JP2016096114A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】補機の数を削減することで小型化及び低コスト化を実現する。
【解決手段】燃料処理装置12は供給路18,20,22から供給された原料ガス、空気及び水から燃料ガスを生成して排出路24へ排出し、燃料電池スタック14は供給路26,28から供給された燃料ガス及び空気により発電を行い、アノード排ガス及びカソード排ガスを排出路30,32へ排出し、バーナ16は供給路34,36から供給されたアノード排ガス及び空気により燃焼を行い、バーナ排ガスを排出路38へ排出する。排ガス排出路42に設けられたブロワ64によって発生された負圧は、各供給路18,20,22,28,36に原料を吸引する力として及び、流量調整弁44,46,48,50,52によって各供給路18,20,22,28,36を流通する原料の流量が調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池システムには、回転機(モータ)によって駆動されるポンプやブロワ、ファン等の、所謂補機が多数個設けられている。特許文献１の図１を参照し、燃料電池システムに設けられている補機の一例を説明すると、燃料処理装置(水素生成器(2))には、原料ガスを供給する原料ポンプ(5)、空気を供給する空気ポンプ(13)及び水(改質水)を供給する改質水ポンプ(10)が各々接続されている。また、燃料電池スタック(燃料電池(1))には、空気(酸化ガス)を供給するブロワ(30)及び冷却用の水を供給するポンプ(37)が各々接続されている。また、バーナ(17)には空気を供給するファン(21)が接続されており、その他に温水を循環させる温水ポンプ(42)も設けられている。

特許第５１８０４１３号公報

燃料電池システムにおいて、小型化及び低コスト化は、常に改善が要求されている重要な課題である。しかしながら、前述したように、燃料電池システムには多数個の補機が設けられているので、一層の小型化及び低コスト化は困難であった。

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、補機の数を削減することで小型化及び低コスト化を実現できる燃料電池システムを得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、原料として各々の供給路から供給された原料ガス、空気及び水から、排出物として燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスを排出路へ排出する燃料処理装置と、原料として各々の供給路から供給された、前記燃料処理装置で生成された燃料ガス及び空気により発電を行い、排出物として、アノード排ガス及びカソード排ガスを各々の排出路へ排出する燃料電池スタックと、原料として各々の供給路から供給された、前記燃料電池スタックから排出されたアノード排ガス及び空気により燃焼を行い、排出物としてバーナ排ガスを排出路へ排出するバーナと、前記燃料処理装置、前記燃料電池スタック及び前記バーナの少なくとも１つの前記排出物の排出路に設けられ、当該排出路を流通する前記排出物を前記排出路の下流側へ送出する負圧を発生させる負圧発生部と、前記燃料処理装置、前記燃料電池スタック及び前記バーナの前記原料の供給路のうち、前記負圧発生部によって発生された負圧が前記原料を吸引する力として及ぶ複数の供給路に設けられ、当該供給路を流通する前記原料の流量を調整可能な流量調整弁と、を含んでいる。

請求項１記載の発明は、燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナを備えている。上述のように、燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナには、原料が供給するための供給路及び排出物を排出するための排出路が各々設けられるが、燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナは、何れも、設けられた供給路と排出路とが連通される構成である。本願発明者等はこの事実から、燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナの何れかの排出路に、当該排出路を流通する排出物を前記排出路の下流側へ送出する負圧を発生させれば、当該負圧は、燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナの何れかの複数の供給路に、当該供給路を流通する原料を燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナの何れかに吸引する力として及ぶので、複数の供給路の各々において、原料を供給路の下流側へ送出するための補機を省略できることに想到し、本発明を成すに至った。

上記事実に基づき、請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナの少なくとも１つの排出物の排出路に設けられ、当該排出路を流通する排出物を排出路の下流側へ送出する負圧を発生させる負圧発生部と、燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナの原料の供給路のうち、負圧発生部によって発生された負圧が原料を吸引する力として及ぶ複数の供給路に設けられ、当該供給路を流通する原料の流量を調整可能な流量調整弁と、を設けている。これにより、燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナの原料の供給路のうち、負圧発生部によって発生された負圧が原料を吸引する力として及ぶ複数の供給路(流量調整弁を設けた供給路)で、原料を供給路の下流側へ送出するための補機を省略することができる。また、上記の供給路における原料の流量は流量調整弁で調整できる。従って、請求項１記載の発明によれば、補機の数を削減することで、燃料電池システムの小型化及び低コスト化を実現することができる。

なお、請求項１記載の発明において、燃料電池スタックのカソード排ガスの排出路とバーナのバーナ排ガスの排出路とが合流部で１つの排ガス排出路に合流されている場合に、負圧発生部は、請求項２に記載したように、合流部よりも下流側の排ガス排出路に設けられていることが好ましい。上記の負圧発生部の設置位置は、燃料電池システムにおける排出路の最下流の位置であり、負圧発生部で発生した負圧は、少なくとも燃料電池スタック及びバーナの各々の供給路に及ぶので、燃料電池スタックの供給路である燃料ガス及び空気の供給路、バーナの供給路であるアノード排ガス及び空気の供給路に補機を設ける必要が無くなる。

