JP6290730B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料ガス供給流路１４に設けた昇圧ポンプ２４によって供給される燃料ガス中の硫黄成分を除去するための脱硫器２２と、脱硫された燃料ガスを改質するための改質器４と、改質燃料ガス及び酸化剤の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタック６とを備えている。この燃料電池システムは、脱硫器２２による燃料ガスの脱硫反応を水素を含む条件下で行うため、改質器４で改質された改質燃料ガスの一部を脱硫器２２に戻すためのリサイクル流路４８が設けられている。このリサイクル流路４８は一端側が改質燃料ガス送給流路８に接続され、他端側が燃料ガス供給流路の昇圧ポンプ２４と流量センサ２６との間に接続されている。また、燃料ガス供給流路１４を通過する燃料ガスがリサイクル流路４８に逆流するのを防ぐため、燃料ガス供給流路１４にはリサイクル流路４８の接続部より導入側に圧力調整手段としてのニードル弁６２が設けられている。このニードル弁６２は導出側の圧力を大気圧より小さい圧力に保持することで、燃料ガス供給流路１４を通過する燃料ガスがリサイクル流路４８を逆流するのを防止している。

特開２０１１−１５９４８５号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、燃料ガス供給流路１４を通過する燃料ガスがリサイクル流路４８を逆流するのを防止するために、燃料ガス供給流路１４にはリサイクル流路４８の接続部より導入側に圧力調整手段としてのニードル弁６２が設けられている。この燃料電池システムでは、燃焼ガス供給経路１４は昇圧ポンプの導入側がニードル弁６２によって大気圧より小さい圧力（負圧）に保持されているが、ニードル弁６２による導出側の設定圧力が適切でないと、昇圧ポンプ２４を最低出力で駆動させたときに、燃料電池セルスタック６の発電に要する最低流量より多い燃料が供給されることがあり、燃料電池セルスタック６の発電効率が低下する問題があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、原料ポンプを最低出力で駆動させたときであっても、燃料電池システムの最低流量を確保することができ、ひいては発電効率の低下を抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料供給源からの改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して改質部に供給する脱硫器と、脱硫器に改質用原料を供給する改質用原料供給管と、改質用原料供給管に設けられ脱硫器に改質用原料を圧送する原料ポンプと、改質部から燃料電池に供給される燃料の一部をリサイクル燃料として改質用原料供給管の原料ポンプの導入側に戻すリサイクル燃料管と、改質用原料供給管のリサイクル燃料管との接続部より前記改質用原料供給源側に設けられ、導出側圧力が所定負圧となると開放される調圧弁と、を備えた燃料電池システムであって、調圧弁の所定負圧は、原料ポンプが吐出可能となるポンプ最低開度において、原料ポンプからの流量が燃料電池システムで最低限必要となる最低流量未満となるように設定され、調圧弁の所定負圧は、さらに、原料ポンプがポンプ最低開度となると同時に、調圧弁が開放されるように設定されている。

これによれば、原料ポンプの駆動制御が開始されると、原料ポンプが吐出可能となり、さらに原料ポンプの吸引によって原料ポンプの導入側すなわち調圧弁の導出側が負圧となる。調圧弁の導出側圧力が所定負圧になり、調圧弁が開放されると、原料ポンプから改質用原料の吐出が開始される。このとき、原料ポンプからの流量は、原料ポンプが吐出可能となるポンプ最低開度において、燃料電池システムで最低限必要となる最低流量未満である。よって、原料ポンプを最低出力で駆動させたときであっても、燃料電池システムの最低流量を確実に確保することができ、ひいては発電効率の低下を抑制することができる。
さらに、原料ポンプを必要以上に駆動させないで、原料ポンプからの流量を調整することができる。

