JP2019016500A

JP2019016500A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2019016500A
Application number: JP2017132752A
Authority: JP
Inventors: 元彦薮谷; Motohiko Yabutani
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: JP6946788B2

Abstract

【課題】簡易で低コストな構成により水位調整制御と給水制御とを適切に行なう。【解決手段】燃料電池システムは、水蒸気を用いて原料ガスを改質ガスに改質して燃料電池に供給する改質部と、水を気化して改質部に供給する気化部と、水タンクと、気化部と水タンクとに接続された水配管と、水タンク内の水を水配管を通して気化部へ送る水ポンプと、燃焼により改質部および気化部を加熱する燃焼部と、水配管における水ポンプの下流側の所定位置に設けられた流量センサと、制御装置と、を備える。制御装置は、水ポンプを駆動し流量センサが流量を検出できない非検出状態から流量を検出する検出状態に変化したことに基づいて水ポンプの駆動を停止する水位調整制御と、流量センサにより検出される流量が目標流量となるようフィードバック制御を用いて水ポンプを駆動する給水制御とを実行可能である。【選択図】図２

Description

本発明は、水蒸気を用いて原料ガスを改質ガスに改質する改質部を備える燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃焼部と、気化部と、改質部と、水を溜めるタンクと、タンク内の水を気化部へ供給する供給通路と、供給通路において気化部の入口ポートの直前の水の水位を検出する水センサと、水搬送源としてのポンプと、ポンプを制御する制御部とを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムの制御部は、燃焼部の着火前に、ポンプを逆回転させて供給通路内の水をタンクに戻し、供給通路内を空の状態としてから、ポンプを正回転させてタンク内の水を供給通路に供給し、水センサからの検知信号に基づいて供給通路における水の実際の水位を監視しながら供給通路における水の水位を気化部の入口ポートの直前の定位置に調整する。これにより、気化器への給水タイミングをより適切にして、改質水不足による改質部のコーキング（燃料の炭化現象）や、改質水過多による触媒の活性低下（性能低下）を抑制することができるとしている。

特開２０１２−１３３９１５号公報

このように特許文献１記載の燃料電池システムは、気化部への給水を適切なタイミングで行なうために、気化部の入口ポートの直前に水位センサを備えている。しかしながら、水位センサを用いて水位調整を行なっても、ポンプの吐出量がばらつくと、給水の過不足が生じてしまう。安定した吐出量を得るために、高性能なポンプを用いることも考えられるが、コストアップを招いてしまう。

本発明の燃料電池システムは、簡易で低コストな構成により水位調整制御と給水制御とを適切に行なうことを主目的とする。

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。

本発明の燃料電池システムは、
水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
水蒸気を用いて原料ガスを前記改質ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質部と、
水を気化して前記改質部に供給する気化部と、
水を蓄える水タンクと、
前記気化部と前記水タンクとに接続された水配管と、
前記水タンク内の水を前記水配管を通して前記気化部へ送る水ポンプと、
燃焼により前記改質部および前記気化部を加熱する燃焼部と、
前記水配管における前記水ポンプの下流側の所定位置に設けられ、水の単位時間あたりの流量を検出する流量センサと、
前記水ポンプを駆動し前記流量センサが流量を検出できない非検出状態から流量を検出する検出状態に変化したことに基づいて該水ポンプの駆動を停止する水位調整制御と、前記流量センサにより検出される流量が目標流量となるようフィードバック制御を用いて前記水ポンプを駆動する給水制御と、を実行可能な制御装置と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の燃料電池システムは、改質部と気化部と水タンクと水配管と水ポンプと燃焼部と流量センサと制御装置とを備えるものである。気化部と水タンクとは水配管を介して接続され、水ポンプによって水タンク内の水が気化部へ送られる。流量センサは水配管における水ポンプの下流側に設けられ、水配管内を流れる水の単位時間あたりの流量を検出する。制御装置は、水ポンプを駆動し流量センサが非検出状態から検出状態に変化したことに基づいて水ポンプの駆動を停止する水位調整制御と、流量センサにより検出される流量が目標流量となるようフィードバック制御を用いて前記水ポンプを駆動する給水制御とを実行可能である。このように、水位調整制御と給水制御とに流量センサを用いることで、簡易で低コストな構成により水位調整制御と給水制御とを適切に行なうことができる。

