JP2022162573A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成により、アノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、改質部と、原燃料ガスポンプの駆動により原燃料ガス供給路を介して原燃料ガスを改質部に供給する原燃料ガス供給装置と、カソードガスポンプの駆動によりカソードガス供給路を介してカソードガスを燃料電池スタックに供給するカソードガス供給装置と、原燃料ガス供給路を流れる原燃料ガスの流量を検出する流量センサと、制御装置と、を備える。そして、制御装置は、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によりデューティを設定して原燃料ガスポンプを駆動制御すると共に、設定したデューティに基づいてアノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池スタックと改質器とを有す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、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに水素ガスを供給する水素ガス供給配管と、水素ガス供給配管に設けられた水素ガス圧調整弁と、水素ガス供給配管におけるアノード入口側に設けられたアノード圧力計と、燃料電池スタックのカソードに空気ガスを供給する空気供給配管と、空気供給配管に設けられた空気ガス圧力調整弁と、空気供給配管におけるカソード入口側に設けられたカソード圧力計と、要求出力に応じて水素ガス圧力と空気ガス圧力との圧力差が所定の圧力差範囲内に保たれるように水素ガス圧力調整弁および空気ガス圧力調整弁とを制御する制御装置と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池システムとして、燃料電池と、燃料ガスをアノードガスに改質して燃料電池のアノードに供給する改質器と、アノードから排出されるアノード排出ガスを熱交換器で冷却し気水分離機で水分を分離した後、当該熱交換器で加熱して後燃焼用ガスとして改質器（燃焼室）に供給するアノード排ガスラインと、熱交換器と気水分離機との間に設けられアノード排ガス中の一酸化炭素と水分と二酸化炭素と水素ガスに変換するシフトコンバータと、を備えるものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６－２７８０４６号公報 特開平１１－１２６６２８号公報

上述した特許文献１記載の燃料電池システムでは、アノード側とカソード側との間の極間差圧を良好に管理することができるものの、２つの圧力計が必要となり、システム容積が逼迫すると共に、コスト増を招いてしまう。また、特許文献２記載の燃料電池システムでは、アノード排ガスラインの熱交換器において炭素析出を防止することができ、炭素成分の堆積によるガスの圧力損失の増大（極間差圧の増大）を抑制することが期待できるものの、シフトコンバータが必要であり、同様に、システム容積が逼迫すると共に、コスト増を招いてしまう。

本発明の燃料電池システムは、簡易な構成により、アノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定することができる燃料電池システムを提供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、
アノードガスとカソードガスとの反応により発電する燃料電池スタックと、
原燃料ガスを前記アノードガスに改質する改質部と、
原燃料ガス供給路と、前記原燃料ガス供給路に設置された原燃料ガスポンプと、を有し、前記原燃料ガスポンプの駆動により前記原燃料ガス供給路を介して前記原燃料ガスを前記改質部に供給する原燃料ガス供給装置と、
前記原燃料ガス供給路を流れる前記原燃料ガスの流量を検出する流量センサと、
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によりデューティを設定して前記原燃料ガスポンプを駆動制御すると共に、設定した前記デューティに基づいてアノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定する制御装置と、
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では、流量センサにより検出される原燃料ガスの流量が目標流量となるようフィードバック制御によりデューティを設定して原燃料ガスポンプを駆動制御すると共に、設定したデューティに基づいてアノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定する。本願の発明者らは、鋭意研究の結果、フィードバック制御により原燃料ガスポンプを駆動制御する場合において、アノード側を流れるガスの圧力損失が上昇すると、原燃料ガスポンプのデューティが上昇し、それによりアノード側とカソード側との間の極間差圧が増大することを見出した。このため、原燃料ガスポンプのフィードバック制御において設定されたデューティを用いることで、簡易な構成により、アノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定することができる。ここで、燃料電池スタックは、平板型のセルが複数積層されて構成されてもよい。平板型のセルは、円筒型のセル等に比して、機械的な強度の面で不利であり、本発明を適用する意義がより大きなものとなる。

