JP2020187925A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガス供給管内が負圧になるのを抑止する。【解決手段】アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、水蒸気および原料ガスの混合ガスを燃料ガスに改質してアノードに供給する改質器と、ガス供給源と改質器とを接続する原料ガス供給管、原料ガス供給管に設けられた原料ガス供給弁、原料ガス供給管の原料ガス供給弁よりも下流側に設けられた原料ガスポンプを有し、ガス供給源からの原料ガスを改質器に供給する原料ガス供給装置と、を備える。そして、原料ガス供給装置は、原料ガス供給管の原料ガス供給弁と原料ガスポンプとの間に設けられると共に上流側の原料ガス供給管内の原料ガスの圧力が所定正圧以下に至ると閉弁する負圧遮断弁を更に有する。【選択図】図１

Description

本発明は、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、燃料電池と、燃料電池の上流側に設けられた改質器と、ガス源に繋がる元圧弁と改質器とを接続する燃料ガス通路と、燃料ガス通路の上流側から順に設けられる遮断弁、脱硫器、流量計、燃料ポンプ、逆止弁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では、燃料電池の目標発電量に対応するように燃料ガスの目標ガス流量を設定し、燃料ガスの流量が目標ガス流量に対応するように燃料ポンプのデューティを設定し、設定したデューティに基づいて燃料ポンプを制御する。そして、燃料ポンプのデュ−ティの正常値に対する上昇が規定時間以上に亘って継続したときや、燃料ポンプのデューティが規定値以上に上昇したときには、燃料ガスの元圧異常であると判定する。これは、燃料ガスの元圧異常が生じると、燃料ガス通路を流れる燃料ガスの単位時間当たりの流量が低下し、燃料ガスの流量を増加させるべくデューティを増加させることを考慮したものである。

特開２０１３−１９１３１２号公報

上述の燃料電池システムでは、燃料ガスの元圧異常が生じたときに、燃料ガス通路内が負圧になる可能性がある。燃料ガス通路が負圧になると、元圧弁に対して燃料電池システムと並列に接続されている他のガス機器に影響を与える可能性がある。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガス通路内が負圧になるのを抑止する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、
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
水蒸気および原料ガスの混合ガスを前記燃料ガスに改質して前記アノードに供給する改質器と、
ガス供給源と前記改質器とを接続する原料ガス供給管と、前記原料ガス供給管に設けられた原料ガス供給弁と、前記原料ガス供給管の前記原料ガス供給弁よりも下流側に設けられた原料ガスポンプとを有し、前記ガス供給源からの前記原料ガスを前記改質器に供給する原料ガス供給装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記原料ガス供給装置は、前記原料ガス供給管の前記原料ガス供給弁と前記原料ガスポンプとの間に設けられると共に上流側の前記原料ガス供給管内の前記原料ガスの圧力が所定正圧以下に至ると閉弁する負圧遮断弁を更に有する、
ことを要旨とする。

この本発明の燃料電池システムでは、原料ガス供給装置は、原料ガス供給管の原料ガス供給弁と原料ガスポンプとの間に設けられると共に上流側の原料ガス供給管内の原料ガスの圧力が所定正圧以下に至ると閉弁する負圧遮断弁を有する。これにより、ガス供給源からの原料ガスの供給に異常が生じたときでも、原料ガス供給管内が負圧になるのを抑止することができる。この結果、ガス供給源に対して燃料電池システムと並列に接続されている他のガス機器に影響を与えるのを抑制することができる。

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記原料ガス供給管内を流れる前記原料ガスのガス流量を検出する流量センサと、前記原料ガスのガス流量が所定流量以下に至ったとき、または、前記ガス流量と目標ガス流量との乖離程度が所定乖離程度以上に至ったときに、前記ガス供給源からの前記原料ガスの供給に異常が生じたと判定する異常判定部とを備えるものとしてもよい。また、前記原料ガス供給管内を流れる前記原料ガスのガス流量を検出する流量センサと、前記原料ガスのガス流量と目標ガス流量との差分が打ち消されるように前記原料ガスポンプのデューティを設定し、前記デューティに基づいて前記原料ガスポンプを制御する制御部と、前記デューティが所定デューティ以上に至ったときに、前記ガス供給源からの前記原料ガスの供給に異常が生じたと判定する異常判定部とを備えるものとしてもよい。これらのようにすれば、ガス供給源からの原料ガスの供給に異常が生じたことを検知することができる。

