(57)【要約】【課題】速やかに起動できる、改質器を備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】炭化水素系燃料と、水または酸化ガスの内少なくとも水を用いた改質反応により水素リッチガスを生成する改質器１と、水素リッチガスと酸化ガスとから電気を発生するスタック２を備える。さらに、少なくとも改質器１を冷却するＬＬＣを循環させるＬＬＣライン３と、ＬＬＣライン３中のＬＬＣから水を分離する水分離器４を備える。このような燃料電池システムの起動時に、ＬＬＣライン３のＬＬＣから水を分離して、分離した水を改質反応に用いる。【選択図】　　　図１
2004103457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料と、水または酸化ガスのうち少なくとも水を用いた改質反応により水素リッチガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成した水素リッチガスと酸化ガスとから電気を発生する燃料電池スタックと、
少なくとも前記改質器を冷却する不凍液を循環させる不凍液ラインと、
前記不凍液ライン中の不凍液から水を分離する水分離器と、を備え、
システム起動時に、前記不凍液ライン中の不凍液から分離した水を、前記改質器における改質反応に用いることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
システム起動時には、前記改質器において酸化反応または部分酸化反応を行い、不凍液を前記改質器に循環させることにより不凍液を昇温させてから前記水分離器において不凍液から水を分離し、分離した水を前記改質器に供給して改質反応を開始する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記不凍液ラインを流れる不凍液の温度を検出する不凍液温度検出手段と、
前記不凍液ラインを循環する不凍液を貯蔵する不凍液タンクと、
前記不凍液ラインの一部で、前記不凍液タンクを不凍液が選択的に迂回するためのバイパスラインと、を備え、
システム起動時には、不凍液が前記不凍液タンクを迂回して前記バイパスラインを流通するように設定し、前記バイパスラインを介して循環する不凍液を前記改質器により昇温させてから、前記水分離器において不凍液から水の分離を開始する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水分離器において水の分離を開始した後、前記水分離器において不凍液から分離した水と概略同等の量だけ、前記不凍液タンクから前記不凍液ラインに不凍液を供給する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記不凍液ラインを循環する不凍液の温度が高くなりすぎた場合には、前記不凍液タンクに貯蔵した不凍液の一部を前記不凍液ラインに循環させる請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記不凍液ラインの一部で、前記燃料電池スタックを選択的に循環する燃料電池冷却ラインを備え、
起動時に前記不凍液ラインを循環する不凍液の温度が高くなりすぎた場合には、前記燃料電池冷却ラインに不凍液を循環させる請求項３から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックからの排空気中の水分を回収するコンデンサを備え、
前記コンデンサによる水の凝縮・回収を開始したら、その回収量に応じて前記水分離器における不凍液からの水の分離量を低減する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水分離器または前記コンデンサの少なくとも一方で回収した水を溜める水タンクを備える請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水タンクを、前記不凍液ラインを循環する不凍液により加熱する請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
起動時に前記水分離器で抽出した水量と概略同等の量の水を前記コンデンサで回収して前記不凍液ラインに戻す請求項７から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
不凍液の濃度を検出する濃度検出手段を備え、
前記濃度検出手段の出力に応じて、前記水分離器において不凍液から分離する水の量および前記コンデンサにより回収して前記不凍液に供給する水の量を調整する請求項７から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質器システムを備えた燃料電池システムとしては、次のようなものがある。
【０００３】
燃料電池を管路の一部とする冷却水循環路を設け、この冷却水循環路に水にエチレングリコールを混合した不凍液を循環させて燃料電池を冷却する。冷却水循環路には、限外ろ過膜を用いて不凍液から水を精製・分離する水分離膜装置を備え、水のみが限外ろ過膜を透過することにより不凍液からエチレングリコールを含まない水を精製し、この水を冷却水循環路から分離する。精製・分離した水は、メタノール改質装置と燃料電池との間の加湿器に水素ガス加湿用の水として供給され、この加湿器に貯留される。つまり、加湿器における水素ガス加湿用の水は、不凍液から精製・分離を経て調達されている。（特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１８５８７７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上述した従来技術にあっては、燃料電池システムに備えた水タンクの水を用いて改質反応を行うので、環境温度が氷点下になると水タンク内の水分が凍結する可能性が生じて起動がスムーズに行えないという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、速やかな起動を行うことのできる、改質器を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
