JP5426990B2

JP5426990B2 - 燃料電池システム及びその設計方法

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Publication number: JP5426990B2
Application number: JP2009239407A
Authority: JP
Inventors: 勝行槇原; 浩二進藤; 晶一吉田; 雅敏上田; 利彦鈴木
Original assignee: JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: JP2011086543A

Description

本発明は、燃料電池システム及びその設計方法に関する。

従来の燃料電池システムとして、灯油や液化石油ガス等の原燃料を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、その改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学反応させることにより発電を行う燃料電池と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の燃料電池システムでは、燃料電池へ供給する改質ガスや空気を加湿するための加湿器が設けられおり、この加湿器には水タンクに貯留された水がポンプにより供給されている。水タンクには、イオン交換器によって不純物が取り除かれた水が他のポンプにより供給される。

特開２００９−１５２０９２号公報

上述したような燃料電池システムは、近年、一般家庭に普及しつつあり、そのため、更なる構造の単純化と安定動作が望まれている。そこで、本発明は、小型化を図ることができるとともに運転の安定化を図ることが可能な燃料電池システム及びその設計方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス及び空気を用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池へ供給される前記改質ガスを加湿する第１加湿器と、前記燃料電池へ供給される前記空気を加湿する第２加湿器と、水ポンプ及びイオン交換器を含み、前記水ポンプにより前記イオン交換器に水を循環供給する水処理系と、前記水ポンプの下流側であって前記イオン交換器の上流側に接続され、前記第１加湿器及び前記水処理系を接続し、前記水処理系から前記第１加湿器へ水を導入する第１流路と、前記水ポンプの下流側であって前記イオン交換器の上流側に接続され、前記第２加湿器及び前記水処理系を接続し、前記第２加湿器へ水を導入及び前記第２加湿器から水を排出するための第２流路と、前記第１流路に設けられた第１弁と、前記第２流路に設けられた第２弁と、を備え、前記第１加湿器へ給水する際には、前記第２弁が閉の状態で前記第１弁を開とするとともに前記水ポンプの出力を上昇させ、前記第２加湿器へ給水する際には、前記第１弁が閉の状態で前記第２弁を開とするとともに前記水ポンプの出力を上昇させることを特徴として構成される。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池が発電に用いる空気又は改質ガスを加湿する加湿器と、イオン交換器に水を循環供給する水ポンプを有する水処理系とが、弁が設けられた流路で接続されており、その流路が水ポンプの下流側であって、イオン交換器の上流側に接続されている。このように構成することで、イオン交換器の圧損を利用して、加湿器へ水を供給させることができる。すなわち、イオン交換器の圧損を利用することにより、水処理系の循環用のポンプと加湿器への供給用のポンプとを共用化することが可能となる。また、加湿器への給水の際に、水ポンプの出力を上昇させることにより、給水に適切な圧力を得ることができるので、水処理系内の水を安定して加湿器へ供給させることが可能となる。よって、小型化を図ることができるとともに運転の安定化を図ることが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池システムの設計方法は、前記第１加湿器と、前記水処理系とを接続し、前記水処理系から前記第１加湿器へ給水する際に、前記イオン交換器による圧力損失、及び燃料電池システムの負荷に応じた前記第１加湿器内の圧力に基づいて、前記水処理系から前記第１加湿器への給水時における前記水ポンプの出力上昇分を設定し、前記第２加湿器と、前記水処理系とを接続し、前記水処理系から前記第２加湿器へ給水する際に、前記イオン交換器による圧力損失、及び燃料電池システムの負荷に応じた前記第２加湿器内の圧力に基づいて、前記水処理系から前記第２加湿器への給水時における前記水ポンプの出力上昇分を設定することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムの設計方法によれば、水処理系の水ポンプの出力によって加湿器へ給水する場合には、イオン交換器による圧力損失、及び燃料電池システムの負荷に応じた加湿器内の圧力に基づいて、水処理系から加湿器への給水時における水ポンプの出力上昇分が設定されることができる。このように設計することで、水処理系の循環用のポンプと加湿器への供給用のポンプとを共用化して小型化することができるとともに、給水に適切な圧力を得ることが可能となるので運転の安定化を図ることができる。

