(57)【要約】【課題】燃料電池の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になる際に燃焼器に対して必要以上に未反応の燃料ガスが供給されることを抑制可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ポンプ、燃料オフガスを燃焼させる燃焼器、燃料オフガスの一部を燃料電池の上流に導くリサイクル経路を備える。また、燃料電池システムは、リサイクル経路を介して燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整する循環ポンプ、循環ポンプを制御する制御装置を備える。制御装置は、燃料電池の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になると、燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量が減少し、且つ、燃料電池の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加するように循環ポンプを制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
需要電力に応じた発電電力を出力可能な燃料電池システムであって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ポンプ（３１）と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させる燃焼器（７３）と、
燃料オフガスの一部を前記燃料電池の上流に導くリサイクル経路（８２）と、
前記リサイクル経路を介して前記燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部（８０、８１、５１）と、
前記オフガス循環部を制御する制御装置（１００）と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電電力のうち前記燃料電池に接続される負荷での消費電力を超える余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になると、前記燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量が減少し、且つ、前記燃料電池の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加するように前記オフガス循環部を制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記余剰電力が前記過剰状態になると、先ず前記燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量が増加するように前記オフガス循環部を制御し、その後、前記燃料電池への燃料ガスの供給量が減少するように前記燃料ポンプを制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記オフガス循環部は、前記リサイクル経路に設けられ、前記燃料電池に向けて流れる燃料オフガスの流量を調整する循環ポンプ（８０）を含んでおり、
前記制御装置は、前記余剰電力が前記過剰状態になると、前記リサイクル経路を流れる燃料オフガスの流量が増加するように前記循環ポンプを制御する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記オフガス循環部は、前記燃料ポンプと前記燃料電池との間に設けられたエジェクタ（８１）を含んでおり、
前記エジェクタは、燃料ガスを噴射するノズル部（８１１）、前記ノズル部の絞り開度を調整する可変絞り部（８１４）、前記ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料オフガスの一部を前記リサイクル経路に吸引する吸引部（８１２）、前記ノズル部から噴射される燃料ガスと前記吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して前記燃料電池に向けて吐出する吐出部（８１３）を有し、
前記制御装置は、前記余剰電力が前記過剰状態になると、前記ノズル部の絞り開度が小さくなるように前記可変絞り部を制御する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるガス循環経路（５０）を備え、
前記オフガス循環部は、前記燃料ポンプと前記燃料電池との間に設けられたエジェクタ（８１）、前記ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部（５１）を含んでおり、
前記ガス循環経路は、前記エジェクタの下流から前記燃焼器に至るガス経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスを前記燃料ポンプの上流に導く経路であり、
前記制御装置は、前記余剰電力が前記過剰状態になると、前記ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が増加するように前記流量調整部を制御する、請求項１または２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】
本開示は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムとして、需要電力の変化に発電電力が追従するように燃料電池を動作させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１８６４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムでは、例えば、系統電源の停電等によって、燃料電池の発電電力のうち負荷側で消費される電力を超える余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になると、燃料電池の発電電力が制限される。
【０００５】
この際、燃料電池では、電力制限に対する燃料供給系の応答遅れ等によって発電に利用されない未反応の燃料ガスが増加する。これにより、燃料電池に接続される燃焼器に対して必要以上に未反応の燃料ガスが供給される。この場合、燃焼器の温度が過度に上昇することで、燃焼器および燃焼器の周囲に配置される機器（例えば、燃料電池、改質器）が熱的なダメージを受けてしまう虞がある。
【０００６】
本開示は、燃料電池の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になる際に燃焼器に対して必要以上に未反応の燃料ガスが供給されることを抑制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】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、
需要電力に応じた発電電力を出力可能な燃料電池システムであって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（１０）と、
燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ポンプ（３１）と、
燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させる燃焼器（７３）と、
燃料オフガスの一部を燃料電池の上流に導くリサイクル経路（８２）と、
リサイクル経路を介して燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部（８０、８１、５１）と、
オフガス循環部を制御する制御装置（１００）と、を備え、
制御装置は、燃料電池の発電電力のうち燃料電池に接続される負荷での消費電力を超える余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になると、燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量が減少し、且つ、燃料電池の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加するようにオフガス循環部を制御する。
【０００８】
これによれば、燃料電池の発電電力に含まれる余剰電力が過剰状態になると、燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量が減少するので、燃焼器の温度が過度に上昇することを抑制することができる。
【０００９】
ここで、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすためには、燃料電池への燃料ガスの供給量を減らすことでも実現可能である。しかしながら、この場合、燃料電池への燃料ガスの供給量が不足してしまう可能性がある。燃料電池への燃料ガスの供給量が不足する燃料不足状態になると、例えば、燃料電池の内部に用いられる触媒の劣化が促進されてしまうことから好ましくない。
【００１０】
これに対して、本開示では、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、燃料電池の上流に対する未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスの循環量が増加するので、燃料電池が燃料供給量不足になり難くなる。
【００１１】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置を示す模式図である。
【図３】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する燃料制限処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】第２実施形態の燃料電池システムの制御装置を示す模式図である。
【図６】第２実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する燃料制限処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】第３実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】第３実施形態の燃料電池システムの制御装置を示す模式図である。
【図９】第３実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する燃料制限処理の一例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】
【００１３】
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。
【００１４】
（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。燃料電池システム１は、家庭に適用される電源システムの一部を構成するものであって、需要電力に応じた発電電力を出力可能に構成されている。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（本例では空気中の酸素）の電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型の燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）で構成されている。燃料電池１０は、複数の発電セルを積層したスタック構造を有している。なお、発電セルの形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。
【００１６】
図示しないが発電セルは、固体酸化物電解質、空気極（すなわち、カソード）、燃料極（すなわち、アノード）を含んで構成されている。燃料極には、シフト反応等に活性の高いニッケルと電解質材料であるイットリア安定化ジルコニアのサーメット等が用いられている。本実施形態の発電セルは、炭化水素系の燃料である都市ガス（すなわち、メタンを主成分とするガス）を改質して生成される水素および一酸化炭素を燃料ガスとしている。なお、使用する燃料は、炭化水素系の燃料であれば、都市ガス以外のガスが採用されていてもよい。
【００１７】
燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
【００１８】
（燃料極）２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  …（Ｆ１）
【００１９】
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−  …（Ｆ２）
また、燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
【００２０】
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ２−→２ＣＯ２＋４ｅ−  …（Ｆ３）
【００２１】
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−  …（Ｆ４）
燃料電池１０には、燃料電池１０から出力される電流・電圧を検出する電流・電圧検出部１０１、燃料電池１０で発生した電気エネルギを取り出すためのパワーコンディショナＰＣ等が接続されている。
【００２２】
パワーコンディショナＰＣは、燃料電池１０で発生した直流電力を交流電力に変換する。具体的には、パワーコンディショナＰＣは、燃料電池１０で発生した直流電力を取り出して昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ、直流電力を交流電力に変換するＤＣ−ＡＣインバータを含んで構成されている。
【００２３】
パワーコンディショナＰＣには、電力ラインを介して家庭内の負荷が接続されている。これにより、燃料電池１０で発生した電気エネルギが、パワーコンディショナＰＣを介して家庭内の負荷に供給される。
【００２４】