これらの場合、前記異常判定部は、前記ガス供給源からの前記原料ガスの供給に異常が生じたと判定すると、前記原料ガス供給弁を閉弁するものとしてもよい。こうすれば、燃料電池システムをガス供給源から遮断することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記負圧遮断弁は、前記原料ガス供給管の上流側と下流側とを連通する連通孔を有するボディと、前記ボディの所定部分に当接して前記連通孔を遮蔽可能であると共に上流側の前記原料ガス供給管内の前記原料ガスの圧力により前記所定部分から離間する側に付勢される弁体と、前記弁体を前記所定部分に当接させる側に付勢する付勢部材とを備え、前記所定部分は、前記燃料電池システムの上下方向に延在するものとしてもよい。こうすれば、所定部分に異物が付着するのを抑制し、異物に負圧遮断弁の閉弁が阻害されるのを抑制することができる。

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。 負圧遮断弁４４の構成の概略を示す構成図である。 制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。 ガスメータ１ａの遮断機能が作動したときの様子の一例を示す説明図である。 制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。 制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。 負圧遮断弁４４Ｂの構成の概略を示す構成図である。

次に、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、気化器３２と改質器３３と燃料電池スタック３６とを有する燃料電池モジュール３０と、気化器３２に原料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原料ガス供給装置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、気化器３２に改質水を供給する改質水供給装置５５と、燃料電池モジュール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、筐体２２に収容されている。なお、筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられ、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が設けられている。

気化器３２は、改質水供給装置５５からの改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原料ガス供給装置４０からの原料ガスを予熱する。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の入口付近には、気化器３２の温度（気化器温度Ｔｖ）を検出するための温度センサ９１が設けられている。

気化器３２、改質器３３、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。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。燃焼部３４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、燃料電池モジュール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におけ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り水蒸気成分が凝縮され、凝縮された水（凝縮水）が図示しない水精製器によって浄化されて改質水タンク５７に回収される。また、残りの排気ガス（ガス成分）は、排気ガス排出管６７を介して外気へ排出される。

原料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原料ガス供給管４１を有する。原料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原料ガス供給弁（電磁弁）４２，４３、流量センサ４８、原料ガスポンプ４５、脱硫器４６が設けられており、原料ガスポンプ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へ供給された原料ガスは、気化器３２を経由して改質器３３へ供給され、燃料ガスへと改質される。

原料ガス供給管４１には、ガス供給源１からの原料ガスがガスマイコンメータ（以下、「ガスメータ」という）１ａを介して導入される。なお、ガスマイコンメータ１ａの下流側には、燃料電池システム１０とは並列に、他のガス機器１ｂも接続されている。他のガス機器１ｂとしては、例えば、調理機器や温水機器、暖房機器などを挙げることができる。原料ガス供給弁４２，４３は、直列に接続された２連弁である。流量センサ４８は、原料ガス供給管４１内を流れる原料ガスの単位時間当たりの流量（ガス流量Ｆｇ）を検出する。脱硫器４６は、原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。なお、脱硫方式は、常温脱硫方式に限られず、種々の方式を採用し得る。

原料ガス供給管４１の原料ガス供給弁４２，４３と流量センサ４８との間には、負圧遮断弁４４が設けられている。図２は、負圧遮断弁４４の構成の概略を示す構成図である。負圧遮断弁４４は、図２に示すように、円筒状のバルブボディ４４０と、バルブボディ４４０内にその軸方向（図２の左右方向）に移動自在に配置される弁体４４５と、弁体４４５を付勢するスプリング４４９とを有する。バルブボディ４４０は、筒状部４４１と、筒状部４４１の一端部から径方向内側に延出される略円形状の側壁部４４２と、筒状部４４１の他端部から径方向内側に延出される側壁部４４３とを有する。筒状部４４１の側壁部４４２との境界付近には、径方向に貫通する貫通孔４４１ｈが形成されている。側壁部４４２の中央には、側壁部４４３側に向かって延出される円錐台状の円錐台部４４２ａと、円錐台部４４２ａを含んで軸方向に貫通する貫通孔４４２ｈとが形成されている。円錐台部４４２ａの端面４４２ｂは、燃料電池システム１０の上下方向に延在する。なお、バルブボディ４４０の円錐台部４４２ａの端面４４２ｂは、本発明の「ボディの所定部分」に相当する。貫通孔４４１ｈの直径は、貫通孔４４２ｈの直径よりも大きく、貫通孔４４１ｈは、上流側の原料ガス供給管４１に連通しており、貫通孔４４２ｈは、下流側の原料ガス供給管４１に連通している。側壁部４４３の中央には、側壁部４４２側に向かって延出される円柱状の柱状部４４３ａと、柱状部４４３ａを含んで軸方向に貫通する貫通孔４４３ｈとが形成されている。

