JP2016012488A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて硫黄成分による改質部の劣化や燃料電池の故障を抑制する。
【解決手段】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３４と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して改質部３３に供給する脱硫器１１ａ６と、改質部３３から燃料電池３４に燃料を供給する改質ガス供給管３８（燃料供給管）と脱硫器１１ａ６に改質用原料を供給する改質用原料供給管１１ａとを接続し、燃料の一部をリサイクルガスとして脱硫器１１ａ６に戻すリサイクルガス管３９と、リサイクルガス管３９に設けられ、リサイクルガスの吐出流量を調整可能であり、リサイクルガス管３９にリサイクルガスを流通させるリサイクルガスポンプ３９ａと、を備えている。
【選択図】 図１

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の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガス中の硫黄成分を除去するための脱硫器２２と、脱硫された燃料ガスを改質するための改質器４と、改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタック６とを備えている。この燃料電池システムは、脱硫器２２による燃料ガスの脱硫反応を水素を含む条件下で行うため、改質器４で改質された改質燃料ガスの一部を脱硫器２２に戻すためのリサイクル流路４８が設けられている。このリサイクル流路４８にはオリフィス部材５０が設けられており、オリフィス部材５０によって改質器４に戻される改質燃料ガスの流量が調整されている。

特開２０１１−１５９４８５号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、リサイクル流路４８にはオリフィス部材５０によって改質器４に戻される改質燃料ガスの流量が調整されているが、オリフィス部材５０の流路孔が異物によって閉塞するおそれがある。オリフィス部材５０の流路孔が異物により閉塞した場合には、リサイクル流路４８に改質燃料ガスが流れなくなり、脱硫器２２は改質燃料ガスの水素が混合されないことによって脱硫機能が低下するおそれがあった。さらに、脱硫器２２で脱硫機能が低下すると、燃料電池セルスタック６が改質燃料ガスに含まれる硫黄成分によって劣化するおそれもあった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて硫黄成分による改質部の劣化や燃料電池の故障を抑制することを目的とする。

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の発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して改質部に供給する脱硫器と、改質部から燃料電池に燃料を供給する燃料供給管と脱硫器に改質用原料を供給する改質用原料供給管とを接続し、燃料の一部をリサイクル燃料として脱硫器に戻すリサイクル燃料管と、リサイクル燃料管に設けられ、リサイクル燃料の吐出流量を調整可能であり、リサイクル燃料管にリサイクル燃料を流通させるポンプと、を備えている。

これによれば、リサイクル燃料管が閉塞したとしても、ポンプの駆動によってリサイクル燃料を積極的に流通（送出）させることが可能となる。よって、リサイクル燃料をリサイクル燃料管に確実に流通させることができる。その結果、燃料電池システムにおいて硫黄成分による改質部の劣化や燃料電池の故障を抑制することができる。

また請求項２に係る発明は、請求項１において、ポンプの駆動に関する情報に基づいて、リサイクル燃料管を通過するリサイクル燃料の通過状態を検出する検出部をさらに備えている。
これによれば、ポンプの駆動力によってリサイクル燃料を送出する構成であっても、リサイクル燃料管が閉塞する場合があるが、この場合でも検出部によってリサイクル燃料管の閉塞などの異常を早期かつ確実に検知する。よって、リサイクル燃料管の異常を検知した場合には、脱硫器、改質部や燃料電池を劣化させないような対処（燃料電池システムの停止）をすることが可能となる。

また請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２において、ポンプの上流のリサイクル燃料管に設けられ、冷媒とリサイクル燃料とが熱交換する熱交換器をさらに備えている。
これによれば、熱交換器における熱交換によってリサイクル燃料が降温されるとともにリサイクル燃料中の水蒸気が減少、除却されるため、熱交換器の下流に設置されるポンプは、耐熱性・耐水蒸気性は低くてもよい。また、ポンプにリサイクル燃料中の水蒸気や凝縮した水が流入することによる故障も防ぐことが可能である。よって、一般的に安価かつ信頼性がポンプを使用することができ、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。

