JP2012133910A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電系の電源を過剰に大型化せずとも良く、システムのコストの高騰を防止できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、ガス状のカソード流体を燃料電池１のカソード１１に供給させるカソード流体経路７Ｘと、カソード流体をカソード１１に搬送させるカソード流体搬送源７１と、カソード１１に供給させるカソード流体の目標流量に実流量が追従するように、カソード流体搬送源７１の駆動回路７１ｍの給電を制御させる制御系とを有する。制御系は、カソード流体ガス経路７Ｘの通風抵抗が増加するとき、カソード１１に供給させるカソード流体の目標流量に対して実流量が追従するように、カソード流体搬送源７１の駆動回路７１ｍに対する給電を制御させる。且つ、制御系は、カソードガス経路７Ｘの通風抵抗が増加するとき、カソード１１に供給させるカソード流体の目標流量に対して実流量の追従を緩和させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス状のカソード流体（例えば空気）を燃料電池のカソードに供給させるポンプ等のカソード流体搬送源を備える燃料電池システムに関する。

特許文献１は、電動ポンプの起動時における突入電流による電源電圧低下対策として、電源電圧が低下する前に、ポンプをON-OFF駆動させることで、電流値の過剰上昇を抑える電動ポンプ制御装置およびこれを用いた内燃機関システムを開示する。特許文献２は、燃料電池システムにおいて、システムでの循環ポンプ、スタック、水タンク、制御バルブ間の各水容量比率を設定することで、水排水時の循環ポンプの圧損を小さくすることができ、ポンプ消費電力、作動音の低減が可能となる技術を開示する。

特開2008-114698号公報 特開2007-128761号公報

特許文献１は内燃機関システムに関する技術であり、燃料電池システムに関する技術ではない。更に特許文献１によれば、ポンプ起動時に電源電圧が降下する前にON-OFF制御することで、突入電力を抑制しているが、電源電圧降下のモニタが必要であり、制御方法およびモータによっては、ポンプ目標流量に到達せず、ハンチングしてしまう場合も考えられる。特許文献２によれば、ポンプ吐出回路の圧損を低減させる技術であり、システム構成およびサイズ等で必要な容積比率が要求され、システム構成設計において制約がある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、カソード流体経路の通風抵抗が増加するときであっても、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対する実流量の追従を緩和させることにより、カソード流体搬送源の駆動回路に過剰な電流が給電されることが制限され、給電系の電源容量不足が回避され、従って、電源容量不足に起因する給電系を緊急停止させることを抑制し、更に、給電系の電源を過剰に大型化せずとも良く、システムのコストの高騰を防止できる燃料電池システムを提供することを課題とする。

（１）様相１に係る燃料電池システムは、アノードおよびカソードをもつ燃料電池と、アノード流体を燃料電池のアノードに供給させるアノード流体経路と、ガス状のカソード流体を燃料電池のカソードに供給させるカソード流体経路と、カソード流体経路に設けられカソード流体を燃料電池のカソードに搬送させるカソード流体搬送源と、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に実流量が追従するように、カソード流体搬送源の駆動回路の給電を制御させ、且つ、カソードガス経路の通風抵抗が増加するとき、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対する実流量の追従を緩和させる制御系とを具備する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、基本的には、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対して実流量が追従するように、制御系は、カソード流体搬送源の駆動回路の給電を制御させる。すなわち、システムの発電運転では、システムに要請される発電出力に応じて、制御系は、カソード流体の目標流量およびアノード流体の目標流量をそれぞれ設定する。更に制御系は、基本的には、カソード流体の目標流量に対してこれの実流量を追従させると共に、アノード流体の目標流量に対してこれの実流量を追従させる。これによりシステムに要請される発電出力に応じて、カソード流体の実流量およびアノード流体の実流量が増加し、要請されるシステムの発電出力が得られる。

ところで、カソード流体経路の通風抵抗および圧損が過剰に増加するときがある。例えば、異物がカソード流体経路の一部を閉鎖する場合である。この場合、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対する実流量が追従するように、カソード流体搬送源の駆動回路に対する給電を制御系が制御させようとするため、カソード流体搬送源の駆動回路に給電される電流値は過剰に上昇しようとする。しかしカソードガス経路の通風抵抗が増加するとき、制御系は、カソード流体搬送源の駆動回路に給電される電流値を制限し、結果として、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対する実流量の追従を緩和させる。

本発明によれば、上記したようにカソード流体経路の通風抵抗および圧損が増加するときであっても、制御系は、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対する実流量の追従を緩和させる。このようにカソード流体搬送源の駆動回路に過剰な電流が給電されることを抑制させるため、給電系の電源容量不足が回避される。この場合、給電系の電源容量不足に起因して給電系を緊急停止させずとも良い。緊急停止は、システムの破損、システムの寿命低下の要因となるので回避することが好ましい。更に本発明によれば、制御系は、カソード流体搬送源の駆動回路に過剰な電流が給電されることを禁止させるため、カソード流体搬送源の駆動回路に給電させる給電系の電源を過剰に大型化せずとも良く、システムの製造コストの高騰を防止できる。アノード流体としては、水素ガスまたは水素含有ガスが挙げられる。カソード流体としては、空気等の酸素含有ガスまたは酸素ガスが挙げられる。

上記したようにカソード流体経路の通風抵抗および圧損が増加するとき、制御系は、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対する実流量の追従を緩和させる。このためカソード流体搬送源の駆動回路に過剰な電流が給電されることが抑制される。よって、給電系の電源容量不足が回避され、カソード流体搬送源の駆動回路に給電させる給電系の電源を過剰に大型化せずとも良く、システムの製造コストの高騰を防止できる。

