JP6891668B2 - 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の燃料電池システムは、改質水を貯留する水タンクから、改質水を蒸発部に送出する改質水ポンプを備えている。

特開２０１６−７２０５５号公報

しかしながら、燃料電池システムにおける改質水ポンプは、燃料電池システムの発電運転中に連続して駆動される。さらに、この改質水ポンプが比較的高負荷にて使用される場合、改質水ポンプの寿命が短くなることが考えられる。

そこで、本発明は、上述した課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ける改質水を送出するポンプにおいて、ポンプの寿命を延長させ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と、水蒸気および改質用原料から燃料を生成し、燃料を燃料電池に供給する改質部と、改質水から水蒸気を生成し、水蒸気と改質用原料とを混合し、水蒸気および改質用原料を改質部に供給する蒸発部と、第一端が供給源に接続され、かつ、第二端が蒸発部に接続されるとともに、供給源から蒸発部に改質用原料が流れる第一流通管と、第一流通管に配置され、改質用原料を送出する第一ポンプと、改質水が貯留された水タンクと、第一端が水タンクに接続され、かつ、第二端が第一流通管における第一ポンプと蒸発部との間に接続されるとともに、水タンクから蒸発部に向けて改質水が流れる第二流通管と、第二流通管に配置され、改質水を送出する第二ポンプと、燃料電池を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、第一流通管は、第二流通管の第二端が接続され、第一ポンプの駆動によって生じる改質用原料の流れにより生じる負圧、および第二ポンプの駆動によって改質水が導入され、かつ、改質水と改質用原料とが混合される混合部を備え、制御装置は、燃料電池の発電量に応じて第一ポンプの第一駆動量を導出する第一導出部と、燃料電池の発電量に応じて第二ポンプの第二駆動量を導出する第二導出部と、第一導出部によって導出された第一駆動量が増加するにしたがって、第二導出部によって導出された第二駆動量を減少させるように補正する第一補正部と、を備えている。

これによれば、第一流通管の混合部においては、第一ポンプの駆動によって生じる改質用原料の流れにより生じる負圧、および第二ポンプの駆動によって改質水が第二流通管から導入される。この場合、第二ポンプの駆動のみによって改質水を蒸発部に供給する場合に比べて、第二ポンプの駆動によって供給する改質水の流量を抑制することができるため、第二ポンプの駆動量を抑制することができる。

また、第一ポンプの第一駆動量が増加して改質用原料の流量が増加するにしたがって、混合部にて生じる負圧の大きさが大きくなるため、この負圧によって第一流通管に導入される改質水の流量が増加する。これに対して、第一補正部は、第一駆動量が増加するにしたがって第二駆動量を減少させるように補正するため、第二ポンプの駆動量を適切に抑制することができる。したがって、燃料電池システムは、第二ポンプの寿命を適切に延長させることができる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す概要図である。 図１に示す第一流通管の部分断面図である。 図１に示す燃料電池システムのブロック図である。 図３に示す記憶部に記憶されている第五マップであり、図３に示す第一導出部によって送出された第一駆動量と、第一補正係数との相関関係を示したマップである。 図３に示す記憶部に記憶されている第六マップであり、図１に示す温度センサによって検出された検出温度と、第二補正係数との相関関係を示したマップである。 図３に示す記憶部に記憶されている第七マップであり、図１に示す駆動時間計測装置によって計測された計測駆動時間と、第三補正係数との相関関係を示したマップである。 図２に示す制御装置にて実行されるプログラムのフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの一実施形態の一の変形例を示す第一流通管の概要図である。 本発明による燃料電池システムの一実施形態の他の変形例を示す第一流通管の部分断面図である。

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。燃料電池システム１は、図１に示すように、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、電力変換装置１３、水タンク１４、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。

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。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。

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、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が配置されている。

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て冷却されるとともに、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮される。冷却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。水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化し、改質水として貯留する。

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、電力変換装置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、電力変換装置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、後述する第一ポンプ４２等の補機（各ポンプ４２，５１、ブロワ６１など）や制御装置１５に出力する。

制御装置１５は、少なくとも燃料電池３４を制御するものである。制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１の運転を制御する。制御装置１５は、燃料電池システム１の発電運転中において、燃料電池３４の発電電力を外部電力負荷１６ｃの消費電力となるように制御する（負荷追従運転）。

