(57)【要約】【課題】簡単な構成で、適切な量の改質ガスを燃料電池に提供することができる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１は、燃料電池１１と、改質器１２と、改質器１２に向けて燃料ガスＧ５が流通する燃料ガス供給ラインＬ６と、燃料ガス供給ラインＬ６に接続されるガス流量調整部３０と、ガス流量調整部３０と改質器１２との間の燃料ガス供給ラインＬ６の部分に接続され、ガス流量調整部３０から改質器１２へ流通する燃料ガスＧ５の圧力の変化を緩衝する圧力変化緩衝部４０と、を備える。ガス流量調整部３０は、複数の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３と、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３毎に設けられるＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃと、を有している。ガス流量調整部３０は、ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦを変更して、ガス流量調整部３０における燃料ガスＧ５の流通抵抗を変更する。【選択図】図１
2016139557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に向けて燃料ガスが流通する燃料ガス供給ラインと、
前記改質器からの改質ガスを前記燃料電池に向けて流通する改質ガス供給ラインと、
前記燃料ガス供給ラインに接続されるガス流量調整部と、
前記ガス流量調整部と前記改質器との間の前記燃料ガス供給ラインの部分に接続され、前記ガス流量調整部から前記改質器へ流通する燃料ガスの圧力の変化を緩衝する圧力変化緩衝部と、を備え、
前記ガス流量調整部は、前記燃料ガス供給ラインから分岐し、前記燃料ガス供給ラインに合流する複数の分岐ガスラインと、前記分岐ガスライン毎に設けられ、前記分岐ガスラインにおける燃料ガスの流通のＯＮ／ＯＦＦを行うＯＮ／ＯＦＦバルブと、を有し、前記ＯＮ／ＯＦＦバルブのＯＮ／ＯＦＦを変更することにより前記ガス流量調整部における燃料ガスの流通抵抗を変更する、
燃料電池システム。
【請求項２】
複数の前記分岐ガスラインは、前記ＯＮ／ＯＦＦバルブがＯＮ状態において、前記分岐ガスラインにおける燃料ガスの流通抵抗がそれぞれ異なっている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ガス流量調整部は、前記ＯＮ／ＯＦＦバルブよりも下流側の前記分岐ガスラインの部分に接続され、前記分岐ガスラインよりも流通抵抗が大きい流通抵抗部を更に備える、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流通抵抗部は、前記分岐ガスラインの流路の断面積よりも小さい断面積の絞り部を有するオリフィスからなり、
前記分岐ガスライン毎に、前記オリフィスの前記絞り部の断面積は、それぞれ異なっている、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
複数の前記ＯＮ／ＯＦＦバルブのＯＮ／ＯＦＦパターンの全てにおいて、前記ガス流量調整部における流通抵抗は、それぞれ異なる、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池に供給すべき改質ガスの増減を検出する改質ガス増減検出部と、
前記改質ガス増減検出部により検出される検出信号に基づいて前記ガス流量調整部から排出される燃料ガスの量を増減するように、前記ガス流量調整部の前記ＯＮ／ＯＦＦバルブを制御するガス流量制御部と、を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の下流側に配置され、前記燃料電池から排出されたオフガスの燃焼処理を行う燃焼器と、
前記燃焼器の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部により検出される検出信号に基づいて前記ガス流量調整部から排出される燃料ガスの量を増減するように、前記ガス流量調整部の前記ＯＮ／ＯＦＦバルブを制御するガス流量制御部と、を備える、請求項１〜５のいずれか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、適切な量の改質ガスを燃料電池に提供する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
改質器と燃料電池とを備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）等）は、改質器から供給される改質ガス中の水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて、発電を行う。
【０００３】
ところで、燃料電池が適切な発電量で発電するためには、改質器から燃料電池に対して、適切な量の改質ガスが提供される必要がある。燃料電池に適切な量の改質ガスが提供されない場合、例えば、燃料電池の発電量と改質ガスの供給量とのバランスが崩れ、改質ガスに急激な圧力変化が生じてしまい、急激な圧力変化により燃料電池を構成する燃料電池スタック等が破損する可能性がある。
【０００４】
燃料電池に適切な量の改質ガスを供給するため、例えば、特許文献１に記載の技術では、マスフローコントローラを用いて、改質器から燃料電池に適切な量のガスが供給されるように、改質器に供給される燃料ガスの流量を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１６１７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、マスフローコントローラを用いた制御では、例えば、特許文献１に記載の技術のように、燃料電池が発電している電圧を監視し、その監視結果に基づいて、改質器に供給される燃料ガスの微調整等が必要となり、制御が複雑になってしまうという問題がある。また、マスフローコントローラは高価であるという別の問題もある。
【０００７】
したがって、本発明は、簡単な構成で、適切な量の改質ガスを燃料電池に提供することができる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】