また、パワーコンディショナＰＣには、燃料電池１０の発電電力のうち負荷側での消費電力を超える余剰電力を消費するためのヒータが接続されている。このヒータは、例えば、家庭内の貯湯ユニットの温水の加熱に利用される。ヒータは、その消費電力が燃料電池１０の発電電力の最大出力よりも低いものが採用されている。
【００２５】
図示しないが、燃料電池１０は、後述する空気予熱器２２、改質器３２、気化器４２、燃焼器７３等とともに断熱性を有するハウジングの内側に配置されている。燃料電池１０は、起動時に後述する燃焼器７３によって暖機される。
【００２６】
燃料電池１０は、空気入口部１０ａに、空気の流通経路である空気経路２０が接続されている。空気経路２０には、燃料電池１０に空気を圧送する圧送ブロワ２１、燃料電池１０に供給する空気を加熱する空気予熱器２２が設けられている。
【００２７】
圧送ブロワ２１は、大気中の空気を吸い込んで燃料電池１０に供給する酸化剤ポンプである。圧送ブロワ２１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動式のブロワで構成されている。
【００２８】
空気予熱器２２は、圧送ブロワ２１から圧送された空気を後述する燃焼器７３で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する熱交換器である。空気予熱器２２は、燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池１０の発電効率の向上を図るために設けられている。
【００２９】
一方、燃料電池１０は、燃料入口部１０ｂに、燃料や燃料ガスの流通経路である燃料経路３０が接続されている。燃料経路３０には、上流側から順に、燃料開閉弁３３、燃料ポンプ３１、改質器３２が設けられている。
【００３０】
燃料ポンプ３１は、燃料電池１０側に向けて燃料を供給するためのポンプである。燃料ポンプ３１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
【００３１】
改質器３２は、水蒸気を用いて燃料ポンプ３１から供給された燃料を改質して燃料ガスを生成するものである。改質器３２は、例えば、ニッケルを含む水蒸気改質触媒、反応器を含んで構成されている。
【００３２】
ここで、改質器３２としては、部分酸化改質反応により燃料ガスを生成する構成とすることも考えられるが、この場合、改質器３２の構成機器に温度耐久性等が要求され、非常に高価になってしまう。このため、本実施形態では、改質器３２として、部分酸化改質反応ではなく水蒸気改質反応により燃料ガスを生成するものを採用している。
【００３３】
具体的には、改質器３２は、燃料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱するとともに、以下の反応式Ｆ５に示す改質反応、および反応式Ｆ６に示すシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）を生成する。
【００３４】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２  …（Ｆ５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２  …（Ｆ６）
ここで、改質器３２における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。このため、改質器３２は、燃料電池１０の発電時に周囲に放出される熱（放射熱）を吸熱できるように、燃料電池１０の周囲に配設されていることが望ましい。
【００３５】
改質器３２の出口側には、図示しないが改質器３２の温度を検出するための改質温度センサが設置されている。改質温度センサは、改質器３２を通過した後の燃料ガスの温度を検出する温度センサである。
【００３６】
燃料経路３０には、燃料ポンプ３１の上流に燃料開閉弁３３が設けられている。この燃料開閉弁３３は、燃料経路３０における燃料ポンプ３１の上流を開閉することで、外部からの燃料供給が可能な燃料供給状態と、外部からの燃料供給ができない燃料遮断状態とに切り替える切替手段である。燃料開閉弁３３は、制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。
【００３７】
燃料経路３０には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間に水供給経路４０が接続されている。水供給経路４０には、システム外部から水を供給する水ポンプ４１、改質器３２へ供給する水蒸気を生成する気化器４２が設けられている。
【００３８】
水ポンプ４１は、気化器４２を介して改質器３２側に水蒸気を供給するポンプである。水ポンプ４１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
【００３９】
気化器４２は、燃焼ガスによって昇温するように構成されている。具体的には、気化器４２は、水ポンプ４１から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器で構成されている。
【００４０】
気化器４２には、図示しないが気化器４２の温度を検出するための気化温度センサが設置されている。気化温度センサは、気化器４２を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。
【００４１】
また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出するオフガスが流れるオフガス経路７０が接続されている。具体的には、燃料電池１０には、空気出口部１０ｃに燃料電池１０から排出される酸化剤オフガスが流れる空気排出経路７１が接続され、燃料出口部１０ｄに燃料電池１０から排出される燃料オフガスが流れる燃料排出経路７２が接続されている。
【００４２】
オフガス経路７０には、燃焼器７３が接続されている。燃焼器７３は、燃料または燃料オフガスを燃焼させることで改質器３２等を昇温させる燃焼ガスを生成するものである。燃焼器７３は、例えば、燃料電池１０の発電時に、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池システム１の各機器を昇温させるための燃焼ガスを生成する。図示しないが、燃焼器７３は、燃料を燃焼させるためのバーナを有している。燃焼器７３では、バーナの点火によって、燃料の燃焼が開始される。
【００４３】
燃焼器７３には、高温の燃焼ガスを流通させる燃焼ガス経路７４が接続されている。燃焼ガス経路７４は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効活用すべく、上流側から順に、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２、触媒燃焼器７５といった順に接続されている。
【００４４】
触媒燃焼器７５は、システム外部に排気するオフガス中の水素濃度等を低下させるものである。触媒燃焼器７５は、燃料オフガスに含まれる水を触媒上で燃焼可能なように、例えば、白金等が担持された触媒を含む燃焼器で構成されている。なお、燃焼ガスを各機器に流す順序は、各機器にて必要とされる熱量等に応じて変更してもよい。