また請求項２に係る発明は、請求項１において、改質用原料供給管の調圧弁の導入側または調圧弁とリサイクル燃料管との接続部との間に改質用原料の流量を検出する流量センサと、原料ポンプを駆動させているときに流量センサによって検出された改質用原料の流量に基づいて、改質用原料供給管またはリサイクル燃料管のガス漏洩を検知するガス漏洩検知部と、を備えている。
これによれば、ガス漏洩検知部によって改質用原料供給管またはリサイクル燃料管からのガス漏洩を早期に発見できるようになる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概略図である。 図１に示す調圧弁の特性を示す図である。原料ポンプの吐出が開始した後、調圧弁が開放された場合を示す。上段は制御指令値（デューティ比）に対する原料ポンプの吐出力、および原料ポンプからの改質用原料の流量を示し、下段は制御指令値に対する調圧弁の導出側圧力を示す。 図１に示す調圧弁の特性を示す図である。原料ポンプの吐出の開始と、調圧弁の開放が同時である場合を示す。上段は制御指令値（デューティ比）に対する原料ポンプの吐出力、および原料ポンプからの改質用原料の流量を示し、下段は制御指令値に対する調圧弁の導出側圧力を示す。 図１に示す調圧弁の特性を示す図である。調圧弁が導出側圧力が大気圧で開放となる場合を示す。上段は制御指令値（デューティ比）に対する原料ポンプの吐出力、および原料ポンプからの改質用原料の流量を示し、下段は制御指令値に対する調圧弁の導出側圧力を示す。 図１に示す燃料電池システムのブロック図である。 改質用原料供給管の改質用原料がリサイクルガス管に逆流するのを防ぐ場合の説明にて、調圧弁が大気圧で開弁する場合を示す図である。 改質用原料供給管の改質用原料がリサイクルガス管に逆流するのを防ぐ場合の説明にて、調圧弁が所定負圧Ｐａで開弁する場合を示す図である。 図１に示す制御装置で実行されるプログラムのフローチャートである。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。

燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が改質用原料供給源Ｇｓ（以下、単に供給源Ｇｓという場合もある）に接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

改質用原料供給管１１ａに関して詳述する。改質用原料供給管１１ａには、上流から順番に遮断弁１１ａ１、圧力センサ１１ａ３、流量センサ１１ａ２、調圧弁１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５および脱硫器１１ａ６が設けられている。遮断弁１１ａ１、流量センサ１１ａ２、圧力センサ１１ａ３、調圧弁１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５および脱硫器１１ａ６は、筐体１０ａ内に収納されている。

遮断弁１１ａ１は、改質用原料供給管１１ａを制御装置１５の指令によって開閉自在に遮断する弁（２連弁）である。流量センサ１１ａ２は、燃料電池３４に供給されている燃料（改質用原料）の流量すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。圧力センサ１１ａ３は、燃料電池３４に供給されている改質用原料の圧力（特に圧力センサ１１ａ３の設置場所の圧力）を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。

調圧弁１１ａ４は、改質用原料供給管１１ａにて導入（流入）した改質用原料を所定負圧Ｐａに調整して導出（流出）する。調圧弁１１ａ４は、改質用原料供給管１１ａのリサイクルガス管３９との接続部より供給源Ｇｓ側に設けられており、導出側圧力（原料ポンプ１１ａ５の導入側の圧力）が所定負圧Ｐａとなると開放される。調圧弁１１ａ４は、原料ポンプ１１ａ５の駆動（吸引）によって所定負圧Ｐａとならなければ開放されないので、改質用原料供給管１１ａの改質用原料がリサイクルガス管３９を逆流するのを防いでいる。

また、調圧弁１１ａ４の所定負圧Ｐａは、原料ポンプ１１ａ５が吐出可能となるポンプ最低開度において、原料ポンプ１１ａ５からの流量が燃料電池システムで最低限必要となる最低流量未満となるように設定されている。図２、図３を参照して詳述する。図２、図３において、上段は制御指令値（デューティ比）に対する原料ポンプ１１ａ５の吐出力、および原料ポンプ１１ａ５からの改質用原料の流量を示し、下段は制御指令値に対する調圧弁１１ａ４の導出側圧力を示す。なお、例えば、最低流量は、燃料電池３４の最低出力に応じた流量である。