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、前記デューティの設定履歴から判定用デューティを設定し、前記判定用デューティが所定値を超えた場合に前記極間差圧が増大したと判定してもよい。ここで、「判定用デューティ」は、所定期間内において設定されたデューティの平均値が用いられてもよいし、デューティの移動平均が用いられてもよい。この場合、前記制御装置は、発電出力に基づいて前記所定値を設定してもよい。こうすれば、発電出力の変動による影響を除去して、極間差圧の増大をより適切に判定することが可能となる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記デューティの設定履歴から判定用デューティを設定し、前記判定用デューティが所定量以上上昇した場合に前記極間差圧が増大したと判定してもよい。こうすれば、判定用デューティの上昇を監視することで、極間差圧の増大をより適切に判定することが可能となる。

さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックが所定発電状態で継続して運転されている状態において前記設定されたデューティに基づいて前記極間差圧が増大したか否かを判定してもよい。燃料電池スタックの発電状態が安定している状態で行なわれたフィードバック制御において設定されたデューティに基づいて判定を行なうことで、極間差圧が増大したか否かをより正確に判定することができる。ここで、「所定発電状態」には定格発電状態が含まれる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記極間差圧が増大したと判定した場合に、前記燃料電池システムの運転を停止してもよい。極間差圧の増大を判定した際に燃料電池システムの運転を停止することで、燃料電池スタックの故障を未然に防止することが可能となる。

本実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 極間差圧監視処理の一例を示すフローチャートである。 ガスポンプデューティと原燃料ガスポンプ圧力の時間変化の様子を示す説明図である。 原燃料ガスポンプの二次側圧力とガスポンプデューティとの関係を示す説明図である。 ガスポンプデューティと極間差圧との関係を示す説明図である。 他の実施形態における極間差圧監視処理を示すフローチャートである。 他の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。

本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図示するように、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０において発生した燃焼排ガスの熱（排熱）を回収する排熱回収装置６０と、システム全体を制御する制御装置８０と、を備える。

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、改質器２３、燃焼器２４を含み、これらは、断熱性を有するモジュールケース２９に収容されている。

燃料電池スタック２１は、図１に示すように、複数の平板型の単セルＳが板厚方向に積層されてなる固体酸化物形の燃料電池スタックとして構成されるものであり、各単セルＳは、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とを有する。各単セルＳには、アノード電極と連通するアノードガス通路が形成されると共に、カソード電極と連通するカソードガス通路が形成されている。各単セルＳのアノードガス通路は、アノードガス配管２５を介して改質器２３に接続され、各単セルＳのカソードガス通路は、カソードガス配管２６を介してエア供給装置５０に接続されている。

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２９内の燃料電池スタック２１の上方に配設される。燃料電池スタック２１と気化器２２および改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼器２４が設置されている。燃焼器２４には、着火ヒータが設置されている。

気化器２２は、燃焼器２４からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼器２４からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、アノードガス配管２５を介して各単セルＳのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。

また、燃料電池スタック２１の各単セルＳのカソード電極には、カソードガスとしてのエアが供給される。各単セルＳのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルＳにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）は、各単セルＳのアノードガス通路からアノードオフガス配管２７を介して燃焼器２４へと流出し、各単セルＳにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、各単セルＳのカソードガス通路からカソードオフガス配管２８を介して燃焼器２４へと流出する。

各単セルＳから燃焼器２４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルＳから燃焼器２４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。そして、着火ヒータにより点火させられて燃焼器２４で混合ガスが着火すると、当該混合ガスの燃焼により、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼器２４では、未燃燃料や水蒸気を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための燃焼触媒を介して熱交換器６２へ供給される。

