JP7276015B2 - 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。

従来、この種の燃料電池システムとしては、改質ガスと酸化剤ガスとに基づいて燃料電池と、改質水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、水蒸気を用いて原料ガスを改質ガスに改質する改質部と、改質水を蓄える水タンクと、水タンクと蒸発部とを連通する改質水配管と、水タンク内の改質水を蒸発部へ供給する水ポンプと、水タンクや改質水配管に設けられたヒータとを備えるものにおいて、水タンクや改質水配管が凍結するおそれがあると予測されるときにヒータをオンする凍結防止処理を行なうものが知られている。例えば、特許文献１には、タンク内の水を加熱する加熱部（ヒータ）と、タンクと蒸発部とを連通する給水通路に設けられ正回転によりタンク内の水を蒸発部へ搬送させる正モードと逆回転により給水通路の水をタンク内に戻す逆モードとに切り替え可能な水搬送源（ポンプ）と、ケースの内部に配置された温度センサとを備え、温度センサにより検知される温度が閾値温度以下であるときに、加熱部をオンすると共に、正モードと逆モードとが交互に実行されるよう水搬送源を制御し、タンク内の水を給水通路において往復移動させて給水通路の凍結を抑える凍結抑制制御を実行するものが開示されている。

また、特許文献２には、タンクの水温を検出する第１温度センサと、システムの筐体の内部に配置された第２温度センサとを備え、第１温度センサによって検出された水温が所定の温度範囲に収まるようにオンオフ制御し、第２温度センサによって検出された周囲温度が閾値温度を下回った場合、ヒータをオンとして水を循環させる凍結防止処理を実行するものが開示されている。

特開２０１２－１５５８４７号公報 特開２０１８－１５４５３０号公報

しかしながら、上述したシステムでは、温度センサにより検出される温度と凍結防止の対象部位（水タンクや水配管）の温度とに乖離が生じるおそれがあり、対象部位の凍結を防止することができない場合や、ヒータの過剰な駆動によってエネルギ効率を悪化させる場合が生じる。専用の温度センサを凍結防止対象に配置することも考えられるが、コスト増を招く。

本発明の燃料電池システムは、専用の温度センサを用いることなく、適切なタイミングで凍結抑制制御を実行して改質水の凍結を抑制することを主目的とする。

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の燃料電池システムは、
改質ガスと酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
改質水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、
前記水蒸気を用いて原料ガスを前記改質ガスに改質する改質部と、
前記改質水を蓄える水タンクと、
前記水タンク内の改質水を前記改質部へ供給する水ポンプと、
前記水タンクおよび／または前記水タンクから前記蒸発部へ向かう改質水配管に設けられたヒータと、
前記燃料電池で発電した電力を変換する電力変換装置と、
前記電力変換装置の温度を検出する温度センサと、
前記電力変換装置を冷却する冷却装置と、
前記温度センサにより検出される電力変換装置の温度が適正温度の範囲内となるように冷却量を設定して前記冷却装置を制御すると共に、実行条件が成立していると判定した場合に終了条件が成立していると判定するまで改質水の凍結が抑制されるように前記ヒータを駆動する凍結抑制制御を実行する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池が発電中である場合、前記冷却装置の冷却量が下限量である状態で前記温度センサにより検出される電力変換装置の温度と前記燃料電池の発電出力とに基づいて前記実行条件が成立しているか否かを判定する、
ことを要旨とする。

この本発明の燃料電池システムでは、燃料電池で発電した電力を変換する電力変換装置の温度を検出する温度センサを備え、温度センサにより検出される電力変換装置の温度が適正温度の範囲内となるように冷却量を設定して冷却装置を制御する。また、改質水を蓄える水タンクおよび／または改質水配管にヒータを備え、実行条件が成立していると判定したときに終了条件が成立していると判定するまで改質水の凍結が抑制されるようにヒータを駆動する凍結抑制制御を実行する。燃料電池が発電中である場合、冷却装置の冷却量が下限量である状態で温度センサにより検出される電力変換装置の温度と燃料電池の発電出力とに基づいて実行条件が成立しているか否かを判定する。電力変換装置の温度は、外気温や冷却装置の冷却量、燃料電池の発電出力によって変化する。冷却装置の冷却量が下限量である場合、電力変換装置は冷却不要または殆ど冷却不要な状態であるから、冷却量が電力変換装置の温度に与える影響は除去される。また、燃料電池の発電出力が大きいほど電力変換装置の発熱量が多くなり、電力変換装置の温度は上昇する傾向があるため、電力変換装置の温度と燃料電池の発電出力とに基づいて外気温を推定して、改質水が凍結するおそれがあるか否かを判定することができる。この結果、専用の温度センサを用いることなく、適切なタイミングで凍結抑制制御を実行して改質水の凍結を抑制することができる。ここで、「燃料電池の発電出力」には、燃料電池の発電電力（発電量）や燃料電池の発電電流が含まれる。

