JP5846443B2

JP5846443B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5846443B2
Application number: JP2012127617A
Authority: JP
Inventors: 元彦藪谷
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-06-05
Also published as: JP2013254564A

Description

本発明は、カソードガスを濾過するフィルタをもつ燃料電池システムに関する。

図８に一般的な燃料電池システムの構成の一部を概略的に示す。カソードガス通路100の先端には空気吸入口102が設けられ、空気吸入口102の下流側にエアクリーナ103が設けられている。エアクリーナ103の内部にはフィルタ104が配置されている。エアクリーナ103の下流側にはエアポンプ105が配置され、さらにその下流側に燃料電池106が配置されている。

この燃料電池システムでは、エアポンプ105の駆動によって空気吸入口102から空気が吸入される。吸入された空気は、エアクリーナ103を通過する際にフィルタ104によって砂、花粉、塵埃などの異物が濾過される。清浄となった空気はエアポンプ105によって加圧され、燃料電池106のカソードに供給される。燃料電池106では、カソードに供給された空気中の酸素と、アノードに供給された水素とが反応し、反応の過程で電力が取り出される。

ところで、フィルタ104には濾過された異物が徐々に堆積し、燃料電池システムの運転時間の経過と共にフィルタ104の通気量が徐々に低下する。しかしフィルタが目詰まりした状態で燃料電池の運転を継続すると、燃料電池に必要な量の空気を供給することができず、空気流量不足の原因により燃料電池の寿命が著しく劣化するという不具合がある。また高負荷状態で駆動されるために、エアポンプ105の寿命も劣化する。

したがって所定の通気量が確保できなくなる前にフィルタ104を交換する、あるいはフィルタ104を清掃するなどのメンテナンスが必要となる。そこで定期的にフィルタ104の目詰まりを点検することが行われているが、燃料電池システムの設置環境、発電量などによってフィルタ104の目詰まりの程度が大きく変動するため、定期的なメンテナンスでは無駄が生じる場合が多い。

そこで特開2010-092810号公報（特許文献１）には、フィルタなど複数種の消耗部品について、それぞれの寿命を近似させてパッケージ化することで、交換頻度を少なくし、交換作業も容易とした燃料電池システムが提案されている。そして同公報には、パッケージの使用時間を記憶し、それを予め設定された使用制限時間と比較し、使用時間が使用制限時間に到達した際に警報信号を出力することが記載されている。

また特開2006-059673号公報（特許文献２）には、フィルタを通過する空気の流量が基準以下であった場合に、空気が予備のフィルタを通過するように流路を切り換えるようにした燃料電池システムが提案されている。この技術によれば、燃料電池システムを停止することなく目詰まりしたフィルタを交換することが可能となる。

さらに特開2007-311305号公報（特許文献３）には、フィルタの物質除去能力を再生させる再生機構を備えた燃料電池システムが提案されている。再生機構としては、加熱により付着した微粒子を燃焼させる態様、逆向きの送風によって付着した微粒子を吹き飛ばす態様、薬品を用いて付着した微粒子を化学的に除去する態様などが例示されている。この技術によれば、再生機構の作動時にバイパス流路を開いて空気を燃料電池に供給することで、燃料電池システムを停止することなくフィルタを再生することができる。

特開2010-092810号公報特開2006-059673号公報特開2007-311305号公報

ところが特許文献１に記載の技術では、パッケージ交換の際には燃料電池システムを停止せざるを得ない。そしてパッケージ化することで、燃料電池システムのサイズが大型となりコストが高くなるという不具合がある。また特許文献２，３に記載の技術では、予備のフィルタ、流路切換え用の電磁弁、バイパス流路用の配管などが必要となるために、燃料電池システムのサイズが大型となりコストが高くなるという不具合がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、新たな装置を組み込むことなくフィルタの目詰まり状態を検知するとともに、フィルタの目詰まり状態に応じた制御によって、メンテナンスまでに燃料電池システムの運転を長く継続できるようにすることを解決すべき課題とする。

本発明の請求項１に係る燃料電池システムの特徴は、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、ガス源の燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する燃料ガス通路と、燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、カソードガス通路に設けられたカソードガス搬送源と、カソードガス通路に設けられカソードガスを濾過するフィルタと、カソードガス搬送源の出力に関連した物理量を検出する検出部と、カソードガス搬送源の出力を制御するとともに検出部の検出信号が入力される制御部と、を具備する燃料電池システムであって、
制御部は、カソードガス搬送源の出力に関連した物理量とフィルタの目詰まり状態に関連した物理量との関係をマップでもち、カソードガス搬送源を最大未満の抑制出力で駆動したときのカソードガス搬送源の出力に関連した物理量をマップに参照して得たフィルタの目詰まり状態に関連した物理量と、実際のフィルタの目詰まり状態に関連した物理量と、を比較することでフィルタの目詰まり状態を判定する判定工程を行うことにある。