また、負圧発生部で発生する負圧の大きさが十分に大きければ、負圧発生部で発生した負圧は、燃料処理装置の各々の供給路にも及ぶので、燃料処理装置の供給路である原料ガス、空気及び水の供給路にも補機を設ける必要が無くなる。なお、請求項２記載の発明において、負圧発生部で発生する負圧の大きさを十分に大きくすることに代えて、例えば燃料処理装置の排出路(或いは燃料電池スタックのアノード排ガスの排出路)にも負圧発生部を設けるようにしてもよい。

また、請求項１又は請求項２記載の発明において、負圧発生部としては、例えば請求項３に記載したように、ブロワを適用することができるが、これに代えてファンやポンプを適用することも可能である。

また、請求項１〜請求項３の何れか１項記載の発明において、例えば請求項４に記載したように、燃料処理装置、燃料電池スタック及びバーナの原料の供給路のうち、流量調整弁が設けられた複数の供給路に設けられ、当該供給路を流通する原料の流量を検出する流量検出部と、流量調整弁が設けられた供給路を流通する原料の流量を流量検出部が検出した結果に基づいて負圧発生部の出力及び流量調整弁の開度を制御する第１制御部と、を更に含むことが好ましい。これにより、流量調整弁が設けられた供給路を流通する原料の流量を適正に制御することができる。

なお、請求項４記載の発明において、例えば請求項５に記載したように、負圧発生部の目標出力及び流量調整弁が設けられた供給路を流通する原料の目標流量を燃料電池システムの運転状態毎に記憶する第１記憶部を更に備え、第１制御部は、燃料電池システムの現在の運転状態に対応する負圧発生部の目標出力及び原料の目標流量を第１記憶部から読み出し、負圧発生部の出力を第１記憶部から読み出した目標出力に制御すると共に、流量検出部によって検出された原料の流量が第１記憶部から読み出した目標流量に一致するように流量調整弁の開度を制御することが好ましい。これにより、流量調整弁が設けられた供給路を流通する原料の流量を、燃料電池システムの運転状態毎に適正に制御することができる。

また、請求項１〜請求項３の何れか１項記載の発明において、例えば請求項６に記載したように、前記負圧発生部の出力を予め設定された目標出力に制御すると共に、流量調整弁の開度を予め設定された目標開度に制御する第２制御部を更に含むことも好ましい。この場合も、流量調整弁が設けられた供給路を流通する原料の流量を適正に制御することができる。また、第２制御部の制御は、請求項４に記載した第１制御部によるフィードバック制御とは異なるフィードフォワード制御であるので、請求項４に記載した流量検出部を省略することができ、燃料電池システムの一層の小型化及び低コスト化を実現できる。

また、請求項６記載の発明において、請求項７に記載したように、負圧発生部の目標出力及び流量調整弁の目標開度を燃料電池システムの運転状態毎に記憶する第２記憶部を更に備え、第２制御部は、燃料電池システムの現在の運転状態に対応する負圧発生部の目標出力及び流量調整弁の目標開度を第２記憶部から読み出して、負圧発生部の出力の制御及び流量調整弁の開度の制御に用いることが好ましい。これにより、流量調整弁が設けられた供給路を流通する原料の流量を、燃料電池システムの運転状態毎に適正に制御することができる。

本発明は、補機の数を削減することで小型化及び低コスト化を実現できる、という効果を有する。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態における制御系の概略ブロック図である。 目標流量テーブルの一例を示す図表である。 第１実施形態に係る燃料電池システム制御処理の内容を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 第２実施形態における制御系の概略ブロック図である。 目標開度テーブルの一例を示す図表である。 第２実施形態に係る燃料電池システム制御処理の内容を示すフローチャートである。 燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。 燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１には、本第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａが示されている。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、燃料処理装置１２、燃料電池スタック１４及びバーナ１６を備えている。

燃料処理装置１２は、原料ガス供給路１８を介して図示しないガス源に接続され、当該ガス源から原料ガス供給路１８を通じて都市ガス又はＬＰＧ等の原料ガスが供給される。原料ガス供給路１８の途中には、原料ガス供給路１８を流通する原料ガスの流量を調整可能な原料ガス流量調整弁４４と、原料ガス供給路１８を流通する原料ガスの流量を検出する原料ガス流量計５４と、が設けられている。

