JP2010010050A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、停電後に再起動する際に、人手を要することなくかつ正常に再起動できる。
【解決手段】 燃料電池システムは、発電した電力を、系統電源３３に接続された外部電力負荷３５に供給する燃料電池１０と、改質用燃料を改質して生成した燃料ガスを燃料電池に供給する改質器２０と、燃料電池１０および改質器２０の運転を制御するための制御装置（システム制御装置４０、インバータ制御装置３１ｄ）と、を備えており、制御装置は、系統電源３３の停電の発生にて燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、燃料電池システムが再起動可能状態となるように自動的に復旧動作を行い、該復旧動作の完了後に該燃料電池システムを待機状態へ移行させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システム１は、燃料電池システム１が復電したときに、燃料電池システム１への電力の供給が途絶える直前の各工程に対応する所定の停止工程に直接移行して、それ以降所定の停止工程を経て燃料電池システム１を停止するようになっている。これにより、燃料電池２０本体や改質器１０が触媒の劣化等により損傷を受けることを回避することができるようになっている。
特開２００６−３１９９５号公報

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、停電が発生した場合、該燃料電池システムの圧力や温度の変動を考慮しないで、停止工程に移行して所定の停止工程を経て燃料電池システムを停止しているため、燃料電池システム内の所定部位に継続する異常高温が発生したり、適正外の圧力状態となる部位が発生したりして、再起動できるような状態で停止させることができないおそれがあり、加えて再起動する際に人によるメンテナンスを行う必要が生じるおそれがあった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、停電後に再起動する際に、人によるメンテナンスを要することなく再起動できることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、発電した電力を、系統電源に接続された外部電力負荷に供給する燃料電池と、改質用燃料を改質して生成した燃料ガスを燃料電池に供給する改質器と、燃料電池および改質器の運転を制御するための制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、系統電源の異常時に燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、燃料電池システムが再起動可能状態となるように自動的に復旧動作を行い、該復旧動作の完了後に該燃料電池システムを待機状態へ移行させることである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、改質器は、改質用燃料を改質して生成した燃料ガスを生成する改質部と、可燃ガスおよび燃焼用酸化剤ガスが供給されて可燃ガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼してその燃焼ガスで改質部を加熱する燃焼部と、を備え、復旧動作は、燃焼部および熱媒体循環回路の冷却処理、および改質器および燃料電池の各内部の圧力調整処理を含んでいることである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、冷却処理が完了した後、圧力調整処理を行うことである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項２または請求項３において、燃料電池システムは、改質器の排熱を回収する第１熱媒体が循環する第１熱媒体循環回路と、第１熱媒体を循環させる第１熱媒体循環手段とをさらに備え、改質器の排熱には燃焼部からの排ガスの排熱も含み、冷却処理は、第１熱媒体循環手段による第１熱媒体の循環動作を開始した後、燃焼部に燃焼用酸化剤ガスのみを流入させる処理であることである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、制御装置は、復旧動作中に、燃料電池システムに備えられたセンサの故障、改質用燃料、可燃ガスおよび燃料ガスの漏れ、燃料電池システム内での火災、燃料電池システム内の異常高温との少なくとも１つの燃料電池システム内異常の検知を行い、該異常を検知したときには燃料電池システムの再起動を禁止することである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項５において、制御装置は、燃料電池システムの所定部位の温度が所定温度より高くなったとき、その高温状態が所定時間以上継続する場合に、異常高温であると判定することである。