弁体４４５は、有底筒状の本体部４４６と、本体部４４６に取り付けられる円形状のシール部４４７とを有する。本体部４４６は、円形状の円形部４４６ａと円形部４４６ａの外周から軸方向に延出される筒状の筒状部４４６ｂとを有する。本体部４４６は、円形部４４６ａが側壁部４４２側で本体部４４６が側壁部４４３側となるようにバルブボディ４４０内に配置される。シール部４４７は、本体部４４６の外径よりも十分に小さく且つ貫通孔４４２ｈの直径よりも若干大きい外径を有し、円形部４４６ａの筒状部４４６ｂとは反対側の中央に取り付けられる。このシール部４４７の端面４４７ａは、側壁部４４２の端面４４２ｂと同様に、燃料電池システム１０の上下方向に延在する。バルブボディ４４０の筒状部４４１の内周と弁体４４５の筒状部４４６ｂの外周との間には、シール部材４４８が配置されている。スプリング４４９は、側壁部４４３の柱状部４４３ａと本体部４４６の円形部４４６ａとの間に配置され、シール部４４７が側壁部４４２の端面４４２ｂの貫通孔４４２ｈ周辺の部分に当接するように付勢する。

この負圧遮断弁４４は、上流側の原料ガス供給管４１内の原料ガスの圧力（以下、「原料ガスの供給圧」という）が比較的高いとき（例えば、１．０ｋＰａ〜３．３ｋＰａ程度の正圧のとき）には、原料ガスの供給圧によって弁体４４５（本体部４４６の円形部４４６ａ）が受ける力がスプリング４４９の弾性力によって弁体４４５（円形部４４６ａ）が受ける力に比して十分に大きいことにより、弁体４４５（本体部４４６およびシール部４４７）が側壁部４４２の端面４４２ｂから離間し、バルブボディ４４０の筒状部４４１および側壁部４４２と弁体４４５とシール部材４４８とにより形成される空間４４０ｓを介して上流側の原料ガス供給管４１と下流側の原料ガス供給管４１とが連通する。即ち、負圧遮断弁４４は開弁する。

これに対して、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じて、原料ガスの供給圧が低下すると、原料ガスの供給圧によって弁体４４５（本体部４４６の円形部４４６ａ）が受ける力が小さくなり、弁体４４５が側壁部４４２の端面４４２ｂに接近する。そして、弁体４４５のシール部４４７が側壁部４４２の端面４４２ｂの貫通孔４４２ｈ周辺の部分に当接すると、貫通孔４４２ｈが遮蔽され、上流側の原料ガス供給管４１と下流側の原料ガス供給管４１とが遮断される。即ち、負圧遮断弁４４が閉弁する。なお、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じたときとしては、例えば、ガス供給源１が故障したときや、ガス供給源１側の配管が損傷したとき、ガスメータ１ａの遮断機能が作動したときなどを挙げることができる。

実施形態では、負圧遮断弁４４は、原料ガスの供給圧が所定正圧Ｐｇ１（例えば、０．２ｋＰａ〜０．３ｋＰａ程度の正圧）よりも若干高い所定正圧Ｐｇ２（例えば、所定正圧Ｐｇ１よりも０．１ｋＰａ〜０．２ｋＰａ程度高い正圧）以下に至ると、原料ガスの供給圧の低下に伴って弁体４４５が側壁部４４２の端面４４２ｂに接近し、原料ガスの供給圧が所定正圧Ｐｇ１以下に至ると、閉弁するように構成されるものとした。こうした負圧遮断弁４４を備えることにより、原料ガス供給管４１内が負圧になるのを抑止することができる。この結果、燃料電池システム１０が他のガス機器１ｂに供給された原料ガスを吸引して他のガス機器１ｂに影響を与えるのを抑制することができる。