また、燃料処理装置１２は、改質水供給路２０を介して図示しない給水源に接続され、当該給水源から改質水供給路２０を通じて改質用の水(改質水という)が供給される。改質水供給路２０の途中には、改質水供給路２０を流通する改質水の流量を調整可能な改質水流量調整弁４６と、改質水供給路２０を流通する改質水の流量を検出する改質水流量計５６と、が設けられている。

また、燃料処理装置１２は、選択酸化空気供給路２２を介して図示しない空気源に接続され、当該空気源から選択酸化空気供給路２２を通じて選択酸化用の空気(選択酸化空気という)が供給される。選択酸化空気供給路２２の途中には、選択酸化空気供給路２２を流通する選択酸化空気の流量を調整可能な選択酸化空気流量調整弁４８と、選択酸化空気供給路２２を流通する選択酸化空気の流量を検出する選択酸化空気流量計５８と、が設けられている。

図示は省略するが、燃料処理装置１２は、改質触媒、シフト触媒及びＰＲＯＸ触媒を有している。改質触媒は、原料ガス供給路１８を通じて供給された原料ガスを、改質水供給路２０を通じて供給された改質水を利用して水蒸気改質する。シフト触媒は、改質触媒で発生した一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素と二酸化炭素に変換し、一酸化炭素濃度を低減させる。ＰＲＯＸ触媒は、貴金属触媒上で、一酸化炭素と、選択酸化空気供給路２２を通じて供給された選択酸化空気中の酸素と、を反応させて二酸化炭素に変換し、一酸化炭素を酸化除去する。

また、燃料処理装置１２には燃料ガス排出路２４の一端が接続されている。燃料処理装置１２は、以上の構成により、原料として供給された原料ガス、改質水及び選択酸化空気から、排出物として、水素ガスを含む燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスを燃料ガス排出路２４へ排出する。なお、燃料処理装置１２は、原料ガス供給路１８、改質水供給路２０及び選択酸化空気供給路２２と、燃料ガス排出路２４と、が連通している構造となっている。

燃料電池スタック１４は、燃料ガス供給路２６(燃料ガス排出路２４)を介して燃料処理装置１２に接続され、燃料処理装置１２から燃料ガスが供給される。また、燃料電池スタック１４は、カソード空気供給路２８を介して図示しない空気源に接続され、当該空気源からカソード空気供給路２８を通じてカソード供給用の空気(カソード空気という)が供給される。カソード空気供給路２８の途中には、カソード空気供給路２８を流通するカソード空気の流量を調整可能なカソード空気流量調整弁５０と、カソード空気供給路２８を流通するカソード空気の流量を検出するカソード空気流量計６０と、が設けられている。

図示は省略するが、燃料電池スタック１４は、固体高分子型の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。個々の燃料電池セルは、電解質層と、電解質層の表裏面に各々積層された燃料極(アノード極)及び空気極(カソード極)とを有している。

燃料極には燃料ガス供給路２６を通じて燃料処理装置１２から燃料ガスが供給される。燃料極では、下記の(１)式で示されるように、燃料ガス中の水素が水素イオンと電子とに分解される。燃料極で生成された水素イオンは、電解質層を通って空気極に移動し、燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に移動する。
(燃料極反応)
Ｈ_２ →２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …(１)

一方、空気極にはカソード空気供給路２８を通じてカソード空気が供給される。空気極では、下記の(２)式で示されるように、電解質層を通ってきた水素イオンと、外部回路を通ってきた電子が、酸化ガス中の酸素と反応して、水が生成される。
(空気極反応)
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ →２Ｈ_２Ｏ …(２)

そして、電子が燃料極から空気極に移動することにより、個々の燃料電池セルで発電が行われる。また、個々の燃料電池セルは、発電時に上記の反応に伴って発熱し、空気極で生成された水は水蒸気とされる。

燃料電池スタック１４にはアノード排ガス排出路３０及びカソード排ガス排出路３２の一端が各々接続されている。燃料電池スタック１４は、以上の構成により、原料として供給された燃料ガス及びカソード空気から、排出物として、電力、熱、アノード排ガス及びカソード排ガスを生成し、このうちアノード排ガスをアノード排ガス排出路３０へ排出し、カソード排ガスをカソード排ガス排出路３２へ排出する。なお、燃料電池スタック１４で生成された電力は図示しない電力負荷へ供給され、

なお、燃料電池スタック１４で生成された熱は図示しない排熱回収部によって回収される。また、燃料電池スタック１４は、燃料ガス供給路２６及びカソード空気供給路２８と、アノード排ガス排出路３０及びカソード排ガス排出路３２と、が連通している構造となっている。

バーナ１６は、バーナガス供給路３４(アノード排ガス排出路３０)を介して燃料電池スタック１４に接続されている。バーナガス供給路３４(アノード排ガス排出路３０)の途中には、アノード排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる図示しないドレンポットを含む凝縮水回収部が設けられており、水蒸気が除去されたアノード排ガスには未反応の水素ガスが残存しており、この未反応の水素ガスを含むアノード排ガスは、バーナガス供給路３４を通じてバーナガスとしてバーナ１６に供給される。