炭化水素系燃料と、水または酸化ガスのうち少なくとも水を用いた改質反応により水素リッチガスを生成する改質器と、前記改質器で生成した水素リッチガスと酸化ガスとから電気を発生する燃料電池スタックを備える。さらに、少なくとも前記改質器を冷却する不凍液を循環させる不凍液ラインと、前記不凍液ライン中の不凍液から水を分離する水分離器を備える。このような燃料電池システムの起動時に、前記不凍液ライン中の不凍液から分離した水を前記改質器における改質反応に用いる。
【０００８】
【作用及び効果】
このように不凍液ラインの不凍液から水を分離して、分離した水を改質反応に用いることで、環境温度が氷点下の場合でもスムーズに改質器に水を供給して改質反応を開始することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略を図１に示す。
【００１０】
燃料電池システムは、改質原料となる炭化水素系燃料、水、空気から水素リッチガスを生成する改質器１と、水素リッチガスと空気から電気を生成する燃料電池スタック２（以下、スタック２）を備える。また、改質器１を冷却するための凝固点降下剤を含んだ冷却水（以下、ＬＬＣ）の流通路となるＬＬＣライン３を備える。ここで改質器１には、例えば改質反応により生成した改質ガス中のＣＯを選択酸化反応により除去するＣＯ除去部等を含む。ＣＯ除去部では発電反応を行うので、改質器１を適温に維持するためにＬＬＣにより改質器１の冷却を行う。
【００１１】
ＬＬＣライン３には、ＬＬＣから凝固点降下剤を含まない水を分離する水分離器４、ＬＬＣを冷却するラジエータ５を備える。さらに、ＬＬＣを循環させるＬＬＣポンプ６、水分離器４内の圧力を調整する圧力調整弁７を備える。また、水分離器４で抽出した水を改質器１に送る水ポンプ８を備え、ＬＬＣから分離した水を用いて改質を行う構成とする。
【００１２】
改質器１には燃焼部を備え、改質器１上流より供給される炭化水素系燃料、またはスタック２から排出される排水素リッチガス、および上流より供給される空気、またはスタック２からの排空気を燃焼して改質反応に必要な熱を生成する。また、改質器１で生成した水素リッチガスの一部は、選択的に改質器リターンライン９を介して燃焼部に供給可能とする。この選択は、改質器１からスタック２へ水素リッチガスを供給する配管から、スタック２から改質器１の燃焼部に排水素リッチガスを供給する配管へ分岐する改質器リターンライン９の分岐点に配置した切替バルブ１０により行う。
【００１３】
さらに、改質器１の温度を検出する改質器温度センサ１１と、ＬＬＣの温度を検出するＬＬＣ温度センサ１３、このような燃料電池システムを制御するコントローラ１２を備える。改質器温度センサ１１、ＬＬＣ温度センサ１３の出力はコントローラ１２に入力する。
【００１４】
次に、このようなシステムにおけるＬＬＣの動作を説明する。
【００１５】
通常運転時には、ＬＬＣはＬＬＣポンプ６により改質器１に送られて改質器１の冷却を行う。その後、ＬＬＣは改質器１で回収した熱をラジエータ５において放熱し、水分離器４を通ってＬＬＣポンプ６に戻る。
【００１６】
水分離器４では、ろ過膜の働きにより凝固点降下剤を含まない水だけを分離し、分離された水分を改質器１へ送って改質反応に利用する。分離する水の量は、水分離器４の下流に配置した圧力調整弁７により、水分離器４の一次側（ＬＬＣ側）の圧力を調整することにより制御する。圧力調整弁７により、ＬＬＣ側の圧力を高くすると分離する水の量が増大し、圧力を低くすると分離する水の量が減少する。
【００１７】
一方、システム起動開始直後には、改質器１では水を用いずに、炭化水素系燃料と空気のみで、発熱反応である酸化反応、または部分酸化反応を行って暖機運転を行う。このとき、切替バルブ１０を改質器リターンライン９側に設定し、改質器１で消費されなかった炭化水素燃料を改質器１の燃焼部で燃焼することにより、改質器１の暖機を促進する。
【００１８】
また、ＬＬＣポンプ６を動作させて改質器１にＬＬＣを循環させる。これによりＬＬＣが昇温したら、水分離器４において水の分離を開始して改質器１への水の供給を開始する。このように、改質器１に水を供給できるようになった時点から、酸化反応、または、部分酸化反応に加えて水蒸気改質反応を行い、水素リッチガスを生成する。
【００１９】
このような燃料電池システムの起動時の制御フローを図２に示す。
【００２０】
起動時には、まず起動指令を検知したら、ステップＳ１において、改質器１内の点火プラグへ通電し、改質器１へ燃料と空気を供給して酸化反応または部分酸化反応を生じる。次に、ステップＳ２に進み、改質器１が所定の温度になったかどうか判断する。これは、改質器温度センサ１１の検出結果と所定の温度を比較することにより判断することができる。ここで所定の温度は、改質器１で生じる熱によりＬＬＣの暖機を開始できる温度を指し、これは実験等により予め設定しておく。
【００２１】