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池が発電中である場合、前記燃料電池の発電出力が所定出力以上であるときには前記実行条件が成立していないと判定するものとしてもよい。これは、燃料電池の発電出力が所定出力以上である場合、改質水配管を流れる改質水の流量が十分に大きくなり、当該改質水の流れによって改質水配管内の改質水が凍結し難くなると考えられることに基づく。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池が発電中である場合、前記冷却装置の冷却量が下限量である状態で前記温度センサにより検出される電力変換装置の温度が第１温度閾値未満であるときに前記実行条件が成立していると判定し、前記第１温度閾値は、前記燃料電池の発電出力が大きいほど高くなるように定められるものとしてもよい。この場合、前記制御装置は、前記燃料電池が起動中または停止中である場合、前記冷却装置の冷却量が下限量である状態で前記温度センサにより検出される電力変換装置の温度が前記第１温度閾値よりも小さい第２温度閾値未満であるときに前記実行条件が成立していると判定するものとしてもよい。こうすれば、燃料電池が起動中のときや停止中のときにも、適切なタイミングで凍結抑制制御を実行して改質水の凍結を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記実行条件が成立しておらず、且つ、前記ヒータの駆動を開始してからの経過時間が所定時間以上であるときに前記終了条件が成立していると判定するものとしてもよい。こうすれば、凍結抑制制御の実行と終了とが頻繁に繰り返されるのを効果的に抑制することができる。

本実施形態の燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。 本実施形態の燃料電池システムにおけるパワーコンディショナの冷却と筐体内部の換気の様子を示す説明図である。 発電時凍結抑制制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 第１温度閾値設定用マップの一例を示す説明図である。 起動・停止時凍結抑制制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

本発明を実施するための形態について説明する。

図１は本実施形態の燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、本実施形態の燃料電池システムにおけるパワーコンディショナの冷却と筐体内部の換気の様子を示す説明図である。本実施形態の燃料電池システム２０は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）とに基づいて発電すると共に、発電に伴って生じる熱を貯湯水として回収するコージェネレーションシステムとして構成される。この燃料電池システム２０は、図１に示すように、発電モジュール３０と、原料ガス供給装置４０と、エア供給装置５０と、改質水供給装置６０と、排熱回収装置７０と、システム全体をコントロールする制御装置８０と、を備える。これらは、単一の筐体２２に収容されている。

発電モジュール３０は、燃料ガス（改質ガス）と酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池スタック３１と、改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を予熱する気化器３２（蒸発器）と、原料ガスと水蒸気とから燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器３３と、を有する。

燃料電池スタック３１は、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える燃料電池セルが積層された固体酸化物形燃料電池として構成されており、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック３１の出力端子は、パワーコンディショナ３９を介して商用電源１２と負荷１４とを接続する電力ライン１３に接続されている。燃料電池スタック３１の近傍には、燃料電池スタック３１の温度（スタック温度）を検出するための温度センサ９１が設けられている。燃料電池スタック３１の出力端子には、燃料電池スタック３１から出力される電流（スタック電流）を検出するための電流センサ９５が設けられ、燃料電池スタック３１の出力端子間には、燃料電池スタック３１の端子間電圧（スタック電圧）を検出するための電圧センサ９６が設けられている。

パワーコンディショナ３９は、図示しないが、燃料電池スタック３１から出力される直流電力の電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）まで昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、出力端子が電力ライン１３に図示しないリレーを介して接続され昇圧された直流電圧を商用電力系統２と連系可能な交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するインバータとを備える。パワーコンディショナ３９のケースには、その内部の雰囲気温度（パワコン内温度Ｔｐｃ）を検出するための温度センサ９４が設けられている。

改質器３３は、セラミックなどの担体に改質触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が担持されて構成され、気化器３２を通過した原料ガスと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応によって燃料ガスに改質する。改質器３３の入口付近には、気化器３２の温度を検出するための温度センサ９２が設けられている。

