JPWO2017104316A1 - 燃料電池システム、及び、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

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Abstract

燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、水を含有する含水燃料を蓄える燃料タンクと、燃料電池と燃料タンクとを接続する燃料供給路と、燃料供給路上に設けられ、含水燃料をアノードガスに改質する改質器と、燃料供給路上における改質器よりも上流側に設けられ、含水燃料に含まれる水を分離する分離器と、前記改質器よりも上流側に設けられ、含水燃料に含まれる水分割合を検出又は推定する検出部と、分離器を制御する制御部と、を有する。制御部は、検出部により取得される水分割合に基づいて、前記分離器を制御する。

Description

本発明は燃料電池システム、及び、その制御方法に関する。
一方の側にアノードガスが供給され、他方の側にカソードガス（空気等）が供給されて、比較的高温で動作する固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が知られている。このＳＯＦＣにおいては含水エタノールなどの含水燃料が用いられる。このような含水燃料に含まれる燃料は水よりも気化しやすいため、燃料タンク内において含水燃料の水分割合が上昇してしまう。このような水分割合の高い含水燃料を用いると、燃料電池の発電性能が低下してしまうおそれがある。
そこで、例えば、ＪＰ２０１０−１９０２１０Ａには、燃料タンク内の気化した燃料を再び液化することで回収し、液化した燃料を燃料タンクに戻す技術が開示されている。
しかしながら、ＪＰ２０１０−１９０２１０Ａに開示された技術では、燃料電池システムの停止中においては、燃料タンク内の含水燃料の水の割合を調節することはできない。そのため、燃料電池システムの起動時などにおいては、含水燃料の水分割合が適切になっておらず、燃料電池の駆動に用いるのには適さないおそれがある。
本発明の目的は、燃料電池の駆動に用いられる含水燃料の水分割合を適切に調整することができる燃料電池システムを提供することである。
本発明の一態様の燃料電池システムによれば燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、水を含有する含水燃料を蓄える燃料タンクと、燃料電池と燃料タンクとを接続する燃料供給路と、燃料供給路上に設けられ、含水燃料をアノードガスに改質する改質器と、燃料供給路上における改質器よりも上流側に設けられ、含水燃料に含まれる水を分離する分離器と、前記改質器よりも上流側に設けられ、含水燃料に含まれる水分割合を検出又は推定する検出部と、分離器を制御する制御部と、を有する。制御部は、検出部により取得される水分割合に基づいて、前記分離器を制御する。
図１は、第１実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 図２は、分離器の構成図である。 図３は、分離制御処理を示すフローチャートである。 図４は、分離制御処理における分離量を示すグラフである。 図５は、他の分離制御処理を示すフローチャートである。 図６は、他の分離制御処理における分離器の制御量を示すグラフである。 図７は、さらに他の分離制御処理を示すフローチャートである。 図８は、第２実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 図９は、回収制御処理を示すフローチャートである。 図１０は、回収制御処理における水の回収量を示すグラフである。 図１１は、分離及び回収を行う制御処理を示すフローチャートである。 図１２は、第３実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 図１３は、分離制御処理を示すフローチャートである。 図１４は、第４実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 図１５は、他の分離器の構成図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）システムの主要構成を示すブロック図である。このシステムによって、電動車両の駆動などに用いられる電力が発電される。
ＳＯＦＣである燃料電池スタック１は、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、燃料であるアノードガス（燃料ガス）が供給されるアノード電極（燃料極）と、カソードガス（酸化ガス）として酸素を含む空気が供給されるカソード極（空気極）により挟み込んで構成されたセルを積層したものである。燃料電池スタック１では、アノードガス中に含まれる水素などの燃料とカソードガス中の酸素とを反応させて発電を行い、反応後のアノードガス（アノードオフガス）と反応後のカソードガス（カソードオフガス）を排出する。
燃料電池スタック１を備える固体酸化物型燃料電池システム（以後、燃料電池システム１００と称す。）には、燃料電池スタック１にアノードガスを供給する燃料供給系統と、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する空気供給系統と、燃料電池システム１００外にアノードオフガス及びカソードオフガスを排気する排気系統とが設けられている。
燃料供給系統は、燃料タンク２、分離器３、燃料ポンプ４、蒸発器５、原料加熱器６、改質器７等を含む。空気供給系統は、カソードコンプレッサー８、空気熱交換器９、燃焼器１０、触媒燃焼器１１等を含む。排気系統は、排気燃焼器１２等を含む。また、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御する制御部１３を備えている。制御部１３が、燃料電池システム１００の各種機器を制御することで、燃料電池システム１００の駆動に用いられる含水燃料の水分割合が調整される。
