器に相当する）は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガス（後述する改質部３３にて生成された改質ガスに含まれる水蒸気を含む）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。具体的には、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、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａ、ラジエータ２２ｂおよび熱交換器１２が配設されている。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、貯水器１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。

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凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通り、そして、後述するように燃焼排ガス用排気口１０ｅから筐体１０ａの外部へ排出される。また、凝縮された凝縮水は、後述する電気化学反応にて燃料電池３４内に生じた水とともに熱交換器１２から凝縮水供給管１２ａを通って貯水器１４に供給される。なお、貯水器１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

燃料電池システムは、熱交換器１２にて生じた凝縮水が供給された貯水器１４から溢れ出た水は、オーバーフローライン１４ａを介して水受け部材１４ｂにて受け止められ、排水管１４ｃから、筐体１０ａの外部に排水される。

排気管１１ｄは、熱交換器１２の下流側から分岐して水受け部材１４ｂに連通するドレン管路１２ｂが設けられている。

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。

インバータ装置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。また、インバータ装置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（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。

燃料電池モジュール１１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。蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。

蒸発部３２には、一端（下端）が貯水器１４に接続された改質水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。

改質部３３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）から水蒸気を含む改質ガス（アノードガス）を生成して改質ガス送出管３８から導出するものである。

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。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。なお、４００℃以下でも定格以下の発電量の発電は、可能である。また、６００℃で発電開始を許可している。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部３３は省略することができる。

セル３４ａの燃料極側には、燃料である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、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送出管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。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアは、カソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの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。

カソードエアブロワ１１ｃ１は、電気モータ１１ｃ２により駆動されるもので、電気モータ１１ｃ２の駆動デューティは、制御装置１５にて演算される。カソードエア供給管１１ｃのカソードエアブロワ１１ｃ１の下流側に設けられた流量センサ１１ｃ３は、カソードエアブロワ１１ｃ１が吐出するカソードエア流量を検出する。流量センサ１１ｃ３は、その検出結果を制御装置１５に送信するようになっている。

燃料電池３４においては、燃料極に供給された燃料である改質ガスと空気極に供給された酸化剤ガスであるカソードエアによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す電気化学反応が生じ、空気極では、下記化３に示す電気化学反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路３４ｂおよび空気流路３４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）および酸化剤ガス（空気、カソードオフエア）が導出する。下記化１に示す電気化学反応にて燃料電池３４内に生じたＨ_２Ｏ（水）は、貯水器１４に、イオン成分を除去可能な水精製器（図示略）を介して、送出される。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。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）が燃料電池３４からのカソードオフエア（酸化剤オフガス）により燃焼されて、燃焼ガス（火炎３７）にて蒸発部３２及び改質部３３を加熱する。さらには、燃料電池モジュール１１内を動作温度に加熱している。

燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。燃焼部３６で生じた燃焼排ガスは、電気化学反応にて燃料電池３４内に生じた水とともに燃料電池モジュール１１から排気管１１ｄ通って熱交換器１２に至る。

燃料電池システムを起動させるときには、制御装置１５は、発電モードに先だって暖機モードを実行する。暖機モードでは、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ１を駆動させて改質用原料を改質用原料供給管１１ａを介して燃料電池モジュール１１の蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を介して燃焼部３６に供給させる。制御装置１５はカソードエアブロワ１１ｃ１も駆動させ、空気流路３４ｃを介して酸化剤ガスである空気（カソードエア）を燃料電池モジュール１１のセル３４ａの空気極を介して燃焼部３６に供給させる。着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が着火すると、燃焼部３６において改質用原料が空気により燃焼する。燃焼部３６における燃焼熱により、改質部３３、蒸発部３２および燃料電池３４が加熱される。さらに改質部３３および蒸発部３２が所定温度以上となると、改質水ポンプ１１ｂ２を駆動し改質部３３での改質反応を開始し、改質ガスとカソードエアが燃焼部３６で燃焼され、燃料電池３４を加熱する。改質部３３、蒸発部３２および燃料電池３４が所定の温度域に加熱されると、制御装置１５は暖機モードを終了させ、発電モードに移行させる。