本発明によれば、燃料電池システムの小型化を図ることができるとともに運転の安定化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概要図である。図１の燃料電池システムの水処理系を説明する構成概要図である。図１の燃料電池システムの水処理系の給水動作を示すフローチャートである。図１の燃料電池システムの水処理系の給水動作を示すフローチャートである。図１の燃料電池システムの水処理系のポンプ出力設定動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概略図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器２と、改質ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池３と、を備えている。燃料電池システム１は、家庭用の電力供給源として利用され、原燃料としては、液化石油ガス（ＬＰＧ）が用いられる。

原燃料の供給源と改質器２との間には、脱硫器４が配置されている。脱硫器４は、外部から導入された原燃料に対し、脱硫触媒によって脱硫を施す。脱硫器４の上流側には、燃料電池システム１への原燃料の供給を制御する電磁弁２１、タンク２２及び電磁弁２３が順に設けられている。一方、脱硫器４の下流側には、電磁弁２４が設けられている。燃料電池システム１の停止の際には電磁弁２３，２４は閉とされるが、脱硫触媒により脱硫器４の内圧が低減する。このため、燃料電池システム１の起動の際に、電磁弁２１，２３の開閉を制御することにより、原燃料の燃料電池システム１への急激な流入が防止される。脱硫器４及び電磁弁２４の下流側には、燃料ポンプ２５が設けられている。燃料ポンプ２５は、原燃料を改質器２へ供給する。

改質器２は、改質触媒によって原燃料を改質させて、水素を含有する改質ガスを生成する。改質器２は、水ポンプ２７により供給された水を気化する気化器（不図示）を有しており、水蒸気および気体の原燃料を用いて改質ガスを生成する。

水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２には、改質触媒を加熱するためのバーナ１０が設けられている。バーナ１０には、上述した燃料ポンプ２５により導入される原燃料の供給路が接続されている。燃料ポンプ２５の下流側は、改質器２への燃料供給路、及びバーナ１０への燃料供給路の２つに分岐しており、電磁弁２６の開閉動作により、燃料供給路が選択的に制御される。また、バーナ１０には、エアポンプ２８によって圧送された空気が導入される。バーナ１０の燃焼によって生じた排ガスは、熱交換器３１を介して熱回収されて外部に排気される。

改質器２によって生成された改質ガスは、改質器２の下流側に配置されたＣＯ除去器６に導入される。ＣＯ除去器６は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化して、二酸化炭素に転換する。ＣＯ除去器６は、エアポンプ２９により送り込まれる空気を用いて、選択的に酸化を行う。

ＣＯ除去器６よって処理された改質ガスは、燃料電池３の上流側に配置された加湿器７に導入される。加湿器７は、その内部に水を貯留しており、導入された改質ガスを気泡として通過させることにより、改質ガスを加湿する。加湿された改質ガスは、燃料電池３のアノードに供給される。

また、燃料電池３の上流側に配置された加湿器９には、エアポンプ８によって圧送された空気が導入される。加湿器９は、その内部に水を貯留しており、導入された空気を気泡として通過させることにより、空気を加湿する。加湿された空気は、燃料電池３のカソードに供給される。

燃料電池３は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成されている。各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された高分子膜を有している。上述したように、燃料電池３に供給される改質ガス及び空気が加湿されるのは、燃料電池３の電解質である高分子膜が高い伝導性を維持するためには高分子膜が加湿される必要があるからである。燃料電池３の各電池セルにおいては、アノードに供給された改質ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。

燃料電池３で発生した電力は、図示しないコンバータ及びインバータを介して、家庭に供給される。コンバータは、直流の電力の電圧を変圧する。インバータは、変圧された電力を直流から交流に変換する。

ところで、改質ガス中に気化して燃料電池３のアノードに供給された水のうちの余剰分は、循環して、再び加湿器７内に貯留される。一方、空気中に気化して燃料電池３のカソードに供給された水のうちの余剰分（カソードドレン）は、水回収タンク１３内に貯留される。また、加湿器９内に貯留された水は、冷却水として水ポンプ３４により燃料電池３に供給される。冷却水は、燃料電池３が発生する熱によって加熱され、熱回収系を循環した後、加湿器９に戻される。