図２は、原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始した後、調圧弁１１ａ４が開放された場合を示している。原料ポンプ１１ａ５に対する制御指令値を０から増大させた場合、原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始されるまで、原料ポンプ１１ａ５の吐出力（吸引力）は０である。この場合、原料ポンプ１１ａ５の導入側圧力すなわち調圧弁１１ａ４の導出側圧力は大気圧Ｐ０である。また、原料ポンプ１１ａ５からの吐出量（改質用原料の流量）は０である。

原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始された後、原料ポンプ１１ａ５の吐出力（吸引力）が増大すると、原料ポンプ１１ａ５の導入側圧力すなわち調圧弁１１ａ４の導出側圧力は大気圧Ｐ０から減少する。その結果、調圧弁１１ａ４の導出側圧力が所定負圧Ｐａに達すると、調圧弁１１ａ４が開放される。原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始された後であって、調圧弁１１ａ４が開放されるまでにおいて、調圧弁１１ａ４は閉じているため、原料ポンプ１１ａ５からの吐出量（改質用原料の流量）は０のままである。

原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始された後であって、調圧弁１１ａ４が開放されると、原料ポンプ１１ａ５からの吐出量（改質用原料の流量）が０から増大し始める。その後は、制御指令値の増大に伴って、原料ポンプ１１ａ５の吐出力が増大するとともに、原料ポンプ１１ａ５からの吐出量（改質用原料の流量）が増大する。

このように、調圧弁１１ａ４の所定負圧Ｐａは、原料ポンプ１１ａ５が吐出可能となるポンプ最低開度（原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始される原料ポンプ１１ａ５の最低出力）において、原料ポンプ１１ａ５からの流量が燃料電池システムで最低限必要となる最低流量未満となるように設定されている。

さらに、図３は、原料ポンプ１１ａ５の吐出の開始と、調圧弁１１ａ４の開放が同時である場合を示している。原料ポンプ１１ａ５に対する制御指令値を０から増大させた場合、原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始されるまでは、図２の場合と同様である。

原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始されると同時に、調圧弁１１ａ４が開放されると、原料ポンプ１１ａ５からの吐出量（改質用原料の流量）が０から増大し始める。その後は、制御指令値の増大に伴って、原料ポンプ１１ａ５の吐出力が増大するとともに、原料ポンプ１１ａ５からの吐出量（改質用原料の流量）が増大する。

このように、調圧弁１１ａ４の所定負圧Ｐａは、原料ポンプ１１ａ５が吐出可能となるポンプ最低開度において、原料ポンプ１１ａ５からの流量が燃料電池システムで最低限必要となる最低流量未満となるように設定されている。

これらに対して、原料ポンプ１１ａ５が吐出可能となるポンプ最低開度において、原料ポンプ１１ａ５からの流量が燃料電池システムで最低限必要となる最低流量以上となる場合を図４を参照して説明する。図４に示す例は、調圧弁１１ａ４が導出側圧力が大気圧Ｐ０になると開放されるものである。図４において、上段は制御指令値（デューティ比）に対する原料ポンプ１１ａ５の吐出力、および原料ポンプ１１ａ５からの改質用原料の流量を示し、下段は制御指令値に対する調圧弁１１ａ４の導出側圧力を示す。

原料ポンプ１１ａ５に対する制御指令値を０から増大させた場合、原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始されるまで、原料ポンプ１１ａ５の吐出力（吸引力）は０である。この場合、原料ポンプ１１ａ５の導入側圧力すなわち調圧弁１１ａ４の導出側圧力は大気圧Ｐ０であり、調圧弁１１ａ４は開放されている。しかし、原料ポンプ１１ａ５の吐出力（吸引力）は０であるため、原料ポンプ１１ａ５からの吐出量（改質用原料の流量）は０である。

原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始されると、原料ポンプ１１ａ５の吐出力（吸引力）が増大するととともに、それに応じて原料ポンプ１１ａ５からの吐出量（改質用原料の流量）が増大する。このとき、吐出力および吐出量は、原料ポンプ１１ａ５の特性上、急に大きくなり、改質用原料の流量が燃料電池システムの最低流量より大きくなる。