（２）様相２に係る燃料電池システムによれば、様相１において、制御系は電流制限要素を備えており、電流制限要素は、カソードガス経路の通風抵抗が増加するとき、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対する実流量が追従するようにカソード流体搬送源の駆動回路に対する給電を制御させる場合において、カソード流体搬送源に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを禁止させ、目標流量に対する実流量の追従を緩和させる。カソードガス経路の通風抵抗が増加するとき、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対する実流量が追従するように、制御系は、カソード流体搬送源の駆動回路に対する給電を制御させる。しかし制御系の一部である電流制限要素は、カソード流体搬送源の駆動回路に過剰な電流が給電されることを禁止させる。この結果、カソード流体搬送源の駆動回路には過剰な電流は流れない。従って、カソード流体の目標流量に対する実流量の追従は緩和される。なお、電流制限要素としては、電流制限素子または電流制限回路が挙げられる。例えば、電流制限要素としては、電流制限用の抵抗体、昇温につれて電気抵抗が増加するＰＴＣサーミスタ、または、これらをもつ回路が挙げられる。ＰＴＣサーミスタは、過電流によって、ＰＴＣサーミスタから発生するジュール熱により、ＰＴＣサーミスタの温度が上昇し、トリップ温度に達すると高い抵抗値で平衡状態となり、ＰＴＣサーミスタを流れる電流値が制限されるといった現象を利用したものである。

（３）様相３に係る燃料電池システムによれば、様相１において、アノードに供給されるアノード流体は水素ガスまたは水素含有ガスであり、カソードに供給されるカソード流体は空気等の酸素含有ガスまたは酸素ガスであり、制御系は、燃料電池の発電運転を停止させ、且つ、アノード流体をアノードに発電停止から第１所定時間供給させつつ、カソード流体をカソードに発電停止から第２所定時間供給させる正常停止処理と、燃料電池の発電運転を停止させ且つ燃料電池に対するアノード流体およびカソード流体の供給を緊急的に停止させる緊急停止処理とを実行可能であり、制御系は、カソード流体の目標流量に対して実流量が少ない場合における目標流量と実流量との差が所定値以上とされる時間が第３所定時間以上連続して継続されるとき、緊急停止処理を実行することなく、正常停止処理を実行する。緊急停止処理は、システムの破損およびシステムの寿命低下の要因となる。そこで、制御系は、カソード流体の目標流量に対して実流量が少ない偏差が所定値以上とされる時間が第３所定時間以上連続して継続されるとき、異物がカソード流体経路に残留してこれを塞いでいると推定し、緊急停止処理を実行することなく、正常停止処理を実行する。正常停止処理では、燃料電池の発電運転を停止させるものの、還元性を有する水素を有するアノード流体を発電停止から第１所定時間アノードに供給しつつ、カソード流体をカソードに発電停止から第２所定時間供給させる。還元性を有する水素を有するアノード流体によって、燃料電池等の内部を水素含有雰囲気（還元性雰囲気）に維持させ易く、燃料電池等に含まれている金属部品や触媒の酸化劣化の抑制に貢献できる。更にカソード流体により燃料電池の冷却を促進できる。

（４）洗濯物、落ち葉、ビニール袋等といった異物が存在すると、異物がカソード流体経路の一部を塞ぎ、カソード流体通路の通風抵抗および圧損を増加させるときがある。この場合、燃料電池のカソードに供給させるガス状のカソード流体の目標流量に実流量が追従するように、制御系がカソード流体搬送源の駆動回路への給電量を増加させて、ガス状のカソード流体を吸引させる吸引力を増加させればさせるほど、吸引力の影響で異物はカソード流体経路に密着する傾向となる。そこで、様相４に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、制御系は、緊急停止処理および正常停止処理に先立って、規定電流値Ｉｒｅｇ未満の且つ所定電流値分低下させた電流値をカソード流体搬送源の駆動回路に一時的に第４所定時間給電させることにより異物をカソード流体経路から離脱させてカソード流体経路の通風抵抗を回復させる通風抵抗回復処理を実行する。緊急停止処理および正常停止処理等の停止処理をできるだけ避けることが好ましい。そこで、停止処理に先立って、制御系は、規定電流値Ｉｒｅｇ未満の且つ所定電流値分低下させた電流値を、カソード流体搬送源の駆動回路に一時的に第４所定時間給電させる。これによりカソード流体搬送源がカソード流体を吸引させる吸引力が一時的に第４所定時間低下する。このため、カソード流体経路の吸引力が一時的に低下する。この結果、カソード流体搬送源による吸引力よりも、重力または外部風等が大きくなる。よって、異物が重力または外部風等により落下してカソード流体経路から離脱する確率が増加する。このように異物がカソード流体経路から離脱すれば、カソード流体経路の通風抵抗が低下して自動的に回復される。このように回復すれば、緊急停止処理はもちろんのこと、正常停止処理を実行せずとも良く、システムの発電運転を継続でき、発電コストの低廉化に貢献でき、システムの負担も軽減される。