また請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２において、ポンプは、リサイクル燃料中の露点温度以上の温度であるリサイクル燃料が流通可能なポンプである。
これによれば、リサイクル燃料中の水蒸気が凝縮することがないため、凝縮水によるポンプ故障を防止することが可能となる。また、改質部から流出する改質ガスは比較的高温であるため、耐熱性の高いポンプ（高温用ポンプ）を使用することにより、従来のように、リサイクル燃料管に熱交換器を設けなくても、リサイクル燃料を流通させることができる。よって、燃料電池システムの低コスト化を図りつつ、リサイクル燃料を確実に流通させることができる。

また請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、ポンプは、気体および液体の両方を吐出可能なポンプである。
これによれば、燃料電池システムの起動（暖機）運転中など、リサイクル燃料中の水蒸気が凝縮する可能性がある場合、リサイクル燃料を確実に流通させることができる。

本発明による燃料電池システムの第一実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図２に示す制御装置で実行されるプログラムのフローチャートである。 リサイクルガスの温度と流量との関係を示すマップである。 本発明による燃料電池システムの第二実施形態の概要を示す概要図である。 本発明による燃料電池システムの第三実施形態の概要を示す概要図である。

（第一実施形態）
以下、本発明による燃料電池システムの第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、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置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、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、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。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１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。

改質用原料供給管１１ａに関して詳述する。改質用原料供給管１１ａには、上流から順番に遮断弁１１ａ１、圧力センサ１１ａ３、流量センサ１１ａ２、圧力調整装置１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５および脱硫器１１ａ６が設けられている。遮断弁１１ａ１、流量センサ１１ａ２、圧力センサ１１ａ３、圧力調整装置１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５および脱硫器１１ａ６は、筐体１０ａ内に収納されている。

遮断弁１１ａ１は改質用原料供給管１１ａを制御装置１５の指令によって開閉自在に遮断する弁（２連弁）である。流量センサ１１ａ２は、燃料電池３４に供給されている燃料（改質用原料）の流量すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。圧力センサ１１ａ３は、燃料電池３４に供給されている燃料（改質用原料）の圧力（特に圧力センサ１１ａ３の設置場所の圧力）を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。

圧力調整装置１１ａ４は、入力した燃料を所定の圧力に調整して出力する。例えば、圧力調整装置１１ａ４は、入力した燃料を大気圧にて出力するゼロガバナで構成されている。原料ポンプ１１ａ５は、燃料電池３４に燃料（改質用原料）を供給する原料供給装置であり、制御装置１５からの制御指令値にしたがって供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。この原料ポンプ１１ａ５は、改質用原料を吸入し改質部３３に圧送する圧送装置である。

脱硫器１１ａ６は、改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去して改質部３３に供給するものである。脱硫器１１ａ６内には、触媒および超高次脱硫剤が収容されている。触媒においては、硫黄化合物と水素とが反応して硫化水素が発生する。例えば、触媒は、ニッケル−モリブデン系、コバルト−モリブデン系である。超高次脱硫剤としては、例えば銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−アルミニウム系脱硫剤などを用いることができる。超高次脱硫剤は、触媒にて硫黄化合物から変換された硫化水素を取り込んで除去する。このような超高次脱硫剤は、２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態で優れた脱硫作用を発揮する。したがって、脱硫器１１ａ６は、内部が２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態となる箇所に配置されている。例えば、脱硫器１１ａ６は、ケーシング３１内（断熱材層内）、またはケーシング３１外面に配置されている。

燃料電池システムは、脱硫剤として超高次脱硫剤を用いることに関連して、改質部３３にて改質された改質ガスの一部が改質用原料供給管１１ａに戻されるように構成されている。具体的には、改質ガスを戻すためのリサイクルガス管３９（リサイクル燃料管に相当する）が設けられている。リサイクルガス管３９の一端が改質ガス供給管（燃料供給管）３８に接続され、リサイクルガス管３９の他端が改質用原料供給管１１ａの脱硫器１１ａ６の上流位置に接続されている。すなわち、リサイクルガス管３９の他端は、原料ポンプ１１ａ５の配設部位と脱硫器１１ａ６の配設部位との間の部位に接続されている。なお、リサイクルガス管３９の他端は、原料ポンプ１１ａ５の配設部位と圧力調整装置１１ａ４の配設部位との間の部位に接続されるようにしてもよい。