【００４５】
ここで、燃料排出経路７２には、燃料電池１０から排出された燃料オフガスの一部を燃料電池１０の上流に導くリサイクル経路８２が接続されている。リサイクル経路８２は、一端側が燃料排出経路７２に接続され、他端側が燃料経路３０における燃料ポンプ３１と改質器３２との間に接続されている。
【００４６】
リサイクル経路８２には、循環ポンプ８０が設けられている。循環ポンプ８０は、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０に向けて流れる燃料オフガスの流量を調整するものである。循環ポンプ８０は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。なお、循環ポンプ８０は、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部を構成している。
【００４７】
次に、燃料電池システム１における電子制御部を構成する制御装置１００について図２を参照して説明する。図２に示す制御装置１００は、プロセッサ、メモリを含むマイクロコンピュータと、その周辺回路で構成されている。制御装置１００は、メモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する。
【００４８】
制御装置１００の入力側には、電流・電圧検出部１０１を含む各種センサが接続されており、各種センサの検出結果が制御装置１００に入力されるようになっている。制御装置１００には、操作パネル１０５が接続されている。操作パネル１０５には、燃料電池１０の発電をオンオフするための運転スイッチ１０５ａ、燃料電池１０の作動状態を表示するディスプレイ１０５ｂ等が設けられている。
【００４９】
一方、制御装置１００の出力側には、制御機器として、圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３１、水ポンプ４１、循環ポンプ８０、図示しない燃焼器７３のバーナ等が接続されている。これら制御機器は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
【００５０】
また、制御装置１００は、家庭内の負荷の需要電力に応じて、燃料電池１０の発電電力を制御し、これに合わせてパワーコンディショナＰＣを制御する。なお、燃料電池１０の発電電力の制御は、燃料電池１０の燃料供給系（すなわち、燃料電池１０に対する燃料ガスの供給量）を制御することによって実現される。
【００５１】
また、制御装置１００は、燃料電池１０の発電電力の制御と並行し、燃料電池１０から取り出す電流（掃引電流）が、目標発電電力により定まる目標電流値に近づくようにパワーコンディショナＰＣを制御する。
【００５２】
次に、燃料電池システム１の作動について説明する。燃料電池システム１は、運転スイッチ１０５ａがオンされると制御装置１００によって燃料電池１０を起動させる起動処理が実行される。
【００５３】
制御装置１００は、例えば、起動処理において、燃焼器７３に対して燃料および空気を供給した状態でバーナを点火する。これにより、燃焼器７３では、バーナの点火によって燃料および空気の混合ガスが可燃ガスとして燃焼されることで高温の燃焼ガスが生成される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路７４を流れる際に改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。これにより、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２が昇温する。また、燃料電池１０は、燃焼器７３、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２から受熱すること等によって昇温する。なお、制御装置１００は、起動処理の実行時に、燃料経路３０が燃料供給状態となるように燃料開閉弁３３を制御する。
【００５４】
制御装置１００は、上述の起動処理によって改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２、燃料電池１０等が燃料電池１０の発電に適した温度状態になると、発電処理を実行する。制御装置１００は、例えば、起動処理の開始後、電池温度センサの検出温度が所定の発電基準温度（例えば、５００℃）以上となると、発電処理を実行する。
【００５５】
制御装置１００は、発電処理において、燃料電池１０に対して発電に適した量の酸化剤ガスをおよび燃料ガスが供給されるように圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３１、水ポンプ４１、循環ポンプ８０を制御する。
【００５６】
圧送ブロワ２１から吹き出される酸化剤ガスは、空気予熱器２２に流入し、燃焼ガスとの熱交換によって昇温される。そして、空気予熱器２２を通過した空気は、燃料電池１０に流入する。
【００５７】
また、燃料ポンプ３１から吐出される燃料は、燃料経路３０の途中において気化器４２で生成された水蒸気と混合された後、改質器３２に流入する。改質器３２では、燃料および水蒸気の混合ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ５、Ｆ６に示す反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）が生成される。そして、改質器３２で生成された燃料ガスは、燃料電池１０に流入する。
【００５８】
燃料電池１０は、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ１〜Ｆ４に示す反応により電気エネルギを出力する。この際、燃料電池１０は、オフガス経路７０にオフガスを排出する。
【００５９】
燃料電池１０から排出されたオフガスは、可燃ガスとして燃焼器７３で燃焼される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路７４を流れる際に改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。
【００６０】
本実施形態の燃料電池システム１には、燃料オフガスに含まれる未反応ガスを再利用するためにリサイクル経路８２が設けられている。このため、燃料排出経路７２を流れる燃料オフガスの一部は、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に導かれ、燃料電池１０の発電に再利用される。
【００６１】
ところで、制御装置１００は、燃料電池１０の発電中に、系統電源が停電すると、燃料電池１０が家庭内の負荷から切り離されるようにパワーコンディショナＰＣを制御する。
【００６２】
この際、単に、燃料電池１０を家庭内の負荷から切り離すと、負荷側で消費しきれない余剰電力が過剰になるため、制御装置１００は、燃料電池１０の発電電力を制限する。すなわち、燃料電池システム１では、系統電源の停電時の如く、燃料電池１０の余剰電力が過剰になると、制御装置１００によって燃料電池１０の発電電力が制限される。
【００６３】