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、システム起動の際に、前記水位調整制御を実行した後、前記燃焼部の着火が開始されてから所定時間が経過したタイミングで前記給水制御を開始することにより前記気化部への給水を開始するものとしてもよい。これにより、システム起動の際に改質部へ供給される水の過不足を抑制することができる。

この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記気化部または前記改質部の温度を検出する温度センサを備え、前記制御装置は、前記給水制御を開始してから前記温度センサにより検出される温度がピークに達するまでに亘って前記流量センサにより検出される流量の累積値を計測し、該計測した流量の累積値に基づいて前記流量センサにより検出される流量を補正するものとしてもよい。このように、流量センサの検出値を学習することにより、給水制御の精度を更に高めることができる。また、流量センサの経年変化にも適切に対応することができる。この場合、前記制御装置は、前記計測した流量の累積値が異常値範囲内にあるときには、システムを停止させるものとしてもよい。こうすれば、流量センサの異常（故障）を判断して、適切に対応することができる。

本実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。システム制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。システム制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。改質水供給制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。システム起動時における改質器温度の変化の様子を示す説明図である。流量補正値設定用マップの一例を示す説明図である。

本発明を実施するための形態について説明する。

図１は本実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池スタック３６を有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０と、を備える。

発電ユニット２０は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を予熱する気化器３２と、原燃料ガスと水蒸気とから水素を含む燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器３３と、燃料ガスとエアとにより発電する燃料電池スタック３６とを含む発電モジュール３０と、気化器３２に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置４０と、燃料電池スタック３６にエアを供給するエア供給装置５０と、改質水タンク５７内の改質水を気化器３２に供給する改質水供給装置５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、を備える。これらは、上下に長い直方体状の筐体２２に収容されている。

筐体２２は、上下２室に区画されており、上段室には、発電モジュール３０が配置され、下段室には、原燃料ガス供給装置４０やエア供給装置５０、改質水タンク５７を含む改質水供給装置５５、排熱回収装置６０などが配置されている。また、筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられている。吸気口２２ａ付近には外気を取り込んで筐体２２の内部を換気するための換気ファン２４が設けられ、排気口２２ｂ付近には、可燃ガスの漏れを検出するための可燃ガスセンサ９５が設けられている。

改質器３３は、セラミックなどの担体に改質触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が担持されて構成され、気化器３２から供給された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応によって燃料ガス（改質ガス）に改質する。改質器３３の内部には、改質器３３の温度を検出するための温度センサ９１が設けられている。

発電モジュール３０を構成する気化器３２、改質器３３および燃料電池スタック３６は、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。気化器３２および改質器３３は、燃料電池スタック３６の上方に配置されている。モジュールケース３１内には、燃料電池スタック３６の起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部３４が設けられている。燃焼部３４には燃料電池スタック３６を通過した燃料オフガス（アノードオフガス）と酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが供給され、これらの混合ガスを点火ヒータ３５により点火して燃焼させることにより、燃料電池スタック３６や気化器３２、改質器３３を加熱する。モジュールケース３１には、燃焼部３４の温度を検出するための温度センサ９２が設けられている。燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスは、燃焼触媒３７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒３７は、燃焼部３４で燃え残った燃料ガスを触媒によって再燃焼させる酸化触媒である。

排熱回収装置６０は、発電モジュール３０から燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管６１を有する。循環配管６１には、循環ポンプ６３が設けられており、循環ポンプ６３を駆動することにより、熱交換器６２による貯湯水と燃焼排ガスとの熱交換により貯湯水を加温すると共に加温した貯湯水を貯湯タンク１０１へ貯湯する。熱交換器６２は凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して外気と接続されている。熱交換器６２に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換によって水蒸気成分が凝縮され、水精製器（図示せず）を経て改質水タンク５７に回収される。また、残りの排気ガスは、排気ガス排出管６７を介して外気へ排出される。