また、実施形態では、負圧遮断弁４４は、側壁部４４２の端面４４２ｂおよび弁体４４５のシール部４４７の端面４４７ａが燃料電池システム１０の上下方向に延在するから、側壁部４４２の端面４４２ｂやシール部４４７の端面４４７ａに異物が付着するのを抑制し、異物により負圧遮断弁４４の閉弁が阻害されるのを抑制することができる。さらに、負圧遮断弁４４を設けることにより、原料ガス供給弁４２，４３および負圧遮断弁４４に合成オリフィスの機能を持たせることができる。

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、エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量（エア流量Ｆａ）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には、改質水ポンプ５８が設けられており、改質水ポンプ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。また、改質水タンク５７には、貯蔵される改質水を精製するための図示しない水精製器が設けられている。

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である。燃料電池スタック３６は、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の近傍または内部には、燃料電池スタック３６の温度（スタック温度Ｔｓ）を検出する温度センサ９３が設けられている。燃料電池スタック３６の出力端子にはパワーコンディショナ７０を介して商用電力系統２から負荷４への電力ライン３が接続されている。

パワーコンディショナ７０は、燃料電池スタック３６から出力された直流電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ〜３００Ｖ）まで昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータや、昇圧された直流電圧を商用電力系統２と連系可能な交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するインバータを有する。パワーコンディショナ７０から分岐した電力ラインには電源基板７８が接続されている。電源基板７８は、燃料電池スタック３６から出力された直流電圧や商用電力系統２からの交流電圧を補機類の作動に適した直流電圧に変換して補機類に供給するものである。実施形態では、補機類としては、原料ガス供給弁４２，４３や原料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３などがある。

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、データを記憶保持する不揮発性のＥＥＰＲＯＭ８４と、計時を行なう図示しないタイマと、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置８０には、流量センサ４８，５４や温度センサ９１〜９３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料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原料ガスポンプ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７０（ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータ）への制御信号、電源基板７８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８８への表示制御信号や警報器８９への発報信号などが出力ポートを介して出力されている。

こうして構成された燃料電池システム１０では、負荷４が要求する要求出力に基づくシステム要求値（システム要求出力）を入力し、入力したシステム要求値に基づいて燃料電池スタック３６の目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊を設定し、設定した目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊に応じて原料ガス供給装置４０と改質水供給装置５５とエア供給装置５０とを制御する発電制御を実行する。具体的には、原料ガス供給装置４０の制御は、目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊に基づいて原料ガス供給装置４０が供給すべき目標ガス流量Ｆｇ＊を設定し、目標ガス流量Ｆｇ＊と流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇ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Ｄｇを設定し、設定したデューティＤｇに基づいて原料ガスポンプ４５のポンプモータを制御することにより行なわれる。改質水供給装置５５の制御は、改質器３３に供給される原料ガスの単位時間当たりの流量に対する水蒸気の単位時間当たりの流量の比率であるスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）が原料ガスの種類に応じて予め定められた所定の比率となるように目標改質水流量Ｆｗ＊を設定し、設定した目標改質水流量Ｆｗ＊に基づいてデューティＤｗを設定し、設定したデューティＤｗに基づいて改質水ポンプ５８のポンプモータを制御することにより行なわれる。エア供給装置５０の制御は、原料ガスの目標ガス流量Ｆｇ＊に対して所定の比率（空燃比）となるようにエア供給装置５０が供給すべき目標エア流量Ｆａ＊を設定し、設定した目標エア流量Ｆａ＊と流量センサ５４により検出されるエア流量Ｆａ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Ｄａを設定し、設定したデューティＤａ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。

次に、燃料電池システム１０の動作、特に、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じたときの動作について説明する。図３は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。

図３の処理ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、原料ガスポンプ４５を駆動している（上述の原料ガス供給装置４０の制御を実行している）か否かを判定し（ステップＳ１００）、原料ガスポンプ４５を駆動していないときには、ステップＳ１００に戻る。