本発明は、燃料電池と、触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に向けて燃料ガスが流通する燃料ガス供給ラインと、前記改質器からの改質ガスを前記燃料電池に向けて流通する改質ガス供給ラインと、前記燃料ガス供給ラインに接続されるガス流量調整部と、前記ガス流量調整部と前記改質器との間の前記燃料ガス供給ラインの部分に接続され、前記ガス流量調整部から前記改質器へ流通する燃料ガスの圧力の変化を緩衝する圧力変化緩衝部と、を備え、前記ガス流量調整部は、前記燃料ガス供給ラインから分岐し、前記燃料ガス供給ラインに合流する複数の分岐ガスラインと、前記分岐ガスライン毎に設けられ、前記分岐ガスラインにおける燃料ガスの流通のＯＮ／ＯＦＦを行うＯＮ／ＯＦＦバルブと、を有し、前記ＯＮ／ＯＦＦバルブのＯＮ／ＯＦＦを変更することにより前記ガス流量調整部における燃料ガスの流通抵抗を変更する、燃料電池システムに関する。
【０００９】
また、複数の前記分岐ガスラインは、前記ＯＮ／ＯＦＦバルブがＯＮ状態において、前記分岐ガスラインにおける燃料ガスの流通抵抗がそれぞれ異なっていることが好ましい。
【００１０】
また、前記ガス流量調整部は、前記ＯＮ／ＯＦＦバルブよりも下流側の前記分岐ガスラインの部分に接続され、前記分岐ガスラインよりも流通抵抗が大きい流通抵抗部を更に備えることが好ましい。
【００１１】
また、前記流通抵抗部は、前記分岐ガスラインの流路の断面積よりも小さい断面積の絞り部を有するオリフィスからなり、前記分岐ガスライン毎に、前記オリフィスの前記絞り部の断面積は、それぞれ異なっていることが好ましい。
【００１２】
また、複数の前記ＯＮ／ＯＦＦバルブのＯＮ／ＯＦＦパターンの全てにおいて、前記ガス流量調整部における流通抵抗は、それぞれ異なることが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池に供給すべき改質ガスの増減を検出する改質ガス増減検出部と、前記改質ガス増減検出部により検出される検出信号に基づいて前記ガス流量調整部から排出される燃料ガスの量を増減するように、前記ガス流量調整部の前記ＯＮ／ＯＦＦバルブを制御するガス流量制御部と、を備えることが好ましい。
【００１４】
また、前記燃料電池の下流側に配置され、前記燃料電池から排出されたオフガスの燃焼処理を行う燃焼器と、前記燃焼器の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出される検出信号に基づいて前記ガス流量調整部から排出される燃料ガスの量を増減するように、前記ガス流量調整部の前記ＯＮ／ＯＦＦバルブを制御するガス流量制御部と、を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡単な構成で、適切な量の改質ガスを燃料電池に提供することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１を示す概略図である。
【図２】バルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦパターンを示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１を示す概略図である。図２は、バルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦパターンを示す図である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１２と、燃焼器１３と、改質ガス増減検出部１４と、ガス流量制御部１５と、燃料ガス供給部２１と、改質水供給部２２と、空気供給部２３と、ガス流量調整部３０と、圧力変化緩衝部４０と、を備える。
【００１９】
また、燃料電池システム１は、改質ガス供給ラインＬ１と、空気供給ラインＬ２と、アノードオフガスラインＬ３と、改質ガス検出ラインＬ４と、カソードオフガスラインＬ５と、燃料ガス供給ラインＬ６と、改質水供給ラインＬ７と、排ガスラインＬ８と、を有する。なお、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。
【００２０】
［ラインの説明］
改質ガス供給ラインＬ１の一端部は、改質器１２に接続されている。改質ガス供給ラインＬ１の他端部は、燃料電池１１に接続されている。改質ガス供給ラインＬ１には、改質器１２において生成された水素や一酸化炭素、未反応のメタン、未利用の水蒸気等を含む改質ガスＧ１が、流通する。改質器１２において生成される水素を含む改質ガスＧ１は、改質ガス供給ラインＬ１を流通して、燃料電池１１に供給され、発電に用いられる。
【００２１】
空気供給ラインＬ２の一端部は、ブロワ（図示しない）やフィルタ（図示しない）等で構成された空気供給部２３に接続されている。空気供給ラインＬ２の他端部は、燃料電池１１に接続されている。空気供給ラインＬ２には、空気供給部２３から供給された空気等のカソードガスＧ２が流通する。
【００２２】
アノードオフガスラインＬ３の一端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードオフガスラインＬ３の他端部は、燃焼器１３に接続されている。アノードオフガスラインＬ３の途中には、分岐部Ｊ３としての穴が設けられている。分岐部Ｊ３には、筒状の改質ガス検出ラインＬ４の一端部の開口が、この穴と連通するようにアノードオフガスラインＬ３に接続されている。改質ガス検出ラインＬ４は、アノードオフガスラインＬ３から分岐されて下方へ延出している。改質ガス検出ラインＬ４の他端部は、改質ガス増減検出部１４に接続されている。アノードオフガスラインＬ３及び改質ガス検出ラインＬ４には、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３が流通する。
【００２３】
カソードオフガスラインＬ５の一端部は、燃料電池１１に接続されている。カソードオフガスラインＬ５の他端部は、燃焼器１３に接続されている。カソードオフガスラインＬ５には、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスＧ４が流通する。
【００２４】
燃料ガス供給ラインＬ６の一端部は、都市ガス等の燃料ガスＧ５を供給可能な燃料ガス供給部２１に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ６の他端部は、改質器１２に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ６には、燃料ガス供給部２１から供給された燃料ガスＧ５が流通する。燃料ガス供給ラインＬ６における燃料ガス供給部２１と改質器１２との間には、上流側から順に、ガス流量調整部３０と、圧力変化緩衝部４０と、が接続されている。
