JP7310277B2 - 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、静音モードが設定されると、通常運転モードのときに比して、燃料電池の発電出力や燃料電池システムの補機のうち騒音源である回転補機の回転数をシステムの運転に必要な最低限を下回らない範囲で低減させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、こうした制御により、騒音を下げた運転ができるようにしている。

特開２００８－３１１０８４号公報

上述の燃料電池システムでは、静音モードが設定されると、直ちに燃料電池の発電出力を低減することにより、燃料電池に接続された負荷に供給できる電力が低下し、ユーザのメリットが低下してしまう。また、静音モードが設定されたときの回転補機の回転数の低減量が燃料電池システムの運転状態に依存することから、騒音が低減されない場合が生じ得る。

本発明の燃料電池システムは、静音モードが設定されたときにユーザのメリットを確保しつつ騒音を低減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、
燃料ガスと酸化剤ガスとに基づいて発電可能な燃料電池と、
改質水を用いて原料ガスを前記燃料ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質部と、
前記原料ガスを前記改質部に供給する原料ガス供給装置と、
前記改質水を蓄える改質水タンクを有し、前記改質水タンク内の前記改質水を前記改質部に供給する改質水供給装置と、
前記燃料電池を通過した前記燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
前記燃料ガスの燃焼により生成された燃焼排ガスと貯湯水を貯蔵する貯湯タンクからの前記貯湯水との熱交換により前記燃焼排ガスを冷却して凝縮させる熱交換部と、
前記燃焼排ガスの冷却により生成された凝縮水を前記改質水タンクに供給する凝縮水流路と、
前記貯湯タンクと前記熱交換部とを循環する前記貯湯水を冷却するラジエータと、
前記ラジエータに送風するラジエータファンと、
前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記ラジエータファンとを制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
通常モードに比して騒音を抑制する静音モードを指示する静音モード指示部を備え、
前記制御装置は、前記静音モードが指示されたときには、前記静音モードが指示されていないときに対して前記燃料電池の発電出力を同一にすると共に前記ラジエータファンの上限回転数を低下させる静音制御を実行する、
ことを要旨とする。

この本発明の燃料電池システムでは、静音モードが指示されたときには、静音モードが指示されていないときに対して燃料電池の発電出力を同一にすると共にラジエータファンの上限回転数を低下させる静音制御を実行する。ラジエータファンは、燃料電池システムの他の補機類に比して動作回転数が比較的高く、騒音に及ぼす影響が大きいため、ラジエータファンの上限回転数を低下させることにより、システム全体の騒音を低減することができる。そして、静音制御の実行により、通常モードに対して、燃料電池の発電出力を低下させずに騒音を低減することができる。即ち、ユーザのメリットを確保しつつ（燃料電池に接続された負荷の要求に十分に対応しつつ）騒音を低減することができる。なお、静音制御を実行すると、ラジエータファンの上限回転数を低下させることにより、貯湯水の温度が低下しにくくなるから、熱交換部での凝縮水の生成量が低下しやすくなり、改質水タンク内の改質水の水位（水量）が低下しやすくなる。

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、前記熱交換部に供給される前記貯湯水の温度が目標温度となるように前記ラジエータファンのデューティを上限デューティ以下の範囲内で設定して前記ラジエータファンを制御し、更に、前記静音制御として前記上限デューティを低下させることにより前記ラジエータファンの上限回転数を低下させるものとしてもよい。こうすれば、上限デューティを低下させることによりラジエータファンの上限回転数を低下させて騒音を低減することができる。

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、前記静音モードが指示されていて前記静音制御の実行中に前記改質水タンク内の前記改質水の水位または水量が閾値未満に低下したときには、前記静音モードが指示されていないときに対して前記ラジエータファンの上限回転数を同一にすると共に前記燃料電池の発電出力を低下させる第２静音制御の実行に切り替えるものとしてもよい。第２静音制御を実行することにより、原料ガス供給装置による原料ガスの供給量（原料ガスを圧送するポンプの出力）や改質水タンクからの改質水の供給量（改質水タンク内の改質水を圧送するポンプの出力）が低下し、これに伴って、熱交換部での熱交換量（貯湯水の温度上昇量）が低下し、貯湯タンクと熱交換部とを循環する貯湯水の循環量（貯湯水を圧送するポンプの出力）やラジエータファンの回転数（送風量）が成り行きで（通常モードに比して低い範囲内で外気温などに依存して）変化し、通常モードに比して騒音を成り行きで（ある程度）低減することができる。また、第２静音制御を実行することにより、改質水タンクからの改質水の供給量が低下するのに加えて、燃料利用率（燃料電池に供給した燃料に対する発電に利用された燃料の割合）即ち発電効率が低下し、燃料オフガス（燃料電池を通過した燃料ガス）、燃焼排ガス、凝縮水の量が増加する。したがって、静音制御から第２静音制御の実行に切り替えることにより、改質水タンク内の改質水の水位（水量）を回復させることができる。