以下では、それぞれの系統について詳細に説明する。まず、燃料供給系統の詳細について説明する。
燃料供給系統においては、燃料タンク２から燃料電池スタック１までのアノード供給経路に、分離器３、燃料ポンプ４、蒸発器５、原料加熱器６、及び、改質器７が設けられている。
燃料タンク２に蓄えられている含水燃料は、経路１０１を経て分離器３に供給される。例えば、含水燃料は、含水エタノールなどの水分を含む含水燃料である。また、燃料タンク２内には、燃料タンク２に蓄えられた含水燃料の水分割合を取得する検出部２Ａが設けられている。検出部２Ａは、燃料（エタノール）と水との誘電率の違いを利用して、含水燃料の水分割合を検出又は推定する。なお、含水燃料は、エタノール以外の炭化水素系の燃料を含んでいてもよい。
分離器３においては、含水燃料に含まれる水の一部が分離される。分離器３は、その操作量が大きくなると、含水燃料からの水の分離量が大きくなるように構成されている。なお、分離器３の詳細な構成については、後に図３を用いて説明する。また、経路１０１には、温度センサ１４と流量センサ１５とが設けられている。温度センサ１４は、分離器３に供給される含水燃料の温度を取得し、流量センサ１５は、分離器３に供給される含水燃料の流量を取得する。
分離器３において一部の水が分離された含水燃料は、経路１０２を経て燃料ポンプ４に到達すると、燃料ポンプ４から経路１０３に送り出される。経路１０３は、下流にて、経路１０４、１０５、及び、１０６に分岐する。そのため、経路１０３を流れる含水燃料は、経路１０４を経て蒸発器５に供給されるとともに、経路１０５を経て排気燃焼器１２に供給される。経路１０６は、下流にて、さらに経路１０７、及び、１０８に分岐する。そのため、経路１０６を流れる含水燃料は、経路１０７を介して燃焼器１０に供給されるとともに、経路１０８を介して触媒燃焼器１１に供給される。
蒸発器５は、排気燃焼器１２からの排気ガスの熱を利用して、液体である含水燃料を気化させて燃料ガスを生成する。蒸発器５にて生成された燃料ガスは、経路１０９を介して原料加熱器６に供給される。
原料加熱器６は、排気燃焼器１２と隣接して設けられている。原料加熱器６は、排気燃焼器１２における発熱を利用して、燃料ガスを、改質器７において改質可能な温度までさらに加熱する。そして、原料加熱器６にて加熱された燃料ガスは、経路１１０を介して改質器７に供給される。
改質器７に供給された燃料ガスは、触媒反応によってアノードガスに改質される。このアノードガスは、改質器７から経路１１１を経て燃料電池スタック１のアノード電極に供給される。例えば、含水燃料が含水エタノールである場合には、含水燃料は、メタン、水素、一酸化炭素などを含むアノードガスに改質される。
次に、空気供給系統の詳細について説明する。
空気供給系統においては、外部から取り込まれたカソードガスである空気は、カソードコンプレッサー８によって燃料電池システム１００内に取り込まれると、まず、経路１１２を経て空気熱交換器９に到達する。
空気熱交換器９は、排気燃焼器１２からの排気ガスの熱を利用して、カソードガスを加熱する。空気熱交換器９により加熱されたカソードガスは、経路１１３を経て燃焼器１０に供給された後に、経路１１４を経て触媒燃焼器１１に供給される。燃焼器１０、及び、触媒燃焼器１１は、主に、燃料電池システム１００のシステム起動処理において起動される。なお、システム起動処理とは、例えば、燃料電池システム１００を搭載する車両のスタートスイッチが押下されて燃料電池システム１００が動作を開始してから、燃料電池スタック１が安定して発電を行うことができるまでの間に行われる処理である。
燃料電池システム１００の起動時には、燃焼器１０において、カソードコンプレッサー８から供給されるカソードガスと、燃料ポンプ４から経路１０３、１０６及び１０７を経て供給される含水燃料とが混合する。そして、燃焼器１０に付属する着火装置によって、この混合ガスが着火され、触媒燃焼器１１を加熱するための予熱バーナが形成される。
触媒燃焼器１１は、内部に触媒を備えており、当該触媒を用いて高温の燃焼ガスを生成する装置である。システム起動時には、カソードコンプレッサー８からのカソードガスと、燃料ポンプ４からの含水燃料とが、触媒燃焼器１１に供給される。触媒燃焼器１１の触媒は予熱バーナにより加熱されており、加熱された触媒上でカソードガスと含水燃料に含まれる燃料とが燃焼して、燃焼ガスが生成される。なお、燃焼器１０、及び、触媒燃焼器１１から排出される燃焼ガスは、酸素をほとんど含まない高温の不活性ガスである。
このように、燃料電池システム１００の起動時において、燃料電池スタック１には、触媒燃焼器１１によって加温された不活性ガスが経路１１５を介して供給されることにより、燃料電池スタック１が発電可能な温度となる。そして、燃料電池スタック１が適切に発電できる温度となってシステム起動処理が終了すると、燃焼器１０及び触媒燃焼器１１における燃焼反応が終了され、燃料電池スタック１には、空気熱交換器９によって加熱されたカソードガスが供給される。
このようにして、燃料電池スタック１には、燃料供給系統からアノードガスが供給されるとともに、空気供給系統からカソードガスが供給される。そして、燃料電池スタック１では、アノードガスとカソードガスとが反応して発電が行われ、アノードオフガス及びカソードオフガスが排気系統を介して燃料電池システム１００外に排出される。
次に、排気系統の詳細について説明する。
燃料電池スタック１からは、経路１１６からアノードオフガスが排出されるとともに、経路１１７からカソードオフガスが排出される。アノードオフガス及びカソードオフガスは、排気燃焼器１２において酸化触媒反応によって燃焼されて、排気ガスとして経路１１８に排出される。燃焼に伴って発生する熱は、排気燃焼器１２に隣接する原料加熱器６に伝達される。排気ガスは、経路１１８を経て蒸発器５に到達した後に、経路１１９を経て空気熱交換器９に到達する。そして、排気ガスは、最終的に、経路１２０を経て燃料電池システム１００の外部に排出される。