各加湿器７，９内に貯留された水は、水回収タンク１３、水ポンプ４１及びイオン交換器１４を含む水処理系３０に所定時間毎に導入される。各加湿器７，９から水処理系３０に導入された水は、水ポンプ４１により、イオン交換器１４に循環供給されて処理された後、各加湿器７，９に戻される。なお、改質器２に水を供給する水ポンプ２７は、この水処理系３０に接続されており、バーナ１０の排ガスに含まれるドレインは水回収タンク１３に収容される。

また、燃料電池３のアノードに供給された改質ガスのうちの余剰分（いわゆるオフガス）は、熱交換器３３を介して熱回収された後、改質触媒を加熱するために改質器２に設けられたバーナ１０の燃料として利用される。なお、燃料電池システム１の起動時には、電磁弁２６の切り替えにより脱硫器４によって脱硫された原燃料がバーナ１０の燃料として利用される。一方、燃料電池３のカソードに供給された空気のうちの余剰分は、熱交換器３２を介して熱回収されて外部に排気される。

更に、燃料電池システム１には、家庭用の水が貯留される貯湯ユニットＡが接続される。貯湯ユニットＡ内に貯留された水は、導入口１５から熱回収系に導入され、水ポンプ３５により熱回収系を循環した後、導出口１６から貯湯ユニットＡに戻される。この熱回収系には、燃料電池３の排熱を回収する熱交換器３２，３３、バーナ１０の排ガスから熱を回収する熱交換器３１、燃料電池３本体を冷却する冷却回路に設けられた熱交換器（不図示）等が含まれている。貯湯水は、熱回収系を循環することにより熱を授受する。

以上の燃料電池システム１の構成機器類は、図示しない電装機器類により動作が制御される。電装機器類は、燃料電池システム１に備わるセンサ類や、利用者の利用状況等に応じて構成機器類を制御する。センサ類としては、例えば、周囲の温度を検出する温度計３６、電磁弁２１，２３の間に配置された圧力計３７、燃料ポンプ２５の下流側に設けられた流量計３８、エアポンプ２９の下流側に設けられた流量計３９、エアポンプ２８の下流側に設けられた流量計５１等が用いられる。

燃料電池システム１の基本動作の概要を説明する。燃料電池システム１は、システム起動後、脱硫器４の負圧解消処理を行う。その後、燃料ポンプ２５及びエアポンプ２８により、原燃料及び空気をバーナ１０へ供給する。また、水処理系３０において水ポンプ４１により水を循環させるとともに、水ポンプ３４により燃料電池３の冷却水を循環させる。

一方、バーナ１０の燃焼が安定したら、電磁弁２６により原燃料の供給路を変更し、原燃料を改質器２へ供給する。さらに、水ポンプ２７により水処理系３０の水を改質器２へ供給する。改質器２により、原燃料及び水を用いて改質ガスを生成し、生成した改質ガスをＣＯ除去器６へ供給する。また、エアポンプ２９により空気をＣＯ除去器６へ供給する。そして、ＣＯ除去器６でＣＯ除去した改質ガスを加湿器７へ供給し、加湿してアノードへ供給する。そして、アノードのオフガスをバーナ１０へ供給する。また、エアポンプ８により空気を加湿器９へ供給し、加湿してカソードへ供給する。これにより、燃料電池３において発電が行われ、家庭内に電力が供給される。電装機器類は、利用者の利用電力やセンサ類の出力に基づいて、改質器２への原燃料及び水の供給量、ＣＯ除去器６への空気の供給量、ポンプ出力等を制御して、安定運転や最適運転を行う。

上述した燃料電池システム１の燃料電池３、加湿器７，９、熱交換系４０及び水処理系３０に関する流路及び構成について詳細を説明する。図２は、燃料電池システム１の概略流路図の一部である。図２に示されるように、加湿器７には、ＣＯ除去器６よって処理された改質ガスが導入される配管Ｈ１が設けられている。そして、加湿器７と燃料電池３のアノードとの間には、加湿器７からアノードへ加湿した改質ガスを流通させる配管Ｈ２、及びアノードから加湿器７へ改質ガス中に気化した水のうちの余剰分を流通させる配管Ｈ３が設けられている。このため、配管Ｈ１により導入された改質ガスは、加湿器７で加湿され、配管Ｈ２を流通してアノードへ供給されて発電に利用される。そして、利用されなかったいわゆるオフガスである改質ガス（排気ガス）が、熱交換器７２を通ってバーナ１０へ供給されるとともに、改質ガスから気化した水のうちの余剰分が配管Ｈ３を流通して再び加湿器７に戻される。