（５）様相５に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、燃料電池およびカソード流体搬送源を包囲する収容室と収容室および外気を連通させると共にカソード流体経路の通風抵抗を増加させる異物が密着可能な連通開口とをもつ筐体が設けられており、筐体の連通開口はカソード流体経路の一部を構成している。筐体は連通開口をもつ。連通開口は、筐体の外部に存在する外気をガス状のカソード流体として吸引させるため。連通開口は一般的には外気に対面している。このため、システムの周辺に存在する洗濯物、落ち葉、ビニール袋等といった異物が、カソード流体搬送源による吸引力により筐体の連通開口に密着し、カソード流体経路の通風抵抗および圧損を増加させるおそれがある。この場合、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に実流量が追従するようにカソード流体搬送源の駆動回路に対する給電を制御系が制御させる。カソード流体搬送源の駆動回路に給電される電流値が急激に上昇せんとし、システムに負担をかける。このとき、制御系は、カソード流体搬送源の駆動回路に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを禁止させる。このように制御系は、カソード流体搬送源の駆動回路に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを禁止させる。このため、異物によりカソード流体経路の通風抵抗および圧損を増加させる現象が発生したとしても、カソード流体搬送源には過剰な電流が給電されることが抑制される。規定電流値Ｉｒｅｇ未満の電流しかカソード流体搬送源には流れない。よってカソード流体搬送源を駆動させるためにこれに給電させる給電系の電源容量不足が回避される。この場合、電源容量不足に起因して給電系を緊急停止させずとも良い。緊急停止は、システムの破損、システムの寿命低下の要因となるので回避することが好ましい。更に、カソード流体搬送源の駆動回路に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを禁止させるため、給電系の電源を過剰に大型化せずとも良く、システムの製造コストの高騰を防止できる。

（６）様相６に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、原料水を溜めるタンクと、タンク内の原料水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部と、蒸発部で生成された前記水蒸気を用いて燃料を水蒸気改質させてアノード流体を形成する改質部とが設けられている。水蒸気改質で形成されたアノード流体が燃料電池のアノードに供給される。

以上説明したように本発明によれば、異物の存在等の要因により、カソード流体経路の通風抵抗および圧損が増加する場合がある。このような場合であっても、本来的には、カソードに供給させるカソード流体の目標流量に対して実流量が追従するようにカソード流体搬送源の駆動回路に対する給電を制御系が制御させる。このような場合において、制御系は、カソード流体搬送源の駆動回路に過剰な電流が給電されることを禁止させる。この結果、目標流量に対する実流量の追従は緩和される。このように電流制限要素は、カソード流体搬送源の駆動回路に過剰な電流が給電されることを禁止させる。このため異物の存在によりカソード流体経路の通風抵抗が増加する場合であっても、給電系の電源容量不足が回避される。この結果、電源容量不足に起因する給電系を緊急停止させずとも良い。緊急停止は、システムの破損、システムの寿命低下の要因となるので回避することが好ましい。更に、カソード流体搬送源の駆動回路に過剰な電流が給電されることを禁止させるため、給電系の電源を過剰に大型化せずとも良く、システムの製造コストの高騰を防止できる。

実施形態１に係り、燃料電池システムの概念を示すブロック図である。 従来技術に係り、異物が連通開口を塞いだときにおけるカソードガスの単位時間あたりの流量およびカソードポンプに給電される電流値と時間との関係を示すグラフである。 実施形態１に係り、異物が連通開口を塞いだときにおけるカソードガスの単位時間あたりの流量およびカソードポンプに給電される電流値と時間との関係を示すグラフである。 実施形態２に係り、異物が連通開口を塞いだときにおけるカソードガスの単位時間あたりの流量およびカソードポンプに給電される電流値と時間との関係を示すグラフである。 実施形態３に係り、異物が連通開口を塞いだときにおけるカソードガスの単位時間あたりの流量およびカソードポンプに給電される電流値と時間との関係を示すグラフである。 適用形態に係り、燃料電池システムの概念を示す図である。

（実施形態１）
図１は実施形態１を示す。燃料電池システムは、アノード１０およびカソード１１をもつ燃料電池１と、アノード流体として機能するアノードガスを燃料電池１のアノード１０に供給させるアノードガス経路６Ｘ（アノード流体経路）と、アノードガスを燃料電池１のアノード１０に搬送させるアノード流体搬送源として機能するアノードポンプ６０Ａと、カソードガスを燃料電池１のカソード１１に供給させるカソードガス経路７Ｘ（カソード流体経路）と、カソードガス経路７Ｘに設けられカソードガス経路７Ｘを介してカソード１１に供給させるカソードガスの実流量を検知するカソード流量計７ｋと、アノードガス経路６Ｘに設けられアノードガス経路６Ｘを介してアノードに供給させるアノードガスの実流量を検知するアノード流量計６ｋと、外気であるカソードガスを燃料電池１のカソード１１に搬送させるカソード流体搬送源として機能するカソードポンプ７１と、収容室５５をもつ筐体５と、アノードポンプ６０Ａおよびカソードポンプ７１等の機器に給電させる給電系として機能するパワーコントローラ１５０と、制御部１００とを有する。筐体５の収容室５５は、燃料電池１、カソードポンプ７１、アノードポンプ６０Ａ、パワーコントローラ１５０、制御部１００を収容する。制御部１００は、パワーコントローラ１５０、カソードポンプ７１、アノードポンプ６０Ａを制御する。

アノードガス経路６Ｘの先端部は、アノードガスを封入したタンクに繋がっていても良いし、あるいは、燃料を改質させてアノードガスを生成させる改質器につながっていても良い。アノードポンプ６０Ａは駆動回路６０ｍで駆動される。カソードポンプ７１は駆動回路７１ｍで駆動される。カソードポンプ７１の駆動回路７１ｍは、カソードポンプ７１へ規定電流値Ｉｒｅｇ（例えば０．８〜２Ａのうちの任意値）以上の過剰な電流が流れないように電流値を禁止させる電流制限要素７１ｗを備えている。電流制限要素７１ｗはカソードポンプ７１に対して直列に配置されている。このため、燃料電池１の通常の発電運転時の常用範囲としては、カソードポンプ７１の電流値は規定電流値Ｉｒｅｇ未満とされている。制御系は、制御部１００と電流制限要素７１ｗを含む。