原料ガス供給装置４０は、原料ガスを供給するガス供給源１０と気化器３２とを接続する原料ガス供給管４１と、原料ガス供給管４１にガス供給源１０側から順に設けられる原料ガス供給弁４２，４３（２連弁），オリフィス４４，原料ガスポンプ４５および脱硫器４６と、を有する。原料ガス供給装置４０は、原料ガス供給弁４２，４３を開弁した状態で原料ガスポンプ４５を作動させることにより、ガス供給源１０からの原料ガスを脱硫器４６を介して気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原料ガスは、気化器３２で予熱された後、改質器３３へ供給され、燃料ガスへと改質される。そして、改質された燃料ガスは、マニホールド３４を介して燃料電池スタック３１のアノードへ供給される。脱硫器４６は、原料ガスに含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、硫黄化合物をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する常温脱硫方式を採用することができる。なお、脱硫方式は、常温脱硫方式に限られず、種々の方式を採用し得る。また、原料ガス供給管４１の原料ガス供給弁４３とオリフィス４４との間には、当該原料ガス供給管４１内の原料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられ、オリフィス４４と原料ガスポンプ４５との間には、原料ガス供給管４１を流れる原料ガスの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ４８が設けられている。

エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５１と燃料電池スタック３１とを接続するエア供給管５２と、エア供給管５２に設けられるエアブロワ５３と、を有する。エア供給装置５０は、エアブロワ５３を作動することにより、フィルタ５１を介して吸入したエアを燃料電池スタック３１のカソードへ供給する。エア供給管５２におけるエアブロワ５３の下流側には、エア供給管５２を流れるエアの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ５４が設けられている。

改質水供給装置６０は、改質水を貯留する改質水タンク６１と、改質水タンク６１と気化器３２とを接続する改質水供給配管６２と、改質水供給配管６２に設けられる改質水ポンプ６３と、を有する。改質水供給装置６０は、改質ポンプ５８を作動させることにより、改質水タンク６１の改質水を気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された改質水は、気化器３２で水蒸気とされ、改質器３３における水蒸気改質反応に利用される。改質水供給配管６２には、気化器３２の入口付近に設けられて改質水の到達を検出するための水位センサ（図示せず）や管内の改質水の凍結を予防するための熱源としてのヒータ６４が設けられている。また、改質水タンク６１には、貯留されている改質水の水位を検出するための水位センサ（図示せず）や貯留されている改質水の凍結を予防するための熱源としてのヒータ６５が設けられている。

発電モジュール３０（燃料電池スタック３１，気化器３２および改質器３３）は、断熱材料により形成された箱型のモジュールケース３８に収容されている。モジュールケース３８内には、燃料電池スタック３１の起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部３５が設けられている。燃焼部３５には燃料電池スタック３１を通過した燃料オフガス（アノードオフガス）と酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが供給され、これらの混合ガスを点火ヒータ３６により点火して燃焼させることにより、燃焼熱によって燃料電池スタック３１や気化器３２、改質器３３を加熱する。燃焼部３５には、当該燃焼部３５の温度を検出するための温度センサ９３が設けられている。燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスは、燃焼触媒３７を介して熱交換器７５へ供給される。燃焼触媒３７は、燃焼部３５で燃え残ったオフガスを触媒によって再燃焼させる酸化触媒である。

排熱回収装置７０は、貯湯水を貯留する貯湯タンク７１と、熱交換器７５と、貯湯タンク７１と熱交換器７５とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管７２と、循環配管７２に設けられた循環ポンプ７３と、を有する。排熱回収装置７０は、循環ポンプ７３を作動させて貯湯水を循環させることにより、貯湯タンク７１の下部から貯湯水を取り出して熱交換器７５にて燃焼排ガスとの熱交換により加温し、加温した貯湯水を貯湯タンク７１の上部へ戻す。熱交換器７５は凝縮水供給管７６を介して改質水タンク６１に接続されると共に排気配管７７を介して外気と連通されている。熱交換器７５に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換によって冷却され、水蒸気成分が凝縮されて凝縮水供給管７６を介して改質水タンク６１に回収される。また、残りの排気ガスは、排気配管７７を介して外気へ排出される。

筐体２２には、図１および図２に示すように、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられ、吸気口２２ａ付近には外気を取り込んで筐体２２の内部を換気するための換気ファン２４が設けられている。図２に示すように、換気ファン２４により吸気口２２ａから取り込まれた外気は、パワーコンディショナ３９との熱交換によってパワーコンディショナ３９を冷却した後、発電モジュール３０（モジュールケース３８）をその外面を沿うように通過して排気口２２ｂから排出される。