但し、燃料電池１０では、電力制限に対する燃料供給系の応答遅れ等によって発電に利用されない未反応の燃料ガスが増加する。この場合、燃焼器７３に対して必要以上の未反応の燃料ガスが供給され、燃焼器７３の温度が過度に上昇することがある。
【００６４】
これに対して、本実施形態の制御装置１００は、燃焼器７３に対して必要以上の未反応の燃料ガスが供給されることを抑制する燃料制限処理を実行する。燃料制限処理については、図３に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図３に示す燃料制限処理は、燃料電池１０の発電中に制御装置１００によって周期的または不定期に実行される。
【００６５】
図３に示すように、制御装置１００は、ステップＳ１００にて、入力側に接続される各種センサ、操作パネル１０５、パワーコンディショナＰＣ等からの信号を読み込む。
【００６６】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ１１０にて、燃料電池１０の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になっているか否かを判定する。なお、燃料電池１０の余剰電力は、燃料電池１０の発電電力のうち家庭内の負荷での消費電力を超える電力である。また、基準電力は、例えば、ヒータにて消費可能な電力の最大値に設定される。
【００６７】
具体的には、ステップＳ１１０の判定処理では、燃料電池１０の発電電力と家庭内の負荷で必要とされる電力との差分を余剰電力として算出し、当該余剰電力を基準電力と比較し、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になっているか否かを判定する。なお、系統電源の停電時には、燃料電池１０の発電電力が負荷側で消費されないので、燃料電池１０の余剰電力が基準電力を上回る過剰状態になる。このため、ステップＳ１１０の判定処理では、系統電源の停電の有無に基づいて余剰電力が過剰状態になっているか否かを判定するようになっていてもよい。
【００６８】
ステップＳ１１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態ではなく許容状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ１２０にて、通常能力で駆動されるように燃料ポンプ３１および循環ポンプ８０を制御する。
【００６９】
一方、ステップＳ１１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ１３０にて、通常能力よりも高い能力で駆動されるように循環ポンプ８０を制御する。すなわち、制御装置１００は、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加するように循環ポンプ８０を制御する。
【００７０】
これにより、リサイクル経路８２を介して、燃料電池１０の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加する。そして、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加した分、燃焼器７３に供給される燃料オフガスの供給量が減少する。
【００７１】
ステップＳ１３０にて循環ポンプ８０を制御した後、制御装置１００は、ステップＳ１４０にて、通常能力よりも低い能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。これにより、改質器３２への燃料の供給量が減少し、外部から燃料電池１０へ供給される燃料ガスの供給量が減少する。なお、ステップＳ１４０の処理は、制御装置１００によってステップＳ１３０の処理が実行されてから所定時間経過した後に実行される。この所定時間は、例えば、ステップＳ１３０の処理を実行してから燃料電池１０に供給される燃料ガスの供給量が増え始めるまでに要する時間に設定される。
【００７２】
なお、系統電源が停電から復旧すると、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態から許容状態に移行し、燃焼器７３に対して供給される燃料ガスの供給量も適正な量となる。このため、燃料電池システム１は、系統電源が停電から復旧すると、制御装置１００によって、通常能力で駆動されるように燃料ポンプ３１および循環ポンプ８０が制御されるように構成されている。
【００７３】
また、系統電源の停電時は、燃料電池１０に余剰電力が生ずる。この余剰電力は、例えば、家庭内の貯湯ユニットの温水を加熱するヒータによって消費される。
【００７４】
以上説明した燃料電池システム１は、系統電源の停電等によって燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加するように制御装置１００によって循環ポンプ８０が制御される。
【００７５】
これにより、燃料電池システム１では、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加し、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加した分、燃焼器７３に供給される燃料オフガスの供給量が減少する。この結果、系統電源の停電等に、燃焼器７３の温度が過度に上昇することが抑制される。
【００７６】
ここで、燃焼器７３への燃料オフガスの供給量を減らすことは、燃料ポンプ３１による燃料ガスの供給能力を低下させることで、燃料電池１０への燃料ガスの供給量を減らすことでも実現可能である。しかしながら、この場合、燃料電池１０への燃料ガスの供給量が不足してしまう。燃料電池１０への燃料ガスの供給量が不足する燃料不足状態になると、例えば、燃料電池１０の内部に用いられる触媒の劣化が促進されてしまうことから好ましくない。
【００７７】
これに対して、本開示では、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、燃料電池１０の上流に対する未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスの循環量が増加するので、燃料電池１０が燃料供給量不足になり難くなる。
【００７８】
加えて、制御装置１００は、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、先ず燃料電池１０の上流に戻す燃料オフガスの循環量が増加するように循環ポンプ８０を制御した後、燃料電池１０への燃料ガスの供給量が減少するように燃料ポンプ３１を制御する。これによれば、燃料電池１０が燃料不足状態となることを回避しつつ、燃焼器７３への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。この際、燃料電池１０への燃料ガスの供給量が減少するように燃料ポンプ３１を制御するので、外部からの燃料の投入量を減らすことができる。
【００７９】
ところで、系統電源の停電時に、燃料電池１０の発電電力を制限せず、燃料電池１０の余剰電力の全てをヒータ等で消費する構成とすることも考えられる。
【００８０】