リサイクルガス管３９には、リサイクルガスポンプ３９ａ（特許請求の範囲に記載のポンプに相当する）が設けられている。リサイクルガスポンプ３９ａは、リサイクルガスの吐出流量を調整可能であり、リサイクルガス管３９にリサイクルガスを流通させるものである。リサイクルガスポンプ３９ａは、制御装置１５からの制御指令値にしたがって改質ガス供給管３８からのリサイクルガス供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。リサイクルガスポンプ３９ａは、リサイクルガスを吸入し改質用原料供給管１１ａひいては脱硫器１１ａ６に圧送する圧送装置である。

なお、リサイクルガスポンプ３９ａは、リサイクルガス中の露点温度以上の温度（例えば１００℃以上）であるリサイクルガスが流通可能なポンプであることが望ましい。さらに、リサイクルガスポンプ３９ａは、１５０℃以上であるリサイクルガスが流通可能なポンプであることがより望ましい。また、リサイクルガスポンプ３９ａは、気体および液体の両方を吐出可能なポンプであることが望ましい。

このように、水素が含まれている改質ガス（リサイクルガス）がリサイクルされることにより、改質ガス中の水素が改質用原料に混合されて改質用原料供給管１１ａを通して脱硫器１１ａ６内の超高次脱硫剤に送給される。その結果、改質用原料中の硫黄化合物が水素と反応して硫化水素が発生し、その硫化水素が超高次脱硫剤によって除去される。

また、リサイクルガス管３９には、温度センサ３９ｂが設けられている。温度センサ３９ｂは、リサイクルガス管３９を流れるリサイクルガスの温度を検出して、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。また、リサイクルガス管３９には、温度センサ３９ｂに代えてまたは温度センサ３９ｂとともに流量センサ３９ｃを設けるようにしてもよい。流量センサ３９ｃは、リサイクルガス管３９を流れるリサイクルガスの流量を検出して、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。

さらに、リサイクルガスポンプ３９ａには、リサイクルガスポンプ３９ａの回転数（または駆動用モータの回転数）を検出する回転数センサ３９ａ１が設けられている。回転数センサ３９ａ１は、リサイクルガスポンプ３９ａの回転数を検出して、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。また、リサイクルガスポンプ３９ａには、リサイクルガスポンプ３９ａ自体の温度（以下ポンプ温度という場合もある）を検出する温度センサ３９ａ２を設けるようにしてもよい。温度センサ３９ａ２は、ポンプ温度を検出して、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。

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、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。

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を通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク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。

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。

さらに、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（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。

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。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り、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管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。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。

改質部３３は、上述した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ものである。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。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

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。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、燃料と酸化剤ガスとにより発電する。

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。

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）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて改質部３３を加熱する。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。

さらに燃料電池システムは、制御装置１５を備えている。制御装置１５には上述した流量センサ１１ａ２、圧力センサ１１ａ３、温度センサ３９ｂ、遮断弁１１ａ１、各ポンプ１１ａ５，１１ｂ１，２２ａ，３９ａ、カソードエアブロワ１１ｃ１が接続されている（図２参照）。制御装置１５はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（何れも図示省略）を備えている。ＣＰＵは燃料電池システムの運転に必要な各種プログラムを実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。

次に上述した燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムの運転中（暖機運転中、発電運転中）において、制御装置１５は、リサイクルガスポンプ３９ａを駆動させて、改質部３３からの改質ガスの一部をリサイクルガスとしてリサイクルガス管３９を介して改質用原料供給管１１ａに戻している。

このとき、制御装置１５は、リサイクルガスの流量が目標流量となるように、リサイクルガスポンプ３９ａの制御を行っている。目標流量は、発電負荷（外部電力負荷１６ｃの総電力量（但し、燃料電池３４の最大出力量（例えば７００Ｗ）を超えない範囲））に応じて決定される発電出力量に応じた改質用原料の供給量に所定比率を乗算して得た値に設定されている。制御装置１５は、目標流量に応じた制御指令値（例えばデューティ比）をリサイクルガスポンプ３９ａに出力する。

