JP5935537B2

JP5935537B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5935537B2
Application number: JP2012139888A
Authority: JP
Inventors: 裕記大河原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: JP2014006973A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１は燃焼排気温度が既定温度以下になるように、凝縮器での冷却熱量を制御することにより、水自立運転を実現している。燃焼排気温度の既定温度は、燃焼ガス、空気、改質水の供給量から決定される。冷却熱量の制御は凝縮器に通水する貯湯水流量を変化させることで行う。

特許文献２は回収水タンクに水位センサを有し、既定水位を下回った場合にカソードに供給する空気（カソードガス）の流量を減少させて回収水量を増大させる。反対に既定水位を上回った場合にはカソードガス流量を増加させて回収水量を減少させる。この制御により水自立運転を可能にする。

特開２００５−２７６７５７号公報特開２００８−２３４８６９号公報

特許文献１によると、燃焼排気の既定温度を決定するにあたり、各流体の流量（供給量）に基づいて設定されている。そのため、各流体の流量が精度良く検出できることが前提となる。各流体の流量の測定はそれぞれに精度の高い流量計を付けることで可能になるが必要なコストが高くなる。また、流量計は長期間にわたる使用により耐久や劣化が進行し真値から外れることも想定され、その場合には安定した水自立運転が成立しない場合も想定される。

特許文献２によると、回収水タンクの水位を検知し、水位が低下した場合にカソードガス流量を減少させることで回収水量を増加させて水位上昇を図ることは可能である。そして、前述したように流量計の耐久などにより各流体の供給量が正確に測定できない場合や貯湯槽が湯で満水の時などの場合において回収水量が減るような条件に至ったとしてもカソードガス流量を補正することにより回収水量を増加させて水自立運転を確立することが可能である。

しかしながら、流量計が正確では無くなっている場合には各流体の流量の真値からのズレを検出／補正することは困難である。そのような場合、カソード及びアノードの各ガスの量が充分でなくなってスタックに不具合が生じることも考えられる。また、適正な運転状況にあるかどうかが保証できなくなって低効率のポイントで運転され続けることも想定される。

このように燃料電池システムにて供給されている各流体の流量を正確に測定することにより適正な水自立運転や効率の高い領域での運転が実現できる。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、水自立運転を行う燃料電池システムについて、各流体の流量を測定する流量計の正確さが向上可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

（１）本発明の様相１に係る燃料電池システムは、アノードガスが供給されるアノード及びカソードガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、原料ガスを改質させて前記アノードガスを生成させる改質器と、前記カソードガスおよび前記原料ガスおよび改質用の水を供給するポンプと、前記改質器および前記燃料電池で発生する水蒸気を含んだ排ガスを冷却し前記排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収する凝縮器と、前記燃料電池からの排ガスを冷却し前記排ガスに含まれる水を凝縮して回収する凝縮器と、前記改質器及び／又は前記燃料電池に対して必要に応じて水を供給できるように前記凝縮器から回収される水を貯める水タンクと、前記凝縮器から回収される水量を測定する水量計と、前記凝縮器を通過する前記排ガスの温度を測定乃至推定する排ガス温度計と、前記原料ガス流量を測定する原料ガス流量検知手段と、前記カソードガス流量を測定するカソードガス流量検知手段と、前記改質用の水を測定する流量検知手段と前記ガスおよび改質水流量及び前記排ガス温度から演算した演算水収支と前記水量から算出される実測水収支との差から、原料ガス流量検知手段及びカソードガス流量検知手段の少なくとも一方を較正する較正手段と、を有する。

改質器および燃料電池から回収できる水の量は、原料ガス流量、カソードガス流量、改質水流量、及び凝縮器から排出される排ガス温度から正確に推定・算出することが可能である。つまり、原料ガス流量とカソードガス流量と改質水流量とから生成する水の絶対量が算出でき、凝縮器から排出される排ガス温度から生成した水のうち、どの程度の水が凝縮されるかが算出できる。

従って、回収できた水の量を実際に測定して推測値と比較することにより原料ガスやカソードガスなどの流量を測定する流量検知手段較正を行うことができる。

ここで排ガス温度計は流量検知手段とは異なりその耐久は問題になりにくいため、回収した水の量が理論値からずれているのは流量検知手段の耐久、劣化に由来する真値からのずれに起因するものとして扱うことが可能である。このように流量検知手段の較正を行うことができるため、水自立運転を適正に行うことができると共に、原料ガス及びカソードガスの流量を正確に制御することが可能になって適正な条件に近づけて設定することができるので高効率条件での運転が実現できる。