制御装置１５は改質水ポンプ１１ｂ２を駆動させると、貯水器１４内の改質水は、改質水供給管１１ｂを介して蒸発部３２に供給される。改質水は、蒸発部３２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は、改質用原料供給管１１ａから供給される改質用原料と共に改質部３３に移動する。改質部３３において改質用原料は、水蒸気で改質されて水蒸気を含む改質ガスであるアノードガス（水素含有ガス）となる（吸熱反応）。アノードガスは燃料流路３４ｂを介して燃料電池１のセル３４ａの燃料極に供給される。更にカソードエアブロア１１ｃ１が駆動してカソードエア（空気）が空気流路３４ｃを介してセル３４ａの空気極に供給される。これにより燃料電池１が発電する。

暖機モードおよび発電モードにおいて、燃料電池モジュール１１で発生した高温の燃焼排ガスは、電気化学反応にて燃料電池３４内に生じた水とともに排気管１１ｄを介して凝縮機能をもつ熱交換器１２に排出される。高温の燃焼排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器１２で冷却されるため、凝縮されて凝縮水となり、電気化学反応にて燃料電池３４内に生じた水とともに凝縮水供給管１２ａを経て貯水器１４に供給される。

筐体１０ａには、外気を吸い込むための吸気口１０ｃ、筐体１０ａ内の空気を外部に排出するための換気用排気口１０ｄ、および熱交換器１２からの燃焼排ガスを外部に排出するための燃焼排ガス用排気口１０ｅが形成されている。吸気口１０ｃには、逆止弁５４が設けられている。逆止弁５４は、外部から筐体１０ａ内への空気の流れは許容するが、逆方向の流れを規制するものである。

換気用排気口１０ｄには、換気ファン５５が設けられている。換気ファン５５は筐体１０ａ内の空気（換気排気）を外部に送出するものである。

貯湯槽２１は、図１に示す如く、筐体１０ａの内部に収納されて、高圧給水源Ｓｗ、例えば水道管に減圧弁４１を介して接続された給水管４２から水道水が給水される。給水管４２に設けられた水温計測装置６７例えばサーミスタ等にて、水道水の温度が計測され、制御装置１５に出力される。貯湯槽２１は、前述の貯湯水循環ライン２２による排熱回収にて温められて生成した例えば７０℃に調整された湯を貯める。

貯湯槽２１の湯は、湯供給管６１から混合弁６２に流入する。混合弁６２は、前述の給水管４２と水供給管４２ａを介して接続されている。混合弁６２は、貯湯槽２１から湯供給管６１を介して流入する湯と高圧給水源Ｓｗから給水管４２、水供給管４２ａを介して流入する水との湯／水混合比を調整して、貯湯槽２１の湯の温度よりも低い設定温度例えば３０℃に調整された混合湯を生成する。混合湯は、混合湯供給管６３を介して給湯器Ｗｈの給水側に接続される。給湯器Ｗｓは、混合湯供給管６３から給水された混合湯を直接又は加熱して、給湯栓６９から給湯するものである。

図１に示す如く、給水管４２を混合湯供給管６３に接続するバイパス通路６４には、非通電時には開状態であるノーマルオープンの電磁開閉弁６５が設けられている。電磁開閉弁６５は、例えば混合弁６２又は混合弁の制御系の故障により、湯と水の制御ができなくなって、混合湯供給管６３の混合湯の温度が上昇し予め設定された混合湯上限温度例えば５０℃を越えた場合に、制御装置１５にて開へと切り換えられる。電磁開閉弁６５の開にて給水管４２から水を混合湯供給管６３に導くことにより、混合湯供給管６３における混合湯の温度を下げて、異常高温出湯を防止できる。混合湯の温度は、混合湯供給管６３のバイパス通路５４との合流部よりも下流側に設けられた湯温計測装置６６例えばサーミスタ等にて計測され、制御装置１５へ出力される。

前述の給水管４２は、図１に示す如く、貯湯槽２１との接続部分から分岐して、給水弁４３、水精製器４４を介して、貯水器１４に接続されている。水精製器４４は水道水中のイオン成分を除去可能なイオン交換樹脂を内蔵している。貯水器１４は、給水管４２から、イオン成分を除去された水道水が給水される。貯水器１４には、貯水器１４における改質水の水位を検出する水位計測装置４５が設けられている。