原燃料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原燃料ガス供給管４１を有する。原燃料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原燃料ガス供給弁（電磁弁）４２，４３、オリフィス４４、原燃料ガスポンプ４５、脱硫器４６が設けられており、原燃料ガス供給弁４２，４３を開弁した状態で原燃料ガスポンプ４５を駆動することにより、ガス供給源１からの原燃料ガスを脱硫器４６を通過させて気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原燃料ガスは、気化器３２を経て改質器３３へ供給され、燃料ガスへと改質される。原燃料ガス供給弁４２，４３は、直列に接続された２連弁である。脱硫器４６は、原燃料ガスに含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、硫黄化合物をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する常温脱硫方式などを採用することができる。また、原燃料ガス供給管４１の原燃料ガス供給弁４３とオリフィス４４との間には、当該原料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられ、オリフィス４４と原燃料ガスポンプ４５との間には、原料ガス供給管４１を流れる原燃料ガスの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ４８が設けられている。

エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池スタック３６とを接続するエア供給管５１を有する。エア供給管５１には、エアブロワ５３が設けられており、エアブロワ５３を駆動することにより、フィルタ５２を介して吸入したエアを燃料電池スタック３６へ供給する。また、エア供給管５１には、エアブロワ５３の下流側に、当該エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ５４が設けられている。

改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３２とを接続する改質水供給管５６を有する。改質水供給管５６は、筐体２２の下段室に配置された改質水タンク５７から上方に延びて筐体２２の上段室に配置された気化器３２に接続される。改質水供給管５６には、改質水ポンプ５８が設けられており、改質ポンプ５８を駆動することにより、改質水タンク５７の改質水を気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された改質水は、気化器３２で水蒸気とされ、改質器３３における水蒸気改質反応に利用される。

改質水供給管５６における気化器３２の入口直前には、改質水の単位時間あたりの流量を検出する流量センサ５９が設置されている。流量センサ５９は、本実施形態では、例えば、熱式流量計や電磁式流量計などのように、改質水の流量を非接触で検出可能な非接触タイプの流量計として構成されている。

改質水ポンプ５８は、例えばギヤポンプなどのモータ駆動のポンプとして構成されており、ポンプモータの回転方向を切り替えることで正逆両方向の液送が可能である。即ち、改質水ポンプ５８は、ポンプモータを正回転方向に駆動することにより、改質水タンク５７内の水を気化器３２へ向けて送ることができ、ポンプモータを逆回転方向に駆動することにより、改質水供給管５６内の水を改質水タンク５７へ戻すことができる。改質水ポンプ５８は、高いシール性を有し、改質水供給管５６における改質水ポンプ５８の上方且つ下流側（気化器３２側）の水が改質水ポンプ５８の下方且つ上流側（改質水タンク５７側）へ漏れるのを抑制している。但し、燃料電池システム１０の運転を停止した後、長時間が経過すると、改質水供給管５６内の水が重力等の影響により微量ずつ改質水タンク５７側に漏れ、改質水供給管５６内の水の水位が下がることが確認された。

燃料電池スタック３６は、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたものとして構成されており、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック３６の出力端子にはＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを含むパワーコンディショナ７１を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されており、燃料電池スタック３６からの直流電力は、パワーコンディショナ７１による電圧変換および直流／交流変換を経て商用電源２からの交流電力に付加されて負荷４に供給される。パワーコンディショナ７１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、換気ファン２４や原燃料ガス供給弁４２，４３、原燃料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、圧力センサ４７、流量センサ４８，５４，５９、表示パネル９０、温度センサ９１，９２、可燃ガスセンサ９５などの補機類に直流電力を供給する直流電源として機能する。