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に設置された開閉弁３２（２連弁）、原燃料ガスポンプ３３および脱硫器３４とを有する。原燃料ガスは、原燃料ガスポンプ３３を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３４を介して気化器２２へと圧送（供給）される。また、原燃料ガス供給管３１には、当該原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量を検出する流量センサ３５（例えば熱式流量センサ）が設置されている。

改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に設置された改質水ポンプ４３とを有する。改質水ポンプ４３を作動させることで、改質水タンク４２内の改質水は、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。

エア供給装置５０は、モジュールケース２９内のカソードガス配管２６に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に設置されたエアポンプ５３とを有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、モジュールケース２９内のカソードガス配管２６を経て各燃料電池スタック２１（カソード電極）へと圧送（供給）される。

排熱回収装置６０は、湯水を貯留する貯湯タンク６１と、発電モジュール２０の燃焼器２４で生成された燃焼排ガスと湯水とを熱交換する熱交換器６２と、貯湯タンク６１と熱交換器６２とを接続する循環配管６３と、循環配管６３に組み込まれた循環ポンプ６４と、を有する。循環ポンプ６４を作動させることで、貯湯タンク６１内に貯留されている湯水は、熱交換器６２へと導入され、熱交換器６２で燃焼排ガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク６１へと返送される。

また、排熱回収装置６０の熱交換器６２は、凝縮水供給管６５を介して改質水タンク４２と接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク６１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該凝縮水供給管６５を介して改質水タンク４２内へと導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、燃焼排ガス排出管６６に接続されている。これにより、熱交換器６２で燃焼排ガスから水分が除去された排ガスは、燃焼排ガス排出管６６を介して大気中に排出される。

燃料電池スタック２１の出力端子には、パワーコンディショナ７０の入力端子が接続され、当該パワーコンディショナ７０の出力端子には、リレーを介して電力系統から負荷への電力ラインに接続される。パワーコンディショナ７０は、燃料電池スタック２１から出力された直流電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータや、変換された直流電圧を電力系統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。燃料電池スタック２１の出力端子には、当該燃料電池スタック２１から出力される電流（スタック電流Ｉ）を検出する電流センサ７１が設置され、燃料電池スタック２１の出力端子間には、燃料電池スタック２１の端子間電圧（スタック電圧Ｖ）を検出する電圧センサ７２が設置されている。

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、データを一時保存するＲＡＭ８３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３５や電流センサ７１、電圧センサ７２等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、開閉弁３２のソレノイド、原燃料ガスポンプ３３のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、エアポンプ５３のポンプモータ、循環ポンプ６４のポンプモータ、燃焼器２４の着火ヒータなどへの各種制御信号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本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。

本実施形態の燃料電池システム１０では、システムが起動した後、要求発電出力に応じた目標電流Ｉｔａｇが燃料電池スタック２１から出力されるように原燃料ガス、改質水およびエア（空気）の供給量を制御することにより発電動作を行なう。原燃料ガスの供給量の制御は、目標電流Ｉｔａｇに基づいて燃料利用率Ｕｆが目標利用率Ｕｆｔａｇとなるように目標燃料流量Fｇｔａｇを設定し、設定した目標燃料流量Ｆｇｔａｇで原燃料ガスが供給されるように原燃料ガスポンプ３３を制御することにより行なわれる。具体的には、設定した目標燃料流量Ｆｇｔａｇと流量センサ３５により検出される燃料流量Ｆｇとの差分に基づく比例項や積分項等の和によりガスポンプデューティＤを設定し、設定したガスポンプデューティＤにより、原燃料ガスポンプ３３のポンプモータを駆動する駆動回路のスイッチング素子をオンオフすることにより行なわれる。

また、改質水の供給量の制御は、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣ（原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比）が目標比ＳＣｔａｇとなるように目標水供給量Ｆｗｔａｇを設定し、設定した目標水供給量Ｆｗｔａｇで改質水が供給されるように改質水ポンプ４３を制御することにより行なわれる。エアの供給量の制御は、エア利用率Ｕａが目標利用率Ｕａｔａｇとなるように目標エア流量Ｆａｔａｇを設定し、設定した目標エア流量Ｆａｔａｇでエアが供給されるようにエアポンプ５３を制御することにより行なわれる。

