燃料電池システム及びその制御方法
【課題】燃料電池の排ガス中の水蒸気を効率的に回収可能な水自立運転型の燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池１０と、排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンク１４と、燃料電池１０の発電時の温度を検知する温度センサ２０と、水タンク１４の水位を検知する水位センサ２２と、排ガスに含まれる酸素等の濃度を検知する濃度センサ２１と、制御手段であるコントローラ１８とを備えて構成される。コントローラ１８は、水位センサ２２の検知水位が所定の水位よりも低い場合に、温度センサ２０の検知温度と濃度センサ２１の検知濃度に応じて、燃料電池１０への空気供給量及び燃料供給量を増減制御する。この場合、検知温度が所定の温度よりも高いときは空気供給量を減少方向に制御する一方、検知温度が所定の温度よりも低いときは燃料供給量を増加方向に制御する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池１０と、排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンク１４と、燃料電池１０の発電時の温度を検知する温度センサ２０と、水タンク１４の水位を検知する水位センサ２２と、排ガスに含まれる酸素等の濃度を検知する濃度センサ２１と、制御手段であるコントローラ１８とを備えて構成される。コントローラ１８は、水位センサ２２の検知水位が所定の水位よりも低い場合に、温度センサ２０の検知温度と濃度センサ２１の検知濃度に応じて、燃料電池１０への空気供給量及び燃料供給量を増減制御する。この場合、検知温度が所定の温度よりも高いときは空気供給量を減少方向に制御する一方、検知温度が所定の温度よりも低いときは燃料供給量を増加方向に制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池を具備する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の運転時に排出される排ガスに含まれる水蒸気から回収された凝水を水タンクに蓄えた後、水タンクに蓄えられた水を燃料電池に再利用するように構成された水自立運転型の燃料電池システムが知られている。例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料電池の排ガス及び改質器の排ガスに含まれる水蒸気を凝縮器で冷却して水タンクに溜め、水タンクの水位に応じて燃料電池への空気供給量の制御を行っている。この場合、水タンクの水位が設定水位より低いときは空気供給量を減らして空気利用率を大きくし、水タンクの水位が設定水位より高いときは空気供給量を増やして空気利用率を小さくするように制御することで、水自立運転の安定向上とメンテナンスコストの低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３４８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の水自立運転型の燃料電池システムにおいては、水不足が生じたときの水回収時間をできるだけ短縮することが望ましい。しかしながら、特許文献１の技術によれば、水タンクの水位が設定水位より低いときの空気供給量を減らし過ぎると、燃料電池の負荷変動や燃料の揺らぎによって瞬間的に一酸化炭素が発生する可能性がある。よって、一酸化炭素の発生を防止するため、空気供給量の減少量は余裕を持たせた範囲で制御する必要がある。そのため、燃料電池から凝縮器に送られる排ガスの流量が十分に減少せず、排ガスに含まれる水蒸気量が多いままであり、凝縮水として回収可能な水量が制約されることになる。これにより、燃料電池システムにおいて水不足時の水回収時間を十分に短縮できずに水自立運転の不安定化を招くとともに、環境によっては外部からの水道水などの補給水を水タンクに導入せざるを得ない状況となり、イオン交換樹脂の交換などに伴うメンテナンスコストの増大を招くことになる。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、燃料電池の排ガス中の水蒸気を効率的に回収し、一酸化炭素を発生させることなく安全かつ短時間に水不足を解消可能な水自立運転型の燃料電池システムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池と、前記燃料電池の排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンクと、前記水タンクの水位を検知する水位センサと、前記燃料電池の発電時の温度を検知する温度センサとを備えた燃料電池システムに適用されるものである。そして、本発明の燃料電池システムは、前記排ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素のいずれかの濃度を検知する濃度センサと、前記水位センサの検知水位と、前記温度センサの検知温度と、前記濃度センサの検知濃度とに基づいて、少なくとも、前記燃料電池への空気供給量及び前記燃料電池への燃料供給量を増減制御する制御手段とを備えて構成し、前記制御手段は、前記水位センサの検知水位が所定の水位よりも低い場合、前記温度センサの検知温度が所定の温度よりも高いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第１の制御量により前記空気供給量を減少方向に制御し、前記温度センサの検知温度が前記所定の温度よりも低いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第２の制御量により前記燃料供給量を増加方向に制御することを特徴としている。
【０００７】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおいて燃料電池からの排ガス中の水蒸気が凝縮水となって水タンクに回収される際、水タンクの水位が所定水位より低くなると制御手段により水回収制御が実行され、燃料電池の温度が高いときは空気供給量が減少方向に制御される一方、燃料電池の温度が低いときは燃料供給量が増加方向に制御される。この場合、空気供給量の減少制御と燃料供給量の増加制御はともに水タンクへの回収水を増加させるように作用するので、燃料電池の動作状態によらず効率的な水回収制御を行うことで、水回収時間の短縮を実現できる。また、燃料電池の反応生成物質（酸素、一酸化炭素、二酸化炭素）の濃度を反映して、空気供給量及び燃料供給量の増減制御の制御量が定められるので、不完全燃焼により一酸化炭素が発生する恐れがあるときは制御量の抑制などの対応が可能であり、安全な範囲で燃料電池を動作させることができる。
【０００８】
前記制御手段に対しては多様な制御を付加することができる。例えば、前記温度センサの検知温度が所定の上限温度よりも高い場合は、前記燃料電池の出力電力を減少させるように制御してもよい。また例えば、前記水位センサの検知水位が所定の上限水位よりも高い場合は、前記空気供給量及び前記燃料供給量の増減制御を停止するように制御してもよい。このように、燃料電池システムの水回収制御を実行する際、燃料電池の動作状態のさらなる安定化が可能となる。
【０００９】
前記濃度センサとしては、例えば、前記排ガスに含まれる酸素の濃度を検知する酸素濃度センサを用いることができる。この場合、前記制御手段により、前記空気供給量及び前記燃料供給量の増減制御を所定の間隔で定期的に実行し、毎回の前記増減制御を実行する前に前記酸素濃度センサを起動し、毎回の前記増減制御が完了した後に前記酸素濃度センサを停止するように制御してもよい。
【００１０】