静音制御の実行中に改質水タンク内の改質水の水位または水量が閾値未満に低下したときには第２静音制御の実行に切り替える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池に接続された負荷が要求する要求出力に基づいて前記燃料電池の目標出力電流を設定し、前記目標出力電流に基づいて前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置とを制御し、更に、前記第２静音制御として前記目標出力電流を低下させることにより前記燃料電池の発電出力を低下させるものとしてもよい。こうすれば、目標出力電流を低下させることにより燃料電池の発電出力を低下させて騒音を低減することができる。

静音制御の実行中に改質水タンク内の改質水の水位または水量が閾値未満に低下したときには第２静音制御の実行に切り替える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記静音モードが指示されていて前記第２静音制御の実行中に、前記第２静音制御の実行開始から第１所定時間が経過していて且つ前記改質水タンク内の前記改質水の水位または水量が前記閾値以上に至ったとき、前記改質水タンク内の前記改質水の水位または水量が前記閾値以上に至ってその状態が第２所定時間に亘って継続したとき、前記改質水タンク内の前記改質水の水位または水量が前記閾値以上の第２閾値以上に至ったときのうちの何れかのときには、前記静音制御の実行に切り替えるものとしてもよい。こうすれば、再度、ユーザのメリットを確保しつつ（システム要求出力Ｐｓ＊に十分に対応しつつ）騒音を低減することができる。また、第１所定時間や第２所定時間、第２閾値を用いることにより、静音制御と第２静音制御との頻繁な切替（ハンチング）を抑制することができる。

静音制御の実行中に改質水タンク内の改質水の水位または水量が閾値未満に低下したときには第２静音制御の実行に切り替える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記通常モードに比して前記熱交換部での凝縮水の生成量を増加させる凝縮水回収モードを指示する凝縮水回収モード指示部を備え、前記制御装置は、前記凝縮水回収モードが指示されていて前記静音モードが指示されていないときには、前記凝縮水回収モードが指示されていないときに比して前記ラジエータファンの上限回転数を増加させる上限増加制御を実行するものとしてもよい。ラジエータファンの上限回転数を増加させることにより、貯湯水の温度が低下しやすくなり、熱交換部での凝縮水の生成量が増加しやすくなり、改質水タンク内の改質水の水位（水量）が増加しやすくなる。これにより、その後に静音制御を実行するときに、改質水タンク内の改質水の水位または水量が閾値未満に低下するのを抑制することができる。即ち、静音制御から第２静音制御への切替を抑制することができる。

この場合、前記制御装置は、前記凝縮水回収モードが指示されているときでも、前記静音モードが指示されたときには、前記静音制御を実行するものとしてもよい。

本実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。 制御装置８０により実行される制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 リモコン９０から静音モードが指示されたときのタイムチャートの一例を示す説明図である。 制御装置８０により実行される制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 リモコン９０から凝縮水回収モードや静音モードが指示されたときのタイムチャートの一例を示す説明図である。

次に、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１０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１０は、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池スタック３６を有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０と、を備える。これらは、筐体１２に収容されている。なお、筐体１２には、図示しない吸気口および排気口が設けられ、吸気口付近には外気を取り込んで筐体１２の内部を換気するための図示しない換気ファンが設けられている。

発電ユニット２０は、燃料電池スタック３６の他に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と原料ガスおよび水蒸気から水素を含む燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器３３とを含む発電モジュール３０と、気化器３２に原料ガスを供給する原料ガス供給装置４０と、燃料電池スタック３６にエアを供給するエア供給装置５０と、改質水タンク５７内の改質水を気化器３２に供給する改質水供給装置５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、を備える。

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から供給され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（改質ガス）に改質する。

発電モジュール３０（気化器３２、改質器３３、燃料電池スタック３６）は、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池スタック３６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３４が設けられている。燃焼部３４には、燃料電池スタック３６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３５により点火して燃焼させることにより、燃料電池スタック３６や気化器３２、改質器３３を加熱する。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６２に供給される。燃焼触媒３７は、燃焼部３４で燃え残った燃料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６０は、発電モジュール３０から燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管６１を有する。循環配管６１には、循環ポンプ６３が設けられており、循環ポンプ６３を駆動して貯湯水を循環させることにより、熱交換器６２による貯湯水と燃焼排ガスとの熱交換により貯湯水を加温すると共に加温した貯湯水を貯湯タンク１０１に貯湯する。熱交換器６２は、凝縮水供給管６５を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して外気と接続されている。熱交換器６２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６５を介して改質水タンク５７に回収される。また、残りの排気ガスは、排気ガス排出管６７を介して外気に排出される。更に、循環配管６１の貯湯タンク１０１の出口（下流）と熱交換器６２の入口（上流）との間には、通過する貯湯水を冷却するためのラジエータ６４が設けられており、このラジエータ６４には、ラジエータファン６４ａにより筐体１２内の空気が送風される。また、循環配管６１の熱交換器６２の出口と貯湯タンク１０１の入口との間には、通過する貯湯水（熱交換器６２を通過後の貯湯水）の温度を検出する温度センサ６１ａが設けられており、循環配管６１のラジエータ６４の出口と熱交換器６２の入口との間には、通過する貯湯水（ラジエータ６４を通過して熱交換器６２に供給される貯湯水）の温度を検出する温度センサ６１ｂが設けられている。