本実施形態では、燃料電池スタック２１は平板型の単セルＳが積層されたものであり、円筒型のセルに比して、単位面積あたりの出力密度が高くなるメリットを有する。一方で、平板型のセルは、円筒型のセルに比して、機械的な強度の面で不利となりやすく、アノードガスの圧力とカソードガスの圧力との差圧（極間差圧）が大きくなり過ぎると、セル（電解質）を破損させてしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では、極間差圧を監視し、極間差圧が許容範囲を超えて上昇した際には、燃料電池システム１０の運転を停止することにより、極間差圧の増大による燃料電池スタック２１（単セルＳ）の故障を未然に防止するようにした。以下、極間差圧を監視する極間差圧監視処理について説明する。図２は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される極間差圧監視処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、システムが起動したときに実行される。

極間差圧監視処理では、制御装置８０のＣＰＵは、まず、発電が開始されたか否かを判定する（ステップＳ１００）。発電が開始されたと判定すると、電流センサ７１からスタック電流Ｉを入力し（ステップＳ１１０）、上述した原燃料ガスポンプ３３のフィードバック制御において設定されたガスポンプデューティＤをスタック電流Ｉと対応付けてＲＡＭ８３に記憶する（ステップＳ１２０）。

次に、燃料電池スタック２１が定格発電状態（所定発電状態）で所定時間Ｔ１（例えば６０分）に亘って継続して運転されたか否かを判定する（ステップＳ１３０）。この判定は、燃料電池スタック２１の発電状態が安定しているか否かを判定するものである。燃料電池スタック２１が所定発電状態で所定時間Ｔ１に亘って継続して運転されていないと判定すると、ステップＳ１１０に戻る。一方、燃料電池スタック２１が所定発電状態で所定時間Ｔ１に亘って継続して運転されたと判定すると、所定時間Ｔ１到達の所定時間Ｔ２（例えば３０分）前から当該所定時間Ｔ１の到達時までのガスポンプデューティＤの設定履歴から平均デューティＤａｖｅ（判定用デューティ）を算出する（ステップＳ１５０）。

次に、基準デューティＤｂを設定する（ステップＳ１６０）。ここで、基準デューティＤｂは、燃料電池スタック２１を所定発電状態で運転するのに通常必要な原燃料ガスポンプ３３のデューティであり、例えば、スタック電流Ｉ（発電出力）や目標利用率Ｕｆｔａｇに基づいて設定することができる。具体的には、基準デューティＤｂは、スタック電流Ｉが高いほど大きくなるように、また、目標利用率Ｕｆｔａｇが高いほど小さくなるように設定される。なお、本実施形態では、燃料電池スタック２１が定格発電状態で発電している場合を考えているから、基準デューティＤｂは、予め定められた値が用いられてもよい。

基準デューティＤｂを設定すると、設定した基準デューティＤｂに所定値αを加えたものを閾値Ｄｒｅｆに設定し（ステップＳ１６０）、平均デューティＤａｖｅが閾値Ｄｒｅｆよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１７０）。平均デューティＤａｖｅが閾値Ｄｒｅｆ以下であると判定すると、アノード側とカソード側との間の極間差圧は許容範囲内であり、正常であると判断し、ステップＳ１１０に戻って、発電処理を継続する。

一方、平均デューティＤａｖｅが閾値Ｄｒｅｆよりも大きいと判定すると、アノード側とカソード側との間の極間差圧が許容範囲を超えて増大したと判断し、燃料電池システム１０の運転を停止すると共に（ステップＳ１８０）、図示しないリモコンに警告表示を出力して（ステップＳ１９０）、極間差圧監視処理を終了する。これにより、極間差圧の増大に伴う燃料電池スタック２１の故障を未然に防止することができる。なお、燃料電池システム１０がネットワークを介して管理サーバに接続されている場合には、燃料電池スタック２１の極間差圧が増大した旨の情報を当該管理サーバに送信してもよい。