原料ポンプ１１ａ５は、燃料電池３４に燃料（改質用原料）を供給する燃料供給装置であり、制御装置１５からの制御指令値にしたがって供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。この原料ポンプ１１ａ５は、改質用原料を吸入し改質部３３に圧送する原料圧送装置である。

脱硫器１１ａ６は、改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。脱硫器１１ａ６内には、触媒および超高次脱硫剤が収容されている。触媒においては、硫黄化合物と水素とが反応して硫化水素が発生する。例えば、触媒は、ニッケル−モリブデン系、コバルト−モリブデン系である。超高次脱硫剤としては、例えば銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−アルミニウム系脱硫剤などを用いることができる。超高次脱硫剤は、触媒にて硫黄化合物から変換された硫化水素を取り込んで除去する。このような超高次脱硫剤は、２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態で優れた脱硫作用を発揮する。したがって、脱硫器１１ａ６は、内部が２００〜３００℃（例えば２５０〜３００℃）の高温状態となる箇所に配置されている。例えば、脱硫器１１ａ６は、ケーシング３１内、またはケーシング３１外面に配置されている。

燃料電池システムは、脱硫剤として超高次脱硫剤を用いることに関連して、改質部３３にて改質された改質ガスの一部が改質用原料供給管１１ａに戻されるように構成されている。具体的には、改質ガスを戻すためのリサイクルガス管（リサイクル燃料管）３９が設けられている。リサイクルガス管３９の一端は、改質部３３から燃料電池３４に改質ガス（燃料）を供給する改質ガス供給管（燃料供給管）３８に接続され、リサイクルガス管３９の他端は、改質用原料供給管１１ａの脱硫器１１ａ６の上流位置、さらに具体的には、改質用原料供給管１１ａの原料ポンプ１１ａ５の配設部位と調圧弁１１ａ４の配設部位との間の部位に接続されている。これにより、改質部３３から改質ガス供給管３８を通して流れる改質ガスの一部がリサイクルガス管３９を通して改質用原料供給管１１ａに戻される。

このように、水素が含まれている改質ガスの一部が改質用原料供給管１１ａに戻されることにより、改質ガス中の水素が改質用原料に混合されて改質用原料供給管１１ａを通して脱硫器１１ａ６内の超高次脱硫剤に送給される。その結果、改質用原料中の硫黄化合物が水素と反応して硫化水素が発生し、その硫化水素が超高次脱硫剤によって除去される。

リサイクルガス管３９には、オリフィス３９ｂが設けられている。オリフィス３９ｂには流路孔が設けられ、流路孔によってリサイクルガス管３９を通して戻される改質ガスの流量を調整する。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。

燃料電池モジュール１１（３０）は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。

蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。

改質部３３は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

燃料電池３４は、燃料と酸化剤ガスとにより発電するものである。燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部３３は省略することができる。

セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。

燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて改質部３３を加熱する。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。

さらに燃料電池システムは、制御装置１５を備えている。制御装置１５には上述した流量センサ１１ａ２、圧力センサ１１ａ３、遮断弁１１ａ１、各ポンプ１１ａ５，１１ｂ１，２２ａ、カソードエアブロワ１１ｃ１が接続されている（図５参照）。制御装置１５はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（何れも図示省略）を備えている。ＣＰＵは燃料電池システムの運転に必要な各種プログラムを実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。

上述した説明から明らかなように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質用原料供給源からの改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、改質料原料に含まれる硫黄成分を除去して改質部３３に供給する脱硫器１１ａ６と、脱硫器１１ａ６に改質用原料を供給する改質用原料供給管１１ａと、改質用原料供給管１１ａに設けられ脱硫器１１ａ６に改質用原料を圧送する原料ポンプ１１ａ５と、改質部３３から燃料電池３４に供給される燃料の一部をリサイクルガスとして改質用原料供給管１１ａの原料ポンプ１１ａ５の導入側に戻すリサイクルガス管３９と、改質用原料供給管１１ａのリサイクルガス管３９との接続部より供給源Ｇｓ側に設けられ、導出側圧力が所定負圧Ｐａとなると開放される調圧弁１１ａ４と、を備えた燃料電池システムである。調圧弁１１ａ４の所定負圧Ｐａは、原料ポンプ１１ａ５が吐出可能となるポンプ最低開度において、原料ポンプ１１ａ５からの流量が燃料電池システムで最低限必要となる最低流量未満となるように設定されている。