凝縮水供給管６５には、水精製器６６が設けられている。水精製器６６は、凝縮水が流入する流入口が上部に形成されると共に凝縮水が流出する流出口が下部に形成された収容容器にイオン交換樹脂が充填されたものであり、イオン交換樹脂を流通する水に含まれる不純物を除去して純水化する。

原料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原料ガス供給管４１を有する。原料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原料ガス供給弁４２、原料ガスポンプ４３、脱硫器４４などが設けられており、原料ガス供給弁４２を開弁した状態で原料ガスポンプ４３を駆動することにより、ガス供給源１からの原料ガスを脱硫器４４を通過させて気化器３２に供給する。気化器３２に供給された原料ガスは、気化器３２を経て改質器３３に供給され、燃料ガスに改質される。脱硫器４４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など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。原料ガス供給管４１の原料ガスポンプ４３よりも下流側には、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（ガス流量Ｑｇ）を検出するための図示しないガス流量センサが設けられている。

エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池スタック３６とを接続するエア供給管５１を有する。エア供給管５１には、エアブロワ５３が設けられており、エアブロワ５３を駆動することにより、フィルタ５２を介して吸入したエアを燃料電池スタック３６に供給する。エア供給管５１のエアブロワ５３よりも下流側には、エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量（エア流量Ｑａ）を検出するための図示しないエア流量センサが設けられている。

改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３２とを接続する改質水供給管５６を有する。改質水供給管５６には、改質水ポンプ５８が設けられており、改質水ポンプ５８を駆動することにより、改質水タンク５７内の改質水を気化器３２に供給する。気化器３２に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。また、改質水タンク５７には、蓄えられている改質水の水位Ｗｈを検出するための水位センサ５９が設けられている。水位センサ５９は、実施形態では、フロート式の水位センサとして構成されており、改質水タンク５７の水位Ｗが改質水ポンプ５８により改質水を汲み上げ可能な下限水位よりも若干高い所定の低水位Ｗｌｏ以上のときにオンする低水位検出センサと、改質水タンク５７の水位Ｗが低水位Ｗｌｏよりも高く満水位よりも低い所定の高水位Ｗｈｉ以上のときにオンする高水位検出センサと、を有する。

燃料電池スタック３６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、を備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたもの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３６の出力端子には、パワーコンディショナ７０を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されている。

パワーコンディショナ７０は、図示しないが、燃料電池スタック３６からの直流電力の電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換して電力ライン３に出力するインバータと、を備える。燃料電池スタック３６の出力端子には、燃料電池スタック３６から出力されるスタック電流（電池電流）Ｉｏｕｔを検出するための図示しないスタック電流センサが設けられ、燃料電池スタック３６の出力端子間には、燃料電池スタック３６のスタック電圧Ｖｓを検出するための図示しないスタック電圧センサが設けられている。

制御装置８０は、図示しないが、ＣＰＵ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、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、計時を行なうタイマ、入出力ポートを備える。制御装置８０には、循環配管６１に設けられた温度センサ６１ａ，６１ｂからの貯湯水の温度Ｔｗａ，Ｔｗｂや、原料ガス供給管４１に設けられたガス流量センサからのガス流量Ｑｇ、エア供給管５１に設けられたエア流量センサからのエア流量Ｑａ、改質水供給管５６に設けられた改質水流量センサからの改質水流量Ｑｗｒ、水位センサ５９からの信号（低水位検出センサや高水位検出センサからのオンオフ信号）、燃料電池スタック３６の出力端子に設けられたスタック電流センサからのスタック電流Ｉｏｕｔ、燃料電池スタック３６の出力端子間に設けられたスタック電圧センサからのスタック電圧Ｖｓ、ユーザやメンテナンス業者などが各種操作（例えば、通常モードに比して騒音を抑制する静音モードの指示など）を実行可能なリモートコントロール装置（以下「リモコン」という）９０からの信号などが入力ポートを介して入力される。ここで、リモコン９０は、静音モードの指示および解除をリアルタイムで行なったり、静音モードの時間帯（例えば、夜間）を指定したり可能に構成されるものとした。制御装置８０からは、点火ヒータ３５や原料ガス供給弁４２、原料ガスポンプ４３、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、ラジエータファン６４ａなどへの駆動制御信号や、筐体１２外（例えば、筐体１２の外側面など）に設けられて各種情報を表示する表示装置８２への表示制御信号などが出力ポートを介して出力される。

こうして構成された燃料電池システム１０では、制御装置８０は、負荷４が要求する要求出力に基づくシステム要求出力Ｐｓ＊に基づいて燃料電池スタック３６の目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊を設定し、設定した目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊に基づいて原料ガス供給装置４０とエア供給装置５０と改質水ポンプ５８とパワーコンディショナ７０とを制御する発電出力制御を実行する。