（２）本発明の様相２に係る燃料電池システムは、アノードガスが供給されるアノード及びカソードガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、原料ガスを改質させて前記アノードガスを生成させる改質器と、前記カソードガスおよび前記原料ガスおよび改質用の水を供給するポンプと、前記改質器および前記燃料電池で発生する水蒸気を含んだ排ガスを冷却し前記排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収する凝縮器と、前記燃料電池からの排ガスを冷却し前記排ガスに含まれる水を凝縮して回収する凝縮器と、前記改質器及び／又は前記燃料電池に対して必要に応じて水を供給できるように前記凝縮器から回収される水を貯める水タンクと、前記凝縮器から回収される水量を測定する水量計と、前記凝縮器を通過する前記排ガスの温度を測定乃至推定する排ガス温度計と、前記原料ガス流量を測定する原料ガス流量検知手段と、前記カソードガス流量を測定するカソードガス流量検知手段と前記ガスおよび改質水流量及び前記排ガス温度から演算した演算水収支と前記水量から算出される実測水収支との差から、前記原料ガス流量検知手段及び前記カソードガス流量検知手段の少なくとも一方を較正する較正手段と、を有する。

様相１のように、改質器および燃料電池から回収できる水の量は原料ガス流量、カソードガス流量、改質水流量及び凝縮器から排出される排ガス温度から正確に推定・算出することが可能である。しかし、凝縮し回収した量と供給した改質水の差分（水収支）は、改質水量で変化しないため、原料ガス流量、カソードガス流量及び排ガス温度で推定・算出が可能である。つまり、改質水量を検知しなくとも、凝縮した水の絶対量は分からないものの、凝縮した水量と供給した改質水量の差分である水タンクの水量を算出できる。

従って、水タンクの水量の変化を実際に測定して推測値と比較することにより原料ガスやカソードガスなどの流量を測定する流量検知手段較正を行うことができる。

（３）本発明の様相３は、様相１または２において流量検知手段が流量計である燃料電池システムである。

ここで、流量計などの流量検知手段が耐久、劣化に由来するずれについての意味について説明する。流体の量を直接測定する流量計などであって目的とする指示量（必要量）についてフィードバック制御を行うようなシステムにおいては、流量検知手段のドリフト等による真値と流量検知手段の出力値の差が大きくなった場合を示す。

（４）本発明の様相４に係る燃料電池は、様相１又は２において直接、流体の量を測定する流量計の計測値に直接基づかず、各流体の指示量に対し、流体を供給するポンプの運転条件（ポンプを駆動する際のポンプの回転数や、ポンプのモータに供給する電力の大きさ（デューテイ比など）を流量に関連する値とする）を予め設定したマップなどに基づき変化させて制御するシステムにおいては、燃料電池等の圧損増大等により指示量と回転数マップやデューテイ比マップなどとがずれた場合を示す。つまり流量検知手段はポンプの運転条件を検知する手段である。

（５）本発明の様相５に係る燃料電池システムは、様相１〜４のうちの何れかにおいて、前記較正手段は前記排ガス温度が第１所定温度よりも高いときに前記カソードガス流量検知手段を較正し、前記排ガス温度が第２所定温度よりも低いときに前記原料ガス流量検知手段を較正する。

原料ガスの流量変化により回収水量が変化する大きさと、カソードガスの流量変化により回収水量が変化する大きさとは、双方共に排ガス温度によって変化することが分かっている。そして、原料ガスとカソードガスとでその変化の程度は異なっている。そのため、原料ガス流量を測定する原料ガス流量検知手段の較正が精度良くできる排ガスの温度範囲と、カソードガス流量を測定するカソードガス流量検知手段の較正が精度良くできる排ガスの温度範囲とが異なる温度範囲として存在する。特に排ガス温度が高い範囲においてはカソードガスを測定するカソードガス流量検知手段の較正を精度良く行うことが可能になり、低い温度範囲においては原料ガスを測定する原料ガス流量検知手段の較正の較正を精度良く行うことが可能になることが分かっている。

（６）本発明の様相６に係る燃料電池システムは、様相１〜５のうちの何れかにおいて、前記凝縮器は冷却水と前記排ガスとの間で熱交換を行う手段であり、前記冷却水の温度又は量を変化させることができる冷却水温度可変手段を備え、前記較正手段は、前記原料ガス流量検知手段を較正するときには前記冷却水の温度又は量を変化させて排ガス温度を低下させ、前記カソードガス流量検知手段を較正するときには前記冷却水の温度又は量を変化させて排ガス温度を上昇させる。

様相５にて述べたように、原料ガスを測定する流量検知手段と、カソードガスを測定する流量検知手段とは、較正するのに適した排ガスの温度範囲が異なっている。そのため、凝縮器として冷却水を流すことで排ガスと冷却水との間での熱交換を行う構成を採用し、その冷却水の温度又は量を変化させることで排ガスの温度を適正な温度範囲に制御できるような構成としたものである。

（７）本発明の様相７に係る燃料電池システムは、様相１〜６のうちの何れかにおいて、前記水量計は前記水タンクの少なくとも２つの水位を通過したことを測定できる水位測定手段である。