一方、加湿器９には、エアポンプ８により空気が導入される配管Ｈ４が設けられている。そして、加湿器９と燃料電池３のカソードとの間には、加湿した空気を加湿器９からカソードへ流通させる配管Ｈ５が設けられている。なお、カソードには、発電により生成された水を水回収タンク１３へ流通させる配管Ｈ６が設けられている。このため、配管Ｈ４により導入された空気は、加湿器９で加湿され、配管Ｈ５を流通してカソードへ供給されて発電に利用されるとともに、発電により生成された水が配管Ｈ６を流通して水回収タンク１３へ流通される。

また、加湿器９内に貯留された水を冷却水として燃料電池３へ導入する配管Ｈ７、燃料電池３から加湿器９内へ冷却水を流通させる配管Ｈ８が設けられている。配管Ｈ７には、冷却水を循環させる水ポンプ３４が配置されている。冷却水は、水ポンプ３４により配管Ｈ７を流通して燃料電池３へ流通され、燃料電池３が発生する熱によって加熱され、配管Ｈ８を流通して熱回収系を循環した後、加湿器９に戻される。熱回収系として、配管Ｈ８には冷却水と貯湯水との間で熱交換を行う熱交換器４８が設けられている。このため、冷却水により回収された燃料電池３の熱は、貯湯ユニットＡに戻される貯湯水へ授受される。

また、加湿器７には、水処理系３０から水を導入するための配管Ｈ９、及び、水処理系３０へ水を排出するための配管Ｈ１０が設けられている。配管Ｈ９には水処理系３０からの給水を制御する電磁弁（給水弁）４４が設けられ、配管Ｈ１０には水処理系３０への排水を制御する電磁弁（排水弁）４５が設けられている。一方、加湿器９と水処理系３０との間には、１つの配管Ｈ１１が設けられている。そして、配管Ｈ１１には加湿器９の給排水を制御する電磁弁（給排水弁）４６が設けられている。加湿器７，９内には、基準水位を超えたか否かを検知する水位センサが設けられており、上述した電磁弁４４〜４６は、水位センサの出力値や給水時間等に基づいてその開閉が制御される。基準水位としては、加湿器７，９の動作に最低限必要な水位である低側基準水位と、加湿器７，９のオーバーフロー等を回避するための高側基準水位とが採用される。

水処理系３０は、例えば上記加湿器７，９よりも鉛直下方に配置されている。水処理系３０は、水回収タンク１３、水ポンプ４１及びイオン交換器１４を有しており、これらに水を流通させる循環系として構成されている。水回収タンク１３に回収された水は、水ポンプ４１によりイオン交換器１４へ導入され、イオン交換器１４のイオン交換樹脂によりイオン除去されて再び水回収タンク１３へ戻される。水ポンプ４１は、電装機器類によりその動作が制御される。上述した配管Ｈ９，Ｈ１１は、水ポンプ４１の下流側であって、イオン交換器１４の上流側に接続されている。

加湿器７，９では、発電に用いられる水を循環させているため、加湿器７，９内の水が濃縮したり汚れ等により劣化したりする場合がある。このため、加湿器７，９内の水の電気伝導度が高くなった場合や、所定時間が経過した場合には、加湿器７，９内の水が水処理系３０へ排出されるとともに、水処理系３０から処理された水が導入される。