燃料電池モジュール１１（３０）は、固体酸化物形の燃料電池モジュールである。燃料電池モジュール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、改質水から水蒸気を生成し、水蒸気と改質用原料とを混合し、水蒸気および改質用原料を改質部３３に供給するものである。蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、改質水を蒸発させて水蒸気（改質用水蒸気）を生成する。また、蒸発部３２は、改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、凝縮水を蒸発させて生成された水蒸気（改質用水蒸気）と予熱された改質用原料を混合して改質部３３へ導出する。

改質用原料としては天然ガス（メタンガス）、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）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る。蒸発部３２には、第一流通管４０を介して改質用原料が供給される。

第一流通管４０は、第一端４０ａが供給源Ｇｓに接続され、かつ、第二端４０ｂが蒸発部３２に接続されるとともに、供給源Ｇｓから蒸発部３２に改質用原料が流れる管である。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスの配管である。第一流通管４０には、上流から順番に、遮断弁４１および第一ポンプ４２が配置されている。

遮断弁４１は、第一流通管４０を開路または閉路にすることにより改質用原料を流通または遮断するものである。遮断弁４１は、例えば二連弁である。

第一ポンプ４２は、第一流通管４０に配置され、改質用原料を送出するものである。第一ポンプ４２は、制御装置１５からの制御指令にしたがって、改質用原料の流量（単位時間あたりの流量）を調整可能に設けられている。

また、蒸発部３２には、第二流通管５０を介して改質水が供給される。
第二流通管５０は、第一端５０ａが水タンク１４に接続され、かつ、第二端５０ｂが第一流通管４０における第一ポンプ４２と蒸発部３２との間に接続されるとともに、水タンク１４から蒸発部３２に向けて改質水が流れるものである。

第二流通管５０には、第二ポンプ５１が配置されている。第二ポンプ５１は、第二流通管５０に配置され、改質水を送出するものである。第二ポンプ５１は、改質水の流量（単位時間あたりの流量）を調整可能に設けられている。第二ポンプ５１は、制御装置１５からの制御指令にしたがって、改質水の流量（単位時間あたりの流量）を調整可能に設けられている。

第二流通管５０の第二端５０ｂは、図２に示すように、第一流通管４０の混合部４０ｃに接続されている。混合部４０ｃは、第二流通管５０の第二端５０ｂが接続され、第二流通管５０の第二端５０ｂから改質水が導入され、かつ、改質水と改質用原料とが混合される部位である。混合部４０ｃによって混合された改質水および改質用原料は、第一流通管４０を通って蒸発部３２に供給される。

混合部４０ｃにおいては、第一流通管４０の径方向中心部に向けて、第二流通管５０の第二端５０ｂが開口する。第二流通管５０の第二端５０ｂの開口部は、具体的には、第一流通管４０の改質用原料が流れる方向に対して垂直方向に向けて開口する。

混合部４０ｃは、第二ポンプ５１の駆動によって第二流通管５０の第二端５０ｂから改質水が導入される。また、混合部４０ｃは、第一ポンプ４２の駆動によって生じる改質用原料の流れにより生じる負圧（以下、負圧ともいう。）によって、第二流通管５０の第二端５０ｂから改質水が導入される。第一ポンプ４２の駆動量が増加して、改質用原料の流速が増加するにしたがって、負圧の大きさが大きくなるため、第二流通管５０の第二端５０ｂから混合部４０ｃに導入される改質水の流量が増加する。

また、第一流通管４０は、規制部４０ｄをさらに備えている。
規制部４０ｄは、混合部４０ｃから第一ポンプ４２への改質水の流れを規制するものである。規制部４０ｄは、第一流通管４０における第一ポンプ４２と混合部４０ｃとの間の部位に設けられている。規制部４０ｄは、第一流通管４０が傾斜するように設けられた部位である。規制部４０ｄは、具体的には、第一流通管４０が第一ポンプ４２から混合部４０ｃに向かうにしたがって、上方から下方に向けて傾斜している。これにより、改質水が混合部４０ｃから第一ポンプ４２へ流れることが規制される。

図１に戻って説明を続ける。
改質部３３は、水蒸気および改質用原料から燃料を生成し、燃料を燃料電池３４に供給するものである。燃料は、改質用原料が改質された改質ガスである。改質部３３は、具体的には、後述する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。