水量の変化を測定するために水タンクの水位を測定する水位測定手段を採用することができるが、水位測定手段としては最低限２つの水位を通過したことを測定できるものであれば良い。そのような水位測定手段としては２つの水位に対応した位置に電極を設けその電極に回収した水が触れることでその水位に達していることを測定する手段、表面に抵抗体からなる皮膜を形成してその皮膜が水に接する位置により抵抗値が変化することで水位を測定する手段、光学的に水位を連続的乃至断続的に測定できる手段、超音波などで水面の高さを測定する手段、水タンクの重さを測定する手段などどのような手段を採用しても良い。

（８）本発明の様相８に係る燃料電池システムは、様相７において、前記水タンクは排水手段を備え、前記較正手段は前記２つの水位のうちの低い水位にまで前記水タンク中の水位を前記排水手段により下げた後にシステム運転による水収支により高い水位にまで増加させて較正を行う。

燃料電池システムとしては、一般的な運転状態を採用すると、燃料電池システム内での水の必要量よりも、水タンクへの水の回収量の方が多くなる運転状態の方が多くなる。そのため、そのままでは回収した水は水タンクから溢れ出すことになり水タンクに設けた水位測定手段は常に水タンク内でいっぱいになった状態を検出し続けることになる。そこで、流量検知手段の較正を行う際には水位測定手段が水タンク内における水位を測定できるようにある程度の水位（様相５において水位測定手段に設定した２つの測定できる水位のうちの低い方）にまで排水することで回収した水の量を測定することができる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、水自立運転を行う燃料電池システムについて、各流体の流量を検知する流量検知手段の正確さが向上可能になる。それは、簡易に測定できる回収水量に基づき、原料ガスやカソードガスを検知する流量検知手段を較正することが可能になるからである。

燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。実施形態における制御部１００Ｘがカソードガス流量計７２を較正するステップを表すフローチャートである。水タンク内での水量変化の速度の排ガス温度依存性を種々のＵａにて検討したグラフである。水タンク内での水量変化の速度の排ガス温度依存性を種々のＵｆにて検討したグラフである。水タンク内での水量変化の速度の排ガス温度依存性を種々のＳ／Ｃにて検討したグラフである。変形態様３における制御部１００Ｘがカソードポンプ７１を較正するステップを表すフローチャートである。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。図１に示すように、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させる蒸発部２と、蒸発部２で生成された水蒸気を用いて燃料（原料ガス）を改質させ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）とされている。改質部３は、セラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部２に隣設されている。改質部３及び蒸発部２は改質部２Ａを構成しており、燃料電池１と共に断熱壁１９で包囲され、発電モジュール１８を形成している。発電モジュール１８内には、改質部３，蒸発部２を加熱する燃焼部１０５が設けられている。アノード１０側から排出されたアノード排ガスは、流路１０３を介して燃焼部１０５に供給される。カソード１１側から排出されたカソード排ガスは、流路１０４を介して燃焼部１０５に供給される。起動時には、燃焼部１０５は、アノード１０から供給された改質前の原料ガスを、カソード１１から供給されたカソードガスで燃焼させ、蒸発部２及び改質部３を加熱させる。

燃焼部１０５から排出される排ガスは排ガス通路７５を通じて排出される。排ガス通路７５は凝縮器７６に接続されている。凝縮器７６では冷却水との間での熱交換により排ガスを冷却し排ガスに含まれる水を凝縮して回収する。凝縮器７６から回収された水は回収水を貯めることができる水タンク４に流れるようになっている。水タンク４内の水は、ポンプ８０によって適宜発電モジュール１８に供給される。

凝縮器７６には冷却水を流す冷却水供給装置７７〜７９が設けられている。冷却水供給装置７７〜７９は貯湯槽７７と貯湯通路７８と貯湯ポンプ７９とから構成される。貯湯通路７８は往路７８ａ及び復路７８ｃをもつ。往路７８ａにおいて凝縮器７６に入る直前には凝縮器７６内に供給される冷却水の温度を測定する温度センサ３６が設けられている。凝縮器７６は供給される冷却水の温度により概ね排ガスとの間で熱交換を行う限界の温度が決定される。つまり、凝縮器７６に入った排ガスは供給される冷却水の温度にまで冷却されて凝縮器７６から排出されるため、凝縮器７６から排出される排ガス温度は凝縮器７６に供給される冷却水の温度で代用できる。なお、凝縮器７６から排出される排ガス温度を測定する温度センサ３７を排ガス通路７５（凝縮器７６を通過した後の部位）に設けて直接排出される排ガス温度を測定しても良い。