また、水処理系３０は、燃料電池３のアノード側から排出されるオフガスの熱を交換する熱交換系４０に接続されている。熱交換系４０は、水処理系３０からの流入路である配管Ｈ１２、燃料電池３のアノード側から排出されるオフガスの熱を交換する熱交換器７２、水処理系３０への流出路である配管Ｈ１３を備えている。配管Ｈ１２は、水処理系３０におけるイオン交換器１４の下流側に接続されており、熱交換系４０への分岐点Ｐ１を形成している。また、配管Ｈ１２には、電装機器類により制御可能な電磁弁４７が配置されている。一方、配管Ｈ１３は、分岐点Ｐ１よりもさらに下流側に接続されており、熱交換系４０からの合流点Ｐ２を形成している。分岐点Ｐ１と合流点Ｐ２との間隔Ｌは、分岐点Ｐ１から合流点Ｐ２までの経路における圧力損失が熱交換系４０の圧力損失よりも大きくなるように設定される。例えば、熱交換系４０に分岐する流量が所定割合（５割以上）となるように設定されるとよい。このように、分岐点Ｐ１と合流点Ｐ２との間隔Ｌで熱交換系４０に分岐する流量を設定することにより、流量制御設計を容易とするとともに、配管Ｈ１２に配置された電磁弁４７の開閉動作のみで水処理系３０の水を熱交換系４０へ供給することができる。このため、複数の電磁弁を設けることなく簡易な構成で熱交換系４０へバイパスすることができる。また、水回収タンク１３内には貯留された水の水温を検出する水温センサ５０が配置されており、水回収タンク１３内の水が所定の温度となるように、電磁弁４７の開閉動作や水ポンプ４１の動作が制御される。ここで所定の温度とは、水回収タンク１３、配管、ポンプ等において雑菌が繁殖しにくい温度であって、具体的には４０度以上の温度である。雑菌の繁殖を抑制するには高温になればなるほど好適ではあるが、熱の有効利用の観点から、４０℃〜５０℃が好ましい。アノード側から排出されるオフガスの熱は、この温度を保つ熱量として適量である。

また、水処理系３０には、水処理系３０内の不純物を検出する水質センサ５２が設けられており、例えば基準値を複数回超えた場合にはエラーとして通報される。水質センサ５２として、例えば電気伝導度を検出するセンサが用いられる。

次に、加湿器７，９の給排水動作を詳細に説明する。図３，４は、本実施形態における燃料電池システム１の加湿器７，９の給水動作を示すフローチャートである。図３，４に示される制御処理は、電装機器類により実行される。この制御処理は、例えば、加湿器７，９の水位センサにより、水位が低側基準水位を下回ったことを検知されたタイミングで実行される。なお、特に明示しない限り、水処理系３０の水ポンプ４１は、水処理系３０内の水を循環させるために動作しているものとする。

図３に示されるように、最初に、加湿器７の給水を制御する給水弁４４及び加湿器９の給排水を制御する給排水弁４６を閉とする（Ｓ１０）。なお、加湿器７の給水弁４４、加湿器９の給排水弁４６が既に閉の場合には、この処理をスキップする。Ｓ１０の処理が終了すると、給水停止指令判定処理へ移行する（Ｓ１２）。

Ｓ１２の処理では、加湿器７，９への給水を停止する指令が出力されているか否かを判定する。例えば、燃料電池システム１の他の制御により、何らかの異常を検知して給水を停止する指令が出力される場合がある。給水停止指令が出力されたと判定した場合には、Ｓ１０の処理へ再度移行し、給水停止指令が解除されるまで給水弁４４、給排水弁４６を閉とした状態を保つ。一方、給水停止指令が出力されていないと判定した場合には、給水時間設定処理へ移行する（Ｓ１６）。

Ｓ１６の処理では、最大給水時間として、加湿器７，９の給水量を制御する所望の時間が採用され、例えば１０秒が採用される。Ｓ１６の処理において最大給水時間を設定すると、弁状態判定処理へ移行する（Ｓ２０）。

Ｓ２０の処理では、加湿器７への給水を開始する前提として、加湿器９の給排水を制御する給排水弁４６が閉となっているか否かを判定する。加湿器７，９への供給路は共用化されているためである。給排水弁４６が開いていると判定した場合には、閉となるまで判定処理を繰り返す。なお、例えば、所定時間経過しても給排水弁４６が開いていると判定した場合には、異常発生として図３，４に示す制御処理を終了してもよい。一方、給排水弁４６が閉じていると判定した場合には、給水完了判定処理へ移行する（Ｓ２６）。

Ｓ２６の処理では、加湿器７への給水が完了したか否かを判定する。例えば、加湿器７に備わる水位センサの出力に基づいて、加湿器７の低側基準水位を超えているか否かによって給水が完了したか否かを判定する。例えば、低側基準水位を超えた場合には、給水完了と判定する。Ｓ２６の処理において、給水が完了していないと判定した場合には、水位異常判定処理へ移行する（Ｓ２８）。

Ｓ２８の処理では、加湿器７の水位が正常であるか否かを判定する。例えば、加湿器７に備わる水位センサの出力に基づいて、加湿器７の高側基準水位よりも小さいか否かによって水位が正常であるか否かを判定する。例えば、高側基準水位よりも小さい場合には、水位正常と判定する。Ｓ２８の処理において、加湿器７の水位が正常であると判定した場合には、開制御処理へ移行する（Ｓ３０）。

