以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。
(第1実施形態)
本実施形態について、図1~図6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1は、作動温度が高温(例えば、500℃~1000℃)となる固体酸化物型の燃料電池(すなわち、SOFC)10を備えている。
燃料電池10は、燃料ガスおよび酸化剤ガス(本例では空気中の酸素)の電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セルを積層したスタック構造を有している。なお、発電セルの形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。
図示しないが発電セルは、固体酸化物電解質、空気極(すなわち、カソード)、燃料極(すなわち、アノード)を含んで構成されている。燃料極には、シフト反応等に活性の高いニッケルと電解質材料であるイットリア安定化ジルコニアのサーメット等が用いられている。本実施形態の発電セルは、炭化水素系の燃料である都市ガス(すなわち、メタンを主成分とするガス)を改質して生成される水素および一酸化炭素を燃料ガスとしている。なお、使用する燃料は、炭化水素系の燃料であれば、都市ガス以外のガスが採用されていてもよい。
燃料電池10は、以下の反応式F1、F2に示す水素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
(燃料極)2H2+2O2-→2H2O+4e- …(F1)
(空気極)O2+4e-→2O2- …(F2)
また、燃料電池10は、以下の反応式F3、F4に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
(燃料極)2CO+2O2-→2CO2+4e- …(F3)
(空気極)O2+4e-→2O2- …(F4)
燃料電池10には、燃料電池10の電池温度Tcを検出する電池温度センサ101、燃料電池10から出力される出力電圧Vcsを検出する電池電圧センサ102が設けられている。
図示しないが、燃料電池10は、後述する空気予熱器22、改質器32、気化器42、燃焼器73等とともに断熱性を有するハウジングの内側に配置されている。燃料電池10は、起動時に後述する燃焼器73によって暖機される。
燃料電池10は、空気入口部10aに、空気の流通経路である空気経路20が接続されている。空気経路20には、燃料電池10に空気を圧送する圧送ブロワ21、燃料電池10に供給する空気を加熱する空気予熱器22が設けられている。
圧送ブロワ21は、大気中の空気を吸い込んで燃料電池10に供給する酸化剤ポンプである。圧送ブロワ21は、後述する制御装置100からの制御信号によって作動が制御される電動式のブロワで構成されている。
空気予熱器22は、圧送ブロワ21から圧送された空気を後述する燃焼器73で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する熱交換器である。空気予熱器22は、燃料電池10に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池10の発電効率の向上を図るために設けられている。
一方、燃料電池10は、燃料入口部10bに、燃料や燃料ガスの流通経路である燃料経路30が接続されている。燃料経路30には、上流側から順に、燃料ポンプ31、改質器32が設けられている。
燃料ポンプ31は、燃料電池10側に向けて燃料を供給するためのポンプである。燃料ポンプ31は、後述する制御装置100からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
改質器32は、水蒸気を用いて燃料ポンプ31から供給された燃料を改質して燃料ガスを生成するものである。改質器32は、例えば、ニッケルを含む水蒸気改質触媒、反応器を含んで構成されている。
ここで、改質器32としては、部分酸化改質反応により燃料ガスを生成する構成とすることも考えられるが、この場合、改質器32の構成機器に温度耐久性等が要求され、非常に高価になってしまう。このため、本実施形態では、改質器32として、部分酸化改質反応ではなく水蒸気改質反応により燃料ガスを生成するものを採用している。
具体的には、改質器32は、燃料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱するとともに、以下の反応式F5に示す改質反応、および反応式F6に示すシフト反応により燃料ガス(水素、一酸化炭素)を生成する。
CH4+H2O→CO+H2 …(F5)
CO+H2O→CO2+H2 …(F6)
ここで、改質器32における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。このため、改質器32は、燃料電池10の発電時に周囲に放出される熱(放射熱)を吸熱できるように、燃料電池10の周囲に配設されていることが望ましい。
改質器32の出口側には、改質器32の温度を検出するための改質温度センサ103が設置されている。改質温度センサ103は、改質器32を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、改質温度センサ103は、改質器32の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。
燃料経路30には、燃料ポンプ31と改質器32との間に水供給経路40が接続されている。水供給経路40には、システム外部から水を供給する水ポンプ41、改質器32へ供給する水蒸気を生成する気化器42が設けられている。
水ポンプ41は、気化器42を介して改質器32側に水蒸気を供給するポンプである。水ポンプ41は、後述する制御装置100からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
気化器42は、燃焼ガスによって昇温するように構成されている。具体的には、気化器42は、水ポンプ41から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器で構成されている。
気化器42には、気化器42の温度を検出するための気化温度センサ104が設置されている。気化温度センサ104は、気化器42を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、気化温度センサ104は、気化器42の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。