発電出力制御において、原料ガスポンプ４３の制御は、目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊に基づいて目標ガス流量Ｑｇ＊を設定し、設定した目標ガス流量Ｑｇ＊とガス流量センサにより検出されるガス流量Ｑｇとの差分が小さくなるように原料ガスポンプ４３を駆動制御することにより行なわれる。エア供給装置５０の制御は、原料ガスの目標ガス流量Ｆｇ＊に対して所定の比率（空燃比）となるように目標エア流量Ｆａ＊を設定し、設定した目標エア流量Ｆａ＊とエア流量センサにより検出されるエア流量Ｑａとの差分が小さくなるようにエアブロワ５３を駆動制御することにより行なわれる。改質水ポンプ５８の制御は、目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊に基づいて目標改質水流量Ｑｗｒ＊を設定し、設定した目標改質水流量Ｑｗｒ＊と改質水流量センサにより検出される改質水流量Ｑｗｒとの差分が小さくなるように改質水ポンプ５８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７０の制御は、目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊とスタック電流センサにより検出されるスタック電流Ｉｏｕｔとの差分が小さくなるようにパワーコンディショナ７０（インバータ）を駆動制御することにより行なわれる。

また、燃料電池システム１０では、制御装置８０は、排熱回収装置６０の循環ポンプ６３およびラジエータファン６４ａを制御する排熱回収制御も実行する。排熱回収制御において、循環ポンプ６３の制御は、温度センサ６１ａにより検出される貯湯水（熱交換器６２を通過後の貯湯水）の温度Ｔｗａと目標設定温度Ｔｗａ＊との差分が小さくなるように上限デューティＤｐｍａｘ以下の範囲内でデューティＤｐを設定し、設定したデューティＤｐに基づいて循環ポンプ６３を駆動制御することにより行なわれる。また、ラジエータファン６４ａの制御は、温度センサ６１ｂにより検出される貯湯水（ラジエータ６４を通過後の貯湯水）の温度Ｔｗｂと目標設定温度Ｔｗｂ＊との差分が小さくなるように上限デューティＤｆｍａｘ以下の範囲内でデューティＤｆを設定し、設定したデューティＤｆに基づいてラジエータファン６４ａを駆動制御することにより行なわれる。

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作、特に、リモコン９０から静音モードが指示されたときの動作について説明する。図２は、制御装置８０により実行される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、繰り返し実行される。

制御ルーチンが実行されると、制御装置８０は、最初に、リモコン９０から静音モードが指示されたか否かを判定する（ステップＳ１００）。ここで、静音モードが指示されたときとしては、ユーザ等によりリアルタイムで指示されたときや、現在時刻が静音モードの開始時刻に至ったときを挙げることができる。そして、静音モードが指示されていないと判定したときには、本ルーチンを終了する。この場合、通常モード用の制御が実行される。通常モード用の制御では、発電出力制御において、システム要求出力Ｐｓ＊と燃料電池スタック３６の目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊との第１関係（通常モード用の関係）にシステム要求出力Ｐｓ＊を適用して目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊を設定すると共に、廃熱回収制御において、ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘに所定値Ｄｆ１（通常モード用の値）を設定する。

ステップＳ１００で静音モードが指示されたと判定されたときには、廃熱回収制御におけるラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを上述の所定値Ｄｆ１からそれよりも低い所定値Ｄｆ２に低下させる（ステップＳ１１０）。ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを低下させると、ラジエータファン６４ａの上限回転数が低下する。所定値Ｄｆ２は、ラジエータファン６４ａの回転による騒音の低減効果を発揮できるように定められる。また、ステップＳ１００で静音モードが指示されたと判定されたときに、発電出力制御については、第１関係にシステム要求出力Ｐｓ＊を適用して目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊を設定する。即ち、燃料電池スタック３６の発電出力を通常モードと同一にする。以下、通常モードに対して燃料電池スタック３６の発電出力を同一にすると共にラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを低下させる制御を「第１静音制御」という。ラジエータファン６４ａは、燃料電池システム１０の他の補機類に比して動作回転数が比較的高く、騒音に及ぼす影響が大きいため、ラジエータファン６４ａの上限回転数を低下させることにより、システム全体の騒音を低減することができる。そして、第１静音制御の実行により、通常モードに対して、燃料電池スタック３６の発電出力を低下させずに騒音を低減することができる。即ち、ユーザのメリットを確保しつつ（システム要求出力Ｐｓ＊に十分に対応しつつ）騒音を低減することができる。なお、ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘ（上限回転数）を低下させると、循環配管６１内の貯湯水の温度が低下しにくくなるから、熱交換器６２での凝縮水の生成量が低下しやすくなり、改質水タンク５７内の改質水の水位（水量）が低下しやすくなる。

次に、リモコン９０から静音モードの解除が指示されたか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ここで、静音モードの解除が指示されたときとしては、ユーザ等によりリアルタイムで指示されたときや、現在時刻が静音モードの終了時刻に至ったときを挙げることができる。静音モードの解除が指示されたと判定されたときには、通常モードに復帰して（ステップＳ２００）、本ルーチンを終了する。いま、第１静音制御を実行しているときを考えているから、ステップＳ２００の処理では、発電出力制御におけるラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを所定値Ｄｆ２から所定値Ｄｆ１に戻すことになる。