前記制御手段により、前記水位センサの検知水位が所定の下限水位より低い場合、外部からの補給水を前記水タンクに導入するように制御してもよい。かかる構成を本発明と組み合わせて適用すれば、水タンクへの補給水の導入頻度を少なくする効果がある。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、湯水を蓄える貯湯タンクと、前記燃料電池の排ガスと、循環路を循環する前記湯水との間の熱交換を行う熱交換器とをさらに備えて構成し、前記熱交換器で得られた前記凝縮水が前記水タンクに蓄えられるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記課題を解決するために本発明は、酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池と、前記燃料電池の排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンクと、前記水タンクの水位を検知する水位センサと、前記燃料電池の発電時の温度を検知する温度センサと、前記排ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素のいずれかの濃度を検知する濃度センサと、前記燃料電池への空気供給量及び前記燃料電池への燃料供給量を増減制御する制御手段とを備えた燃料電池システムの制御方法に適用されるものである。そして、本発明の制御方法では、前記水位センサの検知水位が所定の水位よりも低い場合、前記空気供給量及び燃料供給量の増減制御の実行を開始し、前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が所定の温度よりも高いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第１の制御量により前記空気供給量を減少方向に制御し、前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が前記所定の温度よりも低いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第２の制御量により前記燃料供給量を増加方向に制御し、前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が所定の上限温度よりも高い場合、前記燃料電池の出力電力を減少させ、前記水位センサの検知水位が所定の上限水位よりも高い場合、前記増減制御を停止することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
以上述べたように本発明によれば、水自立運転型の燃料電池システムにおいて、燃料電池の排ガスに含まれる水蒸気から凝縮水を水タンクに回収する際、燃料電池の状態に応じて空気供給量及び燃料供給量の増減制御を選択的に行うようにしたので、排ガスからの水回収の効率を向上し、水回収時間を短縮することができる。また、燃料電池の反応生成物質の濃度に応じて空気供給量及び燃料供給量のそれぞれの制御量を適切に制御するので、一酸化炭素の発生を抑制して安全な範囲で水回収を行うことができる。さらに、水タンクの水不足が速やかに解消されるので、外部からの補給水の導入頻度を少なくして燃料電池システムにおけるメンテナンスコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本実施形態の燃料電池システムにおける水回収制御の制御フローを示す図である。
【図３】図２のステップＳ１８の詳細な処理を示す図である。
【図４】本実施形態の燃料電池システムにおける水回収時間の短縮の効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。
【００１６】
図１は、本実施形態の燃料電池システム１の構成例を示している。図１においては、燃料電池システム１を構成する要部として、燃料電池１０、熱交換器１１、排ガス循環路１２、湯水循環路１３、水タンク１４、イオン交換樹脂１５、貯湯タンク１６、ラジエータ１７、コントローラ１８を示すとともに、センサ群である温度センサ２０、酸素濃度センサ２１、水位センサ２２と、ポンプ群である空気ポンプ３０、燃料ポンプ３１、水ポンプ３２、循環ポンプ３３とをそれぞれ示している。なお、実際の燃料電池システム１には、他にも多くの構成要素が含まれるが、図１では省略している。
【００１７】
燃料電池１０は、燃料ガス中の水素と空気中の酸素の電気化学反応を利用して、燃料極であるアノード（正極）と空気極であるカソード（負極）との間に電力を発生する。燃料電池１０としては多様な方式を採用可能であるが、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いることができる。あるいは、その他コジェネレーションシステムに導入可能な多様な燃料電池を用いることができる。
【００１８】
燃料電池１０の近傍には、空気を供給する空気ポンプ（空気ブロワ）３０と、燃料ガスを供給する燃料ポンプ３１と、水タンク１４から送られる水を供給する水ポンプ３２が設けられている。これらの空気ポンプ３０、燃料ポンプ３１、水ポンプ３２のそれぞれの供給量は、コントローラ１８によって制御される。燃料ポンプ３１を介して供給される燃料ガスは、燃料電池１０に付随する脱硫器（不図示）で脱硫された後、改質器（不図示）において水ポンプ３２を介して供給される水蒸気により水蒸気改質され、水素リッチな改質ガスが燃料電池１０の燃料極に供給される。そして、改質ガスの水素は、空気ポンプ３０から空気極に供給される酸素と反応して発電するとともに、反応生成物として水を発生する。燃料電池１０の発電動作により得られた直流電力は、インバータ（不図示）により交流電力に変換され、外部の負荷に供給される。また、燃料電池１０は上述の発電動作に伴い発熱するが、その温度を測定するための温度センサ２０が設けられている。この温度センサ２０の検知温度はコントローラ１８に送られる。
【００１９】
燃料電池１０からの排ガスは排ガス循環路１２を通って熱交換器１１に送られる。熱交換器１１では、燃料電池１０の排ガスの排熱と湯水循環路１３を流れる湯水との間で熱交換が行われ、排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮水として回収される。熱交換器１１で回収された凝縮水は水タンク１４に送られて貯えられる。一方、熱交換器１１の排ガスの出口側には、排ガスに含まれる酸素の濃度を検知する酸素濃度センサ２１が設けられている。この酸素濃度センサ２１の検知濃度はコントローラ１８に送られるとともに、後述するように酸素濃度センサ２１の起動及び停止がコントローラ１８によって制御される。
【００２０】
例えば、酸素濃度センサ２１としては、ジルコニアを用いた円筒の内外面に電極を取り付け、内外電極間に発生する酸素濃度に応じた起電力を計測可能なセンサを用いることができる。また、酸素濃度センサ２１は、燃料電池１０により発生する一酸化炭素の濃度を間接的に検知することが目的であるため、酸素濃度センサ２１に代えて、一酸化炭素の濃度を検知する一酸化炭素センサや二酸化炭素の濃度を検知する二酸化炭素センサなどの濃度センサを用いてもよい。
【００２１】
湯水循環路１３の一端と他端はそれぞれ貯湯タンク１６に連通している。燃料電池１０の排熱により加熱された湯水は、湯水循環路１３の一端を介して貯湯タンク１６に貯えられる。貯湯タンク１６に貯えられた湯水は、湯水循環路１３の他端を介して循環ポンプ３３に送られ、循環ポンプ３３を介して再び熱交換器１１に還流する。また、貯湯タンク１６からの湯水の温度が上昇し過ぎたときに冷却するためのラジエータ１７が湯水循環路１３に併設されている。
【００２２】
一方、熱交換器１１で回収されて水タンク１４に貯えられた水は、配管を通ってイオン交換樹脂１５を通過した後、水ポンプ３２に送られる。イオン交換樹脂１５は、水タンク１４から供給される水に含まれる不要なイオン成分を除去する役割がある。また、水タンク１４に貯えられる水が不足しているときの補給水として、電磁弁（不図示）を介して外部から水道水を水タンク１４に導入する構造になっている。よって、イオン交換樹脂１５により、水道水に含まれるイオン成分を除去することができる。
【００２３】
水タンク１４には、その水位を検知する水位センサ２２が設けられている。この水位センサ２２の検知水位はコントローラ１８に送られる。図１においては、水位センサ２２の検知水位のうち、３通りの水位Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を示している。水位Ｌ１は水タンク１４の下限水位であって、水位Ｌ１より水位が下がると水道水が導入される。水位Ｌ２は、燃料電池１０の発電動作時に水回収制御の実行の可否を判断するための所定の水位である。水位Ｌ３は水タンク１４の上限水位であって、設定水位Ｌ３より水位が上がると上述の増減制御が停止される。これらの設定水位Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３について詳しくは後述する。
