(57)【要約】【課題】化学フィルタのサイズの大型化やコスト増を防止しつつ、化学フィルタの使用期間の長期化を図る。【解決手段】燃料ガスと空気とに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムは、空気中の不純物を化学反応によって除去可能な化学フィルタと、前記化学フィルタが設けられた化学フィルタ流路と、前記化学フィルタを迂回するバイパス流路とを有し、前記化学フィルタ流路および前記バイパス流路のいずれかを通って前記燃料電池に空気が向かう空気流路と、前記空気流路に設けられ、駆動することで前記燃料電池に空気を供給するブロワと、前記空気流路に設けられ、前記燃料電池に向かう空気が通る流路を前記化学フィルタ流路および前記バイパス流路のいずれかに切り替える切替弁と、を備えるものである。【選択図】図２
2019046706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
空気中の不純物を化学反応によって除去可能な化学フィルタと、
前記化学フィルタが設けられた化学フィルタ流路と、前記化学フィルタを迂回するバイパス流路とを有し、前記化学フィルタ流路および前記バイパス流路のいずれかを通って前記燃料電池に空気が向かう空気流路と、
前記空気流路に設けられ、駆動することで前記燃料電池に空気を供給するブロワと、
前記空気流路に設けられ、前記燃料電池に向かう空気が通る流路を前記化学フィルタ流路および前記バイパス流路のいずれかに切り替える切替弁と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給される空気が間欠的に前記化学フィルタ流路を通るように前記切替弁を制御する制御装置を備える
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定温度以下の場合には空気が前記バイパス流路を通るように前記切替弁を制御し、前記燃料電池の温度が前記所定温度を超える場合には空気が前記化学フィルタ流路を通るように前記切替弁を制御する
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記空気流路を通る空気の流量を取得する流量取得手段を備え、
前記制御装置は、前記空気流路の空気の流量が所定流量以下の場合には空気が前記バイパス流路を通るように前記切替弁を制御し、前記空気流路の空気の流量が前記所定流量を超える場合には空気が前記化学フィルタ流路を通るように前記切替弁を制御する
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電の出力として電圧または電流を取得する出力取得手段を備え、
前記制御装置は、前記電圧または前記電流が所定値以下の場合には空気が前記バイパス流路を通るように前記切替弁を制御し、前記電圧または前記電流が前記所定値を超える場合には空気が前記化学フィルタ流路を通るように前記切替弁を制御する
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の運転を停止する際に、前記燃料電池の温度が所定温度以下となるまでは前記化学フィルタ流路を通した空気により前記燃料電池を冷却するように前記切替弁を制御し、前記燃料電池の温度が前記所定温度以下となった以降は前記バイパス流路を通した空気により前記燃料電池を冷却するように前記切替弁を制御する
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
空気中の不純物を化学反応によらずに物理的に除去する物理フィルタを備え、
前記物理フィルタは、前記バイパス流路に設けられるか、または、前記バイパス流路を通過した空気が通るように前記空気流路に設けられる
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】
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料ガスと空気とに基づいて発電する燃料電池を備え、燃料電池に供給される空気中の不純物を化学反応により吸着して除去可能な化学フィルタが設けられるものが提案されている。例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、アンモニアガスなどの塩基性ガスを吸着するために酸性緩衝液で処理した繊維を含む第１フィルタと、硫黄酸化物ＳＯｘや窒素酸化物ＮＯｘなどの酸化ガスを吸着するために弱アルカリ性金属塩を活性炭混抄紙に担持した第２フィルタと、有機溶剤などのＶＯＣガスを吸着するために金属ゼオライトを担持した繊維を含む第３フィルタとを組み合わせた化学フィルタを用いている。また、特許文献２の燃料電池システムでは、硫黄酸化物ＳＯｘや窒素酸化物ＮＯｘなどの酸化ガスを吸着するための活性炭フィルタと、数μｍ程度の塵埃を吸着するための帯電フィルタとを組み合わせた化学フィルタを用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３３３８１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３４８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した燃料電池システムに用いられる化学フィルタは、頻繁な交換を必要としないように、例えば十年程度などの比較的長期に亘る使用期間が求められる。しかしながら、そのような長期の使用期間を実現するためには、不純物を吸着する吸着層としてより大きな吸着層が必要となり、サイズの大型化やコスト増に繋がってしまう。
【０００５】