燃料経路30には、燃料ポンプ31と改質器32との間にエジェクタ81が設けられている。具体的には、エジェクタ81は、流体を噴射するノズル部811、燃料電池10の出口側から流体を吸引する吸引部812、ノズル部811から噴射される流体と吸引部812から吸引される流体とを混合して改質器32に向けて吐出する吐出部813を有する。
ノズル部811は、流体を噴射可能な絞り構造を有している。ノズル部811は、絞り開度が固定された固定絞り構造で構成されている。また、吐出部813は、ノズル部811からの流体および吸引部812からの流体が混合された後に昇圧されるように流路断面積が下流側に向かって拡大している。なお、ノズル部811は、絞り開度を変更可能な可変絞り構造で構成されていてもよい。
エジェクタ81の吸引部812は、ノズル部811の出口側の負圧を利用して燃料電池10の出口側から流体を吸引するように構成されている。具体的には、吸引部812には、燃料排出経路72を流れる流体が吸引されるように、燃料排出経路72から分岐するリサイクル経路82が接続されている。本実施形態では、エジェクタ81が、リサイクル経路82を介して改質器32に燃料オフガスの一部を供給するオフガス供給部を構成する。
また、燃料電池10には、燃料電池10から排出するオフガスが流れるオフガス経路70が接続されている。具体的には、燃料電池10には、空気出口部10cに燃料電池10から排出される酸化剤オフガスが流れる空気排出経路71が接続され、燃料出口部10dに燃料電池10から排出される燃料オフガスが流れる燃料排出経路72が接続されている。
オフガス経路70には、燃焼器73が接続されている。燃焼器73は、燃料または燃料オフガスを燃焼させることで改質器32等を昇温させる燃焼ガスを生成するものである。燃焼器73は、例えば、燃料電池10の発電時に、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池システム1の各機器を昇温させるための燃焼ガスを生成する。図示しないが、燃焼器73は、燃料を燃焼させるためのバーナを有している。燃焼器73では、バーナの点火によって、燃料の燃焼が開始されて燃焼ガスが生成される。
燃焼器73には、高温の燃焼ガスを流通させる燃焼ガス経路74が接続されている。燃焼ガス経路74は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効活用すべく、上流側から順に、改質器32、空気予熱器22、気化器42、触媒燃焼器75といった順に接続されている。
触媒燃焼器75は、システム外部に排気するオフガス中の水素濃度等を低下させるものである。触媒燃焼器75は、燃料オフガスに含まれる水を触媒上で燃焼可能なように、例えば、白金等が担持された触媒を含む燃焼器で構成されている。なお、燃焼ガスを各機器に流す順序は、各機器にて必要とされる熱量等に応じて変更してもよい。
次に、燃料電池システム1における電子制御部を構成する制御装置100について図2を参照して説明する。図2に示す制御装置100は、プロセッサ、メモリを含む周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路で構成されている。制御装置100は、メモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する。
制御装置100の入力側には、電池温度センサ101、電池電圧センサ102、改質温度センサ103、気化温度センサ104を含む各種センサが接続されており、各種センサの検出結果が制御装置100に入力されるようになっている。
また、制御装置100には、操作パネル105が接続されている。操作パネル105には、燃料電池10の発電をオンオフするための運転スイッチ105a、燃料電池10の作動状態を表示するディスプレイ105b等が設けられている。
一方、制御装置100の出力側には、制御機器として、圧送ブロワ21、燃料ポンプ31、水ポンプ41、図示しない燃焼器73のバーナ等が接続されている。これら制御機器は、制御装置100から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
次に、燃料電池システム1の全体的な作動について、図3のフローチャートを参照して説明する。図3に示す各制御処理は、運転スイッチ105aがオンされると制御装置100によって実行される。
運転スイッチ105aがオンされると、図3に示すように、制御装置100は、ステップS10にて、燃料電池10を起動させる起動処理を実行する。この起動処理の詳細については、図4のフローチャートを参照して説明する。
図4に示すように、制御装置100は、まず、ステップS110にて、初期化処理を実行する。制御装置100は、初期化処理として各種設定値、各種フラグ等を初期化する。
続いて、制御装置100は、ステップS120にて、燃料電池10を含む各種機器を燃料電池10の発電等に適した温度まで昇温させる暖機処理を実行する。制御装置100は、燃料電池10を介さずに燃焼器73に対して燃料および空気を供給した状態でバーナを点火する。これにより、燃焼器73では、バーナの点火によって燃料および空気の混合ガスが可燃ガスとして燃焼されることで高温の燃焼ガスが生成される。燃焼器73で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路74を流れる際に改質器32、空気予熱器22、気化器42に放熱する。これにより、改質器32、空気予熱器22、気化器42が昇温する。
ここで、燃料電池10は、暖機処理が開始されると、徐々に電池温度Tcが上昇するが、電池温度Tcの上昇に伴って燃料極の酸化劣化が生じ易くなる。これを避けるべく、制御装置100は、電池温度Tcが燃料極の酸化劣化が促進される酸化劣化温度(例えば、400℃)になる前に、燃料電池10に対して還元ガスである水素を含む燃料ガスを供給する。
制御装置100は、暖機処理の開始後、ステップS130にて、蒸発可能状態であるか否かを判定する。換言すれば、制御装置100は、ステップS130にて、燃焼ガスによって気化器42で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。