改質器１が所定の温度に達するまで改質器１の暖機を継続し、所定の温度に達したら、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、ＬＬＣポンプ６を起動し、ＬＬＣを改質器１に循環させることでＬＬＣを昇温させる。ステップＳ４では、ＬＬＣ温度センサ１３によりＬＬＣ温度を検出し、ステップＳ５においてその検出結果よりＬＬＣが所定の温度に達したかどうかを判断する。ここの所定温度は、例えば、水分離器４においてＬＬＣから水を分離することができる下限温度、もしくはそれより高い温度とする。
【００２２】
ＬＬＣが所定の温度に達するまでＬＬＣの加熱を継続し、ＬＬＣが所定の温度に達したらステップＳ６に進む。ステップＳ６では水分離器４の下流に配置した圧力調整バルブ７を調整して水分離を開始する。ステップＳ７に進み、水ポンプ８を稼動させて、分離した水を改質器１へ供給する。
【００２３】
改質器１に水が供給され始めたらステップＳ８において改質器１を通常運転、つまり、酸化反応または部分酸化反応と水蒸気改質反応を行うことにより水素リッチガスを生成する運転に切り替える。改質器１において水素リッチガスが生成され始めたら、ステップＳ９において切替バルブ１０をスタック２側に設定して水素リッチガスをスタック２に供給する。ステップＳ１０においてスタック２における発電を開始して起動運転を終了し、通常運転を行う。
【００２４】
次に、燃料電池システム停止時の運転を図３に示したフローチャートを用いて説明する。
【００２５】
まず停止指令を検知したらステップＳ１１において、切替バルブ１０を改質器リターンライン９側に設定し、スタック２への水素リッチガスの供給を停止して発電を終了する。また、図示しないコンプレッサ等の空気供給手段を停止して、スタック２および改質器１への空気供給を停止する。
【００２６】
次にステップＳ１２において、改質器１へのインジェクタ等による燃料の供給を停止する。また、水ポンプ８を停止し、水分離器４における水の分離を停止して、システムを停止する。
【００２７】
なお、本実施形態には図示しないＬＬＣライン３に水を追加する手段を備え、水分離器４において分離した水と概略等しい量の水を追加する。これにより、ＬＬＣに含まれる凝固点降下剤の濃度が過剰に上昇するのを防止する。
【００２８】
次に、このようなシステムを用いた本実施形態の効果を説明する。
【００２９】
炭化水素系燃料と、水または酸化ガスのうち少なくとも水を用いた改質反応により水素リッチガスを生成する改質器１と、改質器１で生成した水素リッチガスと酸化ガスとから電気を発生するスタック２と、を備える。また、少なくとも改質器１を冷却するＬＬＣを循環させるＬＬＣライン３と、ＬＬＣライン３中のＬＬＣから水を分離する水分離器４と、を備える。このようなシステムの起動時に、ＬＬＣライン３中のＬＬＣから分離した水を、改質器１における改質反応に用いる。ＬＬＣから水を分離して改質反応に用いることで、氷点下等の寒冷時にも速やかに改質反応を開始し、ひいては発電を開始することができる。
【００３０】
システム起動時には、改質器１において酸化反応または部分酸化反応を行い、ＬＬＣを改質器１に循環させることによりＬＬＣを昇温させてから水分離器４においてＬＬＣから水を分離し、分離した水を改質器１に供給して改質反応を開始する。これにより、起動時に改質器１で生じる熱を用いてＬＬＣを速やかに昇温させることができる。その結果、ＬＬＣからの水の分離を速やかに開始することができ、改質器１を起動するまでの時間を短縮することができる。
【００３１】
次に、第２の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池システムの構成を図４に示す。ここでは、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３２】
第１の実施形態に対して、ＬＬＣライン３にＬＬＣタンク１５と、これをバイパスするバイパスライン１６、ＬＬＣをＬＬＣタンク１５とバイパスライン１６のどちらに供給するかを選択する切替バルブ１７を備える。さらに、ＬＬＣタンク１５への逆流を防止するためにＬＬＣタンク１５の下流側、且つ、バイパスライン１６との合流部の上流側に逆止弁１８を備える。
【００３３】
次にこのような燃料電池システムにおける動作を説明する。
【００３４】
起動時には、切替バルブ１７をバイパスライン１６側に設定し、ＬＬＣポンプ６を用いてバイパスライン１６にＬＬＣを循環させる。これにより、システム内を循環するＬＬＣの量、つまりは改質器１において加熱されるＬＬＣの量を抑制することができ、急速にＬＬＣ温度を上昇させることができる。ＬＬＣ温度が上昇したところで、水分離を開始する。
【００３５】
ＬＬＣ内の水を分離して改質器１に供給することでＬＬＣライン３内の液量が減少するが、減少した分をＬＬＣタンク１５から逆止弁１８を介してＬＬＣライン３に補充する。例えば、ＬＬＣから分離した水量に相当する量をＬＬＣタンク１５からＬＬＣライン３に供給することもできる。ここでは、ＬＬＣの温度に応じて、切替バルブ１７の開度を調整し、バイパスライン１６からＬＬＣタンク１５内を循環するラインに切り替えていく。ＬＬＣがＬＬＣタンク１５を通過することで、ＬＬＣの液量減少分を補うことができる。
【００３６】
このような燃料電池システムの制御フローを図５に示す。
【００３７】
ステップＳ１、Ｓ２では、第１の実施形態と同様に改質器１を所定温度まで昇温させる。次に、ステップＳ２１において、切替バルブ１７をバイパスライン１６側に設定して、ＬＬＣをバイパスライン１６に流通させる。次に、ステップＳ３〜Ｓ１０においては、第１の実施形態と同様に、ＬＬＣを加熱して水分離を行い、改質器１およびスタック２の運転を開始する。