図１に示すように、筐体５は、収容室５５と外気とを連通させる外気導入口として機能する連通開口５７をもつ。連通開口５７はカソードガス経路７Ｘの一部をなす。すなわち、カソードガスをカソードに供給させるためのカソードガス経路７Ｘは、カソードポンプ７１が設けられたパイプ状のカソードガス通路７０と、カソードガス通路７０の先端部に設けられた浄化用の第１フィルタ７９ｆと、筐体５の収容室５５と、筐体５の連通開口５７と、連通開口５７に設けられた第２フィルタ７９ｓとを備えている。フィルタ７９ｆ，７９ｓは必要に応じて設ければよいものであり、廃止しても良い。

制御部１００は、システムに要請されている発電出力に応じて、燃料電池１のアノード１０に供給させるアノードガスの目標流量と、カソード１１に供給させるカソードガスの目標流量を決定する。更に、制御部１００は、アノードガス目標流量にアノードガス実流量が追従するように、アノードポンプ６０Ａの駆動回路６０ｍに対する給電をフィードバック制御させる。同様に、燃料電池１のカソード１１に供給させるカソードガスの目標流量にカソードガス実流量が追従するように、カソードポンプ７１の駆動回路７１ｍに対する給電をフィードバック制御させる。従って、通常運転時には、基本的には、アノードガス目標流量にアノードガス実流量が追従するとともに、カソードガス目標流量にカソードガス実流量が追従する。これにより燃料電池１に要請される発電出力が維持される。

さて、従来技術に関する図２と、本実施形態に係る図３とを参照しつつ説明を加える。横軸は時間を示す。縦軸は、カソードガス流量と、カソードポンプ７１の駆動回路の電流値とを示す。図２及び図３において、特性線Ｗ１は、燃料電池１のカソード１１に目標値として供給する単位時間あたりのカソードガス目標流量を示す。特性線Ｗ２は、カソード１１に実際に供給される単位時間あたりのカソードガス実流量を示し、流量計７ｋで計測される。特性線Ｗ３は、パワーコントローラ１５０からカソードポンプ７１に給電される単位時間あたりの電流値を示す。

システムの発電運転において、カソードポンプ７１が駆動するため、筐体５の外方の空気は、カソードガスとして連通開口５７から筐体５の収容室５５内に吸引され、更に、通路７０から流量計７ｋを経てカソード１１に供給される。従って、発電運転時には、筐体５の連通開口５７には、筐体５外方の空気をカソードガスとして吸引させる吸引力が作用している。洗濯物、落ち葉、ビニール袋等の異物が連通開口５７の吸引力により筐体５の連通開口５７に密着し、連通開口５７の全部または一部を塞ぐおそれがある（図１参照）。この場合、異物の存在によりカソードガス経路７Ｘの通風抵抗および圧損が過剰に増加し、時刻ｔｘにおいてカソードガス経路７Ｘの圧損が急激に上昇するおそれがある。

このような場合であっても、制御部１００は、本来的には、カソード１１に供給させるカソードガス目標流量にカソードガス実流量が追従するように、カソードポンプ７１の駆動回路７１ｍに対する給電をフィードバック制御させようとする。しかしこのような場合、図２の特性線Ｗ３として示すように、時刻ｔｘから、カソードポンプ７１の駆動回路７１ｍに過剰な電流が給電され、過剰に高い電流ピークＰｘ（図２参照）を形成する。このような場合、従来技術ではシステムは発電運転を緊急停止させる。すなわち、従来技術では、通風抵抗及び圧損の急激な上昇により、カソードガス目標流量に実流量がなかなか追従しないため、カソードポンプ７１に過剰な電流を急激に給電させてカソードポンプ７１の回転数を過剰化させようとするが、システムが緊急停止してしまう。

この点について本実施形態によれば、図１に示すように、カソードポンプ７１に給電される最高電流値として、規定電流値Ｉｒｅｇがカソードポンプ７１の駆動回路７１ｍに設定されている。電流制限要素７１ｗによって、カソードポンプ７１の駆動回路７１ｍに規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることが禁止されている。この結果、洗濯物、落ち葉、ビニール袋等の異物が連通開口５７の全部または一部を塞いだときであっても、カソードポンプ７１には過剰な電流が流れず、システムは緊急停止しない。すなわち、カソードガス目標流量に対するカソードガス実流量の追従を緩和させ、カソード１１に供給される単位時間あたりのカソードガス実流量を低下させる。同様に、制御部１００は、カソードガスの実流量の低下に相応させるように、アノード１０に供給される単位時間あたりのアノードガス実流量を低下させ、燃料電池１の発電出力を禁止させる。カソードガスとアノードガスとの均衡を維持させるためである。

このように本実施形態によれば、上記したように電流制限要素７１ｗは、カソードポンプ７１の駆動回路７１ｍに規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを禁止させるため、パワーコントローラ１５０の電源容量不足が回避される。この場合、電源容量不足に起因してパワーコントローラ１５０を緊急停止させずとも良い。緊急停止は、システムの破損、システムの寿命低下の要因となるので回避することが好ましい。更に本実施形態によれば、洗濯物、落ち葉、ビニール袋等の異物が連通開口５７の全部または一部を塞いだときであっても、カソードポンプ７１に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを禁止させるため、パワーコントローラ１５０の電源を過剰に大型化せずとも良く、パワーコントローラ１５０のコストの低減、ひいては燃料電池システムのコストの低減に貢献できる。

