(57)【要約】  燃料電池システム（１）では、発電部（２１）から排出されるオフガスの燃焼ガスを排気する排気経路において、排気口（２４）に向かって流れる燃焼ガスの流量を調整するダンパ（２２）が設けられている。このダンパ（２２）により、燃料電池システム（１）の設置の態様などに起因する排気ガスの流量の変動が抑えられ、発電部（２１）の内部温度が変動することを抑制できる。したがって、発電部（２１）の内部温度の変動による発電効率の低下を防止できる。
2012091121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、
少なくとも前記発電部から排出される排出ガスをシステムの外部に排出させる排気口と、
前記排気口に向かって流れる前記排気ガスの流量を調整するダンパと、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記発電部と前記排気口との間の排気経路に前記ダンパが配置されている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
少なくとも前記排出ガス及び熱媒体を流通させ、前記排出ガスから前記熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱する熱交換部を更に備え、
前記熱交換部は、前記排気経路において、前記発電部の下流且つ前記ダンパの上流に配置されている請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ダンパの動作を制御する制御部と、
前記排気経路に配置された温度検出部と、を備え、
前記制御部は、前記温度検出部によって検出される温度に基づいて、前記ダンパの開閉を制御する請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記温度検出部によって検出される温度が予め定められた第１の閾値温度未満である場合、又は前記温度検出部によって検出される温度の単位時間当たりの低下量が所定の第１の変化量を超えて低下した場合に、前記制御部は、前記排気経路を流れる前記排出ガスの流量が減少するように前記ダンパを制御する請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記温度検出部によって検出される温度が予め定められた第１の閾値温度未満である場合、又は前記温度検出部によって検出される温度の単位時間当たりの低下量が所定の第１の変化量を超えて低下した場合であって、前記燃料電池システムが前記排気経路に流通する前記排出ガスの温度が低下する運転制御を実行していない場合に、前記制御部は、前記排気経路を流れる前記排出ガスの流量が減少するように前記ダンパを制御する請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記温度検出部によって検出される温度が前記第１の閾値温度よりも高い第２の閾値温度を超えている場合、又は前記温度検出部によって検出される温度の単位時間当たりの上昇量が所定の第２の変化量を超えて上昇した場合に、前記制御部は、前記排気経路を流れる前記排出ガスの流量が増加するように前記ダンパを制御する請求項４〜６のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記温度検出部によって検出される温度が前記第１の閾値温度よりも低い第３の閾値温度未満である場合、前記制御部は、前記システムの運転を停止させる請求項４〜７のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記温度検出部は、前記発電部の出口温度を検出する請求項４〜８のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記発電部の下流且つ前記ダンパの上流に燃焼触媒部を備え、
前記発電部の出口温度は、前記燃焼触媒部の温度である請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記温度検出部は、前記発電部の内部温度を検出する請求項４〜８のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガス、及び液体の熱媒体を流通させ、前記燃焼ガスから前記熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱する熱交換部を更に備え、