排気燃焼器１２は、アルミナなどのセラミック材料により構成されており、アノードオフガスとカソードオフガスを混合し、その混合ガスを酸化触媒を介して燃焼させ、二酸化炭素や水を主成分とする排気ガスを生成する。排気燃焼器１２には、経路１０５を介して含水燃料が供給可能である。排気燃焼器１２に供給される含水燃料の供給量を調整することで、排気燃焼器１２における触媒燃焼反応を制御することができる。
なお、制御部１３は、燃料電池システム１００の各構成や各系統における弁などを制御することで、燃料電池システム１００全体を制御する。なお、制御部１３は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
ここで、分離器３の詳細な構成について図２を用いて説明する。
図２を参照すると、分離器３は、燃料容器３１と、冷却容器３２と、燃料容器３１と冷却容器３２とを接続する配管３３とを有する。燃料容器３１内には水分離膜３４が設けられることにより、含水燃料が流れる燃料室３５と、含水燃料が流れず大気が存在する大気室３６とが設けられている。なお、具体的には、水分離膜３４は、孔のない高分子膜や、細孔を備えるセラミックなどにより構成される。配管３３は、燃料容器３１の大気室３６と接続されている。また、冷却容器３２は、水槽３７内に設けられることで冷却されるとともに、減圧ポンプ３８によって減圧可能に構成されている。
減圧ポンプ３８が駆動すると、冷却容器３２、配管３３、及び、燃料容器３１の大気室３６の気圧が低下する。このような状態になると、燃料容器３１においては、燃料室３５に存在する含水燃料に含まれる一部の水分が、水蒸気となって水分離膜３４を透過して、大気室３６に到達する。そして、この水蒸気は水槽３７により水冷されている冷却容器３２にて再び液化される。なお、冷却容器３２にて液化された水は所定のタイミングで燃料電池システム１００外に排出される。また、冷却容器３２に燃料電池システム１００外と連通するドレインが設けられ、このドレインを介して液化された水が適宜燃料電池システム１００外に排出される。制御部１３が減圧ポンプ３８の駆動を制御することにより、水分離膜３４を介して隣接する燃料室３５と大気室３６との圧力の差である膜圧差圧を所望の大きさにすることで、含水燃料から分離される水分量を制御することができる。
次に、図３を用いて、本実施形態の制御部１３によって行われる分離制御処理について説明する。図３には、含水燃料に含まれる水の一部を分離する分離制御処理の一例が示されている。この処理は、燃料電池システム１００が起動してから終了するまで、所定の間隔で繰り返し行われるものとする。
ステップＳ３１（検出ステップ）において、燃料タンク２内に設けられた検出部２Ａが、燃料タンク２内に蓄えられた含水燃料の水分割合を取得する。
そして、ステップＳ３２（分離ステップ）においては、制御部１３は、検出部２Ａにより取得された水分割合に応じて分離器３を制御する。このようにすることで、分離器３から燃料ポンプ４によって送り出される含水燃料は、所望の水分割合となる。
図４には、図３のＳ３２の処理に用いるグラフが示されている。このグラフは、制御部１３にて記憶されている。このグラフでは、検出部２Ａにより取得される水分割合に応じた、分離器３において分離する水の分離量が示されている。横軸は、含水燃料の水分割合が示されており、縦軸は、分離器３における水の分離量が示されている。また、燃料電池スタック１の発電が適切に行われるような含水燃料の水分割合が、規定水分割合として示されている。
含水燃料の水分割合が規定水分割合を下回る場合には、分離器３による水の分離制御処理は行われない。一方、水分割合が規定水分割合を上回る場合には、分離器３による水の分離制御処理が行われる。具体的には、水分割合が大きくなるほど、分離量が大きくなるように分離器３が制御される。このようにすることで、分離器３から燃料供給系統に供給される含水燃料の水分割合を、規定水分割合と概ね等しくすることができる。
なお、分離器３が図２に示されたような水分離膜３４を備える構成である場合には、膜間差圧に応じて、分離器３において分離される水の分離量が決まる。従って、制御部１３は、分離器３における水の分離量が所望の値となるように、分離器３の減圧ポンプ３８の制御量（駆動電力）を決定して、膜間差圧を制御する。制御部１３は、図４のグラフの代わりに、縦軸に膜間差圧が示されたグラフを用いて、減圧ポンプ３８を制御してもよい。
また、変形例として、分離制御処理の他の一例が図５に示されている。
図５に示された分離制御処理は、図３に示された分離制御処理と比較すると、Ｓ３１とＳ３２との間に、Ｓ５１の処理が追加されている点が異なる。
ステップＳ５１においては、燃料タンク２と分離器３との間の経路１０１に設けられた温度センサ１４によって、分離器３に供給される含水燃料の温度が取得される。ここで、分離器３の水の分離能力は、含水燃料の温度に応じて異なることが知られている。例えば、分離器３が図２に示されたような水分離膜３４を備える構成である場合には、同じ膜間差圧であっても、含水燃料の温度に応じて分離量が異なる。具体的には、温度が高くなるほど、同じ膜間圧力であっても分離量が大きくなるので、膜間圧力が小さくても所望の量の水を分離することができる。
そこで、制御部１３は、予め、図６に示すようなグラフを記憶しておく。
図６のグラフにおいては、縦軸には含水燃料の温度が示されており、横軸には含水燃料の水分割合が示されている。さらに、グラフ内には、含水燃料の温度、及び、水分割合に応じた、分離器３における所望の膜間差圧が示されている。