（実施形態２）
図４は実施形態２を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１および図３を準用する。制御部１００は、正常停止処理と緊急停止処理とを実行可能である。正常停止処理では、アノード１０とカソード１１とを負荷に対して電気的に遮断させて燃料電池１の発電運転を停止させ、且つ、水素を含むアノードガスをアノード１０に基準時刻ｔ_ｓｔｏｐから第１所定時間ｔ１供給しつつ、空気であるカソードガスをカソード１１に基準時刻ｔ_ｓｔｏｐから第２所定時間ｔ２供給させる。基準時刻ｔ_ｓｔｏｐは、発電停止に関する時刻を採用でき、発電停止を指令した時刻、または、実際に発電停止した時刻が例示される。ｔ２＞ｔ１が好ましいが、ｔ２＝ｔ１でも良いし、ｔ２≒ｔ１でも、ｔ２＜ｔ１でも良い。緊急停止処理では、アノード１０とカソード１１とを負荷に対して電気的に遮断させて燃料電池１の発電運転を直ちに停止させ、且つ、ポンプ６０Ａ，７１の駆動を停止させ、燃料電池１に対するアノードガスおよびカソードガスの供給を緊急的に停止させる。緊急停止は、システムの破損、寿命低下の要因となるため、できるだけ正常停止処理でシステムを停止させることが好ましい。

そこで、制御部１００は、図４に示すように、特性線Ｗ１として示されるカソードガス目標流量に対してカソードガス実流量が少ない偏差ΔＬが所定値ΔＬ_ｓｅｔ（図示せず）以上とされる時間が時刻ｔｓ（第２基準時刻）から第３所定時間ｔ３以上連続して継続されるとき、異物がカソード流体経路に残留したままであり、カソードガス経路７Ｘを塞いでいると推定する。そして、制御部１００は、緊急停止処理を実行することなく、正常停止処理を実行する。時刻ｔｓは、通風抵抗および圧損の増加によりカソードポンプ７１への電流値がピークを形成した時刻である。カソードガス実流量が急激な低下する時刻を第２基準時刻としても良い。所定値ΔＬ_ｓｅｔは、システムに応じて適宜設定されるものであり、カソードガス目標流量に対してカソードガス実流量が少なくても、システムの機器に大きな悪影響を与えない偏差をいう。第３所定時間ｔ３は、システムに応じて適宜設定されるものであり、カソードガス目標流量に対してカソードガス実流量が少なくても、システムの機器に大きな悪影響を与えない時間をいう。正常停止処理では、燃料電池１の発電運転を停止させて燃料電池１を開回路とさせるものの、アノードガスを燃料電池１のアノード１０に発電停止時刻である基準時刻ｔ_ｓｔｏｐから第１所定時間ｔ１供給させる。還元性をもつ水素を含むアノードガスにより配管系、燃料電池１の内部の酸化劣化を抑える。この場合、燃料電池１等に含まれている金属部品や触媒の酸化劣化の抑制に貢献できる。改質部が設けられている場合には、改質部等に含まれている金属部品や触媒の酸化劣化の抑制に貢献できる。更に、カソードガスを燃料電池１のカソード１１に発電停止時刻である基準時刻ｔ_ｓｔｏｐから第２所定時間ｔ２供給させ、カソード１１ひいては燃料電池１を冷却できる。このように正常停止処理は緊急停止処理よりもシステムの負荷が少ない。

（実施形態３）
図５は実施形態３を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。洗濯物、落ち葉等の異物がカソードガス経路７Ｘの一部（例えば筐体５の連通開口５７）を塞ぎ、カソードガス経路の通風抵抗および圧損を過剰に増加させるときがある。この場合、燃料電池１のカソード１１に供給させるカソードガスの目標流量に実流量が追従するように、カソードポンプ７１の駆動回路７１ｍへの給電量を増加させて、カソードガスの吸引力を増加させればさせるほど、吸引力の影響で、洗濯物等の異物はカソードガス経路７Ｘの一部（例えば連通開口５７）に密着することがある。この場合、従来技術では、システムを緊急停止処理または正常停止処理により運転を停止させていた。緊急停止処理はシステムに悪影響を与え、長寿命化に好ましくない。正常停止処理といえども、燃料電池１の発電を中断させることになり、発電コストの低廉化のためには好ましくない。そこで、本実施形態によれば、正常停止処理に先立って、制御部１００は、図５に示すように、規定電流値ＩｒｅｇよりもΔＩ低い電流値Ｉ_ＬＯＷをカソードポンプ７１の駆動回路７１ｍに一時的に第４所定時間ｔ４給電させる。この場合、カソードポンプ７１の単位時間当たりの回転数を定格運転の場合に比較して１／３未満、１／４未満、１／５未満にできる。たとえば、カソードポンプ７１の回転数をこれの最低回転数領域とさせる。場合によっては、カソードポンプ７１の回転を停止させても良い。第４所定時間ｔ４は、システムに応じて適宜設定されるものである。

このようにした上記したカソードガスの吸引力を低下させる通風抵抗回復処理を実行する。この結果、カソードポンプ７１の吸引力を著しく低下させる。このため、筐体５の連通開口５７に吸引されて密着されていた洗濯物等の異物に対する吸引力よりも、重力または外部風が打ち勝つことが期待できる。この場合、重力または外部風により異物を連通開口５７から落下させ、連通開口５７から離脱させることを期待できる。このように異物が連通開口５７から離脱してカソードガス経路７Ｘから離脱されると、カソードガス経路７Ｘのカソードガスの通風抵抗および圧損が低減して自動的に回復されるため、システムの正常停止処理および緩急停止処理の双方を行うこと無く、システムの発電運転を継続して行うことができる。
なお、制御部１００が通風抵抗回復処理を実行しても、通風抵抗が回復されないときには、制御部１００は正常停止処理させる。通風抵抗回復処理は少なくとも１回実行できる。通風抵抗回復処理を間欠的に複数回実行することも好ましい。