本発明は、化学フィルタのサイズの大型化やコスト増を防止しつつ、化学フィルタの使用期間の長期化を図ることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気とに基づいて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、空気中の不純物を化学反応によって除去可能な化学フィルタと、前記化学フィルタが設けられた化学フィルタ流路と、前記化学フィルタを迂回するバイパス流路とを有し、前記化学フィルタ流路および前記バイパス流路のいずれかを通って前記燃料電池に空気が向かう空気流路と、前記空気流路に設けられ、駆動することで前記燃料電池に空気を供給するブロワと、前記空気流路に設けられ、前記燃料電池に向かう空気が通る流路を前記化学フィルタ流路および前記バイパス流路のいずれかに切り替える切替弁と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明の燃料電池システムでは、化学フィルタが設けられた化学フィルタ流路と化学フィルタを迂回するバイパス流路とを有する空気流路に、ブロワと、空気が通る流路を化学フィルタ流路およびバイパス流路のいずれかに切り替える切替弁とが設けられている。このため、燃料電池に供給される空気をバイパス流路に通過させることにより、必ずしも化学フィルタを通過させる必要がないものとすることができる。したがって、化学フィルタの間欠的な使用を可能にして化学フィルタにおける不純物の蓄積を抑えることができるから、化学フィルタのサイズの大型化やコスト増を防止しつつ、化学フィルタの使用期間の長期化を図ることができる。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給される空気が間欠的に前記化学フィルタ流路を通るように前記切替弁を制御する制御装置を備えるものとしてもよい。こうすれば、化学フィルタの間欠的な使用を切替弁の制御により実現するから、化学フィルタの使用期間を簡易な処理で長期化することが可能となる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の温度が所定温度以下の場合には空気が前記バイパス流路を通るように前記切替弁を制御し、前記燃料電池の温度が前記所定温度を超える場合には空気が前記化学フィルタ流路を通るように前記切替弁を制御するものとしてもよい。こうすれば、燃料電池の温度が所定温度以下であるために、化学フィルタを通過しない空気が燃料電池に供給されても燃料電池に到達した不純物による反応が促進されず劣化の進行のおそれが少ない場合に、化学フィルタを使用しないものとすることができる。このため、化学フィルタに空気を通過させないことによる影響を抑えつつ、化学フィルタの使用期間の長期化を図ることができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記空気流路を通る空気の流量を取得する流量取得手段を備え、前記制御装置は、前記空気流路の空気の流量が所定流量以下の場合には空気が前記バイパス流路を通るように前記切替弁を制御し、前記空気流路の空気の流量が前記所定流量を超える場合には空気が前記化学フィルタ流路を通るように前記切替弁を制御するものとしてもよい。こうすれば、燃料電池に流れる空気の流量が所定流量以下であるために、化学フィルタを通過しない空気が燃料電池に供給されても燃料電池に到達する不純物の絶対量が少なく劣化の進行のおそれが少ない場合に、化学フィルタを使用しないものとすることができる。このため、化学フィルタに空気を通過させないことによる影響を抑えつつ、化学フィルタの使用期間の長期化を図ることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電の出力として電圧または電流を取得する出力取得手段を備え、前記制御装置は、前記電圧または前記電流が所定値以下の場合には空気が前記バイパス流路を通るように前記切替弁を制御し、前記電圧または前記電流が前記所定値を超える場合には空気が前記化学フィルタ流路を通るように前記切替弁を制御するものとしてもよい。こうすれば、燃料電池の発電の電圧または電流が所定値以下であるために、化学フィルタを通過しない空気が燃料電池に供給されても燃料電池に到達した不純物による反応が促進されず劣化の進行のおそれが少ない場合に、化学フィルタを使用しないものとすることができる。このため、化学フィルタに空気を通過させないことによる影響を抑えつつ、化学フィルタの使用期間の長期化を図ることができる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の運転を停止する際に、前記燃料電池の温度が所定温度以下となるまでは前記化学フィルタ流路を通した空気により前記燃料電池を冷却するように前記切替弁を制御し、前記燃料電池の温度が前記所定温度以下となった以降は前記バイパス流路を通した空気により前記燃料電池を冷却するように前記切替弁を制御するものとしてもよい。固体酸化物形燃料電池は、比較的高温で反応が行われ空気中の硫黄分などの不純物による劣化が進行し易いため、化学フィルタにより空気中の不純物を除去することが望ましい。また、燃料電池の運転を停止する際には、燃料電池をできるだけ速やかに冷却するために比較的多くの空気を流入させる必要がある。このため、運転を停止する途中で燃料電池の温度が所定温度以下に下がることに基づいて化学フィルタ流路からバイパス流路へと切り替えることで、燃料電池の劣化を抑制しつつ燃料電池を適切に冷却することが可能となる。
【００１４】