ここで、コーキング（アノードガスに含まれる炭化水素系のガスや一酸化炭素の炭素成分が析出する現象）等によりアノードガス配管２５の内壁に付着した付着物が堆積すると、管内が狭まり、原燃料ガス供給管３１内における原燃料ガスの圧力損失が増大する。本願の発明者らは、鋭意研究の結果、フィードバック制御により原燃料ガスポンプ３３を駆動制御する場合において、アノード側を流れるガスの圧力損失が増大すると、原燃料ガスポンプ３３のガスポンプデューティＤが上昇し、それによりアノード側とカソード側との間の極間差圧が増大することを見出した。すなわち、図３および図４に示すように、アノード側のガスの圧力損失が増大すると、原燃料ガスポンプ３３の二次側の圧力が上昇し、フィードバック制御により原燃料ガスポンプ３３を制御する場合には、原燃料ガスポンプ３３の二次側の圧力が上昇するにつれて、ガスポンプデューティＤが上昇することがわかる。そして、カソード側を流れるエアの流量が一定の場合、図５に示すように、ガスポンプデューティＤに対して極間差圧が比例的に上昇していることがわかる。したがって、燃料電池スタック２１が定格発電状態（所定発電状態）で継続して運転している場合にはカソード側を流れるエアの流量が概ね一定であるとみなし、原燃料ガスポンプ３３のフィードバック制御において、ガスポンプデューティＤの上昇を監視することにより、極間差圧が増大したか否かを判定することができる。これにより、原燃料ガス供給管３１に圧力センサを設置して当該圧力センサにより原燃料ガス供給管３１内における原燃料ガスの圧力を直接監視する等、専用のセンサを用いることなく、簡易な構成により、極間差圧が増大したか否かを判定することができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、流量センサ３５により検出される原燃料ガスの流量（燃料流量Ｆｇ）が目標流量（目標燃料流量Ｆｇｔａｇ）となるようフィードバック制御によりガスポンプデューティＤを設定して原燃料ガスポンプ３３を駆動制御すると共に、設定したガスポンプデューティＤに基づいてアノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定する。これにより、専用のセンサを必要としない簡易な構成により、アノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、アノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したと判定すると、システムの運転を停止する。これにより、極間差圧の増大に伴う燃料電池スタック２１の故障を未然に防止することができる。

本実施形態では、平均デューティＤａｖｅが閾値Ｄｒｅｆよりも大きいか否かに基づいて、アノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定するものとした。しかし、平均デューティＤａｖｅの変化量に基づいて極間差圧が増大したか否かを判定してもよい。図６は、他の実施形態に係る極間差圧監視処理を示すフローチャートである。なお、図６の極間差圧監視処理の各処理のうち図２と同一の処理については同一のステップ番号を付し、その説明は重複するから省略する。

他の実施形態に係る極間差圧監視処理では、ステップＳ１４０で平均デューティＤａｖｅを算出すると、今回の判定が初回であるか否かを判定し（ステップＳ３００）、初回であると判定すると、図２の極間差圧監視処理と同様に、基準デューティＤｂを設定すると共に（ステップＳ１５０）、閾値Ｄｒｅｆを設定し（ステップＳ１６０）、平均デューティＤａｖｅが閾値Ｄｒｅｆよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１７０）。一方、今回の判定が初回でなく２回目以降であると判定すると、今回算出した平均デューティＤａｖｅから前回算出した平均デューティ（前回Ｄａｖｅ）を減じて平均デューティＤａｖｅの変化量ΔＤを算出し（ステップＳ３１０）、算出した変化量ΔＤが所定量βよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３２０）。ここで、所定量βは、アノード側とカソード側との間の極間差圧が許容範囲を超えて増大したか否かを判定するための閾値である。変化量ΔＤが所定量β以下であると判定すると、極間差圧は許容範囲を超えて増大しておらず正常であると判断し、ステップＳ１１０に戻る。一方、変化量ΔＤが所定量βよりも大きいと判定すると、極間差圧が許容範囲を超えて増大したと判断し、燃料電池システム１０の運転を停止すると共に（ステップＳ１８０）、警告表示を出力して（ステップＳ１９０）、極間差圧監視処理を終了する。これにより、本実施形態と同様に、専用のセンサを用いることなく、アノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定することができ、極間差圧の増大に伴う燃料電池スタック２１の故障を未然に防止することができる。