前記排出ガスは、前記熱交換部を経て前記排気口からシステムの外部に排出される請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記発電部の出口温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された前記出口温度に基づいて前記ダンパによる前記燃料ガスの流量を制御する流量制御部と、を備える請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記発電部の内部温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された前記内部温度に基づいて前記ダンパによる前記燃料ガスの流量を制御する流量制御部と、を備える請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記ダンパは、前記熱交換部の下流側に設けられている請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の分野の技術として、例えば特許文献１に記載の燃料電池システムがある。この従来の燃料電池システムは、熱交換器で熱交換された後の排ガスをケース外部に排気する排気口を備えている。排気口の手前には、不純物を収集するためのセパレート部材が設けられており、排気口から熱交換器側に不純物が入り込むことを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１８１７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムの設置態様の一例として、燃料電池システムを屋内に設置し、排気口を単独煙突又は集合煙突に接続する場合がある。このとき、流体は、温度が高く密度の低いものほど上昇し、温度が低く密度が高いものほど下降する性質がある。したがって、煙突においては、高温の気体は煙突内の中心部分を上昇気流として流れ、反対に、低温の気体は煙突壁面付近を伝って下降することにより、吸引力が生まれ、高温の気体が煙突側に効率的に排出されることになる。この現象は、煙突効果として知られている。【０００５】
一方、燃料電池システムの排気量は、燃料電池システム内のブロアによって制御されているが、外気温や他の排気ライン内の気体温度によっては、燃料電池システムの発電部に充満する高温の気体が、燃料電池システムによる制御量以上に煙突側に吸引され、発電部の温度が低下する可能性がある。燃料電池システムが発電部の温度を下げる制御を実行していないときに発生する、燃料電池システムの設置態様に起因する意図しない発電部の温度低下は、発電効率の低下を招き、また安定的な発電を損なうおそれがある。さらには、セルスタックの寿命低下を招くおそれもある。【０００６】
このような問題に対し、上述した特許文献１のような燃料電池システムでは、排気口から流入する雨水や粉塵等の不純物をセパレート部材で収集することはできても、排気口から意図しない気体の流出を十分に抑制する効果があるとは言い難い。【０００７】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、燃料電池システムの運転制御以外の要因による排気ガスの流量変動を抑えることにより、燃料電池システムの運転効率の低下、あるいは、セルスタックの短寿命化を抑制し、安定した発電が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、少なくとも発電部から排出される排出ガスをシステムの外部に排出させる排気口と、排気口に向かって流れる前記排気ガスの流量を調整するダンパと、を備える。【０００９】
この燃料電池システムでは、発電部から排出される排出ガスを排気する排気経路において、排気口に向かって流れる燃焼ガスの流量を調整するダンパが設けられている。このダンパにより、燃料電池システムの設置の態様などに起因する排気ガスの流量の変動が抑えられ、発電部の内部温度の変動を抑制できる。したがって、発電部の内部温度の変動による発電効率の低下、及びセルスタックの寿命低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
この燃料電池システムによれば、燃料電池システムの運転制御以外の要因による排気ガスの流量変動を抑えることにより、燃料電池システムの運転効率の低下、あるいは、セルスタックの短寿命化を抑制し、安定した発電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの排気経路の一例を示す図である。
【図３】変形例に係る排気経路を示す図である。
【図４】別の変形例に係る排気経路を示す図である。
【図５】更に別の変形例に係る排気経路を示す図である。
【図６】ダンパの動作制御の第１形態を示すフローチャートである。
【図７】ダンパの動作制御の第２形態を示すフローチャートである。