【００３８】
ステップＳ１０において発電を開始したらステップＳ２２に進み、ＬＬＣ温度センサ１３によりＬＬＣライン３内のＬＬＣ温度を検出する。ステップＳ２３において、この温度が所定温度を超えているかどうかを判断する。ここの所定値は、例えば改質器１の冷却を効率的に行うことができる温度範囲の上限、もしくはそれより低い温度とする。所定温度を超えていなかったらステップＳ２４に進み、切替バルブ１７の開度を現状のまま維持しながらＬＬＣによる改質器１の冷却を継続し、ステップＳ２２に戻って再びＬＬＣ温度を検出する。これを繰り返し、ＬＬＣ温度が所定温度を超えたらステップＳ２５に進み、バイパスライン１６側からＬＬＣタンク１５側に切替バルブ１７の開度を増やす。
【００３９】
ステップＳ２６に進み、切替バルブ１７がＬＬＣタンク１７側に全開かどうかを判断する。全開でなければステップＳ２２に進み、ステップＳ２２〜Ｓ２５の制御を切替バルブ１７がＬＬＣタンク１７に全開となるまで繰り返す。ステップＳ２６において切替バルブ１７がＬＬＣタンク１７側に全開していると判断されたら、起動運転を終了して通常運転を行う。なお、通常運転時には、ＬＬＣはＬＬＣタンク１５を介して循環し、ラジエータ５において温度調整される。
【００４０】
次に、このような燃料電池システムの効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４１】
ＬＬＣの温度を検出するＬＬＣ温度センサ１３と、ＬＬＣライン３を循環するＬＬＣを貯蔵するＬＬＣタンク１５と、ＬＬＣライン３の一部で、ＬＬＣタンク１５をＬＬＣが選択的に迂回するためのバイパスライン１６と、を備える。システム起動時には、ＬＬＣがＬＬＣタンク１５を迂回してバイパスライン１６を流通するように設定し、バイパスライン１６を介して循環するＬＬＣを改質器１により昇温してから水分離器４においてＬＬＣからの水の分離を開始する。このように、バイパスライン１６を設けて起動時にＬＬＣタンク１５を迂回させることにより、システム内にあるＬＬＣ全量を暖機する必要がなくなる。これにより、ＬＬＣの昇温を速やかに行うことができ、水分離を行うまでの時間を短縮することができる。
【００４２】
また、水分離器４において水の分離を開始した後、水分離器４においてＬＬＣから分離した水と概略同等の量だけ、ＬＬＣをＬＬＣタンク１５からＬＬＣライン３に供給する。これにより、ＬＬＣライン３の水分離により上昇したＬＬＣの凝固点降下剤濃度を下げることができる。その結果、ＬＬＣを循環させるためのＬＬＣポンプ６の負荷を小さくできる。また、ＬＬＣからの水分離をスムーズに行うことができる。
【００４３】
また、ＬＬＣライン３を循環するＬＬＣの温度が高くなりすぎた場合には、ＬＬＣタンク１５に貯蔵したＬＬＣの一部をＬＬＣライン３に循環させる。これにより、ＬＬＣラインの温度が過度に高くなることを防止できる。また、ＬＬＣタンク１５内のＬＬＣを予熱して、水分離を生じ易い状態にすることができる。
【００４４】
次に、第３の実施形態について説明する。本実施形態の構成を図６を用いて説明する。ここでは、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４５】
ＬＬＣライン３を、改質器１を冷却する改質器冷却ライン３ａと、スタック２を冷却する燃料電池冷却ライン３ｂと、から構成する。さらに、改質器冷却ライン３ａと燃料電池冷却ライン３ｂへ分配するＬＬＣの流量割合を制御する方向制御バルブ２０を備える。
【００４６】
ここで、改質器冷却ライン３ａは、ＬＬＣポンプ６の下流側に配置した方向制御バルブ２０から改質器１側に分岐し、改質器１内を通ってからラジエータ５に接続する。一方、燃料電池冷却ライン３ｂは、方向制御バルブ２０からスタック２側に分岐し、スタック２内を通ってからラジエータ５に接続する。
【００４７】
さらに、スタック２にはスタック温度センサ２１を備え、その出力をコントローラ１２へ入力する。また、ＬＬＣ温度センサ１３として、改質器冷却ライン３ａを流れるＬＬＣ温度を検出するＬＬＣ温度センサ１３ａを備える。
【００４８】
このような燃料電池システムにおける動作を説明する。
【００４９】
起動時には、改質器１から発生する熱でＬＬＣライン３を循環するＬＬＣを暖機し、ＬＬＣが所定温度を超えたら燃料電池冷却ライン３ｂにも循環するように、方向制御バルブ２０を調整する。これにより、改質器冷却ライン３ａを循環するＬＬが過度に昇温するのを防ぐだけでなく、燃料電池冷却ライン３ｂも加熱できるので、スタック２を速やかに暖機することができる。
【００５０】
このような燃料電池システムの制御フローを図７に示す。
【００５１】
ステップＳ１、２においては、第１の実施形態と同様に改質器１の昇温を行う。ステップＳ３１において、改質器１に生じる熱を用いてＬＬＣの昇温を行うために、方向制御バルブ２０を改質器冷却ライン３ａ側に全開にする。次に、ステップＳ３〜Ｓ１０では、第１の実施形態と同様に、ＬＬＣの昇温を行って、改質器１およびスタック２の運転を開始する。
【００５２】
ステップＳ１０において発電を開始したら、ステップＳ３２に進み、ＬＬＣ温度センサ１３ａを用いて改質器冷却ライン３ｂ内のＬＬＣ温度を、また、スタック温度センサ２１によりスタック２の温度を検出する。ステップＳ３３において、スタック温度センサ２１の出力より、スタック２に冷却が必要かどうかを判断し、冷却が必要であればステップＳ３４に進み方向制御バルブ２０を通常運転時の開度に設定して起動運転を終了し、通常運転を行う。一方、ステップＳ３３において、スタック２がまだ昇温されておらず、冷却が必要ないと判断されたらステップＳ３５に進む。