Ｓ３０の処理では、加湿器７への給水を行うために給水弁４４を開くとともに、給水回数をカウントアップする。水処理系３０のイオン交換器１４の圧損が配管Ｈ９の圧損より大きいため、水ポンプ４１を動作させながら給水弁４４を開くと、配管Ｈ９を流通した水が加湿器７へ導入される。この処理で加湿器７へ給水が開始される。Ｓ３０の処理が終了すると、Ｓ２６の給水完了判定処理へ移行し、低側基準水位を超えた場合には、加湿器７への給水が完了したと判定して加湿器７の給水弁４４を閉とする（図４のＳ３４）。

一方、Ｓ２８の処理において、加湿器７の水位が正常でないと判定した場合には、加湿器７の給水弁４４を閉とする（Ｓ３２）。そして、Ｓ１２の給水停止指令判定処理へ再度移行する。

一方、図４のＳ３４の処理で加湿器７の給水弁４４が閉とされた場合には、給水完了判定処理へ移行する（Ｓ４０）。Ｓ４０の処理では、加湿器９への給水が完了したか否かを判定する。この処理は、Ｓ２６の処理とほぼ同様である。Ｓ４０の処理において、給水が完了していないと判定した場合には、水位異常判定処理へ移行する（Ｓ４２）。

Ｓ４２の処理では、加湿器９の水位が正常であるか否かを判定する。この処理は、Ｓ２８の処理とほぼ同様である。Ｓ４２の処理において、加湿器９の水位が正常であると判定した場合には、開制御処理へ移行する（Ｓ４４）。

Ｓ４４の処理では、加湿器９への給水を行うために給排水弁４６を開くとともに、給水回数をカウントアップする。水処理系３０のイオン交換器１４の圧損が配管Ｈ１１の圧損より大きいため、水ポンプ４１を動作させながら給排水弁４６を開くと、配管Ｈ１１を流通した水が加湿器９へ導入される。この処理で加湿器９へ給水が開始される。Ｓ４４の処理が終了すると、Ｓ４０の給水完了判定処理へ移行し、低側基準水位を超えた場合には、加湿器９への給水が完了したと判定して加湿器９の給排水弁４６を閉とする（Ｓ４６）。そして、Ｓ４８の給水判定処理へ移行して、加湿器７，９への給水が完了したと判定した場合には、図３，４に示す制御処理を終了する。

一方、Ｓ４２の処理において、加湿器９の水位が正常でないと判定した場合には、加湿器９の給排水弁４６を閉とする（Ｓ４６）。そして、Ｓ４８の給水判定処理へ移行して、加湿器７，９への給水が完了したと判定していない場合には、Ｓ１２の給水停止指令判定処理へ再度移行する。

以上で図３，４に示す制御処理を終了する。図３，４に示す制御処理を実行することにより、加湿器７，９へ水が供給される。

次に、加湿器７から水を排出する場合を説明する。この場合、加湿器７の内圧と大気圧との差及び重力により、電磁弁４５を開とすることによって、加湿器７内の水が配管Ｈ１０を流通して水回収タンク１３へ導入される。このように、加湿器７では、必要な場合には、水処理系３０から水が供給され、水処理系３０へ水が排出される。なお、加湿器７では、Ｈ_２、ＣＯ_２等のいわゆるプロセスガスを含む改質ガスを加湿しているので水にＣＯ_２が溶解している。このため、加湿器７からの排水を水回収タンク１３へ排出して脱気し、その後イオン交換器１４に導入する構成としている。このように構成することにより、改質ガスから常時供給されるＣＯ_２を直接イオン交換することを回避できるので、イオン交換器１４のイオン交換樹脂の劣化を防止することができる。

次に、加湿器９から水を排出する場合を説明する。この場合、電磁弁４６を開とするとともに、水ポンプ４１を停止することにより、エアポンプ８により加圧された加湿器９の内圧と大気圧との差及び重力によって、加湿器９内の水が配管Ｈ１１を流通して、水ポンプ４１の下流側かつイオン交換器１４の上流側に供給される。このように、加湿器９では、１つの電磁弁４６を用いて、水処理系３０から水を供給することができるとともに、水処理系３０へ水を排出することが可能となる。なお、加湿器９では、エアポンプ８により導入された空気を加湿しているので、加湿器９に貯留されている水は、加湿器７に貯留されている水ほどＣＯ_２を含有していない。このため、加湿器９の水を直接イオン交換することができるので、給排水の電磁弁の共用化を実現することができる。