【図８】ダンパの動作制御の第３形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、熱交換部１５とを備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer  Electrolyte  Fuel  Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric  Acid  Fuel  Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten  Carbonate  Fuel  Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。
【００１４】
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
【００１５】
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
【００１６】
脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。
【００１７】
水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
【００１８】
水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。
【００１９】
セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。
【００２０】
オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。
【００２１】
水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。
【００２２】
なお、例えば純水素ガスや水素富化ガスなど、改質処理を必要としない水素含有燃料を用いる場合は、脱硫器２、水供給部８、水気化部３、および水素発生部４のうちの一つまたは複数を省略することができる。
【００２３】
パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
【００２４】
制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
【００２５】
熱交換部１５は、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガス（すなわち、オフガス燃焼部６からの排ガス）、及び水（熱媒体）を流通させることで、燃焼ガスから水に熱を移動させて水を加熱する。この水は、例えば燃料電池システム１が設置された施設に湯を供給するための貯湯槽に貯留され、その貯湯槽から熱交換部１５に循環供給されるものである。
【００２６】
続いて、上述した燃料電池システム１の排気経路について説明する。図２は、燃料電池システム１の排気経路の一例を示す図である。
【００２７】
図２に示すように、燃料電池システム１の排気経路３０Ａは、発電部２１と、上述の熱交換部１５と、ダンパ２２とを含んで構成され、筐体２３内に収容されている。筐体２３には、熱交換部１５から排出される排ガスを外部に排出させる排ガス流路及び排気口２４が設けられている。詳細は図示しないが、排ガス流路は外部の空気に対して気密性を有している。なお、ここでの気密性とは、筐体２５からの排出が予定されている気体以外の外気に対して気密であることを意味する。具体的には、筐体２５内からの気体の排出は専用の気体排出路からのみ行われる構造を意味する。
【００２８】
発電部２１は、上述したセルスタック５を含んで構成されたものである。発電部２１は、少なくともセルスタック５を含むものであって、さらにオフガス燃焼部６や水素発生部４等を含む場合もあれば、オフガス燃焼部６や水素発生部４等を含まない場合もある。また、熱交換部１５には、熱回収水系として、例えば貯湯槽から循環供給された水を熱交換部１５に流入させる水流路、及びその水を熱交換部１５から流出させる水流路がそれぞれポンプ等を介して接続されている。熱交換部１５からは、熱交換後の排ガスが筐体２３の排気口２４に向かって排出される。
【００２９】
ダンパ２２は、例えば回転軸の周囲に羽根が取り付けられてなる羽根車や、弁体が流路に対して直角に横切るギロチンダンパなどである。ダンパ２２は、排ガス流路において、熱交換部１５の下流側で排気口２４の手前となる位置に設けられている。ダンパ２２による排ガス流路の閉鎖度は例えば手動によって切り替えられる。また、図示しない制御部を設け、これによりダンパ２２の動作を制御してもよい。以上のような手段により、排気口２４に向かって流れる排ガスの流量が調整される。ダンパ２２の代わりにバルブを用いることもできる。
【００３０】