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改質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。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（改質ガス）と酸化剤ガス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３４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、燃料として改質ガス（水素、一酸化炭素、メタンガスなど）が供給される。セル３４ａの燃料極側には、燃料（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、比較的高温の動作温度（およそ７００℃）にて発電が行われる。

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（図示なし）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。

筐体１０ａ内の空気が、酸化剤ガス（カソードエア）として、カソードエア供給管６０を介してカソードエアブロワ６１によって送出されることにより、燃料電池モジュール３０内に供給される。この酸化剤ガスが空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出される。

また、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間には、燃焼部３６が設けられている。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）とが燃焼されて燃焼ガス（火炎３７）が発生している。その燃焼ガスが蒸発部３２および改質部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、比較的高温の燃焼排ガスが発生している。比較的高温の燃焼排ガスは、熱交換器１２に導出される。また、燃焼部３６は、燃料電池モジュール３０内の温度を燃料電池３４の動作温度にする。

また、燃料電池システム１は、電流検出装置７０、温度センサ８０および計測装置９０をさらに備えている。

電流検出装置７０は、燃料電池３４から出力された電力の電流値を検出するものである。電流検出装置７０は、電力変換装置１３に配置されている。電流検出装置７０によって検出された電流値である検出電流値は、制御装置１５に出力される。

温度センサ８０は、第二ポンプ５１の温度を検出するものである。温度センサ８０は、第二ポンプ５１の外郭の所定位置に配置されている。温度センサ８０は、所定位置の温度を検出する。温度センサ８０によって検出された温度である検出温度は、制御装置１５に出力される。

計測装置９０は、第二ポンプ５１の駆動時間を計測するものである。計測装置９０は、電力変換装置１３から第二ポンプ５１を駆動する電力が第二ポンプ５１に供給された時間を、第二ポンプ５１の駆動時間として計測する。第二ポンプ５１の駆動時間は、燃料電池システム１が設置された時点をゼロとして計測される。計測装置９０は、電力変換装置１３に配置されている。計測装置９０によって計測された駆動時間である計測駆動時間は、制御装置１５に出力される。

また、制御装置１５は、図３に示すように、目標流量設定部１５ａ、第一導出部１５ｂ、第二導出部１５ｃ、第一補正部１５ｄ、第二補正部１５ｅ、記憶部１５ｆおよび出力部１５ｇを備えている。

目標流量設定部１５ａは、改質用原料の目標とする流量である第一目標流量、および、改質水の目標とする流量である第二目標流量を設定するものである。目標流量設定部１５ａは、燃料電池３４が発電を行う燃料電池システム１の発電運転中において、燃料電池３４の発電量に応じて第一目標流量を設定する。

目標流量設定部１５ａは、具体的には、第一マップ（図示なし）を使用して、電流検出装置７０によって検出された検出電流値に対応した第一目標流量を設定する。第一マップは、検出電流値が増加するにしたがって改質用原料の目標流量が増加する相関関係を示したものである。

また、目標流量設定部１５ａは、燃料電池システム１の発電運転中において、燃料電池３４の発電量に応じて第二目標流量を設定する。目標流量設定部１５ａは、具体的には、第二マップ（図示なし）を使用して、電流検出装置７０によって検出された検出電流値に対応した第二目標流量を設定する。第二マップは、検出電流値が増加するにしたがって改質水の目標流量が増加する相関関係を示したものである。

第一導出部１５ｂは、燃料電池３４の発電量に応じて第一ポンプ４２の第一駆動量を導出するものである。第一導出部１５ｂは、具体的には、第三マップ（図示なし）を使用して、目標流量設定部１５ａによって設定された第一目標流量に対応した第一駆動量を導出する。第三マップは、第一目標流量が増加するにしたがって第一駆動量が増加する相関関係を示したものである。

第二導出部１５ｃは、燃料電池３４の発電量に応じて第二ポンプ５１の第二駆動量を導出するものである。第二導出部１５ｃは、具体的には、第四マップ（図示なし）を使用して、目標流量設定部１５ａによって設定された第二目標流量に対応した第二駆動量を導出する。第四マップは、第二目標流量が増加するにしたがって第二駆動量が増加する相関関係を示したものである。

第一補正部１５ｄは、第一導出部１５ｂによって導出された第一駆動量が増加するにしたがって、第二導出部１５ｃによって導出された第二駆動量を減少させるように補正するものである。第一補正部１５ｄは、具体的には、第二導出部１５ｃによって導出された第二駆動量に、第一補正係数Ｃ１を乗じることにより補正する。