制御部１３は、図６において、温度センサ１４により取得された含水燃料の温度、及び、検出部２Ａにより取得された含水燃料の水分割合に応じて決まる位置に示された膜間差圧となるように、減圧ポンプ３８を駆動する。なお、図６中に温度及び水分割合に応じて決まる位置に対応する膜間差圧が示されていない場合には、制御部１３は、比例配分法などによって膜間差圧を決定する。このようにすることで、制御部１３は、温度センサ１４により取得された含水燃料の温度に応じて、分離器３の操作量を補正することになるので、含水燃料から精度よく所望の量の水を除去することができる。
また、さらなる変形例として、分離制御処理の他の一例が図７に示されている。
図７に示された分離制御処理は、図５に示された分離制御処理と比較すると、ステップＳ５１とＳ３２との間に、ステップＳ７１の処理が追加されている点が異なる。
ステップＳ７１においては、燃料タンク２と分離器３との間の経路１０１に設けられた流量センサ１５によって、分離器３に流入する含水燃料の流量が取得される。ここで、分離器３の分離能力は、流入する含水燃料の流量に応じても異なることが知られている。例えば、同じ膜間差圧であっても、流量に応じて分離量が異なる。具体的には、流量が大きいほど、分離量は小さくなる。
そこで、制御部１３は、予め、分離器３に流入する含水燃料の流量に応じて、図６に示したような、膜間差圧及び分離量と、膜間差圧との関係を示すグラフを複数記憶しておく。具体的には、これらのグラフにおいては、含水燃料の温度と水分割合とが同じである場合には、流量が大きいほど膜間差圧が大きくなる。制御部１３は、流量センサ１５によって取得された含水燃料の流量に応じたグラフを選択すると、選択されたグラフを用いて、含水燃料の温度及び水分割合に応じた膜間差圧を求める。そして、制御部１３は、求めた膜圧差圧となるように減圧ポンプ３８を駆動させる。このようにすることで、制御部１３は、流量センサ１５により取得された含水燃料の流量に応じて、分離器３の操作量を補正することになるので、含水燃料から所望の量の水を精度よく除去することができる。
なお、本実施形態においては、検出部２Ａが燃料タンク２内に設けられたがこれに限らない。検出部２Ａは、アノード供給路における蒸発器５よりも上流であれば、すなわち、経路１０１、１０２、１０３、及び、１０４などに設けられてもよい。また、燃料電池システム１００が蒸発器５を有さず、改質器７において含水燃料から直接アノードガスに改質するような構成である場合には、検出部２Ａは、改質器７よりも上流に設けられればよい。このようにすることで、検出部２Ａが取得した水分割合に応じて、アノードガスに改質される含水燃料の水分割合を調整されることになるので、燃料電池スタック１の発電に用いられるアノードガスを、適切に生成することができる。
第１実施形態の燃料電池システム１００によって、以下の効果を得ることができる。
燃料タンク２内に蓄えられた含水燃料においては、燃料（エタノール）の方が水よりも気化しやすい。そのため、燃料タンク２内に長期間蓄えられた含水燃料は、燃料の割合が低下し、水分割合が上昇している。また、燃料タンク２に蓄えられる含水燃料は、燃料供給路（経路１０１、１０２、１０３、１０４、１０９、１１０、及び、１１１）を経て、アノードガスに改質された後に燃料電池スタック１に供給される。燃料タンク２内に長期間蓄えられた含水燃料を用いる場合には、水分割合が高いため、燃料電池スタック１にアノードガスが適切に供給されず、発電能力が低下するおそれがある。
そこで、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料タンク２内に蓄えられた含水燃料の水分割合を検出する検出部２Ａ、及び、含水燃料に含まれる水を分離する分離器３が設けられている。そして、制御部１３は、検出部２Ａにより検出された水分割合に応じて、分離器３における水の分離量を制御する。このようにすることで、含水燃料に含まれる水分割合が低下するので、蒸発器５における含水燃料の燃料ガスへの気化、及び、改質器７における燃料ガスのアノードガスへの改質が適切に行われることになる。したがって、燃料電池スタック１にはアノードガスが適切に供給されるので、燃料電池スタック１における発電能力の低下を抑制することができる。
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、図２に示されるように、検出部２Ａにより検出される水分割合が規定量（規定水分割合）を上回る場合には、水分割合が大きいほど、より多くの水が分離されるように分離器３を制御する。このようにすることにより、分離器３から供給される含水燃料の水分割合が規定量を上回ることがなくなるので、燃料電池スタック１にはアノードガスが適切に供給され、発電能力の劣化を抑制することができる。また、分離器３は、含水燃料の水分割合が規定量を上回る場合のみ動作し、含水燃料の水分割合が規定量を下回る場合には動作しない。このようにすることで、不要な分離器３による分離制御処理を抑制することができる。
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、分離器３に供給される含水燃料の温度を取得する温度センサ１４が設けられている。ここで、分離器３による水の分離量は、含水燃料の温度に応じて異なることが知られている。そこで、制御部１３は、含水燃料の水分割合に加えて、温度センサ１４により取得された含水燃料の温度に応じても、分離器３を制御する。具体的には、含水燃料の温度が高いほど、分離器３の駆動電力を小さくする。例えば、分離器３が図２に示したような水分離膜３４及び減圧ポンプ３８を備えるような構成である場合には、含水燃料の温度が高いほど、膜間差圧が小さくなるように、減圧ポンプ３８を制御する。このようにすることで、分離器３における水の分離量の精度が高まるので、所望の量の水を分離することができ、燃料電池スタック１における発電能力の低下を抑制することができる。