（実施形態４）
本実施形態は前記した実施形態３と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、緊急停止処理および正常停止処理に先立って、制御部１００は、規定電流値Ｉｒｅｇよりも所定電流値ΔＩ_１（図示せず）分低下させた電流値Ｉ_ＬＯＷと、規定電流値Ｉｒｅｇよりも所定電流値ΔＩ_２（図示せず）分低下させた電流値Ｉ_ＨＩＧＨ（Ｉ_ＨＩＧＨ＞Ｉ_ＬＯＷ）とを交互に所定時間ずつ切り換えて脈動化させる。これにより上記したカソードガスの吸引力の増減を繰り返す通風抵抗回復処理を実行する。この結果、連通開口５７の吸引力が繰り返して増減して変動する。このため連通開口５７に吸引されて密着されていた洗濯物等の異物が動く確率が増加し、重力または外部風等により異物を連通開口５７から落下させて、連通開口５７から離脱させることを期待できる。このように異物がカソードガス経路７Ｘから離脱されると、カソードガス経路７Ｘのカソードガスの通風抵抗および圧損が低減して自動的に回復され、発電運転を継続させることができる。この場合、カソードガス経路７Ｘは正常に戻るため、上記した緊急停止処理を避けることができ、正常停止処理といえども避けることができる。

（実施形態５）
本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。この場合、図１に示す第１フィルタ７９ｆ，第２フィルタ７９ｓに目詰まりが発生したため、カソードガス経路７Ｘの通風抵抗および圧損が増加した場合についても同様である。すなわち、異物の存在により第１フィルタ７９ｆおよび／または第２フィルタ７９ｓに目詰まりが発生したため、カソードガス経路７Ｘの通風抵抗および圧損が増加するとき、カソード１１に供給させるカソードガス目標流量にカソードガス実流量が追従するようにカソードポンプ７１の駆動回路７１ｍに対する給電を制御させる場合において、カソードポンプ７１に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを禁止させることができる。

（適用形態１）
図６は適用形態１の概念を模式的に示す。図６に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１で形成されたスタック１２と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部２と、蒸発部２で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノードガスを形成する改質部３と、蒸発部２と改質部３を加熱する燃焼部１０５と、蒸発部２に供給される液相状の原料水を溜めるタンク４とこれらを収容する筐体５とを有する。改質部３５は温度センサ３３をもつ。
燃料電池１のスタック１２は、イオン伝導体を挟むアノード（燃料極）１０とカソード（酸化剤極）１１とをもち、例えば、ＳＯＦＣとも呼ばれる固体酸化物形燃料電池（運転温度：例えば４００℃以上）を適用できる。アノード１０側から排出されたアノード排ガスはアノード排ガス路１０３を介して、燃焼部１０５に供給される。カソード１１側から排出されたカソード排ガスはカソード排ガス路１０４を介して、燃焼部１０５に供給される。燃焼部１０５はアノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼させ蒸発部２と改質部３を加熱させる。燃焼部１０５には燃焼排ガス路７５が設けられ、燃焼部１０５における燃焼後のガスおよび、未燃焼のガスを含む燃焼排ガスが燃焼排ガス路７５を介して大気中に放出される。改質部３は、多数のガス通路を形成するセラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部２に隣設されている。改質部３および蒸発部２は改質器２Ａを構成しており、燃料電池１と共に断熱壁１９で包囲され、発電モジュール１８を形成している。改質部３の内部には、改質部３の温度を検知する温度センサ３３と、燃焼部１０５には燃料を着火させるヒータである着火部３５が設けられている。着火部３５は燃焼部１０５の燃料に着火できるものであれば何でも良い。温度センサ３３の信号は制御部１００に入力される。制御部１００は着火部３５を作動させて燃焼部１０５を着火させて高温化させる。制御部１００は警報器１０２をもつ。

運転時には、改質器２Ａは改質反応に適するように断熱壁１９内において加熱される。運転時には、蒸発部２は原料水を加熱させて水蒸気とさせ得るように燃焼部１０５により加熱される。燃料電池１がＳＯＦＣタイプの場合には、アノード１０側から排出されたアノード排ガスとカソード１１側から排出されたカソード排ガスが燃焼部１０５で燃焼するため、改質部３および蒸発部２は同時に加熱される。燃料通路６は、燃料源６３からの燃料を改質器２Ａに供給させるものであり、燃料ポンプ６０および脱硫器６２をもつ。燃料電池１のカソード１１には、カソードガス（空気）をカソード１１に供給させるためのカソードガス通路７０が繋がれている。カソードガス通路７０には、カソードガス搬送用の搬送源として機能するカソードポンプ７１が設けられている。図６に示すように、筐体５は外気に連通する吸気口５０（連通開口）と排気口５１とをもち、更に、第１室である上収容室５２と、第２室である下収容室５３とをもつ。従って、カソードガスをカソードポンプ７１に供給させるカソードガス経路７Ｘは、カソードガス通路７０と、筐体５の収容室５２，５３と、連通開口として機能する吸気口５０とで形成される。

燃料電池１は、改質部３および蒸発部２と共に、筐体５の上側つまり上収容室５２に収容されている。筐体５の下収容室５３には、改質部３で改質される液相状の水を溜めるタンク４が収容されている。タンク４には、電気ヒータ等の加熱機能をもつ加熱部４０が設けられている。加熱部４０は、タンク４に貯留されている水を加熱させるものであり、電気ヒータ等で形成できる。外気温度等の環境温度が低いとき等には、制御部１００からの指令に基づいて、タンク４の水は加熱部４０により加熱され、凍結が抑制される。なお、タンク４内の水位は基本的にはほぼ同一となるようにされていることが好ましい。図６に示すように、下収容室５３側のタンク４の出口ポート４ｐと上収容室５２側の蒸発部２の入口ポート２ｉとを連通させる給水通路８が、配管として筐体５内に設けられている。給水通路８は、タンク４内に溜められている水をタンク４の入口ポート２ｉから蒸発部２に供給させる通路である。給水通路８および蒸発部２は水蒸気生成系２Ｘを形成する。給水通路８には、タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水搬送源として機能する水ポンプ８０が設けられている。なお、給水通路８は蒸発部２，改質部３、スタック１２等を介して大気に連通するようにされている。制御部１００はポンプ８０，７１，７９，６０を制御する。