次に、水処理系３０の水ポンプ４１の出力値の設定動作について説明する。図５は、本実施形態に係る水ポンプ４１の出力値の設定動作を示すフローチャートである。図５に示される制御処理は、電装機器類により実行される。この制御処理は、例えば燃料電池システム１の電源がＯＮされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。

図５に示されるように、最初に、基準値設定処理から開始する（Ｓ５０）。Ｓ５０の処理では、水ポンプ４１の出力を基準値に設定する。基準値としては、例えば４５％が用いられる。Ｓ５０の処理が終了すると、給水判定処理へ移行する（Ｓ５２）。

Ｓ５２の処理では、加湿器７，９への給水を実行する必要があるか否かを判定する。例えば、加湿器７，９の水位センサにより、加湿器７，９の水位が低側基準水位を下回ったことを検知したか否かにより判定する。Ｓ５２の処理において、加湿器７，９への給水を実行する必要があると判定した場合には、ポンプ出力増加処理へ移行する（Ｓ５４）。

Ｓ５４の処理では、加湿器７，９への給水を適切に行うために、水ポンプ４１の出力を増加する。例えば、システム出力（負荷）に応じて水ポンプ４１の出力の上昇分を決定する。システム出力が大きいほど、加湿器７，９のタンク内圧が上昇するためである。さらに、イオン交換器１４による圧力損失を考慮して、水ポンプ４１の出力の上昇分を決定するとよい。また、加湿器７，９と水処理系３０との配置関係（重力方向の高さ関係）を考慮して、水ポンプ４１の出力の上昇分を決定するとよい。すなわち、水ポンプ４１により与える圧力は、加湿器７，９のタンク内圧、イオン交換器１４を通過するに必要な圧力、及び、水処理系３０と加湿器７，９との位置エネルギー差の和よりも大きく設定される。具体的には、システム出力が最低出力時には５５％とし最大出力時に６０％となるようにシステム出力に応じてリニアに変更する。Ｓ５４の処理が終了すると、給水が完了するまで水ポンプ４１の設定出力が保持される（Ｓ５６）。給水が完了すると、図５に示す制御処理を終了する。

一方、Ｓ５２の処理において、加湿器７，９への給水を実行する必要がないと判定した場合には、水温低下判定処理へ移行する（Ｓ５８）。Ｓ５８の処理では、水処理系３０の水温が雑菌の繁殖を好適に防ぐ温度よりも低下しているかを判定する。例えば、水回収タンク１３の水温センサ５０の出力値に基づいて、水温が４０℃より小さくなっているか否かを判定する。Ｓ５８の処理で水温が４０℃より小さくなっていると判定した場合には、ポンプ出力確認処理へ移行する（Ｓ６０）。

Ｓ６０の処理では、水ポンプが停止しているか否かを判定する。上述したように、加湿器９から水を排出する場合、水ポンプ４１を停止するため、このタイミングで出力を増加させることはできないからである。Ｓ６０の処理では、水ポンプ４１の出力が０以上であれば、水ポンプ４１は停止していないと判定する。そして、水ポンプ４１が停止していないと判定した場合には、ポンプ出力増加処理へ移行する（Ｓ６２）。

Ｓ６２の処理では、水処理系３０の水を熱交換系４０へ適切に供給するために、水ポンプ４１の出力を増加する。Ｓ５４の処理と異なり、システム安定動作を考慮して、補機動力の増加分を極力押さえながら水ポンプ４１の出力を増加する。例えば、上限出力を８０％に設定し、２％ずつ所定の間隔で増加させる。なお、このタイミングで熱交換系４０の電磁弁４７は開とされる。Ｓ６２の処理が終了すると、図５に示す制御処理を終了する。

一方、Ｓ５８の処理において、水温が４０℃より小さくなっていないと判定した場合には、水温が雑菌の繁殖を好適に防ぐ温度に保たれているため、水ポンプ４１の出力制御を行うことなく図５に示す制御処理を終了する。なお、このタイミングで熱交換系４０の電磁弁４７は閉とされる。