また、バーナ１６は、燃焼空気供給路３６を介して図示しない空気源に接続され、当該空気源から燃焼空気供給路３６を通じて燃焼用の空気(燃焼空気という)が供給される。燃焼空気供給路３６の途中には、燃焼空気供給路３６を流通する燃焼空気の流量を調整可能な燃焼空気流量調整弁５２と、燃焼空気供給路３６を流通する燃焼空気の流量を検出する燃焼空気流量計６２と、が設けられている。

バーナ１６にはバーナ排ガス排出路３８の一端が接続されている。バーナ１６は、原料として供給されたバーナガスと燃焼空気との混合ガスを燃焼させて燃料処理装置１２の改質触媒を加熱し、排出物としてのバーナ排ガスをバーナ排ガス排出路３８へ排出する。なお、バーナ１６は、バーナガス供給路３４及び燃焼空気供給路３６と、バーナ排ガス排出路３８と、が連通している構造になっている。

カソード排ガス排出路３２とバーナ排ガス排出路３８は合流部４０で合流され、合流部４０よりも下流側が１本の排ガス排出路４２になっており、排ガス排出路４２の途中には、排ガス排出路４２を流通する排ガスを排ガス排出路４２の下流側へ送出する負圧を発生させる排気ブロワ６４が設けられている。

次に、図２を参照して燃料電池システム１０Ａの制御系の構成を説明する。燃料電池システム１０Ａは制御部７０Ａを備えている。制御部７０Ａは、ＣＰＵ７２、ワークメモリ等として用いられるメモリ７４、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)又はフラッシュメモリを含む不揮発性の記憶部７６及びインタフェース(Ｉ／Ｆ)部７８を備えている。

記憶部７６には、ＣＰＵ７２によって実行される燃料電池システム制御プログラム８０と、目標流量テーブル８２が記憶されている。

例として図３に示すように、目標流量テーブル８２には、排気ブロワ６４の出力と、原料ガス供給路１８、改質水供給路２０、選択酸化空気供給路２２、カソード空気供給路２８及び燃焼空気供給路３６の各供給路を流通する原料の目標流量と、が燃料電池システム１０Ａの運転状態(工程)毎に記憶されている。

制御部７０ＡのＩ／Ｆ部７８には、燃料電池システム１０Ａの流量計群８４が接続され、ブロワ駆動回路８６を介して排気ブロワ６４が接続され、流量調整弁駆動回路８８を介して燃料電池システム１０Ａの流量調整弁群９０が接続されている。なお、流量計群８４には原料ガス流量計５４、改質水流量計５６、選択酸化空気流量計５８、カソード空気流量計６０及び燃焼空気流量計６２が含まれており、流量調整弁群９０には原料ガス流量調整弁４４、改質水流量調整弁４６、選択酸化空気流量調整弁４８、カソード空気流量調整弁５０及び燃焼空気流量調整弁５２が含まれている。

また、制御部７０ＡのＩ／Ｆ部７８には、表示パネルや操作スイッチを含む操作パネル９２と、燃料電池システム１０Ａの各部の状態を検出するセンサ群９４と、が接続されている。なお、センサ群９４には、燃料電池システム１０Ａが設置された建物の分電盤に設けられ消費電力を検出するＣＴセンサ等が含まれる。

なお、燃料処理装置１２は本発明における燃料処理装置の一例であり、燃料電池スタック１４は本発明における燃料電池スタックの一例であり、バーナ１６は本発明におけるバーナの一例である。また、排気ブロワ６４は本発明における負圧発生部の一例であり、原料ガス流量調整弁４４、改質水流量調整弁４６、選択酸化空気流量調整弁４８、カソード空気流量調整弁５０及び燃焼空気流量調整弁５２は本発明における流量調整弁の一例である。また、原料ガス流量計５４、改質水流量計５６、選択酸化空気流量計５８、カソード空気流量計６０及び燃焼空気流量計６２は本発明における流量検出部の一例であり、制御部７０Ａは本発明における第１制御部の一例であり、記憶部７６は本発明における第１記憶部の一例である。

次に本第１実施形態の作用として、制御部７０Ａによって実行される燃料電池システム制御処理について、図４を参照して説明する。

燃料電池システム制御処理のステップ１００において、制御部７０Ａは、燃料電池システム１０Ａが運転中か否か判定する。例えば操作パネル９２の運転スイッチがオフされている等の場合には、ステップ１００の判定が否定されて燃料電池システム制御処理を終了する。一方、操作パネル９２の運転スイッチがオンされている場合は、ステップ１００の判定が肯定されてステップ１０２へ移行する。