これによれば、原料ポンプ１１ａ５の駆動制御が０から開始されると、原料ポンプ１１ａ５が最低出力（ポンプ最低開度）になると吐出可能となり、さらに原料ポンプ１１ａ５の吸引によって原料ポンプ１１ａ５の導入側すなわち調圧弁１１ａ４の導出側が負圧となる。調圧弁１１ａ４の導出側圧力が所定負圧Ｐａになり、調圧弁１１ａ４が開放されると、原料ポンプ１１ａ５から改質用原料の吐出が開始される。このとき、原料ポンプ１１ａ５からの流量は、原料ポンプ１１ａ５が吐出可能となるポンプ最低開度において、燃料電池システムで最低限必要となる最低流量未満である。すなわち、原料ポンプ１１ａ５を最低出力で駆動させたときであっても、原料ポンプ１１ａ５から改質用原料の流量を、燃料電池システムの最低流量より小さい流量から調整することが可能となる。よって、原料ポンプ１１ａ５を最低出力で駆動させたときであっても、燃料電池システムの最低流量を確実に確保することができ、ひいては発電効率の低下を抑制することができる。

また、調圧弁１１ａ４の所定負圧Ｐａは、さらに、原料ポンプ１１ａ５がポンプ最低開度となると同時に、調圧弁１１ａ４が開放されるように設定されるのが好ましい。
これによれば、図３に示すように、原料ポンプ１１ａ５を必要以上に駆動させないで、原料ポンプ１１ａ５からの流量を調整することができる。図２に示すように、原料ポンプ１１ａ５の吐出が開始した後、調圧弁１１ａ４が開放された場合は、原料ポンプ１１ａ５から改質用原料が流れ始めるのが比較的原料ポンプ１１ａ５の駆動量が大きい。これに対して、原料ポンプ１１ａ５がポンプ最低開度となると同時に、調圧弁１１ａ４が開放される場合、原料ポンプ１１ａ５の駆動量が小さくても、原料ポンプ１１ａ５から改質用原料を流し始めることができる。

さらに、改質用原料供給管１１ａの改質用原料がリサイクルガス管３９に逆流するのを防ぐ点について説明する。リサイクルガスは、改質部３３の出口圧力（改質部出口圧力）と調圧弁１１ａ４の導出側圧力（調圧弁導出側圧力：調圧弁二次圧）との圧力差により、改質部３３からの改質ガスの一部を改質用原料供給管１１ａに戻し、改質用原料供給管１１ａの改質用原料に混合させるものである。しかし、調圧弁二次圧の方が高ければ、未脱硫の改質用原料がリサイクルガス管３９を逆流して燃料電池３４に流れ込み、燃料電池３４が硫黄被毒して劣化し、早期故障にいたる。

図６に、調圧弁１１ａ４が大気圧で開弁する場合を示す。この場合、調圧弁１１ａ４は導出側圧力Ｐ２が大気圧と同等となるように動作する。図６にて、調圧弁１１ａ４の公差を含めて調圧弁二次圧（Ｐ２）と改質部出口圧力（Ｐ１）の関係を示す。改質部出口圧力Ｐ１は、改質部出口から燃焼排気までのガスが流れることによる圧損や燃焼に伴う圧損で決まる値であり、発電負荷、燃料流量が小さいほど小さくなる。公差（Ｐ２の上限圧から下限圧まで）を考慮すると、発電負荷Ｗａ以下ではＰ２＞Ｐ１となり（図６の斜線部分）、改質用原料供給管１１ａの改質用原料がリサイクルガス管３９を逆流することが分かる。また、起動初期など、燃焼や改質反応がほとんど起きていない状態においては、背圧が非常に低くＰ１≒Ｐ２であり逆流する可能性が非常に高い。