また、Ｓ６０の処理において、水ポンプ４１が停止していると判定した場合には、加湿器９からの排水が行われているため、水ポンプ４１の出力制御を行うことなく図５に示す制御処理を終了する。

以上で図５に示す制御処理を終了する。図５に示す制御処理を実行することにより、ポンプ出力が加湿器７，９への給水時、熱交換系４０への給水時において上昇することができるので、安定した水の供給を行うことが可能となる。

以上、実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池３が発電に用いる空気又は改質ガスを加湿する加湿器７と、イオン交換器１４に水を循環供給する水ポンプ４１を有する水処理系３０とが、電磁弁４４，４６が設けられた流路Ｈ９，Ｈ１１で接続されており、その流路Ｈ９，Ｈ１１が水ポンプ４１の下流側であって、イオン交換器１４の上流側に接続されている。このように構成することで、イオン交換器１４の圧損を利用して、加湿器７，９へ水を供給させることができる。すなわち、イオン交換器１４の圧損を利用することにより、水処理系３０の循環用の水ポンプと加湿器７，９への供給用の水ポンプとを共用化することが可能となる。また、加湿器７，９への給水の際に、水ポンプ４１の出力を上昇させることにより、給水に適切な圧力を得ることができるので、水処理系３０内の水を安定して加湿器７，９へ供給させることが可能となる。よって、小型化を図ることができるとともに運転の安定化を図ることが可能となる。

また、実施形態に係る燃料電池システム１の設計方法によれば、水処理系３０の水ポンプ４１の出力によって加湿器７，９へ給水する場合には、イオン交換器１４による圧力損失、及び燃料電池システム１の負荷に応じた加湿器７，９内の圧力に基づいて、水処理系３０から加湿器７，９への給水時における水ポンプ４１の出力上昇分が設定されることができる。このように設計することで、水処理系３０の循環用のポンプと加湿器７，９への供給用のポンプとを共用化して小型化することができるとともに、給水に適切な圧力を得ることが可能となるので運転の安定化を図ることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

改質器２は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであっても良く、原燃料として、灯油、天然ガス、都市ガス、メタノール或いはブタン等を用いるものであっても良い。

また、燃料電池３は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であっても良い。

１…燃料電池システム、２…改質器、３…燃料電池、７，９…加湿器、３０…水処理系、４４…熱交換系。

Claims

原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガス及び空気を用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池へ供給される前記改質ガスを加湿する第１加湿器と、
前記燃料電池へ供給される前記空気を加湿する第２加湿器と、
水ポンプ及びイオン交換器を含み、前記水ポンプにより前記イオン交換器に水を循環供給する水処理系と、
前記水ポンプの下流側であって前記イオン交換器の上流側に接続され、前記第１加湿器及び前記水処理系を接続し、前記第１加湿器へ水を導入するための第１流路と、
前記水ポンプの下流側であって前記イオン交換器の上流側に接続され、前記第２加湿器及び前記水処理系を接続し、前記第２加湿器へ水を導入及び前記第２加湿器から水を排出するための第２流路と、
前記第１流路に設けられた第１弁と、
前記第２流路に設けられた第２弁と、
を備え、
前記第１加湿器へ給水する際には、前記第２弁が閉の状態で前記第１弁を開とするとともに前記水ポンプの出力を上昇させ、
前記第２加湿器へ給水する際には、前記第１弁が閉の状態で前記第２弁を開とするとともに前記水ポンプの出力を上昇させること、
を特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムの設計方法であって、
前記第１加湿器と、前記水処理系とを接続し、前記水処理系から前記第１加湿器へ給水する際に、前記イオン交換器による圧力損失、及び燃料電池システムの負荷に応じた前記第１加湿器内の圧力に基づいて、前記水処理系から前記第１加湿器への給水時における前記水ポンプの出力上昇分を設定し、
前記第２加湿器と、前記水処理系とを接続し、前記水処理系から前記第２加湿器へ給水する際に、前記イオン交換器による圧力損失、及び燃料電池システムの負荷に応じた前記第２加湿器内の圧力に基づいて、前記水処理系から前記第２加湿器への給水時における前記水ポンプの出力上昇分を設定すること、
を特徴とする燃料電池システムの設計方法。