ステップ１０２において、制御部７０Ａは、燃料電池システム１０Ａの工程遷移条件が成立したか否か判定する。図３に示すように、燃料電池システム１０Ａの状態(工程)は、「起動工程」「発電工程」「停止工程」及び「待機工程」に大別されており、「起動工程」は更に「パージ工程」、「燃料処理装置昇温工程」及び「燃料改質工程」に細分化されている。そして、各工程には、各工程に遷移する条件が予め設定されており、制御部７０Ａは、センサ群９４の各センサによって検出された燃料電池システム１０Ａの各部の状態が、予め設定された何れかの工程の工程遷移条件に合致したか否かを判定することで、ステップ１０２の判定を行う。

燃料電池システム１０Ａの各部の状態が何れかの工程の工程遷移条件に合致した場合には、ステップ１０２の判定が肯定されてステップ１０４へ移行し、ステップ１０４において、制御部７０Ａは、目標流量テーブル８２から、遷移する工程に対応する排気ブロワ６４の出力及び各供給路１８,２０,２２,２８,３６毎の原料の目標流量を読み出す。そして、ステップ１０６において、制御部７０Ａは、排気ブロワ６４の出力を目標流量テーブル８２から読み出した排気ブロワ６４の出力に設定する。また、次のステップ１０８において、制御部７０Ａは、各流量計５４,５６,５８,６０,６２によって検出された各供給路１８,２０,２２,２８,３６を流通する原料の流量が、目標流量テーブル８２から読み出した各供給路１８,２０,２２,２８,３６毎の原料の目標流量に一致するように、各供給路１８,２０,２２,２８,３６の各流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２の開度制御を開始し、ステップ１００に戻る。

上記処理により、「パージ工程」では排気ブロワ６４が10％の出力で駆動され、排気ブロワ６４によって排ガス排出路４２に生じた負圧が各供給路１８,２０,２２,２８,３６に及ぶ。また「パージ工程」では原料ガス供給路１８、改質水供給路２０、選択酸化空気供給路２２及びカソード空気供給路２８は目標流量=0とされ、燃焼空気供給路３６のみ目標流量=20L/minとされている。このため、原料ガス流量調整弁４４、改質水流量調整弁４６、選択酸化空気流量調整弁４８及びカソード空気流量調整弁５０は全閉とされ、燃焼空気流量調整弁５２のみ、燃焼空気流量計６２によって検出された流量が目標流量に一致する開度に制御される。上記制御により、燃焼空気のみが排気ブロワ６４によって生じた負圧によりバーナ１６に供給され、バーナ１６の内部空間を燃焼空気で置換する「パージ工程」が行われる。

また、「燃料処理装置昇温工程」では排気ブロワ６４が20％の出力で駆動され、排気ブロワ６４によって排ガス排出路４２に生じた負圧が各供給路１８,２０,２２,２８,３６に及ぶ。また「燃料処理装置昇温工程」では改質水供給路２０、選択酸化空気供給路２２及びカソード空気供給路２８は目標流量=0とされ、原料ガス供給路１８は目標流量=1L/min、燃焼空気供給路３６は目標流量=10L/minとされている。このため、改質水流量調整弁４６、選択酸化空気流量調整弁４８及びカソード空気流量調整弁５０は全閉とされ、原料ガス流量調整弁４４及び燃焼空気流量調整弁５２は、流量計５４,６２によって検出された流量が目標流量に一致する開度に制御される。

上記制御により、排気ブロワ６４によって生じた負圧によって燃焼空気がバーナ１６に供給されると共に、原料ガスが原料ガス供給路１８、燃料処理装置１２、燃料ガス排出路２４(燃料ガス供給路２６)、燃料電池スタック１４、アノード排ガス排出路３０(バーナガス供給路３４)を経由してバーナ１６に供給され、燃料処理装置１２の改質触媒を所定温度まで昇温する「燃料処理装置昇温工程」が行われる。

また、「燃料改質工程」では排気ブロワ６４が40％の出力で駆動され、排気ブロワ６４によって排ガス排出路４２に生じた負圧が各供給路１８,２０,２２,２８,３６に及ぶ。また「燃料改質工程」ではカソード空気供給路２８のみ目標流量=0、原料ガス供給路１８は目標流量=2L/min、改質水供給路２０は目標流量=7cc/min、選択酸化空気供給路２２は目標流量=1L/min、燃焼空気供給路３６は目標流量=20L/minとされている。このため、カソード空気流量調整弁５０は全閉とされ、原料ガス流量調整弁４４、改質水流量調整弁４６、選択酸化空気流量調整弁４８及び燃焼空気流量調整弁５２は、流量計５４,５６,５８,６２によって検出された流量が目標流量に一致する開度に制御される。