これに対し、図７に示すように、調圧弁二次圧が所定の負圧値Ｐａに設定された場合は、あらゆる場合においてＰ１＞Ｐａとなり常に、改質部３３の出口から調圧弁１１ａ４出口の方向にしか圧力差が生じない。よって、改質用原料供給管１１ａの改質用原料がリサイクルガス管３９に逆流するのを抑制することが可能となる。

さらに、上述した実施形態の燃料電池システムにおいて、リサイクルガス管３９および原料ポンプ１１ａ５までの改質用原料供給管１１ａからのガス漏洩の検知について説明する。

制御装置１５は、燃料電池システムの運転中（暖機運転中、発電運転中）において、図８に示すフローチャートを実行している。制御装置１５は、ステップＳ１０２において、燃料電池３４に燃料を供給するために、原料ポンプ１１ａ５に燃料電池３４の発電量に応じた制御指令値を送信し、原料ポンプ１１ａ５を制御指令値に応じて駆動させる。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ５の導入側圧力すなわち調圧弁１１ａ４の導出側圧力が所定負圧Ｐａとなるまで吸引される。原料ポンプ１１ａ５の導入側圧力すなわち調圧弁１１ａ４の導出側圧力が所定負圧Ｐａとなると、調圧弁１１ａ４が開放され、改質用原料が調圧弁１１ａ４を通過するようになる。また、改質用原料が改質用原料供給管１１ａを流通するようになると、リサイクルガスがリサイクルガス管３９を流通するようになる。

制御装置１５は、ステップＳ１０２の処理後、ステップＳ１０４において、流量センサ１１ａ２によって検出された改質用原料の流量Ｆ１を取得する。制御装置１５は、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０４にて取得した改質料原料の流量Ｆ１が原料ポンプ１１ａ５の制御指令値の出力に応じた流量となっているか否かを判定する。

改質用原料供給管１１ａ及びリサイクルガス管３９にガス漏洩（ガスリーク）が発生していなければ、原料ポンプ１１ａ５の導入側圧力が所定負圧Ｐａとなるまで吸引される。原料ポンプ１１ａ５の導入側圧力が所定負圧Ｐａとなると、改質用原料は調圧弁１１ａ４を通過し始め、流量センサ１１ａ２により検出される改質用原料の流量Ｆ１は原料ポンプ１１ａ５に送信した制御指令値の出力に応じた流量となる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０６にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０８に進めて一旦終了させる。

これに対し、改質用原料供給管１１ａまたはリサイクルガス管３９にガス漏洩が発生していると、改質用原料供給管１１ａの原料ポンプ１１ａ５の導入側圧力（調圧弁１１ａ４の導出側圧力）は、大気圧となる。すなわち、改質用原料供給管１１ａの原料ポンプ１１ａ５の導入側圧力が所定負圧Ｐａより高いため、調圧弁１１ａ４が開放されず、流量センサ１１ａ２により検出される改質用原料の流量は実質的に０または低い流量となる。この場合には、制御装置１５は、ステップＳ１０６にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１１０に進める。制御装置１５は、ステップＳ１１０において、改質用原料供給管１１ａまたはリサイクルガス管３９にガス漏洩による異常が発生していると判定する。制御装置１５は、ステップＳ１１０の処理の後、プログラムをステップＳ１０８に進めて終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、改質用原料供給管１１ａの調圧弁１１ａ４の導入側には改質用原料の流量を検出する流量センサ１１ａ２が設けられている。燃料電池システムは、原料ポンプ１１ａ５を駆動させているときに、流量センサ１１ａ２によって所定の流量を検出しないときに改質用原料供給管１１ａまたはリサイクルガス管３９のガス漏洩を検知するガス漏洩検知部（ステップＳ１０６，Ｓ１１０）を備えている。このガス漏洩検知部により、流量センサ１１ａ２による検出流量Ｆ１が原料ポンプ１１ａ５に送信した制御指令値の出力に応じた流量でないことを検知したときに、改質用原料供給管１１ａまたはリサイクルガス管３９のガス漏洩が検知される。
本実施形態によれば、燃料電池システムは、ガス漏洩検知部を備えているので、改質用原料供給管１１ａおよびリサイクルガス管３９からのガス漏洩を早期に発見できるようになる。