制御装置８０は、ＣＰＵ８１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ８１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ８２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３と、計時を行なうタイマ８４と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置８０には、圧力センサ４７や流量センサ４８，５４、温度センサ９１～９４、電流センサ９５、電圧センサ９６などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、換気ファン２４のファンモータへの駆動信号や原料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ７３のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ３９のＤＣ／ＤＣコンバータやインバータへの制御信号、点火ヒータ３６への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル９０への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。

こうして構成された燃料電池システム２０は、システムの起動が指示されると、起動処理を行なう。起動処理では、制御装置８０は、例えば、対応する補機類を順次制御して、エアブロワ５３の暖機処理やエアブロワ５３からのエアによる燃焼部３５のパージ処理などを実行した後に、燃焼部３５においてオフガスの着火処理を実行して燃焼を開始させ、所定温度に到達すると水蒸気改質処理を実行する。なお、燃料電池システム２０の構成や補機類の状態等によっては、これらの処理のいずれかを省略することもできる。

また、燃料電池システム２０は、起動が完了すると、発電処理を行なう。発電処理では、制御装置８０は、負荷１４の負荷変動を伴う負荷指令を入力し、定格出力の範囲内で負荷指令に応じた目標電力（発電量Ｑ）が得られるように原料ガスポンプ４５とエアブロワ５３と改質水ポンプ６３とパワーコンディショナ３９とを制御する。具体的には、原料ガスポンプ４５の制御は、例えば、目標電力と検出電力（電流センサ９５により検出されるスタック電流と電圧センサ９６により検出されるスタック電圧とにより算出される電力）との偏差に基づくフィードバック制御により目標ガス流量を設定し、流量センサ４８により検出されるガス流量が目標ガス流量となるようにフィードバック制御により原料ガスポンプ４５のポンプモータを駆動制御することにより行なわれる。エアブロワ５３の制御は、例えば、目標ガス流量に対し所定の空燃比となるように目標エア流量を設定し、流量センサ５４により検出されるエア流量が目標エア流量となるようにフィードバック制御によりエアブロワ５３のブロワモータを駆動制御することにより行なわれる。改質水ポンプ６３の制御は、例えば、改質器３３に供給される原料ガスの単位時間当たりの流量に対する水蒸気の単位時間当たりの流量の比率であるスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）が所定の比率となるように目標改質水流量を設定し、目標改質水流量で改質水が供給されるように改質水ポンプ６３のポンプモータを駆動制御することにより行なわれる。パワーコンディショナ３９の制御は、例えば、目標電力と検出電力との偏差に基づくフィードバック制御によりインバータのＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号によりインバータの図示しないスイッチング素子をスイッチングすることにより行なわれる。

更に、燃料電池システム２０は、システムの停止が指示されると、停止処理を行なう。停止処理では、制御装置８０は、燃料電池スタック３１の温度を速やかに低下させるため、発電処理中よりも単位時間当りに多い流量でエアを供給するようにエアブロワ５３のブロワモータを駆動制御して、燃料電池スタック３１の空冷を行なう。そして、燃料電池スタック３１の温度が電気化学反応（触媒酸化）の促進される温度を下回る温度、例えば３００～４００℃程度の温度まで低下すると、原料ガスの供給を停止する。そして、燃料電池スタック３１の温度が更に低下して、例えば１００～２００℃程度になると、エアの供給も停止する。なお、このような停止処理は、例えばガス供給源１０におけるガス流量を検査する際など、定期的（少なくとも毎月一回など）に行われる。

また、燃料電池システム２０は、必要に応じてパワーコンディショナ３９の冷却や筐体２２内部の換気も行なう。制御装置８０は、温度センサ９４により検出されるパワコン内温度Ｔｐｃに基づいて換気ファン２４の制御する。具体的には、制御装置８０は、パワコン内温度Ｔｐｃがパワーコンディショナ３９の耐熱温度を超えないよう、パワコン内温度Ｔｐｃが所定温度Ｔｒｅｆ以上のときには、パワコン内温度Ｔｐｃが高いほど高くなるようにデューティ比Ｄｕｔｙを設定し、デューティ比Ｄｕｔｙで換気ファン２４のファンモータを駆動制御する。また、制御装置８０は、パワコン内温度Ｔｐｃが所定温度Ｔｒｅｆ未満のときには、パワーコンディショナ３９は冷却不要または殆ど冷却不要な状態であるが、筐体２２の内部を換気するためにデューティ比Ｄｕｔｙに下限値Ｄｌｉｍ（例えば、１０％や２０％）を設定し、デューティ比Ｄｕｔｙで換気ファン２４のファンモータを駆動制御する。