上記制御により、排気ブロワ６４によって生じた負圧によって、原料ガス、改質水及び選択酸化空気が燃料処理装置１２に供給される。一方、燃料処理装置１２から排出された燃料ガス及び燃焼空気がバーナ１６に供給されて燃焼する。燃焼の際のエネルギーを用いて、燃料処理装置１２に供給された原料ガス、改質水及び選択酸化空気から燃料処理装置１２で燃料ガスを生成する「燃料改質工程」が行われる。

また、「発電工程」では排気ブロワ６４が50％の出力で駆動され、排気ブロワ６４によって排ガス排出路４２に生じた負圧が各供給路１８,２０,２２,２８,３６に及ぶ。また「発電工程」では原料ガス供給路１８は目標流量=3L/min、改質水供給路２０は目標流量=10cc/min、選択酸化空気供給路２２は目標流量=1.5L/min、カソード空気供給路２８は目標流量=35L/min、燃焼空気供給路３６は目標流量=10L/minとされている。このため、各流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２は流量計５４,５６,５８,６０,６２によって検出された流量が目標流量に一致する開度に制御される。なお、上記の目標流量は単なる一例であり、「発電工程」における目標流量は、ＣＴセンサによって検出される消費電力に応じて時々刻々と変化する。

上記制御により、排気ブロワ６４によって生じた負圧によって、原料ガス、改質水及び選択酸化空気が燃料処理装置１２に供給されると共に、燃料処理装置１２から排出された燃料ガス及びカソード空気が燃料電池スタック１４に供給され、燃料電池スタック１４から排出されたバーナガス及び燃焼空気がバーナ１６に供給される。そして、燃料電池スタック１４の個々の燃料電池セルの燃料極で前出の(１)式の燃料極反応が生ずると共に、個々の燃料電池セルの空気極で前出の(２)式の空気極反応が生ずることにより、燃料電池スタック１４で発電する「発電工程」が行われる。

また、「停止工程」では排気ブロワ６４が20％の出力で駆動され、排気ブロワ６４によって排ガス排出路４２に生じた負圧が各供給路１８,２０,２２,２８,３６に及ぶ。また「停止工程」ではカソード空気供給路２８のみ目標流量=0、原料ガス供給路１８は目標流量=1L/min、改質水供給路２０は目標流量=4cc/min、選択酸化空気供給路２２は目標流量=0.5L/min、燃焼空気供給路３６は目標流量=10L/minとされている。このため、カソード空気流量調整弁５０は全閉とされ、原料ガス流量調整弁４４、改質水流量調整弁４６、選択酸化空気流量調整弁４８及び燃焼空気流量調整弁５２は、流量計５４,５６,５８,６２によって検出された流量が目標流量に一致する開度に制御される。

上記の制御により、排気ブロワ６４によって生じた負圧により、原料ガス、改質水及び選択酸化空気が燃料処理装置１２に供給されると共に、燃料処理装置１２から排出された燃料ガス及び燃焼空気がバーナ１６に供給されることで、燃料電池スタック１４における発電は停止する一方、「発電工程」の再開に備えて燃料処理装置１２における燃料処理とバーナ１６の燃焼は継続する「停止工程」が行われる。

また、「待機工程」では排気ブロワ６４の駆動が停止される。また「待機工程」では各供給路１８,２０,２２,２８,３６の目標流量=0とされている。このため、各流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２は全て全閉とされる。上記制御により、燃料処理装置１２、燃料電池スタック１４及びバーナ１６が全て動作を停止する「待機工程」が行われる。

以上説明したように、本第１実施形態では、排気ブロワ６４によって排ガス排出路４２に生じた負圧が各供給路１８,２０,２２,２８,３６に及ぶ構成となっていることから、各供給路１８,２０,２２,２８,３６には、原料の流量を調整可能な流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２を設ける一方、原料を各供給路の下流側へ送出するための補機を省略している。これにより、燃料電池システム１０Ａの小型化及び低コスト化を実現できる。また、排気ブロワ６４をバーナ排ガス排出路３８とカソード排ガス排出路３２の合流部４０よりも下流に設けているので、排気ブロワ６４の数が１つで済み、燃料電池システム１０Ａの一層の小型化及び低コスト化を実現できる。

また、本第１実施形態では、燃料電池システム１０Ａの現在の工程(運転状態)に対応する各供給路１８,２０,２２,２８,３６の原料の目標流量を記憶部７６から読み出し、各流量計５４,５６,５８,６０,６２で検出した各供給路１８,２０,２２,２８,３６における原料の流量が、記憶部７６から読み出した目標流量に一致するように各流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２の開度を制御しているので、各供給路１８,２０,２２,２８,３６における原料の流量を、燃料電池システム１０Ａの運転状態毎に適正に制御することができる。

〔第２実施形態〕
次に本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図５には、本第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂが示されている。燃料電池システム１０Ｂは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、各供給路１８,２０,２２,２８,３６に設けられていた流量計５４,５６,５８,６０,６２が省略されている点で相違している。