ステップＳ１２０で静音モードの解除が指示されていないと判定したときには、改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満か否か（水位センサ５９における低水位検出センサがオフか否か）を判定する（ステップＳ１３０）。そして、改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ以上である（低水位検出センサがオンである）と判定したときには、ステップＳ１２０に戻る。

ステップＳ１３０で改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満である（低水位検出センサがオフである）と判定したときには、排熱回収制御におけるラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを所定値Ｄｆ２から所定値Ｄｆ１に戻すと共に（ステップＳ１４０）、通常モードに比して燃料電池スタック３６の発電出力を低下させる低出力発電の実行を開始する（ステップＳ１５０）。以下、通常モードに対してラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを同一にすると共に低出力発電を実行する制御を「第２静音制御」という。即ち、ステップＳ１４０，Ｓ１５０の処理では、第１静音制御の実行から第２静音制御の実行に切り替えるのである。

ここで、低出力発電は、発電出力制御において、同一のシステム要求出力Ｐｓ＊に対して第１関係よりも燃料電池スタック３６の目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊を小さくする第２関係にシステム要求出力Ｐｓ＊を適用して目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊を設定することにより行なわれる。第２静音制御（低出力発電）の実行により、燃料電池スタック３６の目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊が低下して目標ガス流量Ｑｇ＊や目標エア流量Ｑａ＊、目標改質水流量Ｑｗｒ＊が低下して原料ガスポンプ４３やエアブロワ５３、改質水ポンプ５８の出力が低下する。そして、これに伴って、熱交換器６２での熱交換量（貯湯水の温度上昇量）が低下し、循環ポンプ６３の出力やラジエータファン６４ａの回転数（送風量）が成り行きで（通常モードに比して低い範囲内で外気温などに依存して）変化し、通常モードに比して騒音を成り行きで（ある程度）低減することができる。また、第２静音制御（低出力発電）の実行により、改質水タンク５７からの改質水の供給量が低下すると共に、燃料利用率（燃料電池スタック３６に供給した燃料に対する発電に利用された燃料の割合）即ち発電効率が低下して燃料オフガス、燃焼排ガス、凝縮水の量が増加する。したがって、第２静音制御の実行により、改質水タンク５７内の改質水の水位（水量）を回復させることができる。これにより、改質水タンク５７の水位Ｗが改質水ポンプ５８により改質水を汲み上げ可能な下限水位未満に至るのを抑制し、燃料電池システム１０の継続運転を可能にすることができる。

次に、リモコン９０から静音モードの解除が指示されたか否かを判定し（ステップＳ１６０）、静音モードの解除が指示されたと判定されたときには、通常モードに復帰して（ステップＳ２００）、本ルーチンを終了する。いま、第２静音制御を実行しているときを考えているから、低出力発電の実行を終了することになる。

ステップＳ１６０で静音モードの解除が指示されていないと判定したときには、改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ以上か否か（水位センサ５９における低水位検出センサがオンか否か）を判定する（ステップＳ１７０）。そして、改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満である（低水位検出センサがオフである）と判定したときには、ステップＳ１６０に戻る。

ステップＳ１７０で改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ以上である（低水位検出センサがオンである）と判定したときには、低出力発電の実行開始から所定時間Ｔｓｅｔ１が経過したか否かを判定する（ステップＳ１８０）。そして、低出力発電の実行開始から所定時間Ｔｓｅｔ１が経過していないと判定したときには、ステップＳ１６０に戻る。一方、低出力発電の実行開始から所定時間Ｔｓｅｔ１が経過していると判定したときには、低出力発電の実行を終了し（ステップＳ１９０）、排熱回収制御におけるラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを所定値Ｄｆ１から所定値Ｄｆ２に低下させて（ステップＳ１１０）、ステップＳ１２０以降の処理を実行する。即ち、第２静音制御の実行から第１静音制御の実行に切り替えるのである。これにより、再度、ユーザのメリットを確保しつつ（システム要求出力Ｐｓ＊に十分に対応しつつ）騒音を低減することができる。所定時間Ｔｓｅｔ１は、第１静音制御と第２静音制御との頻繁な切替（ハンチング）を抑制するために用いられ、適宜設定される。言い換えれば、所定時間Ｔｓｅｔ１を用いることにより、第１静音制御と第２静音制御との頻繁な切替（ハンチング）を抑制することができる。