【００５３】
ステップＳ３５では、ステップＳ３２で検出したＬＬＣ温度が所定温度を超えたかどうかを判断する。所定温度を超えていなければＬＬＣにより改質器１の冷却を行うことができるので、ステップＳ３６に進み、方向制御バルブ２０の開度を維持する。ＬＬＣが所定の温度を超えるまでステップＳ３２〜Ｓ３５を繰り返し、ＬＬＣが所定の温度を超えたと判断されたら、ステップＳ３７に進む。ステップＳ３７では、方向制御バルブ２０の開度を調整して、燃料電池冷却ライン３ｂに流れるＬＬＣの流量割合を増大させる。ここで、所定温度は、例えば、ＬＬＣにより改質器１の冷却を効率的に行うことのできる上限温度、もしくはそれより低い温度とする。この所定温度を超えたらＬＬＣを燃料電池冷却ライン３ｂにも流してスタック２の暖機を行うと同時にＬＬＣ温度を抑制する。
【００５４】
次に、ステップＳ３８において方向制御バルブ２０が通常運転時の開度になっているかどうかを判断する。通常運転時の開度になっていなければステップＳ３２に戻り、再びＬＬＣ温度が所定温度まで昇温したらスタック２に流通させるＬＬＣの流量割合をさらに増大する。このような制御を繰り返して方向制御バルブ２０が通常運転時の開度になったら、起動運転を終了して通常運転を行う。
【００５５】
次に、このような燃料電池システムの効果を説明する。ここでは、第２の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５６】
ＬＬＣライン３の一部で、スタック２を選択的に循環する燃料電池冷却ライン３ｂを備え、起動時に循環するＬＬＣの温度が高くなりすぎた場合には、燃料電池冷却ライン３ｂにＬＬＣを循環させる。これにより、ＬＬＣの温度が過度に高くなるのを防止でき、また、同時に燃料電池冷却ライン３ａ、ひいてはスタック２の暖機を速やかに行うことができる。
【００５７】
第４の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図８に示す。
【００５８】
ここでは、第３の実施形態において、スタック２からの排空気をコンデンサ２３に流通させて、排空気中の水分を凝縮・回収してから改質器１の燃焼部に供給する。排空気の冷却源としては、燃料電池冷却ライン３ｂを流れるＬＬＣを用い、また、回収した水は水分離器４で回収した水と共に、水ポンプ８により改質器１に供給する。
【００５９】
改質器１の起動後に発電を始めると、スタック２から水蒸気を含んだ排空気が排出される。そこで、コンデンサ２３において排空気中の水を凝縮させて、その回収が始まったら回収量を運転状態や図示しない流量計等により把握し、その量に応じてＬＬＣラインからの水抽出量を減らす。これにより、ＬＬＣラインからの水抽出に必要な圧力を低減することができるので、ＬＬＣポンプ６の負荷を低減することができ、燃費を向上することができる。
【００６０】
次に、このような燃料電池システムの制御を図９のフローチャートに示す。
【００６１】
ステップＳ１、Ｓ２においては、第１の実施形態と同様に改質器１を所定の温度に達するまで暖機する。ステップＳ４１において、ＬＬＣライン３をバイパスライン１６側に設定するために、切替バルブ１７をバイパスライン１６側に設定する。また、方向制御バルブ２０は改質器冷却ライン３ａ側に設定する。
【００６２】
ステップＳ３〜Ｓ６までは、第１の実施形態と同様に、ＬＬＣの昇温を行って、ＬＬラインからの水分離を開始する。水分離を開始したら、ステップＳ４２において、水分離量を計測、または推定する。ステップＳ４３において、水分離量が十分かどうかを判断し、水分量が十分ではない場合にはステップＳ６に戻り、再び圧力調整弁７を調整して水分離量を調整する。ステップＳ４３において水分離量が十分と判断されるまでステップＳ６、Ｓ４２、Ｓ４３を繰り返し、水分離量が十分と判断されたらステップＳ７に進む。ステップＳ７〜Ｓ１０では、改質器１およびスタック２の運転を開始する。ステップＳ１０で発電を開始したら、スタック２から水分が含まれた排空気が排出され始めるので、ステップＳ４４に進み、コンデンサ２３において凝縮水の回収を開始する。
【００６３】
ステップＳ４５において、後述する水回収制御のサブルーチンを実行することにより、コンデンサ２３における凝縮水量に応じて、ＬＬＣからの水抽出量の調整を行う。その後、第３の実施形態と同様に、ステップＳ３２〜Ｓ３８において、ＬＬＣ温度を維持しながら徐々に方向制御バルブ２０を燃料電池冷却ライン３ｂ側に開き、方向制御バルブ２０の開度が通常運転時の開度と等しくなった時点で起動運転を終了し、通常運転を行う。
【００６４】
次に、図１０のフローチャートを用いて、ステップＳ４５で行う水回収制御について説明する。
【００６５】
水回収制御の指令を検知したら、ステップＳ５１において、コンデンサ２３における凝縮水の回収量を計測または推定する。次にステップＳ５２において、コンデンサ２３で回収している凝縮水のみで改質に必要な水が賄えるかどうかを判断する。必要な水を賄える場合には、ステップＳ５３に進み、水分離器４におけるＬＬＣからの水抽出の停止指令を出し、ステップＳ５４において圧力調整弁７を全開とする。
【００６６】
一方、ステップＳ５２で改質に必要な水が賄えないと判断された場合には、ステップＳ５５に進み、ＬＬＣからの水抽出量をコンデンサ２３からの凝縮量分だけ減らすように調整指令を出す。ステップＳ５６において、調整指令に従って、水分離器４の下流側の圧力調整弁７を開いて圧力を低減させる。
【００６７】
このように、ステップＳ５４、または、ステップＳ５６で圧力調整弁７の調整を行ったら、ステップＳ５７において、ＬＬＣが所定の流量だけ循環するようにＬＬＣポンプ６を調整する。