図６には、燃料電池システム１０Ｂの制御系の概略構成を示す。燃料電池システム１０Ｂでは、第１実施形態で説明した制御部７０Ａに代えて制御部７０Ｂを備えている。制御部７０Ｂは、記憶部７６に目標流量テーブル８２に代えて目標開度テーブル９６が記憶されており、Ｉ／Ｆ部７８に流量計群８４が接続されていない点で相違している。

目標開度テーブル９６は、図７に示すように、排気ブロワ６４の出力と、各供給路１８,２０,２２,２８,３６に設けられた各流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２の目標開度と、が燃料電池システム１０Ｂの運転状態(工程)毎に記憶されている。なお、目標開度テーブル９６に記憶されている目標開度は、各供給路１８,２０,２２,２８,３６における原料の流量が目標流量テーブル８２に記憶された目標流量に一致するときの各流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２の開度を実験的に求めることで設定されている。

なお、本第２実施形態において、制御部７０Ｂは本発明における第２制御部の一例であり、記憶部７６は本発明における第２記憶部の一例である。

次に図８を参照し、本第２実施形態に係る燃料電池システム制御処理について、第１実施形態で説明した燃料電池システム制御処理と異なる部分についてのみ説明する。

本第２実施形態に係る燃料電池システム制御処理では、燃料電池システム１０Ｂの各部の状態が何れかの工程の工程遷移条件に合致することで、ステップ１０２の判定が肯定された場合にステップ１１０へ移行し、ステップ１１０において、制御部７０Ｂは、目標開度テーブル９６から、遷移する工程に対応する排気ブロワ６４の出力及び各流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２の開度を読み出す。そして、ステップ１１２において、制御部７０Ｂは、排気ブロワ６４の出力を目標開度テーブル９６から読み出した排気ブロワ６４の出力に設定する。また、次のステップ１１４において、制御部７０Ｂは、各供給路１８,２０,２２,２８,３６の各流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２の開度を、目標開度テーブル９６から読み出した各流量調整弁４４,４６,４８,５０,５２毎の目標開度に一致させる制御を行う。

上記の制御により、第１実施形態と同様に、各供給路１８,２０,２２,２８,３６における原料の流量を、燃料電池システム１０Ｂの運転状態毎に適正に制御することができる。また、本第２実施形態では、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａから流量計５４,５６,５８,６０,６２を省略しているので、燃料電池システム１０Ａと比較しても一層の小型化及び低コスト化を実現できる。

次に本発明に係る燃料電池システムの他の構成を説明する。図９に示されている燃料電池システム１０Ｃは、第２実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｂと比較して、燃料処理装置１２と燃料電池スタック１４を接続する燃料ガス排出路２４(燃料ガス供給路２６)の途中に、燃料ガス排出路２４(燃料ガス供給路２６)を流通する燃料ガスを燃料ガス排出路２４(燃料ガス供給路２６)の下流側へ送出する負圧を発生させる排気ブロワ６６が設けられている点で相違している。

燃料電池システム１０Ｂは排気ブロワが排気ブロワ６４の１個のみであるので、特に燃料処理装置１２に接続された原料ガス供給路１８、改質水供給路２０及び選択酸化空気供給路２２に原料を吸引する力を生じさせるためには、燃料処理装置１２や燃料電池スタック１４、バーナ１６における圧力損失にも依存するが、排気ブロワ６４が大幅に大型化する可能性もある。

これに対して燃料電池システム１０Ｃは、排気ブロワ６４に加えて排気ブロワ６６が設けられており、排気ブロワ６６によって発生された負圧が原料を吸引する力として原料ガス供給路１８、改質水供給路２０及び選択酸化空気供給路２２に及ぶ。このため、排気ブロワが１個のみの構成では排気ブロワを極端に大型化する必要がある等の場合に、燃料電池システム全体としての小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。なお、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａに排気ブロワ６６を追加してもよいことは言うまでもない。

また、図１０に示されている燃料電池システム１０Ｄは、図９に示した燃料電池システム１０Ｃと比較して、改質水供給路２０の途中に、改質水供給路２０を流通する改質水を改質水供給路２０の下流側へ送出するポンプ６８及び改質水流量計５６が設けられている点で相違している。

燃料電池システム１０Ｃにおいて、燃料処理装置１２に接続された原料ガス供給路１８、改質水供給路２０及び選択酸化空気供給路２２に原料を吸引する力を生じさせるために、排気ブロワ６６が発生させる必要がある負圧は、個々の供給路毎に相違している可能性がある。燃料電池システム１０Ｄでは、原料を吸引する力を生じさせるために必要な負圧が、各供給路のうち改質水供給路２０が最大である場合を想定し、改質水供給路２０にポンプ６８を追加している。