以上説明したように、燃料電池システム１では、発電部２１から排出されるオフガスの燃焼ガスを排気する排気経路３０Ａにおいて、排気口２４に向かって流れる燃焼ガスの流量を調整するダンパ２２が設けられている。このダンパ２２により、燃料電池システム１の設置の態様などに起因する排気ガスの流量の変動が抑えられ、発電部２１の内部温度が変動することを抑制できる。したがって、発電部２１の内部温度の変動による発電効率の低下、あるいは、セルスタック５の短寿命化を抑制することができ、燃料電池システム１による安定した発電を実現することができる。
【００３１】
また、この燃料電池システム１では、排気経路３０Ａにおいて、ダンパ２２が熱交換部１５の下流側に設けられている。これにより、熱交換部１５において熱媒体に受け渡すはずの熱量が熱交換されることなく燃料電池システム１の外部に排出されることを抑制できる。したがって、発電効率の低下を抑制することができる。なお、ダンパ２２の位置は、熱交換部１５における熱交換温度を考慮しないのであれば、熱交換部１５の上流に設けてもよい。
【００３２】
また、図３は、燃料電池システム１の排気経路の変形例を示す図である。同図に示すように、変形例に係る排気経路３０Ｂは、排気経路３０Ａと比較して、発電部２１の出口温度を検出する温度検出部２５と、温度検出部２５によって検出された発電部２１の出口温度に基づいてダンパ２２による排ガスの流量を制御する制御部２６とを更に備える。なお、図３において、制御部２４は、筐体２５内に配置されているが、燃料電池システム１の制御部１１に制御部２４の機能を付与した形態であってもよい。
【００３３】
この場合、制御部２６は、温度検出部２５によって検出された出口温度が低下した場合に、排気口２４に向かって流れる排ガスの流量が増加したと判断し、排ガスの流量が減少するようにダンパ２２を動作させる。ここでいう発電部２１の出口温度とは、排気経路３０内において、発電部２１の下流で且つダンパ２２の上流における排ガス温度であればよい。例えば発電部２１の直下流や熱交換部１５の入口などにおける温度を用いることができる。
【００３４】
このような構成によれば、排気経路３０Ｂにおける排ガス流量の変化を発電部２１の出口温度の変化として検知できる。このため、燃料電池システム１の発電効率の低下、あるいは、セルスタック５の短寿命化を招かない程度の排ガス流量においては、ダンパ２２を動作させる必要がないことから、ダンパ２２の動作頻度を低減させることができる。
【００３５】
また、制御部２６は、温度検出部２５によって検出される発電部２１の出口温度が低下し、かつ、燃料電池システム１が発電部２１の出口温度の低下につながる制御を実行していない場合に、排ガス流量の増加が意図せずに生じたと判断し、排ガスの流量が減少するようにダンパ２２を動作させてもよい。
【００３６】
この場合、燃料電池システム１の運転制御に起因して発電部２１の出口温度が変化したのか（意図した温度変化）、あるいは、燃料電池システム１の運転制御に起因せずに発電部２１の出口温度が変化したのか（意図しない温度変化）であるかを判定することが可能となる。したがって、意図しない排ガス温度変化が生じたときにダンパ２２を動作させればよいので、ダンパ２２を動作させるべきタイミングをより正確に判断することができる。
【００３７】
図４は、燃料電池システム１の排気経路の別の変形例を示す図である。同図に示すように、別の変形例に係る排気経路３０Ｃは、排気経路３０Ａと比較して、発電部２１の内部温度を検出する温度検出部２５と、温度検出部２５によって検出された発電室２１の内部温度に基づいてダンパ２２による排ガスの流量を制御する制御部２６とを更に備える。この場合、制御部２６は、温度検出部２５によって検出された発電部２１の内部温度が低下した場合に、排気口２４に向かって流れる排ガスの流量が増加したと判断し、排ガスの流量が減少するようにダンパ２２を動作させる。
【００３８】
このような構成によれば、排気経路３０Ｃにおける排ガス流量の変化をセルスタック５を含む発電部２１の内部温度の変化として検知できる。このため、セルスタック５が配置されている雰囲気温度の変化に応じてダンパ２２を操作することが可能となる。したがって、燃料電池システム１の発電効率の低下、あるいは、セルスタック５の短寿命化を招く程度に排ガス流量が変化した場合にダンパ２２を動作させればよいことから、ダンパ２２の動作頻度を低減させることができる。
【００３９】
また、制御部２６は、温度検出部２５によって検出される発電部２１の内部温度が低下し、かつ、燃料電池システム１が発電部２１の内部温度の低下につながる制御を実行していない場合に、排ガス流量の増加が意図せずに生じたと判断し、排ガスの流量が減少するようにダンパ２２を動作させてもよい。
【００４０】