貯湯槽７７の低温の水（冷却水）は、貯湯ポンプ７９の駆動により、貯湯槽７７の吐出ポート７７ｐから吐出されて往路７８ａを通過し、凝縮器７６に至り、凝縮器７６により加熱される。反対に凝縮器７６を通過した排ガスは冷却水により熱を奪われて排出される。凝縮器７６で加熱された温水は、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、凝縮器７６で凝縮されて凝縮水となる。凝縮器７６から排出される排ガスは排ガス通路７５を通じて排出される。凝縮水は、凝縮器７６から延設された凝縮水通路４２を介して重力等により水精製器４３に供給される。水精製器４３はイオン交換樹脂等の水精製剤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に溜められる。ポンプ８０が駆動すると、水タンク４内の水は給水通路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において燃料を改質させる改質反応に使用される。

水タンク４には水位測定手段としての水位センサ４６が設けられている。水位センサ４６としては電気抵抗型、静電容量型、超音波式、圧力式など汎用されているものがそのまま採用できる。水位センサ４６としては、水タンク４内の水位を連続的に測定可能なものであるのが望ましいが、水タンク４内の水位について２つの異なる水位に至ったことをそれぞれ独立して検知できるものであれば充分である。水タンク４の底部には排水路４７が接続されている。排水路４７の途中には電気的に開閉可能な排水弁４８が設けられている。なお、水タンク４はいっぱいになると上部より水が溢れ出すことができるようになっている。

発電運転時には、燃焼部１０５はアノード１０から排出されたアノード排ガスを、カソード１１から排出されたカソード排ガスと燃焼させ、蒸発部２及び改質部３を加熱させる。燃焼部１０５には燃焼排ガス路７５が設けられ、燃焼部１０５における燃焼後のガスが燃焼排ガス路７５を介して大気中に放出される。改質部３の温度を検出する温度センサ３３が設けられている。着火させるヒータである着火部３５が燃焼部１０５に設けられている。着火部３５は着火できるものであれば何でも良い。外気の温度を検出する外気温度センサ５７が設けられている。

システムの発電運転時には、改質部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は水を加熱させて水蒸気とさせ得るように加熱される。燃料電池１がＳＯＦＣタイプの場合には、アノード１０側から排出されたアノード排ガスとカソード１１側から排出されたカソード排ガスが燃焼部１０５で燃焼するため、改質部３及び蒸発部２は、発電モジュール１８の内部において同時に加熱される。

原料ガスは原料ガス通路６を通じて供給される。原料ガスは都市ガス、その他ＬＰＧ等でも良い。原料ガス通路６は、原料ガス源６３から原料ガスを改質器２Ａに供給させるものであり、ポンプ６０、脱硫装置２００、原料ガス流量計３００、逆止弁５００をもつ。配置順は特に限定されない。

燃料電池１のカソード１１へはカソードガス（酸素を含むガス。空気など）がカソードガス通路７０を介して供給される。カソードガス通路７０には、カソードガス搬送用の搬送源として機能するカソードポンプ７１と、カソードガスの供給量（流量）を測定するカソードガス流量計７２とが設けられている。

温度センサ３３，３６，３７，５７の信号、原料ガス流量計３００の信号、カソードガス流量計７２の信号、そして水位センサ４６の信号はそれぞれ制御部１００Ｘに入力される。制御部１００Ｘはポンプ６０、カソードポンプ７１、ポンプ８０、貯湯ポンプ７９の駆動を制御する。また、制御部１００Ｘは警報器１０２に警報を出力する。

筐体５は外気に連通する吸気口５０と排気口５１とをもち、更に、第１室である上室空間５２と、第２室である下室空間５３とをもつ。燃料電池１は、改質部３及び蒸発部２と共に発電モジュール１８を形成し、筐体５の上側つまり上室空間５２に収容されている。筐体５の下室空間５３には、改質部３で改質される液相状の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、電気ヒータ等の加熱機能をもつ加熱部４０が設けられている。加熱部４０は、水タンク４に貯留されている水を加熱させるものであり、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１００Ｘからの指令に基づいて、水タンク４の水は加熱部４０により所定温度以上に加熱され、凍結が抑制される。図１に示すように、下室空間５３側の水タンク４の出口ポート４ｐと上室空間５２側の蒸発部２の入口ポート２ｉとを連通させる給水通路８が、配管として筐体５内に設けられている。給水通路８は、水タンク４内に溜められている水を水タンク４から蒸発部２に供給させる通路である。給水通路８には、水タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水搬送源として機能するポンプ８０が設けられている。

さてシステムの起動時において、ポンプ６０が駆動すると、原料ガス通路６から原料ガスが蒸発部２，改質部３，アノードガス通路７３，燃料電池１のアノード１０，流路１０３を介して燃焼部１０５に流れる。カソードポンプ７１によりカソードガス（空気）がカソードガス通路７０、カソード１１，流路１０４を介して燃焼部１０５に流れる。この状態で着火部３５が着火すると、燃焼部１０５において燃焼し、改質部３及び蒸発部２が加熱される。このように改質部３及び蒸発部２が加熱された状態で、ポンプ８０が駆動すると、水タンク４内の水は水タンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて給水通路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は、原料ガス通路６から供給される原料ガスと共に改質部３に移動する。原料ガスは改質部３において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７３を介して燃料電池１のアノード１０に供給される。更にカソードガス（酸素含有ガス、ケース５内の空気）がカソードガス通路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。アノード１０から排出されたアノードオフガス、カソード１１から排出されたカソードオフガスは、流路１０３，１０４を通過し、燃焼部１０５に至り、燃焼部１０５で燃焼される。排ガスは、排ガス通路７５を介してケース５の外方に排出される。