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、書き換え可能な不揮発性メモリとしてのフラッシュメモリ８４と、計時を行なうタイマ８５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４７や流量センサ４８，５４，５９、温度センサ９１、９２、可燃ガスセンサ９５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２４のファンモータへの駆動信号や原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原燃料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ５８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ７１のインバータやＤＣ／ＤＣコンバータへの制御信号、点火ヒータ３５への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル９０への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作、特に、システム起動時の動作について説明する。図２および図３は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行されるシステム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、システムの起動が許可されたときに実行される。

システム制御ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、システムの起動処理を開始する（Ｓ１００）。起動処理は、例えば、対応する補機類を順次制御し、起動準備として初期動作、脱硫器４６に燃料成分を吸着させて混合ガスの空燃比ずれを抑制する燃料吸着処理、燃焼部３４のパージ処理、燃焼部３４におけるオフガスの着火処理、水蒸気改質処理などを順次実行することにより行なう。なお、これらの起動処理は、一例であり、燃料電池システム１０の構成や補機類の状態等によっては、燃料吸着処理等を省略することもできる。

ＣＰＵ８１は、起動処理を開始すると、初期動作の一つとして、ポンプモータを予め定めた所定回転速度で回転させて改質水ポンプ５８の駆動を開始する（Ｓ１１０）。なお、改質水ポンプ５８の駆動は、ポンプモータを所定回転速度で回転させるために予め定めたデューティ比でポンプモータを制御することにより行なわれる。続いて、流量センサ５９により検出される改質水の流量（改質水流量Ｑｗ）を繰り返し入力し（Ｓ１２０）、入力した改質水流量Ｑｗが流量無しの状態から流量有りの状態に変化すると、即ち流量センサ５９が流量を検出できない非検出状態から流量を検出した検出状態に変化すると（Ｓ１３０）、改質水ポンプ５８を停止させる（Ｓ１４０）。Ｓ１１０〜Ｓ１４０の処理は、流量センサ５９を用いて改質水供給管５６内の改質水の水位を所定水位に調整するための水位調整処理であり、流量センサ５９の状態が非検出状態から検出状態に変化したタイミングで改質水ポンプ５８を停止することで、改質水の水位を、流量センサ５９の設置位置付近に調整することができる。本実施形態では、流量センサ５９は改質水供給管５６における気化器３２の入口直前に設置されているため、水位調整処理を実行することにより、改質水の水位を、気化器３２の入口直前の水位に調整することができる。

ＣＰＵ８１は、初期動作や燃料吸着処理、パージ処理を実行すると、次に、オフガスを発電モジュール３０内に充満させ点火ヒータ３５を駆動してオフガスの着火処理を開始する（Ｓ１５０）。そして、着火処理を開始してから一定時間ｔｓｅｔが経過するのを待って（Ｓ１６０）、目標流量Ｑｗ＊に予め定められた一定流量Ｑｓｅｔに設定し（Ｓ１７０）、目標流量Ｑｗ＊で改質水が気化器３２へ供給されるよう改質水ポンプ５８を駆動する改質水供給制御（給水制御）を開始する（Ｓ１８０）。一定時間ｔｓｅｔは、改質水の供給タイミングを定めたものであり、予め実験等により定めた時間が用いられる。改質水供給制御は、流量センサ５９により検出される改質水流量Ｑｗと目標流量Ｑｗ＊とに基づいてフィードバック制御を用いて改質水ポンプ５８を制御するものであり、図４に例示する改質水供給制御ルーチンを実行することにより行なわれる。即ち、まず、流量センサ５９からの改質水流量Ｑｗを入力し（Ｓ４００）、入力した改質水流量Ｑｗに流量補正係数Ｆを乗じたものを新たな改質水流量Ｑｗとすることにより改質水流量Ｑｗを補正する（Ｓ４１０）。ここで、流量補正係数Ｆは、流量センサ５９に含まれる検出誤差を補正するためのパラメータであり、初期値としては、改質水流量Ｑｗが実質的に補正されない値１．０が定められ、システム制御ルーチンの後述するＳ２７０によって適宜更新される。次に、補正後の改質水流量Ｑｗと目標流量Ｑｗ＊との偏差に基づくフィードバック制御（ＰＩＤ制御）によって改質水ポンプ５８（ポンプモータ）が実行すべきデューティ比（ポンプＤｕｔｙ）を設定する（Ｓ４２０）。そして、設定したポンプＤｕｔｙに基づいて改質水ポンプ５８のポンプモータを制御する（Ｓ４３０）。