本発明の燃料電池システムにおいて、空気中の不純物を化学反応によらずに物理的に除去する物理フィルタを備え、前記物理フィルタは、前記バイパス流路に設けられるか、または、前記バイパス流路を通過した空気が通るように前記空気流路に設けられるものとしてもよい。こうすれば、化学フィルタを使用しない場合でも空気中の不純物を物理的に除去することができるから、化学フィルタに空気を通過させないことによる劣化の進行のおそれを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】エア供給装置５０の構成の概略を示す構成図である。
【図３】起動・停止中切替処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】発電中切替処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】変形例の起動・停止中切替処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】変形例のエア供給装置１５０の構成の概略を示す構成図である。
【図７】変形例のエア供給装置２５０の構成の概略を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１７】
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り、図２はエア供給装置５０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（空気）との供給を受けて電気化学反応により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。
【００１８】
発電ユニット２０は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を予熱する気化器３２と、原燃料ガスと水蒸気と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、燃料ガスとエア（空気）とにより発電する燃料電池スタック３６とを含む発電モジュール３０と、気化器３２に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置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、改質水を気化器３２に供給する改質水供給装置６５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７０と、を備える。これらは、筐体２２に収容されている。筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられており、吸気口２２ａ付近には外気を取り込んで筐体２２の内部を換気するための換気ファン２４が設けられ、排気口２２ｂ付近には可燃ガスの漏れを検出するための可燃ガスセンサ９５が設けられている。
【００１９】
発電モジュール３０を構成する気化器３２、改質器３３および燃料電池スタック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７２へ供給される。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。
【００２０】
排熱回収装置７０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７２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７１を有する。循環配管７１には、循環ポンプ７３が設けられており、循環ポンプ７３を駆動することにより、熱交換器７２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へ貯湯する。熱交換器７２は凝縮水供給管７６を介して改質水タンク６７に接続されると共に排気ガス排出管７７を介して外気と接続されている。熱交換器７２に供給され、貯湯水との熱交換によって凝縮された水は、水精製器（図示せず）を経て改質水タンク６７に回収される。また、凝縮されなかった水分や残りのガス成分は、排気ガス排出管７７を介して外気へ排出される。
【００２１】
原燃料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原燃料ガス供給管４１を有する。原燃料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原燃料ガス供給弁（電磁弁）４２，４３、オリフィス４４、原燃料ガスポンプ４５、脱硫器４６が設けられており、原燃料ガス供給弁４２，４３を開弁した状態で原燃料ガスポンプ４５を駆動することにより、ガス供給源１からの原燃料ガスを脱硫器４６を通過させて気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原燃料ガスは、気化器３２を経て改質器３３へ供給され、燃料ガスへと改質される。原燃料ガス供給弁４２，４３は、直列に接続された２連弁である。脱硫器４６は、原燃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。また、原燃料ガス供給管４１の原燃料ガス供給弁４３とオリフィス４４との間には、当該原料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられ、オリフィス４４と原燃料ガスポンプ４５との間には、原料ガス供給管４１を流れる原燃料ガスの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ４８が設けられている。
【００２２】