【００６８】
このように水回収制御を行うことで、ＬＬＣポンプ６の負荷を低減することができ、つまりは、ＬＬＣポンプ６の稼動に必要なエネルギを低減することができる。
【００６９】
次に、本実施形態における効果を説明する。ここでは、第３の実施形態と異なる構成のみを説明する。
【００７０】
スタック２からの排空気中の水分を回収するコンデンサ２３を備え、コンデンサ２３による水の凝縮・回収を開始したら、その回収量に応じて水分離器４におけるＬＬＣからの水の分離を低減する。このように、ＬＬＣからの水分離を低減し、コンデンサ２３からの水回収に切り替えることで、ＬＬＣポンプ６の負荷が軽減され、燃費が良くなる。このように起動から定常運転に至る運転状態の変化に応じて水の回収方法を変化させることで、効率のよい方法で水を得ることができる。
【００７１】
第５実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１１に示す。
【００７２】
これは、第４の実施形態にさらに水タンク２５を備え、水分離器４で抽出した水や、コンデンサ２３で回収した凝縮水を一度水タンク２５に溜めてから、水ポンプ８で改質器１に供給する。
【００７３】
水分離器４やコンデンサ２３から得られる水量の変化は、燃料電池システムの運転負荷の変更の指令に対して遅れを生じる。例えば、起動時や定常運転中、運転負荷が急減した場合には、改質器１で消費する水分が低減してから、遅れて排空気中に含まれる水分が低減するので、水分離器４やコンデンサ２３で回収される水分が過剰になる。反対に、運転負荷が急増した場合には、改質器１で要求される水分量に対して水分離器４およびコンデンサ２３で回収される水は一時的に不足する。
【００７４】
そこで、水タンク２５を備えて、水分離器４およびコンデンサ２３で回収した水を一時的に溜める。このように水分離器４またはコンデンサ２３の少なくとも一方で回収した水を溜める水タンク２５を備えることで、過剰に回収した水を水の不足時に用いることができ、負荷の変更に遅れることなく改質器１に必要な水を供給することができる。
【００７５】
第６の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１２に示す。
【００７６】
第４の実施形態において、コンデンサ２３で回収した凝縮水を改質器１に供給する配管から分岐して、ＬＬＣタンク１５に直接供給する分岐路３１を設ける。さらにその分岐点に方向制御バルブ２６を備え、コンデンサ２３で回収した水のうち改質器１に供給する水量とＬＬＣタンク１５に回収する水量との割合を調整可能とする。
【００７７】
起動時に、ＬＬＣから水分離器４で水を抽出するとＬＬＣに含まれる凝固点降下剤の濃度が高くなる。これにより、ＬＬＣの冷却性能が低下するばかりでなく、ＬＬＣポンプ６における損失も大きくなるので、燃料電池システムの性能低下に繋がる。そこで、コンデンサ２３において凝縮水を回収できるようになったら、コンデンサ２３で改質に必要な量以上の凝縮水を回収して、回収した水の一部をＬＬＣタンク１５に戻し、ＬＬＣの濃度をもとに戻すことで性能を回復する。
【００７８】
このように起動時に水分離器４で抽出した水量と概略同等の量の水をコンデンサ２３で回収してＬＬライン３に戻すことで、ＬＬＣの濃度をもとに戻すことができる。これにより、ＬＬＣの冷却性能を維持するとともに、ＬＬＣポンプ６における損失を抑制することができる。
【００７９】
第７の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１３に示す。
【００８０】
ここでは、第４の実施形態において、コンデンサ２３および水分離器４で回収した水を循環させる水ポンプ８の下流側からＬＬＣタンク１５に分岐する分岐路３０を備える。さらに、その分岐点に、水ポンプ８で改質器１へ送る水の少なくとも一部を選択的にＬＬＣタンク１５に供給するための方向制御バルブ２７を備える。
【００８１】
このように構成し、方向制御バルブ２７をＬＬＣタンク１５側に開くことで、濃度の高くなったＬＬＣ中に水を供給することができる。その結果、第６の実施形態と同様に、ＬＬＣの凝固点降下剤濃度を元に戻すことができ、ＬＬＣの冷却性能を回復すると共にＬＬＣポンプ６の損失を低減することができる。特に、水ポンプ８の下流側に分岐点を配置することで、コンデンサ２３で回収した水をＬＬＣ循環系に戻す際の制御性を向上することができる。
【００８２】
第８の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１４に示す。
【００８３】
ここでは、第５実施形態に用いた燃料電池システムの水タンク２５にヒータ２８を備える。ここでは、ヒータ２８としてＬＬＣライン３の一部を水タンク２５内に備え、改質器１においてＬＬＣが得た熱を水タンク２５の昇温に用いる。
【００８４】
起動時に、水タンク２５が氷点下の状態になっていると、ＬＬＣから水を抽出しても水タンク２５内に保有されている間に凍結してしまう。そこで、水を抽出する前に水タンク２５水を、ＬＬＣライン３を循環するＬＬＣにより加熱することで、水分離器４で分離した水を水タンク２５に回収した際に凍結するのを避けることができる。
【００８５】
第９の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１５に示す。
【００８６】
ここでは、第６実施形態において、ＬＬＣタンク１５にＬＬＣ濃度計２９を備え、凝固点降下剤の濃度を検出可能とした。ＬＬＣタンク１５内の凝固点降下剤の濃度を検出し、システム運転中、または停止時にＬＬＣの凝固点降下剤の濃度が所定の範囲を超えないようにＬＬＣタンク１５への水回収量を調整する。