また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項６の何れか一項において、制御装置は、系統電源の異常による停止回数および異常に対する復旧動作を行った回数を記憶し、何れかの回数が所定回数に達したとき、異常に対する復旧動作を禁止することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、制御装置は、系統電源の異常時に燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、燃料電池システムが再起動可能状態となるように自動的に復旧動作を行い、該復旧動作の完了後に該燃料電池システムを待機状態へ移行させる。これによれば、系統電源の異常時に燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、燃料電池システム内の所定部位に継続する異常高温が発生したり、適正外の圧力状態となる部位が発生したりしても、燃料電池システムは再起動可能状態となるように自動的に復旧され、復旧完了後に待機状態へ移行されるので、その後の再起動の際には、人によるメンテナンスを行うこともなく、燃料電池システムを再起動することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、改質器は、改質用燃料を改質して生成した燃料ガスを生成する改質部と、可燃ガスおよび燃焼用酸化剤ガスが供給されて可燃ガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼してその燃焼ガスで改質部を加熱する燃焼部と、を備え、復旧動作は、燃焼部および熱媒体循環回路の冷却処理、および改質器および燃料電池の各内部の圧力調整処理を含んでいる。これによれば、系統電源の異常時に燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、燃料電池システム内の所定部位に継続する異常高温が発生したり、適正外の圧力状態となる部位が発生したりしても、冷却処理により高温を抑制し、圧力調整処理により不適当な圧力となるのを抑制することができるので、システム全体として性能・耐久性の劣化を抑制し、信頼性を高く維持することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２に係る発明において、冷却処理が完了した後、圧力調整処理を行う。これによれば、改質器の燃焼部の温度を低下した後に改質器および燃料電池の内部の圧力調整を行うので、その内部の改質用燃料や燃料ガスなどの可燃ガスが圧力調整に伴って流れても不慮の発火を防ぐことができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項２または請求項３に係る発明において、燃料電池システムは、改質器の排熱を回収する第１熱媒体が循環する第１熱媒体循環回路と、第１熱媒体を循環させる第１熱媒体循環手段とをさらに備え、改質器の排熱には燃焼部からの排ガスの排熱も含み、冷却処理は、第１熱媒体循環手段による第１熱媒体の循環動作を開始した後、燃焼部に燃焼用酸化剤ガスのみを流入させる処理である。これによれば、燃焼用酸化剤ガスの流通による燃焼部の冷却に伴った該燃焼部からの排ガスの排熱を第１熱媒体が回収する際に、既に循環している第１熱媒体によって排ガスの排熱を回収できるので、排ガスの排熱により第１熱媒体が沸騰することを回避でき正常に復旧動作を行うことができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４の何れか一項に係る発明において、制御装置は、復旧動作中に、燃料電池システムに備えられたセンサの故障、改質用燃料、可燃ガスおよび燃料ガスの漏れ、燃料電池システム内での火災、燃料電池システム内の異常高温との少なくとも１つの燃料電池システム内異常の検知を行い、該異常を検知したときには燃料電池システムの再起動を禁止する。これによれば、復旧動作においてシステムを正常に復旧させることができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項５に係る発明において、制御装置は、燃料電池システムの所定部位の温度が所定温度より高くなったとき、その高温状態が所定時間以上継続する場合に、異常高温であると判定する。これによれば、正常運転時での異常高温との誤検出を抑制することができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項１乃至請求項６の何れか一項に係る発明において、制御装置は、系統電源の異常による停止回数および異常に対する復旧動作を行った回数を記憶し、何れかの回数が所定回数に達したとき、異常に対する復旧動作を禁止する。これによれば、無理・無駄な復旧動作・再起動の実行を抑制することができ、システムを正常に復旧させることができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について図面を参照して説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図であり、図２は改質器の構造を示す概略図であり、図３はインバータシステムを含む電気系を示すブロック図であり、図４は燃料電池システムを示すブロック図である。

この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０、改質器２０、インバータシステム３０、燃料電池システム制御装置（以下、システム制御装置という。）４０および排熱回収システム６０を備えている。

１）燃料電池
燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

２）改質器
改質器２０は、図２に示すように、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。改質部２１の触媒２１ｂの活性温度域は４００℃から８００℃である。改質部２１の温度が触媒２１ｂの活性温度域内であれば、その温度が高いほど生成される水素が多い。

また、改質部２１内には、改質部２１内の温度例えば燃焼部２５との間の壁付近の温度（Ｔ１）を測定する温度センサ２１ｃが設けられている。この温度センサ２１ｃが検出する温度Ｔ１は、燃焼部２５の内部温度を示すものである。温度センサ２１ｃの検出結果はシステム制御装置４０に送信されている。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。