【００２５】
燃料ガス供給ラインＬ６は、接続部Ｊ１において、ガス流量調整部３０が有する複数の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３に分岐している。すなわち、各分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３の一端部は、接続部Ｊ１において、燃料ガス供給ラインＬ６の合流部分に接続されている。各分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３の他端部は、接続部Ｊ１よりも下流側に位置する接続部Ｊ２において、燃料ガス供給ラインＬ６の合流部分に、再び接続されている。接続部Ｊ２よりも下流側の燃料ガス供給ラインＬ６には、圧力変化緩衝部４０が接続されている。
【００２６】
各分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３における接続部Ｊ１と接続部Ｊ２との間には、接続部Ｊ１から接続部Ｊ２に向けて、それぞれＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃと、流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃと、がこの順番で直列に配置されている。燃料ガスＧ５は、燃料ガス供給ラインＬ６から接続部Ｊ１に向けて流通し、接続部Ｊ１から分岐して、各分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３（ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、及び流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ）を流通する。各分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３を流通した燃料ガスＧ５は、それぞれ接続部Ｊ２に向けて流通し、接続部Ｊ２において合流し、再び、燃料ガス供給ラインＬ６を流通する。
【００２７】
改質水供給ラインＬ７の一端部は、改質水（水蒸気）Ｗ１を供給可能な改質水供給部２２に接続されている。改質水供給ラインＬ７の他端部は、改質器１２に接続されている。改質水供給ラインＬ７には、改質水供給部２２から供給された改質水（水蒸気）Ｗ１が流通する。
【００２８】
排ガスラインＬ８の一端部は、燃焼器１３に接続されている。排ガスラインＬ８の他端部は、図示しない熱交換器等に接続されている。排ガスラインＬ８には、燃焼器１３から排出される排ガスＧ６が流通する。
【００２９】
［各装置の説明］
燃料電池１１としては、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池１１は、燃料電池スタック（図示せず）を有している。また、燃料電池スタックは、複数の発電セル（図示せず）とセパレータ（図示せず）とが交互に積層されることで構成される。
【００３０】
発電セルは、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に設けられた電解質層と、を有する。アノードは、ニッケル等から形成されている。
【００３１】
燃料電池１１は、改質器１２から改質ガス供給ラインＬ１を介してアノードに供給される改質ガスＧ１と、空気供給ラインＬ２からカソードに供給されるカソードガスＧ２とを反応させることにより、発電を行なうことができる。燃料電池１１によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。
【００３２】
燃料電池１１は、アノードからのオフガスであるアノードオフガスＧ３、及びカソードからのオフガスであるカソードオフガスＧ４を排出する。アノードオフガスＧ３は、アノードガス（水素）を含んでいる。そのため、アノードガス（水素）を不活化するために燃焼器１３によって燃焼処理を行う。
【００３３】
燃焼器１３は、燃料電池１１の下流側に配置される。燃焼器１３は、バーナや炉等により構成される。アノードオフガスラインＬ３及びカソードオフガスラインＬ５を通じて排出されたオフガスが燃焼されて、すなわち、アノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４が燃焼されて、高温の排ガスＧ６が生成される。排ガスＧ６は、燃焼器１３の下流側に接続された排ガスラインＬ８を介して、燃料電池システム１の外に排出される。
【００３４】
改質器１２は、燃料ガス供給ラインＬ６、ガス流量調整部３０及び圧力変化緩衝部４０を介して供給された燃料ガスＧ５、並びに改質水供給ラインＬ７から供給された改質水Ｗ１に基づいて、触媒上で、水素を含む改質ガスＧ１を生成する。改質器１２によって生成された水素を含む改質ガスＧ１は、改質ガス供給ラインＬ１を介して、燃料電池１１へ供給される。
【００３５】
改質ガス増減検出部１４は、燃料電池１１に供給すべき改質ガスＧ１の増減を検出する。改質ガス増減検出部１４は、例えば、燃料利用率センサで構成することができる。
【００３６】
ガス流量制御部１５は、改質ガス増減検出部１４と、ガス流量調整部３０とに電気的に接続されている。ガス流量制御部１５は、改質ガス増減検出部１４より検出される（送信される）検出信号に基づいて、ガス流量調整部３０から排出される燃料ガスＧ５の量を増減するように、ガス流量調整部３０のＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを制御する。
【００３７】
燃料ガス供給部２１は、燃料ガス供給ラインＬ６に都市ガス等の燃料ガスＧ５を供給する。改質水供給部２２は、改質水供給ラインＬ７に改質水（水蒸気）Ｗ１を供給する。空気供給部２３は、空気供給ラインＬ２にカソードガスＧ２を供給する。
【００３８】
ガス流量調整部３０は、燃料ガス供給部２１と改質器１２との間の燃料ガス供給ラインＬ６の部分に接続されている。ガス流量調整部３０は、複数の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３を有している。また、複数の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３には、それぞれ上流側から、ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃと、流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃと、が接続されている。