図３は、リモコン９０から静音モードが指示されたときのタイムチャートの一例を示す説明図である。図示するように、静音モードが指示されると（時刻ｔ１）、通常モードに対して燃料電池スタック３６の発電出力を低下させずにラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを低下させる（第１静音制御を実行する）。これにより、ラジエータファン６４ａのデューティ（回転数）を、第２静音制御（低出力発電）のように成り行きで変化させるものに比して上限デューティＤｆｍａｘの低下によってより確実に低下させることができ、より確実に騒音を低減することができる。しかも、ユーザのメリットを確保する（システム要求出力Ｐｓ＊に十分に対応する）ことができる。第１静音制御の実行中に改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満に至ると（時刻ｔ２）、通常モードに対してラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを同一にすると共に低出力発電を実行する（第１静音制御の実行から第２静音制御の実行に切り替える）。これにより、通常モードに比して騒音を成り行きで（ある程度）低減しつつ、改質水タンク５７内の改質水の水位（水量）を回復させることができ、燃料電池システム１０の継続運転を可能にすることができる。そして、第２静音制御の実行中に、第２静音制御の実行開始から所定時間Ｔｓｅｔ１が経過していて且つ改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ以上に至ると（時刻ｔ３）、第２静音制御の実行から第１静音制御の実行に切り替える。これにより、再度、ユーザのメリットを確保しつつ（システム要求出力Ｐｓ＊に十分に対応しつつ）騒音を低減することができる。このように、静音モードでは、第１静音制御や第２静音制御実行することにより、ユーザのメリットを確保と燃料電池システム１０の継続運転との両立を図りながら騒音を抑制することができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、静音モードが指示されると、通常モードに対して燃料電池スタック３６の発電出力を同一にすると共にラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘ（上限回転数）を低下させる第１静音制御を実行する。これにより、ユーザのメリットを確保しつつ（システム要求出力Ｐｓ＊に十分に対応しつつ）騒音を低減することができる。そして、第１静音制御の実行中に改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満に至ると、通常モードに対してラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを同一にすると共に低出力発電を実行する第２静音制御の実行に切り替える。これにより、騒音を成り行きで（ある程度）低減しつつ改質水タンク５７内の改質水の水位（水量）を回復させることができる。

上述の実施形態の燃料電池システム１０では、第１静音制御の実行中に改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満に至ると、第２静音制御の実行に切り替えるものとした。しかし、第２静音制御の実行に切り替えるのに代えて、ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを上述の所定値Ｄｆ１よりも小さく上述の所定値Ｄｆ２よりも大きい所定値Ｄｆ３にすると共に低出力発電を実行する第３静音制御の実行に切り替えるものとしてもよい。ここで、所定値Ｄｆ３は、低出力発電を実行する際に、第２静音制御を実行する場合ほどではないものの改質水タンク５７内の改質水の水位（水量）を回復できるように定められるのが好ましい。

上述の実施形態の燃料電池システム１０では、第２静音制御の実行中に、第２静音制御の実行開始から所定時間Ｔｓｅｔ１が経過していて且つ改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ以上に至ると、第１静音制御の実行に切り替えるものとした。しかし、第２静音制御の実行中に改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ以上に至ってその状態が所定時間Ｔｓｅｔ２に亘って継続すると、第１静音制御の実行に切り替えるものとしてもよいし、第２静音制御の実行中に改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏよりも若干高い第２低水位Ｗｌｏ２以上に至ると、第１静音制御の実行に切り替えるものとしてもよい。所定時間Ｔｓｅｔ２や第２低水位Ｗｌｏ２は、所定時間Ｔｓｅｔ１と同様に、第１静音制御と第２静音制御との頻繁な切替（ハンチング）を抑制するために用いられる。また、第２静音制御の実行中に改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ以上に至ると、第１静音制御の実行に切り替えるものとしてもよい。さらに、第２静音制御の実行を開始すると、その後に第１静音制御の実行に切り替えないものとしてもよい。

上述の実施形態の燃料電池システム１０では、静音モードが指示されているときにおいて、改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗと低水位Ｗｌｏとの大小関係に基づいて第１静音制御または第２静音制御を実行するものとした。しかし、これに代えて、改質水タンク５７内の改質水の水量Ｑｗと低水位Ｗｌｏに相当する低水量Ｑｗｌｏとの大小関係に基づいて第１静音制御または第２静音制御を実行するものとしてもよい。ここで、改質水タンク５７内の改質水の水量Ｑｗは、例えば、原燃料ガス供給管４１に設けられたガス流量センサからのガス流量Ｑｇと、エア供給管５１に設けられたエア流量センサからのエア流量Ｑａと、熱交換器６２における燃焼排ガスの流入口に取り付けられた温度センサからの熱交換器流入口温度と、に基づいて演算することができる（特開２０１６－２２５１０２号公報、特開２０１６－２２５１０３号公報参照）。

上述の実施形態の燃料電池システム１０では、リモコン９０は、静音モードの指示および解除をリアルタイムで行なったり、静音モードの時間帯（例えば、夜間）を指定したり可能に構成されるものとしたが、これに加えて、通常モードに比して熱交換機６２での凝縮水の生成量を増加させる凝縮水回収モードの指示をリアルタイムで行なったり、凝縮水回収モードの時間帯（例えば、昼間）を指定したり可能に構成されるものとしてもよい。なお、凝縮水回収モードおよび静音モードについては、互いに独立して、リアムタイムでの指示や時間指定を行なえるものとした。