これにより、特定の供給路に原料を吸引する力を生じさせるために負圧発生部(排気ブロワ６６)が極端に大型化する必要がある等の場合に、燃料電池システム全体としての小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。なお、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａや第２実施形態で説明した燃料電池システム１０Ｂにポンプ６８を追加してもよいことは言うまでもない。

なお、上記では負圧発生部として排気ブロワ６４,６６を適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、負圧発生部としてファンやポンプ等を適用することも可能である。

また、上記では固体高分子型の燃料電池システムに本発明を適用した態様を説明したが、本発明は他の型式の燃料電池システムに適用することも可能である。

１０Ａ,１０Ｂ,１０Ｃ,１０Ｄ…燃料電池システム、１２…燃料処理装置、１４…燃料電池スタック、１６…バーナ、１８…原料ガス供給路、２０…改質水供給路、２２…選択酸化空気供給路、２４…燃料ガス排出路、２６…燃料ガス供給路、２８…カソード空気供給路、３０…アノード排ガス排出路、３２…カソード排ガス排出路、３４…バーナガス供給路、３６…燃焼空気供給路、３８…バーナ排ガス排出路、４２…排ガス排出路、４４…原料ガス流量調整弁、４４…流量調整弁、４６…改質水流量調整弁、４８…選択酸化空気流量調整弁、５０…カソード空気流量調整弁、５２…燃焼空気流量調整弁、５４…原料ガス流量計、５６…改質水流量計、５８…選択酸化空気流量計、６０…カソード空気流量計、６２…燃焼空気流量計、６４, ６６…排気ブロワ、６８…ポンプ、７０Ａ, ７０Ｂ…制御部、７６…記憶部、８２…目標流量テーブル、９６…目標開度テーブル

Claims (7)

1. 原料として各々の供給路から供給された原料ガス、空気及び水から、排出物として燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスを排出路へ排出する燃料処理装置と、
   原料として各々の供給路から供給された、前記燃料処理装置で生成された燃料ガス及び空気により発電を行い、排出物として、アノード排ガス及びカソード排ガスを各々の排出路へ排出する燃料電池スタックと、
   原料として各々の供給路から供給された、前記燃料電池スタックから排出されたアノード排ガス及び空気により燃焼を行い、排出物としてバーナ排ガスを排出路へ排出するバーナと、
   前記燃料処理装置、前記燃料電池スタック及び前記バーナの少なくとも１つの前記排出物の排出路に設けられ、当該排出路を流通する前記排出物を前記排出路の下流側へ送出する負圧を発生させる負圧発生部と、
   前記燃料処理装置、前記燃料電池スタック及び前記バーナの前記原料の供給路のうち、前記負圧発生部によって発生された負圧が前記原料を吸引する力として及ぶ複数の供給路に設けられ、当該供給路を流通する前記原料の流量を調整可能な流量調整弁と、
   を含む燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックのカソード排ガスの排出路と前記バーナのバーナ排ガスの排出路とは合流部で１つの排ガス排出路に合流されており、
   前記負圧発生部は、前記合流部よりも下流側の前記排ガス排出路に設けられている請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記負圧発生部はブロワである請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料処理装置、前記燃料電池スタック及び前記バーナの前記原料の供給路のうち、前記流量調整弁が設けられた複数の供給路に設けられ、当該供給路を流通する前記原料の流量を検出する流量検出部と、
   前記流量調整弁が設けられた供給路を流通する前記原料の流量を前記流量検出部が検出した結果に基づいて前記負圧発生部の出力及び前記流量調整弁の開度を制御する第１制御部と、
   を更に含む請求項１〜請求項３の何れか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記負圧発生部の目標出力及び前記流量調整弁が設けられた供給路を流通する前記原料の目標流量を前記燃料電池システムの運転状態毎に記憶する第１記憶部を更に備え、
   前記第１制御部は、前記燃料電池システムの現在の運転状態に対応する前記負圧発生部の目標出力及び前記原料の目標流量を前記第１記憶部から読み出し、前記負圧発生部の出力を前記第１記憶部から読み出した目標出力に制御すると共に、前記流量検出部によって検出された前記原料の流量が前記第１記憶部から読み出した目標流量に一致するように前記負圧発生部の出力及び前記流量調整弁の開度を制御する請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記負圧発生部の出力を予め設定された目標出力に制御すると共に、前記流量調整弁の開度を予め設定された目標開度に制御する第２制御部を更に含む請求項１〜請求項３の何れか１項記載の燃料電池システム。
7. 前記負圧発生部の目標出力及び前記流量調整弁の目標開度を前記燃料電池システムの運転状態毎に記憶する第２記憶部を更に備え、
   前記第２制御部は、前記燃料電池システムの現在の運転状態に対応する前記負圧発生部の目標出力及び前記流量調整弁の目標開度を前記第２記憶部から読み出して、前記負圧発生部の出力の制御及び前記流量調整弁の開度の制御に用いる請求項６記載の燃料電池システム。