第一補正部１５ｄは、第五マップＭ５（図４参照）を使用して第一導出部１５ｂによって導出された第一駆動量に対応する第一補正係数Ｃ１を導出する。第五マップＭ５は、第一駆動量が増加するにしたがって第一補正係数Ｃ１が減少する相関関係を示すものである。第一補正係数Ｃ１は、第一駆動量が基準駆動量Ｄ０（本実施形態においてはゼロ）である場合に「１」となるように設定されている。

上述したように、第一駆動量ひいては改質用原料の流量が増加するにしたがって、改質用原料の流れによって生じる負圧が大きくなるため、混合部４０ｃに導入される改質水の流量が増加する。これに対して、第二導出部１５ｃによって導出された第二駆動量を、負圧によって混合部４０ｃに導入される改質水の流量に相当する分だけ減少させるように、第一補正係数Ｃ１が設定されている。

第二補正部１５ｅは、温度センサ８０によって検出された温度（検出温度）および計測装置９０によって計測された駆動時間（計測駆動時間）を使用して、第一補正部１５ｄによって補正された第二駆動量を補正するものである。第二補正部１５ｅは、具体的には、第一補正部１５ｄによって補正された第二駆動量に、第二補正係数Ｃ２および第三補正係数Ｃ３を乗じることにより補正する。

第二補正部１５ｅは、第六マップＭ６（図５参照）を使用して検出温度に対応する第二補正係数Ｃ２を導出する。第六マップＭ６は、検出温度が高くなるにしたがって第二補正係数Ｃ２が小さくなる相関関係を示すものである。第二補正係数Ｃ２は、検出温度が基準温度Ｔｈ０である場合に「１」となるように設定されている。

第二ポンプ５１の温度が高くなるにしたがって、第二ポンプ５１の潤滑剤（例えばグリス）によって生じる第二ポンプ５１の駆動に対する抵抗が低下するため、第一補正部１５ｄによって補正された第二駆動量に相当する第二ポンプ５１の実際の駆動量が増加する。

これに対して、第一補正部１５ｄによって補正された第二駆動量を、基準温度Ｔｈ０からの温度変化による第二ポンプ５１の実際の駆動量の変動に相当する分だけ増加または減少させるように、第二補正係数Ｃ２が設定されている。換言すれば、第二ポンプ５１の実際の駆動量が、検出温度が基準温度Ｔｈ０である場合に相当する駆動量となるように、第二駆動量が第二補正係数Ｃ２によって補正される。

第二補正部１５ｅは、第七マップＭ７（図６参照）を使用して計測駆動時間に対応する第三補正係数Ｃ３を導出する。第七マップＭ７は、計測駆動時間が長くなるにしたがって第三補正係数Ｃ３が大きくなる相関関係を示すものである。第三補正係数Ｃ３は、計測駆動時間が基準計測駆動時間Ｔｍ０（本実施形態においてはゼロ時間）である場合に「１」となるように設定されている。

第二ポンプ５１の駆動時間が長くなるにしたがって、第二ポンプ５１の経年変化が進行するため、第一補正部１５ｄによって補正された第二駆動量に相当する第二ポンプ５１の実際の駆動量が減少する。これに対して、第一補正部１５ｄによって補正された第二駆動量を、第二ポンプ５１の経年変化による第二ポンプ５１の実際の駆動量の減少に相当する分だけ増加させるように、第三補正係数Ｃ３が設定されている。換言すれば、第二ポンプ５１の実際の駆動量が、第二ポンプ５１の駆動時間がゼロ時間である場合に相当する駆動量となるように、第二駆動量が第三補正係数Ｃ３によって補正される。

記憶部１５ｆは、プログラムを実行する際に用いられるデータ等を記憶するものである。記憶部１５ｆは、第一マップ〜第七マップＭ７を記憶する。第一マップ〜第七マップＭ７は、予め実験によって実測されて導出されている。なお、この実験が行われる場合の環境温度は、基準温度Ｔｈ０である。

出力部１５ｇは、第一導出部１５ｂによって導出された第一駆動量を制御指令値として第一ポンプ４２に出力するものである。また、出力部１５ｇは、第二補正部１５ｅによって補正された第二駆動量を制御指令値として第二ポンプ５１に出力するものである。