【００３９】
複数の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３は、接続部Ｊ１において、燃料ガス供給ラインＬ６から分岐し、接続部Ｊ２において、燃料ガス供給ラインＬ６に合流する。複数の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３は、ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣがＯＮ状態において、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３における燃料ガスＧ５の流通抵抗がそれぞれ異なっている。
流通抵抗を異ならせる手段としては、例えば、流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの流通抵抗を異ならせたり、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３の接続部Ｊ１から接続部Ｊ２までの形状や長さを異ならせたり、ラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３を構成する材質を異ならせたりすることが挙げられる。
【００４０】
ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３における燃料ガスＧ５の流通のＯＮ／ＯＦＦを行う。
【００４１】
流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは、ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃよりも下流側の各分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３の部分に接続されている。流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３よりも燃料ガスＧ５の流通抵抗が大きい。各流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃにおける燃料ガスＧ５の流通抵抗は、それぞれ異なっている。
【００４２】
図１における流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３の流路の断面積よりも小さい断面積の絞り部を有するオリフィスで、構成されている。分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３毎に、オリフィス３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの絞り部の断面積は、それぞれ異なっている（つまり、オリフィス３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの流通抵抗は、それぞれ異なっている）。
【００４３】
図１に示す例では、オリフィス３２Ａは、断面積（以下、「断面積Ａ」という）が最も大きい絞り部を有する。また、オリフィス３２Ｃは、断面積（以下、「断面積Ｃ」という）が最も小さい絞り部を有する。また、オリフィス３２Ｂは、断面積Ａと断面積Ｃとの間の断面積（以下、「断面積Ｂ」という）である絞り部を有する。なお、ベルヌーイの定理を応用すると、配管内を流れる流体の流量は、流路の面積にほぼ比例し、流体の流速にはほとんど依存しないと考えることができる。
【００４４】
ガス流量調整部３０の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３において、オリフィス３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの絞り部の断面積以外の構成は、実質的に同じである。例えば、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３の接続部Ｊ１から接続部Ｊ２までの形状や長さは、実質的に同じであり、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３を構成する材質は同じである。
【００４５】
ガス流量調整部３０は、ガス流量制御部１５からの制御信号に基づき、ガス流量調整部３０のＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦを変更することにより、ガス流量調整部３０における燃料ガスＧ５の流通抵抗を変更することができる。ガス流量調整部３０では、複数のＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦパターンの全てにおいて、ガス流量調整部３０の流通抵抗が、それぞれ異なるように設定される。
【００４６】
具体的には、このようなガス流量調整部３０の流通抵抗を実現させるため、図２に示すように、オリフィス３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの流通抵抗の値は、流通抵抗の値がそれぞれ異なるように、且つ流通抵抗の値を組み合わせることにより算出される流通抵抗の値が、それぞれ異なるように、設定される。図２に示す［ＯＮ／ＯＦＦパターン］において、オリフィス３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの流通抵抗は、流通抵抗例１ではそれぞれ「２」、「３」、「４」と設定されており、流通抵抗例２ではそれぞれ「１」、「３」、「５」と設定されており、流通抵抗例３ではそれぞれ「１」、「４」、「７」と設定されている。この数字が大きいほど流通抵抗が大きいことを意味する。
【００４７】
流通抵抗がそれぞれ異なり且つ流通抵抗の値を組み合わせることにより合算される流通抵抗の値がそれぞれ異なるｎ（ｎ＝１、２、３・・・・）個のオリフィスをガス流量調整部３０が有している場合、ガス流量調整部３０の流通抵抗を、２ｎ（ｎ＝１、２、３・・・・）のパターンの値に変更することができる。
【００４８】
図２に示す例では、ガス流量調整部３０は、上述のような流通抵抗である３つのオリフィス３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを有しているため（つまり、ｎ＝３であるため）、ガス流量調整部３０の流通抵抗を、ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせにより、８パターンの値に変更することができる。