この場合、制御装置８０は、図２の制御ルーチンに代えて、図４の制御ルーチンを実行するものとしてもよい。図４の制御ルーチンは、ステップＳ２００の処理を削除した点や、ステップＳ３００～Ｓ３３０の処理を追加した点を除いて、図２の制御ルーチンと同一である。したがって、図４の制御ルーチンのうち図２の制御ルーチンと同一の処理については、同一のステップ番号を付し、詳細な説明を省略する。

図４の制御ルーチンでは、制御装置８０は、最初に、リモコン９０から凝縮水回収モードが指示されているか否かを判定する（ステップＳ３００）。ここで、凝縮水回収モードが指示されているときとしては、ユーザ等により指示されているときや、現在時刻が凝縮水回収モードの時間帯であるときを挙げることができる。凝縮水回収モードが指示されていないと判定したときには、廃熱回収制御におけるラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘに上述の所定値Ｄｆ１を設定する（ステップＳ３１０）。この場合、上述の通常モード用の制御が実行される。

ステップＳ３００で凝縮水回収モードが指示されていると判定したときには、ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘに所定値Ｄｆ１よりも高い所定値Ｄｆ３を設定する（ステップＳ３２０）。ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを増加させると、ラジエータファン６４ａの上限回転数が増加する。以下、通常モードに対してラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを増加させる制御を「上限増加制御」という。ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘ（上限回転数）を増加させると、循環配管６１内の貯湯水の温度がより低下しやすくなるから、熱交換器６２での凝縮水の生成量が増加しやすくなり、改質水タンク５７内の改質水の水位（水量）が増加しやすくなる。なお、凝縮水回収モードが指示されているときの発電出力制御については、第１関係にシステム要求出力Ｐｓ＊を適用して目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊を設定する。即ち、燃料電池スタック３６の発電出力を通常モードと同一にする。

こうしてステップＳ３１０またはステップＳ３２０でラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを設定すると、リモコン９０から静音モードが指示されたか否かを判定し（ステップＳ１００）、静音モードが指示されていないと判定したときには、ステップＳ３００に戻る。

ステップＳ１００で静音モードが指示されたと判定されたときには、ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを所定値Ｄｆ１から所定値Ｄｆ２に低下させる（ステップＳ１１０）。即ち、通常モードまたは凝縮水回収モードの実行から第１静音制御の実行に切り替える。

そして、静音モードの解除が指示されたか否かを判定し（ステップＳ１２０）、静音モードの解除が指示されていないと判定したときには、改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満か否か（水位センサ５９における低水位検出センサがオフか否か）を判定する（ステップＳ１３０）。改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ以上である（低水位検出センサがオンである）と判定したときには、ステップＳ１２０に戻る。一方、改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満である（低水位検出センサがオフである）と判定したときには、ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを所定値Ｄｆ２から所定値Ｄｆ１に戻すと共に低出力発電の実行を開始し（ステップＳ１４０，Ｓ１５０）、即ち、第１静音制御の実行から第２静音制御の実行に切り替えて、ステップＳ１６０以降の処理を実行する。

この実施形態では、上述したように、凝縮水回収モードが指示されていて且つ静音モードが指示されていないときには、上限増加制御を実行することにより、熱交換器６２での凝縮水の生成量が増加しやすくなり、改質水タンク５７内の改質水の水位（水量）が増加しやすくなる。このため、第１静音制御の実行中に、改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満になる（水位センサ５９における低水位検出センサがオフになる）のを抑制することができる。これにより、第１静音制御の実行から第２静音制御の実行への切替、即ち、低出力発電の実行を抑制することができるから、ユーザのメリットが低下するのを抑制することができる。

ステップＳ１１０でラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを所定値Ｄｆ１または所定値Ｄｆ３から所定値Ｄｆ２に低下させた後にステップＳ１２０で静音モードの解除が指示されたと判定されると、即ち、第１静音制御の実行中に静音モードの解除が指示されると、本ルーチンを終了する。この場合、次回に本ルーチンが実行されたときに、ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを所定値Ｄｆ２から所定値Ｄｆ１または所定値Ｄｆ３に増加させる（ステップＳ３００～Ｓ３２０）。

ステップＳ１４０でラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘに所定値Ｄｆ１を設定すると共にステップＳ１５０で低出力発電の実行を開始した後にステップＳ１６０で静音モードの解除が指示されたと判定されると、即ち、第２静音制御の実行中に静音モードの解除が指示されると、低出力発電の実行を終了して（ステップＳ３３０）、本ルーチンを終了する。この場合、次回に本ルーチンが実行されたときに、ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘを所定値Ｄｆ１で保持するか所定値Ｄｆ３に増加させる（ステップＳ３００～Ｓ３２０）。