ＣＰＵ８１は、こうして改質水給水制御を開始すると、流量累積値ΣＱｗを値０に初期化した後（Ｓ１９０）、流量センサ５９からの改質水流量Ｑｗを入力し（Ｓ２００）、入力した改質水流量Ｑｗを積算することにより流量累積値ΣＱｗを計算する（Ｓ２１０）。そして、温度センサ９１からの改質器温度を入力し（Ｓ２２０）、入力した改質器温度がピーク温度に到達したか否かを判定する（Ｓ２３０）。改質器温度がピーク温度に到達していないと判定すると、Ｓ２００に戻って、Ｓ２００〜Ｓ２３０の処理を繰り返す。図５は、システム起動時における改質器温度の変化の様子を示す説明図である。図示するように、改質器温度は、オフガスが着火されると、オフガス燃焼による発電モジュール３０の内部温度上昇に伴う改質器３３の加熱により上昇し、改質器３３に改質水が導入されるとその蒸発により熱が奪われて下降する。そして、吸熱反応である水蒸気改質反応が開始されると、水蒸気改質反応と改質水の蒸発とオフガス燃焼による改質器３３の加熱の各要素が釣り合い、安定状態に至る。したがって、改質器温度は、オフガスが着火されて改質器３３に改質水が到達する直前にピークに到達する。なお、Ｓ２３０の判定は、例えば、所定時間毎にその間に温度センサ９１により検出された改質器温度の平均値を算出し、前回に算出した改質器温度の平均値が前々回に算出した改質器温度の平均値よりも高く且つ今回に算出した改質器温度の平均値が前回に算出した改質器温度の平均値以下の場合に、改質器温度がピーク温度に達したと判定することにより行なうことができる。

ＣＰＵ８１は、改質器温度がピーク温度に到達したと判定すると、次に、気化器３２へ改質水の供給が開始されてから改質器温度がピーク温度に到達するまでに亘ってＳ２１０にて累積された流量累積値ΣＱｗが上限値を上回る過大値異常範囲と下限値を下回る過小値異常範囲とを含む異常値範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ２４０）。流量累積値ΣＱｗが異常値範囲内にあると判定すると、流量センサ５９に故障が生じていると判断して、燃料電池システム１０を異常停止すると共に（Ｓ２５０）、表示パネル９０に警告表示を行なって（Ｓ２６０）、システム制御ルーチンを終了する。流量累積値ΣＱｗは、目標流量Ｑｗ＊（一定流量Ｑｓｅｔ）に給水制御を開始してから改質器温度がピーク温度に到達するまでの経過時間を乗じて演算されるものとしてもよい。

一方、ＣＰＵ８１は、流量累積値ΣＱｗが異常値範囲内にない、即ち正常値範囲内にあると判定すると、流量累積値ΣＱｗに基づいて流量補正係数Ｆを設定してフラッシュメモリ８４に保存する（Ｓ２７０）。流量補正係数Ｆの設定は、本実施形態では、流量累積値ΣＱｗと流量補正係数Ｆとの関係を予め求めて流量補正係数設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、流量累積値ΣＱｗが与えられると、マップから対応する流量補正係数Ｆを導出することにより行なうものとした。流量補正係数設定用マップの一例を図６に示す。流量補正係数設定用マップでは、図示するように、流量累積値ΣＱｗが適正範囲に対して大きいほど値１．０よりも小さくなるよう流量補正係数Ｆが設定され、流量累積値ΣＱｗが適正範囲に対して小さいほど値１．０よりも大きくなるよう流量補正係数Ｆが設定される。なお、流量累積値ΣＱｗの適正範囲は、流量補正係数Ｆに値１．０（実質的に補正なし）が設定される不感帯となっている。なお、こうした不感帯を設けないものとしてもよい。本実施形態では、流量補正係数設定用マップを用いて流量補正係数Ｆを設定するものとしたが、流量センサ５９よりも下流側の配管の容積を、流量累積値ΣＱｗで除することにより導出するものとしてもよい。流量補正係数Ｆが設定されると、以降、設定された流量補正係数Ｆを用いて流量センサ５９により検出される改質水流量Ｑｗを補正することにより、流量センサ５９に含まれる検出誤差を補正して、正確な改質水流量Ｑｗを得ることができる。したがって、改質水ポンプ５８として過剰な性能のものを用いることなく、高い精度で改質水供給制御（給水制御）を実行することができる。