【００２４】
なお、水位センサ２２は、水タンク１４の水位を直接検知するセンサに限らず、水タンク１４の貯水量やその重量も水位と等価であることから、水量センサや重量センサに置き換えてもよい。
【００２５】
コントローラ１８は、燃料電池システム１全体の動作を制御する制御手段として機能し、上述のセンサ群からの検知信号に基づいて燃料電池１０の上述の空気供給量及び燃料供給量の増減制御を行う。コントローラ１８は、例えば、本実施形態の制御を実現するプログラムを実行可能なマイクロプロセッサや各種メモリから構成される。
【００２６】
次に、本実施形態の燃料電池システム１における水タンク１４への水回収制御について、図２及び図３を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池１０の発電動作中に、コントローラ１８が所定の間隔で図２及び図３の処理を繰り返し実行する。まず、図２の制御フローに示すように、水位センサ２２の検知水位が下限水位である水位Ｌ１以上であるか否かが判定される（ステップＳ１０）。その結果、検知水位が水位Ｌ１に達していないときは（ステップＳ１０：ＮＯ）、水タンク１４の水不足を解消するために、上述の水道水を水タンク１４に導入する制御が行われる（ステップＳ１１）。この場合は、図２の水回収制御を実行することなく、そのまま燃料電池１０の発電動作が継続される（ステップＳ１２）。
【００２７】
一方、ステップＳ１０の判定の結果、検知水位が水位Ｌ１以上であるときは（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、水回収制御の実行状態を示す水回収フラグの状態が判断される（ステップＳ１３）。この水回収フラグは、コントローラ１８の内部フラグであり、水回収制御を実行する場合はオンにセットされ、水回収制御を実行しない場合はオフにセットされる。ステップＳ１３の判断の結果、水回収フラグがオフにセットされているときは（ステップＳ１３：ＯＦＦ）、この時点で水回収制御が非実行であるため、その実行に先立って、水位センサ２２の検知水位が水位Ｌ２以上であるか否かが判定される（ステップＳ１４）。そして、検知水位が水位Ｌ２に達していないときは（ステップＳ１４：ＮＯ）、水回収制御により水タンク１４の水位を上昇させるべく、水回収フラグがオンにセットされ（ステップＳ１５）、その後に燃料電池１０の発電動作が継続される（ステップＳ１２）。一方、検知水位が水位Ｌ２以上であるときは（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、水回収制御は不要であるため燃料電池１０の通常運転が行われる（ステップＳ１６）。
【００２８】
これに対し、ステップＳ１３の判断の結果、水回収フラグがオンにセットされているときは（ステップＳ１３：ＯＮ）、この時点で水回収制御が実行中であり、最初に酸素濃度センサ２１を起動する（ステップＳ１７）。すなわち、酸素濃度センサ２１は他のセンサよりも消費電力が大きいため、水回収制御を実行する度に酸素濃度センサ２１の起動と停止を行うことで、消費電力の低減を図るものである。続いて、燃料電池１０への空気供給量及び燃料供給量のそれぞれの制御量の増減制御を開始する（ステップＳ１８）。
【００２９】
ここで、図３には、ステップＳ１８の詳細な処理を示している。まず、温度センサ２０の検知温度が所定の温度Ｔｓ以上であるか否かが判定される（ステップＳ３０）。その結果、検知温度が所定の温度Ｔｓに満たないときは（ステップＳ３０：ＮＯ）、ステップＳ３１に移行して燃料供給量に対する制御が行われ、検知温度が所定の温度Ｔｓ以上であるときは（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、ステップＳ３５に移行して空気供給量に対する制御が行われる。ステップＳ３０の分岐は、燃料電池１０の温度が高いときは、燃料電池１０に供給する空気を減少させて排ガスにより持ち去られる水蒸気を抑制するとともに、燃料電池１０の温度が低いときは、燃料電池１０に余裕があるため投入燃料を増やすことで、燃料電池１０の反応で得られる水蒸気を増加させるために必要な処理である。
【００３０】
燃料供給量に対する制御では、ステップＳ３１〜Ｓ３４の処理を通じて、燃料ポンプ３１における燃料流量を定める燃料流量目標値Ｆ（本発明の第２の制御量）が決定される。まず、燃料流量目標値Ｆの増加量を規定する燃料流量加算値Ｆｘが更新される（ステップＳ３１）。すなわち、この時点で燃料流量加算値Ｆｘは前回の処理で確定した値を有するが、ステップＳ３１では燃料流量加算値Ｆｘに対しさらに定数ＣＦを加えて、Ｆｘ＝Ｆｘ＋ＣＦに設定する。次いで、燃料流量目標値Ｆが更新される（ステップＳ３２）。すなわち、燃料流量の標準値として予め設定される燃料流量標準値Ｆｎと上述の燃料流量加算値Ｆｘとを用いて、Ｆ＝Ｆｎ＋Ｆｘに設定する。これにより、燃料流量目標値Ｆを増加方向に制御することができる。
【００３１】
次いで、酸素濃度センサ２１で検知された酸素濃度が０．５％以上であるか否かが判定される（ステップＳ３３）。その結果、酸素濃度が０．５％以上であるときは（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、ステップＳ１９（図２）に移行する。一方、酸素濃度が０．５％に満たないときは（ステップＳ３３：ＮＯ）、燃料流量目標値Ｆから上述の定数ＣＦを差し引いて、Ｆ＝Ｆ−ＣＦとされる（ステップＳ３４）。すなわち、酸素濃度が十分高ければ燃料流量目標値Ｆを増加させても問題ないのに対し、酸素濃度の不足に起因して一酸化炭素が発生する恐れがあるため、燃料電池１０の反応を抑制する必要がある。そのため、ステップＳ３４にて燃料流量目標値Ｆの増加量を安全な範囲に制限するものである。ステップＳ３４の実行後は、ステップＳ１９（図２）に移行する。
【００３２】
次に、空気供給量に対する制御では、ステップＳ３５〜Ｓ３８の処理を通じて、空気ポンプ３０における空気流量を定める空気流量目標値Ａ（本発明の第１の制御量）が決定される。まず、空気流量目標値Ａの減少量を規定する空気流量減算値Ａｘが更新される（ステップＳ３５）。すなわち、この時点で空気流量減算値Ａｘは前回の処理で確定した値を有するが、ステップＳ３５では空気流量減算値Ａｘに対しさらに定数ＣＡを加えて、Ａｘ＝Ａｘ＋ＣＡに設定する。次いで、空気流量目標値Ａが更新される（ステップＳ３６）。すなわち、空気流量の標準値として予め設定される空気流量標準値Ａｎと上述の空気流量減算値Ａｘとを用いて、Ａ＝Ａｎ―Ａｘに設定する。これにより、空気流量目標値Ａを減少方向に制御することができる。
【００３３】
次いで、ステップＳ３３と同様、酸素濃度センサ２１で検知された酸素濃度が０．５％以上であるか否かが判定される（ステップＳ３７）。その結果、酸素濃度が０．５％以上であるときは（ステップＳ３７：ＹＥＳ）、ステップＳ１９（図２）に移行する。一方、酸素濃度が０．５％に満たないときは（ステップＳ３７：ＮＯ）、空気流量目標値Ａに上述の定数ＣＡを加えて、Ａ＝Ａ＋ＣＡに設定する（ステップＳ３８）。すなわち、上述したように酸素濃度の不足に起因する一酸化炭素の発生の対策として燃料電池１０の反応を抑制する必要があることから、ステップＳ３８にて空気流量目標値Ａの減少量を安全な範囲に制限するものである。
【００３４】
次いで、温度センサ２０の検知温度が予め設定された上限温度以上であるか否かが判定される（ステップＳ３９）。その結果、検知温度が上限温度に満たないときは（ステップＳ３９：ＮＯ）、ステップＳ１９（図２）に移行する。一方、検知温度が上限温度以上であるときは（ステップＳ３９：ＹＥＳ）、燃料電池１０の出力電力Ｐを所定の制限量Ｐｓだけ減少させるべく、Ｐ＝Ｐ−Ｐｓに設定する（ステップＳ４０）。ステップＳ４０の処理では、燃料電池１０の出力電力Ｐを減らすことで、燃料電池１０が上限温度を超えて温度上昇することの抑制を図っている。ステップＳ４０の実行後は、ステップＳ１９（図２）に移行する。
【００３５】
なお、ステップＳ３３、Ｓ３７では、酸素濃度の閾値を０．５％とし、燃料供給量及び空気供給量を制限するか否かの判定の基準にしているが、酸素濃度の閾値は０．５％に限られず、より低い閾値に設定してもよい。酸素濃度センサ２１の検知精度が高いときは、より低い閾値を設定することが望ましい。
【００３６】