本実施形態の制御装置100は、気化温度センサ104の検出温度に基づいて、気化器42で水を蒸発させることが可能な状態であるか否かを判定する。具体的には、制御装置100は、気化温度センサ104の検出温度が所定の蒸発基準温度Teth(例えば、100℃)以上となる場合に、気化器42で水を蒸発させることが可能な状態(すなわち、蒸発可能状態)であると判定する。一方、制御装置100は、気化温度センサ104の検出温度が蒸発基準温度Teth未満となる場合に、気化器42で水を蒸発させることが困難な状態(すなわち、蒸発困難状態)であると判定する。
ステップS130の判定処理の結果が蒸発可能状態である場合、制御装置100は、ステップS140にて水蒸気生成処理を実行する。制御装置100は、水蒸気生成処理時に、気化器42に対して水が供給されるように水ポンプ41を制御する。制御装置100は、水蒸気生成処理時に、燃料電池10の発電処理時に比べて気化器42に流れる水の供給量が少なくなるように水ポンプ41を制御する。気化器42では、水が供給されると、水が蒸発して水蒸気が生成される。なお、制御装置100は、水ポンプ41以外の制御機器について暖機処理の制御状態を維持する。
水蒸気生成処理の開始後、制御装置100は、ステップS150にて、改質可能状態であるか否かを判定する。すなわち、制御装置100は、ステップS150にて、改質器32で燃料ガスの生成が可能な状態であるか否かを判定する。
本実施形態の制御装置100は、改質温度センサ103の検出温度に基づいて、改質器32で燃料ガスの生成が可能な状態であるか否かを判定する。具体的には、制御装置100は、改質温度センサ103の検出温度が所定の改質基準温度Trth(例えば、300℃)以上となる場合に、改質器32で燃料ガスの生成が可能な状態(すなわち、改質可能状態)であると判定する。一方、制御装置100は、改質温度センサ103の検出温度が改質基準温度Trth未満となる場合に、改質器32で燃料ガスの生成が困難な状態(すなわち、改質困難状態)であると判定する。なお、改質器32における改質反応は、水が蒸発する温度よりも高い温度(例えば、300℃以上)であって、燃料極の酸化劣化が促進される温度よりも低い温度で進行する。このため、改質基準温度Trthは、蒸発基準温度Tethよりも高く、酸化劣化温度よりも低い温度に設定される。
ステップS150の判定処理の結果が改質可能状態である場合、制御装置100は、ステップS160にて、改質器32にて燃料ガスを生成する改質処理を実行する。制御装置100は、改質処理時に、燃料が燃料経路30を介して改質器32に流れるように燃料ポンプ31を制御する。制御装置100は、改質処理時に、燃料電池10の発電処理時に比べて改質器32に流れる燃料の供給量が少なくなるように燃料ポンプ31を制御する。なお、制御装置100は、燃料ポンプ31以外の制御機器について水蒸気生成処理の制御状態を維持する。
これにより、燃料が燃料経路30を介して改質器32に供給される。改質器32では、燃料および水蒸気の混合ガスが供給されると、前述の反応式F5、F6に示す反応により燃料ガス(水素、一酸化炭素)が生成される。改質器32で生成された燃料ガスは、燃料電池10に供給される。改質基準温度程度では燃料電池10の温度が発電に適した温度になっているとは限らないが、燃料極に対して燃料ガスが供給されることで燃料極の酸化劣化が抑制される。
ここで、燃料電池システム1には、燃料ポンプ31と改質器32との間にエジェクタ81が設けられている。エジェクタ81では、改質器32で生成された燃料ガスがノズル部811から噴射されることで生ずる負圧によって、燃料電池10の出口側の燃料オフガスがリサイクル経路82を介して吸引部812に吸引される。これによれば、動力を増やすことなく、燃料電池10に対して供給する燃料ガスの質量流量を確保することができる。
以上までが制御装置100が実行する起動処理に関する説明である。制御装置100は、起動処理を実行した後、図3のステップS20にて、燃料電池10で電気エネルギを出力する発電処理を実行する。
制御装置100は、改質処理の開始後、電池温度センサ101の検出温度が所定の発電基準温度(例えば、500℃)以上となると、発電処理を実行する。具体的には、制御装置100は、発電処理時に、燃料電池10に要求される電力を出力可能なように、改質処理時に比べて、燃料および水蒸気の供給量が増加するように燃料ポンプ31および水ポンプ41を制御する。
これにより、改質器32で生成された燃料ガスが燃料電池10に供給される。燃料電池10では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギが出力される。そして、燃料電池10から排出されるオフガスは、可燃ガスとして燃焼器73で燃焼される。燃焼器73で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路74を流れる際に改質器32、空気予熱器22、気化器42に放熱する。なお、燃料オフガスの一部は、改質器32で生成された燃料ガスがノズル部811から噴射されることで生ずる負圧によって、リサイクル経路82を介して吸引部812に吸引される。
続いて、制御装置100は、ステップS30にて、燃料電池10の発電を停止するか否かを判定する。具体的には、制御装置100は、運転スイッチ105aがオフされたか否かを判定する。
運転スイッチ105aがオンに維持されている場合、制御装置100は、発電処理を継続する。また、運転スイッチ105aがオフされた場合、制御装置100は、ステップS40にて、停止処理を実行する。この停止処理の詳細については、図5のフローチャートを参照して説明する。
図5に示すように、制御装置100は、まず、ステップS410にて、燃料電池10の温度を低下させる降温処理を実行する。制御装置100は、燃焼器73のバーナを消灯した後、空気の供給量が増加するように圧送ブロワ21を制御し、且つ、改質器32へ供給する燃料および水蒸気が減少するように燃料ポンプ31および水ポンプ41を制御する。具体的には、制御装置100は、燃料電池10から出力される出力電圧Vcsが所定の基準電圧Vcth以上となる範囲で燃料ポンプ31および水ポンプ41を制御する。
燃焼器73のバーナが消灯されることで、燃焼器73における燃焼ガスの生成が停止される。この状態で、圧送ブロワ21から供給される空気の供給量が増加すると、空気によって燃料電池10が冷却されることで燃料電池10の電池温度Tcが低下する。