エア供給装置５０は、図１，図２に示すように、外気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は、化学フィルタ５２が設けられた化学フィルタ流路５１ａと、化学フィルタ流路５１ａと並列に設けられエアを化学フィルタ５２に通さずに迂回（バイパス）させるバイパス流路５１ｂと、化学フィルタ流路５１ａおよびバイパス流路５１ｂのいずれかを通って導入されたエアを燃料電池スタック３６に供給する供給流路５１ｃとにより構成されている。また、エア供給装置５０は、化学フィルタ流路５１ａおよびバイパス流路５１ｂのいずれか一方を選択的に供給流路５１ｃに接続する三方弁５３と、供給流路５１ｃに設けられた物理フィルタ５４と、供給流路５１ｃにおける物理フィルタ５４の下流側に設けられたエアブロワ５５とを備える。なお、物理フィルタ５４はエアブロワ５５の下流側に設けられていてもよい。また、供給流路５１ｃには、エアブロワ５５の下流側に、供給流路５１ｃ（エア供給管５１）を流れるエアの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ５６が設けられている。化学フィルタ５２は、エア中の不純物を化学反応（化学結合）によって吸着することにより除去可能なものであり、例えば濾材として活性炭や活性炭素繊維、イオン交換繊維などが用いられる。物理フィルタ５４は、化学反応を行わずにエア中の不純物を物理的に捕集して吸着することにより除去可能なものであり、例えば濾材としてガラス繊維などが用いられるいわゆるＨＥＰＡフィルタを例示することができる。なお、化学フィルタ５２は、例えば粒状活性炭を不織布で包んで構成することなどにより、化学反応による吸着に加えて物理的な捕集による吸着を可能としてもよい。化学フィルタは、物理フィルタに比べて硫黄酸化物ＳＯｘや窒素酸化物ＮＯｘなどの除去能力が高く、コストも高くなる傾向にある。
【００２３】
改質水供給装置６５は、改質水を貯蔵する改質水タンク６７と気化器３２とを接続する改質水供給管６６を有する。改質水供給管６６には、改質水ポンプ６８が設けられており、改質ポンプ６８を駆動することにより、改質水タンク６７の改質水を気化器３２へ供給する。気化器３２へ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。
【００２４】
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電極と、固体電解質の他方の面に設けられたカソード電極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、アノード電極に供給される燃料ガス中の水素とカソード電極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。この電気化学反応は、比較的高温（例えば６００〜７００℃程度）で行われるため、エア中に硫黄酸化物ＳＯｘや窒素酸化物ＮＯｘなどの不純物が含まれていると、不純物と電極との化学反応が促進され易く、燃料電池スタック３６の各電極の劣化が引き起こされる。例えば、エア中のＳＯ2に含まれる硫黄分がカソード電極に含まれるＳｒなどの金属と反応して硫酸塩を生成することでカソード電極が変性し、活性が低下するなどのカソード電極の劣化が生じることになる。これらの不純物を除去するため、エア供給管５１に上述した化学フィルタ５２が設けられている。また、化学フィルタ５２で除去する不純物よりも粒子径が大きなほこりや花粉等の物理的な不純物を除去するため、エア供給管５１に上述した物理フィルタ５４が設けられている。
【００２５】
また、燃料電池スタック３６には、当該燃料電池スタック３６の温度（燃料電池温度Ｔ）を検出するための温度センサ９１が設けられている。燃料電池スタック３６の出力端子にはＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを含むパワーコンディショナ７８を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されており、燃料電池スタック３６からの直流電力は、パワーコンディショナ７８による電圧変換および直流／交流変換を経て商用電源２からの交流電力に付加されて負荷４に供給される。燃料電池スタック３６の出力端子に接続された電力ラインには、当該燃料電池スタック３６の出力電流Ｉを検出する電流センサ９２が設けられ、燃料電池スタック３６の出力端子間には、当該燃料電池スタック３６の出力電圧（発電電圧）Ｖを検出する電圧センサ９３が設けられている。なお、パワーコンディショナ７８には、燃料電池スタック３６の発電電力を検出する電力センサが設けられてもよい。パワーコンディショナ７８から分岐した電力ラインには電源基板７９が接続されている。電源基板７９は、換気ファン２４や原燃料ガス供給弁４２，４３、原燃料ガスポンプ４５、三方弁５３、エアブロワ５５、改質水ポンプ６８、循環ポンプ７３、圧力センサ４７、流量センサ４８，５６、表示パネル９０、温度センサ９１、電流センサ９２、電圧センサ９３、可燃ガスセンサ９５などの補機類に直流電力を供給する直流電源として機能する。
【００２６】