上述した実施形態では、燃料電池スタック２１が所定発電状態（定格発電状態）で発電している状態（エア流量が概ね一定とみなすことのできる運転状態）において、ガスポンプデューティＤに基づいてアノード側とカソード側との間の極間差圧を推定するものとした。しかし、エア供給配管５１に圧力センサを備え、当該圧力センサにより検出されるカソード側の圧力とガスポンプデューティＤに基づき推定されるアノード側の圧力との差分に基づいて極間差圧を推定するようにしてもよい。

また、エア供給管５１に流量センサを備え、当該流量センサにより検出されるエア流量と目標エア流量Ｆａｔａｔとの差分に基づいてフィードバック制御によりエアポンプ５３を制御する燃料電池システムにおいては、ガスポンプデューティＤとエアポンプデューディとに基づいてアノード側とカソード側との間の極間差圧を推定するようにしてもよい。

図７は、他の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。他の実施形態における燃料電池システム１１０は、図示するように、燃料電池スタック２１において電気化学反応（発電）に使用されなかった未使用燃料の一部を原燃料ガス供給管３１に還流させる還流装置１９０を備える。還流装置１９０は、アノードオフガス配管１２７ａから分岐すると共に原燃料ガス供給管３１におけるゼロガバナ１９３と原燃料ガスポンプ３３との間に接続される還流配管１９１と、還流配管１９１に設置されアノードオフガス配管１２７ａから還流させるアノードオフガスの割合を調整するオリフィス１９２と、を有する。還流配管１９１が接続された箇所よりも上流側のアノードオフガス配管１２７ａと下流側のアノードオフガス配管１２７ｂとには、両者を流れるアノードオフガスの間で熱交換を行なう第１熱交換器１２１が設置され、アノードオフガス配管１２７ａにおける第１熱交換器１２１と還流配管１９１が接続された箇所との間には、アノードオフガスに含まれる水分を凝縮させる第２熱交換器１２２が設置されている。第２熱交換器１２２によりアノードオフガス中の水分が凝縮されることにより得られた凝縮水は、改質水タンク４２へ供給される。アノードオフガス配管１２７ａにおける第１熱交換器１２１の入口付近と出口付近とには、それぞれ温度センサ１２３ｉ，１２３ｏが設置され、アノードオフガス配管１２７ａにおける第２熱交換器１２２の入口付近と出口付近とには、それぞれ温度センサ１２４ｉ，１２４ｏが設置され、アノードオフガス配管１２７ｂにおける第１熱交換器１２１の入口付近と出口付近とには、それぞれ温度センサ１２５ｉ，１２５ｏが設置されている。一般に管内の圧力は、温度と流量のそれぞれ二乗に比例して上昇するため、流量センサ３５により検出される燃料流量Ｆｇと温度センサ１２３ｉ，１２３ｏ，１２４ｉ，１２４ｏ，１２５ｉ，１２５ｏによりそれぞれ検出される温度とに基づいてユニット毎の圧力変化を検出することができる。このように、アノード側のガス（アノードオフガス）が流れる配管に設置された複数のユニット（熱交換器）にそれぞれ温度センサを設置し、流量センサ３５により検出される燃料流量Ｆｇに加えて各温度センサにより検出される温度を監視することで、ユニット毎にガスの圧力損失を推定することができ、不良箇所を特定することができる。これにより、不良ユニットの交換がより容易となる。