ステップＳ１００で原料ガスポンプ４５を駆動しているときには、流量センサ４８からのガス流量Ｆｇを入力し（ステップＳ１１０）、入力したガス流量Ｆｇを閾値Ｆｇｒｅｆと比較する（ステップＳ１２０）。ここで、ガス流量Ｆｇｒｅｆは、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じた（これに伴って負圧遮断弁４４が閉弁した）か否かの判定に用いられる閾値である。ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じて原料ガスの供給圧が低下すると、ガス流量Ｆｇが少なくなる。そして、原料ガスの供給圧が所定正圧Ｐｇ１以下に至って負圧遮断弁４４が閉弁すると、ガス流量Ｆｇが更に少なくなる（値０になる）。ステップＳ１２０の処理は、これを考慮して行なわれる。

ステップＳ１２０でガス流量Ｆｇが閾値Ｆｇｒｅｆよりも多いときには、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じていない（負圧遮断弁４４が開弁している）と判断し、ステップＳ１００に戻る。

ステップＳ１２０でガス流量Ｆｇが閾値Ｆｇｒｅｆ以下のときには、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じた（これに伴って負圧遮断弁４４が閉弁した）と判断する。このようにして、ガス供給源１からの原料ガスの供給の異常を検知することができる。そして、この場合、警報器８９を発報させると共に（ステップＳ１３０）、システム停止を行なって（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。システム停止では、原料ガス供給弁４２，４３の閉弁や、原料ガスポンプ４５と改質水ポンプ５８とエアブロワ５３との駆動停止などが行なわれる。原料ガス供給弁４２，４３を閉弁することにより、燃料電池システム１０をガス供給源１から遮断することがでできる。

図４は、ガスメータ１ａの遮断機能が作動したときの様子の一例を示す説明図である。図示するように、時刻ｔ１にガスメータ１ａの遮断機能が作動すると、原料ガスの供給圧が低下し、これに伴って原料ガス供給管４１のガス流量Ｆｇが低下し、これに伴って原料ガスポンプ４５の制御に用いるデューティＤｇが上昇する。そして、時刻ｔ２に原料ガスの供給圧が所定正圧Ｐｇ１以下に至ると、負圧遮断弁４４が閉弁し、時刻ｔ３にガス流量Ｆｇが閾値Ｆｇｒｅｆ以下に至ると、ガス供給源１からの原料ガスの供給の異常を検知する。負圧遮断弁４４が閉弁することにより、原料ガス供給管４１内が負圧になるのを抑止することができる。この結果、燃料電池システム１０が他のガス機器１ｂに供給された原料ガスを吸引して他のガス機器１ｂに影響を与えるのを抑制することができる。また、ガス供給源１からの原料ガスの供給の異常の検知に、ガス流量Ｆｇを用いることにより、ガス流量Ｆｇと目標ガス流量Ｆｇ＊との偏差に基づくデューティＤｇを用いる場合に比して、ガス供給源１からの原料ガスの供給の異常を早いタイミングで検知することができると考えられる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、原料ガス供給管４１の原料ガス供給弁４２，４３と原料ガスポンプ４５との間に負圧遮断弁４４を設ける。これにより、原料ガス供給管４１内が負圧になるのを抑止することができる。この結果、燃料電池システム１０が他のガス機器１ｂに供給された原料ガスを吸引して他のガス機器１ｂに影響を与えるのを抑制することができる。

また、燃料電池システム１０では、原料ガス供給管４１を流れる原料ガスの単位時間当たりの流量（ガス流量Ｆｇ）が閾値Ｆｇｒｅｆ以下に至ると、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じた（これに伴って負圧遮断弁４４が閉弁した）と判断する。このようにして、ガス供給源１からの原料ガスの供給の異常を検知することができる。そして、この異常を検知すると原料ガス供給弁４２，４３を閉弁することにより、燃料電池システム１０をガス供給源１から遮断することがでできる。

上述の実施形態では、制御装置８０のＣＰＵ８１は、図３の処理ルーチンを実行するものとしたが、これに代えて、図５や図６の処理ルーチンを実行するものとしてもよい。図５や図６の処理ルーチンは、ステップＳ１１０，Ｓ１２０の処理をステップＳ１１０ｂ，Ｓ１２０ｂの処理やステップＳ１１０ｃ，Ｓ１２０ｃの処理に置き換えた点を除いて、図２の処理ルーチンと同一である。したがって、同一の処理については同一のステップ番号を付し、詳細な説明を省略する。以下、順に説明する。