リサイクルガスポンプ３９ａの制御は、フィードバック制御でもフィードフォワード制御でもよい。いずれの場合も、例えば、リサイクルガス管３９を流れるリサイクルガスの温度（リサイクルガス温度）、リサイクルガス管３９を流れるリサイクルガスの流量（リサイクルガス流量）、リサイクルガスポンプ３９ａの回転数を制御対象とすればよい。

リサイクルガス温度を制御対象とする場合、リサイクルガス流量とリサイクルガス温度とは相関があるため、制御装置１５は、目標流量に応じた目標温度となるように、リサイクルガスポンプ３９ａの制御を行うようにすればよい。なお、リサイクルガス流量とリサイクルガス温度との相関は、リサイクルガス流量が多くなるほどリサイクルガス温度は高くなる関係である。具体的には、制御装置１５は、温度センサ３９ｂによって検出した温度が目標温度となるように、リサイクルガスポンプ３９ａの制御を行う。

また、リサイクルガス流量を制御対象とする場合、制御装置１５は、目標流量となるように、リサイクルガスポンプ３９ａの制御を行うようにすればよい。具体的には、制御装置１５は、流量センサ３９ｃによって検出した流量が目標流量となるように、リサイクルガスポンプ３９ａの制御を行う。

また、リサイクルガスポンプ３９ａの回転数を制御対象とする場合、制御装置１５は、目標流量に応じた目標回転数となるように、リサイクルガスポンプ３９ａの制御を行うようにすればよい。なお、リサイクルガス流量とリサイクルガスポンプ３９ａの回転数との相関は、リサイクルガスポンプ３９ａの回転数が大きくなるほどリサイクルガス流量が多くなる関係である。具体的には、制御装置１５は、回転数センサ３９ａ１によって検出した回転数が目標回転数となるように、リサイクルガスポンプ３９ａの制御を行う。

次に、上述した第一実施形態の燃料電池システムの作動（リサイクルガス管３９の異常検知）について説明する。制御装置１５は、燃料電池システムの運転中（暖機運転中、発電運転中）において、図３に示すフローチャートを実行している。制御装置１５は、ステップＳ１０２において、流量センサ１１ａ２によって検出された改質用原料の流量Ｆ１を取得する。

リサイクルガスポンプ３９ａが上述したように目標流量となるように制御をされているときには、リサイクルガスがリサイクルガス管３９を通過する。リサイクルガスは、改質部３３で改質された高温（約６００℃）の改質ガスの一部である。このため、リサイクルガス管３９が正常であれば、図４に示すように、リサイクルガスの温度Ｔ１は適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂ（Ｔａは適正温度の下限温度であり、Ｔｂは適正温度の上限温度である）に含まれる。所定リサイクルガス比率としようとすると、改質量原料流量に伴いリサイクルガス流量も変更となる。リサイクルガス絶対流量が変化することで適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂ値も変化するため、図４に示すリサイクルガスの適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂは、改質用原料の流量Ｆ１に応じて変動する。

制御装置１５は、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０２にて取得した改質用原料の流量Ｆ１に応じたリサイクルガスの適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂを決定する。制御装置１５は、ステップＳ１０６において、温度センサ３９ｂによって検出されたリサイクルガスの検出温度Ｔ１を取得する。制御装置１５は、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０６にて取得したリサイクルガスの検出温度Ｔ１がステップＳ１０４にて決定した適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂに含まれるか、適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより低い（下限温度Ｔａより低い）か、適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより高い（上限温度Ｔｂより高い）かを判定する。

なお、このステップＳ１０８の処理は、温度センサ３９ｂによって検出されたリサイクルガスの検出温度に基づいて、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスの通過状態を検出する処理（検出部）である。リサイクルガスの温度は、リサイクルガスポンプ３９ａの駆動に関する情報である。

リサイクルガス管３９が正常であれば、リサイクルガス管３９には改質用原料の流量Ｆ１に応じたリサイクルガスが通過し、リサイクルガスの温度は適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂに含まれる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて範囲内に含まれていると判定し、プログラムをステップＳ１１０に進めて一旦終了させる。