上述した実施形態では、所定時間Ｔ２に亘って設定されたガスポンプデューティＤの設定履歴から平均デューティＤａｖｅを算出し、平均デューティＤａｖｅに基づいて極間差圧が増大したか否かを判定したが、ガスポンプデューティＤの移動平均に基づいて判定してもよい。また、流量センサ３５の公差が小さいものであれば、ガスポンプデューティＤをそのまま用いて判定するようにしてもよい。

上述した実施形態では、燃料電池スタック２１は、固体酸化物形の燃料電池として構成されたが、例えば、固体高分子形の燃料電池等、他のタイプの燃料電池に適用されてもよい。

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２１が「燃料電池スタック」に相当し、改質器２３が「改質部」に相当し、原燃料ガス供給管３１が「原燃料ガス供給路」に相当し、原燃料ガスポンプ３３が「原燃料ガスポンプ」に相当し、原燃料ガス供給装置３０が「原燃料ガス供給装置」に相当し、流量センサ３５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。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 原燃料供給源、１０，１１０ 燃料電池システム、２０ 発電モジュール、２１ 燃料電池スタック、２２ 気化器、２３ 改質器、２４ 燃焼器、２５ アノードガス配管、２６ カソードガス配管、２７ アノードオフガス配管、２８ カソードオフガス配管、２９ モジュールケース、３０ 原燃料ガス供給装置、３１ 原燃料ガス供給管、３２ 開閉弁、３３ 原燃料ガスポンプ、３４ 脱硫器、３５ 流量センサ、４０ 改質水供給装置、４１ 改質水供給管、４２ 改質水タンク、４３ 改質水ポンプ、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ エアポンプ、６０ 排熱回収装置、６１ 貯湯タンク、６２ 熱交換器、６３ 循環配管、６４ 循環ポンプ、６５ 凝縮水供給管、６６ 燃焼排ガス排出管、７０ パワーコンディショナ、７１ 電流センサ、７２ 電圧センサ、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、１２１ 第１熱交換器、１２２ 第２熱交換器、１２３ｉ，１２３ｏ，１２４ｉ，１２４ｏ，１２５ｉ，１２５ｏ 温度センサ、１２７ａ，１２７ｂ アノードオフガス配管、１９０ 還流装置、１９１ 還流配管、１９２ オリフィス、１９３ ゼロガバナ。

Claims (6)

1. アノードガスとカソードガスとの反応により発電する燃料電池スタックと、
   原燃料ガスを前記アノードガスに改質する改質部と、
   原燃料ガス供給路と、前記原燃料ガス供給路に設置された原燃料ガスポンプと、を有し、前記原燃料ガスポンプの駆動により前記原燃料ガス供給路を介して前記原燃料ガスを前記改質部に供給する原燃料ガス供給装置と、
   前記原燃料ガス供給路を流れる前記原燃料ガスの流量を検出する流量センサと、
   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によりデューティを設定して前記原燃料ガスポンプを駆動制御すると共に、設定した前記デューティに基づいてアノード側とカソード側との間の極間差圧が増大したか否かを判定する制御装置と、
   を備える燃料電池システム。
2. 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、前記デューティの設定履歴から判定用デューティを設定し、前記判定用デューティが所定値を超えた場合に前記極間差圧が増大したと判定する、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、発電出力に基づいて前記所定値を設定する、
   燃料電池システム。
4. 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、前記デューティの設定履歴から判定用デューティを設定し、前記判定用デューティが所定量以上上昇した場合に前記極間差圧が増大したと判定する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池スタックが所定発電状態で継続して運転されている状態において前記設定されたデューティに基づいて前記極間差圧が増大したか否かを判定する、
   燃料電池システム。
6. 請求項１ないし５いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記極間差圧が増大したと判定した場合に、前記燃料電池システムの運転を停止する、
   燃料電池システム。

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