ＣＰＵ８１は、水蒸気改質処理を実行すると、発電処理を開始する（Ｓ２８０）。発電処理を開始すると、システム要求出力（負荷４の負荷指令）に基づいて原燃料ガスの目標流量Ｑｇ＊、エアの目標流量Ｑａ＊および改質水の目標流量Ｑｗ＊を設定し（Ｓ２９０）、目標流量Ｑｇ＊と目標流量Ｑａ＊とに基づいて原燃料ガス供給制御とエア供給制御とを実行すると共に（Ｓ３００）、目標流量Ｑｗ＊に基づいて改質水供給制御を実行する（Ｓ３１０）。原燃料ガス供給制御は、具体的には、システム要求出力に基づいて原燃料ガス供給装置４０が供給すべき目標流量Ｑｇ＊を設定し、設定した目標ガス流量Ｑｇ＊と流量センサ４８により検出される流量との偏差に基づくフィードバック制御によりデューティ比を設定し、設定したデューティ比に基づいて原燃料ガスポンプ４５のポンプモータを制御することにより行なわれる。エア供給制御は、原燃料ガスの目標流量に対し所定の比（空燃比）となるようにエア供給装置５０が供給すべき目標流量を設定し、設定した目標流量と流量センサ５４により検出される流量との偏差に基づくフィードバック制御によりデューティ比を設定し、設定したデューティ比に基づいてエアブロワ５３のブロワモータを制御することにより行なわれる。改質水供給制御は、システム要求出力に基づいて目標流量Ｑｗ＊を設定し、設定した目標流量Ｑｗ＊を上述した図４の改質水供給制御ルーチンに適用して実行することにより行なわれる。

ＣＰＵ８１は、Ｓ２８０〜Ｓ３００の発電処理を実行し、発電処理の実行中にシステム停止が要求されると（Ｓ３２０）、システムを停止すると共に（Ｓ３３０）、システムの停止に伴って改質水ポンプ５８を停止して（Ｓ３４０）、システム制御ルーチンを終了する。なお、システムを停止すると、改質水供給管５６内の水が改質水タンク５７側へ戻るよう改質水ポンプ５８（ポンプモータ）を逆回転方向に駆動し、改質水供給管５６内の水を空の状態とする。これにより、システム停止してから次回にシステム起動するまでの間、改質水供給管５６が凍結するおそれがなく、凍結防止用ヒータを不要とすることができる。

以上説明した実施形態の燃料電池システム１０は、改質水タンク５７と気化器３２とを接続する改質水供給５６に、改質水の流量を検出する流量センサ５９を設け、システム起動の際に、改質水ポンプ５８を駆動し、流量センサ５９が流量を検出できない非検出状態から流量を検出した検出状態に変化すると、改質水ポンプ５８を停止することにより、改質水の水位を調整する水位調整制御を実行する。また、水位調整制御を実行した後、流量センサ５９により検出される流量が目標流量となるようフィードバック制御を用いて改質水ポンプ５８を駆動する給水制御を実行する。このように、水位調整制御の実行と給水制御の実行とに流量センサ５９を用いることで、簡易で低コストな構成により水調整制御と給水制御とを適切に行なうことができる。