次に、上述した燃料電池システム１において、制御装置１５が燃料電池システム１の発電中における第一ポンプ４２および第二ポンプ５１の制御について説明する。

制御装置１５は、ステップＳ１０２にて、燃料電池３４の発電量に応じて第一目標流量および第二目標流量を設定する（目標流量設定部１５ａ）。続けて、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて第一目標流量に相当する第一駆動量を導出する（第一導出部１５ｂ）。さらに、制御装置１５は、ステップＳ１０６にて第二目標流量に相当する第二駆動量を導出する（第二導出部１５ｃ）。

そして、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて、第一駆動量を使用して第二駆動量を補正する（第一補正部１５ｄ）。これにより、第二駆動量は、改質用原料の流れによって生じる負圧によって混合部４０ｃに導入される改質水の流量に相当する分だけ減少するように補正される。

さらに、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて検出温度を使用して第二駆動量を補正する（第二補正部１５ｅ）。これにより、第二駆動量は、基準温度Ｔｈ０からの温度変化による第二ポンプ５１の実際の駆動量の変動に相当する分だけ増加または減少するように補正される。

また、制御装置１５は、ステップＳ１１２にて計測駆動時間を使用して第二駆動量を補正する（第二補正部１５ｅ）。これにより、第二駆動量は、第二ポンプ５１の経年変化による第二ポンプ５１の実際の駆動量の減少に相当する分だけ増加するように補正される。

そして、制御装置１５は、ステップＳ１１４にて、第一駆動量を第一ポンプ４２に出力する（出力部１５ｇ）。これにより、第一ポンプ４２が第一駆動量にて駆動され、改質用原料が、供給源Ｇｓから第一流通管４０を介して、第一目標流量にて蒸発部３２に供給される。

また、制御装置１５は、ステップＳ１１４にて、第二駆動量を第二ポンプ５１に出力する（出力部１５ｇ）。これにより、第二ポンプ５１が補正された第二駆動量にて駆動され、改質水が、第二ポンプ５１の駆動によって、水タンク１４から第二流通管５０を通って混合部４０ｃから第一流通管４０ひいては蒸発部３２に供給される。また、このとき、改質水が、改質用原料の流れによって生じる負圧によって、水タンク１４から第二流通管５０を通って混合部４０ｃに導入されて第一流通管４０を通って蒸発部３２に供給される。

さらに、このとき、規制部４０ｄが、改質水を混合部４０ｃから第一ポンプ４２に向けて流れることを規制する。よって、混合部４０ｃに導入された改質水の全部は、蒸発部３２に供給される。

また、このとき、蒸発部３２に供給される改質水の第一流量Ｑ１は、補正された第二駆動量に相当する改質水の第二流量Ｑ２と、負圧によって混合部４０ｃに導入される改質水の第三流量Ｑ３とを合わせた流量である（Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３）。

ここで、補正された第二駆動量に相当する改質水の第二流量Ｑ２は、補正される前の第二駆動量に相当する改質水の第二目標流量から、負圧によって混合部４０ｃに導入される改質水の第三流量Ｑ３だけ減少した流量である（Ｑ２＝第二目標流量−Ｑ３）。よって、蒸発部３２に供給される改質水の第一流量Ｑ１は、第二目標流量に相当する（Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３＝（第二目標流量−Ｑ３）＋Ｑ３＝第二目標流量）。

本実施形態によれば、燃料電池システム１は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、水蒸気および改質用原料から燃料を生成し、燃料を燃料電池３４に供給する改質部３３と、改質水から水蒸気を生成し、水蒸気と改質用原料とを混合し、水蒸気および改質用原料を改質部３３に供給する蒸発部３２と、第一端４０ａが供給源Ｇｓに接続され、かつ、第二端４０ｂが蒸発部３２に接続されるとともに、供給源Ｇｓから蒸発部３２に改質用原料が流れる第一流通管４０と、第一流通管４０に配置され、改質用原料を送出する第一ポンプ４２と、改質水が貯留された水タンク１４と、第一端５０ａが水タンク１４に接続され、かつ、第二端５０ｂが第一流通管４０における第一ポンプ４２と蒸発部３２との間に接続されるとともに、水タンク１４から蒸発部３２に向けて改質水が流れる第二流通管５０と、第二流通管５０に配置され、改質水を送出する第二ポンプ５１と、燃料電池３４を少なくとも制御する制御装置１５と、を備えている。第一流通管４０は、第二流通管５０の第二端５０ｂが接続され、第一ポンプ４２の駆動によって生じる改質用原料の流れにより生じる負圧、および第二ポンプ５１の駆動によって改質水が導入され、かつ、改質水と改質用原料とが混合される混合部４０ｃを備えている。制御装置１５は、燃料電池３４の発電量に応じて第一ポンプ４２の第一駆動量を導出する第一導出部１５ｂと、燃料電池３４の発電量に応じて第二ポンプ５１の第二駆動量を導出する第二導出部１５ｃと、第一導出部１５ｂによって導出された第一駆動量が増加するにしたがって、第二導出部１５ｃによって導出された第二駆動量を減少させるように補正する第一補正部１５ｄと、を備えている。