しかしながら、燃料電池１０の余剰電力の全てをヒータ等で消費するためには、ヒータの大型化およびコスト増大が避けられないといった背反がある。
【００８１】
これに対して、本実施形態の燃料電池システム１は、系統電源の停電時に、燃料電池１０の発電電力を制限するので、余剰電力を消費するためのヒータとして大型で高価なものを用意する必要がないといった利点がある。
【００８２】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図４〜図６を参照して説明する。本実施形態では、循環ポンプ８０に代えてエジェクタ８１が設けられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【００８３】
図４に示すように、燃料経路３０には、燃料経路３０には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間にエジェクタ８１が設けられている。エジェクタ８１は、燃料ガスを噴射するノズル部８１１、燃料電池１０の出口側から燃料オフガスを吸引する吸引部８１２、ノズル部８１１から噴射される燃料ガスと吸引部８１２から吸引される燃料オフガスとを混合して吐出する吐出部８１３を有する。
【００８４】
ノズル部８１１は、流体を噴射可能な絞り構造を有している。ノズル部８１１は、例えば、流路の出口よりも手前に最小の流路面積となる部位があるラバールノズルで構成される。なお、ノズル部８１１は、先細ノズルで構成されていてもよい。
【００８５】
エジェクタ８１の吐出部８１３は、ノズル部８１１からの流体および吸引部８１２からの流体が混合された後に昇圧されるように流路断面積が下流側に向かって拡大している。吐出部８１３の下流には、改質器３２の入口が接続されている。
【００８６】
エジェクタ８１の吸引部８１２は、ノズル部８１１の出口側の負圧を利用して燃料電池１０の出口側から流体を吸引するように構成されている。具体的には、吸引部８１２には、燃料排出経路７２を流れる流体が吸引されるように、燃料排出経路７２から分岐するリサイクル経路８２が接続されている。
【００８７】
ここで、本実施形態のエジェクタ８１は、ノズル部８１１の絞り開度を調整する可変絞り部８１４が設けられている。可変絞り部８１４は、例えば、先端側に向かって断面積が縮小する円錐状のニードル、当該ニードルをノズル部８１１の内側で軸方向に変位させる駆動部を含む構成になっている。本実施形態では、エジェクタ８１が、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部を構成する。
【００８８】
図５に示すように、制御装置１００の出力側には、制御機器として、可変絞り部８１４が接続されている。可変絞り部８１４は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
【００８９】
次に、本実施形態の燃料電池システム１の制御装置１００が実行する燃料制限処理について、図６を参照して説明する。なお、図６に示す燃料制限処理は、燃料電池１０の発電中に制御装置１００によって周期的または不定期に実行される。
【００９０】
図６に示すように、制御装置１００は、ステップＳ２００にて、入力側に接続される各種センサ、操作パネル１０５、パワーコンディショナＰＣ等からの信号を読み込む。
【００９１】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ２１０にて、燃料電池１０の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になっているか否かを判定する。なお、ステップＳ２１０の判定処理は、図３のステップＳ１１０の判定処理と同様であるため、その説明を省略する。
【００９２】
ステップＳ２１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態ではなく許容状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ２２０にて、通常能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。同時に、制御装置１００は、ノズル部８１１の絞り開度が通常開度となるようにエジェクタ８１の可変絞り部８１４を制御する。
【００９３】
一方、ステップＳ２１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ２３０にて、ノズル部８１１が通常開度よりも小さい絞り開度となるようにエジェクタ８１の可変絞り部８１４を制御する。
【００９４】
エジェクタ８１は、ノズル部８１１の絞り開度が小さくなると、ノズル部８１１の出口側の圧力が低下することで、リサイクル経路８２を介して吸引部８１２に吸引される燃料オフガスの流量が増加する。つまり、ノズル部８１１の絞り開度が小さくなると、リサイクル経路８２を介して、燃料電池１０の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加する。そして、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加した分、燃焼器７３に供給される燃料オフガスの供給量が減少する。
【００９５】
ステップＳ２３０にてエジェクタ８１を制御した後、制御装置１００は、ステップＳ２４０にて、通常能力よりも低い能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。これにより、改質器３２への燃料の供給量が減少し、外部から燃料電池１０へ供給される燃料ガスの供給量が減少する。なお、ステップＳ２４０の処理は、制御装置１００によってステップＳ２３０の処理が実行されてから所定時間経過した後に実行される。この所定時間は、例えば、ステップＳ２３０の処理を実行してから燃料電池１０に供給される燃料ガスの供給量が増え始めるまでに要する時間に設定される。
【００９６】
以上説明した燃料電池システム１は、系統電源の停電等によって燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加するように制御装置１００によってエジェクタ８１の可変絞り部８１４が制御される。これによれば、第１実施形態で説明した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
特に、本実施形態の燃料電池システム１は、オフガス循環部がエジェクタ８１で構成されている。これによると、動力を増やすことなく、燃料電池１０に供給する燃料ガスの供給量を増加させることができる。
【００９７】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。本実施形態では、燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるガス循環経路５０が設けられている点が第２実施形態と相違している。本実施形態では、第２実施形態と異なる部分について主に説明し、第２実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【００９８】