図５は、リモコン９０から凝縮水回収モードや静音モードが指示されたときのタイムチャートの一例を示す説明図である。図示するように、凝縮水回収モードが指示されていて且つ静音モードが指示されていないときには（～時刻ｔ１１、時刻ｔ１２～ｔ１３）、ラジエータファン６４ａの上限デューティＤｆｍａｘに所定値Ｄｆ３を設定する（上限増加制御を実行する）。これにより、通常モードに比して改質水タンク５７内の改質水の水位（水量）を増加しやすくすることができる。そして、上限増加制御の実行中に静音モードが指示されると（時刻ｔ１１，ｔ１３）、第１静音制御の実行を開始する。第１静音制御の実行開始前に改質水タンク５７内の改質水の水位（水量）を増加しやすくしておくことにより、第１静音制御の実行中に改質水タンク５７内の改質水の水位Ｗが低水位Ｗｌｏ未満になるのを抑制し、低出力発電の実行を抑制することができる。

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３６が「燃料電池」に相当し、改質器３３が「改質部」に相当し、原料ガス供給装置４０が「原料ガス供給装置」に相当し、改質水供給装置５５が「改質水供給装置」に相当し、燃焼部３４が「燃焼部」に相当し、熱交換器６２が「熱交換部」に相当し、凝縮水供給管６５が「凝縮水流路」に相当し、ラジエータ６４が「ラジエータ」に相当し、ラジエータファン６４ａが「ラジエータファン」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当し、リモコン９０が「静音モード指示部」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。

１ ガス供給源、２ 商用電源、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、１２ 筐体、２０ 発電ユニット、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３２ 気化器、３３ 改質器、３４ 燃焼部、３５ 点火ヒータ、３６ 燃料電池スタック、３７ 燃焼触媒、４０ 原料ガス供給装置、４１ 原料ガス供給管、４２ 原料ガス供給弁、４３ 原料ガスポンプ、４３ 原料ガスポンプ、４４ 脱硫器、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ フィルタ、５３ エアブロワ、５５ 改質水供給装置、５６ 改質水供給管、５７ 改質水タンク、５８ 改質水ポンプ、５９ 水位センサ、６０ 排熱回収装置、６１ 循環配管、６１ａ，６１ｂ 温度センサ、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６４ ラジエータ、６４ａ ラジエータファン、６５ 凝縮水供給管、６６ 水精製器、６７ 排気ガス排出管、６７ｏ 排気口、７０ パワーコンディショナ、８０ 制御装置、８２ 表示装置、９０ リモコン、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク。

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとに基づいて発電可能な燃料電池と、
   改質水を用いて原料ガスを前記燃料ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質部と、
   前記原料ガスを前記改質部に供給する原料ガス供給装置と、
   前記改質水を蓄える改質水タンクを有し、前記改質水タンク内の前記改質水を前記改質部に供給する改質水供給装置と、
   前記燃料電池を通過した前記燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
   前記燃料ガスの燃焼により生成された燃焼排ガスと貯湯水を貯蔵する貯湯タンクからの前記貯湯水との熱交換により前記燃焼排ガスを冷却して凝縮させる熱交換部と、
   前記燃焼排ガスの冷却により生成された凝縮水を前記改質水タンクに供給する凝縮水流路と、
   前記貯湯タンクと前記熱交換部とを循環する前記貯湯水を冷却するラジエータと、
   前記ラジエータに送風するラジエータファンと、
   前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記ラジエータファンとを制御する制御装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   通常モードに比して騒音を抑制する静音モードを指示する静音モード指示部を備え、
   前記制御装置は、前記静音モードが指示されたときには、前記静音モードが指示されていないときに対して前記燃料電池の発電出力を同一にすると共に前記ラジエータファンの上限回転数を低下させる静音制御を実行し、
   前記制御装置は、前記静音モードが指示されていて前記静音制御の実行中に前記改質水タンク内の前記改質水の水位または水量が閾値未満に低下したときには、前記静音モードが指示されていないときに対して前記ラジエータファンの上限回転数を同一にすると共に前記燃料電池の発電出力を低下させる第２静音制御の実行に切り替え、
   前記制御装置は、前記静音モードが指示されていて前記第２静音制御の実行中に、前記第２静音制御の実行開始から第１所定時間が経過していて且つ前記改質水タンク内の前記改質水の水位または水量が前記閾値以上に至ったとき、前記改質水タンク内の前記改質水の水位または水量が前記閾値以上に至ってその状態が第２所定時間に亘って継続したとき、前記改質水タンク内の前記改質水の水位または水量が前記閾値以上の第２閾値以上に至ったときのうちの何れかのときには、前記静音制御の実行に切り替える、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池に接続された負荷が要求する要求出力に基づいて前記燃料電池の目標出力電流を設定し、前記目標出力電流に基づいて前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置とを制御し、
   更に、前記第２静音制御として前記目標出力電流を低下させることにより前記燃料電池の発電出力を低下させる、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
   前記通常モードに比して前記熱交換部での凝縮水の生成量を増加させる凝縮水回収モードを指示する凝縮水回収モード指示部を備え、
   前記制御装置は、前記凝縮水回収モードが指示されていて前記静音モードが指示されていないときには、前記凝縮水回収モードが指示されていないときに比して前記ラジエータファンの上限回転数を増加させる上限増加制御を実行する、
   燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記凝縮水回収モードが指示されているときでも、前記静音モードが指示されたときには、前記静音制御を実行する、
   燃料電池システム。
   

Images