また、改質器32への燃料および水蒸気の供給を停止せずに減少させた状態で継続することで、改質器32で生成された燃料ガスが燃料電池10に供給される。これにより、燃料電池10の燃料極に対して燃料ガスが供給されることで燃料極の酸化劣化が抑制される。なお、燃料電池システム1には、燃料ポンプ31と改質器32との間にエジェクタ81が設けられているので、動力を増やすことなく、燃料電池10に対して供給する燃料ガスの質量流量を確保することができる。
続いて、制御装置100は、ステップS420にて、燃料電池10の電池温度Tcが所定の基準温度Tcth以下であるか否かを判定する。基準温度Tcthは、電池温度Tcが燃料極の酸化劣化が促進される酸化劣化温度(例えば、400℃)以下に設定される。
燃料電池10の電池温度Tcが基準温度Tcth以下になると、制御装置100は、ステップS430にて、改質器32への水蒸気および燃料の供給が停止するように燃料ポンプ31および水ポンプ41を制御する。すなわち、燃料電池10の電池温度Tcが酸化劣化温度以下になると、制御装置100は、燃料ポンプ31および水ポンプ41の作動を停止する。換言すれば、制御装置100は、燃料電池10の発電停止から電池温度Tcが基準温度Tcth以下となるまでの停止後高温期間中、燃料ポンプ31および水ポンプ41の作動を継続する。
続いて、制御装置100は、ステップS440に移行して、気化器42の内部の水分を除去するためのパージ処理を実行する。制御装置100は、パージ処理の実行時に、燃料電池10の発電停止後に気化器42の内部の水が空になるまで燃料電池10への空気の供給が継続されるように圧送ブロワ21を制御する。このパージ処理の詳細については、図6のフローチャートを参照して説明する。
図6に示すように、制御装置100は、まず、ステップS441にて、圧送ブロワ21の作動を継続する。これによると、燃料電池10から受熱して昇温した空気が燃焼ガス経路74を介して気化器42に流れる。この際、気化器42では、その内部に残った残水が空気との熱交換によって蒸発することで、残水量が減少する。
続いて、制御装置100は、ステップS442にて、気化器42に残水ないか否かを判定する。すなわち、制御装置100は、気化器42の内部の水が空であるか否かを判定する。
ここで、気化器42に残水がある場合と残水がない場合とでは、気化器42の内部が異なる温度になる。具体的には、気化器42に残水がない場合、残水がある場合に比べて温度が高くなり易い。このように、気化器42の残水量は、気化器42の内部の温度に相関性を有する。
そこで、本実施形態の制御装置100は、気化温度センサ104の検出温度に基づいて、気化器42に残水がないか否かを判定する。本実施形態では、気化温度センサ104が気化器42の内部の水量に相関性がある物理量を検出する水量検出部を構成する。
ステップS442の判定処理の結果、気化器42に残水がない場合、制御装置100は、ステップS443に移行して、燃料電池10への空気の供給が停止されるように圧送ブロワ21の作動を停止する。これにより、制御装置100は、燃料電池10の発電停止後、気化器42の内部の水が空になるまで燃料電池10への空気の供給を継続する。
以上説明した燃料電池システム1は、燃料電池10の起動時および発電停止後に、燃料電池10に対して、水蒸気および燃料によって改質器32で生成された燃料ガスが供給されるので、燃料電池10の酸化劣化を抑制することができる。また、改質器32には、リサイクル経路82を介して燃料オフガスの一部が供給されることから、燃料ポンプ31および水ポンプ41から改質器32への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
したがって、本実施形態の燃料電池システム1によれば、燃料電池10の起動時および発電停止後におけるシステム外部からの燃料および水蒸気の供給量を抑えつつ、燃料電池10の酸化劣化を抑制することが可能となる。
また、制御装置100は、燃料電池10の発電停止後、燃料電池10の電池温度Tcが基準温度Tcth以下になると、改質器32への水蒸気および燃料の供給が停止するように燃料ポンプ31および水ポンプ41を制御する。これによると、燃料電池10の電池温度Tcが低下すると、水蒸気および燃料の供給を停止するので、燃料電池10での燃料および水蒸気の使用を停止しつつ、燃料電池10の酸化劣化を抑制することができる。
さらに、制御装置100は、燃料電池10の発電停止後に気化器42の内部の水が空になるまで燃料電池10への空気の供給が継続されるように圧送ブロワ21を制御する。これによれば、気化器42の凍結割れを抑制することができる。また、燃料電池10の停止中に気化器42に残留した水分が燃料電池10の内部に侵入することを防止することができる。
特に、本実施形態の燃料電池システム1は、気化温度センサ104を気化器42の内部の水分量を把握する水量検出部として機能させる構成になっている。このため、部品点数を増加させることなく燃料電池10の発電停止後に気化器42の内部の水を空にすることが可能になる。
ここで、暖機処理の実行と同時に、気化器42に対して水を供給することが考えられるが、この場合、温度の低い水が気化器42に供給されると、当該水によって気化器42が昇温され難くなってしまう。このことは、燃料電池10の起動時間が長くなってしまう要因となることから好ましくない。
これに対して、本実施形態の燃料電池システム1は、暖機処理の開始後に、燃焼ガスによって気化器42で水を蒸発させることが可能な状態になると、気化器42へ水を供給する水蒸気生成処理が実行される構成になっている。このように、気化器42で水を蒸発させることが可能になった後に、気化器42に水を供給する構成では、燃焼ガスによって気化器42を早期に昇温させることができる。このことは、燃料電池10の起動時間の短縮化に寄与する。
また、燃料電池システム1は、水蒸気生成処理の開始後に、改質器32で燃料ガスの生成が可能な状態になると、燃料経路30を介して燃料を改質器32に流す改質処理を実行する構成になっている。このように、水蒸気生成処理の開始後に改質処理を実行すれば、改質器32に供給する燃料中の炭素に対する水蒸気のモル比(すなわち、S/C)を高い状態に維持することが可能となるので、改質器32における炭素析出の発生を充分に抑制することができる。
(第1実施形態の変形例)