水位計測装置４５は、例えば、フロート式の水位計であり、図２に示す如く、貯水器１４に貯えられた改質水の水位Ｗが改質水ポンプ１１ｂ２による改質部３３への汲み上げが困難になる低位置Ｌ２以下である異常レベルＣ３を検出する低位置検出センサ４５ａと、貯水器１４に貯えられた改質水の水位Ｗがオーバフロー位置Ｌｏと異常レベルＣ３との間の所定の高位置Ｌ１以上である正常レベルＣ１を検出する高位置検出センサ４５ｂとを備える。オーバフロー位置Ｌｏは、貯水器１４に前述のオーバフローライン１４ａの配管が設けられた位置に相当する。

低位置検出センサ４５ａは、貯水器４５の改質水の水位Ｗが、高位置Ｌ１よりも、低い所定の低位置Ｌ２以下即ち改質水の水位Ｗが改質水ポンプ１１ｂ２による改質部３３への汲み上げが困難になる異常レベルＣ３か否かを検出できるものであり、例えば、改質水の水位Ｗが、下降して低位置Ｌ２に到達すると、オフ信号からオン信号に切り換わって、制御装置１５へ出力する。この様に、改質水の水位Ｗが低位置Ｌ２以下の場合には、低位置検出センサ４５ａが、オン信号を出力することにより、改質水の水位Ｗが異常レベルＣ３であることを検出でき、異常範囲Ｃ３と判定される。

高位置検出センサ４５ｂは、貯水器１４の改質水の水位Ｗが、高位置Ｌ１以上である正常レベルＣ１か否かを検出できるものであり、例えば、改質水の水位Ｗが、上昇して高位置Ｌ１に到達すると、オフ信号からオン信号に切り換って、制御装置１５へ出力する。この様に、改質水の水位Ｗが高位置Ｌ１以上の場合には、高位置検出センサ４５ｂが、オン信号を出力することにより、改質水の水位Ｗが正常レベルＣ１であることを検出でき、正常範囲Ｃ１にあると判定される。

低位置検出センサ４５ａが異常レベルＣ３を検出せず、かつ高位置検出センサ４５ｂが正常レベルＣ１を検出しない場合即ち低位置検出センサ４５ａ及び高位置検出センサ４５ｂがオフ信号を出力する場合は、改質水の水位Ｗが出力制限範囲Ｃ２であると判定される。

次に、燃料電池システムを新規に設置する場合又はいままで使用していた燃料電池システムを引越先に設置する場合に、燃料電池システムは、停止されているため、貯水器１４は、改質水がなく空である。燃料電池システムの作動を開始するには、空である貯水器１４へ水道水を給水して、貯水器１４の改質水の水位Ｗが低位置Ｌ２を越え、高位置Ｌ１を越えて、正常レベルＣ１にする貯水器１４の水張りが行う必要がある。

制御装置１５は、貯水器１４の水張りを自動的に行える自動水張りに関し、図示しない起動スイッチがオンされると（あるいはユーザによって予め設定された起動開始時刻となったことにより自動的に起動が開始されると）、図３に示すフローチャートに対応するプログラムの実行を開始する。

ステップＳ１０１において、第１タイマーＴＭ１をスタートさせるとともに給水弁４３を作動させる。これにより、水道水が貯水器１４へ供給されることにより、貯水器１４の水位Ｗは上昇し始める。次いで、制御装置１５は、予め設定された時間ｔ１以内に水位Ｗが低位置Ｌ２に到達した場合には、ステップ１０２において「Ｙｅｓ」と判定し、プログラムをステップＳ１０３に進める。一方、タイマーＴＭ１スタートから時間ｔ１以内に水位Ｗが低位置Ｌ２に到達しなかった場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０２において「Ｎｏ」と判定し、タイマーＴＭ１スタートから時間ｔ１にて給水弁４３の作動停止を行う（ステップＳ１０４）。これにより、自動水張りに異常ありとされて、貯水器１４への水道水の無駄となる給水を抑制することができる。

次いで、制御装置１５は、タイマーＴＭ１スタートから予め設定された時間ｔ２（時間ｔ１よりも長く設定される）以内に水位Ｗが高位置Ｌ１に到達した場合には、ステップ１０３において「Ｙｅｓ」と判定し、プログラムをステップＳ１０５に進め、第２タイマーＴＭ２をスタートさせる。一方、第１タイマーＴＭ１のスタートから時間ｔ２以内に水位Ｗが高位置Ｌ１に到達しなかった場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０３において「Ｎｏ」と判定し、第１タイマーＴＭ１のスタートから時間ｔ２にて給水弁４３の作動停止を行う（ステップＳ１０６）。これにより、自動水張りに異常ありとされて、貯水器１４への水道水の無駄となる給水を抑制することができる。