【００８７】
このような構成の燃料電池システムにおける定常運転時の水回収量の調整方法を、図１６に示すフローチャートを用いて説明する。
【００８８】
ステップＳ６１において、ＬＬＣ濃度計２９を用いてＬＬＣタンク１５内のＬＬＣの凝固点降下剤濃度を検出する。ステップＳ６２において、検出した凝固点降下剤濃度が所定の範囲より高いかどうかを判断する。ここでは、所定の範囲は、ＬＬＣの凍結を防ぎ、且つ、燃料電池システムの性能を低下させないような凝固点降下剤濃度の範囲とする。
【００８９】
ステップＳ６２において、ＬＬＣの凝固点降下剤の濃度が所定範囲より高いと判断されたらステップＳ６３に進み、コンデンサ２３で回収する凝縮水の流量を増大する。この増大した分の水を方向制御バルブ２６を介してＬＬＣタンク１５に回収し、ＬＬＣの凝固点降下剤濃度を低下させる。ＬＬＣ濃度が所定範囲より高くないと判断されるまでステップＳ６２、Ｓ６３を繰り返して凝固点降下剤濃度を調整する。
【００９０】
一方、ステップＳ６２でＬＬＣ中の凝固点降下剤濃度が所定範囲より高いと判断されなかったらステップＳ６４に進む。ステップＳ６４では、凝固点降下剤濃度が所定範囲より低いかどうかを判断する。この所定範囲は、ステップＳ６２の範囲と同様で、ＬＬＣの凍結を防ぎ、且つ、燃料電池システムの性能を低下させないような凝固点降下剤濃度の範囲である。
【００９１】
凝固点降下剤濃度が所定範囲より低い場合には、ステップＳ６５に進み、水分離器４においてＬＬＣから分離する水量を増大する。これにより、ＬＬＣに含まれる水の割合が小さくなり凝固点降下剤濃度が増大する。その後、再びステップＳ６２に進み、凝固点降下剤濃度が所定範囲より高いか、またステップＳ６４に進み所定範囲より低いかを判断し、凝固点降下剤濃度が所定の範囲内になったら本制御を終了し、定常運転を継続する。
【００９２】
このように、ＬＬＣの濃度を検出するＬＬＣ濃度計２９を備え、この出力に応じて、水分離器４においてＬＬＣから分離する水の量およびコンデンサ２３により回収してＬＬＣに供給する水の量を調整する。これにより、ＬＬＣの凝固点降下剤濃度が低くなりすぎて凍結が生じたり、高くなりすぎて冷却不足やＬＬＣポンプ６の負荷が大きくなりすぎたりするのを防ぐことができる。
【００９３】
第１０の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１７を用いて説明する。
【００９４】
ここでは、第７実施形態において、ＬＬＣタンク１５にＬＬＣ濃度計２９を備えたものである。第９の実施形態と同様に、ＬＬＣタンク１５内の凝固点降下剤の濃度を検出し、システム運転中、または停止時にＬＬＣの凝固点降下剤の濃度が所定の範囲を超えないようにＬＬＣタンク１５への水回収量を調整する。
【００９５】
次に、水回収量の制御方法を図１８のフローチャートに基づいて説明する。
【００９６】
ここで行う制御は、第９の実施形態で用いた図１６のフローチャートとほぼ同じであるが、本実施形態では水タンク２５を備え、その下流側からＬＬＣタンク１５に分岐している。そのため、ステップＳ６２でＬＬＣ中の凝固点降下剤濃度が所定の範囲より低い場合には、ステップＳ７３に進み、分岐点に設けた方向制御バルブ２７をＬＬＣタンク１５側に開く。これにより、水ポンプ８により改質器１に供給される水の一部がＬＬＣタンク１５に供給されるので、ＬＬＣ中の凝固点降下剤の濃度を低減することができる。このように構成することで、第９の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９７】
次に、第１１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１９に示す。
【００９８】
ここでは、第３の実施形態において、ＬＬＣポンプを二つ設ける。つまり、改質器冷却ライン３ａにＬＬＣポンプ６ａを、燃料電池冷却ライン３ｂにＬＬＣポンプ６ｂを設け、それぞれのラインを流れるＬＬＣの流量をそれぞれのポンプにより調整する。また、改質器冷却ライン３ａを流れるＬＬＣ温度を検出するための改質器側のＬＬＣ温度センサ１３ａを備える。
【００９９】
起動時には、まずＬＬＣポンプ６ａを稼動させて改質器１から発生する熱で改質器冷却ライン３ａのＬＬＣを暖機する。ＬＬＣ温度が所定温度を超えたら、ＬＬＣポンプ６ｂを稼動させ、燃料電池冷却ライン３ｂにもＬＬＣを循環させる。これにより、改質器冷却ライン３ａ側のＬＬＣが過剰に昇温するのを抑制できるだけでなく、燃料電池冷却ライン３ｂのＬＬＣも加熱できるので、スタック２の暖機を速やかに行うことができる。
【０１００】
次に、このような燃料電池システムの起動時の制御方法を図２０のフローチャートに示す。
【０１０１】
ステップＳ１、Ｓ２において、第１の実施形態と同様に改質器１の温度を上昇させる。ステップＳ８１において、ＬＬＣポンプ６ａを稼動して改質器１にＬＬＣを循環させる。ステップＳ８２において、ＬＬＣ温度センサ１３ａを用いて改質器冷却ライン３ａを流れるＬＬＣの温度を検出し、ステップＳ８３において、ステップＳ８２で検出したＬＬＣ温度が所定温度に達しているかどうかを判断する。ＬＬＣが所定温度に達するまでその状態を維持して、所定温度に達したらステップＳ６〜Ｓ１０において、ＬＬＣからの水分離および改質器１、スタック２の運転を開始する。
【０１０２】
ステップＳ１０において発電を開始したら、ステップＳ８４に進み、改質器側ＬＬＣ温度センサ１３ａを用いてＬＬＣ温度を測定する。また、スタック温度センサ２１を用いてスタック２の温度を検出する。ステップＳ８５において、スタック２を冷却する必要があるかどうかを判断する。