また、実施形態の燃料電池システム１０は、システム起動の際に、水位調整制御を実行した後、燃焼部３４の着火が開始されてから所定時間が経過したタイミングで気化器３２への給水を開始する。水位調整制御は、流量センサ５９によって精度良く行なわれるため、システム起動の際に改質部３３へ供給される水（水蒸気）に過不足が生じるのを抑制することができる。

さらに、実施形態の燃料電池システム１０は、改質器３３の温度を検出する温度センサ９１を備え、給水制御を開始してから温度センサ９１により検出される改質器温度がピーク温度に到達するまでに亘って流量センサ５９により検出される流量の累積値（流量累積値ΣＱｗ）を計測し、流量累積値ΣＱｗに基づいて流量センサ５９により検出される改質水流量Ｑｗを補正する。このように、流量センサ５９の検出値を学習することにより、給水制御の精度を更に高めることができる。また、流量センサ５９の経年変化に適切に対応することができる。

また、実施形態の燃料電池システム１０は、給水制御を開始してから温度センサ９１により検出される改質器温度がピーク温度に到達するまでの流量累積値ΣＱｗが異常値範囲内にあるときには、システムを停止させる。これにより、流量センサ５９の故障を判断して、適切に対応することができる。

実施形態では、給水制御を開始してから改質器温度がピーク温度に到達するまでの流量センサ５９の流量累積値ΣＱｗが異常値範囲内にあるときに、燃料電池システム１０を異常停止させるものとしたが、これに限定されるものではなく、改質器温度のピーク温度が上限温度を上回る高温異常範囲と下限温度を下回る低温異常範囲とを含む異常温度範囲内にあるときに、燃料電池システム１０を異常停止させるものとしてもよい。ここで、高温異常範囲は、改質器３３への改質水の供給不足により改質器３３が異常高温となって改質器３３にコーキング（燃料の炭化現象）が生じるおそれのある温度範囲であり、低温異常範囲は、改質器３３への改質水の供給過多により改質触媒が活性低下（性能低下）するおそれがある温度範囲である。また、改質器温度のピーク温度に基づいて流量センサ５９により検出される改質水流量Ｑｗを補正するための流量補正係数Ｆを設定するものとしてもよい。この場合、ピーク温度が適正温度に対して高い（改質水の供給不足）ほど小さくなるよう流量補正係数Ｆを設定し、ピーク温度が適正温度に対して低い（改質水の供給過多）ほど大きくなるよう流量補正係数Ｆを設定するものとすればよい。

実施形態では、流量累積値ΣＱｗが異常値範囲内にあるときに燃料電池システム１０を異常停止させるものとしたが、これに限定されるものではなく、給水制御を開始してから改質器温度がピーク温度に到達するまでの経過時間（改質水到達時間）を計測し、計測した改質水到達時間が異常時間範囲内にあるときに燃料電池システム１０を異常停止させるものとしてもよい。また、改質水到達時間に基づいて流量センサ５９により検出される改質水流量Ｑｗを補正するための流量補正係数Ｆを設定するものとしてもよい。この場合、改質水到達時間が適正時間に対して長い（改質水の供給不足）ほど小さくなるよう流量補正係数Ｆを設定し、改質水到達時間が適正時間に対して短い（改質水の供給過多）ほど大きくなるよう流量補正係数Ｆを設定するものとすればよい。

実施形態では、流量補正係数Ｆを用いて流量センサ５９により検出される改質水流量Ｑｗを補正するものとしたが、これに限定されるものではなく、検出精度が十分に高い流量センサを用いることで、改質水流量Ｑｗを補正しないものとしてもよい。

実施形態では、システムを停止したときに、改質水供給管５６内の水が改質水タンク５７側へ戻るよう改質水ポンプ５８（ポンプモータ）を逆回転方向に駆動し、改質水供給管５６内の水を空の状態としたが、これに限定されるものではなく、システムの起動が要求されたときに、水位調整制御の実行に先だって、改質水ポンプ５８（ポンプモータ）を逆回転方向に駆動し、改質水供給管５６内の水を空の状態としてもよい。また、水位調整制御を実行する前に、流量センサ５９が水を検出できない非検出の状態であれば、改質水ポンプ５８を逆回転方向に駆動しないものとしてもよい。