判定工程は、燃料電池システムの起動直後、あるいは燃料電池システムの運転中（発電中）、あるいは燃料電池システムの停止後に行うことができる。

（１）燃料電池システムの起動直後に判定工程を行う場合
請求項２に記載したように、カソードガス搬送源の出力に関連した物理量としてカソードガス搬送源のデューティー比を選択し、フィルタの目詰まり状態に関連した物理量としてカソードに供給されるカソードガスの流量を選択し、この両者の関係をマップでもつことが望ましい。そしてカソードガス搬送源を最大未満の抑制デューティー比で駆動したときにカソードに供給されるカソードガスの流量を計測し、マップを参照して、カソードに供給されるカソードガスの流量が所定値未満の場合にはフィルタが目詰まりしていると判定する。

ここでカソードガス搬送源を最大未満の抑制デューティー比で駆動する理由は、フィルタに目詰まりが生じているときにカソードガス搬送源を最大デューティー比で駆動すると、カソードガス搬送源が高負荷状態で運転されることになり寿命の劣化が著しいからである。また最大未満の抑制デューティー比で駆動することで、カソードガス搬送源の負荷状態を一定値以下で抑えられカソードガス搬送源の寿命劣化が抑えられる。

最大未満の抑制デューティー比としては、例えばカソードガス搬送源がエアポンプの場合は、デューティー比が50〜95％程度の出力とすることが好ましく、60〜80％の出力とすることが望ましく、70％程度の出力とすることが特に望ましい。

フィルタが目詰まりしていると判定された場合、発電運転に移行するか、そのまま運転を停止するか、の判断をすることが望ましい。そこで請求項４に記載したように、判定工程においてフィルタの目詰まり状態に関連した物理量が予め定められた第１しきい値未満且つ第２しきい値以上と判定された場合には、制御部はカソードガス搬送源のデューティー比を抑制することで発電運転における発電出力を制御することが望ましい。あるいは請求項５に記載したように、判定工程においてフィルタの目詰まり状態に関連した物理量が第２しきい値未満と判定された場合には、制御部は発電運転を行わずに停止することが望ましい。

すなわちこの燃料電池システムによれば、発電運転の前にフィルタの目詰まりを検知でき、フィルタの目詰まりの程度が大きい場合には、即座に運転を停止することができるので、燃料電池システムに過大な負荷がかかるのを未然に防止することができる。また、フィルタの目詰まり程度が軽微である場合には、その目詰まり程度に応じた発電出力でカソードガス搬送源を抑制駆動して発電運転することで、カソードガス搬送源の負荷を軽減すると共に、発電出力を抑制することで必要とする空気量を少なくすることができるため、ポンプの最大負荷も一定値以下に抑えられる。これにより燃料電池の劣化を防止し、メンテナンスまで燃料電池システムを停止することなく運転することができる。

（２）燃料電池システムの発電運転中に判定工程を行う場合
請求項３に記載したように、カソードガス搬送源の出力に関連した物理量としてカソードガス搬送源のデューティー比を選択し、フィルタの目詰まり状態に関連した物理量として燃料電池システムの発電出力を選択し、この両者の関係をマップでもつことが望ましい。そしてカソードガス搬送源を最大未満の抑制デューティー比で駆動したときの発電出力をマップに参照し、発電出力が予め定められた所定値より低い場合にはフィルタが目詰まりしていると判定する。

フィルタが目詰まりしていると判定された場合、発電運転を続行するか、発電運転を停止するか、の判断をすることが望ましい。そこで請求項４に記載したように、判定工程においてフィルタの目詰まり状態に関連した物理量が予め定められた第１しきい値未満且つ第２しきい値以上と判定された場合には、制御部は、カソードガス搬送源の出力を抑制することで発電運転における発電出力を制御することが望ましい。あるいは請求項５に記載したように、判定工程においてフィルタの目詰まり状態に関連した物理量が第２しきい値未満と判定された場合には、制御部は発電運転を停止することが望ましい。

この燃料電池システムによれば、発電中にフィルタの目詰まりが検知されても、メンテナンスまでの期間、その目詰まり程度に応じた抑制発電出力状態で発電運転を継続することができる。そしてフィルタの目詰まりの程度が大きい場合には、即座に発電運転を停止することができるので、燃料電池システムに過大な負荷がかかるのを未然に防止することができる。