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、分離器３に供給される含水燃料の供給量を取得する流量センサ１５が設けられている。ここで、分離器３における水の分離量は、含水燃料の流量に応じて異なることが知られている。そこで、制御部１３は、さらに流量センサ１５により取得された含水燃料の流量に応じて、分離器３を制御する。具体的には、含水燃料の流量が大きいほど、分離器３の駆動電力を大きくする。例えば、分離器３が図２に示したような水分離膜３４及び減圧ポンプ３８を備えるような構成である場合には、含水燃料の流量が大きいほど、膜間差圧が大きくなるように、減圧ポンプ３８を制御する。このようにすることで、分離器３における水の分離量の精度がさらに高まるので、所望の量の水を分離することができ、燃料電池スタック１における発電能力の低下を抑制することができる。
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、分離器３においては、水分離膜３４が備えられることにより、燃料室３５と大気室３６とが設けられている。大気室３６が減圧されて、大気室３６の圧力と燃料室３５の圧力との差である膜間差圧が大きくなると、燃料室３５に存在する含水燃料に含まれる一部の水分が、水蒸気となって水分離膜３４を透過して、大気室３６に到達する。従って、制御部１３は、膜間差圧を制御することによって、分離器３の水の分離量を精度よく制御することができる。
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、分離器３の燃料容器３１の大気室３６と配管３３を介して接続された冷却容器３２が設けられており、この冷却容器３２に減圧ポンプ３８が設けられている。そのため、制御部１３は、所望の膜間圧力となるように、減圧ポンプ３８を駆動制御する。このようにして、膜間差圧が制御されるので、分離器３の水の分離量を精度よく制御することができる。
（第２実施形態）
第１実施形態においては、分離器３において分離された水は燃料電池システム１００外に排出されたが、これに限らない。分離器３において分離された水が、再び燃料電池システム１００内にて用いられてもよい。
図８は、第２実施形態の燃料電池システム１００の構成図である。図８に示された燃料電池システム１００は、図１に示された第１実施形態の燃料電池システム１００と比較すると、経路８０１、８０２、及び、回収器１６が設けられている点が異なる。
回収器１６は、タンクとポンプとを備えている。分離器３において分離された水は、経路８０１を介して回収器１６に到着すると、回収器１６内のタンクに蓄えられる。そして、回収器１６のポンプ（回収ポンプ）は、経路８０２を介してタンク内の水を燃料タンク２に供給する。したがって、経路８０１、８０２が分離された水を回収して燃料タンク２に供給する燃料回収路に相当する。
図９は、制御部１３により行われる回収制御処理を示すフローチャートである。
図９に示された回収制御処理は、図３に示された第１実施形態の分離制御処理と比較すると、ステップＳ３２の代わりにステップＳ９１の処理が行われている点が異なる。
ステップＳ９１においては、検出部２Ａにより検出される含水燃料の水分割合に応じて回収器１６のポンプを駆動することにより、経路８０１、８０２を介して分離器３にて分離された水を燃料タンク２に回収する。
図１０には、図９のＳ９１の処理に用いるグラフが示されている。このグラフは、制御部１３にて記憶されている。このグラフでは、検出部２Ａにより取得される水分割合に応じた、回収器１６によって燃料タンク２に回収される水の回収量が示されている。横軸は、含水燃料の水分割合が示されており、縦軸は、燃料タンク２に戻される水の回収量が示されている。また、図４と同様に、規定水分割合が示されている。
含水燃料中の水分割合が規定水分割合を下回る場合には、分離器３により分離された水が燃料タンク２に回収される回収処理が行われる。制御部１３は、水分割合が小さくなるほど、回収量が大きくなるように回収器１６のポンプを制御する。このようにすることで、燃料タンク２内の含水燃料の水分割合を、規定水分割合と概ね等しくすることができる。
図１１には、本実施形態の回収制御処理が、第１実施形態の分離制御処理とあわせて行われた場合のフローチャートを示す図である。図１１に示したフローチャートは、図３に示した第1実施形態のフローチャートと比較すると、ステップＳ１１１の判定処理と、ステップＳ９１の回収処理とが追加されている点が異なる。なお、ステップＳ９１においては、図９に示した回収制御処理における回収処理と同じ処理が行われる。
ステップＳ１１１においては、検出部２Ａにより検出される含水燃料の水分割合が、規定水分割合以上であるか否かを判定する。水分割合が規定水分割合以上である場合には（Ｓ１１１：Ｙｅｓ）、含水燃料に含まれる水を分離する必要があると判断して、ステップＳ３２の処理に進む。一方、水分割合が規定水分割合を下回るである場合には（Ｓ１１１：Ｎｏ）、含水燃料に含まれる水を燃料タンク２に回収する必要があると判断して、ステップＳ９１の回収制御処理に進む。
このようにすることにより、含水燃料の水分割合が規定水分割合よりも高い場合には、分離制御処理が行われ、一方、含水燃料の水分割合が規定水分割合よりも低い場合には、回収制御処理が行われる。そのため、いずれの場合であっても、燃料タンク２内に蓄えられる含水燃料の水分割合を規定水分割合と概ね等しくすることができる。
第２実施形態の燃料電池システム１００によって、以下の効果を得ることができる。
含水燃料の水分割合が規定水分割合を下回る場合には、燃料の割合が高い含水燃料が燃料電池システム１００の駆動に用いられることになる。そのような場合には、燃料電池スタック１に所定の量を上回るアノードガスが供給されてしまい、発電能力を適切に制御できなくなるおそれがある。
そこで、分離器３において分離された水が燃料タンク２に回収されることにより、燃料タンク２内の含水燃料の水分割合を上昇させることができる。したがって、燃料電池システム１００の駆動に用いられる含水燃料の水分割合は、規定水分割合を下回らなくなる。そのため、燃料電池スタック１における発電能力をより適切に抑制することができる。