【０１０３】
冷却する必要がある場合にはステップＳ８６に進み、ＬＬＣポンプ６ｂを通常運転と同様の負荷で運転することにより、スタック２にＬＬＣを循環させて冷却を行う。このように制御したら、起動運転を終了して通常運転を行う。
【０１０４】
一方、ステップＳ８５においてスタック２が冷却を必要とするほど昇温していないと判断された場合には、ステップＳ８７に進み、ステップＳ８４で検出したＬＬＣ温度が所定の温度を超えているかどうかを判断する。ここの所定温度は、例えば、ＬＬＣにより改質器１の冷却を効率良く行うことのできる温度範囲の上限、もしくはそれより低い温度とする。
【０１０５】
所定の温度を超えていなければ改質器１の冷却が可能なので、ステップＳ８８に進み、ＬＬＣポンプ６ｂの回転数を現状のまま維持する。ＬＬＣ温度が所定温度を超えるまでステップＳ８４以降の制御を繰り返し、ＬＬＣ温度が所定温度を超えてＬＬＣ温度が過剰に高くなったと判断されたらステップＳ８９に進む。ステップＳ８９において、ＬＬＣポンプ６ｂの回転数を増大して燃料電池冷却ライン３ｂに循環させるＬＬＣ流量の割合を増加する。これにより、スタック２を暖機できるとともに、ＬＬＣの過度の温度上昇を抑制することができる。
【０１０６】
次にステップＳ９０にＬＬＣポンプ６ｂの回転数が通常運転時の回転数となっているかどうかを判断し、通常の回転数に達していなければステップＳ８４以降の制御を繰り返す。一方、ＬＬＣポンプ６ｂの回転数が通常の回転数に達していれば、起動制御を終了して通常制御に切り替える。
【０１０７】
次に、本実施形態における効果を説明する。ここでは、第３の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【０１０８】
起動時に、ＬＬＣの温度が所定温度を超えた場合には、ＬＬＣをスタック２に循環させることにより、ＬＬＣの過度の温度上昇を抑制することができるとともに、スタック２の暖機を行うことができる。ここでは特に、改質器１にＬＬＣを循環させるＬＬＣポンプ６ａとスタック２にＬＬＣを循環させるＬＬＣポンプ６ｂとを設け、それぞれを制御することで、循環するＬＬＣの流量を正確に調整することができる。
【０１０９】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図２】第１の実施形態における起動時の運転制御を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態における停止時の運転制御を示すフローチャートである。
【図４】第２の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図５】第２の実施形態における起動時の運転制御を示すフローチャートである。
【図６】第３の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図７】第３の実施形態における起動時の運転制御を示すフローチャートである。
【図８】第４の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図９】第４の実施形態における起動時の運転制御を示すフローチャートである。
【図１０】第４の実施形態における水回収制御を示すフローチャートである。
【図１１】第５の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図１２】第６の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図１３】第７の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図１４】第８の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図１５】第９の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図１６】第９の実施形態における運転時の水回収の制御を示すフローチャートである。
【図１７】第１０の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図１８】第１０の実施形態における運転時の水回収の制御を示すフローチャートである。
【図１９】第１１の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図２０】第１１の実施形態における起動時の運転制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　　改質器
２　　スタック（燃料電池スタック）
３　　ＬＬＣライン（不凍液ライン）
３ａ　燃料電池冷却ライン
４　　水分離器
１３　ＬＬＣ温度センサ（不凍液温度検出手段）
１５　ＬＬＣタンク（不凍液タンク）
１６　バイパスライン
２３　コンデンサ
２５　水タンク
２９　ＬＬＣ濃度計（濃度検出手段）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2004103457.tif 000018
【図１７】
2004103457.tif 000019
【図１８】
2004103457.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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