具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１が接続されている。改質用燃料供給管４１には、図１に示すように、上流から順番に燃料バルブ４１ａ、改質用燃料ポンプ４１ｂ、脱硫器４１ｃおよび改質用燃料バルブ４１ｄが設けられている。燃料バルブ４１ａおよび改質用燃料バルブ４１ｄは改質用燃料供給管４１を開閉するものである。改質用燃料ポンプ４１ｂは改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。脱硫器４１ｃは燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。燃料のうち改質部２１に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部２５に直接供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。

改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４１ｄと冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管４２が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。

蒸発部２６は、図２に示すように、改質水を蒸発させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を覆って当接して設けられている。

この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク４３ａに接続された給水管４３が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管４２が接続されている。改質水タンク４３ａから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ選択酸化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管４２および冷却部２２を介して改質部２１へ導出するようになっている。なお、給水管４３には、上流から順番に改質水ポンプ４３ｂおよび改質水バルブ４３ｃが設けられている。改質水ポンプ４３ｂは、蒸発部２６に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ４３ｃは給水管４３を開閉するものである。

また、蒸発部２６には、蒸発部２６内の水蒸気の温度を検出する温度センサ２６ａが設けられている。温度センサ２６ａの検出結果はシステム制御装置４０に送信されている。なお、水蒸気の温度が検出できれば、例えば冷却部２２の入口付近や、蒸発部２６と冷却部２２との間の水蒸気供給管４２に温度センサ２６ａを設けるようにしてもよい。この水蒸気の温度（Ｔ２）は、改質部２１に供給される改質水の温度である。

ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

また、ＣＯシフト部２３内には、ＣＯシフト部２３内の温度（Ｔ３）を測定する温度センサ２３ｃが設けられている。温度センサ２３ｃの検出結果はシステム制御装置４０に送信されている。

ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ選択酸化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ選択酸化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。

また、ＣＯ選択酸化部２４内には、ＣＯ選択酸化部２４内の温度（Ｔ４）を測定する温度センサ２４ｂが設けられている。温度センサ２４ｂの検出結果はシステム制御装置４０に送信されている。

このＣＯ選択酸化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管４４および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管４５がそれぞれ接続されている。接続管４４には、酸化用空気供給管４６が接続されている。これにより、ＣＯ選択酸化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管４６には、上流から順番に酸化用空気ポンプ４６ａおよび酸化用空気バルブ４６ｂが設けられている。酸化用空気ポンプ４６ａは酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ４６ｂは酸化用空気供給管４６を開閉するものである。

したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

図１に示すように、燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管４５を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管４７を介して燃焼部２５が接続されている。バイパス管４８は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管４５およびオフガス供給管４７を直結するものである。改質ガス供給管４５にはバイパス管４８との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ４５ａが設けられている。オフガス供給管４７にはバイパス管４８との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ４７ａが設けられている。バイパス管４８には第２改質ガスバルブ４８ａが設けられている。

改質ガス供給管４５上には、２つの圧力センサ４５ｂ，４５ｃが設けられている。圧力センサ４５ｂは、改質ガスの改質器出口の圧力、ひいては待機時などの封止された改質器２０の内部圧力を検出するものである。圧力センサ４５ｃは、改質ガスの燃料電池入口の圧力、ひいては待機時などの封止された燃料電池１０の内部圧力を検出するものである。圧力センサ４５ｂ，４５ｃの検出結果は、システム制御装置４０に送信されるようになっている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管４９が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、カソードオフガス排気管５１が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管４９には上流から順にカソード用空気ポンプ４９ａおよびカソード用空気バルブ４９ｂが設けられている。カソード用空気ポンプ４９ａはカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ４９ｂはカソード用空気供給管４９を開閉するものである。また、カソードオフガス排気管５１にはカソードオフガスバルブ５１ａが設けられている。カソードオフガスバルブ５１ａはカソードオフガス排気管５１を開閉するものである。

燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。この燃焼部２５は、図示しない点火用電極を備えており、システム制御装置４０の指令に応じて着火されるものである。燃焼部２５は、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガス、および可燃ガスを燃焼（酸化）させるための燃焼用空気などの酸化剤ガスが供給されるようになっている。