図５の処理ルーチンでは、制御装置８０のＣＰＵ８１は、ステップＳ１００で原料ガスポンプ４５を駆動していると判定すると、流量センサ４８からガス流量Ｆｇに加えて、原料ガスポンプ４５の制御に用いた目標ガス流量Ｆｇ＊も入力し（ステップＳ１１０）、目標ガス流量Ｆｇ＊からガス流量Ｆｇを減じてこれを目標ガス流量Ｆｇ＊で除した値（（Ｆｇ＊−Ｆｇ）／Ｆｇ＊）の絶対値を閾値ΔＦｇｒｅｆと比較する（ステップＳ１２０ｂ）。

ここで、値（（Ｆｇ＊−Ｆｇ）／Ｆｇ＊）の絶対値は、ガス流量Ｆｇと目標ガス流量Ｆｇ＊との乖離程度を意味する。また、閾値ΔＦｇｒｅｆは、上述の閾値Ｆｇｒｅｆと同様に、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じた（これに伴って負圧遮断弁４４が閉弁した）か否かの判定に用いられる閾値である。ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じて原料ガスの供給圧が低下すると、ガス流量Ｆｇが少なくなり、ガス流量Ｆｇと目標ガス流量Ｆｇ＊との乖離程度が大きくなる。そして、原料ガスの供給圧が所定正圧Ｐｇ１以下に至って負圧遮断弁４４が閉弁すると、ガス流量Ｆｇが更に少なくなり、ガス流量Ｆｇと目標ガス流量Ｆｇ＊との乖離程度が更に大きくなる。ステップＳ１２０ｂの処理は、これを考慮して行なわれる。

ステップＳ１２０ｂで値（（Ｆｇ＊−Ｆｇ）／Ｆｇ＊）の絶対値が閾値ΔＦｇｒｅｆ未満のときには、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じていない（負圧遮断弁４４が開弁している）と判断し、ステップＳ１００に戻る。

ステップＳ１２０ｂで値（（Ｆｇ＊−Ｆｇ）／Ｆｇ＊）の絶対値が閾値ΔＦｇｒｅｆ以上のときには、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じた（これに伴って負圧遮断弁４４が閉弁した）と判断し、上述のステップＳ１３０，Ｓ１４０の処理を実行して、本ルーチンを終了する。このようにして、値（（Ｆｇ＊−Ｆｇ）／Ｆｇ＊）の絶対値を用いても、ガス供給源１からの原料ガスの供給の異常を検知することができる。

図５の処理ルーチンでは、ガス供給源１からの原料ガスの供給の異常の有無の判定に、目標ガス流量Ｆｇ＊からガス流量Ｆｇを減じてこれを目標ガス流量Ｆｇ＊で除した値（（Ｆｇ＊−Ｆｇ）／Ｆｇ＊）の絶対値を用いるものとしたが、目標ガス流量Ｆｇ＊からガス流量Ｆｇを減じた値（Ｆｇ＊−Ｆｇ）の絶対値を用いるものとしてもよい。

図６の処理ルーチンでは、制御装置８０のＣＰＵ８１は、ステップＳ１００で原料ガスポンプ４５を駆動していると判定すると、原料ガスポンプ４５の制御に用いたデューティＤｇを入力し（ステップＳ１１０ｃ）、入力したデューティＤｇを閾値Ｄｇｒｅｆと比較する（ステップＳ１２０ｃ）。

ここで、閾値Ｄｇｒｅｆは、上述の閾値Ｆｇｒｅｆや閾値ΔＦｇｒｅｆと同様に、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じた（これに伴って負圧遮断弁４４が閉弁した）か否かの判定に用いられる閾値である。ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じて原料ガスの供給圧が低下すると、ガス流量Ｆｇが目標ガス流量Ｆｇ＊に対して少なくなり、デューティＤｇが大きくなる。そして、原料ガスの供給圧が所定正圧Ｐｇ１以下に至って負圧遮断弁４４が閉弁すると、ガス流量Ｆｇが目標ガス流量Ｆｇ＊に対して更に少なくなり、デューティＤｇが更に大きくなる。ステップＳ１２０ｃの処理は、これを考慮して行なわれる。