上記したシステムの発電運転時において、ポンプ８０が駆動すると、水タンク４内の水は、水タンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて給水通路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は原料ガス通路６から供給される原料ガスと共に改質部３に移動する。改質部３において燃料は、水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。なお燃料がメタン系である場合には、水蒸気改質によるアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。但し燃料はメタン系に限定されるものではない。

（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスはアノードガス通路７３を介して燃料電池１のアノード１０に供給される。更にカソードガス（酸素含有ガス、筐体５内の空気）がカソードガス通路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。燃料電池１で排出された高温の排ガスは、排ガス通路７５を介して筐体５の外方に排出される。

・流量計の較正について
上述の燃料電池システムの制御は制御部１００Ｘにより温度センサ３３，３６，３７，５７の信号、原料ガス流量計３００の信号、カソードガス流量計７２の信号、そして水位センサ４６の信号を取得した上で、それらの信号がもつ情報に従い、ポンプ６０、カソードポンプ７１、ポンプ８０、貯湯ポンプ７９の駆動を制御することで行う。従って、それらのセンサ、流量計などの情報が正しくないと燃料電池システムの適正な運転を実現することが困難になる。特に流量計は機械的に作動する部分があるなど長期間の使用により流量の値がずれることがあるため特に較正を行うことが望まれる。また、本構成では原料ガス流量計３００とカソードガス流量計７２とを有しているが、ポンプ６０，７１を調節することで原料ガスやカソードガスの流量を制御してそれを流量計による測定値に代える構成を採用することもできる。その場合には各ポンプ６０，７１の変化やそれらのガスの通路の変化により同じような制御を行っても供給されるガスの流量が同じになるとは限られないため、流量計の較正と同様にポンプ６０，７１の吐出量の較正を行うことができる。

そこで、各流量計（直接流量を測定する装置のみならず、ポンプの吐出量を運転条件から算出する手段も含む。つまり、ポンプの制御により吐出量の制御をポンプを駆動するモータに供給する電力の制御により行うことで流量を決定する場合は決定された流量を取得する手段を含む。）を較正する手段を制御部１００Ｘに備えている。構成を行う頻度としては特に限定しない。例えば、特に較正を行う間隔などを考慮せずに、較正を行うことができる条件が揃った場合に較正を実行したり、所定の間隔毎（例えば３ヶ月おき、６ヶ月おきなど）で行ったりすることができる。

制御部１００Ｘが流量計の較正を行う方法について図２に基づき説明する。以下の説明では原料ガス流量計３００及びカソードガス流量計７２の指示値と各流量との関係を示すテーブルを作成し、そのテーブルを用いて原料ガス流量計３００及びカソードガス流量計７２の指示値が、目的の流量に対応する値になるようにポンプ６０，７１を作動させる態様を採用している。

＜実測水収支取得ステップＳ１＞
水位センサ４６により実測水収支に相当する水位変化量Ａ１を取得する。水位センサ４６が連続的な水位変化を取得可能な手段であれば、水位センサ４６が適正な精度で測定可能であって、適正な精度で流量計の較正が可能になる程度のガスの流量に対応する水位変化を予め算出しておき、そのような水位変化が生じたことを測定する。２つの異なる水位を検知するセンサを採用する場合にはその２つの異なる水位としては適正な精度で流量計の較正が可能になる程度のガスの流量に対応する水位変化が測定できるように設定されている。なお、本ステップＳ１を行う前に、目的の水位変化が測定可能であるかを判断し、測定可能でない場合には排水弁４８を開いて測定可能になるまで水タンク４内に貯まった水を排水することが望ましい。具体的には連続的に水位変化を測定できる水位センサ４６を採用した場合には目的の大きさの水位変化が測定可能になる程度にまで水を排水し、２つの異なる水位を測定できる水位センサ４６である場合には水位センサ４６により検知可能な水位のうち低い方に至るまで水を排水した後に本ステップＳ１を実行する。そうでなければ、水位が水位変化を測定可能である場合に本ステップＳ１を実行する。また、本ステップＳ１の実行時にポンプ８０の作動を考慮する。例えば、作動することを前提として回収水量から蒸発部２に供給した水量を減じた量として水位変化を定義したり、実測した水位変化の値に蒸発部２に供給した水の量を加えて補正したものを水位変化として補正したりできる。