これによれば、第一流通管４０の混合部４０ｃにおいては、第一ポンプ４２の駆動によって生じる改質用原料の流れにより生じる負圧、および第二ポンプ５１の駆動によって改質水が第二流通管５０から導入される。この場合、第二ポンプ５１の駆動のみによって改質水を蒸発部３２に供給する場合に比べて、第二ポンプ５１の駆動によって供給する改質水の流量を抑制することができるため、第二ポンプ５１の駆動量を抑制することができる。

また、第一ポンプ４２の第一駆動量が増加して改質用原料の流量が増加するにしたがって、混合部４０ｃにて生じる負圧の大きさが大きくなるため、この負圧によって第一流通管４０に導入される改質水の流量が増加する。これに対して、第一補正部１５ｄは、第一駆動量が増加するにしたがって第二駆動量を減少させるように補正するため、第二ポンプ５１の駆動量を適切に抑制することができる。したがって、燃料電池システム１は、第二ポンプ５１の寿命を適切に延長させることができる。

また、燃料電池システム１は、第二ポンプ５１の温度を検出する温度センサ８０、および、前記第二ポンプ５１の駆動時間を計測する計測装置９０をさらに備えている。制御装置１５は、温度センサ８０によって検出された温度および計測装置９０によって計測された駆動時間を使用して、第一補正部１５ｄによって補正された第二駆動量を補正する第二補正部１５ｅをさらに備えている。

これによれば、第二駆動量が、上述したように第二ポンプ５１の温度および第二ポンプ５１の経年変化に応じて補正されているため、第二ポンプ５１の駆動によって蒸発部３２に供給される改質水の流量が精度よく補正される。よって、蒸発部３２に供給される改質水の流量が、第二目標流量に精度よく補正される。したがって、燃料電池システム１は、第二ポンプ５１の駆動量をより適切に抑制することができる。

また、第一流通管４０は、混合部４０ｃから第一ポンプ４２への改質水の流れを規制する規制部４０ｄをさらに備えている。
これによれば、規制部４０ｄによって混合部４０ｃから第一ポンプ４２への改質水の流れが規制されるため、改質水を蒸発部３２に確実に供給することができる。よって、燃料電池システム１は、第二ポンプ５１の駆動量をさらに適切に抑制することができる。

なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、規制部４０ｄは、第一流通管４０を傾斜させて設けられているが、図８に示す規制部１４０ｄように、第一流通管４０をＵ字状に形成することにより設けるようにしても良い。さらにこの場合、規制部を、第一ポンプ４２から混合部４０ｃへの改質用原料の流れを許容し、逆方向の流れを規制する逆止弁にて設けるようにしても良い。

また、上述した実施形態において、混合部４０ｃは、第一流通管４０の内径が一定となるように設けられているが、これに代えて、図９に示す混合部２４０ｃように、第一流通管４０の内径を小さくして流路断面積を絞る絞り部２４０ｃ１を設けるようにしても良い。これにより、上述した実施形態と比べて、改質用原料の流速ひいては負圧の大きさを増加させることができるため、混合部２４０ｃに導入される改質水の流量を増加させることができる。よって、第二ポンプ５１の駆動量をさらに抑制することができる。

また、上述した実施形態において、第一補正部１５ｄは、第一導出部１５ｂによって導出された第一駆動量を使用して第二駆動量を補正しているが、これに代えて、改質用原料の実際の流量を使用して第二駆動量を補正するようにしても良い。この場合、改質用原料の流量を検出する流量センサ（図示なし）を第一流通管４０に配置して、流量センサによって検出された流量を、第一補正部１５ｄが取得するようにしても良い。