次に図２に戻って、水位センサ２２の検知水位が上限水位である水位Ｌ３以上であるか否かが判定される（ステップＳ１９）。その結果、検知水位が水位Ｌ３に達していないときは（ステップＳ１９：ＮＯ）、そのまま燃料電池１０の発電動作が継続される（ステップＳ１２）。一方、検知水位が水位Ｌ３以上であるときは（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、セットされた状態にある上記水回収フラグをオフにセットする（ステップＳ２０）。ステップＳ２０では、この時点で水タンク１４に十分な回収水が存在するため、それ以降の水回収制御の実行をいったん停止するものである。その後に水回収制御が再開されるのは、次回にステップＳ１５の処理が実行されたときである。その後、ステップＳ１７で起動した酸素濃度センサ２１を停止する（ステップＳ２１）。
【００３７】
最後に、図２及び図３の水回収制御で用いるパラメータを初期化する。具体的には、燃料流量目標値Ｆ及び燃料流量加算値Ｆｘをそれぞれ次のように設定する。
Ｆ＝Ｆｎ、Ｆｘ＝０
（Ｆｎは燃料流量標準値）
【００３８】
また、空気流量目標値Ａ及び空気流量減算値Ａｘをそれぞれ次のように設定する。
Ａ＝Ａｎ、Ａｘ＝０
（Ａｎは空気流量標準値）
【００３９】
また、燃料電池１０の出力電力Ｐを上限出力値Ｐｍａｘとすべく次のように設定する。
Ｐ＝Ｐｍａｘ
【００４０】
ステップＳ２２の実行後は、燃料電池１０の発電動作が継続される（ステップＳ１２）。それ以降は所定の時間間隔が経過した後に、再びステップＳ１０以降の処理が実行される。なお、この時間間隔は、燃料電池システム１の動作及び使用形態に応じて、数秒など適切な値に設定すればよい。
【００４１】
以上述べたように、本実施形態の燃料電池システム１の水回収制御によれば、水タンク１４の貯水量（水位）と燃料電池１０の動作状態に応じて、燃料供給量及び空気供給量の増減制御を適切に切り替えているので、熱交換器１１を経由した排ガスからの水回収を効率的かつ安全に行うことができる。すなわち、燃料電池１０の温度が低いときは燃料供給量を増加させて燃料電池１０における反応を活発にする一方、燃料電池１０の温度が高いときは空気供給量を減少方向に制御して排ガスが持ち去る水蒸気を抑制するものである。よって、いずれの状況下であっても水タンク１４への回収水は増えることになり、水回収時間を短縮する効果がある。また、空気供給量及び燃料供給量の増減制御時に、排ガスの酸素濃度を監視して制御量を適切に調整しているので、一酸化炭素の発生を有効に防止して安全性を高める効果もある。
【００４２】
ここで、図４を参照して、本実施形態の燃料電池システム１における水回収時間の短縮の効果を説明する。図４では、燃料電池システム１の典型的な使用形態を想定したときの水タンク１４の貯水量の２４時間の変化を算出した結果を示しており、本実施形態の水回収制御(図２及び図３)を実行する場合の特性Ｃ１と、本実施形態の水回収制御を実行しない場合（通常運転）の特性Ｃ２とを比較している。なお、水タンク１４の貯水量は、便宜上、空の状態（０％）からスタートし、最大貯水量の１００％を超える範囲まで示している。図４から明らかなように、上記水回収制御を実行する場合の特性Ｃ１は、上記水回収制御を実行しない場合の特性Ｃ２に比べ、水回収速度がおおよそ１割ほど向上している。このように、本実施形態の水回収制御を採用することにより、上述の燃料供給量の増加制御と空気供給量の減少制御をバランスよく組み合わせることで水回収効率が向上し、水タンク１４の水不足をより短時間で回復することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、水回収時間の短縮に加え、水タンク１４の水不足を速やかに解消できるため、水タンク１４に水道水を導入する頻度を少なくすることができる。従って、イオン交換樹脂１５の寿命を長くしてメンテナンスコストを削減する効果がある。
【００４４】
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、燃料電池システム１に含まれる燃料電池１０とその他の構成部材についての構造や形状については、本発明の作用効果を得られる限り、適宜に変更することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１１…熱交換器
１２…排ガス循環路
１３…湯水循環路
１４…水タンク
１５…イオン交換樹脂
１６…貯湯タンク
１７…ラジエータ
１８…コントローラ
２０…温度センサ
２１…酸素濃度センサ
２２…水位センサ
３０…空気ポンプ
３１…燃料ポンプ
３２…水ポンプ
３３…循環ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池を具備する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の運転時に排出される排ガスに含まれる水蒸気から回収された凝水を水タンクに蓄えた後、水タンクに蓄えられた水を燃料電池に再利用するように構成された水自立運転型の燃料電池システムが知られている。例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料電池の排ガス及び改質器の排ガスに含まれる水蒸気を凝縮器で冷却して水タンクに溜め、水タンクの水位に応じて燃料電池への空気供給量の制御を行っている。この場合、水タンクの水位が設定水位より低いときは空気供給量を減らして空気利用率を大きくし、水タンクの水位が設定水位より高いときは空気供給量を増やして空気利用率を小さくするように制御することで、水自立運転の安定向上とメンテナンスコストの低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３４８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の水自立運転型の燃料電池システムにおいては、水不足が生じたときの水回収時間をできるだけ短縮することが望ましい。しかしながら、特許文献１の技術によれば、水タンクの水位が設定水位より低いときの空気供給量を減らし過ぎると、燃料電池の負荷変動や燃料の揺らぎによって瞬間的に一酸化炭素が発生する可能性がある。よって、一酸化炭素の発生を防止するため、空気供給量の減少量は余裕を持たせた範囲で制御する必要がある。そのため、燃料電池から凝縮器に送られる排ガスの流量が十分に減少せず、排ガスに含まれる水蒸気量が多いままであり、凝縮水として回収可能な水量が制約されることになる。これにより、燃料電池システムにおいて水不足時の水回収時間を十分に短縮できずに水自立運転の不安定化を招くとともに、環境によっては外部からの水道水などの補給水を水タンクに導入せざるを得ない状況となり、イオン交換樹脂の交換などに伴うメンテナンスコストの増大を招くことになる。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、燃料電池の排ガス中の水蒸気を効率的に回収し、一酸化炭素を発生させることなく安全かつ短時間に水不足を解消可能な水自立運転型の燃料電池システムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池と、前記燃料電池の排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンクと、前記水タンクの水位を検知する水位センサと、前記燃料電池の発電時の温度を検知する温度センサとを備えた燃料電池システムに適用されるものである。そして、本発明の燃料電池システムは、前記排ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素のいずれかの濃度を検知する濃度センサと、前記水位センサの検知水位と、前記温度センサの検知温度と、前記濃度センサの検知濃度とに基づいて、少なくとも、前記燃料電池への空気供給量及び前記燃料電池への燃料供給量を増減制御する制御手段とを備えて構成し、前記制御手段は、前記水位センサの検知水位が所定の水位よりも低い場合、前記温度センサの検知温度が所定の温度よりも高いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第１の制御量により前記空気供給量を減少方向に制御し、前記温度センサの検知温度が前記所定の温度よりも低いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第２の制御量により前記燃料供給量を増加方向に制御することを特徴としている。