なお、発電運転の出力（発電量）が低めに制御された状態であるので、電力が不足するような場合には、不足の電力を補う外部電源を備えることが望ましい。

（３）燃料電池システムの停止後に判定工程を行う場合
制御部は、発電運転の停止後におけるカソードガス搬送源の出力に関連した物理量としてカソードガス搬送源のデューティー比と発電運転停止後の経過時間と、燃料電池の温度との関係をマップでもつことが望ましい。そして燃料電池システムの発電停止後にカソードガス搬送源のデューティー比を固定してカソードガスを供給した時の燃料電池の温度の低下速度を検出し、マップを参照して、その低下速度が所定値より小さい場合にはフィルタが目詰まりしていると判定する。

固定されるカソードガス搬送源のデューティー比は、最大未満の抑制デューティー比とする。フィルタに目詰まりが生じているときにカソードガス搬送源を最大デューティー比で駆動すると、カソードガス搬送源が高負荷状態で運転されることになり寿命の劣化が著しいからである。また最大未満の抑制デューティー比で駆動することで、カソードガス搬送源の負荷状態を一定値以下で抑えられカソードガス搬送源の寿命劣化が抑えられる。

例えばカソードガス搬送源がエアポンプの場合は、デューティー比が50〜95％程度の出力とすることが好ましく、60〜80％の出力とすることが望ましく、70％程度の出力とすることが特に望ましい。

この燃料電池システムによれば、次回の起動前にフィルタの目詰まり状態が明らかになっており、システムの停止中にメンテナンスできるので、燃料電池システムに過大な負荷がかかるのを未然に防止することができる。

なお上記した三つの場合分けは、それぞれを単独で用いてフィルタの目詰まりを判定してもよいし、二つあるいは三つを組み合わせて判定することもできる。

すなわち本発明の燃料電池システムによれば、新たな装置を組み込むことなくフィルタの目詰まり状態を検知することができ、大型化あるいはコストアップを防止することができる。そして、フィルタの目詰まり状態に応じた制御によって、メンテナンスが必要と判定された後も発電運転を継続することができる。したがって緊急にメンテナンスを行う必要が無くなり、ユーザー及びサービス者の負担が軽減される。

実施例１に係る燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。制御部の関係を示す図である。実施例１に係る燃料電池システムで参照するマップの概念を模式的に示す図である。実施例２に係る燃料電池システムにおける制御内容を示すフローチャートである。実施例２に係る燃料電池システムで参照するマップの概念を模式的に示す図である。実施例３に係る燃料電池システムにおける制御内容を示すフローチャートである。実施例３に係る燃料電池システムで参照するマップの概念を模式的に示す図である。従来の燃料電池システムのカソードガス通路付近の概念を概念を模式的に示す図である。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス通路と、カソードガス通路と、カソードガス搬送源と、フィルタと、検出部と、制御部を具備する。

燃料電池はアノードおよびカソードを有する。この燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（SOFC）に限定されず、場合によっては、PEFCとも呼ばれる固体高分子形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良く、溶融炭酸塩形燃料電池でも良く、他のタイプの燃料電池でも良い。

燃料ガス通路は、ガス源の燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する通路である。燃料ガスは、天然ガスやプロパンガスなどが改質されることで生成した水素ガスが一般に用いられ、燃料ガス通路を介してアノードに供給される。この燃料ガス通路には、一般に燃料ガス搬送源が配置されている。燃料ガス搬送源としては、一般に用いられているポンプ、ファン、コンプレッサなどを用いることができる。また燃料ガス搬送源を用いず、都市ガスやプロパンガスなどの供給圧力によって搬送することもできる。

カソードガス通路は、カソードガスを燃料電池のカソードに供給する通路である。カソードガスは少なくとも酸素を含むガスであり、一般に空気が用いられる。このカソードガス通路には、カソードガス搬送源が配置されている。カソードガス搬送源はポンプ、ファン、コンプレッサなどを用いることができるが、その出力を制御可能なものが望ましく、デューティー制御可能なポンプが望ましい。

デューティー制御では、ポンプを駆動するモータをパルス制御する時、パルス幅を変調して行うオンパルスの通電幅が大きいほどデューティー比が大きくモータの回転数が大きくなる。

カソードガス通路には、カソードガスを濾過するフィルタが配置されている。フィルタは、カソードガス搬送源の下流側に配置してもよいが、カソードガス搬送源に異物が付着するのを防止するために、カソードガス搬送源の上流側に配置することが望ましい。このフィルタとしては、各種不織布から形成されたもの、多孔質セラミックスから形成されたものなど、公知のものを用いることができる。