【００４９】
以下の説明において、ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを、それぞれ、「バルブ３１Ａ」、「バルブ３１Ｂ」及び「バルブ３１Ｃ」と略記する。
図２に示す［ＯＮ／ＯＦＦパターン］では、バルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣにおけるＯＮ／ＯＦＦの組み合わせと、ＯＮ／ＯＦＦの組み合わせに応じた流通抵抗とが対応付けられている。［ＯＮ／ＯＦＦパターン］において、バルブ３１Ｘ（Ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃ）が「ＯＮ」とは、バルブ３１ＸがＯＮ状態であることを示す。また、バルブ３１Ｘ（Ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃ）が「ＯＦＦ」とは、バルブ３１ＸがＯＦＦ状態であることを示す。
【００５０】
圧力変化緩衝部４０は、ガス流量調整部３０と改質器１２との間の燃料ガス供給ラインＬ６の部分に接続されている。圧力変化緩衝部４０は、ガス流量調整部３０から改質器１２へ流通する燃料ガスＧ５の圧力の変化を緩衝する。
【００５１】
図１における圧力変化緩衝部４０は、ガス流量調整部３０と改質器１２との間の燃料ガス供給ラインＬ６の部分の流路の断面積よりも大きい断面積を有するバッファタンクで、構成されている。なお、圧力変化緩衝部４０を、バッファタンクで構成せずに、例えば、ポーラスメタル（多孔質金属）より構成することもできる。
【００５２】
［動作の説明］
第１実施形態による燃料電池システム１は、以下のように動作する。
燃料電池システム１が起動されると、燃料ガスＧ５は、燃料ガス供給部２１から、燃料ガス供給ラインＬ６、ガス流量調整部３０及び圧力変化緩衝部４０を介して、改質器１２に供給される。また、改質水Ｗ１は、改質水供給部２２から改質水供給ラインＬ７を介して改質器１２に供給される。改質器１２は、燃料ガスＧ５と改質水Ｗ１とから、改質ガスＧ１を生成し、改質ガス供給ラインＬ１を介して、改質ガスＧ１を燃料電池１１に供給する。空気供給部２３は、空気供給ラインＬ２を介して、カソードガスＧ２を燃料電池１１に供給する。
【００５３】
燃料電池１１は、供給された改質ガスＧ１及びカソードガスＧ２を使用して発電する。発電に使用されなかった改質ガスＧ１は、アノードオフガスＧ３として燃料電池１１からアノードオフガスラインＬ３に排出される。発電に使用されなかったカソードガスＧ２は、カソードオフガスＧ４として燃料電池１１からカソードオフガスラインＬ５に排出される。アノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４は、燃焼器１３で燃焼され、排ガスＧ６として排ガスラインＬ８に排出される。
【００５４】
改質ガス増減検出部１４は、燃料電池１１に供給すべき改質ガスＧ１の増減を検出し、この検出信号をガス流量制御部１５に出力する。具体的に、改質ガス増減検出部１４は、改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１の流量を所定の時間間隔で取得し、取得した改質ガスＧ１の流量と予め定め設定されている所定の流量とを比較する。そして、改質ガス増減検出部１４は、取得した改質ガスＧ１の流量の所定の流量に対する増減量を検出する。改質ガス増減検出部１４は、検出結果に基づく検出信号を、ガス流量制御部１５に送信する。
【００５５】
ここで、所定の流量とは、燃料電池システム１が正常に動作している状態、例えば、燃料電池１１から発電される電圧の値が所定の値である状態における、改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１の流量を示す。なお、所定の流量は、燃料電池システム１が起動されるたびに、毎回設定されてもよい。
【００５６】
ガス流量制御部１５は、改質ガス増減検出部１４から送信された検出信号を受信すると、受信した検出信号に基づいて、ガス流量調整部３０における流通抵抗の値をどのような値に変更するのかを決定する。
【００５７】
例えば、改質ガス増減検出部１４から改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１が所定の流量よりも増加しているという検出信号を受信した場合、ガス流量制御部１５は、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１の供給量を減少させるために、ガス流量調整部３０における流通抵抗の値を、改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１の増加量に応じた値に増加させることを決定する。
【００５８】
より詳細には、ガス流量調整部３０における流通抵抗の値が増加すると、ガス流量調整部３０を介して改質器１２へ供給される燃料ガスＧ５は、減少する。これにより、改質器１２において生成される改質ガスＧ１の生成量は減少し、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１の流量も減少する。その結果、改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１の流量は、減少する。
【００５９】
また、改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１が所定の流量よりも減少しているという検出信号を受信した場合、ガス流量制御部１５は、ガス流量調整部３０における流通抵抗の値を、改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１の減少量に応じた値に減少させることを決定する。ガス流量調整部３０における流通抵抗の値が減少すると、ガス流量調整部３０を介して改質器１２へ供給される燃料ガスＧ５の流量は、増加する。これにより、改質器１２において生成される改質ガスＧ１の生成量は増加し、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１の流量も増加する。その結果、改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１の流量は、増加する。
【００６０】
ガス流量制御部１５は、決定した流通抵抗を実現させるバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせを決定する。