上述の第1実施形態では、気化温度センサ104を気化器42の内部の水分量を把握する水量検出部として機能させる例について説明したが、これに限定されない。気化器42に残水がある場合と残水がない場合とでは、気化器42の内部、具体的にはエジェクタ81の上流側で異なる圧力になる。すなわち、気化器42に残水がない場合、残水がある場合に比べて圧力が低くなる。このように、気化器42の残水量は、エジェクタ81の上流側の圧力に相関性を有する。
このため、燃料電池システム1は、例えば、図7に示すように、エジェクタ81の上流側に圧力センサ106を設け、当該圧力センサ106の検出温度に基づいて、気化器42に残水がないか否かを判定する構成になっていてもよい。なお、本変形例では、圧力センサ106が気化器42の内部の水量に相関性がある物理量を検出する水量検出部を構成する。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について、図8、図9を参照して説明する。本実施形態では、改質器32で生成された燃料ガスをエジェクタ81の下流側から上流側に導くガス循環経路50が設けられている点が第1実施形態と相違している。本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について主に説明し、第1実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
図8に示すように、燃料経路30には、燃料経路30を開閉する燃料開閉弁33が設けられている。燃料開閉弁33は、燃料経路30における燃料ポンプ31の上流側に設けられている。燃料開閉弁33は、制御装置100からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。
また、燃料電池システム1には、燃料経路30に対してガス循環経路50が接続されている。ガス循環経路50は、エジェクタ81を通過した燃料ガスの一部を燃料電池10ではなく、エジェクタ81の上流側に戻すための経路である。
ガス循環経路50は、一端側が燃料経路30における燃料開閉弁33と燃料ポンプ31との間に接続され、他端側が燃料経路30における改質器32と燃料電池10との間に接続されている。
ガス循環経路50には、ガス循環経路50を流れる燃料ガスの流量を調整するための流量調整部51が設けられている。流量調整部51は、制御装置100からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。
その他の構成は、第1実施形態と同様である。燃料電池システム1は、燃料電池10の起動時および発電停止後の停止後高温期間に、ガス循環経路50に燃料ガスが流れるように流量調整部51を制御する。
以下、本実施形態の制御装置100が実行する起動処理について図9を参照して説明する。制御装置100は、図9に示すように、暖機処理によって燃料電池10の電池温度Tcが蒸発基準温度Tethまで昇温すると、水ポンプ41が作動することで、システム外部から改質器32および燃料電池10に流入する燃料ガスおよび水蒸気の流量Grfが上昇する。
また、制御装置100は、燃料電池10の電池温度Tcが改質基準温度Trthまで昇温すると、システム外部から燃料ガスが供給されるように燃料開閉弁33によって燃料経路30を開放し、燃料ポンプ31の作動を開始する。
さらに、制御装置100は、ガス循環経路50に燃料ガスが流れるように流量調整部51を制御する。具体的には、制御装置100は、ガス循環経路50が開放されるように流量調整部51を制御する。
ガス循環経路50が開放された状態で燃料ポンプ31の作動が開始されると、ガス循環経路50から燃料ガスが吸引されることで、ガス循環経路50を流れる燃料ガスの流量Graが増加する。
ガス循環経路50を流れる燃料ガスは、燃料ポンプ31および水ポンプ41によってシステム外部から導入される水蒸気および燃料ととともにエジェクタ81に流入する。エジェクタ81では、駆動流となる燃料ガスの質量流量が増加することで、エジェクタ81に吸引される燃料オフガスの吸引量も増加する。この結果、燃料電池10に流入する燃料ガスの流量Grsが増加する。
次に、本実施形態の制御装置100が実行する停止処理について説明する。制御装置100は、降温処理を実行する際に、燃料開閉弁33によって燃料経路30を開放した状態で、改質器32へ供給する燃料および水蒸気が減少するように燃料ポンプ31および水ポンプ41を制御する。また、制御装置100は、ガス循環経路50に燃料ガスが流れるように流量調整部51を制御する。具体的には、制御装置100は、ガス循環経路50が開放されるように流量調整部51を制御する。
ガス循環経路50が開放された状態で燃料ポンプ31の作動が開始されると、ガス循環経路50から燃料ガスが吸引されることで、ガス循環経路50を流れる燃料ガスの流量Graが増加する。そして、ガス循環経路50を流れる燃料ガスは、燃料ポンプ31および水ポンプ41によってシステム外部から導入される水蒸気および燃料ととともにエジェクタ81に流入する。エジェクタ81では、駆動流となる燃料ガスの質量流量が増加することで、エジェクタ81に吸引される燃料オフガスの吸引量も増加する。この結果、燃料電池10に流入する燃料ガスの流量Grsが増加する。
このように構成される燃料電池システム1によれば、燃料電池10の起動時に、エジェクタ81には、システム外部から導入される水蒸気および燃料だけでなく、ガス循環経路50からの燃料ガスが流入する。これにより、エジェクタ81において駆動流となる燃料ガス等の質量流量が増加するので、エジェクタ81に吸引される燃料オフガスの吸引量を増加させることができる。この結果、燃料電池10の起動時におけるシステム外部から改質器32への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
また、本実施形態の燃料電池システム1によれば、燃料電池10の発電停止後の所定期間、エジェクタ81には、システム外部から導入される水蒸気および燃料だけでなく、ガス循環経路50からの燃料ガスが流入する。これにより、エジェクタ81において駆動流となる燃料ガス等の質量流量が増加するので、エジェクタ81に吸引される燃料オフガスの吸引量を増加させることができる。この結果、燃料電池10の発電停止後におけるシステム外部から改質器32への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