さらに、図１１に示したように、第１実施形態の分離制御処理と、本実施形態の回収制御処理とを組み合わせることができる。このようにすることで、含水燃料の水分割合が規定水分割合を上回る場合には、分離制御処理が行われて、含水燃料の水分割合が低下して概ね規定水分割合となる。一方、含水燃料の水分割合が規定水分割合を下回る場合には、回収制御処理が行われて、含水燃料の水分割合が上昇して概ね規定水分割合となる。このようにすることで、燃料電池システム１００の駆動に用いられる含水燃料の水分割合は、規定水分割合と概ね等しくなるため、燃料電池スタック１において適切に発電が行われることになる。
（第３実施形態）
第１実施形態においては、分離器３にて一部の水が分離された含水燃料は燃料ポンプ４を介して燃焼器１０、触媒燃焼器１１、及び、排気燃焼器１２に供給されたが、これに限らない。第３実施形態においては、分離器３を経た含水燃料の一部がタンクに蓄えられる例について説明する。
図１２は、第３実施形態の燃料電池システム１００の構成図である。図１２に示された燃料電池システム１００は、図１に示された第１実施形態の燃料電池システム１００と比較すると、経路１２０１、１２０２、１２０３、起動燃料タンク１７、及び、起動ポンプ１８が追加されている点が異なる。なお、起動燃料タンク１７には、起動燃料タンク１７内の燃料の残量を取得する残量センサ１７Ａが設けられている。経路１２０１、１２０２、及び、１２０３は、起動用の燃料が流れる起動燃料路となる。また、燃焼器１０は、起動燃焼器と称されることがある。
分離器３において一部の水が分離された含水燃料は、燃料ポンプ４から経路１２０１を経由して起動燃料タンク１７に蓄えられる。そして、起動燃料タンク１７に蓄えられた含水燃料は、経路１２０２を介して起動ポンプ１８に到達すると、経路１２０３を介して燃焼器１０に供給される。
燃料電池システム１００における制御処理が、図１３に示されている。
まず、ステップＳ１３１においては、制御部１３は、燃料電池システム１００が冷機始動状態であるか否かを判定する。冷機始動とは、冬などにおいて、燃料電池システム１００が低温状態において起動されることを示す。冷機始動状態である場合には、燃焼器１０においては通常よりも水分割合が低い含水燃料が用いられることが好ましい。これは、冷機始動時には、燃焼器１０における着火がおこりにくいためである。
そこで、ステップＳ１３１においては、制御部１３は、燃料電池スタック１の温度が所定の冷機判定温度以下であるかを判定することにより、冷機始動状態であるか否かを判定する。
燃料電池スタック１の温度が冷機判定温度以下である場合には、制御部１３は、冷機始動状態であると判定し（Ｓ１３１：Ｙｅｓ）、燃焼器１０における着火を行われやすくする必要があると判断して、ステップＳ１３２に進む。
ステップＳ１３２においては、制御部１３は、水分割合によらず一定量の水を分離させるように、分離器３を制御する。例えば、分離器３は、最大分離能力で駆動される。このようにすることで、燃料ポンプ４を介して起動燃料タンク１７には水分割合が低い含水燃料が蓄えられる。そのため、冷機始動時においては、起動燃料タンク１７から起動ポンプ１８を介して水分割合の低い含水燃料が供給されるので、燃焼器１０の着火が行われやすくなる。
一方、燃料電池スタック１の温度が冷機判定温度を上回る場合には、制御部１３は、冷機始動状態でないと判定し（Ｓ１３１：Ｎｏ）、燃焼器１０の着火を行われやすくする必要はないと判断して、Ｓ１３３へと進む。
ステップＳ１３３においては、制御部１３は、燃料電池システム１００が停止制御処理中であるか否かを判定する。なお、燃料電池システム１００の停止制御は、車両のスタートボタンの再押下や、燃料電池スタック１において発電された電力が蓄えられるバッテリーが満充電となった状態から開始される。そして、燃料電池システム１００の冷却が完了して、燃料電池システム１００の各種構成の制御が完了するタイミングで終了する。また、燃料電池システム１００の停止制御処理であるシステム停止制御は、システム停止中に実行される制御であり、システム停止中とはシステム停止制御の開始から次回のシステム起動時までの期間を意味する。
ここで、燃料電池システム１００の停止制御処理が完了した時には、起動燃料タンク１７内に通常よりも水分割合が低い含水燃料を蓄えておくのが好ましい。このようにすることで、燃料電池システム１００が再始動されるまでの間に、起動燃料タンク１７内の含水燃料において、燃料が水よりも多く気化したとしても、水分割合が規定水分割合よりも低くなりにくくなる。そのため、燃料電池システム１００の再始動時には、起動燃料タンク１７から起動ポンプ１８を介して水分割合の低い含水燃料が供給されるので、燃焼器１０における着火が行われやすくなる。
そこで、制御部１３が、燃料電池システム１００が停止中であると判定する場合には（Ｓ１３３：Ｙｅｓ）、起動燃料タンク１７内に水分割合の比較的低い含水燃料を蓄える必要があると判断して、ステップＳ１３４に進む。
ステップＳ１３４においては、残量センサ１７Ａにより取得された起動燃料タンク１７内の含水燃料の残量が、所定の基準量を上回るが否かを判定する。ここで、所定の基準量とは、燃料電池システム１００の起動処理が行われている間に、燃焼器１０に供給される含水燃料量よりも大きいものとする。
起動燃料タンク１７内の含水燃料の残量が、所定の基準量以下である場合には（Ｓ１３４：Ｎｏ）、起動燃料タンク１７に水分割合の低い含水燃料をさらに蓄える必要があると判断して、Ｓ１３２に進む。
一方、起動燃料タンク１７内の含水燃料の残量が、所定の基準量を上回るである場合には（Ｓ１３４：Ｎｏ）、起動燃料タンク１７に水分割合の低い含水燃料をさらに蓄える必要がないと判断して、Ｓ１３５に進む。
ステップ１３５においては、分離器３、及び、燃料ポンプ４を停止する。このようにすることで、燃料電池システム１００が完全に停止する。
なお、燃料電池システム１００が停止中でない場合には（Ｓ１３３：Ｎｏ）、第１実施形態と同様に、Ｓ３１、Ｓ３２の処理が行われる。