制御装置８０は、ＣＰＵ８１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、ＣＰＵ８１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ８２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３と、書き換え可能な不揮発性メモリとしてのフラッシュメモリ８４と、計時を行うタイマ８５と、図示しない入出力ポートとを備える。制御装置８０には、圧力センサ４７や流量センサ４８，５６、温度センサ９１、電流センサ９２、電圧センサ９３、可燃ガスセンサ９５などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、換気ファン２４のファンモータへの駆動信号や原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原燃料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、三方弁５３のソレノイドへの駆動信号、エアブロワ５５のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ６８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ７３のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ７８のインバータやＤＣ／ＤＣコンバータへの制御信号、点火ヒータ３５への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル９０への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２７】
こうして構成された燃料電池システム１０では、システムの起動が指示されると起動処理を行う。起動処理は、例えば、対応する補機類を順次制御して、エアブロワ５５の暖機処理やエアブロワ５５からのエアによる燃焼部３４のパージ処理などを実行した後に、燃焼部３４においてオフガスの着火処理を実行して燃焼を開始させ、所定温度に到達すると水蒸気改質処理を実行することなどにより行われる。なお、燃料電池システム１０の構成や補機類の状態等によっては、これらの処理のいずれかを省略することもできる。
【００２８】
また、燃料電池システム１０では、起動処理に続いて発電処理を行う。発電処理は、負荷４の負荷変動を伴う負荷指令を入力し、定格出力の範囲内で負荷指令に応じた必要電力が出力されるように補機類を運転制御することにより行われる。また、入力した負荷指令によっては定格出力で定常運転するように運転制御される。運転制御では、基本的には、必要電力と検出電力との偏差に基づくフィードバック制御により目標ガス流量を設定し、目標ガス流量と流量センサ４８により検出されるガス流量との偏差に基づくフィードバック制御により原燃料ガスポンプ４５のポンプモータが制御される。なお、検出電力は、例えば、電流センサ９２により検出される出力電流Ｉと、電圧センサ９３により検出される出力電圧Ｖとの積として算出することができる。また、目標ガス流量に対し所定の空燃比となるように目標エア流量を設定し、目標エア流量と流量センサ５６により検出されるエア流量Ｑとの偏差に基づくフィードバック制御によりエアブロワ５５のブロワモータが駆動制御される。ここで、燃料電池スタック３６の劣化の進行により内部抵抗が増加して燃料電池スタック３６の発電電圧Ｖが低下すると、必要電力の出力を維持するために燃料電池スタック３６を流れる電流を大きくする必要があるため、燃料電池スタック３６の発熱量が増加することになる。このため、燃料電池スタック３６が所定の上限温度を超えないように、エアブロワ５５からのエアの供給量を増やして燃料電池スタック３６の空冷が行われる。この空冷が行われる場合には、上述した目標エア流量として、目標ガス流量に対し所定の空燃比などとするための基本エア流量Ｑ０に、空冷するためのエア流量を加えたものが設定されることになる。
【００２９】
また、制御装置８０は、システムの停止が指示されると停止処理を行う。停止処理では、燃料電池スタック３６の温度を速やかに低下させるため、発電処理中よりも単位時間当りに大きな流量（例えば２倍などの数倍程度）でエアを供給するようにエアブロワ５５のブロワモータを駆動制御して、燃料電池スタック３６の空冷を行う。そして、燃料電池スタック３６の温度が電気化学反応の促進される温度を下回る温度、例えば３００〜４００℃程度の温度まで低下すると、原燃料ガスの供給を停止する。さらに燃料電池スタック３６の温度が低下して、例えば１００〜２００℃程度になるとエアの供給を停止する。なお、このような停止処理は、例えばガス供給源１におけるガス流量を検査する際など、定期的（少なくとも毎月一回など）に行われる。
【００３０】
次に、エア供給装置５０がエアを導入する流路を化学フィルタ流路５１ａまたはバイパス流路５１ｂのいずれかに切り替える際の処理について説明する。図３は、起動・停止中切替処理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、起動処理中や停止処理中に制御装置８０のＣＰＵ８１により所定時間毎に実行される。
【００３１】
このルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、温度センサ９１により検出された燃料電池スタック３６の温度である燃料電池温度Ｔを取得し（Ｓ１００）、燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆ以下であるか否かを判定する（Ｓ１１０）。ここで、所定温度Ｔｒｅｆは、燃料電池スタック３６の電気化学反応が促進される温度を下回る温度として例えば３００〜４００℃程度に定められている。なお、エアを導入する流路が頻繁に切り替わらないように所定温度Ｔｒｅｆにヒステリシスを持たせるものなどとしてもよい。また、Ｓ１００では温度センサ９１により直接的に検出された燃料電池温度Ｔを取得したが、これに限られず、モジュールケース３１内の温度を検出する図示しない温度センサなどにより間接的に検出された燃料電池温度Ｔを取得するものなどとしてもよい。