一方、リサイクルガス管３９が閉塞される異常が発生したときには、リサイクルガスがリサイクルガス管３９を通過しないようになる。リサイクルガス管３９が閉塞されると、温度センサ３９ｂによる検出温度が適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより低くなる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０８にてリサイクルガスの検出温度Ｔ１が適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより低いと判定してステップＳ１１２に進める。制御装置１５は、ステップＳ１１２において、リサイクルガス管３９が閉塞された状態による異常状態であると判定し、プログラムをステップＳ１１０に進めて終了させる。

また、リサイクルガス管３９からリサイクルガスが漏出する異常が発生したときには、リサイクルガス管３９に異常が発生していないときより多量のリサイクルガスが通過する。リサイクルガス管３９を多量のリサイクルガスが通過すると、温度センサ３９ｂによる検出温度が高くなる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０８にてリサイクルガスの検出温度Ｔ１が適正温度の範囲Ｔａ〜Ｔｂより高いと判定してステップＳ１１４に進める。制御装置１５は、ステップＳ１１４において、リサイクルガス管３９からりサイクルガスが漏出している異常状態であると判定し、プログラムをステップＳ１１０に進めて終了させる。

また、制御装置１５は、リサイクルガス管３９が異常である旨を検知した場合、燃料電池システムの停止運転を実行するようにしてもよい。なお、制御装置１５は、停止運転を実行する際にまたは前に、リサイクルガス管３９が異常である旨を報知するようにしてもよい。

なお、上述したように、ステップＳ１０８の処理（検出部）は、温度センサ３９ｂによって検出されたリサイクルガスの検出温度に基づいて、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスの通過状態を検出したが、リサイクルガスポンプ３９ａの駆動に関する、他の情報に基づいて、リサイクルガスの通過状態を検出するようにしてもよい。他の情報としては、リサイクルガス流量やリサイクルガスポンプ３９ａの回転数が挙げられる。

すなわち、制御対象がリサイクルガス流量である場合、制御装置１５は、流量センサ３９ｃによって検出した流量（検出流量）と、上述した目標流量を基準として設定された適正流量の範囲とを比較することにより、リサイクルガスの通過状態を検出すればよい。また、制御対象がリサイクルガスポンプ３９ａの回転数である場合、制御装置１５は、回転数センサ３９ａ１によって検出した回転数（検出回転数）と、上述した目標回転数を基準として設定された適正回転数の範囲とを比較することにより、リサイクルガスの通過状態を検出すればよい。
いずれの場合もフィードバック制御の場合には、制御装置１５は、制御指令値（例えばデューティ比）が判定値より大きくなった場合（または目標値（例えば目標流量、目標回転数）と検出値（例えば検出流量、検出回転数）との差が大きくなった場合）に、リサイクルガス管３９が閉塞してリサイクルガスが流れていないと判断するようにしてもよい。制御指令値は、上述した他の情報の一つである。

具体的には、例えば、フィードバック制御（ポンプ３９ａのＤＵＴＹ制御）をしている中で所定ＤＵＴＹ（所定制御指令値）以上（例えば９０％）になった場合、すなわち、リサイクルガス管３９の閉塞を検知することができる。閉塞した場合、リサイクルガス温度が低下し目標温度となるようにフィードバック制御でＤＵＴＹ（制御指令値）を上昇させるが、ＤＵＴＹ１００％になっても目標温度まで上昇させることができない。この場合、閉塞を検知することができる。
さらに、フィードバック制御をしている中で所定ＤＵＴＹ以下（例えば１０％）となった場合、すなわち、リサイクルガス管３９から漏れがありポンプ３９ａを駆動しなくても多量のリサイクルガスが流れる場合を検知することができる。この場合、フィードバック制御でＤＵＴＹを低減させるがＤＵＴＹ＝０％としても（ポンプ停止しても）、目標温度まで低減できない。この場合、リサイクルガス管３９からの漏れを検知することができる。

また、制御装置１５は、温度センサ３９ａ２によって検出したポンプ温度に基づいて、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスの通過状態を検出するようにしてもよい。
この場合、リサイクルガス管３９が閉塞していないとき、リサイクルガスポンプ３９ａの負荷は変動があっても正常範囲内でありポンプ温度は正常範囲内である。すなわち、ポンプ温度が正常範囲内であれば、リサイクルガスの通過状態は正常状態である。これに対して、リサイクルガス管３９が閉塞したとき、リサイクルガスポンプ３９ａの負荷は大きくなりポンプ温度が正常範囲外に上昇する。すなわち、ポンプ温度が正常範囲を超えていれば、リサイクルガスの通過状態は異常状態である。
このように、ポンプ温度に基づいて、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスの通過状態を検出することができる。