次いで、制御装置１５は、第２タイマーＴＭ２のスタートから予め設定された所定時間ｔａが経過していない場合にはステップＳ１０７において、「Ｎｏ」と判定し、ステップＳ１０７の処理を繰り返す。制御装置１５は、第２タイマーＴＭ２のスタートから時間ｔａが経過した場合は、「Ｙｅｓ」と判定し、プログラムをステップＳ１０８に進める。ステップ１０８では給水弁４３の作動を第２タイマーＴＭ２のスタートから時間ｔａにて給水弁４３の作動を停止させ、これにより自動水張りが完了する。

制御装置１５は、給水弁４３が作動している間、給水管４２から貯水器１４に給水を開始するに当たって、給水の開始から停止までの間、給水弁４３を間欠的に開閉制御する。給水弁４３が作動している間における開時間及び閉時間は、水道水が水精製器４４に内蔵されたイオン交換樹脂による処理能力を上回ることなく、貯水器１４へスムーズに給水できるように設定される。

貯水器１４の改質水の水位Ｗは、低位置Ｌ２及び高位置水位Ｌ１に基づいて、３つの範囲が設定されており、高位置Ｌ１より高い場合は、正常範囲Ｃ１であり、高位置Ｌ１と低位置Ｌ２との間が出力制限範囲Ｃ２であり、低位置Ｌ２よりも低い場合は、異常範囲Ｃ３に設定されている。

高位置検出センサ４５ｂが、正常レベルＣ１を検出した直後から、給水弁４３を所定時間ｔaだけ開状態として、貯水器１４に水を注入する量は、燃料電池３４の１回の起動、停止がされても起動するに必要な第１所定量Ｖ１に相当するものであり、例えば、７５０ｃｃである。燃料電池３４の１回の起動とは、室温状態から暖気して、燃料電池３４を定格の発電出力が得られる定常運転に到達させることを指す。燃料電池システムに故障又は異常例えば、原料ポンプ１１ａ１が故障して改質用原料の供給が不安定になった場合には、原料ポンプ１１ａ１を点検し修理又は交換のために燃料電池システムを停止する必要がある。燃料電池３４の１回の停止とは、定常運転状態により高温状態にある燃料電池３４が、発電を停止し、全ての機器を停止した停止状態に到達させることを指す。

貯水器１４に出力制限範囲Ｃ２で収容される水は、燃料電池３４の数回例えば２回の停止がされても起動するに必要な第２所定量Ｖ２に相当するものであり、例えば１０５０ｃｃである。

高圧給水源Ｓｗから供給される水例えば水道水は、その静水圧は、一定ではなく、高圧給水源Ｓｗによって異なるものである。従って、給水弁４３の作動時間が同一でも、貯水器１４への給水量に幅が生じることとなる。時間ｔ１は、給水弁４３により、静水圧が低い側でも、水位Ｗが低位置Ｌ２に通常到達できる給水量を供給できる時間に設定される。

時間ｔ２は、給水弁４３により、静水圧が低い側でも、水位Ｗが高位置Ｌ１に通常到達できる給水量を供給できる時間に設定される。

水張り中に貯水器１４の水位Ｗが出力制限レベルＣ２に到達すると、改質水ポンプ１１ｂ２を作動させて貯水器１４の改質水を汲み上げて、燃料電池システムの暖気運転を開始することができる。この場合、時間ｔ２は、改質水ポンプ４３の作動に基づく改質水の使用量を加味して設定する。

燃料電池システムが、定常運転による発電状態にある場合、燃料電池モジュール１１から排気管１１ｄに排出される燃焼排ガスは、高温であり、燃焼排ガスには改質部３３で生成された改質ガスに含まれた水蒸気が含まれている。この様に水蒸気を含む高温の燃焼排ガスは、熱交換器１２で冷却されるため、水蒸気は冷却されて凝縮水となり、凝縮水供給管１２ａを経て、貯水器１４に送出される。