【０００７】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおいて燃料電池からの排ガス中の水蒸気が凝縮水となって水タンクに回収される際、水タンクの水位が所定水位より低くなると制御手段により水回収制御が実行され、燃料電池の温度が高いときは空気供給量が減少方向に制御される一方、燃料電池の温度が低いときは燃料供給量が増加方向に制御される。この場合、空気供給量の減少制御と燃料供給量の増加制御はともに水タンクへの回収水を増加させるように作用するので、燃料電池の動作状態によらず効率的な水回収制御を行うことで、水回収時間の短縮を実現できる。また、燃料電池の反応生成物質（酸素、一酸化炭素、二酸化炭素）の濃度を反映して、空気供給量及び燃料供給量の増減制御の制御量が定められるので、不完全燃焼により一酸化炭素が発生する恐れがあるときは制御量の抑制などの対応が可能であり、安全な範囲で燃料電池を動作させることができる。
【０００８】
前記制御手段に対しては多様な制御を付加することができる。例えば、前記温度センサの検知温度が所定の上限温度よりも高い場合は、前記燃料電池の出力電力を減少させるように制御してもよい。また例えば、前記水位センサの検知水位が所定の上限水位よりも高い場合は、前記空気供給量及び前記燃料供給量の増減制御を停止するように制御してもよい。このように、燃料電池システムの水回収制御を実行する際、燃料電池の動作状態のさらなる安定化が可能となる。
【０００９】
前記濃度センサとしては、例えば、前記排ガスに含まれる酸素の濃度を検知する酸素濃度センサを用いることができる。この場合、前記制御手段により、前記空気供給量及び前記燃料供給量の増減制御を所定の間隔で定期的に実行し、毎回の前記増減制御を実行する前に前記酸素濃度センサを起動し、毎回の前記増減制御が完了した後に前記酸素濃度センサを停止するように制御してもよい。
【００１０】
前記制御手段により、前記水位センサの検知水位が所定の下限水位より低い場合、外部からの補給水を前記水タンクに導入するように制御してもよい。かかる構成を本発明と組み合わせて適用すれば、水タンクへの補給水の導入頻度を少なくする効果がある。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、湯水を蓄える貯湯タンクと、前記燃料電池の排ガスと、循環路を循環する前記湯水との間の熱交換を行う熱交換器とをさらに備えて構成し、前記熱交換器で得られた前記凝縮水が前記水タンクに蓄えられるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記課題を解決するために本発明は、酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池と、前記燃料電池の排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンクと、前記水タンクの水位を検知する水位センサと、前記燃料電池の発電時の温度を検知する温度センサと、前記排ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素のいずれかの濃度を検知する濃度センサと、前記燃料電池への空気供給量及び前記燃料電池への燃料供給量を増減制御する制御手段とを備えた燃料電池システムの制御方法に適用されるものである。そして、本発明の制御方法では、前記水位センサの検知水位が所定の水位よりも低い場合、前記空気供給量及び燃料供給量の増減制御の実行を開始し、前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が所定の温度よりも高いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第１の制御量により前記空気供給量を減少方向に制御し、前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が前記所定の温度よりも低いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第２の制御量により前記燃料供給量を増加方向に制御し、前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が所定の上限温度よりも高い場合、前記燃料電池の出力電力を減少させ、前記水位センサの検知水位が所定の上限水位よりも高い場合、前記増減制御を停止することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
以上述べたように本発明によれば、水自立運転型の燃料電池システムにおいて、燃料電池の排ガスに含まれる水蒸気から凝縮水を水タンクに回収する際、燃料電池の状態に応じて空気供給量及び燃料供給量の増減制御を選択的に行うようにしたので、排ガスからの水回収の効率を向上し、水回収時間を短縮することができる。また、燃料電池の反応生成物質の濃度に応じて空気供給量及び燃料供給量のそれぞれの制御量を適切に制御するので、一酸化炭素の発生を抑制して安全な範囲で水回収を行うことができる。さらに、水タンクの水不足が速やかに解消されるので、外部からの補給水の導入頻度を少なくして燃料電池システムにおけるメンテナンスコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本実施形態の燃料電池システムにおける水回収制御の制御フローを示す図である。
【図３】図２のステップＳ１８の詳細な処理を示す図である。
【図４】本実施形態の燃料電池システムにおける水回収時間の短縮の効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。
【００１６】
図１は、本実施形態の燃料電池システム１の構成例を示している。図１においては、燃料電池システム１を構成する要部として、燃料電池１０、熱交換器１１、排ガス循環路１２、湯水循環路１３、水タンク１４、イオン交換樹脂１５、貯湯タンク１６、ラジエータ１７、コントローラ１８を示すとともに、センサ群である温度センサ２０、酸素濃度センサ２１、水位センサ２２と、ポンプ群である空気ポンプ３０、燃料ポンプ３１、水ポンプ３２、循環ポンプ３３とをそれぞれ示している。なお、実際の燃料電池システム１には、他にも多くの構成要素が含まれるが、図１では省略している。
【００１７】
燃料電池１０は、燃料ガス中の水素と空気中の酸素の電気化学反応を利用して、燃料極であるアノード（正極）と空気極であるカソード（負極）との間に電力を発生する。燃料電池１０としては多様な方式を採用可能であるが、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いることができる。あるいは、その他コジェネレーションシステムに導入可能な多様な燃料電池を用いることができる。
【００１８】
燃料電池１０の近傍には、空気を供給する空気ポンプ（空気ブロワ）３０と、燃料ガスを供給する燃料ポンプ３１と、水タンク１４から送られる水を供給する水ポンプ３２が設けられている。これらの空気ポンプ３０、燃料ポンプ３１、水ポンプ３２のそれぞれの供給量は、コントローラ１８によって制御される。燃料ポンプ３１を介して供給される燃料ガスは、燃料電池１０に付随する脱硫器（不図示）で脱硫された後、改質器（不図示）において水ポンプ３２を介して供給される水蒸気により水蒸気改質され、水素リッチな改質ガスが燃料電池１０の燃料極に供給される。そして、改質ガスの水素は、空気ポンプ３０から空気極に供給される酸素と反応して発電するとともに、反応生成物として水を発生する。燃料電池１０の発電動作により得られた直流電力は、インバータ（不図示）により交流電力に変換され、外部の負荷に供給される。また、燃料電池１０は上述の発電動作に伴い発熱するが、その温度を測定するための温度センサ２０が設けられている。この温度センサ２０の検知温度はコントローラ１８に送られる。
【００１９】
燃料電池１０からの排ガスは排ガス循環路１２を通って熱交換器１１に送られる。熱交換器１１では、燃料電池１０の排ガスの排熱と湯水循環路１３を流れる湯水との間で熱交換が行われ、排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮水として回収される。熱交換器１１で回収された凝縮水は水タンク１４に送られて貯えられる。一方、熱交換器１１の排ガスの出口側には、排ガスに含まれる酸素の濃度を検知する酸素濃度センサ２１が設けられている。この酸素濃度センサ２１の検知濃度はコントローラ１８に送られるとともに、後述するように酸素濃度センサ２１の起動及び停止がコントローラ１８によって制御される。