ここで、例えば、ガス流量制御部１５は、図２に示す［ＯＮ／ＯＦＦパターン］のように、バルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせと、組み合わせに応じた流通抵抗とを対応付けて予め記憶しておくことができる。そして、ガス流量制御部１５は、決定した流通抵抗の値に最も近い流通抵抗を、記憶されている［ＯＮ／ＯＦＦパターン］から検索し、検索した流通抵抗と対応付けられているパターンを選択することにより、バルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせを決定することもできる。
【００６１】
ガス流量制御部１５は、決定したバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせをガス流量調整部３０において実現させるために、バルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせを変更する制御信号をガス流量調整部３０に送信する。
【００６２】
ガス流量調整部３０は、ガス流量制御部１５から送信された制御信号を受信すると、制御信号に基づいて、バルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦを変更する。
【００６３】
ガス流量制御部１５が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。
改質ガス増減検出部１４が、改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１の流量が増加していることを検出した場合、この検出は、増加分の改質ガスＧ１が燃料電池１１によって消費されていない状態を示す。この状態は、改質ガスＧ１の供給量が過多な状態で燃料電池１１が発電していることを意味する。そのため、ガス流量制御部１５は、ガス流量調整部３０の流通抵抗を増加させて、ガス流量調整部３０を介して改質器１２へ供給される燃料ガスＧ５の流量を減少させるための制御信号を、つまり、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１の流量を減少させるための制御信号を、ガス流量調整部３０に送信する。
【００６４】
一方、改質ガス増減検出部１４が、改質ガス検出ラインＬ４を流通する改質ガスＧ１の流量が減少していることを検出した場合、この検出は、改質ガスＧ１の供給量が少ない状態で燃料電池１１が発電していることを意味する。この場合、燃料電池１１が破損することがある。そのため、ガス流量制御部１５は、ガス流量調整部３０の流通抵抗を減少させて、ガス流量調整部３０を介して改質器１２へ供給される燃料ガスＧ５の流量を増加させるための制御信号を、つまり、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１の流量を増加させるための制御信号を、ガス流量調整部３０に送信する。
【００６５】
圧力変化緩衝部４０は、ガス流量調整部３０を流通した燃料ガスＧ５の圧力の変化を緩衝する。燃料ガスＧ５の圧力の変化は、例えば、ガス流量制御部１５から送信される制御信号に基づきガス流量調整部３０における流通抵抗が突発的に減少し、燃料ガス供給ラインＬ６を流通する燃料ガスＧ５の流量が突発的に増加した場合、及び／又は燃料ガス供給部２１から改質器１２に供給される燃料ガスＧ５の種類が変わった場合に起こる。
【００６６】
［効果］
第１実施形態の燃料電池システム１によれば、以下のような効果が得られる。
上述のように、第１実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１１と、触媒上で燃料と水とを反応させて、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１を生成する改質器１２と、改質器１２に向けて燃料ガスＧ５が流通する燃料ガス供給ラインＬ６と、改質器１２からの改質ガスＧ１を燃料電池１１に向けて流通する改質ガス供給ラインＬ１と、燃料ガス供給ラインＬ６に接続されるガス流量調整部３０と、ガス流量調整部３０と改質器１２との間の燃料ガス供給ラインＬ６の部分に接続され、ガス流量調整部３０から改質器１２へ流通する燃料ガスＧ５の圧力の変化を緩衝する圧力変化緩衝部４０と、を備える。
【００６７】
ガス流量調整部３０は、燃料ガス供給ラインＬ６から分岐し、燃料ガス供給ラインＬ６に合流する複数の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２，Ｌ６３と、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２，Ｌ６３毎に設けられ、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２，Ｌ６３における燃料ガスＧ５の流通のＯＮ／ＯＦＦを行うＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃと、を有している。ガス流量調整部３０は、ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦを変更することによりガス流量調整部３０における燃料ガスＧ５の流通抵抗を変更する。
【００６８】
この構成によれば、ガス流量調整部３０が有するバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦを変更するだけで、ガス流量調整部３０における燃料ガスＧ５の流通抵抗を増減させることができる。ガス流量調整部３０を介して改質器１２へ供給される燃料ガスＧ５を増減させることによって、改質器１２において生成される改質ガスＧ１の生成量を増減させて、その結果、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１の供給量を増減させることができる。また、圧力変化緩衝部４０を、燃料ガス供給ラインＬ６に接続させることにより、例えば、バルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦの変更時に発生する燃料ガスＧ５の圧力変化を、改質器１２に達する前に、圧力変化緩衝部４０によって緩衝することができる。すなわち、この構成により、簡単な構成で、適切な量の改質ガスＧ１を燃料電池１１に提供することができる燃料電池システム１を提供することができる。
【００６９】