【００３２】
ＣＰＵ８１は、Ｓ１１０で燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆ以下であると判定すると、三方弁５３が供給流路５１ｃの接続先（エアを導入する流路）を化学フィルタ流路５１ａに切り替えている状態であれば（Ｓ１２０）、バイパス流路５１ｂに切り替えるように三方弁５３を駆動制御して（Ｓ１３０）、本ルーチンを終了する。また、ＣＰＵ８１は、三方弁５３が供給流路５１ｃの接続先を化学フィルタ流路５１ａに切り替えている状態でなければ（Ｓ１２０）、既にバイパス流路５１ｂに切り替えているため、そのまま本ルーチンを終了する。一方、ＣＰＵ８１は、Ｓ１１０で燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆ以下でなく所定温度Ｔｒｅｆを超えると判定すると、三方弁５３が供給流路５１ｃの接続先をバイパス流路５１ｂに切り替えている状態であれば（Ｓ１４０）、化学フィルタ流路５１ａに切り替えるように三方弁５３を駆動制御して（Ｓ１５０）、本ルーチンを終了する。また、ＣＰＵ８１は、三方弁５３が供給流路５１ｃの接続先をバイパス流路５１ｂに切り替えている状態でなければ（Ｓ１４０）、既に化学フィルタ流路５１ａに切り替えているため、そのまま本ルーチンを終了する。
【００３３】
このように、燃料電池システム１０は起動処理中や停止処理中は、燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆより高く燃料電池スタック３６の電気化学反応が促進される場合に化学フィルタ５２を通したエアを供給し、燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆより低い場合に化学フィルタ５２を通さずにエアを供給するのである。このため、例えば、起動処理にてエアブロワ５５の暖機処理を行う場合や燃焼部３４のパージ処理を実行する場合、停止処理にて原燃料ガスの供給を停止した場合など、エア中の不純物による燃料電池スタック３６の劣化の進行が少ない場合には化学フィルタ５２にエアを通さないものとして、化学フィルタ５２が不純物を無駄に吸着するのを防止することができる。化学フィルタ５２による不純物の吸着には限界（上限）があるため、不純物を無駄に吸着するのを防止することで化学フィルタ５２の寿命を延長させることができる。また、起動処理にて燃料電池温度Ｔが高くなった場合や停止処理にて燃料電池スタック３６が十分に冷却されていない場合など、エア中の不純物により燃料電池スタック３６の劣化が促進される場合には化学フィルタ５２にエアを通して、エア中の不純物を化学フィルタ５２により適切に除去することができるから、燃料電池スタック３６の劣化を抑制することができる。
【００３４】
また、図４は、発電中切替処理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、発電処理中に制御装置８０のＣＰＵ８１により所定時間毎に実行される。
【００３５】
このルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、流量センサ５６により検出されたエア流量Ｑを取得し（Ｓ２００）、エア流量Ｑが基本エア流量Ｑ０に係数αを乗じた所定流量α・Ｑ０以下であるか否かを判定する（Ｓ２１０）。上述したように、基本エア流量Ｑ０は目標ガス流量に対して所定の空燃比とするための流量であり、目標エア流量は高温の燃料電池スタック３６を空冷するための流量を基本エア流量Ｑ０に加えた流量が設定される。このため、燃料電池スタック３６の劣化が生じている場合、流量センサ５６により検出されるエア流量Ｑは、基本エア流量Ｑ０よりも大きいものとなる。係数αはそのようなエアの流量増を判定するための値として、例えば値１．１や値１．２などに定められている。なお、エアを導入する流路が頻繁に切り替わらないように所定流量α・Ｑ０（係数α）にヒステリシスを持たせるものなどとしてもよい。また、Ｓ２００では流量センサ５６により検出された実測値としてのエア流量Ｑを取得したが、これに限られず、上述した目標エア流量など目標値としてのエア流量を取得するものなどとしてもよい。
【００３６】
ＣＰＵ８１は、Ｓ２１０でエア流量Ｑが所定流量α・Ｑ０以下であると判定すると、三方弁５３が供給流路５１ｃの接続先を化学フィルタ流路５１ａに切り替えている状態であれば（Ｓ２２０）、バイパス流路５１ｂに切り替えるように三方弁５３を駆動制御して（Ｓ２３０）、本ルーチンを終了する。また、ＣＰＵ８１は、三方弁５３が供給流路５１ｃの接続先を化学フィルタ流路５１ａに切り替えている状態でなければ（Ｓ２２０）、既にバイパス流路５１ｂに切り替えているため、そのまま本ルーチンを終了する。一方、ＣＰＵ８１は、Ｓ２１０でエア流量Ｑが所定流量α・Ｑ０以下でなく所定流量α・Ｑ０を超えると判定すると、三方弁５３が供給流路５１ｃの接続先をバイパス流路５１ｂに切り替えている状態であれば（Ｓ２４０）、化学フィルタ流路５１ａに切り替えるように三方弁５３を駆動制御して（Ｓ２５０）、本ルーチンを終了する。また、ＣＰＵ８１は、三方弁５３が供給流路５１ｃの接続先をバイパス流路５１ｂに切り替えている状態でなければ（Ｓ２４０）、既に化学フィルタ流路５１ａに切り替えているため、そのまま本ルーチンを終了する。
【００３７】