次に、改質水タンク６１や改質水供給配管６２内の改質水の凍結を抑制するための動作、特に燃料電池システム２０が発電中のときの動作と、燃料電池システム２０が起動中あるいは停止中のときの動作とについて説明する。まず、発電中のときの動作について説明する。図３は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される発電時凍結抑制制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。

発電時凍結抑制制御ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、発電量Ｑや温度センサ９４からのパワコン内温度Ｔｐｃ、換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙなどの制御に必要なデータを入力する（ステップＳ１００）。なお、発電量Ｑは、電流センサ９５により検出されるスタック電流と電圧センサ９６により検出されるスタック電圧とを乗じることで計算される。データを入力すると、入力した発電量Ｑに基づいて第１温度閾値Ｔｒｅｆ１を設定する（ステップＳ１１０）。ここで、第１温度閾値Ｔｒｅｆ１は、パワコン内温度Ｔｐｃに基づいて改質水の凍結のおそれを判断するための閾値である。第１温度閾値Ｔｒｅｆ１の設定は、本実施形態では、発電量Ｑと第１温度閾値Ｔｒｅｆ１との関係を予め求めて第１温度閾値設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、発電量Ｑが与えられると、マップから対応する第１温度閾値Ｔｒｅｆ１を導出することにより行なうものとした。第１温度閾値設定用マップの一例を図４に示す。図示するように、第１温度閾値Ｔｒｅｆ１は、発電量Ｑが多いほど高くなるように設定される。

次に、デューティ比Ｄｕｔｙが下限値Ｄｌｉｍであるか否か（ステップＳ１２０）、パワコン内温度Ｔｐｃが第１温度閾値Ｔｒｅｆ１未満であるか否か（ステップＳ１３０）、発電量Ｑが所定量Ｑｒｅｆ未満であるか否か（ステップＳ１４０）、をそれぞれ判定する。これらの処理は、燃料電池システム２０が発電中のときに凍結抑制制御の実行条件が成立しているか否かを判定する処理である。

ステップＳ１２０～Ｓ１４０の判定のいずれもが肯定的な判定であれば、凍結抑制制御の実行条件が成立していると判断し、凍結抑制制御実行フラグＦが値０であるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。ここで、凍結抑制制御実行フラグＦは、値１の場合に凍結抑制制御が実行中であることを示し、値０の場合に凍結抑制制御が実行中でないことを示す。凍結抑制制御実行フラグＦが値０であると判定すると、ヒータ６４，６５をオンとして凍結抑制制御を開始すると共に（ステップ１６０）、凍結抑制制御実行フラグＦを値１として（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。凍結抑制制御実行フラグＦが値１であると判定すると、凍結抑制制御の実行を維持したまま本ルーチンを終了する。

ステップＳ１２０～Ｓ１４０の判定のいずれかが否定的な判定であれば、凍結抑制制御の実行条件が成立していないと判断し、凍結抑制制御実行フラグＦが値１であるか否かを判定する（ステップＳ１８０）。凍結抑制制御実行フラグＦが値０である、すなわち凍結抑制制御が実行中でないと判定すると、そのまま本ルーチンを終了する。凍結抑制制御実行フラグＦが値１である、すなわち凍結抑制制御が実行中であると判定すると、更に、凍結抑制制御の実行が開始されてから所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１９０）。ここで、所定時間は、凍結抑制制御の開始と終了とが頻繁に繰り返されるのを抑制するための凍結抑制制御の最小実行時間であり、例えば、５分や１０分などのように定められる。凍結抑制制御が開始されてから所定時間が経過していないと判定すると、凍結抑制制御の実行を維持したまま本ルーチンを終了する。一方、凍結抑制制御が開始されてから所定時間が経過したと判定すると、ヒータ６４，６５をオフとして凍結抑制制御を終了すると共に（ステップＳ２００）、凍結抑制制御実行フラグＦに値０を設定して（ステップＳ２１０）、本ルーチンを終了する。