上述した説明から明らかなように、第一実施形態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３４と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して改質部３３に供給する脱硫器１１ａ６と、改質部３３から燃料電池３４に燃料を供給する改質ガス供給管３８（燃料供給管）と脱硫器１１ａ６に改質用原料を供給する改質用原料供給管１１ａとを接続し、燃料の一部をリサイクルガスとして脱硫器１１ａ６に戻すリサイクルガス管３９と、リサイクルガス管３９に設けられ、リサイクルガスの吐出流量を調整可能であり、リサイクルガス管３９にリサイクルガスを流通させるリサイクルガスポンプ３９ａ（ポンプ）と、を備えている。

これによれば、リサイクルガス管３９が閉塞したとしても、リサイクルガスポンプ３９ａの駆動によってリサイクルガスを積極的に流通（送出）させることが可能となる。よって、リサイクルガスをリサイクルガス管３９に確実に流通させることができる。その結果、燃料電池システムにおいて硫黄成分による改質部３３の劣化や燃料電池３４の故障を抑制することができる。

また、リサイクルガスポンプ３９ａの駆動に関する情報に基づいて、リサイクルガス管３９を通過するリサイクルガスの通過状態を検出する制御装置１５（検出部：ステップＳ１０８）をさらに備えている。
これによれば、リサイクルガスポンプ３９ａの駆動力によってリサイクルガスを送出する構成であっても、リサイクルガス管３９が閉塞する場合があるが、この場合でも制御装置１５（検出部）によってリサイクルガス管３９の閉塞などの異常を早期かつ確実に検知する。よって、リサイクルガス管３９の異常を検知した場合には、脱硫器１１ａ６、改質部３３や燃料電池３４を劣化させないような対処（燃料電池システムの停止）をすることが可能となる。また、燃料電池システムにおいて、改質部３３にて改質された燃料の一部を脱硫器１１ａ６に戻すリサイクルガス管３９の異常を確実に検出し、ひいては、硫黄成分による改質部３３の劣化や燃料電池３４の故障を抑制することができる。

また、リサイクルガスポンプ３９ａは、リサイクルガス中の露点温度以上の温度（例えば１００℃以上）であるリサイクルガスが流通可能なポンプである。
これによれば、リサイクルガス中の水蒸気が凝縮することがないため、凝縮水によるポンプ故障を防止することが可能となる。また、改質部３３から流出する改質ガスは比較的高温であるため、耐熱性の高いポンプ（高温用ポンプ）を使用することにより、従来のように、リサイクルガス管３９に熱交換器３９ｄを設けなくても、リサイクルガスを流通させることができる。よって、燃料電池システムの低コスト化を図りつつ、リサイクルガスを確実に流通させることができる。

また、リサイクルガスポンプ３９ａは、気体および液体の両方を吐出可能なポンプである。
これによれば、燃料電池システムの起動（暖機）運転中など、リサイクルガス中の水蒸気が凝縮する可能性がある場合、リサイクルガスを確実に流通させることができる。

（第二実施形態）
第二実施形態の燃料電池システムは、図５に示すように、圧力調整装置１１ａ４を削除するとともに逆止弁１１ａ７を設けている点で、上述した第一実施形態の燃料電池システムと異なる。逆止弁１１ａ７は、原料ポンプ１１ａ５とリサイクルガス管３９との合流点との間に設けるのが望ましい。逆止弁１１ａ７は、原料ポンプ１１ａ５から脱硫器１１ａ６への流れは許容するが、その反対向きの流れは規制するものである。

このように構成された本第二実施形態の燃料電池システムにおいても、上述した第一実施形態による作用・効果と同一の作用・効果を得ることができる。さらに、圧力調整装置１１ａ４を削除することによって、燃料電池システムの低コスト化・省スペース化（小型化）を図ることができる。