ここで、本実施形態の燃料電池システム1は、ガス循環経路50を有しており、ガス循環経路50を介して改質器32で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ81のノズル部811に流入させることが可能になっている。このため、燃料電池10の発電時には、ガス循環経路50を介して改質器32で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ81のノズル部811に流入させることで、エジェクタ81の吸引部812に吸引する流体の質量流量を増加させることが望ましい。
これによると、燃料の供給量を増加させることなく、燃料電池10の上流側に戻す燃料オフガスの流量を増加させることができるので、未反応ガスを有効活用した燃費の向上効果を充分に得ることができる。
(第2実施形態の変形例)
上述の第2実施形態では、燃料電池10の停止処理にて、燃料開閉弁33によって燃料経路30を開放した状態で、改質器32へ供給する燃料および水蒸気が減少するように燃料ポンプ31および水ポンプ41を制御する例について説明したが、これに限定されない。
燃料電池システム1は、例えば、燃料電池10の停止処理にて、燃料開閉弁33によって燃料経路30を閉鎖した状態で、水ポンプ41および燃料ポンプ31だけを継続して作動させるように構成されていてもよい。これによれば、ガス循環経路50を介して燃料経路30に燃料ガスが流れ込むため、燃料電池10に対して燃料ガスを供給することができる。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について、図10を参照して説明する。本実施形態では、燃料電池システム1におけるガス循環経路50の接続位置が第2実施形態と相違している。本実施形態では、第2実施形態と異なる部分について主に説明し、第2実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
図10に示すように、本実施形態のガス循環経路50は、燃料電池10を通過した燃料オフガスの一部をエジェクタ81の上流側に戻すように構成されている。具体的には、ガス循環経路50は、一端側が燃料経路30における燃料開閉弁33と燃料ポンプ31との間に接続され、他端側が燃料排出経路72における燃料電池10と燃焼器73との間に接続されている。
その他の構成は、第2実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム1は、燃料オフガスがエジェクタ81の上流側に導かれるように燃料電池10の出口側にガス循環経路50が接続されている。これによると、ガス循環経路50が燃料電池10の入口側に接続されている場合に比べて、燃料電池10の発電停止後に燃料電池10への燃料オフガスの供給量が増加する。このため、システム外部からの水蒸気および燃料の供給量を増やすことなく燃料電池10の酸化劣化を充分に抑制することができる。
(第3実施形態の変形例)
上述の第3実施形態では、燃料電池10の出口側にガス循環経路50が接続されているものを例示したが、これに限定されない。ガス循環経路50は、例えば、図11に示すように、一端側が燃料経路30における燃料開閉弁33と燃料ポンプ31との間に接続され、他端側が燃料経路30におけるエジェクタ81と改質器32との間に接続されていてもよい。
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について、図12を参照して説明する。本実施形態では、ガス循環経路50に放熱器52が設けられている点が第3実施形態と相違している。本実施形態では、第3実施形態と異なる部分について主に説明し、第3実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
図12に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、ガス循環経路50に対して放熱器52が設けられている。放熱器52は、ガス循環経路50を流れる燃料オフガスと図示しない送風機からの外気とを熱交換させて燃料オフガスを放熱させる熱交換器である。放熱器52は、ガス循環経路50における流量調整部51の上流側に配置されている。
その他の構成は、第3実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム1によれば、放熱器52にて放熱された後の燃料オフガスが燃料ポンプ31に吸引されるので、燃料ポンプ31に対して高温の燃料オフガスが流入してしまうことを抑制することができる。この結果、燃料ポンプ31を熱的に保護することができる。
(第4実施形態の変形例)
上述の第4実施形態では、燃料電池10の出口側に接続されたガス循環経路50に対して放熱器52を設ける例について説明したが、これに限定されない。放熱器52は、例えば、第2実施形態等のように燃料電池10の入口側に接続されたガス循環経路50に対して設けられていてもよい。このことは以降の実施形態においても同様である。
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について、図13、図14を参照して説明する。本実施形態では、放熱器52にて生じた凝縮水を回収する回収タンク53が設けられている点が第4実施形態と相違している。本実施形態では、第4実施形態と異なる部分について主に説明し、第4実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
燃料オフガスには、燃料電池10の内部で生じた水分が含まれる。この水分は、蒸気となってガス循環経路50に流入する。ガス循環経路50に流入した水蒸気は、放熱器52にて放熱されることで凝縮する。
本実施形態の放熱器52には、図13に示すように、放熱器52で燃料オフガスに含まれる水分を凝縮する回収タンク53が接続されている。本実施形態では、回収タンク53が、燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分が凝縮して生成される凝縮水を回収する凝縮水回収部を構成する。
また、放熱器52には、放熱器52からの凝縮水の回収量を検出する回収量検出部として放熱器52の温度を検出する放熱温度センサ107が設けられている。放熱器52にて水分が凝縮する場合、水分が凝縮しない場合に比べて伝熱量が非常に大きくなる。このため、制御装置100は、放熱器52における伝熱量の変化を放熱温度センサ107にて検出することで、放熱器52で生成される凝縮水の回収量を把握するように構成されている。