ここで、パワコン内温度Ｔｐｃは外気温や換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙ（冷却量）、燃料電池スタック３１の発電量Ｑによって変化するため、パワコン内温度Ｔｐｃに基づいて改質水が凍結するおそれがあるか否かを判定する場合、冷却量や発電量Ｑがパワコン温度Ｔｐｃに与える影響を除去する必要がある。換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙ（冷却量）が下限値Ｄｌｉｍであるとき、パワーコンディショナ３９は冷却不要または殆ど冷却不要な状態であるから、この状態では冷却量がパワコン内温度Ｔｐｃに与える影響は除去される。一方、燃料電池スタック３１の発電量Ｑが多いほどパワーコンディショナ３９の発熱量が多くなり、パワーコンディショナ３９の温度は上昇するから、パワコン内温度Ｔｐｃと発電量Ｑとに基づいて外気温を推定することができ、改質水が凍結するおそれがあるか否かを判定することができる。

所定量Ｑｒｅｆは、改質水が凍結しない程度の流量で改質水供給配管６２を流れているか否かを判定するための閾値である。上述したように、原料ガスの流量（目標ガス流量）は発電量Ｑに基づいて設定され、改質水の流量（目標改質水流量）は目標ガス流量に基づいて設定されるから、発電量Ｑに基づいて改質水の流量を推定することができる。改質水供給配管６２内の改質水は、十分な流れがある場合には、凍結し難くなる。したがって、発電量Ｑが所定量Ｑｒｅｆ以上である場合には、パワコン内温度Ｔｐｃに拘わらず、凍結抑制制御を実行しない。

次に、燃料電池システム２０が起動中あるいは停止中のときの動作について説明する。図５は、起動・停止時凍結抑制制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。

起動・停止時凍結抑制制御ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、温度センサ９４からのパワコン内温度Ｔｐｃや換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙなどの制御に必要なデータを入力する（ステップＳ３００）。次に、デューティ比Ｄｕｔｙが下限値Ｄｌｉｍであるか否か（ステップＳ３１０）、パワコン内温度Ｔｐｃが第２温度閾値Ｔｒｅｆ２未満であるか否か（ステップＳ３２０）、をそれぞれ判定する。これらの処理は、燃料電池システム２０が起動中または停止中のときに凍結抑制制御の実行条件が成立しているか否かを判定する処理である。

ステップＳ３１０～Ｓ３２０の判定のいずれもが肯定的な判定であれば、凍結抑制制御の実行条件が成立していると判断し、凍結抑制制御実行フラグＦが値０であるか否かを判定する（ステップＳ３３０）。凍結抑制制御実行フラグＦが値０であると判定すると、ヒータ６４，６５をオンとして凍結抑制制御を開始すると共に（ステップ３４０）、凍結抑制制御実行フラグＦを値１として（ステップＳ３５０）、本ルーチンを終了する。凍結抑制制御実行フラグＦが値１であると判定すると、凍結抑制制御の実行を維持したまま本ルーチンを終了する。

ステップＳ３１０～Ｓ３２０の判定のいずれかが否定的な判定であれば、凍結抑制制御の実行条件が成立していないと判断し、凍結抑制制御実行フラグＦが値１であるか否かを判定する（ステップＳ３６０）。凍結抑制制御実行フラグＦが値０である、すなわち凍結抑制制御が実行中でないと判定すると、凍結抑制制御を実行しない状態を維持したまま本ルーチンを終了する。一方、凍結抑制制御実行フラグＦが値１である、すなわち凍結抑制制御が実行中であると判定すると、更に、凍結抑制制御が開始されてから上記所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ３７０）。凍結抑制制御が開始されてから所定時間が経過していないと判定すると、凍結抑制制御の実行を維持したまま本ルーチンを終了する。一方、凍結抑制制御が開始されてから所定時間が経過したと判定すると、ヒータ６４，６５をオフとして凍結抑制制御を終了すると共に（ステップＳ３８０）、凍結抑制制御実行フラグＦに値０を設定して（ステップＳ３９０）、本ルーチンを終了する。