燃料電池３４の発電における電気化学反応にて生じた水に加え熱交換器１２で生成される凝縮水の単位時間当たりの流量をＷ１とし、貯水器１４から蒸発部３２に移行して水蒸気として消費される改質水の単位時間当たりの流量をＷ２とするとＷ１≧Ｗ２の関係となる。これにより、燃料電池３４の定常運転による発電状態では、貯水器１４は、改質水の量が増えることが可能であるため、外部例えば高圧給水源Ｓｗからの水の補給は必要としない。なお、前述の凝縮水および燃料電池３４の発電における電気化学反応にて発生する水は、燃料電池３４の発電出力に応じて増加可能である。従って、貯水器１４の改質水の量は、発電出力に応じて増加可能である。

また、貯水器１４の水位Ｗが出力制限範囲Ｃ２である場合、インバータ装置１３の出力制限されたインバータ出力に見合った反応ガス（改質ガス、カソードエア）量が燃料電池３４に供給される。これにより、燃料電池３４の発電出力は、定格出力よりも低下した出力に制限され、燃料電池システムは出力制限運転が行われる。燃料電池３４の出力制限運転により発電出力を制限した状態でも、発電は行われていることにより、前述の燃料電池３４の発電における電気化学反応にて生じた水に加え熱交換器１２で生成される凝縮水は、定常運転による発電状態に比べて減少するが、燃料電池の定常運転による発電状態と同様に貯水器１４は、改質水の量が増えることが可能であるため、外部例えば高圧給水源Ｓｗからの水の補給は必要としない。なお、燃料電池３４の出力を低下させるときに、一時的に生じる余剰の改質ガスのパージは、カソードエアブロワ１１ｃ１によりカソードエアを増加して行われる。

制御装置１５は、貯水器１４に第１所定量Ｖ１の水を注入して、貯水器１４の水位Ｗを正常範囲Ｃ１にした後、定期的に給水弁４３を開閉させて、給水弁４３の固着を防止する。

燃料電池システムの運転は、貯水器１４の水位に基づいて行われる。貯水器１４の水位異常をモニターするために、制御装置１５は、貯水器１４の水張り行われた後（第２タイマーＴＭ２のスタートから時間ｔａ後）に、図４に示すフローチャートに対応するプログラムの実行を開始する。

ステップＳ２０１において、制御装置１５は、高位置検出センサ４５ｂがオンか否かを判定する。高位置検出センサ４５ｂがオンである場合には、制御装置１５はステップＳ２０１において、「Ｙｅｓ」と判定し、プログラムをステップＳ２０２に進める。ステップＳ２０２では、制御装置１５は、燃料電池システムは定常運転を可能であることを指示する。燃料電池システムは、この指示に基づき、例えば定常運転中であれば、定常運転を継続し、また出力制限運転中であれば、定常運転を行う。

高位置検出センサ４５ｂがオンでない場合には、制御装置１５はステップＳ２０１において、「Ｎｏ」と判定し、プログラムをステップＳ２０３に進める。ステップＳ２０３において、制御装置１５は、低位置検出センサ４５ａはオンか否かを判定する。低位置検出センサ４５ａはオンである場合は、制御装置１５はステップＳ２０３において、「Ｙｅｓ」と判定し、プログラムをステップＳ２０４に進める。ステップＳ２０４では、制御装置１５は、燃料電池システムの停止を指示する。そして、貯水器１４の水張りの再作動を指示する。

低位置検出センサ４５ａはオンでない場合は、制御装置１５はステップＳ２０３において、「Ｎｏ」と判定し、プログラムをステップＳ２０５に進める。ステップＳ２０５では、制御装置１５は、燃料電池システムの出力制限運転を可能であることを指示する。燃料電池システムは、この指示に基づき、例えば出力制限運転中であれば、出力制限運転を継続し、また定常運転中であれば、出力制限運転を行う。

前述の貯水器１４の水位異常モニターは所定時間経過毎繰り返して行われて、制御装置１５は、燃料電池システムの運転を、定常運転が可能、出力制限運転が可能、停止の指示を行う。

上述した実施形態において、給水管４２が直接に貯水器１４に接続されているが、これに代えて、給水管４２は、凝縮水供給管１２ａを介して貯水器１４と接続し、水道水を凝縮水供給管１２ａから貯水器１４に給水することも可能である。この場合、凝縮水供給管１２ａに内蔵された水精製器を通り貯水器１４へ水道水を給水できる構成では、水精製器４４を省略することができる。