検出部は、カソードガス搬送源の出力に関連した物理量を検出する。カソードガス搬送源の出力に関連した物理量としては、ポンプのデューティー比、カソードガスの流量、カソードガスの圧力、エアポンプのモータ回転数などが例示され、検出部はこれらの物理量を検出する流量計、圧力センサなどの各種センサを用いることができる。

制御部はＣＰＵとメモリ、入力処理回路、出力処理回路などから構成され、少なくともカソードガス搬送源の出力を制御するとともに、少なくとも検出部の検出信号が入力される。そして制御部は、カソードガス搬送源の出力に関連した物理量とフィルタの目詰まり状態に関連した物理量との関係をマップでもち、カソードガス搬送源の出力に関連した物理量の値に応じてフィルタの目詰まり状態を判定する。フィルタの目詰まり状態に関連した物理量としては、フィルタ前後のカソードガスの圧力差、カソードに供給されるカソードガスの流量、燃料電池システムの発電出力、燃料電池の温度などが例示される。また制御部は、判定結果に応じて警報を出力することが望ましい。警報は、ユーザーや管理会社への警報とすることができ、メンテナンスを促す警報とすることができる。

また制御部には、燃料ガス搬送源の出力に関連した物理量を検出する第二の検出部の信号が入力されることが好ましい。燃料ガス搬送源の出力に関連した物理量としては、燃料電池の発電出力、ポンプのデューティー比、燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力などが例示され、第二の検出部はこれらの物理量を検出する流量計、圧力センサ、風速センサなどの各種センサを用いることができる。

第二の検出部の信号の入力を受けることで、制御部は燃料ガス搬送源の出力を制御することができる。したがって判定工程後の抑制発電運転に際して、カソードガス搬送源から供給されるカソードガス量に見合ったアノードガスを燃料電池に供給することができ、燃料電池の負荷を大きく軽減することができる。

以下、実施例により本発明の実施態様を具体的に説明する。

本実施例に係る燃料電池システムを図１に示す。燃料電池システムは、燃料電池１と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部２と、蒸発部２で生成した水蒸気を用いて燃料ガスを改質してアノードガスを形成する改質部３と、蒸発部２に供給される液相状の水を溜める水タンク４と、これらを収容する筐体５とを有する。燃料電池１は、イオン伝導体を挟むアノード10とカソード11とをもち、例えば、SOFCとも呼ばれる固体酸化物形燃料電池（運転温度：例えば400℃以上）に適用できる。

改質部３は、セラミックス担体3kに改質触媒を担持することで形成されており、蒸発部２に隣設されている。蒸発部２はセラミックス担体2kをもつ。担体2k，3kは粒状、ハニカム状等にできる。改質部３および蒸発部２によって改質器2Aが構成され、燃料電池１と共に断熱壁19で包囲されて、発電モジュール18を形成している。発電運転時には、改質器2Aは改質反応に適するように断熱壁19内において加熱される。発電運転時には、蒸発部２は水を加熱して水蒸気とし得るように加熱される。燃焼部17は改質器2Aと燃料電池１を加熱する。燃料ガス通路６は、ガス源63からの燃料ガスを改質器2Aに供給するものであり、遮断弁69、圧力センサ61、脱硫器62、ガスポンプ60、流量計64および逆止弁66をもつ。これらの配置順は特に限定されない。

燃料電池１のカソード11には、カソードガスとしての空気をカソード11に供給するエア通路70（カソードガス通路）が繋がれている。エア通路70には、空気を濾過するフィルタ71と、エアポンプ72（カソードガス搬送源）と、エア流量計73とが設けられている。エアポンプ72の駆動によって、筐体５内の空気はフィルタ71を通過してエア通路70に流入し、エア流量計73を通過して燃料電池１のカソード11に供給される。

図２に示すように、駆動回路を介してエアポンプ72を制御するための制御部300が設けられている。制御部300は、入力処理回路301、出力処理回路302、ＣＰＵ303、記憶部として機能するメモリ304を有する。制御部300には、エア流量計73の検知信号が入力される。なお制御部300には、後述する温度センサ57及び水センサ87の検知信号なども入力され、制御部300は、水ポンプ80、ガスポンプ60、遮断弁69（69f，69s）、及び図示されない警報装置なども制御している。