図７に示すように、燃料電池システム１には、燃料経路３０に対してガス循環経路５０が接続されている。ガス循環経路５０は、エジェクタ８１の下流から燃焼器７３に至るガス経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの一部を燃料ポンプ３１の上流に戻すための経路である。
【００９９】
具体的には、ガス循環経路５０は、一端側が燃料経路３０における燃料開閉弁３３と燃料ポンプ３１との間に接続され、他端側が燃料経路３０における改質器３２と燃料電池１０との間に接続されている。
【０１００】
ガス循環経路５０には、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの流量を調整するための流量調整部５１が設けられている。流量調整部５１は、ガス循環経路５０の流路開度を制御することで、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの流量を調整するように構成されている。流量調整部５１は、制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。
【０１０１】
ここで、本実施形態のエジェクタ８１は、可変絞り部８１４が省略されている。すなわち、本実施形態のエジェクタ８１は、ノズル部８１１の絞り開度が固定された固定絞り構造になっている。なお、本実施形態では、エジェクタ８１および流量調整部５１が、リサイクル経路８２を介して燃料電池１０の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部を構成する。
【０１０２】
図８に示すように、制御装置１００の出力側には、制御機器として、流量調整部５１が接続されている。流量調整部５１は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
【０１０３】
次に、本実施形態の燃料電池システム１の制御装置１００が実行する燃料制限処理について、図９を参照して説明する。なお、図９に示す燃料制限処理は、燃料電池１０の発電中に制御装置１００によって周期的または不定期に実行される。
【０１０４】
図９に示すように、制御装置１００は、ステップＳ３００にて、入力側に接続される各種センサ、操作パネル１０５、パワーコンディショナＰＣ等からの信号を読み込む。
【０１０５】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ３１０にて、燃料電池１０の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になっているか否かを判定する。なお、ステップＳ３１０の判定処理は、図３のステップＳ１１０の判定処理と同様であるため、その説明を省略する。
【０１０６】
ステップＳ３１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態ではなく許容状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ３２０にて、通常能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。同時に、制御装置１００は、ガス循環経路５０の流路開度が通常開度（例えば、全閉となる開度）となるように流量調整部５１を制御する。
【０１０７】
一方、ステップＳ３１０の判定処理の結果、余剰電力が過剰状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ３３０にて、ガス循環経路５０が通常開度よりも大きい流路開度となるように流量調整部５１を制御する。
【０１０８】
ガス循環経路５０が通常開度よりも大きい流路開度になると、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの流量が増加する。これにより、エジェクタ８１のノズル部８１１に流入するガスの流量が増加する。
【０１０９】
エジェクタ８１は、ノズル部８１１に流入するガスの流量が増加すると、ノズル部８１１から噴射される駆動流のエネルギが大きくなることで、リサイクル経路８２を介して吸引部８１２に吸引される燃料オフガスの流量が増加する。
【０１１０】
このように、ガス循環経路５０が通常開度よりも大きい流路開度になると、リサイクル経路８２を介して、燃料電池１０の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加する。そして、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加した分、燃焼器７３に供給される燃料オフガスの供給量が減少する。
【０１１１】
ステップＳ３３０にて流量調整部５１を制御した後、制御装置１００は、ステップＳ３４０にて、通常能力よりも低い能力で駆動されるように燃料ポンプ３１を制御する。これにより、改質器３２への燃料の供給量が減少し、外部から燃料電池１０へ供給される燃料ガスの供給量が減少する。なお、ステップＳ３４０の処理は、制御装置１００によってステップＳ３３０の処理が実行されてから所定時間経過した後に実行される。この所定時間は、例えば、ステップＳ３３０の処理を実行してから燃料電池１０に供給される燃料ガスの供給量が増え始めるまでに要する時間に設定される。
【０１１２】
以上説明した燃料電池システム１は、系統電源の停電等によって燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、リサイクル経路８２を流れる燃料オフガスの流量が増加するように制御装置１００によって流量調整部５１が制御される。これによれば、第１、第２実施形態で説明した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【０１１３】
（第３実施形態の変形例）
上述の第３実施形態では、ガス循環経路５０が燃料経路３０における改質器３２と燃料電池１０との間に接続されているものを例示したが、これに限定されない。ガス循環経路５０は、例えば、燃料オフガスが流れるように燃料排出経路７２に接続されていてもよい。
【０１１４】
（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
【０１１５】
上述の実施形態の如く、燃料制限処理は、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、先ず循環ポンプ８０を制御した後、燃料ポンプ３１を制御することが望ましいが、これに限定されない。燃料制限処理では、例えば、燃料電池１０の余剰電力が過剰状態になると、循環ポンプ８０および燃料ポンプ３１を同時に制御してもよい。
【０１１６】
上述の実施形態では、改質器３２等の燃料ガスを生成すための機器を備える燃料電池システム１を例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、システムの外部で生成された燃料ガスが供給される構成になっていてもよい。この場合、システム構成が簡素になる。
【０１１７】