上述のように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、改質ガスおよび酸化剤ガスを供給されて電気化学反応により発電する燃料電池３４と、燃料と改質水から改質ガスを生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、改質水を収容し、容量を超えるとオーバフロー位置Ｌｏから溢れさせる貯水器１４と、改質部３３および燃料電池３４を流通する改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮した凝縮水を貯水器１４に供給する凝縮器１２と、高圧給水源Ｓｗに接続され貯水器１４に水を補給する給水管４２と、給水管４２に設けられ給水管４２を開閉する給水弁４３と、吸込口が貯水器１４の底部に配設され、吐出口が改質部３３に連通されたポンプ１１ｂ２と、貯水器１４に貯えられた改質水の水位Ｗがポンプ１１ｂ２による改質部３３への汲み上げが困難になる異常レベルＣ３を検出する低位置検出センサ４５ａと、貯水器１４に貯えられた改質水の水位Ｗがオーバフロー位置Ｌｏと異常レベルＣ３との間の高位置Ｌ１を越えた正常レベルＣ１を検出する高位置検出センサ４５ｂと、高位置検出センサ４５ｂが正常レベルＣ１を検出しているときは水位Ｗが正常範囲Ｃ１にあると判定し、燃料電池３４の出力を定常状態に制御し、低位置検出センサ４５ａが異常レベルＣ３を検出せず、かつ高位置検出センサ４５ｂが正常レベルＣ１を検出しないときは水位Ｗが出力制限範囲Ｃ２にあると判定し、燃料電池３４の出力を低下させる制御装置１５と、を備えたので、改質水の水位Ｗが正常レベルＣ１よりも低下した場合でも即ち出力制限範囲Ｃ２にある場合、燃料電池システムは運転を停止することなく、燃料電池３４の出力を低下して、燃料電池３４の発電を継続できる。また、燃料電池３４が出力を低下して発電している場合では、貯水器１４には燃料電池３４の発電における電気化学反応にて発生する水に加え凝縮器１２からの凝縮水を供給できるので、貯水器１４に改質水を別途補給する必要がなく、保守容易となる。また、燃料電池３４が出力を低下して発電している場合にも、出力を制限していない定常運転にて発電している場合と同様に、燃料電池３４の発電における電気化学反応にて発生する水に加え凝縮器１２から供給される凝縮水により、貯水器１４の改質水は、増えることが可能であるため、貯水器１４に別途水を補給することなく、貯水器１４の改質水の水位を出力制限範囲Ｃ２から正常レベルＣ１に復帰可能である。この様に、燃料電池３４が出力を低下して発電している場合は、改質水は、増えることが可能であるため、別途水を補給して正常レベルに復帰させる場合と比較して時間短縮が可能となる。

上述のように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、制御装置１５は、低位置検出センサ４５ａが異常レベルＣ３を検出しているときは水位Ｗが異常範囲にあると判定し、燃料電池システムの運転を停止するので、燃料電池システムの点検を行うことができる。

上述のように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、貯水器１４に正常範囲Ｃ１で収容される水は、燃料電池の１回の起動、停止がされても起動可能に必要な第１所定量Ｖ１の水であるので、貯水器１４は、燃料電池３４が１回の起動、停止がされて起動したことにより第１所定量Ｖ１を消費しても、貯水器１４の水位Ｗは、正常レベルＣ１を維持可能である。

上述のように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、貯水器１４に出力制限範囲Ｃ２で収容される水は、燃料電池３４の数回の停止がされても起動可能に必要な第２所定量Ｖ２の水であるので、貯水器１４は、燃料電池３４の数回の停止がされても起動可能であり、また第２所定量Ｖ２を消費しても、貯水器１４の水位Ｗは、出力制限範囲Ｃ２を維持可能である。燃料電池３４が出力制限されて運転されている状態では、燃料電池の定常運転状態と同様に、燃料電池３４の発電における電気化学反応にて発生する水に加え凝縮器１２から供給される凝縮水により、貯水器１４の改質水は、増えることが可能であるため、貯水器１４に別途水を補給することなく、貯水器１４の改質水の水位Ｗを出力制限範囲Ｃ２から正常レベルＣ１に復帰可能である。この様に、燃料電池３４が出力を低下して発電している場合は、改質水は、増えることが可能であるため、別途水を補給して正常レベルに復帰させる場合と比較して時間短縮が可能となる。