ここで、回収タンク53に凝縮水を回収する構成では、放熱器52における凝縮水の回収量が多くなるほど、ガス循環経路50から燃料経路30に流れる水量が少なくなってしまう。
このことを考慮して、本実施形態の制御装置100は、放熱器52からの凝縮水の回収量に基づいて水ポンプ41を制御する。制御装置100は、例えば、図14に示すように、凝縮水の回収量が多くなるに伴って気化器42への水の供給量が増加するように水ポンプ41を制御する。
その他の構成は、第4実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム1は、制御装置100が放熱器52で生成される凝縮水の回収量に基づいて水ポンプ41を制御する。これによると、ガス循環経路50を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分を考慮して水ポンプ41から供給する水の供給量を調整することができるので、改質器32や燃料電池10に対して適量の水蒸気を供給することが可能になる。また、回収した凝縮水を燃料電池10の発電や温度調整に再利用する構成とすれば、水自立とシステムの温度調整を両立し易くなるといった利点がある。
(第5実施形態の変形例)
上述の第5実施形態では、放熱器52の温度を放熱温度センサ107で検出することで、放熱器52で生成される凝縮水の回収量を把握する例について説明したが、これに限定されない。凝縮水の回収量を把握する手段は、放熱温度センサ107以外のセンサによって実現されていてもよい。
(第6実施形態)
次に、第6実施形態について、図15を参照して説明する。本実施形態では、放熱器52で生成された凝縮水を回収する凝縮水回収経路54が設けられている点が第5実施形態と相違している。本実施形態では、第5実施形態と異なる部分について主に説明し、第5実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
図15に示すように、放熱器52には、放熱器52で燃料オフガスに含まれる水分を凝縮する回収タンク53が接続されている。回収タンク53には、凝縮水回収経路54が接続されている。この凝縮水回収経路54は、放熱器52で生成される凝縮水を再利用可能なように水ポンプ41の入口側に接続されている。
その他の構成は、第1実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム1は、ガス循環経路50を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分を改質器32における水蒸気改質等に再利用可能な構成になっている。これによると、例えば、システム外部からの水の供給が困難な状況であっても、燃料電池10を作動させることが可能になる。
(他の実施形態)
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
上述の実施形態では、燃料電池10の起動時および発電停止後に、燃料電池10に対して、水蒸気および燃料によって改質器32で生成された燃料ガスが供給される燃料電池システム1を例示したが、これに限定されない。燃料電池システム1は、例えば、燃料電池10の起動時または発電停止後に、燃料電池10に対して、水蒸気および燃料によって改質器32で生成された燃料ガスが供給されるように構成されていてもよい。
上述の実施形態では、燃料電池10の停止処理として、パージ処理が実行されるものを例示したが、これに限定されない。燃料電池10の停止処理は、例えば、パージ処理が実行されない処理になっていてもよい。
上述の実施形態では、エジェクタ81によって、オフガス供給部が構成された燃料電池システム1を例示したが、これに限定されない。オフガス供給部は、エジェクタ81以外の機器(例えば、ポンプ)によって構成されていてもよい。
上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
(まとめ)
上述の実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、停止後高温期間に、酸化剤ガスの供給量が増加するように酸化剤ポンプを制御し、燃料および水蒸気の供給量が減少するように燃料ポンプおよび水ポンプを制御する。そして、オフガス供給部は、改質器に供給される燃料および水蒸気の流れを駆動流として利用して燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引して改質器に供給可能に構成されている。
第2の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、燃料電池の発電停止後に燃料電池の温度が基準温度以下になると、改質器への水蒸気および燃料の供給が停止するように燃料ポンプおよび水ポンプを制御する。これによると、燃料電池の温度が低下すると、水蒸気および燃料の供給を停止するので、燃料電池での燃料および水蒸気の使用を停止しつつ、燃料電池の酸化劣化を抑制することができる。
第3の観点によれば、燃料電池システムは、燃料ガスまたは燃料オフガスをオフガス供給部の下流側から上流側に導くガス循環経路と、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部と、を備える。制御装置は、停止後高温期間にガス循環経路に燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるように流量調整部を制御する。
これによると、燃料電池の発電停止後の所定期間、オフガス供給部には、システム外部から導入される水蒸気および燃料だけでなく、ガス循環経路からの燃料ガスまたは燃料オフガスが流入する。これにより、オフガス供給部において駆動流となる燃料ガス等の質量流量が増加するので、オフガス供給部に吸引される燃料オフガスの吸引量を増加させることができる。この結果、燃料電池の発電停止後におけるシステム外部から改質器への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。
第4の観点によれば、燃料電池システムのガス循環経路は、燃料オフガスがオフガス供給部の上流側に導かれるように燃料電池の出口側に接続されている。これによると、ガス循環経路が燃料電池の入口側に接続されている場合に比べて、燃料電池の発電停止後に燃料電池への燃料オフガスの供給量が増加する。このため、システム外部からの水蒸気および燃料の供給量を増やすことなく燃料電池の酸化劣化を充分に抑制することができる。