また、複数の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２，Ｌ６３は、ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣがＯＮ状態において、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２，Ｌ６３における燃料ガスＧ５の流通抵抗がそれぞれ異なっている。
【００７０】
また、ガス流量調整部３０は、ＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃよりも下流側の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２，Ｌ６３の部分に接続され、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２，Ｌ６３よりも流通抵抗が大きい流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを更に備える。
【００７１】
また、流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２，Ｌ６３の流路の断面積よりも小さい断面積の絞り部を有するオリフィスからなり、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２，Ｌ６３毎に、オリフィスの前記絞り部の断面積は、それぞれ異なっている。
【００７２】
この構成によれば、例えば、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３を、同じ流通抵抗を有する材質で構成しても、オリフィス３２Ａ、３２Ｂ，３２Ｃの絞り部の断面積をそれぞれ異ならせることで、ガス流量調整部３０における流通抵抗を多段階に変更することができる。すなわち、この構成によれば、ガス流量調整部３０を、同じ材質の分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３で構成することができるので、ガス流量調整部３０を簡易に且つ安価に構成することができる。
【００７３】
また、複数のＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦパターンの全てにおいて、ガス流量調整部３０における流通抵抗は、それぞれ異なる。
【００７４】
この構成によれば、ガス流量調整部３０は、複数のＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦパターンに応じて、流通抵抗のパターンを多段階に変更することができる。
具体的には、流通抵抗がそれぞれ異なり且つ流通抵抗の組み合わせもそれぞれ異なる流通抵抗部が接続された分岐ガスラインを、ガス流量調整部３０が有している場合、ガス流量調整部３０における流通抵抗を、その分岐ガスラインの本数に応じた種類に変更することができる。
すなわち、ガス流量調整部３０が、上述のようなｎ（ｎは１以上の整数）本の分岐ガスラインを有している場合、ガス流量調整部３０では、２ｎ（ｎは１以上の整数）パターンの流通抵抗を実現することができる。例えば、分岐ガスラインが５本であり（つまり、ｎ＝５であり）、各分岐ガスラインの流通抵抗部の流通抵抗をそれぞれ「１」、「３」、「５」、「９」及び「１７」、又は「１」、「３」、「５」、「７」及び「９」と設定した場合、ガス流量調整部３０における流通抵抗を３２パターンの値に変更することができる。
【００７５】
また、第１実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１１に供給すべき改質ガスＧ１の増減を検出する改質ガス増減検出部１４と、改質ガス増減検出部１４により検出される検出信号に基づいてガス流量調整部３０から排出される燃料ガスＧ５の量を増減するように、ガス流量調整部３０のＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを制御するガス流量制御部１５と、を備える。
【００７６】
この構成によれば、燃料電池１１が消費する改質ガスＧ１の量（燃料電池１１が排出する改質ガスＧ１の増減量）に応じて、改質器１２に供給される燃料ガスＧ５の流量を調整することができる。そして、改質器１２において生成される改質ガスＧ１の生成量を増減させて、その結果、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１の供給量を増減させることができる。これにより、改質ガスＧ１の供給量が過多な状態で燃料電池１１を発電させること、及び改質ガスＧ１の供給量が少ない状態で燃料電池１１を発電させることを減少させることができる。
【００７７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａを示す概略図である。
【００７８】
第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、第１実施形態に係る燃料電池システム１と、多くの共通点を有する。したがって、以下の説明では、第１実施形態に係る燃料電池システム１と異なる第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａの技術的内容を中心に説明する。
【００７９】
図３に示すように、燃料電池システム１Ａは、燃料電池１１と、改質器１２と、燃焼器１３と、ガス流量制御部１５と、温度検出部１６と、燃料ガス供給部２１と、改質水供給部２２と、空気供給部２３と、ガス流量調整部３０と、圧力変化緩衝部４０と、を備える。
【００８０】
つまり、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａには、第１実施形態に係る燃料電池システム１が備えている改質ガス増減検出部１４（改質ガス検出ラインＬ４）が省略され、温度検出部１６が新たに設けられている。
【００８１】
温度検出部１６は、燃焼器１３の温度の増減を検出する。ガス流量制御部１５は、温度検出部１６と、ガス流量調整部３０と、に電気的に接続されている。ガス流量制御部１５は、温度検出部１６より検出される（送信される）検出信号に基づいて、ガス流量調整部３０から排出される燃料ガスＧ５の量を増減するように、ガス流量調整部３０のＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを制御する。
【００８２】
燃料電池システム１Ａが起動されると、温度検出部１６は、燃焼器１３の温度の増減を検出し、この検出信号をガス流量制御部１５に出力する。具体的に、温度検出部１６は、燃焼器１３の温度を所定の時間間隔で取得し、取得した温度と予め定め設定されている所定の温度とを比較する。そして、温度検出部１６は、取得した温度の所定の温度に対する増減量を検出する。温度検出部１６は、検出結果に基づく検出信号を、ガス流量制御部１５に送信する。