ステップＳ１２０ｃでデューティＤｇが閾値Ｄｇｒｅｆ未満のときには、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じていない（負圧遮断弁４４が開弁している）と判断し、ステップＳ１００に戻る。

ステップＳ１２０ｃでデューティＤｇが閾値Ｄｇｒｅｆ以上のときには、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じた（これに伴って負圧遮断弁４４が閉弁した）と判断し、上述のステップＳ１３０，Ｓ１４０の処理を実行して、本ルーチンを終了する。このようにして、デューティＤｇを用いても、ガス供給源１からの原料ガスの供給の異常を検知することができる。

図３の処理ルーチンでは、ガス流量Ｆｇが閾値Ｆｇｒｅｆ以下のとき、図５の処理ルーチンでは、値（（Ｆｇ＊−Ｆｇ）／Ｆｇ＊）の絶対値が閾値ΔＦｇｒｅｆ以上のとき、図６の処理ルーチンでは、デューティＤｇが閾値Ｄｇｒｅｆ以上のときに、それぞれガス供給源１からの原料ガスの供給の異常を検知するものとした。しかし、ガス流量Ｆｇが閾値Ｆｇｒｅｆ以下の状態が所定時間に亘って継続したとき、値（（Ｆｇ＊−Ｆｇ）／Ｆｇ＊）の絶対値が閾値ΔＦｇｒｅｆ以上の状態が所定時間に亘って継続したとき、デューティＤｇが閾値Ｄｇｒｅｆ以上の状態が所定時間に亘って継続したときに、それぞれガス供給源１からの原料ガスの供給の異常を検知するものとしてもよい。こうすれば、ガス供給源１からの原料ガスの供給の異常の誤検知を抑制することができる。

上述の実施形態では、負圧遮断弁４４は、原料ガス供給管４１の原料ガス供給弁４２，４３と流量センサ４８との間に設けられるものとしたが、原料ガス供給管４１の流量センサ４８と原料ガスポンプ４５との間に設けられるものとしてもよい。

上述の実施形態では、図２のように構成される負圧遮断弁４４を用いるものとしたが、これに代えて、図７のように構成される負圧遮断弁４４Ｂを用いるものとしてもよい。図７の負圧遮断弁４４Ｂは、負圧遮断弁４４に比して、貫通孔４４２ｈの内径およびシール部４４７の外径が大きい点や、貫通孔４４１ｈの内径が小さい点、貫通孔４４２ｈが上流側の原料ガス供給管４１に連通すると共に貫通孔４４２ｈが下流側の原料ガス供給管４１に連通する点を除いて、図２の負圧遮断弁４４と同様に構成されている。貫通孔４４２ｈの直径は、貫通孔４４１ｈの直径よりも大きく設計されており、シール部４４７の外径は、本体部４４６の外径よりも若干小さく且つ貫通孔４４２ｈの直径よりも若干大きく設計されている。

この負圧遮断弁４４Ｂは、原料ガスの供給圧が比較的高いとき（例えば、１．０ｋＰａ〜３．３ｋＰａ程度の正圧のとき）には、原料ガスの供給圧によって弁体４４５（シール部４４７）が受ける力がスプリング４４９の弾性力によって弁体４４５（本体部４４６の円形部４４６ａ）が受ける力に比して十分に大きいことにより、弁体４４５（本体部４４６およびシール部４４７）が側壁部４４２の端面４４２ｂから離間し、空間４４０ｓを介して上流側の原料ガス供給管４１と下流側の原料ガス供給管４１とが連通する。即ち、負圧遮断弁４４は開弁する。

これに対して、ガス供給源１からの原料ガスの供給に異常が生じて、原料ガスの供給圧が低下すると、原料ガスの供給圧によって弁体４４５（シール部４４７）が受ける力が小さくなり、弁体４４５が側壁部４４２の端面４４２ｂに接近する。そして、弁体４４５のシール部４４７が側壁部４４２の端面４４２ｂの貫通孔４４２ｈ周辺の部分に当接すると、貫通孔４４２ｈが遮蔽され、原上流側の原料ガス供給管４１と下流側の原料ガス供給管４１とが遮断される。即ち、負圧遮断弁４４が閉弁する。負圧遮断弁４４Ｂは、負圧遮断弁４４と同様に、原料ガスの供給圧が所定正圧Ｐｇ１以下に至ると閉弁するように構成されるものとした。こうした負圧遮断弁４４Ｂを備える場合でも、負圧遮断弁４４を備える場合と同様の効果を奏することができる。