＜演算水収支算出ステップＳ２＞
原料ガス流量計３００が指示する流量（Ｘ１）及びカソードガス流量計７２が指示する流量（Ｙ１）及び改質水流量、温度センサ３６又は３７の指示値を取得し、その値から理論的に求めるか又は予め作成したテーブルにて算出する回収水量から演算水収支に相当する水位変化量の理論値Ｂ１を求める。水位変化量理論値Ｂ１（ｃｍ／分）は、演算水収支量（ｃｍ^３／分）を水タンクの断面積（ｃｍ^２）で割ることにより算出される。原料ガス流量計３００及びカソードガス流量計７２は各ガスの流量に関連する大きさをもつ信号を出力する。制御部１００Ｘは、その信号の大きさと各ガスの流量との関係をマップＭとして保持しており、信号の大きさに応じた各ガスの流量を指示値として算出する。

これらの値は運転状況の変化に伴って変化する値であるため、これらのセンサからの指示値が変化することも考慮して逐次算出した回収水量を積分して水位変化量を算出することが好ましい。原料ガス及びカソードガスの流量からは生成する水の量の理論値が算出できる。そして、生成した水の量の理論値と排ガスの温度とから凝縮器７６により回収できる水量の理論値が算出できる。

＜判定ステップＳ３＞
実測した水位変化Ａ１の値と理論値Ｂ１とのずれの程度を判定する。本実施形態では水位変化Ａ１が理論値Ｂ１から一定の範囲内（例えば理論値Ｂ１−αから理論値Ｂ１＋βまでの範囲）に収まっているかどうかを判断し、その範囲に収まっている場合にはそのまま較正を終了し、収まっていない場合には較正を行う次のステップＳ４に行くとの判定を行う。更には本ステップＳ３では実測した水位変化Ａ１の値と理論値Ｂ１とのずれがある程度の大きさである場合だけ較正を行うようにしているが、特にこのような判断を行わずに全ての場合にステップＳ４にて較正を行うようにしても良い。

＜原料ガス流量及びカソードガス流量の算出ステップＳ４＞
実測した水位変化Ａ１の値から原料ガスの流量（Ｘ２）またはカソードガスの流量（Ｙ２）を算出する。

具体的な算出方法としては水位変化Ａ１から水収支（回収水量−改質水供給量）を算出し、その水収支量と排ガス温度とから、排ガス中の水蒸気分率（露点）を求める。水蒸気分率から原料ガスまたはカソードガス量を算出する。

＜マップ較正ステップＳ５＞
ステップＳ４にて算出した原料ガスの流量（Ｘ２）またはカソードガスの流量（Ｙ２）を用いてマップＭを較正する。つまり、較正前には原料ガスの流量（目標）をＸ１にしたときに実際の原料ガスの流量はＸ２になっていることが判明したため、目標とする流量がＸ１であるときにマップＭがもっていた原料ガス流量計３００が出力する信号の大きさを目標とする流量（Ｘ２）に対応するようにマップＭ全体を較正する。マップＭ全体を較正する方法としては原料ガス流量計３００の特性に応じて適正な方法を選択する。例えば原料ガス流量計３００が出力する信号の大きさと流量との関係が線形である場合にはマップＭにおける対応関係を全ての領域において一定量だけ増減させることで較正可能であるなど、信号の大きさと流量との関係に応じた補正を行うことにより適正な較正を行うことができる。なお較正を行うにあたり、信号の大きさと流量との関係を適正に較正するために複数の流量における信号の大きさを用いることが望ましい。複数の流量における信号の大きさを用いるために今回測定して算出した値を用いると共に、以前に算出した値を用いて較正を行うこともできる。カソードガス流量計７２についても原料ガス流量計３００と同様に較正することができる。

＜原料ガス流量及びカソードガス流量の変化と水位変化の変化との関係について＞
原料ガス流量及びカソードガス流量の変化と水位変化（回収水量−蒸発部２に供給した水量）の変化との関係について検討した結果を以下説明する。具体的には、（ａ）カソードガスとしての空気が利用される割合である空気利用率（Ｕａ）、原料ガスが利用される割合である燃料利用率（Ｕｆ）、及び原料ガスに含まれる炭素に対する水蒸気のモル比であるスチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）のうちの１つと、（ｂ）排ガス温度とを変化させたときの水タンク４内の水量変化（回収水量−蒸発部２に供給した水量）の速度を計算により求め、それぞれ図３（Ｕａ）、図４（Ｕｆ）、そして図５（Ｓ／Ｃ）にプロットした。

Ｕａの制御は空気の流量（カソードポンプ７１）を変化させて行った。Ｕｆの制御は原料ガスの流量（ポンプ６０）を変化させて行った。Ｓ／Ｃの制御は水の供給量（ポンプ８０）を変化させて行った。