実施形態では、改質器３３の内部に温度センサ９１を設け、温度センサ９１により検出される改質器温度に基づいて異常を判定するものとしたが、気化器３２の内部に温度センサを設け、当該温度センサにより検出される気化器温度に基づいて異常を判定するものとしてもよい。この場合についても、改質器温度を気化器温度に置き換えて、システム制御ルーチンのＳ２２０，Ｓ２３０の処理を実行するものとすればよい。

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、改質器３３が改質部に相当し、気化器３２が気化部に相当し、改質水タンク５７が水タンクに相当し、改質水供給管５６が水配管に相当し、改質水ポンプ５８が水ポンプに相当し、燃焼部３４が加熱部に相当し、流量センサ５９が流量センサに相当し、制御装置８０が制御装置に相当する。また、温度センサ９１が温度センサに相当する。

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。

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。

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。

１ガス供給源、２商用電源、３電力ライン、４負荷、１０燃料電池システム、２０発電ユニット、２２筐体、２２ａ吸気口、２２ｂ排気口、２４換気ファン、３０発電モジュール、３１モジュールケース、３２気化器、３３改質器、３４燃焼部、３５点火ヒータ、３６燃料電池スタック、３７燃焼触媒、４０原燃料ガス供給装置、４１原燃料ガス供給管、４２，４３原燃料ガス供給弁、４４オリフィス、４５原燃料ガスポンプ、４６脱硫器、４７圧力センサ、４８流量センサ、５０エア供給装置、５１エア供給管、５２フィルタ、５３エアブロワ、５４流量センサ、５５改質水供給装置、５６改質水供給管、５７改質水タンク、５８改質水ポンプ、５９流量センサ、６０排熱回収装置、６１循環配管、６２熱交換器、６３循環ポンプ、６６凝縮水供給管、６７排気ガス排出管、７１パワーコンディショナ、７２電源基板、８０制御装置、８１ＣＰＵ、８２ＲＯＭ、８３ＲＡＭ、８４フラッシュメモリ、８５タイマ、９０表示パネル、９１，９２温度センサ、９５可燃ガスセンサ、１００給湯ユニット、１０１貯湯タンク。

Claims

水素を含む改質ガスと酸素を含む酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
水蒸気を用いて原料ガスを前記改質ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質部と、
水を気化して前記改質部に供給する気化部と、
水を蓄える水タンクと、
前記気化部と前記水タンクとに接続された水配管と、
前記水タンク内の水を前記水配管を通して前記気化部へ送る水ポンプと、
燃焼により前記改質部および前記気化部を加熱する燃焼部と、
前記水配管における前記水ポンプの下流側の所定位置に設けられ、水の単位時間あたりの流量を検出する流量センサと、
前記水ポンプを駆動し前記流量センサが流量を検出できない非検出状態から流量を検出する検出状態に変化したことに基づいて該水ポンプの駆動を停止する水位調整制御と、前記流量センサにより検出される流量が目標流量となるようフィードバック制御を用いて前記水ポンプを駆動する給水制御と、を実行可能な制御装置と、
を備える燃料電池システム。
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、システム起動の際に、前記水位調整制御を実行した後、前記燃焼部の着火が開始されてから所定時間が経過したタイミングで前記給水制御を開始することにより前記気化部への給水を開始する、
燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記気化部または前記改質部の温度を検出する温度センサを備え、
前記制御装置は、前記給水制御を開始してから前記温度センサにより検出される温度がピークに達するまでに亘って前記流量センサにより検出される流量の累積値を計測し、該計測した流量の累積値に基づいて前記流量センサにより検出される流量を補正する、
燃料電池システム。
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、前記計測した流量の累積値が異常値範囲内にあるときには、システムを停止させる、
燃料電池システム。