このように、発電処理中は、エア流量Ｑが所定流量α・Ｑ０より大きく燃料電池スタック３６へのエアの供給量が増えている場合に化学フィルタ５２を通したエアを供給し、エア流量Ｑが所定流量α・Ｑ０以下の場合に化学フィルタ５２を通さずにエアを供給するのである。このため、エアの供給量が増えているために、燃料電池スタック３６に到達し得る不純物の絶対量が増えて燃料電池スタック３６の劣化が促進され易い場合には、化学フィルタ５２を用いてエア中の不純物を適切に除去することができるから、燃料電池スタック３６の劣化がそれ以上進行するのを抑制することができる。また、エアの供給量が増えていない場合には、化学フィルタ５２を使用せずに化学フィルタ５２の寿命を延長させることができる。
【００３８】
このように、燃料電池システム１０は、起動処理中は図３のルーチンに基づきエアの導入路を切り替え、発電処理中は図４のルーチンに基づきエアの導入路を切り替え、停止処理中は図３のルーチンに基づきエアの導入路を切り替えるのである。このため、例えば、起動処理で燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆを超えるとバイパス流路５１ｂから化学フィルタ流路５１ａに切り替え、発電処理に移行してエア流量Ｑが所定流量α・Ｑ０以下であればバイパス流路５１ｂとし、エア流量Ｑが所定流量α・Ｑ０を超えていれば化学フィルタ流路５１ａとするものとなる。また、発電処理から停止処理に移行すると、発電処理中のエアの導入路に拘わらず、燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆを超えている間は化学フィルタ流路５１ａとし、燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆ以下になると化学フィルタ流路５１ａからバイパス流路５１ｂとするものとなる。エアの導入路を切り替えることで、化学フィルタ５２を間欠的に用いて化学フィルタ５２の寿命を延長させることができる。特に停止処理において燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆ以下に低下するまでの間は空冷のために大きな流量でエアが供給されるため、燃料電池スタック３６の劣化のおそれが大きなものとなるが、その間は化学フィルタ５２を通してエアを供給するため燃料電池スタック３６の劣化を適切に抑制しつつ冷却することができる。
【００３９】
以上説明した燃料電池システム１０では、化学フィルタ５２が設けられた化学フィルタ流路５１ａと、化学フィルタ５２を迂回するバイパス流路５１ｂとを三方弁５３により切り替えて燃料電池スタック３６にエアを供給する。このため、化学フィルタ５２にエアを常に通す必要がないから、化学フィルタ５２における不純物の蓄積を抑えることができる。したがって、化学フィルタ５２のサイズの大型化やコスト増を防止しつつ、化学フィルタ５２の使用期間の長期化（寿命延長）を図ることができる。
【００４０】
また、燃料電池システム１０では、起動処理中や停止処理中において、燃料電池スタック３６の燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆ以下の場合に供給流路５１ｃの接続先をバイパス流路５１ｂに切り替え、燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆを超える場合に供給流路５１ｃの接続先を化学フィルタ流路５１ａに切り替える。このため、燃料電池温度Ｔが低く不純物の反応が起こりにくい場合に化学フィルタ５２を使用しないものとすることで、化学フィルタ５２にエアを通さないことによる不純物の影響を抑えることができる。特に、停止処理中は、燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆとなるまでは化学フィルタ５２を通して不純物を除去したエアにより劣化を抑制しつつ燃料電池スタック３６を冷却することができ、燃料電池温度Ｔが所定温度Ｔｒｅｆ以下となった以降は化学フィルタ５２への不純物の蓄積を抑えるためにバイパス流路５１ｂを通したエアにより燃料電池スタック３６を冷却することができる。
【００４１】
また、燃料電池システム１０では、発電処理中において、エア流量Ｑが所定流量α・Ｑ０以下の場合に供給流路５１ｃの接続先をバイパス流路５１ｂに切り替え、エア流量Ｑが所定流量α・Ｑ０を超える場合に供給流路５１ｃの接続先を化学フィルタ流路５１ａに切り替える。このため、エア流量Ｑが少なく不純物の絶対量が少ない場合に化学フィルタ５２を使用しないものとすることで、化学フィルタ５２にエアを通さないことによる不純物の影響を抑えることができる。
【００４２】
また、燃料電池システム１０は、化学フィルタ５２とは別に物理フィルタ５４を備えており、化学フィルタ５２を使用しない場合でも物理フィルタ５４にエアを通して物理的な不純物を除去することができるから、化学フィルタ５２にエアを通さないことによる不純物の影響をより抑えることができる。
【００４３】
上述した実施形態では、起動処理中や停止処理中は燃料電池温度Ｔに基づいて供給流路５１ｃの接続先を化学フィルタ流路５１ａおよびバイパス流路５１ｂのいずれかに切り替えるものとしたが、これに限られるものではない。図５は変形例の起動・停止中切替処理ルーチンを示すフローチャートである。この起動・停止中切替処理ルーチンでは、ＣＰＵ８１は、燃料電池温度Ｔに代えて燃料電池スタック３６の出力電圧Ｖを取得し（Ｓ１００ａ）、取得した出力電圧Ｖが所定電圧Ｖｒｅｆ以下であるか否かを判定する（Ｓ１１０ａ）。なお、所定電圧Ｖｒｅｆは、電気化学反応により燃料電池スタック３６が発電していることを判定可能な値に定めることができる。そして、ＣＰＵ８１は、出力電圧Ｖが所定電圧Ｖｒｅｆ以下の場合に供給流路５１ｃの接続先をバイパス流路５１ｂに切り替え（Ｓ１２０，Ｓ１３０）、出力電圧Ｖが所定電圧Ｖｒｅｆを超える場合に供給流路５１ｃの接続先を化学フィルタ流路５１ａに切り替える（Ｓ１４０，Ｓ１５０）ものとすればよい。なお、出力電圧Ｖに基づいて流路を切り替えるものに限られず、燃料電池スタック３６が発電していることを判定することができればよく、出力電流Ｉなど燃料電池スタック３６の発電の出力に基づいてエアの導入路を切り替えるものであればよい。