第２温度閾値Ｔｒｅｆ２は、第１温度閾値Ｔｒｅｆ１（発電中の発電量Ｑが最も少ないときに設定される温度）よりも低い温度（例えば、２℃や３℃）に定められる。燃料電池システム２０が起動中または停止中のときには、発電量Ｑは零であり、パワーコンディショナ３９は動作してないため、換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙ（冷却量）が下限値Ｄｌｉｍである場合、パワコン内温度Ｔｐｃは、外気温に近接する。したがって、パワコン内温度Ｔｐｃが第２温度閾値Ｔｒｅｆ２未満であるか否かを判定することで、改質水が凍結するおそれがあるか否かをより正確に判定することができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム２０では、システムが発電中である場合、燃料電池スタック３１の発電量Ｑが多いほど大きくなるように第１温度閾値Ｔｒｅｆ１を設定し、換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙ（冷却量）が下限値Ｄｌｉｍである条件と、パワーコンディショナ３９の温度（パワコン内温度Ｔｐｃ）が第１温度閾値Ｔｒｅｆ１未満である条件とを含む実行条件が成立したときに、改質水の凍結を抑制するための凍結抑制制御を実行する。これにより、換気ファン２４の冷却量や燃料電池スタック３１の発電量Ｑがパワコン内温度Ｔｐｃに与える影響を除去して、パワコン温度Ｔｐｃに基づいて改質水が凍結するおそれがあるか否かをより正確に判定することができる。この結果、専用の温度センサを用いることなく、適切なタイミングで凍結抑制制御を実行して改質水の凍結を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム２０では、燃料電池スタック３１の発電量Ｑが所定量Ｑｒｅｆ以上であるときには、パワコン内温度Ｔｐｃに拘わらず、凍結抑制制御を実行しない。これにより、改質水供給配管６２内の改質水に十分な流れがあり、凍結し難い場合には、凍結抑制制御を実行しないため、過剰なヒータ６４，６５の駆動を抑制することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム２０では、システムが起動中または停止中である場合、換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙ（冷却量）が下限値Ｄｌｉｍである条件と、温度センサ９４により検出されるパワコン内温度Ｔｐｃが第１温度閾値Ｔｒｅｒｆ１よりも低い第２温度閾値Ｔｒｅｆ２未満である条件とを含む実行条件が成立したときに、凍結抑制制御を実行する。これにより、燃料電池システム２０が発電中である場合だけでなく、起動中や停止中である場合にも、適切なタイミングで凍結抑制制御を実行して改質水の凍結を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム２０では、凍結抑制制御の実行条件が成立しておらず、且つ、ヒータ６４，６５の駆動を開始してからの経過時間が所定時間に達しているときに凍結抑制制御の実行を終了する。これにより、凍結抑制制御の実行と終了とが頻繁に繰り返されるのを効果的に抑制することができる。

上述した実施形態では、発電時凍結抑制制御ルーチンにおいて、燃料電池システム２０が発電中である場合の凍結抑制制御の実行条件として、換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙが下限値である条件と、温度センサ９４により検出されるパワーコンディショナ３９の温度（パワコン内温度Ｔｐｃ）が第１温度閾値Ｔｒｅｆ１未満である条件と、燃料電池スタック３１の発電量Ｑが所定量Ｑｒｅｆ未満である条件とを含めるものとした。しかし、発電量Ｑが所定量Ｑｒｅｆ未満である条件を省略してもよい。

上述した実施形態では、発電時凍結抑制制御ルーチンにおいて、燃料電池スタック３１の発電量Ｑが多いほど高くなるように第１温度閾値Ｔｒｅｆ１を設定し、換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙ（冷却量）が下限値Ｄｌｉｍである場合に、パワコン内温度Ｔｐｃが第１温度閾値Ｔｒｅｆ１未満であれば凍結抑制制御を実行し、パワコン内温度Ｔｐｃが第１温度閾値Ｔｒｅｆ１以上であれば凍結抑制制御を実行しないものとした。しかし、換気ファン２４のデューティ比Ｄｕｔｙ（冷却量）が下限値Ｄｌｉｍである場合に、パワコン内温度Ｔｐｃが高いほど多くなるように発電量閾値Ｑｒｅｆ１を設定し、発電量Ｑが発電量閾値Ｑｒｅｆ１以上であれば凍結抑制制御を実行し、発電量Ｑが発電量閾値Ｑｒｅｆ１未満であれば凍結抑制制御を実行しないものとしてもよい。また、パワコン内温度Ｔｐｃと発電量Ｑとが図４に示すヒータＯＮ領域内にあれば凍結抑制制御を実行し、パワコン内温度Ｔｐｃと発電量Ｑとが図４に示すヒータＯＦＦ領域内にあれば凍結抑制制御を実行しないものとしてもよい。

上述した実施形態では、燃料電池スタック３１の発電量Ｑを用いて凍結抑制制御の実行条件が成立しているか否かを判定するものとした。しかし、燃料電池スタック３１の発電量Ｑに代えて電流センサ９５により検出されるスタック電流（発電電流）を用いるものとしてもよい。