筐体５は、外気に連通する吸気口50及び排気口51と、吸気口50付近（外気）の温度を検知する温度センサ57とをもつ。温度センサ57は必要に応じて設ければ良い。筐体５には、改質部３で改質される液相状の改質水を溜める水タンク４が収容されている。水タンク４には、排水バルブ40が設けられており、更に、電気ヒータ等の加熱機能をもつ加熱部41が必要に応じて設けられている。加熱部41は、水タンク４に貯留されている改質水を加熱するものであり、電気ヒータ等で形成できる。外気温度等の環境温度が低いとき等には、制御部300からの指令に基づいて、水タンク４の水は加熱部41により加熱され、凍結が抑制される。なお、水タンク４内の水位は基本的にはほぼ同一となるようにされていることが好ましい。

水タンク４の出口ポート4pと蒸発部２の入口ポート2iとを連通させる給水路８が、配管として筐体５内に設けられている。筐体５内において、水タンク４は蒸発部２の下側に配置されているため、給水路８は上下方向に沿って延びる。給水路８は、水タンク４内に溜められている水を水タンク４の出口ポート4pから蒸発部２に供給させる通路である。給水路８には、水タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水ポンプ80が設けられている。

給水路８において、水ポンプ80の下流で且つ蒸発部２の上流に水センサ87が設けられている。なお、給水路８には、改質水の流量を測定する流量計は設けられていない。場合によっては、演算結果のチェック等のため、給水路８に流量計を設けることにしても良い。

（システムの運転）
本実施例では、システムの発電運転の起動時に図４に示す制御が行われる。Step.2において、制御部300はエアポンプ72をデューティー比Ｒ％で駆動する。ここでＲは100未満であり、例えばデューティー比70％とされる。Step.3において、制御部300はその時のエア流量計73で検知されたエア流量（ｆ）を検知する。Step.4では、制御部300はメモリ304に保存されているマップ（図３参照）を参照する。そしてStep.5では、フィルタ71に目詰まりが無い正常時においてエアポンプ72をデューティー比Ｒ％で駆動したときのエア流量（Ｆ₀）と実際のエア流量（ｆ）とが比較される。

現実のエア流量（ｆ）が正常時のエア流量（Ｆ₀）から例えば20Ｌ／minだけ減算した値（Ｆ₁：第１しきい値）以上であった場合には、制御部300はフィルタ71に目詰まりが生じていないと判定し、Step.6でエアポンプ72を平常駆動するとともに、Step.7でシステムを暖機運転から発電運転へと平常運転する。一方、実際のエア流量（ｆ）が正常時のエア流量（Ｆ₀）から20Ｌ／minだけ減算した値（Ｆ₁：第１しきい値）未満であった場合には、制御部300はフィルタ71に目詰まりが生じていると判定する。

例えばデューティー比70％でエアポンプ72を駆動したときに、フィルタ71が新品である場合のエア流量（Ｆ₀）が70Ｌ／minであるのに対し、実際のエア流量（ｆ）が50Ｌ／min以上であった場合には、フィルタ71に目詰まりが生じていないと判定される。一方、実際のエア流量（ｆ）が50Ｌ／min未満の場合には、フィルタ71に目詰まりが生じていると判定される。

次いでStep.8において、制御部300はメモリ304に保存されているマップ（図３参照）を参照し、実際のエア流量（ｆ）と正常時のエア流量（Ｆ₀）から例えば40Ｌ／minだけ減算した値（Ｆ₂：第２しきい値）とが比較される。実際のエア流量（ｆ）が正常時のエア流量（Ｆ₀）から40Ｌ／minだけ減算した値（Ｆ₂：第２しきい値）以上であった場合には、Step.9において制御部300はエアポンプ72を例えばデューティー比70％以下の抑制出力で駆動する。さらにStep.10でユーザー及び／又は管理会社へメンテナンス指令を発する警報装置を作動させ、Step.11で発電出力が抑制された抑制発電運転へ移行する。

例えばデューティー比70％でエアポンプ72を抑制駆動したときに、フィルタ71が新品である場合のエア流量（Ｆ₀）が70Ｌ／minであるのに対し、実際のエア流量（ｆ）が30Ｌ／min〜50Ｌ／min（Ｆ₁〜Ｆ₂）であった場合には、フィルタ71にある程度目詰まりが生じているものの緊急性はないと判定して抑制発電運転へ移行する。

一方、Step.8において実際のエア流量（ｆ）が正常時のエア流量（Ｆ₀）から40Ｌ／minだけ減算した値（Ｆ₂：第２しきい値）未満であった場合には、フィルタ71の目詰まり程度が大きいと判定され、Step.12において制御部300はシステムを停止する。