上述の実施形態では、燃料電池１０が固体酸化物型の燃料電池で構成されるものを例示したが、これに限定されない。燃料電池１０は、例えば、固体高分子型の燃料電池（すなわち、ＰＥＦＣ）で構成されていてもよい。
【０１１８】
上述の実施形態では、燃料電池システム１として、家庭に適用される電源システムの一部を構成するものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、車両の駆動に利用される電源システムに適用されていてもよい。
【０１１９】
上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【０１２０】
上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
【０１２１】
上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
【０１２２】
（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ポンプ、燃料オフガスを燃焼させる燃焼器、燃料オフガスの一部を燃料電池の上流に導くリサイクル経路を備える。また、燃料電池システムは、リサイクル経路を介して燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量を調整するオフガス循環部、オフガス循環部を制御する制御装置を備える。制御装置は、燃料電池の余剰電力が所定の基準電力を上回る過剰状態になると、燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量が減少し、且つ、燃料電池の上流に戻される燃料オフガスの循環量が増加するようにオフガス循環部を制御する。
【０１２３】
第２の観点によれば、制御装置は、余剰電力が過剰状態になると、先ず燃料電池の上流に戻す燃料オフガスの循環量が増加するようにオフガス循環部を制御し、その後、燃料電池への燃料ガスの供給量が減少するように燃料ポンプを制御する。
【０１２４】
このように、燃料電池への燃料オフガスの循環量が増加するようにオフガス循環部を制御した後に、燃料電池への燃料ガスの供給量を減少させれば、燃料電池が燃料不足状態となることを回避しつつ、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。
【０１２５】
第３の観点によれば、オフガス循環部は、リサイクル経路に設けられ、燃料電池に向けて流れる燃料オフガスの流量を調整する循環ポンプを含んでいる。制御装置は、余剰電力が過剰状態になると、リサイクル経路を流れる燃料オフガスの流量が増加するように循環ポンプを制御する。
【０１２６】
これによると、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、制御装置によってリサイクル経路を流れる燃料オフガスの流量が増加するように循環ポンプが制御されるので、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。
【０１２７】
第４の観点によれば、オフガス循環部は、燃料ポンプと燃料電池との間に設けられたエジェクタを含んでいる。エジェクタは、燃料ガスを噴射するノズル部、ノズル部の絞り開度を調整する可変絞り部、燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引する吸引部、ノズル部から噴射される燃料ガスと吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して吐出する吐出部を有する。制御装置は、余剰電力が前記過剰状態になると、ノズル部の絞り開度が小さくなるように可変絞り部を制御する。
【０１２８】
このように、オフガス循環部をエジェクタで構成すれば、動力を増やすことなく、燃料電池に供給する燃料ガスの供給量を増加させることができる。
【０１２９】
加えて、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、制御装置によってノズル部の絞り開度が小さくなるように可変絞り部が制御される。エジェクタは、ノズル部の絞り開度が小さくなると、ノズル部の出口側の圧力が低下することで、リサイクル経路を介して吸引部に吸引される燃料オフガスの流量が増加する。このため、燃料電池の余剰電力が過剰状態になる際にノズル部の絞り開度が小さくなる構成になっていれば、リサイクル経路を流れる燃料オフガスを増加させ、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。
【０１３０】
第５の観点によれば、燃料電池システムは、燃料ガスまたは燃料オフガスが流れるガス循環経路を備える。オフガス循環部は、燃料ポンプと燃料電池との間に設けられたエジェクタ、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する流量調整部を含んでいる。ガス循環経路は、エジェクタの下流から燃焼器に至るガス経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスを燃料ポンプの上流に導く経路である。制御装置は、余剰電力が過剰状態になると、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が増加するように流量調整部を制御する。
【０１３１】
このように、オフガス循環部をエジェクタで構成すれば、動力を増やすことなく、燃料電池に供給する流体の供給量を増加させることができる。
【０１３２】
加えて、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、制御装置によってガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が増加するように流量調整部が制御される。これによると、エジェクタのノズル部に流入するガスの流量が増加し、ノズル部から噴射される駆動流のエネルギが大きくなることで、リサイクル経路を介して吸引部に吸引される燃料オフガスの流量が増加する。このため、燃料電池の余剰電力が過剰状態になると、ガス循環経路を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が増加する構成になっていれば、リサイクル経路を流れる燃料オフガスを増加させ、燃焼器への燃料オフガスの供給量を減らすことができる。
【符号の説明】
【０１３３】
１        燃料電池システム
１０      燃料電池
３１      燃料ポンプ
７３      燃焼器
８０      循環ポンプ（オフガス循環部）
８２      リサイクル経路
１００    制御装置*/
【図１】
2020170684.tif 000003
【図２】
2020170684.tif 000004
【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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【図９】
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