【００８３】
ここで、所定の温度とは、燃料電池システム１Ａが正常に動作している状態、例えば、燃料電池１１から発電される電圧の値が所定の値である状態における、燃焼器１３の温度を示す。なお、所定の温度は、燃料電池システム１Ａが起動されるたびに、毎回設定されてもよい。
【００８４】
ガス流量制御部１５は、温度検出部１６から送信された検出信号を受信すると、受信した検出信号に基づいて、ガス流量調整部３０における流通抵抗の値をどのような値に変更するのかを決定する。また、ガス流量制御部１５は、決定した流通抵抗を実現させるバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１ＣのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせを、例えば、図２に示すＯＮ／ＯＦＦパターンを用いて、決定する。
【００８５】
第２実施形態におけるガス流量制御部１５が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。
温度検出部１６が、燃焼器１３の温度が増加していることを検出した場合、この検出は、燃料電池１１から供給されるアノードオフガスＧ３に燃料電池１１に使用されなかった改質ガスＧ１が多く含まれており、燃焼器１３において燃焼処理に多くの熱量が使用されている状態を示す。この状態は、燃料電池１１は、改質ガスＧ１の供給量が過多な状態で発電していることを意味する。そのため、ガス流量制御部１５は、ガス流量調整部３０の流通抵抗を増加させて、ガス流量調整部３０を介して改質器１２へ供給される燃料ガスＧ５の流量を減少させるための制御信号を、つまり、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１の流量を減少させるための制御信号を、ガス流量調整部３０に送信する。
【００８６】
一方、燃焼器１３の温度が減少していることを温度検出部１６が検出した場合、この検出は、燃料電池１１から供給されるアノードオフガスＧ３に含まれている改質ガスＧ１の量が少なく、燃焼器１３において燃焼処理に所定量の熱量が使用されていない状態を示す。この状態は、燃料電池１１は、改質ガスＧ１の供給量が少ない状態で発電していることを意味する。この場合、燃料電池１１が破損することがある。そのため、ガス流量制御部１５は、ガス流量調整部３０の流通抵抗を減少させて、ガス流量調整部３０を介して改質器１２へ供給される燃料ガスＧ５の流量を増加させるための制御信号を、つまり、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ１の流量を増加させるための制御信号を、ガス流量調整部３０に送信する。
【００８７】
第２実施形態の燃料電池システム１Ａによれば、第１実施形態の燃料電池システム１の効果の他に、以下のような効果が得られる。
第２実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池１１の下流側に配置され、燃料電池１１から排出されたオフガスＧ３、Ｇ４の燃焼処理を行う燃焼器１３と、燃焼器１３の温度を検出する温度検出部１６と、温度検出部１６により検出される検出信号に基づいてガス流量調整部３０から排出される燃料ガスＧ５の量を増減するように、ガス流量調整部３０のＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを制御するガス流量制御部１５と、を備える。
【００８８】
この構成によれば、燃料電池１１が消費する改質ガスＧ１の量（燃焼器１３の温度の増減量）に応じて、ガス流量調整部３０を介して改質器１２へ供給される燃料ガスＧ５を増減させることができる。そして、改質器１２において生成される改質ガスＧ１の生成量を増減させて、その結果、燃料電池１１に供給する改質ガスＧ１の流量を調整することができる。これにより、改質ガスＧ１の供給量が過多な状態で燃料電池１１を発電させること、及び改質ガスＧ１の供給量が少ない状態で燃料電池１１を発電させることを減少させることができる。
【００８９】
［変形例］
本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、図１及び図３に示す例では、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３毎に、流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃが設けられているが、全ての分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３に、流通抵抗部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃが設けられる必要はない。また、分岐ガスラインＬ６１、Ｌ６２、Ｌ６３毎に、２つ以上の流通抵抗部が設けられていてもよい。
【００９０】
また、燃料電池システムは、改質ガス増減検出部１４と、温度検出部１６とを備える構成とすることもできる。この場合、ガス流量制御部１５は、改質ガス増減検出部１４及び／又は温度検出部１６により検出される検出信号に基づいてガス流量調整部３０から排出される燃料ガスＧ５の量を増減するように、ガス流量調整部３０のＯＮ／ＯＦＦバルブ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを制御することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１    燃料電池システム
１１  燃料電池
１２  改質器
１３  燃焼器
１４  改質ガス増減検出部
１５  ガス流量制御部
１６  温度検出部
３０  ガス流量調整部
４０  圧力変化緩衝部
Ｌ１  改質ガス供給ライン
Ｌ６  燃料ガス供給ライン
Ｌ６１、Ｌ６２、Ｌ６３  分岐ガスライン
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ  ＯＮ／ＯＦＦバルブ
３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ  流通抵抗部、オリフィス
Ｇ１  改質ガス
Ｇ５  燃料ガス
【図１】
2016139557.tif 000003
【図２】
2016139557.tif 000004
【図３】
2016139557.tif 000005