具体的には、図１および図２に示すように、燃焼部２５には燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管４７の他端が接続されており、燃料電池システム（改質器２０）の起動運転時に改質器２０からの改質ガスが改質ガス供給管４５、バイパス管４８およびオフガス供給管４７を通って供給され、燃料電池システム（改質器２０）の発電運転時に燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（改質部２１にて未改質な改質用燃料および燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）が供給されるようになっている。

また、燃焼部２５には、燃焼用空気供給管５２が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼用空気供給管５２には燃焼用空気ポンプ５２ａおよび燃焼用空気バルブ５２ｂが設けられている。燃焼用空気ポンプ５２ａは大気から燃焼用空気を吸い込み燃焼部２５に吐出するものであり、燃焼部２５に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ５２ｂは、燃焼用空気供給管５２を開閉するものである。

さらに、改質用燃料供給管４１の燃料バルブ４１ａと改質用燃料ポンプ４１ｂとの間には、一端が燃焼用空気供給管５２の燃焼部２５と燃焼用空気バルブ５２ｂとの間に接続された燃焼用燃料供給管５３の他端が接続されている。燃焼用燃料供給管５３には燃焼用燃料ポンプ５３ａが設けられている。燃焼用燃料ポンプ５３ａは燃焼用燃料を供給しその供給量を調整するものである。

なお、改質用燃料供給管４１の脱硫器４１ｃと改質用燃料バルブ４１ｄとの間には、一端が改質ガス供給管４５の燃料電池１０と第１改質ガスバルブ４５ａとの間に接続された燃料供給管５４の他端が接続されている。燃料供給管５４には燃料バルブ５４ａが設けられている。燃料バルブ５４ａは燃料供給管５４を開閉するものである。この燃料供給管５４は、燃料電池１０（燃料極１１）を原燃料（上記改質用燃料）封入または原燃料でパージするための配管である。なお、燃料供給管５４が必要ないシステムの場合には、バルブ４１ａ，４１ｄ，４５ａを開にして改質器２０から原燃料を導入する。

この燃焼部２５においては、システム起動開始した時点から改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、燃焼用空気バルブ５２ｂが開かれ、燃焼用空気ポンプ５２ａが駆動される。これにより、燃焼部２５には燃焼用空気が供給される。また、改質用燃料バルブ４１ｄ、第１改質ガスバルブ４５ａ、オフガスバルブ４７ａおよび燃料バルブ５４ａが閉じられ、燃料バルブ４１ａが開かれ、燃焼用燃料ポンプ５３ａが駆動される。これにより、燃焼部２５には燃焼用燃料が改質部２１を通らないで改質用燃料供給管４１、燃焼用燃料供給管５３および燃焼用空気供給管５２を通って供給される。したがって、燃焼用燃料と燃焼用空気が予混合されて燃焼部２５に供給され予混合燃焼が行われるようになっている。

また、改質部２１への改質用燃料の供給開始以降から発電運転開始までの間は、改質用燃料バルブ４１ｄおよび第２改質ガスバルブ４８ａが開かれ、燃焼用燃料ポンプ５３ａの駆動が停止され改質用燃料ポンプ４１ｂが駆動される。燃料バルブ５４ａ、第１改質ガスバルブ４５ａおよびオフガスバルブ４７ａは閉じられたままである。これにより、ＣＯ選択酸化部２４から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、燃焼部２５にはＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を通らないで改質ガス供給管４５、バイパス管４８およびオフガス供給管４７を通って供給される。また、燃焼部２５への燃焼用空気の供給が継続されている。したがって、改質ガスと燃焼用空気が独立して燃焼部２５に供給され拡散燃焼が行われるようになっている。

そして、発電運転中においては、改質用燃料バルブ４１ｄ、第１改質ガスバルブ４５ａおよびオフガスバルブ４７ａが開かれ、第２改質ガスバルブ４８ａが閉じられ、改質用燃料ポンプ４１ｂが駆動される。これにより、燃焼部２５には燃料電池１０の燃料極１１からのアノードオフガス（燃料電池１０の燃料極１１に供給され消費されずに排出された水素や未改質の改質用燃料を含んだ改質ガス）が供給される。このとき、燃焼部２５では改質用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い炊きは行われていない。いわゆる追い炊きレスである。また、燃焼部２５への燃焼用空気の供給が継続されている。したがって、アノードオフガスと燃焼用空気が独立して燃焼部２５に供給され拡散燃焼が行われるようになっている。