【００２０】
例えば、酸素濃度センサ２１としては、ジルコニアを用いた円筒の内外面に電極を取り付け、内外電極間に発生する酸素濃度に応じた起電力を計測可能なセンサを用いることができる。また、酸素濃度センサ２１は、燃料電池１０により発生する一酸化炭素の濃度を間接的に検知することが目的であるため、酸素濃度センサ２１に代えて、一酸化炭素の濃度を検知する一酸化炭素センサや二酸化炭素の濃度を検知する二酸化炭素センサなどの濃度センサを用いてもよい。
【００２１】
湯水循環路１３の一端と他端はそれぞれ貯湯タンク１６に連通している。燃料電池１０の排熱により加熱された湯水は、湯水循環路１３の一端を介して貯湯タンク１６に貯えられる。貯湯タンク１６に貯えられた湯水は、湯水循環路１３の他端を介して循環ポンプ３３に送られ、循環ポンプ３３を介して再び熱交換器１１に還流する。また、貯湯タンク１６からの湯水の温度が上昇し過ぎたときに冷却するためのラジエータ１７が湯水循環路１３に併設されている。
【００２２】
一方、熱交換器１１で回収されて水タンク１４に貯えられた水は、配管を通ってイオン交換樹脂１５を通過した後、水ポンプ３２に送られる。イオン交換樹脂１５は、水タンク１４から供給される水に含まれる不要なイオン成分を除去する役割がある。また、水タンク１４に貯えられる水が不足しているときの補給水として、電磁弁（不図示）を介して外部から水道水を水タンク１４に導入する構造になっている。よって、イオン交換樹脂１５により、水道水に含まれるイオン成分を除去することができる。
【００２３】
水タンク１４には、その水位を検知する水位センサ２２が設けられている。この水位センサ２２の検知水位はコントローラ１８に送られる。図１においては、水位センサ２２の検知水位のうち、３通りの水位Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を示している。水位Ｌ１は水タンク１４の下限水位であって、水位Ｌ１より水位が下がると水道水が導入される。水位Ｌ２は、燃料電池１０の発電動作時に水回収制御の実行の可否を判断するための所定の水位である。水位Ｌ３は水タンク１４の上限水位であって、設定水位Ｌ３より水位が上がると上述の増減制御が停止される。これらの設定水位Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３について詳しくは後述する。
【００２４】
なお、水位センサ２２は、水タンク１４の水位を直接検知するセンサに限らず、水タンク１４の貯水量やその重量も水位と等価であることから、水量センサや重量センサに置き換えてもよい。
【００２５】
コントローラ１８は、燃料電池システム１全体の動作を制御する制御手段として機能し、上述のセンサ群からの検知信号に基づいて燃料電池１０の上述の空気供給量及び燃料供給量の増減制御を行う。コントローラ１８は、例えば、本実施形態の制御を実現するプログラムを実行可能なマイクロプロセッサや各種メモリから構成される。
【００２６】
次に、本実施形態の燃料電池システム１における水タンク１４への水回収制御について、図２及び図３を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池１０の発電動作中に、コントローラ１８が所定の間隔で図２及び図３の処理を繰り返し実行する。まず、図２の制御フローに示すように、水位センサ２２の検知水位が下限水位である水位Ｌ１以上であるか否かが判定される（ステップＳ１０）。その結果、検知水位が水位Ｌ１に達していないときは（ステップＳ１０：ＮＯ）、水タンク１４の水不足を解消するために、上述の水道水を水タンク１４に導入する制御が行われる（ステップＳ１１）。この場合は、図２の水回収制御を実行することなく、そのまま燃料電池１０の発電動作が継続される（ステップＳ１２）。
【００２７】
一方、ステップＳ１０の判定の結果、検知水位が水位Ｌ１以上であるときは（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、水回収制御の実行状態を示す水回収フラグの状態が判断される（ステップＳ１３）。この水回収フラグは、コントローラ１８の内部フラグであり、水回収制御を実行する場合はオンにセットされ、水回収制御を実行しない場合はオフにセットされる。ステップＳ１３の判断の結果、水回収フラグがオフにセットされているときは（ステップＳ１３：ＯＦＦ）、この時点で水回収制御が非実行であるため、その実行に先立って、水位センサ２２の検知水位が水位Ｌ２以上であるか否かが判定される（ステップＳ１４）。そして、検知水位が水位Ｌ２に達していないときは（ステップＳ１４：ＮＯ）、水回収制御により水タンク１４の水位を上昇させるべく、水回収フラグがオンにセットされ（ステップＳ１５）、その後に燃料電池１０の発電動作が継続される（ステップＳ１２）。一方、検知水位が水位Ｌ２以上であるときは（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、水回収制御は不要であるため燃料電池１０の通常運転が行われる（ステップＳ１６）。
【００２８】
これに対し、ステップＳ１３の判断の結果、水回収フラグがオンにセットされているときは（ステップＳ１３：ＯＮ）、この時点で水回収制御が実行中であり、最初に酸素濃度センサ２１を起動する（ステップＳ１７）。すなわち、酸素濃度センサ２１は他のセンサよりも消費電力が大きいため、水回収制御を実行する度に酸素濃度センサ２１の起動と停止を行うことで、消費電力の低減を図るものである。続いて、燃料電池１０への空気供給量及び燃料供給量のそれぞれの制御量の増減制御を開始する（ステップＳ１８）。
【００２９】
ここで、図３には、ステップＳ１８の詳細な処理を示している。まず、温度センサ２０の検知温度が所定の温度Ｔｓ以上であるか否かが判定される（ステップＳ３０）。その結果、検知温度が所定の温度Ｔｓに満たないときは（ステップＳ３０：ＮＯ）、ステップＳ３１に移行して燃料供給量に対する制御が行われ、検知温度が所定の温度Ｔｓ以上であるときは（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、ステップＳ３５に移行して空気供給量に対する制御が行われる。ステップＳ３０の分岐は、燃料電池１０の温度が高いときは、燃料電池１０に供給する空気を減少させて排ガスにより持ち去られる水蒸気を抑制するとともに、燃料電池１０の温度が低いときは、燃料電池１０に余裕があるため投入燃料を増やすことで、燃料電池１０の反応で得られる水蒸気を増加させるために必要な処理である。
【００３０】
燃料供給量に対する制御では、ステップＳ３１〜Ｓ３４の処理を通じて、燃料ポンプ３１における燃料流量を定める燃料流量目標値Ｆ（本発明の第２の制御量）が決定される。まず、燃料流量目標値Ｆの増加量を規定する燃料流量加算値Ｆｘが更新される（ステップＳ３１）。すなわち、この時点で燃料流量加算値Ｆｘは前回の処理で確定した値を有するが、ステップＳ３１では燃料流量加算値Ｆｘに対しさらに定数ＣＦを加えて、Ｆｘ＝Ｆｘ＋ＣＦに設定する。次いで、燃料流量目標値Ｆが更新される（ステップＳ３２）。すなわち、燃料流量の標準値として予め設定される燃料流量標準値Ｆｎと上述の燃料流量加算値Ｆｘとを用いて、Ｆ＝Ｆｎ＋Ｆｘに設定する。これにより、燃料流量目標値Ｆを増加方向に制御することができる。
【００３１】
次いで、酸素濃度センサ２１で検知された酸素濃度が０．５％以上であるか否かが判定される（ステップＳ３３）。その結果、酸素濃度が０．５％以上であるときは（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、ステップＳ１９（図２）に移行する。一方、酸素濃度が０．５％に満たないときは（ステップＳ３３：ＮＯ）、燃料流量目標値Ｆから上述の定数ＣＦを差し引いて、Ｆ＝Ｆ−ＣＦとされる（ステップＳ３４）。すなわち、酸素濃度が十分高ければ燃料流量目標値Ｆを増加させても問題ないのに対し、酸素濃度の不足に起因して一酸化炭素が発生する恐れがあるため、燃料電池１０の反応を抑制する必要がある。そのため、ステップＳ３４にて燃料流量目標値Ｆの増加量を安全な範囲に制限するものである。ステップＳ３４の実行後は、ステップＳ１９（図２）に移行する。