図５は、燃料電池システム１の排気経路の更に別の変形例を示す図である。同図に示すように、別の変形例に係る排気経路３０Ｄは、排気経路３０Ａと比較して、例えば排ガス中に含まれる未燃成分を処理するための燃焼触媒部２７と、燃焼触媒部２７の温度を検出する温度検出部２５と、温度検出部２５によって検出された燃焼触媒部２７の温度に基づいてダンパ２２による排ガスの流量を制御する制御部２６とを更に備える。燃焼触媒部２７は、発電部２１の下流で且つ熱交換部１５の上流に配置されている。この場合、制御部２６は、温度検出部２５によって検出された燃焼触媒部２７の温度が低下した場合に、排気口２４に向かって流れる排ガスの流量が増加したと判断し、排ガスの流量が減少するようにダンパ２２を動作させる。
【００４１】
排気経路３０Ｄの排ガス温度の低下は、発電部２１の内部温度の低下だけでなく、燃焼触媒部２７の温度低下も引き起こす可能性がある。燃焼触媒部２７では、その温度が触媒の種類によって定められる活性温度を下回ると、排ガス中に含まれる未燃成分を適切に処理することができなくなる。未燃成分を含むガスを燃料電池システム１の外部に排出してしまうことは、結果として燃料電池システム１の発電効率の低下につながる。これに対し、この変形例では、排気経路３０Ｄにおける排ガス流量の変化を燃焼触媒部２７の温度変化として検知できる。これにより、排ガス中に含まれる未燃成分を適切に燃焼処理させて、その熱を熱回収系によって回収して利用することが可能となるので、燃料電池システム１の発電効率の低下を抑制できる。また、より安全性の高い状態で排ガスを燃料電池システム１の外部に排出できる。
【００４２】
次に、制御部２６によるダンパ２２の動作制御について説明する。この制御部２６による制御は、例えば燃料電池システム１の運転中、所定の間隔で繰り返し実施される。図６は、ダンパの動作制御の第１形態を示すフローチャートである。同図の例では、まず、温度検出部２５によって検出される排ガスの温度が予め定められた第１の閾値温度未満であるか否かの判断がなされる（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１において、排ガスの温度が第１の閾値温度未満であると判断された場合には、そのまま処理が終了する。一方、ステップＳ１０１において、排ガスの温度が第１の閾値温度以上であると判断された場合には、ダンパ２２が閉鎖される（ステップＳ１０２）。そして、ダンパ２２が閉鎖されてからの経過時間が所定時間を超えたか否かが判断され（ステップＳ１０３）、所定時間の経過の後、ダンパ２２が開放される（ステップＳ１０４）。
【００４３】
この形態では、温度検出部２５が検出する温度によってダンパ２２を開閉するため、意図しない排ガス流量の増加による筐体２３内の各部の温度低下を抑制でき、安定的な発電を維持できる。また、予め定める第１の閾値温度未満であるか否かを基準としてダンパ２２の開閉を判断するため、燃料電池システム１の発電や寿命に影響を及ぼさない程度の排ガス温度の低下（排ガス流量の増加）ではダンパ２２の閉鎖動作が不要となり、ダンパ２２の機械的劣化を抑制することができる。
【００４４】
なお、ダンパ２２の閉鎖時に排気経路が完全に遮断されないようにしてもよい。このような処理により、ダンパ２２の上流側における圧力の過上昇を抑制できる。また、ダンパ２２の閉鎖の後、所定時間経過後のダンパ２２の開放を行わずに燃料電池システム１を停止させてもよいし、ダンパ２２の開放後に直ちにステップＳ１０１に戻って排ガス温度の判断を行ってもよい。
【００４５】
図７は、ダンパの動作制御の第２形態を示すフローチャートである。この第２形態は、温度検出部２５によって検出される排ガスの温度によってダンパ２２の開放を行うか否かを判断する点で、時限式でダンパ２２を開放する上記第１形態と異なっている。同図の例では、まず、温度検出部２５によって検出される排ガスの温度が予め定められた第１の閾値温度未満であるか否かの判断がなされる（ステップＳ２０１）。
【００４６】
ステップＳ２０１において、排ガスの温度が第１の閾値温度未満であると判断された場合には、次に、燃料電池システム１が排気経路に流通する排ガスの温度が低下するような運転制御を実行しているか否かの判断がなされる（ステップＳ２０２）。排ガスの温度が低下するような運転制御が実行されていると判断された場合、ダンパ２２の制御は不要であると判断され、処理が終了する。一方、排ガスの温度が低下するような運転制御が実行されていないと判断された場合、ダンパ２２の閉鎖がなされる（ステップＳ２０３）。ダンパ２２の閉鎖は、２値制御としてもよいし、段階的な制御によって排ガスの流量を徐々に減少させるようにしてもよい。なお、排ガスの温度が低下するような運転制御としては、例えば発電量を低下させる制御や、カソード空気量を増加させる制御等が挙げられる。
【００４７】