【００４４】
実施形態では、発電処理中はエア流量Ｑに基づいて化学フィルタ流路５１ａおよびバイパス流路５１ｂのいずれかに切り替えるものとしたが、これに限られず、燃料電池システム１０の運転状況に基づいて切り替えるものなどとしてもよい。例えば、タイマ８５により燃料電池スタック３６が発電している発電時間を計測し、発電時間が所定時間を経過する毎に切り替えるものなどとしてもよい。
【００４５】
実施形態や変形例では、燃料電池温度Ｔやエア流量Ｑ、出力電圧Ｖ、発電時間などに基づいて化学フィルタ流路５１ａおよびバイパス流路５１ｂのいずれかに切り替えるものとしたが、これらのように発電モジュール３０の運転に関連する値に基づいて切り替えるものに限られず、化学フィルタ流路５１ａおよびバイパス流路５１ｂのいずれかに切り替え可能に構成されているものであればよい。例えば、発電の状態や発電の有無に拘わらず経過時間や時刻に基づいて切り替えるものや表示パネル９０を介した操作者の切替指示に基づいて切り替えるもの、切替操作用のレバーなどの操作部材の操作に基づいて機械的に切り替え可能なものなどとしてもよい。
【００４６】
実施形態では、供給流路５１ｃに物理フィルタ５４が設けられるものとしたが、これに限られず、図６の変形例のエア供給装置１５０のようにバイパス流路５１ｂに物理フィルタ５４が設けられるものとしてもよい。このようにする場合、上述したように化学フィルタ５２を化学反応による吸着に加えて物理的な捕集による吸着を可能に構成してもよい。
【００４７】
実施形態では、化学フィルタ５２と物理フィルタ５４とをそれぞれ別体に配置するものとしたが、これに限られず、図７の変形例のエア供給装置２５０のように、一の筐体５７に化学フィルタ５２と物理フィルタ５４とを収容すると共に各フィルタに対するエアの吸入口と吐出口とを筐体５７に設けるものなどとしてもよい。
【００４８】
本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。本実施形態では、発電モジュール３０が「燃料電池」に相当し、燃料電池システム１０が「燃料電池システム」に相当し、化学フィルタ５２が「化学フィルタ」に相当し、化学フィルタ流路５１ａが「化学フィルタ流路」に相当し、バイパス流路５１ｂが「バイパス流路」に相当し、エア供給管５１が「空気流路」に相当し、エアブロワ５５が「ブロワ」に相当し、三方弁５３が「切替弁」に相当する。また、図３のＳ１１０〜Ｓ１５０や図４のＳ２１０〜Ｓ２５０、図５のＳ１１０ａ〜Ｓ１５０を実行する制御装置８０が「制御装置」に相当する。また、図３のＳ１００で温度センサ９１により検出された燃料電池温度Ｔを取得する制御装置８０が「温度取得手段」に相当する。また、図４のＳ２００で流量センサ５６により検出されたエア流量Ｑを取得する制御装置８０が「流量取得手段」に相当する。また、図５のＳ１００ａで電圧センサ９３により検出された出力電圧Ｖを取得する制御装置８０が「出力取得手段」に相当する。また、物理フィルタ５４が「物理フィルタ」に相当する。
【００４９】
なお、本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、本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われるべきものであり、本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。
【００５０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
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。
【符号の説明】
【００５２】
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、２０  発電ユニット、２２  筐体、２２ａ  吸気口、２２ｂ  排気口、２４  換気ファン、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  原燃料ガス供給装置、４１  原燃料ガス供給管、４２，４３  原燃料ガス供給弁、４４  オリフィス、４５  原燃料ガスポンプ、４６  脱硫器、４７  圧力センサ、４８  流量センサ、５０，１５０，２５０  エア供給装置、５１  エア供給管、５１ａ  化学フィルタ流路、５１ｂ  バイパス流路、５１ｃ  供給流路、５２  化学フィルタ、５３  三方弁、５４  物理フィルタ、５５  エアブロワ、５６  流量センサ、５７  筐体、６５  改質水供給装置、６６  改質水供給管、６７  改質水タンク、６８  改質水ポンプ、７０  排熱回収装置、７１  循環配管、７２  熱交換器、７３  循環ポンプ、７６  凝縮水供給管、７７  排気ガス排出管、７８  パワーコンディショナ、７９  電源基板、８０  制御装置、８１  ＣＰＵ、８２  ＲＯＭ、８３  ＲＡＭ、８４  フラッシュメモリ、８５  タイマ、９０  表示パネル、９１  温度センサ、９２  電流センサ、９３  電圧センサ、９５  可燃ガスセンサ、１００  給湯ユニット、１０１  貯湯タンク。
【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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