Step.7及びStep.11以後は、発電運転に先だって暖機運転が実行される。暖機運転では、制御部300は、遮断弁69を開放し、ガスポンプ60を駆動して燃料ガスを燃料ガス通路６から発電モジュール18の燃料電池１を介して燃焼部17に供給する。燃焼部17には、エア通路70を介して空気も供給される。図略の着火部が着火するため、燃焼部17において燃料ガス（例えば都市ガス）が空気により燃焼する。燃焼が継続するため、燃焼部17における燃焼熱により、改質部３、蒸発部２および燃料電池１が加熱されて暖機される。このような暖機運転では、水ポンプ80は停止しており、水タンク４の改質水は蒸発部２に供給されないので、改質部３における改質処理は実施されない。改質部３、蒸発部２および燃料電池１が所定の温度域に加熱されると、制御部300は暖機運転を終了させ、システムは発電運転に移行する。

発電運転では、制御部300が水ポンプ80を駆動すると、水タンク４内の液相状の改質水は、水タンク４の出口ポート4pから給水路８を搬送され入口ポート2iから蒸発部２に供給される。改質水は、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は、燃料ガス通路６から供給される燃料と共に改質部３に移動する。改質部３において燃料ガスは、水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。アノードガスはアノードガス通路74を介して燃料電池１のアノード10に供給される。更にエアポンプ71の駆動によって空気がエア通路70を介して燃料電池１のカソード11に供給される。これにより燃料電池１が発電する。カソード11から吐出されたカソードオフガスは、発電反応に消費されなった酸素を含む。アノード10から吐出されたアノードオフガスは、発電反応に消費されなった水素を含む。従って、発電運転においても燃焼部105においてアノードオフガスがカソードオフガスにより燃焼され、改質部３および蒸発部２が改質反応に適するように加熱される。

暖機運転および発電運転において、発電モジュール18で発生した高温の排ガスは、排ガス通路75を介して筐体５の外方に排気される。排ガス通路75には、凝縮機能をもつ熱交換器76が設けられている。筐体５には、貯湯槽77に繋がる貯湯通路78が設けられ、貯湯通路78には貯湯ポンプ79が設けられている。貯湯通路78は往路78aおよび復路78cをもつ。貯湯槽77の低温の水は、貯湯ポンプ79の駆動により、貯湯槽77の出口ポート77pから吐出されて往路78aを通過し、熱交換器76に至り、熱交換器76で排ガスにより加熱される。熱交換器76で加熱された水は、復路78cを介して帰還ポート77iから貯湯槽77に帰還する。このようにして貯湯槽77の水は温水となる。前記した排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器76で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器76から延設された凝縮水通路42を介して重力等により浄水部43に流下される。従って、浄水部43および水タンク４は発電モジュール18の下側に位置する。

浄水部43はイオン交換樹脂等の水浄化剤43aを有するため、凝縮水の不純物は除去される。不純物が除去された水は水タンク４に移動し、水タンク４に改質水として溜められる。水ポンプ80が正運転で駆動すると、水タンク４内の改質水は給水路８を介して高温の蒸発部２に供給され、蒸発部２で水蒸気とされて改質部３に供給され、改質部３において燃料ガスを改質させる改質反応として消費される。水蒸気改質の一般式は（１）と考えられている。
（１）…C_nH_m＋2nH₂O→nCO₂＋[(m／2)＋2n]H₂
ｎ，ｍは特定の整数を示す。ｎ＝１，ｍ＝４の場合には、メタン(CH₄)が水蒸気改質される。

本実施例の燃料電池システムによれば、フィルタ71の目詰まり程度が許容範囲にある場合には、エアポンプ72が例えばデューティー比70％で抑制駆動され、フィルタ71がメンテナンスされるまで発電を継続することができる。またフィルタ71の目詰まり程度が大きい場合には、暖機運転の前にシステムを停止することができ、システムに及ぼす負荷が小さい。したがって、新たな装置を組み込むことなくフィルタの目詰まり状態を検知することができる。そしてフィルタの目詰まり状態に応じた制御によって、メンテナンスが必要と判定された後も発電運転を継続することができる。したがって緊急にメンテナンスを行う必要が無くなり、ユーザー及びサービス者の負担が軽減される。

本実施例の燃料電池システムは、装置の構成は実施例１と同様であり、制御部300の制御内容が異なる。本実施例は上記した実施例１と基本的には同様の作用および効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。

図４に、本実施例における制御部300の制御内容を示す。Step.101でシステムが起動されると、Step.102においてシステムは暖機運転後に平常の発電運転を行う。次いでシステムは、定期的にStep.103〜Step.112の処理を行う。定期の期間については、特に規定されるものではなく、システムの設置環境、使用年数などに応じて適宜決めることができる。