なお、この実施形態では、流量センサ１１ａ２を改質用原料供給管１１ａの調圧弁１１ａ４の導入側に設けたが、本発明はこれに限られるものでなく、改質用原料供給管１１ａの調圧弁１１ａ４とリサイクルガス管３９の接続部との間に流量センサ１１ａ２を設けたものであってもよく、このようにしたときにも同様の作用効果を得ることができる。
また、上述したガス漏洩検知部（ステップＳ１０６，１１０）は、流量センサ１１ａ２によって検出された流量（検出流量）の絶対値が判定流量値を下回った場合に異常と検知するようにしてもよいし、制御指示値（目標流量）と検出流量との差分が判定差分以上となった場合に異常と検知するようにしてもよい。
また、上述したガス漏洩検知部（ステップＳ１０６，１１０）は、原料ポンプ１１ａ５の制御指令値（デューティ比）が判定制御指令値（例えば９０％）以上であり、かつ、流量センサ１１ａ２によって検出された改質用原料流量が０（ＮＬＭ）である場合に異常と検知するようにしてもよい。この場合、異常を確実に検知することができる。上述したガス漏洩検知部（ステップＳ１０６，１１０）は、目標制御指示値（目標流量に相当する）と実際の制御指令値との差分が判定差分以上となった場合に異常と検知するようにしてもよい。

また、上述したようにガス漏洩が発生すると、調圧弁１１ａ４の導出側圧力が所定負圧Ｐａより高くなるため、調圧弁１１ａ４が閉じる。その結果、ガス漏洩時には自動で改質用原料の流通を遮断しガス漏洩を抑制することが可能となる。
また、上述した実施形態の燃料電池システムの燃料電池３４は固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるが、本発明はこれに限られるものでなく、燃料電池として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）にも適用されるものである。

１１…筐体、１１ａ…改質用原料供給管、１１ａ２…流量センサ、１１ａ４…調圧弁、１１ａ６…脱硫器、１５…制御装置（ガス漏洩検知部）、３３…改質部、３４…燃料電池、３８…改質ガス供給管（燃料供給管）、３９…リサイクルガス管（リサイクル燃料管）。

Claims (2)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質用原料供給源からの改質用原料と改質水とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
   前記改質用原料に含まれる硫黄成分を除去して前記改質部に供給する脱硫器と、
   前記脱硫器に改質用原料を供給する改質用原料供給管と、
   前記改質用原料供給管に設けられ前記脱硫器に前記改質用原料を圧送する原料ポンプと、
   前記改質部から前記燃料電池に供給される前記燃料の一部をリサイクル燃料として前記改質用原料供給管の前記原料ポンプの導入側に戻すリサイクル燃料管と、
   前記改質用原料供給管の前記リサイクル燃料管との接続部より前記改質用原料供給源側に設けられ、導出側圧力が所定負圧となると開放される調圧弁と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記調圧弁の前記所定負圧は、前記原料ポンプが吐出可能となるポンプ最低開度において、前記原料ポンプからの流量が前記燃料電池システムで最低限必要となる最低流量未満となるように設定され、
   前記調圧弁の前記所定負圧は、さらに、前記原料ポンプが前記ポンプ最低開度となると同時に、前記調圧弁が開放されるように設定されている燃料電池システム。
2. 前記改質用原料供給管の前記調圧弁の導入側または前記調圧弁と前記リサイクル燃料管との接続部との間に設けられ前記改質用原料の流量を検出する流量センサと、
   前記原料ポンプを駆動させているときに前記流量センサによって検出された前記改質用原料の流量に基づいて、前記改質用原料供給管または前記リサイクル燃料管のガス漏洩を検知するガス漏洩検知部と、
   を備えている請求項１記載の燃料電池システム。

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