上述の実施形態では、側壁部４４２の端面４４２ｂおよび弁体４４５のシール部４４７の端面４４７ａは、燃料電池システム１０の上下方向に延在するものとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、燃料電池システム１０の左右方向などに延在するものとしてもよい。

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、燃料電池スタック３６が「燃料電池」に相当し、改質器３３が「改質器」に相当し、原料ガス供給装置４０が「原料ガス供給装置」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 商用電力系統、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 燃料電池モジュール、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 原料ガス供給装置、４１ 原料ガス供給管、４２，４３ 原料ガス供給弁、４４，４４Ｂ 負圧遮断弁、４５ 原料ガスポンプ、４６ 脱硫器、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、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、７０ パワーコンディショナ、７８ 電源基板、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８４ ＥＥＰＲＯＭ、８８ 表示パネル、８９ 警報器、９１ 温度センサ、９２ 温度センサ、９３ 温度センサ、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、４４０ バルブボディ、４４１ 筒状部、、４４１ｈ 貫通孔、４４２ 側壁部、４４２ａ 円錐台部、４４２ｂ 端面、４４２ｈ 貫通孔、４４３ 側壁部、４４３ａ 柱状部、４４３ｈ 貫通孔、４４５ 弁体、４４６ 本体部、４４６ａ 円形部、４４６ｂ 筒状部、４４７ シール部、４４７ａ 端面、４４８ シール部材、４４９ スプリング。

Claims (5)

1. アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
   水蒸気および原料ガスの混合ガスを前記燃料ガスに改質して前記アノードに供給する改質器と、
   ガス供給源と前記改質器とを接続する原料ガス供給管と、前記原料ガス供給管に設けられた原料ガス供給弁と、前記原料ガス供給管の前記原料ガス供給弁よりも下流側に設けられた原料ガスポンプとを有し、前記ガス供給源からの前記原料ガスを前記改質器に供給する原料ガス供給装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記原料ガス供給装置は、前記原料ガス供給管の前記原料ガス供給弁と前記原料ガスポンプとの間に設けられると共に上流側の前記原料ガス供給管内の前記原料ガスの圧力が所定正圧以下に至ると閉弁する負圧遮断弁を更に有する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記原料ガス供給管内を流れる前記原料ガスのガス流量を検出する流量センサと、
   前記原料ガスのガス流量が所定流量以下に至ったとき、または、前記ガス流量と目標ガス流量との乖離程度が所定乖離程度以上に至ったときに、前記ガス供給源からの前記原料ガスの供給に異常が生じたと判定する異常判定部と、
   を備える燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記原料ガス供給管内を流れる前記原料ガスのガス流量を検出する流量センサと、
   前記原料ガスのガス流量と目標ガス流量との差分が打ち消されるように前記原料ガスポンプのデューティを設定し、前記デューティに基づいて前記原料ガスポンプを制御する制御部と、
   前記デューティが所定デューティ以上に至ったときに、前記ガス供給源からの前記原料ガスの供給に異常が生じたと判定する異常判定部と、
   を備える燃料電池システム。
4. 請求項２または３記載の燃料電池システムであって、
   前記異常判定部は、前記ガス供給源からの前記原料ガスの供給に異常が生じたと判定すると、前記原料ガス供給弁を閉弁する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１ないし４のうちの何れか１つの請求項に記載の燃料電池システムであって、
   前記負圧遮断弁は、
   前記原料ガス供給管の上流側と下流側とを連通する連通孔を有するボディと、
   前記ボディの所定部分に当接して前記連通孔を遮蔽可能であると共に上流側の前記原料ガス供給管内の前記原料ガスの圧力により前記所定部分から離間する側に付勢される弁体と、
   前記弁体を前記所定部分に当接させる側に付勢する付勢部材とを備え、
   前記所定部分は、前記燃料電池システムの上下方向に延在する、
   燃料電池システム。

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