Step.103では、エアポンプ72が最大出力より小さいデューティー比Ｒ₁％固定で運転される。そのエア流量が維持された状態で、Step.104において制御部300は燃料電池１の発電出力（ｗ）を検知する。Step.105では、制御部300はメモリ304に保存されているマップ（図６参照）を参照する。マップには、エアポンプ72のデューティー比と、そのデューティー比で駆動された場合の、フィルタ71に目詰まりが無い正常時における発電出力との関係が記録されている。

そしてStep.106では、フィルタ71に目詰まりが無い正常時においてエアポンプ72をデューティー比R₁%で駆動したときの発電出力（W₀）と実際の発電出力（W）とが比較される。デューティー比R₁％は、例えばデューティー比70％とすることができる。

実際の発電出力（W）が正常時の発電出力（W₀）から例えば200Wだけ減算した値（W₁：第１しきい値）以上であった場合には、制御部300はフィルタ71に目詰まりが生じていないと判定し、Step.107でエアポンプ72をデューティー比70％で平常駆動するとともに、Step.108でシステムを平常運転する。一方、実際の発電出力（W）が第１しきい値（W₁）未満であった場合には、制御部300はフィルタ71に目詰まりが生じていると判定する。

例えばデューティー比70％でエアポンプ72を抑制駆動したときに、フィルタ71が新品である場合の発電出力（W₀）が700Wであるのに対し、実際の発電出力（W）が500W（第１しきい値：W₁）以上であった場合には、フィルタ71に目詰まりが生じていないと判定される。一方、実際の発電出力（W）が500W（第１しきい値：W₁）未満の場合には、フィルタ71に目詰まりが生じていると判定される。

次いでStep.109において、制御部300はメモリ304に保存されているマップ（図５参照）を参照し、実際の発電出力（W）と正常時の発電出力（W₀）から例えば400Wだけ減算した値（W₂：第２しきい値）とが比較される。実際の発電出力（W）が500W（第２しきい値：W²）以上であった場合には、Step.110において制御部300はエアポンプ72を例えばデューティー比70％より小さい抑制出力で駆動する。さらにStep.111でユーザー及び／又は管理会社へメンテナンス指令を発する警報装置を作動させ、Step.112で発電出力が抑制された抑制発電運転へ移行する。

例えばデューティー比70％でエアポンプ72を抑制駆動したときに、フィルタ71が新品である場合の発電出力（W₀）が700Wであるのに対し、実際の発電出力（W）が300W〜500W（第２しきい値：W₂）であった場合には、フィルタ71にある程度目詰まりが生じているものの緊急性はないと判定して抑制発電運転に移行する。

一方、Step.109において実際の発電出力（W）が第２しきい値（W₂）未満であった場合には、フィルタ71の目詰まり程度が大きいと判定され、Step.113において制御部300はシステムを停止する。

本実施例の燃料電池システムによれば、フィルタ71の目詰まり程度が許容範囲にある場合には、エアポンプ72がデューティー比70％で抑制運転され、フィルタ71がメンテナンスされるまで発電を継続することができる。またフィルタ71の目詰まり程度が大きい場合には、速やかにシステムを停止することができ、システムに及ぼす負荷が小さい。

図６に、本実施例における制御部300の制御内容を示す。Step.201でシステムが停止されると、システムは冷却モードに移行し、制御部300は、フィルタ71の目詰まり程度をチェックするために、Step.202においてエアポンプ72を最大出力より小さいデューティー比R%（R<100)固定で運転する。次いでStep.203において、制御部300は外気温（Ｔ）を検知する。

次いでStep.204においてマップが参照される。このマップには、図７に示すように、新品のフィルタ71を用いてエアポンプ72をデューティー比R%で運転したときに、燃料電池１の温度がｔ₁からｔ₂に低下するまでに要する時間が各外気温について記録されている。図７には、外気温がＴ℃のときに燃料電池１の温度がｔ₁からｔ₂に低下するまでに要する基準時間（ｔ_T分）を示している。

次いで制御部300は、Step.205において燃料電池１の温度がｔ₁からｔ₂に低下するまでに要する時間（ｔ分）を測定し、そのときの外気温に対応したマップを参照する。そしてStep.205において、燃料電池１の温度がｔ₁からｔ₂に低下するまでに要した冷却時間（ｔ）と、マップから得られた基準時間（ｔ_T）とが比較される。冷却時間（ｔ）が基準時間（ｔ_T）に例えば10分を加えた時間より短かった場合には、フィルタ71は正常と判定され、Step.206で正常終了される。

一方、冷却時間（ｔ）が基準時間（ｔ_T）に例えば10分を加えた時間より長かった場合には、フィルタ71が目詰まりしていると判定され、Step.7で警報装置が作動されて次の起動までにメンテナンスされる。