【００３２】
次に、空気供給量に対する制御では、ステップＳ３５〜Ｓ３８の処理を通じて、空気ポンプ３０における空気流量を定める空気流量目標値Ａ（本発明の第１の制御量）が決定される。まず、空気流量目標値Ａの減少量を規定する空気流量減算値Ａｘが更新される（ステップＳ３５）。すなわち、この時点で空気流量減算値Ａｘは前回の処理で確定した値を有するが、ステップＳ３５では空気流量減算値Ａｘに対しさらに定数ＣＡを加えて、Ａｘ＝Ａｘ＋ＣＡに設定する。次いで、空気流量目標値Ａが更新される（ステップＳ３６）。すなわち、空気流量の標準値として予め設定される空気流量標準値Ａｎと上述の空気流量減算値Ａｘとを用いて、Ａ＝Ａｎ―Ａｘに設定する。これにより、空気流量目標値Ａを減少方向に制御することができる。
【００３３】
次いで、ステップＳ３３と同様、酸素濃度センサ２１で検知された酸素濃度が０．５％以上であるか否かが判定される（ステップＳ３７）。その結果、酸素濃度が０．５％以上であるときは（ステップＳ３７：ＹＥＳ）、ステップＳ１９（図２）に移行する。一方、酸素濃度が０．５％に満たないときは（ステップＳ３７：ＮＯ）、空気流量目標値Ａに上述の定数ＣＡを加えて、Ａ＝Ａ＋ＣＡに設定する（ステップＳ３８）。すなわち、上述したように酸素濃度の不足に起因する一酸化炭素の発生の対策として燃料電池１０の反応を抑制する必要があることから、ステップＳ３８にて空気流量目標値Ａの減少量を安全な範囲に制限するものである。
【００３４】
次いで、温度センサ２０の検知温度が予め設定された上限温度以上であるか否かが判定される（ステップＳ３９）。その結果、検知温度が上限温度に満たないときは（ステップＳ３９：ＮＯ）、ステップＳ１９（図２）に移行する。一方、検知温度が上限温度以上であるときは（ステップＳ３９：ＹＥＳ）、燃料電池１０の出力電力Ｐを所定の制限量Ｐｓだけ減少させるべく、Ｐ＝Ｐ−Ｐｓに設定する（ステップＳ４０）。ステップＳ４０の処理では、燃料電池１０の出力電力Ｐを減らすことで、燃料電池１０が上限温度を超えて温度上昇することの抑制を図っている。ステップＳ４０の実行後は、ステップＳ１９（図２）に移行する。
【００３５】
なお、ステップＳ３３、Ｓ３７では、酸素濃度の閾値を０．５％とし、燃料供給量及び空気供給量を制限するか否かの判定の基準にしているが、酸素濃度の閾値は０．５％に限られず、より低い閾値に設定してもよい。酸素濃度センサ２１の検知精度が高いときは、より低い閾値を設定することが望ましい。
【００３６】
次に図２に戻って、水位センサ２２の検知水位が上限水位である水位Ｌ３以上であるか否かが判定される（ステップＳ１９）。その結果、検知水位が水位Ｌ３に達していないときは（ステップＳ１９：ＮＯ）、そのまま燃料電池１０の発電動作が継続される（ステップＳ１２）。一方、検知水位が水位Ｌ３以上であるときは（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、セットされた状態にある上記水回収フラグをオフにセットする（ステップＳ２０）。ステップＳ２０では、この時点で水タンク１４に十分な回収水が存在するため、それ以降の水回収制御の実行をいったん停止するものである。その後に水回収制御が再開されるのは、次回にステップＳ１５の処理が実行されたときである。その後、ステップＳ１７で起動した酸素濃度センサ２１を停止する（ステップＳ２１）。
【００３７】
最後に、図２及び図３の水回収制御で用いるパラメータを初期化する。具体的には、燃料流量目標値Ｆ及び燃料流量加算値Ｆｘをそれぞれ次のように設定する。
Ｆ＝Ｆｎ、Ｆｘ＝０
（Ｆｎは燃料流量標準値）
【００３８】
また、空気流量目標値Ａ及び空気流量減算値Ａｘをそれぞれ次のように設定する。
Ａ＝Ａｎ、Ａｘ＝０
（Ａｎは空気流量標準値）
【００３９】
また、燃料電池１０の出力電力Ｐを上限出力値Ｐｍａｘとすべく次のように設定する。
Ｐ＝Ｐｍａｘ
【００４０】
ステップＳ２２の実行後は、燃料電池１０の発電動作が継続される（ステップＳ１２）。それ以降は所定の時間間隔が経過した後に、再びステップＳ１０以降の処理が実行される。なお、この時間間隔は、燃料電池システム１の動作及び使用形態に応じて、数秒など適切な値に設定すればよい。
【００４１】
以上述べたように、本実施形態の燃料電池システム１の水回収制御によれば、水タンク１４の貯水量（水位）と燃料電池１０の動作状態に応じて、燃料供給量及び空気供給量の増減制御を適切に切り替えているので、熱交換器１１を経由した排ガスからの水回収を効率的かつ安全に行うことができる。すなわち、燃料電池１０の温度が低いときは燃料供給量を増加させて燃料電池１０における反応を活発にする一方、燃料電池１０の温度が高いときは空気供給量を減少方向に制御して排ガスが持ち去る水蒸気を抑制するものである。よって、いずれの状況下であっても水タンク１４への回収水は増えることになり、水回収時間を短縮する効果がある。また、空気供給量及び燃料供給量の増減制御時に、排ガスの酸素濃度を監視して制御量を適切に調整しているので、一酸化炭素の発生を有効に防止して安全性を高める効果もある。
【００４２】
ここで、図４を参照して、本実施形態の燃料電池システム１における水回収時間の短縮の効果を説明する。図４では、燃料電池システム１の典型的な使用形態を想定したときの水タンク１４の貯水量の２４時間の変化を算出した結果を示しており、本実施形態の水回収制御(図２及び図３)を実行する場合の特性Ｃ１と、本実施形態の水回収制御を実行しない場合（通常運転）の特性Ｃ２とを比較している。なお、水タンク１４の貯水量は、便宜上、空の状態（０％）からスタートし、最大貯水量の１００％を超える範囲まで示している。図４から明らかなように、上記水回収制御を実行する場合の特性Ｃ１は、上記水回収制御を実行しない場合の特性Ｃ２に比べ、水回収速度がおおよそ１割ほど向上している。このように、本実施形態の水回収制御を採用することにより、上述の燃料供給量の増加制御と空気供給量の減少制御をバランスよく組み合わせることで水回収効率が向上し、水タンク１４の水不足をより短時間で回復することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、水回収時間の短縮に加え、水タンク１４の水不足を速やかに解消できるため、水タンク１４に水道水を導入する頻度を少なくすることができる。従って、イオン交換樹脂１５の寿命を長くしてメンテナンスコストを削減する効果がある。
【００４４】
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、燃料電池システム１に含まれる燃料電池１０とその他の構成部材についての構造や形状については、本発明の作用効果を得られる限り、適宜に変更することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１１…熱交換器
１２…排ガス循環路
１３…湯水循環路
１４…水タンク
１５…イオン交換樹脂
１６…貯湯タンク
１７…ラジエータ
１８…コントローラ
２０…温度センサ
２１…酸素濃度センサ
２２…水位センサ
３０…空気ポンプ
３１…燃料ポンプ
３２…水ポンプ
３３…循環ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンクと、
前記水タンクの水位を検知する水位センサと、
前記燃料電池の発電時の温度を検知する温度センサと、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記排ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素のいずれかの濃度を検知する濃度センサと、
前記水位センサの検知水位と、前記温度センサの検知温度と、前記濃度センサの検知濃度とに基づいて、少なくとも、前記燃料電池への空気供給量及び前記燃料電池への燃料供給量を増減制御する制御手段と、