図４より明らかなように、原料ガスの流量の変化に対する水量変化は排ガス温度の変化に関わらずほぼ一定であることが分かった。

図５より明らかなように、Ｓ／Ｃの値はsc1〜sc2の範囲で変化させても水タンク４内の水量変化の速度に変わりは無かった。

このように、水タンク４内の水量変化の速度は原料ガスの供給量とカソードガスの供給量との変動により変わり、蒸発部２への水の供給量の変動には影響されないことが明らかになった。従って、水タンク４内の水を蒸発部２に供給するポンプ８０に起因する流量のバラツキは水タンク４内の水量変化の速度には影響を与えないため、水タンク４内の水量変化を測定・考慮することによって、カソードガスを吐出するカソードポンプ７１の流量と、原料ガスを吐出するポンプ８０の流量とを較正することが可能になることが分かった。

（変形態様１）
本変形態様の燃料電池システムは制御部１００Ｘが原料ガス流量計３００及びカソードガス流量計７２を較正する方法が異なる以外、実施形態と同じ構成をもつ。そのため、制御部１００Ｘの動作についてのみ説明を行う。

制御部１００Ｘは凝縮器７６から排出される排ガスの温度により原料ガス流量計３００及びカソードガス流量計７２のうちのいずれの流量計を較正するかを判断する。実施形態にて説明を行ったように、排ガス温度が高いときの方がカソードガス流量の変化に対して水量変化の速度の変化が大きいため、カソードガス流量の変化を高い精度で検知することが可能になる。従って排ガス温度が相対的に高い場合（例えば予め設定された温度である第１所定温度以上であるとき。第１所定温度としては１５℃、２０℃などの値が採用できる）にはカソードガス流量計７２の較正を行うことが望ましい。反対に排ガス温度が低い場合には水量変化の速度の大きさはカソードガス流量の変化に影響されがたくなる。従って排ガス温度が相対的に低い場合（例えば予め設定された温度である第２所定温度より小さいとき。第２所定温度としては１５℃、２０℃などの値が採用できる）には原料ガス流量計３００の較正をカソードガス流量の変化にあまり影響されずに行うことができる。但し、排ガス温度の大きさによらずカソードガス流量計７２及び原料ガス流量計３００の較正を行うことは妨げない。例えば流量計の較正がある所定期間ごとに行うことが望ましい場合にその期間内に較正を行うのに好ましい温度範囲に排ガス温度が至らないか又は制御できない場合には、排ガス温度が好ましい温度範囲ではなくても較正を行うことができる。

（変形態様２）
本変形態様の燃料電池システムは制御部１００Ｘが原料ガス流量計３００及びカソードガス流量計７２を較正する方法が異なる以外、実施形態又は変形態様１と同じ構成をもつ。そのため、制御部１００Ｘの動作についてのみ説明を行う。

変形態様１にて説明を行ったように、カソードガス流量計７２と原料ガス流量計３００とでは較正を行うのに適した排ガス温度が異なっている。変形態様１では排ガス温度が自然に好ましい温度範囲になったときに較正を行うものであったが、本変形態様では凝縮器７６に供給する冷却水の温度や量を調節することにより積極的に望ましい排ガス温度になるようにするものである。本変形態様では貯湯槽７７内の温度が低い場合や高い場合に貯湯ポンプ７９による冷却水の供給量を増加させて排ガス温度を積極的に制御するものである。また、凍結防止用のヒータ等が貯湯槽に搭載されているような構成においては、凍結状態有無に関わらず、過渡的にヒータに通電し凝縮器に供給される冷却水の温度を可変するようにしても良い。

（変形態様３）
本変形態様の燃料電池システムは、図１に示す実施形態の燃料電池システムにおける、原料ガス流量計３００とカソードガス流量計７２とを有さず、原料ガス流量の調整はポンプ６０に供給する電力を調整してポンプ６０の吐出量を調整することで制御し、カソードガス流量の調整はカソードポンプ７１に供給する電力を調整してカソードポンプ７１の吐出量を調整することで制御するものである。従って、本変形態様にて較正を行うのはポンプ６０の吐出量とカソードポンプ７１の吐出量とである。それ以外の構成については、実施形態、変形態様１又は変形態様２と同じ構成をもつ。このような構成の違いがあるため、本変形態様では、制御部１００Ｘの動作が一部異なるものになっている。具体的には制御部１００Ｘは図６に示すような制御を行っている。この制御のうち実施形態と異なる部分は実施形態ではマップ較正ステップＳ５であったものが、本変形態様ではデューテイマップ較正ステップＳ６になっている点である。以下、異なるステップであるデューテイマップ較正ステップＳ６ついてのみ説明する。