本実施例の燃料電池システムによれば、フィルタ71の目詰まり程度が大きい場合には、次回のシステム起動までにメンテナンスすることができる。したがって緊急にメンテナンスを行う必要が無くなり、ユーザー及びサービス者の負担が軽減される。

本発明は上記し且つ図面に示した各実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実行できる。図１において、燃料ガス通路６において流量計64が搭載されていないシステムでも良い。燃料電池は固体酸化物形燃料電池（SOFC）に限定されず、場合によっては、PEFCとも呼ばれる固体高分子形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良く、溶融炭酸塩形燃料電池でも良く、他のタイプの燃料電池でも良い。加熱部40は水タンク４に設けられているが、廃止されていても良い。燃料ガス搬送源は、燃料ガスを搬送できる物であればガスポンプ60に限らず、ファン、コンプレッサでも良い。カソードガス搬送源は、カソードガスを搬送できる物であればエアポンプ71に限らず、ファン、コンプレッサでも良い。遮断弁69は２連弁でも１連弁でも良い。圧力センサ61の位置は上記に限定されず、脱硫器62と流量計64との間でも良いし、ガスポンプ60と脱硫器62との間でも良い。上記した実施形態は定置形の燃料電池システムに適用しているが、これに限らず、脱硫器を有しない燃料電池システムに適用しても良いし、水素ガスであるアノードガスを充填した燃料タンクをガス源として有する車両搭載型の燃料電池システムに適用しても良い。

１は燃料電池、10はアノード、11はカソード、18は発電モジュール、2Aは改質器、２は蒸発部、３は改質部、４は水タンク、５は筐体、６は燃料ガス通路、60はガスポンプ（燃料ガス搬送源）、61は圧力センサ、62は脱硫器、63はガス源、66は逆止弁（開閉弁）、69は遮断弁、69fは第１遮断弁、69sは第２遮断弁、70はカソードガス通路、71はフィルタ、72はエアポンプ（カソードガス搬送源）、75は排ガス通路、８は給水路、300は制御部を示す。

Claims

アノードおよびカソードを有する燃料電池と、ガス源の燃料ガスを前記燃料電池の前記アノードに供給する燃料ガス通路と、前記燃料電池の前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、前記カソードガス通路に設けられたカソードガス搬送源と、前記カソードガス通路に設けられ前記カソードガスを濾過するフィルタと、前記カソードガス搬送源の出力に関連した物理量を検出する検出部と、前記カソードガス搬送源の出力を制御するとともに前記検出部の検出信号が入力される制御部と、を具備する燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記カソードガス搬送源の出力に関連した物理量と前記フィルタの目詰まり状態に関連した物理量との関係をマップでもち、前記カソードガス搬送源を最大未満の抑制出力で駆動したときの前記カソードガス搬送源の出力に関連した物理量を前記マップに参照して得た前記フィルタの目詰まり状態に関連した物理量と、実際の前記フィルタの目詰まり状態に関連した物理量と、を比較することで前記フィルタの目詰まり状態を判定する判定工程を行うものであり、
さらに前記制御部には実際の前記燃料電池の温度が入力され、前記制御部は、発電運転の停止後における前記カソードガス搬送源の出力に関連した物理量と発電停止後の経過時間と前記燃料電池の温度との関係をマップでもち、
発電運転の停止後に前記カソードガス搬送源の出力を固定した状態で前記燃料電池が所定温度まで冷却されるまでの実際の経過時間を検知し、前記カソードガス搬送源の出力を前記マップに参照して得た前記経過時間と前記実際の経過時間とを比較して前記フィルタの目詰まり状態を判定する前記判定工程を行うことを特徴とする燃料電池システム。
前記制御部は、前記カソードガス搬送源のデューティー比と前記カソードに供給される前記カソードガスの流量との関係をマップでもち、前記制御部は前記燃料電池システムの起動直後に前記判定工程を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記カソードガス搬送源のデューティー比と前記燃料電池システムの発電出力との関係をマップでもち、前記燃料電池システムの発電運転中に前記判定工程を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
前記判定工程において前記フィルタの目詰まり状態に関連した物理量が予め定められた第１しきい値未満且つ第２しきい値以上と判定された場合には、前記制御部は、前記抑制出力以下となるように前記カソードガス搬送源のデューティー比を制御することで発電運転における発電出力を制御する請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
前記判定工程において前記フィルタの目詰まり状態に関連した物理量が前記第２しきい値未満と判定された場合には、前記制御部は発電運転を停止する請求項４に記載の燃料電池システム。