上述のように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、制御装置１５は、高位置検出センサ４５ｂが正常レベルＣ１を検出した直後から給水弁４３を所定時間ｔａだけ開状態として貯水器１４に水を注入するので、貯水器１４の水張りの自動化が容易となる。

上述のように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、制御装置１５は、給水弁４３を間歇的に開閉することにより水を高圧給水源から貯水器１４に供給し、高位置検出センサ４５ｂが正常レベＣ１ルを検出した直後から所定回数だけ給水弁４３を開閉することにより、第１所定量Ｖ１の水を貯水器１４に注入するので、水道水が水精製器４４に内蔵されたイオン交換樹脂による処理能力を上回ることなく、貯水器１４へスムーズに給水できる。

また、本実施形態に係る燃料電池システムでは、ガス漏れ検知のためシステムを月１回程度停止させる。この際システム暖気後の発電前に給水弁４３を定期的に開閉することにより給水弁４３の固着を防止できる。

なお、複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合せることが可能であることは、明らかである。

１１…燃料電池モジュール、１１ｂ２…改質水ポンプ、１２…熱交換器（凝縮器）、１４…貯水器、１５…制御装置、３４…燃料電池、３３…改質器、４２…給水管、４３…給水弁、４４…水精製器、４５…水位計測装置、４５ａ…低位置検出センサ、４５ｂ…高位置検出センサ、Ｃ１…正常レベル（正常範囲）、Ｃ２…出力制限範囲、Ｃ３…異常レベル（異常範囲）、Ｌｏ…オーバフロー位置、Ｌ１…高位置、Ｌ２…低位置、Ｓｗ…高圧給水源、ｔａ…所定時間

Claims

改質ガスおよび酸化剤ガスを供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料と改質水から前記改質ガスを生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
前記改質水を収容し、容量を超えるとオーバフロー位置から溢れさせる貯水器と、
前記改質部および前記燃料電池を流通する前記改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮した凝縮水を前記貯水器に供給する凝縮器と、
高圧給水源に接続され、イオン成分を除去する水精製器を介して前記貯水器に水道水を補給する給水管と、
前記給水管に設けられ該給水管を開閉する給水弁と、
吸込口が前記貯水器の底部に配設され、吐出口が前記改質部に連通されたポンプと、
前記貯水器に貯えられた前記改質水の水位が前記ポンプによる前記改質部への汲み上げが困難になる異常レベルを検出する低位置検出センサと、
前記貯水器に貯えられた前記改質水の水位が前記オーバフロー位置と前記異常レベルとの間の高位置を越えた正常レベルを検出する高位置検出センサと、
前記高位置検出センサが前記正常レベルを検出しているときは前記水位が正常範囲にあると判定し、前記燃料電池の出力を定常状態に制御し、前記低位置検出センサが前記異常レベルを検出せず、かつ前記高位置検出センサが前記正常レベルを検出しないときは前記水位が出力制限範囲にあると判定し、前記燃料電池の出力を低下させる制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池システムを設置する場合、前記燃料電池の起動前に、前記給水弁を開けて前記水道水を前記貯水器に注入することにより前記貯水器に前記改質水を収容し、
前記貯水器に前記正常範囲で収容される前記改質水の量を、前記燃料電池が１回起動して停止した後再起動するに必要な量に相当する第１所定量とする燃料電池システム。
前記貯水器に前記出力制限範囲で収容される前記改質水の量を、前記燃料電池の数回起動して停止した後再起動するに必要な量に相当する第２所定量とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記高位置検出センサが前記正常レベルを検出した直後から前記給水弁を所定時間だけ開状態として前記貯水器に前記水道水を前記第１所定量注入する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記給水弁を間歇的に開閉することにより前記水道水を前記高圧給水源から前記貯水器に注入し、前記高位置検出センサが前記正常レベルを検出した直後から所定回数だけ前記給水弁を開閉することにより、前記貯水器に前記水道水を前記第１所定量注入する請求項３に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記低位置検出センサが前記異常レベルを検出しているときは前記水位が異常範囲にあると判定し、前記燃料電池システムの運転を停止する請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。