システムの起動時において、ポンプ６０が駆動すると、燃料通路６から燃料が蒸発部２，改質部３，アノード流体通路７３，燃料電池１のアノード１０，流路１０３を介して燃焼部１０５に流れる。カソードポンプ７１によりカソード流体（空気）がカソード流体通路７０、カソード１１，流路１０４を介して燃焼部１０５に流れる。この状態で着火部３５が着火すると、燃焼部１０５において燃焼が発生し、改質部３および蒸発部２が加熱される。このように改質部３および蒸発部２が加熱された状態で、ポンプ８０が正モードで駆動すると、タンク４内の水はタンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて供給通路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は、ポンプ６０により燃料通路６から供給される燃料（ガス状が好ましいが、場合によっては液相状としても良い）と共に改質部３に移動する。改質部３において燃料は、水蒸気で改質されてアノード流体（水素含有ガス）となる。アノード流体はアノード流体通路７３を介して燃料電池１のアノード１０に供給される。更にカソード流体（ケース５内の空気等の酸素含有ガスまたは酸素ガス）がカソード流体通路７０を介して燃料電池１のカソード１１に供給される。これにより燃料電池１が発電する。アノード１０から排出されたアノード流体のオフガス、カソード１１から排出されたカソード流体のオフガスは、流路１０３，１０４を通過し、燃焼部１０５に至り、燃焼部１０５で燃焼される。高温の排ガスは、排ガス通路７５を介してケース５の外方に排出される。なお燃料がメタン系である場合には、水蒸気改質によるアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。但し燃料はメタン系に限定されるものではない。
（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
アノードガスは改質部３の出口ポート３ｐからアノードガス通路７３を介して燃料電池１のアノード１０に供給される。更にポンプ７１の駆動によりカソードガス（酸素含有ガス、筐体５内の空気）がカソードガス通路７０を介して燃料電池１のカソード１１に供給される。この状態で燃料電池１において発電反応が生じる。

上記した発電反応においては、アノードガスとして水素含有ガスが供給されるアノード１０では、基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。空気（酸素）がカソードガスとして供給されるカソード１１では、基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード１１において発生した酸素イオン（Ｏ^２−）がカソード１１からアノード１０に向けて電解質を伝導する。
（２）…Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（３）…１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
発電反応後のアノードオフガスは、発電反応しなかった水素を含む。カソードオフガスは発電反応に未反応な酸素を含む。アノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃焼部１０５に排出されて燃焼される。燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、排気ガスとなり、熱交換器７６のガス通路を経て排気通路７５を流れ、更に、排気通路７５の先端の排気口から筐体５の外部に放出される。図６に示すように、排気通路７５には、凝縮機能をもつ熱交換器７６が設けられている。貯湯槽７７に繋がる貯湯通路７８および貯湯ポンプ７９が設けられている。貯湯通路７８は往路７８ａおよび復路７８ｃをもつ。貯湯槽７７の低温の水は、貯湯ポンプ７９の駆動により、貯湯槽７７の吐出ポート７７ｐから吐出されて往路７８ａを通過し、熱交換器７６に至り、熱交換器７６で加熱される。熱交換器７６で加熱された水は、復路７８ｃを介して帰還ポート７７ｉから貯湯槽７７に帰還する。このようにして貯湯槽７７の水は温水となる。前記した排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器７６で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器７６から延設された凝縮水通路４２を介して重力または外部風等により浄水部４３に供給される。浄水部４３はイオン交換樹脂等の水浄化剤４３ａを有するため、凝縮水の不純物は除去される。不純物が除去された水はタンク４に移動し、タンク４に溜められる。水ポンプ８０が駆動すると、タンク４内の水は給水通路８を介して高温の蒸発部２に供給され、蒸発部２で水蒸気とされて改質部３に供給され、改質部３において燃料を改質させる改質反応として消費される。

システムは停止処理を実行可能である。停止処理は正常停止処理と緊急停止処理とがある。正常停止処理では、燃料電池１を開回路電位とし燃料電池１の発電運転を停止させ、且つ、アノードガスをアノード１０に発電停止から第１所定時間ｔ１供給させる。この場合、還元性をもつ水素濃度が高いアノードガスが改質部３およびアノード１０に供給されるため、これらにおける触媒等の金属成分の酸化劣化を抑制させる。更に、カソードガスをカソード１１に発電停止から第２所定時間ｔ２供給させて燃料電池１等の冷却を促進させる。ｔ２＞ｔ１にできる。緊急停止処理では、燃料電池１の発電運転を停止させ、且つ、燃料電池１に対するアノードガスおよびカソードガスの供給を緊急的に停止させるため、システムに与える負荷が大きく、触媒の劣化も誘発され、システムの長寿命化に不利である。

さて、本適用形態においても、カソードポンプ７１の駆動回路７１ｍには、カソードポンプ７１へ給電させる電流値を規定電流値Ｉｒｅｇ未満に制限させる電流制限要素７１ｗを備えている。このため、燃料電池１のカソード１１に供給させるカソードガス目標流量にカソードガス実流量が追従するようにカソードポンプ７１の駆動回路７１ｍに対する給電を制御させる場合において、制御部１００は、異物の存在によりカソードガス経路の通風抵抗および圧損が増加するとき、カソードポンプ７１に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを電流制限要素７１ｗによって禁止させる。よって、カソードポンプ７１に流れる電流値は規定電流値Ｉｒｅｇ未満に制限される。よって、カソードガス目標流量に対するカソードガス実流量の追従を緩和させる。