さらにこの場合、第一ポンプ４２の実際の駆動量を使用して第二駆動量を補正するようにしても良い。この場合、第一ポンプ４２の回転数を検出する回転数センサ（図示なし）を第一ポンプ４２に配置して、回転数センサによって検出された回転数を、第一補正部１５ｄが取得するようにしても良い。

また、上述した実施形態において、燃料電池システム１は、温度センサ８０および計測装置９０の両方を備えているが、これに代えて、温度センサ８０および計測装置９０の両方を備えないようにしても良い。この場合、制御装置１５が第二補正部１５ｅを備えず、第一補正部１５ｄによって補正された第二駆動量が出力部１５ｇによって第二ポンプ５１に出力される。

また、上述した実施形態において、燃料電池システム１は、温度センサ８０および計測装置９０の両方を備えているが、これに代えて、温度センサ８０および計測装置９０の一方を備えるようにしても良い。この場合、第二補正部１５ｅは、検出温度および計測駆動時間の一方を使用して第二駆動量を補正する。

また、上述した実施形態において、燃料電池３４は、固体酸化物形燃料電池であるが、これに代えて、固体高分子形燃料電池とするようにしても良い。

また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、第一流通管４０、第二流通管５０、規制部４０ｄの形状や配置位置を変更しても良い。

１…燃料電池システム、１１（３０）…燃料電池モジュール、１４…水タンク、１５…制御装置、１５ａ…目標流量設定部、１５ｂ…第一導出部、１５ｃ…第二導出部、１５ｄ…第一補正部、１５ｅ…第二補正部、３２…蒸発部、３３…改質部、３４…燃料電池、４０…第一流通管、４０ａ…第一流通管の第一端、４０ｂ…第一流通管の第二端、４０ｃ…混合部、４０ｄ…規制部、４２…第一ポンプ、５０…第二流通管、５０ａ…第二流通管の第一端、５０ｂ…第二流通管の第二端、５１…第二ポンプ、７０…電流検出装置、８０…温度センサ、９０…計測装置、Ｃ１…第一補正係数、Ｃ２…第二補正係数、Ｃ３…第三補正係数、Ｇｓ…供給源。

Claims (3)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   水蒸気および改質用原料から前記燃料を生成し、前記燃料を前記燃料電池に供給する改質部と、
   改質水から前記水蒸気を生成し、前記水蒸気と前記改質用原料とを混合し、前記水蒸気および前記改質用原料を前記改質部に供給する蒸発部と、
   第一端が供給源に接続され、かつ、第二端が前記蒸発部に接続されるとともに、前記供給源から前記蒸発部に前記改質用原料が流れる第一流通管と、
   前記第一流通管に配置され、前記改質用原料を送出する第一ポンプと、
   前記改質水が貯留された水タンクと、
   第一端が前記水タンクに接続され、かつ、第二端が前記第一流通管における前記第一ポンプと前記蒸発部との間に接続されるとともに、前記水タンクから前記蒸発部に向けて前記改質水が流れる第二流通管と、
   前記第二流通管に配置され、前記改質水を送出する第二ポンプと、
   前記燃料電池を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記第一流通管は、
   前記第二流通管の第二端が接続され、前記第一ポンプの駆動によって生じる前記改質用原料の流れにより生じる負圧、および前記第二ポンプの駆動によって前記改質水が導入され、かつ、前記改質水と前記改質用原料とが混合される混合部を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の発電量に応じて前記第一ポンプの第一駆動量を導出する第一導出部と、
   前記燃料電池の発電量に応じて前記第二ポンプの第二駆動量を導出する第二導出部と、
   前記第一導出部によって導出された前記第一駆動量が増加するにしたがって、前記第二導出部によって導出された前記第二駆動量を減少させるように補正する第一補正部と、を備えている燃料電池システム。
2. 前記第二ポンプの温度を検出する温度センサ、および、前記第二ポンプの駆動時間を計測する計測装置の少なくとも一方をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記温度センサによって検出された温度および前記計測装置によって計測された駆動時間の少なくとも一方を使用して、前記第一補正部によって補正された前記第二駆動量を補正する第二補正部をさらに備えている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第一流通管は、前記混合部から前記第一ポンプへの前記改質水の流れを規制する規制部をさらに備えている請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

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