なお、燃焼器１０は、燃料電池システム１００の起動時に主に用いられる。そのため、分離器３と起動燃料タンクとの間に弁などを設けて、システム起動時以外には弁を閉じてもよい。このようにすることで、燃料電池システム１００が通常運転をしている間に生成される水分割合が規定水分割合であるような含水燃料が、起動燃料タンク１７に蓄えられるのを防ぐことができる。したがって、起動燃料タンク１７に蓄えられる含水燃料の水分割合をより低くすることができる。
第３実施形態の燃料電池システム１００によって、以下の効果を得ることができる。
第３実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池システム１００の起動時には、分離器３を所定の駆動力（例えば、最大分離能力）で駆動させることにより、水分割合が規定水分割合を下回るような含水燃料を生成する。このようにすることにより、燃料電池システム１００の起動時には、燃焼器１０に水分割合の低い含水燃料が供給されることになる。そのため、燃料電池システム１００を冷機始動する場合であっても、燃焼器１０を適切に駆動することができる。したがって、燃料電池スタック１の加熱までの時間が短縮することができるので、燃料電池スタック１の発電開始までの時間を短縮することができる。
第３実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池システム１００が停止中には、分離器３を、所定の駆動力で駆動させることにより、水分割合が規定水分割合を下回るような含水燃料を生成し、その含水燃料を起動燃料タンク１７に貯めておく。このような動作は、起動燃料タンク１７において所定量の含水燃料が貯められるまで行われる。このようにすることで、燃料電池システム１００が完全に停止される時には、起動燃料タンク１７には、水分割合が規定水分割合を下回る含水燃料が所定量貯められることになる。そのため、燃料電池システム１００を再び起動するまでの間、起動燃料タンク１７内において燃料が気化したとしても、起動燃料タンク１７内の含水燃料の水分割合が規定水分割合を大きく上回ることにはならない。したがって、燃料電池システム１００を再起動する時には、燃焼器１０には水分割合が概ね規定水分割合である含水燃料が供給されることにより、燃焼器１０が適切に駆動され、燃料電池スタック１の発電能力の低下を抑制することができる。
（第４実施形態）
第１実施形態においては、分離器３が燃料ポンプ４と蒸発器５との間に設けられたがこれに限らない。分離器３は、蒸発器５と隣接するように設けられてもよい。
図１４は、第４実施形態の燃料電池システム１００の構成図である。図１４に示された燃料電池システム１００は、図１に示された第１実施形態の燃料電池システム１００と比較すると、分離器３が、蒸発器５と隣接して設けられている点が異なる。
図１５には、分離器３及び蒸発器５の詳細な構成の一例が示されている。
蒸発器５は、含水燃料が流れる流路として構成されており、排気燃焼器１２からの排気の熱によって含水燃料５１が加温されて蒸発する。また、蒸発器５の流路の下流端には分離器３が設けられている。分離器３は、蒸発器５の流路にある含水燃料５１を燃料電池システム１００外へと排出するドレイン３９と、ドレイン３９を開閉可能な弁４０とにより構成されている。
ここで、蒸発器５においても、含水燃料５１は燃料の方が水よりも気化しやすい。そのため、蒸発器５においては、上流において燃料が水よりも多く気化されるので、下流における含水燃料の水分割合が高くなる。そこで、蒸発器５の下流に設けられたドレイン３９を設けることで、水分割合が高い含水燃料を燃料電池システム１００外へと排出することができる。
このようにすることで、蒸発器５においては含水燃料の気化速度が適切に制御されることになるので、改質器７には適切な量の燃料ガスが供給される。そして、改質器７において十分にアノードガスが生成され、燃料電池スタック１における発電能力の低下が抑制される。なお、制御部１３は、検出部２Ａにより検出された燃料タンク２内の含水燃料の水分割合に応じて、弁４０を操作する。
具体的には、燃料タンク２内の含水燃料の水分割合が高い場合には、弁４０の開弁量を大きくする。このようにすることで、蒸発器５の上流にて含水燃料が留まる時間が長くなるので、より多くの燃料を気化することができるので燃料ガスの発生量を増加させることができる。一方、燃料タンク２内の含水燃料の水分割合が低い場合には、弁４０の開弁量を小さくする。このようにすることで、蒸発器５の上流にて含水燃料が留まる時間が短くなるので、気化して生成される燃料ガスの量を少なくすることができるので燃料ガスの発生量を低下させることができる。このようにして、蒸発器５において発生する燃料ガスの量が制御される。
第４実施形態の燃料電池システム１００によって、以下の効果を得ることができる。
第４実施形態の燃料電池システム１００においては、分離器３は、蒸発器５と隣接して設けられている。このようにすることにより、第１実施形態のように燃料ポンプ４と燃料タンク２との間に分離器３が設けられている場合と比較すると、燃料供給系統のより下流側にて水分割合が調整されることにより、より適切に燃料電池スタック１へのアノードガスの供給量を調整できることになる。さらに、第１実施形態のように水分離膜３４や減圧ポンプ３８などの構成が不要になるので、構成を簡略化できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
本国際出願は，２０１５年１２月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５−２４３９８１に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (16)

  1. アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、
    水を含有する含水燃料を蓄える燃料タンクと、