第5の観点によれば、燃料電池システムのガス循環経路は、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスが燃料ポンプに吸引されるように燃料ポンプの上流側に接続されている。そして、ガス循環経路には、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスを放熱させる放熱器が設けられている。これによると、放熱器で放熱された後の燃料ガスまたは燃料オフガスが燃料ポンプに吸引されるので、燃料ポンプを熱的に保護することができる。
第6の観点によれば、燃料電池システムの放熱器には、燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分が凝縮して生成される凝縮水を回収する凝縮水回収経路が接続されている。そして、凝縮水回収経路は、凝縮水を再利用可能なように水ポンプの入口側に接続されている。
このように、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分を再利用する構成とすれば、例えば、システム外部からの水の供給が困難な状況であっても、燃料電池を作動させることが可能になる。
第7の観点によれば、燃料電池システムは、放熱器に対して、燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分が凝縮して生成される凝縮水を回収する凝縮水回収部が接続されるとともに、放熱器で生成される凝縮水の回収量を検出する回収量検出部が設けられている。そして、制御装置は、放熱器で生成される凝縮水の回収量に基づいて水ポンプを制御する。
これによると、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスに含まれる水分を考慮して水ポンプから供給する水蒸気の供給量を調整することができるので、改質器や燃料電池に対して適量の水蒸気を供給することが可能になる。また、回収した凝縮水を燃料電池の発電や温度調整に再利用する構成とすれば、水自立とシステムの温度調整を両立し易くなるといった利点がある。
第8の観点によれば、燃料電池システムは、改質器へ供給する水蒸気を生成する気化器と、気化器の内部の水量に相関性がある物理量を検出する水量検出部と、を備える。そして、制御装置は、燃料電池の発電停止後に気化器の内部の水が空になるまで燃料電池への酸化剤ガスの供給が継続されるように酸化剤ポンプを制御する。これによれば、気化器の凍結割れを抑制することができる。また、燃料電池の停止中に気化器に残留した水分が燃料電池の内部に侵入することを防止することができる。
第9の観点によれば、燃料電池システムは、水量検出部が、気化器の内部温度を気化器の内部の水量に相関性がある物理量として検出するように構成されている。気化器の内部温度は、気化器の内部の水量に応じて変化することから、気化器の内部温度を気化器の内部の水量に相関性がある物理量とすることができる。
第10の観点によれば、燃料電池システムは、水量検出部が、オフガス供給部よりも水流れ上流側の圧力を気化器の内部の水量に相関性がある物理量として検出するように構成されている。オフガス供給部よりも水流れ上流側の圧力は、気化器の内部の水量に応じて変化することから、オフガス供給部よりも水流れ上流側の圧力を気化器の内部の水量に相関性がある物理量とすることができる。
第11の観点によれば、燃料電池システムのオフガス供給部は、改質器よりも燃料流れ上流側に設けられたエジェクタを含んでいる。エジェクタは、水蒸気および燃料を噴射するノズル部、ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引する吸引部、ノズル部から噴射される水蒸気および燃料と吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して改質器に向けて吐出する吐出部を有する。オフガス供給部をエジェクタで構成すれば、動力を増やすことなく、改質器および燃料電池に供給する流体の供給量を増加させることができる。
第12の観点によれば、燃料電池システムは、燃料または燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させることで改質器を昇温させる燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスを燃料電池に供給される前の酸化剤ガスと熱交換させて昇温させる予熱器と、を備える。そして、改質器は、予熱器を通過する前の燃料ガスによって加熱される構成になっている。
これによると、燃料オフガスを燃焼させて生成した燃焼ガスによって予熱器および改質器を加熱すれば、システム外部からの熱供給が不要となるので、システムを熱的に自立させることが可能となる。
第13の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、燃料電池の起動時に気化器で水を蒸発させることが可能な状態になると、改質器へ水蒸気および燃料が供給されるように燃料ポンプおよび水ポンプを制御する。そして、オフガス供給部は、改質器に供給される水蒸気および燃料の流れを駆動流として利用して燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引して改質器に供給可能に構成されている。
第14の観点によれば、燃料電池システムは、燃料ガスまたは燃料オフガスをオフガス供給部の下流側から上流側に導くガス循環経路と、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部と、を備える。そして、制御装置は、燃料電池の起動時に改質器で燃料ガスの生成が可能な状態になると、ガス循環経路に燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるように流量調整部を制御する。
これによると、燃料電池の起動時に、オフガス供給部には、システム外部から導入される水蒸気および燃料だけでなく、ガス循環経路からの燃料ガスまたは燃料オフガスが流入する。これにより、オフガス供給部において駆動流となる燃料ガス等の質量流量が増加するので、オフガス供給部に吸引される燃料オフガスの吸引量を増加させることができる。この結果、燃料電池の起動時におけるシステム外部から改質器への水蒸気および燃料の供給量を抑えることができる。