を備え、前記制御手段は、前記水位センサの検知水位が所定の水位よりも低い場合、前記温度センサの検知温度が所定の温度よりも高いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第１の制御量により前記空気供給量を減少方向に制御し、前記温度センサの検知温度が前記所定の温度よりも低いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第２の制御量により前記燃料供給量を増加方向に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、さらに、前記温度センサの検知温度が所定の上限温度よりも高い場合、前記燃料電池の出力電力を減少させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、さらに、前記水位センサの検知水位が所定の上限水位よりも高い場合、前記空気供給量及び前記燃料供給量の増減制御を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記濃度センサは、前記排ガスに含まれる酸素の濃度を検知する酸素濃度センサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記空気供給量及び前記燃料供給量の増減制御を所定の間隔で定期的に実行し、毎回の前記増減制御を実行する前に前記酸素濃度センサを起動し、毎回の前記増減制御が完了した後に前記酸素濃度センサを停止することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記水位センサの検知水位が所定の下限水位より低い場合、外部からの補給水を前記水タンクに導入するように制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
湯水を蓄える貯湯タンクと、
前記燃料電池の排ガスと、循環路を循環する前記湯水との間の熱交換を行う熱交換器と、
をさらに備え、前記熱交換器で得られた前記凝縮水が前記水タンクに蓄えられることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンクと、
前記水タンクの水位を検知する水位センサと、
前記燃料電池の発電時の温度を検知する温度センサと、
前記排ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素のいずれかの濃度を検知する濃度センサと、
前記燃料電池への空気供給量及び前記燃料電池への燃料供給量を増減制御する制御手段と、
を備えた燃料電池システムの制御方法において、
前記水位センサの検知水位が所定の水位よりも低い場合、前記空気供給量及び燃料供給量の増減制御の実行を開始し、
前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が所定の温度よりも高いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第１の制御量により前記空気供給量を減少方向に制御し、
前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が前記所定の温度よりも低いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第２の制御量により前記燃料供給量を増加方向に制御し、
前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が所定の上限温度よりも高い場合、前記燃料電池の出力電力を減少させ、
前記水位センサの検知水位が所定の上限水位よりも高い場合、前記増減制御を停止する、ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１】
酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンクと、
前記水タンクの水位を検知する水位センサと、
前記燃料電池の発電時の温度を検知する温度センサと、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記排ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素のいずれかの濃度を検知する濃度センサと、
前記水位センサの検知水位と、前記温度センサの検知温度と、前記濃度センサの検知濃度とに基づいて、少なくとも、前記燃料電池への空気供給量及び前記燃料電池への燃料供給量を増減制御する制御手段と、
を備え、前記制御手段は、前記水位センサの検知水位が所定の水位よりも低い場合、前記温度センサの検知温度が所定の温度よりも高いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第１の制御量により前記空気供給量を減少方向に制御し、前記温度センサの検知温度が前記所定の温度よりも低いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第２の制御量により前記燃料供給量を増加方向に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、さらに、前記温度センサの検知温度が所定の上限温度よりも高い場合、前記燃料電池の出力電力を減少させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、さらに、前記水位センサの検知水位が所定の上限水位よりも高い場合、前記空気供給量及び前記燃料供給量の増減制御を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記濃度センサは、前記排ガスに含まれる酸素の濃度を検知する酸素濃度センサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記空気供給量及び前記燃料供給量の増減制御を所定の間隔で定期的に実行し、毎回の前記増減制御を実行する前に前記酸素濃度センサを起動し、毎回の前記増減制御が完了した後に前記酸素濃度センサを停止することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記水位センサの検知水位が所定の下限水位より低い場合、外部からの補給水を前記水タンクに導入するように制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
湯水を蓄える貯湯タンクと、
前記燃料電池の排ガスと、循環路を循環する前記湯水との間の熱交換を行う熱交換器と、
をさらに備え、前記熱交換器で得られた前記凝縮水が前記水タンクに蓄えられることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
酸素と水素を電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の排ガス中の水蒸気から回収された凝縮水を蓄える水タンクと、
前記水タンクの水位を検知する水位センサと、
前記燃料電池の発電時の温度を検知する温度センサと、
前記排ガスに含まれる酸素、一酸化炭素、二酸化炭素のいずれかの濃度を検知する濃度センサと、
前記燃料電池への空気供給量及び前記燃料電池への燃料供給量を増減制御する制御手段と、
を備えた燃料電池システムの制御方法において、
前記水位センサの検知水位が所定の水位よりも低い場合、前記空気供給量及び燃料供給量の増減制御の実行を開始し、
前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が所定の温度よりも高いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第１の制御量により前記空気供給量を減少方向に制御し、
前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が前記所定の温度よりも低いときは前記濃度センサの検知濃度に応じた第２の制御量により前記燃料供給量を増加方向に制御し、
前記増減制御の実行時に前記温度センサの検知温度が所定の上限温度よりも高い場合、前記燃料電池の出力電力を減少させ、
前記水位センサの検知水位が所定の上限水位よりも高い場合、前記増減制御を停止する、ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−４０８５（Ｐ２０１２−４０８５Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４１０６７（Ｐ２０１０−１４１０６７）
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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