（第三実施形態）
第三実施形態の燃料電池システムは、図６に示すように、リサイクルガス管３９に熱交換器３９ｄが設けられている点で、上述した第一実施形態の燃料電池システムと異なる。熱交換器３９ｄは、冷媒とリサイクルガスとが熱交換するものである。熱交換器３９ｄは、リサイクルガス管３９のリサイクルガスポンプ３９ａより上流側に設けられている。リサイクルガスと熱交換する冷媒には改質部３３に供給する改質水が用いられ、熱交換器３９ｄには改質部３３に改質水を供給する水供給管１１ｂの一部が収容されている。リサイクルガスの熱は水供給管１１ｂを通過する改質水と熱交換される。

水供給管１１ｂには熱交換器３９ｄより上流側と下流側とに温度センサ１１ｂ２，１１ｂ３が設けられ、温度センサ１１ｂ２，１１ｂ３の検出温度は制御装置１５に送信されている。上流側の温度センサ１１ｂ２は熱交換器３９ｄを通過する前の改質水の温度を検出するものであり、下流側の温度センサ１１ｂ３は熱交換器３９ｄを通過した後の改質水の温度を検出するものである。

第三実施形態においては、制御装置１５は、上述したステップＳ１０４の処理に代えて、ステップＳ１０２にて取得した改質用原料の流量Ｆ１に応じた改質水の熱交換器３９ｄを通過する前後の温度の差ΔＴの適正温度差の範囲ΔＴａ〜ΔＴｂを決定する。
なお、上述した第三実施形態においては、冷媒として改質水を用いたが、これに代えて、カソードエア、排熱回収水（貯湯水）など、燃料電池システムに用いられている流体を用いるようにしてもよい。

このように、本第三実施形態に係る燃料電池システムは、リサイクルガスポンプ３９ａの上流のリサイクルガス管３９に設けられ、冷媒とリサイクルガスとが熱交換する熱交換器３９ｄをさらに備えている。
これによれば、熱交換器３９ｄにおける熱交換によってリサイクルガスが降温されるとともにリサイクルガス中の水蒸気が減少、除却されるため、熱交換器３９ｄの下流に設置されるリサイクルガスポンプ３９ａは、耐熱性・耐水蒸気性は低くてもよい。また、リサイクルガスポンプ３９ａにリサイクルガス中の水蒸気や凝縮した水が流入することによる故障も防ぐことが可能である。よって、一般的に安価かつ信頼性がリサイクルガスポンプ３９ａを使用することができ、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。

また、上述した実施形態の燃料電池システムの燃料電池３４は固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるが、本発明はこれに限られるものでなく、燃料電池として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）にも適用されるものである。

１１…筐体、１１ａ…改質用原料供給管、１１ａ４…圧力調整装置、１１ａ６…脱硫器、１１ａ７…逆止弁、１５…制御装置（検出部）、３３…改質部、３４…燃料電池、３８…改質ガス供給管（燃料供給管）、３９…リサイクルガス管（リサイクル燃料管）、３９ａ…リサイクルガスポンプ（ポンプ）、３９ｂ…温度センサ、３９ｃ…流量センサ、３９ｄ…熱交換器。

Claims (5)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質用原料と改質水とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
   前記改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して前記改質部に供給する脱硫器と、
   前記改質部から前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給管と前記脱硫器に前記改質用原料を供給する改質用原料供給管とを接続し、前記燃料の一部をリサイクル燃料として前記脱硫器に戻すリサイクル燃料管と、
   前記リサイクル燃料管に設けられ、前記リサイクル燃料の吐出流量を調整可能であり、前記リサイクル燃料管に前記リサイクル燃料を流通させるポンプと、
   を備えている燃料電池システム。
2. 前記ポンプの駆動に関する情報に基づいて、前記リサイクル燃料管を通過する前記リサイクル燃料の通過状態を検出する検出部をさらに備えている請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記ポンプの上流の前記リサイクル燃料管に設けられ、冷媒と前記リサイクル燃料とが熱交換する熱交換器をさらに備えている請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記ポンプは、前記リサイクル燃料中の露点温度以上の温度である前記リサイクル燃料が流通可能なポンプである請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
5. 前記ポンプは、気体および液体の両方を吐出可能なポンプである請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の燃料電池システム。

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