本適用形態においても、制御部１００は、カソードガスの目標流量に対して実流量が少ない偏差が所定値以上とされる時間が第３所定時間ｔ３以上連続して継続されるとき、緊急停止処理を実行することなく、正常停止処理を実行する。更に、上記した実施形態に係る通風抵抗回復処理を実行することができる。本適用形態においても、洗濯物や落ち葉等の異物の存在により吸気口５０の全部または一部が閉鎖されるおそれがある。このようなときにおいて、カソードポンプ７１に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを電流制限要素７１ｗによって禁止させることができる。更には、砂粒子等の異物の存在により第１フィルタ７９ｆおよび／または第２フィルタ７９ｓに目詰まりが発生したときにおいて、カソードポンプ７１に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを電流制限要素７１ｗによって禁止させることができる。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態および適用形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。カソード流体搬送源としては、ポンプに限らず、ブロア、ファン等の送風源を使用しても良く、要するにカソード流体をカソード１１に搬送できるものであれば良い。加熱部４０はタンク４に設けられているが、これに限らず、加熱部４０を廃止させても良い。燃料電池１は、場合によっては、固体高分子形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池またはりん酸形燃料電池に適用しても良い。スタックの発電運転が停止されている場合であっても、蒸発部が水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されているときに起動できるものであれば、固体高分子形燃料電池でも良い。使用される燃料としては、都市ガス、ＬＰＧ、バイオガス、ガソリン、灯油、アルコール等でも良い。

１は燃料電池、１０はアノード、１１はカソード、１２はスタック、２Ａは改質器、２は蒸発部、３は改質部、５は筐体、５０は吸気口（連通開口）、５１は排気口、５２は上収容室、５３は下収容室、５５は収容室、５７は連通開口、６Ｘはアノードガス経路（アノード流体経路）、６は燃料通路、６ｋはアノード流量計、６０は燃料ポンプ（燃料搬送源，アノード流体搬送源）、６０ｍは駆動回路、７Ｘはカソードガス経路（カソード流体経路）、７０はカソードガス配管（カソードガス経路）、７ｋはカソード流量計、７１はカソードポンプ（カソード流体搬送源）、７１ｍは駆動回路、７１ｗは電流制限要素（制御系）、７３はアノード流体通路（アノードガス経路）、７５は排気通路、１００は制御部（制御系）、１５０はパワーコントローラ（給電系）を示す。

Claims (6)

1. アノードおよびカソードをもつ燃料電池と、
   アノード流体を前記燃料電池の前記アノードに供給させるアノードガス経路と、
   ガス状のカソード流体を前記燃料電池の前記カソードに供給させるカソードガス経路と、
   前記カソードガス経路に設けられ前記カソード流体を前記燃料電池の前記カソードに搬送させるカソード流体搬送源と、
   前記カソードに供給させる前記カソード流体の目標流量に実流量が追従するように、前記カソード流体搬送源の駆動回路の給電を制御させ、且つ、前記カソードガス経路の通風抵抗が増加するとき、前記カソードに供給させる前記カソード流体の目標流量に対する前記実流量の追従を緩和させる制御系とを具備する燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記制御系は前記電流制限要素を備えており、前記電流制限要素は、前記カソードガス経路の通風抵抗が増加するとき、前記カソードに供給させる前記カソード流体の目標流量に対する実流量が追従するように前記カソード流体搬送源の駆動回路に対する給電を制御させる場合において、前記カソード流体搬送源に規定電流値Ｉｒｅｇ以上の過剰な電流が給電されることを禁止させ、前記目標流量に対する前記実流量の追従を緩和させる燃料電池システム。
3. 請求項１または２おいて、前記アノードに供給される前記アノード流体は水素ガスまたは水素含有ガスであり、前記カソードに供給される前記カソード流体は空気等の酸素含有ガスまたは酸素ガスであり、
   前記制御系は、（ｉ）前記燃料電池の発電運転を停止させ、且つ、前記アノード流体を前記アノードに発電停止から第１所定時間供給させつつ、前記カソード流体を前記カソードに発電停止から第２所定時間供給させる正常停止処理と、（ｉｉ）前記燃料電池の発電運転を停止させ且つ前記燃料電池に対する前記アノード流体および前記カソード流体の供給を緊急的に停止させる緊急停止処理とを実行可能であり、
   （ｉｉｉ）前記制御系は、前記カソード流体の前記目標流量に対して実流量が少ない場合における目標流量と実流量との差が所定値以上とされる時間が第３所定時間以上連続して継続されるとき、前記緊急停止処理を実行することなく、前記正常停止処理を実行する燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記制御系は、前記緊急停止処理および前記正常停止処理に先立って、前記規定電流値Ｉｒｅｇ未満の且つ所定電流値分低下させた電流値を前記カソード流体搬送源の前記駆動回路に一時的に第４所定時間給電させることにより、異物を前記カソード流体経路から離脱させて前記カソード流体経路の通風抵抗を回復させる通風抵抗回復処理を実行する燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記燃料電池および前記カソード流体搬送源を包囲する収容室と前記収容室および外気を連通させると共に前記カソード流体経路の通風抵抗を増加させる異物が密着可能な連通開口とをもつ筐体が設けられており、
   前記筐体の前記連通開口は前記カソード流体経路の一部を構成している燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のうちの一項において、原料水を溜めるタンクと、前記タンク内の前記原料水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部と、前記蒸発部で生成された前記水蒸気を用いて燃料を水蒸気改質させて前記アノード流体を形成する改質部とが設けられている燃料電池システム。

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