    前記燃料電池と前記燃料タンクとを接続する燃料供給路と、
    前記燃料供給路上に設けられ、前記含水燃料を前記アノードガスに改質する改質器と、
    前記燃料供給路上における前記改質器よりも上流側に設けられ、前記含水燃料に含まれる水を分離する分離器と、
    前記改質器よりも上流側に設けられ、前記含水燃料に含まれる水分割合を検出又は推定する検出部と、
    前記分離器を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部は、前記検出部により検出又は推定される水分割合に基づいて、前記分離器を制御する、
    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、
    前記制御部は、前記水分割合が大きくなるほど前記含水燃料から分離される水の分離量が大きくなるように、前記分離器を制御する、
    燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記分離器は、操作量が大きくなるほど、前記含水燃料から多くの水を分離する、
    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、
    前記分離器に供給される前記含水燃料の温度を取得する温度センサを有し、
    前記制御部は、前記温度センサにより取得される前記含水燃料の温度が高くなるほど、前記分離器の操作量を小さく補正する、
    燃料電池システム。
  5. 請求項３又は４に記載の燃料電池システムであって、
    前記分離器に供給される前記含水燃料の流量を取得する流量センサを有し、
    前記制御部は、前記流量センサにより取得される前記含水燃料の流量が多くなるほど、前記分離器の操作量を大きく補正する、
    燃料電池システム。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記分離器は、前記含水燃料から分離した水を前記燃料電池システムの外に排出する、
    燃料電池システム。
  7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記分離器により前記含水燃料から分離される水を前記燃料タンクに戻す燃料回収路と、
    前記燃料回収路上に設けられる回収ポンプと、をさらに有し、
    前記制御部は、前記水分割合に基づいて、前記回収ポンプを制御する、
    燃料電池システム。
  8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記水分割合が小さくなるほど、前記燃料タンクに戻される水の回収量が大きくなるように、前記回収ポンプを制御する、
    燃料電池システム。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池に供給されるカソードガスを加熱する起動燃焼器と、
    前記分離器により水が分離された後の前記含水燃料を蓄える起動燃料タンクと、
    前記起動燃料タンクと、前記起動燃焼器とを接続する起動燃料路と、をさらに有する、
    燃料電池システム。
  10. 請求項８に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記含水燃料の水分割合が規定量を下回るように、前記分離器を制御する、
    燃料電池システム。
  11. 請求項９又は１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記起動燃料タンク内の前記含水燃料の残量を取得する残量センサを、さらに有し、
    前記制御部は、前記燃料電池システムの停止時に、前記残量センサにより取得される前記起動燃料タンク内の前記含水燃料の残量が、前記燃料電池システムの起動時に前記起動燃焼器により消費される燃料量を下回る場合には、前記含水燃料の水分割合が規定量を下回るように、前記分離器を制御する、
    燃料電池システム。
  12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記分離器は、
    前記含水燃料が流れる燃料室と大気が存在する大気室とを隔てる分離膜を、有し、
    前記制御部は、前記分離膜により隔てられた前記燃料室と前記大気室との圧力の差である膜間差圧を制御する、
    燃料電池システム。
  13. 請求項１２に記載の燃料電池システムであって、
    前記分離器は、
    前記大気室を減圧する減圧ポンプを、さらに有し、
    前記制御部は、前記減圧ポンプを制御する、
    燃料電池システム。
  14. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料供給路上における前記改質器よりも上流側に設けられ、前記含水燃料を蒸発させる蒸発器を、さらに有し、
    前記分離器は、前記蒸発器に設けられる、
    燃料電池システム。
  15. 水を含有する含水燃料から改質されるアノードガスと、カソードガスとの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記含水燃料の水分割合を検出又は推定する検出ステップと、
    前記検出ステップにおいて検出又は推定される水分割合に応じて、前記含水燃料から水を分離する分離ステップと、を有する、
    燃料電池システムの制御方法。
  16. 請求項１５に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記分離ステップにおいて、前記水分割合が大きくなるほど、前記含水燃料から分離する水の分離量を大きくする、
    燃料電池システムの制御方法。
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