＜デューテイマップ較正ステップＳ６＞
ステップＳ４にて算出した原料ガスの流量（Ｘ２）及びカソードガスの流量（Ｙ２）を用いてデューテイマップＤＭを較正する。つまり、較正前には原料ガスの流量（目標）をＸ１にしたときに実際の原料ガスの流量はＸ２になっていることが判明したため、目標とする流量がＸ２であるときにマップＤＭがもっていたポンプ６０に出力するデューテイ（Ｄ１）を較正前の流量（Ｘ１）に相当する値に対応するようにマップＤＭ全体を較正する。マップＤＭ全体を較正する方法としてはポンプ６０の特性に応じて適正な方法を選択する。例えば入力されるデューテイと流量との関係が線形である場合にはマップＤＭにおける対応関係を全ての領域において一定量だけ増減させることで較正可能であるなど、信号の大きさと流量との関係に応じた補正を行うことにより適正な較正を行うことができる。なお較正を行うにあたり、デューテイの大きさと流量との関係を適正に較正するために複数の流量におけるデューテイの大きさを用いることが望ましい。複数の流量におけるデューテイの大きさを用いるために今回測定して算出した値を用いると共に、以前に算出した値を用いて較正を行うこともできる。カソードポンプ７１についてもポンプ６０と同様に較正することができる。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した各実施形態及び適用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施できる。ポンプ６０や原料ガス流量計３００は脱硫装置２００の下流に限らず、上流に配置されていても良い。燃料電池は、固体酸化物形燃料電池に限定されず、場合によっては、固体高分子電解質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い。要するに、原料ガスを脱硫させる第１脱硫部及び第２脱硫部を直列に有する燃料電池システムであれば良い。原料ガスも特に制限されず、都市ガス、プロパンガス、バイオガス、ＬＰＧガス、ＣＮＧガス等を例示できる。

１は燃料電池、１０はアノード、１１はカソード、２は蒸発部、３は改質部、１８は発電モジュール、１９は断熱壁、６０はポンプ（ガス搬送源）、７０はカソードガス通路、７１はカソードポンプ、７２はカソードガス流量計、７３はアノードガス通路、１００Ｘは制御部、６は原料ガス通路、６０はポンプ、３００は原料ガス流量計を示す。

Claims

アノードガスが供給されるアノード及びカソードガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、
原料ガスを改質させて前記アノードガスを生成させる改質器と、
前記カソードガスおよび前記原料ガスおよび改質用の水を供給する各ポンプと、
前記改質器および前記燃料電池で発生する水蒸気を含んだ排ガスを冷却し前記排ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収する凝縮器と、
改質器に改質水を供給できるように前記凝縮器から回収される水を貯める水タンクと、
前記凝縮器から回収される水量を測定する水量計と、
前記凝縮器を通過する前記排ガス温度を測定乃至推定する前記排ガス温度計と、
前記原料ガスの流量を測定する原料ガス流量検知手段と、
前記カソードガスの流量を測定するカソードガス流量検知手段と、
下記（ｉ）及び（ｉｉ）の一方及び前記排ガス温度から演算した演算水収支と前記水量から算出される実測水収支との差である水収支演算結果から、前記原料ガス流量検知手段及び前記カソードガス流量検知手段の少なくとも一方を較正する必要の有無を判定する較正判定手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
（ｉ）前記原料ガス流量と前記カソードガス流量と前記改質水量。
（ｉｉ）前記原料ガス流量と前記カソードガス流量。
前記較正判定手段が較正の必要があることを判定したときに、前記排ガス温度が第１所定温度よりも高いときに前記カソードガス流量検知手段を較正し、前記排ガス温度が第２所定温度よりも低いときに前記原料ガス流量検知手段を較正する較正手段を更に有する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記凝縮器は冷却水と前記排ガスとの間で熱交換を行う手段であり、前記冷却水の温度又は量を変化させることができる冷却水温度可変手段と、
前記較正判定手段が較正の必要があることを判定したときに、前記原料ガス流量検知手段を較正するときには前記冷却水の温度又は量を変化させて排ガス温度を低下させ、前記カソードガス流量検知手段を較正するときには前記冷却水の温度又は量を変化させて排ガス温度を上昇させる較正手段を更に有する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記原料ガス流量検知手段及び前記カソードガス流量検知手段は流量計で、前記較正手段は前記流量計を較正する請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
前記原料ガス流量検知手段及び前記カソードガス流量検知手段は前記各ポンプの制御指示値や回転数で、前記較正手段は前記水収支演算結果から前記各ポンプに対する制御指示値と前記各ポンプが供給する流体の流量または前記各ポンプの電動モータの回転数との相関関係を示すマップを較正する請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
前記水量計は前記水タンクの少なくとも２つの水位を通過したことを測定できる水位測定手段である請求項１〜５のうちの何れか１つに記載の燃料電池システム。
前記水タンクは排水手段を備え、
前記較正手段は前記２つの水位のうちの低い水位にまで前記水タンク中の水位を前記排水手段により下げた後に高い水位にまで増加させて較正を行う請求項２又は３を引用する請求項６に記載の燃料電池システム。