ステップ２０１において、排ガスの温度が第１の閾値温度以上であると判断された場合には、次に、排ガスの温度が第１の閾値温度よりも高い第２の閾値温度を超えているか否かの判断がなされる（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４において、排ガスの温度が第２の閾値温度を超えていないと判断された場合には、ダンパ２２の制御は不要であると判断され、処理が終了する。一方、ステップＳ２０４において、排ガスの温度が第２の閾値温度以下であると判断された場合には、ダンパ２２が開放される（ステップＳ２０５）。
【００４８】
この形態においても、温度検出部２５が検出する温度によってダンパ２２を開閉するため、意図しない排ガス流量の増加による筐体２３内の各部の温度低下を抑制でき、安定的な発電を維持できる。また、予め定める第１の閾値温度未満であるか否かを基準としてダンパ２２の開閉を判断するため、燃料電池システム１の発電や寿命に影響を及ぼさない程度の排ガス温度の低下（排ガス流量の増加）ではダンパ２２の閉鎖動作が不要となり、ダンパ２２の機械的劣化を抑制することができる。
【００４９】
また、この形態では、温度検出部２５によって検出される排ガス温度の低下が、燃料電池システム１の運転に起因するものであるか否かを判断してダンパ２２の開閉を実行する。このため、ダンパ２２の機械的劣化の一層の抑制が図られる。また、温度検出部２５によって検出される排ガス温度が第１の閾値温度よりも高い第２の閾値温度を超えている場合にダンパ２２の開放動作を実行するため、ダンパ２２の頻繁な閉鎖動作が不要となり、ダンパ２２の機械的劣化を抑制することができる。意図しない排ガス温度の低下（排ガス流量増加）が解消した場合は、速やかに正常時の排気経路の状態に戻すことができる。
【００５０】
図８は、ダンパの動作制御の第３形態を示すフローチャートである。この第３形態は、排ガスの温度の単位時間当たりの変化量をダンパ２２の制御判断に加味している点で、上記第２形態と異なっている。同図の例では、まず、温度検出部２５によって検出される排ガスの温度が第１の閾値温度よりも低い第３の閾値温度（下限温度）未満であるか否かの判断がなされる（ステップＳ３０１）。
【００５１】
ステップＳ３０１において、排ガスの温度が燃料電池システム１の運転を許容することができる下限温度（第３の閾値温度）未満であると判断された場合、燃料電池システム１が停止される（ステップＳ３０２）。ダンパ２２の一時的な閉鎖では抑制できないような著しい温度低下が生じた場合に迅速に燃料電池システム１を停止させることにより、セルスタック５の短寿命化を抑制できる。このステップＳ３０１及びステップＳ３０２の処理は、上述した第１形態及び第２形態に適用してもよい。一方、ステップＳ３０１において、排ガスの温度が下限温度（第３の閾値温度）以上であると判断された場合、次に、温度検出部２５によって検出される排ガスの温度が予め定められた第１の閾値温度未満であるか否かの判断がなされる（ステップＳ３０３）。ステップＳ３０３において、排ガスの温度が第１の閾値温度以上であると判断された場合、排ガスの温度の単位時間当たりの低下量が所定の第１の変化量を超えているか否かの判断がなされる（ステップＳ３０４）。
【００５２】
ステップＳ３０３において、排ガスの温度が第１の閾値温度未満であると判断された場合、又はステップＳ３０４において、排ガスの温度の単位時間当たりの低下量が第１の変化量を超えていると判断された場合、次に、燃料電池システム１が排気経路に流通する排ガスの温度が低下するような運転制御を実行しているか否かの判断がなされる（ステップＳ３０５）。排ガスの温度が低下するような運転制御が実行されていると判断された場合、ダンパ２２の制御は不要であると判断され、処理が終了する。一方、排ガスの温度が低下するような運転制御が実行されていないと判断された場合、ダンパ２２の閉鎖がなされる（ステップＳ３０６）。
【００５３】
一方、ステップＳ３０４において、排ガスの温度の単位時間当たりの低下量が第１の変化量以下であると判断された場合、次に、排ガスの温度が第１の閾値温度よりも高い第２の閾値温度を超えているか否かの判断がなされる（ステップＳ３０７）。ステップＳ３０７において、排ガスの温度が第２の閾値温度以下であると判断された場合、次に、排ガスの温度の単位時間当たりの上昇量が所定の第２の変化量を超えているか否かの判断がなされる（ステップＳ３０８）。ステップＳ３０８において、排ガスの温度の単位時間当たりの上昇量が所定の第２の変化量以下であると判断された場合、ダンパ２２の制御は不要であると判断され、処理が終了する。
【００５４】
ステップＳ３０７において、排ガスの温度が第２の閾値温度を超えていると判断された場合、又はステップＳ３０８において、排ガスの温度の単位時間当たりの上昇量が所定の第２の変化量を超えていると判断された場合、ダンパ２２の開放がなされる（ステップＳ３０９）。
【００５５】