上述した実施形態では、改質水タンク６１と改質水供給配管６２とにそれぞれヒータ６４，６５を配置するものとしたが、いずれか一方のヒータを省略してもよい。改質水供給配管６２のヒータ６４を省略して凍結抑制制御を実行する場合、改質水タンク６１のヒータ６５を駆動すると共に改質水ポンプ６３のポンプモータを正回転方向と逆回転方向とに交互に駆動することで、ヒータ６４により改質水タンク６１内で加温された改質水を改質水供給配管６２内で往復動させてもよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック３１が「燃料電池」に相当し、気化器３２が「蒸発部」に相当し、改質器３３が「改質部」に相当し、改質水タンク６１が「水タンク」に相当し、改質水ポンプ６３が「水ポンプ」に相当し、ヒータ６４，６５が「ヒータ」に相当し、パワーコンディショナ３９（ＤＣ／ＤＣコンバータ，インバータ）が「電力変換装置」に相当し、温度センサ９４が「温度センサ」に相当し、換気ファン２４が「冷却装置」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

１０ ガス供給源、１２ 商用電源、１３ 電力ライン、１４ 負荷、２０ 燃料電池システム、２２ 筐体、２２ａ 吸気口、２２ｂ 排気口、２４ 換気ファン、３０ 燃料電池モジュール、３１ 燃料電池スタック、３２ 気化器、３３ 改質器、３４ マニホールド、３５ 燃焼部、３６ 点火ヒータ、３７ 燃焼触媒、３８ モジュールケース、３９ パワーコンディショナ、４０ 原料ガス供給装置、４１ 原料ガス供給管、４２，４３ 原料ガス供給弁、４４ オリフィス、４５ 原料ガスポンプ、４６ 脱硫器、４７ 圧力センサ、４８ 流量センサ、５０ エア供給装置、５１ フィルタ、５２ エア供給管、５３ エアブロワ、５４ 流量センサ、６０ 改質水供給装置、６１ 改質水タンク、６２ 改質水供給配管、６３ 改質水ポンプ、６４，６５ ヒータ、７０ 排熱回収装置、７１ 貯湯タンク、７２ 循環配管、７３ 循環ポンプ、７５ 熱交換器、７６ 凝縮水供給管、７７ 排気ガス排出管、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８４ タイマ、９０ 表示パネル、９１～９４ 温度センサ、９５ 電流センサ、９６ 電圧センサ。

Claims (5)

1. 改質ガスと酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
   改質水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、
   前記水蒸気を用いて原料ガスを前記改質ガスに改質する改質部と、
   前記改質水を蓄える水タンクと、
   前記水タンク内の改質水を前記改質部へ供給する水ポンプと、
   前記水タンクおよび／または前記水タンクから前記蒸発部へ向かう改質水配管に設けられたヒータと、
   前記燃料電池で発電した電力を変換する電力変換装置と、
   前記電力変換装置の温度を検出する温度センサと、
   前記電力変換装置を冷却する冷却装置と、
   前記温度センサにより検出される電力変換装置の温度が適正温度の範囲内となるように冷却量を設定して前記冷却装置を制御すると共に、実行条件が成立していると判定した場合に終了条件が成立していると判定するまで改質水の凍結が抑制されるように前記ヒータを駆動する凍結抑制制御を実行する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池が発電中である場合、前記冷却装置の冷却量が下限量である状態で前記温度センサにより検出される電力変換装置の温度と前記燃料電池の発電出力とに基づいて前記実行条件が成立しているか否かを判定する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池が発電中である場合、前記燃料電池の発電出力が所定出力以上であるときには前記実行条件が成立していないと判定する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池が発電中である場合、前記冷却装置の冷却量が下限量である状態で前記温度センサにより検出される電力変換装置の温度が第１温度閾値未満であるときに前記実行条件が成立していると判定し、
   前記第１温度閾値は、前記燃料電池の発電出力が大きいほど高くなるように定められる、
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池が起動中または停止中である場合、前記冷却装置の冷却量が下限量である状態で前記温度センサにより検出される電力変換装置の温度が前記第１温度閾値よりも小さい第２温度閾値未満であるときに前記実行条件が成立していると判定する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記実行条件が成立しておらず、且つ、前記ヒータの駆動を開始してからの経過時間が所定時間以上であるときに前記終了条件が成立していると判定する、
   燃料電池システム。

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