この形態においても、温度検出部２５が検出する温度によってダンパ２２を開閉するため、意図しない排ガス流量の増加による筐体２３内の各部の温度低下を抑制でき、安定的な発電を維持できる。また、予め定める第１の閾値温度未満であるか否かを基準としてダンパ２２の開閉を判断するため、燃料電池システム１の発電や寿命に影響を及ぼさない程度の排ガス温度の低下（排ガス流量の増加）ではダンパ２２の閉鎖動作が不要となり、ダンパ２２の機械的劣化を抑制することができる。
【００５６】
また、この形態では、排ガスの温度が第１の閾値温度を超えていても、単位時間当たりの温度低下量が所定の第１の変化量を超えている場合には、ダンパ２２が閉鎖され、より迅速に意図しない排ガス流量増加（排ガス温度低下）を抑制できる。また、排ガスの温度が第２の閾値温度以下であっても、単位時間当たりの温度上昇量が所定の第２の変化量を超えている場合には、ダンパ２２が開放され、より迅速に正常時の排気経路の状態に戻すことができる。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池システム、５…セルスタック、１５…熱交換部、２１…発電部、２２…ダンパ、２４…排気口、２５…温度検出部、２６…制御部、２７…燃焼触媒部、３０Ａ〜３０Ｄ…排気経路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年6月5日(2013.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、
少なくとも前記発電部から排出される排出ガスをシステムの外部に排出させる排気口と、
前記発電部と前記排気口との間の排気経路に配置され、前記排気口に向かって流れる前記排出ガスの流量を調整するダンパと、
前記発電部の下流且つ前記ダンパの上流に配置され、少なくとも前記排出ガス及び熱媒体を流通させ、前記排出ガスから前記熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱する熱交換部と、
前記ダンパの動作を制御する制御部と、
前記排気経路に配置された温度検出部と、を備え、
前記制御部は、前記温度検出部によって検出される温度自体、又は前記温度検出部によって検出される温度の単位時間当たりの変化量に基づいて、前記ダンパの開閉を制御する燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度検出部によって検出される温度が予め定められた第１の閾値温度未満である場合、又は前記温度検出部によって検出される温度の単位時間当たりの低下量が所定の第１の変化量を超えて低下した場合に、前記制御部は、前記排気経路を流れる前記排出ガスの流量が減少するように前記ダンパを制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記温度検出部によって検出される温度が予め定められた第１の閾値温度未満である場合、又は前記温度検出部によって検出される温度の単位時間当たりの低下量が所定の第１の変化量を超えて低下した場合であって、前記燃料電池システムが前記排気経路に流通する前記排出ガスの温度が低下する運転制御を実行していない場合に、前記制御部は、前記排気経路を流れる前記排出ガスの流量が減少するように前記ダンパを制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記温度検出部によって検出される温度が前記第１の閾値温度よりも高い第２の閾値温度を超えている場合、又は前記温度検出部によって検出される温度の単位時間当たりの上昇量が所定の第２の変化量を超えて上昇した場合に、前記制御部は、前記排気経路を流れる前記排出ガスの流量が増加するように前記ダンパを制御する請求項２又は３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記温度検出部によって検出される温度が前記第１の閾値温度よりも低い第３の閾値温度未満である場合に、前記制御部は、前記システムの運転を停止させる請求項２〜４のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記温度検出部は、前記発電部の出口温度を検出する請求項１〜５のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記発電部の下流且つ前記ダンパの上流に燃焼触媒部を備え、
前記発電部の出口温度は、前記燃焼触媒部の温度である請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記温度検出部は、前記発電部の内部温度を検出する請求項１〜５のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
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