このように燃焼部２５においては、燃焼部２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガス（これらは可燃ガスである。）は、燃焼部２５に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、改質部２１と断熱部２８との間および断熱部２８と蒸発部２６との間に形成されて改質部２１や蒸発部２６を加熱するように配設された燃焼ガス流路２７を流通し、燃焼ガス排気管５５を通って燃焼排ガスとして外部に排出される。燃焼ガスは改質部２１の改質触媒２１ａを活性温度域となるように加熱し、蒸発部２２を水蒸気生成するために加熱する。

なお、燃焼部２５の外壁面であって改質器２０の外壁でもある面には、燃焼部２５の外壁面温度を測定する温度センサ２５ａが設けられている。温度センサ２５ａの検出結果はシステム制御装置４０に送信されている。

３）インバータシステム
インバータシステム３０は、図３に示すように、インバータ装置３１と整流回路３２を備えている。インバータ装置３１は、燃料電池１０から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源３３に接続されている電源ライン３４に出力する第１機能と、電源ライン３４からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して第１および第２補機３７，３９に出力する第２機能と、燃料電池１０からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して第１および第２補機３７，３９に出力する第３機能と、を有している。

系統電源（または商用電源）３３は、該系統電源３３に接続された電源ライン３４を介して外部電力負荷３５に電力を供給するものである。燃料電池１０はインバータ装置３１を介して電源ライン３４に接続されている。

第１補機３７は、当該燃料電池システムの待機時にも通電される第１の電力負荷である。第１補機３７は、待機時にも駆動の必要があるものであり、天然ガス（メタン）、改質ガス（水素）などの漏れを検出するガスセンサ７２，７３、温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２５ａ，２６ａ，６２ｂ，６３ｂ，６３ｃ，６５ｂ，７１、圧力センサ４５ｂ，４５ｃ等である。第１補機３７は、待機時にも燃料電池システムの監視をするために必要なものである。第１補機３７は、燃料電池システム制御装置４０のマイコンと共に５Ｖで駆動するもの（５Ｖ系電気部品）である。

第２補機３９は、当該燃料電池システムの運転時（起動運転、発電運転、停止運転を含む）のみに通電され待機時には通電されない第２の電力負荷である。第２補機３９は、例えば、流量計（図示しない）、モータ駆動のポンプ（上述の改質用燃料ポンプ４１ｂなど）、電磁式バルブ（上述の燃料バルブ４１ａなど）など、運転時に駆動されるものである。第２補機３９は、２４Ｖで駆動するもの（２４Ｖ系電気部品）である。

インバータ装置３１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂ、系統連結インバータ制御装置（以下、インバータ制御装置という）３１ｄ、およびインバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｃを備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａは、燃料電池１０から出力される直流電圧（例えば４０Ｖ）を所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａは、本燃料電池システムを運転させるためのシステム制御装置４０および第１補機３７に、燃料電池１０から入力した直流電圧を所定の直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を介して出力するものである。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａは、本燃料電池システムを運転させるための第２補機３９に、燃料電池１０から入力した直流電圧を所定の直流電圧に変換して待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を介して出力するものである。

待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂおよび整流回路３２からの直流電圧を入力して所定の直流電圧（例えば５Ｖ）に変換して、システム制御装置４０や第１補機３７に電源電圧として供給するものである。待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は駆動用電力が常時供給され駆動されている。

待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂおよび整流回路３２からの直流電圧を入力して所定の直流電圧（例えば２４Ｖ）に変換して、第２補機３９に電源電圧として供給するものである。待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８は、システム制御装置４０の指示にしたがって駆動が制御されるものであり、燃料電池システムの運転時に駆動され待機時に駆動が停止される。

ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａから出力される直流電圧（例えば３５０Ｖ）を入力し交流電圧（例えば２００Ｖ）に変換して電源ライン３４に出力し、かつ電源ライン３４から入力した系統電源３３からの交流電圧（例えば２００Ｖ）を所定の直流電圧（例えば３５０Ｖ）に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８に出力するものである。このように、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂは、直流を交流に変換する機能と、交流を直流に変換する機能とを有している。

インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂおよび整流回路３２からの直流電圧を入力して所定の直流電圧に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂおよびインバータ制御装置３１ｄに電源電圧（駆動電圧）として供給するものである。インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｃは、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６と同様に、駆動用電力が常時供給され駆動されている。

整流回路３２は、電源ライン３４と待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８（第１および第２補機３７，３９）との間にＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂに並列に設けられている。整流回路３２は、電源ライン３４からの交流電圧を整流して直流電圧に変換して、インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｃ、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を介してインバータ制御装置３１ｄ、システム制御装置４０、第１および第２補機３７，３９に供給可能なものである。整流回路３２の入力は、系統開閉器３０ｂと電源ライン３４との間に接続されている。例えば、整流回路３２は、整流素子である４つのダイオードから構成され、ダイオードブリッジ回路から構成されている。トランスと組み合わせてもよく、平滑化のため抵抗、コンデンサ、コイルなどと組み合わせてもよい。整流回路３２は、系統開閉器３０ｂの開閉に関係なく系統電源３３からの電力をインバータ制御装置３１ｄ、システム制御装置４０、第１および第２補機３７，３９に供給可能である。

また、インバータシステム３０は、開閉器３０ａ，３０ｂ、電流センサ３４ａおよび電圧センサ３４ｂを備えている。開閉器３０ａは、燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａとの間に配設され、燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａとを連通・遮断するもの（燃料電池開閉器）である。開閉器３０ｂは、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂと系統電源３３（外部電力負荷３５）との間に配設され、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂと系統電源３３（外部電力負荷３５）とを連通・遮断するもの（系統開閉器）である。各開閉器３０ａ，３０ｂは、インバータ制御装置３１ｄからの指示（システム制御装置４０の指示であってインバータ制御装置３１ｄ経由のものも含む。）にしたがって開閉制御されるようになっている。

電流センサ３４ａは、電源ライン３４に設けられ、インバータシステム３０から系統電源３３への逆潮流電力の電流、系統電源３３からインバータシステム３０への順潮流電力の電流、および系統電源３３の異常を検知してその検知信号をインバータシステム３０すなわちインバータ制御装置３１ｄに出力するものである。

電圧センサ３４ｂは、開閉器３０ｂおよび整流回路３２と、電源ライン３４および電力負荷３５との間に設けられ、インバータシステム３０から電源ライン３４（すなわち系統電源３３または電力負荷３５）へ、または電源ライン３４（すなわち系統電源３３または電力負荷３５）からインバータシステム３０への電力の電圧を検出するものである。電圧センサ３４ｂの検出結果は、インバータ制御装置３１ｄに入力されるようになっている。

なお、電流センサ３４ａと電圧センサ３４ｂは、単相３線である系統電源３３のＲ相、Ｓ相を片方ずつ検出している。電流センサ３４ａと電圧センサ３４ｂは、Ｒ相、Ｓ相用にそれぞれ２個のセンサを有している。インバータシステム３０から電源ライン３４へ、または電源ライン３４からインバータシステム３０への電力は、Ｒ相の電流と電圧との積、およびＳ相の電流と電圧との積を加算して得ることができる。

インバータ制御装置３１ｄは、電流センサ３４ａおよび電圧センサ３４ｂからの検知信号、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａやＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂからの電力状態などに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａとＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂの駆動を制御したり、各開閉器３０ａ，３０ｂの開閉を制御したりするものである。インバータ制御装置３１ｄは、システム制御装置４０と互いに通信可能に接続されており、システム制御装置４０の指示にしたがってＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａとＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂの駆動を制御する。

また、インバータ制御装置３１ｄは、電流センサ３４ａ、電圧センサ３４ｂからの検出信号のうち停電に関するものに基づいて停電の種類を判断することができる。インバータ制御装置３１ｄは、電流センサ３４ａ、電圧センサ３４ｂからの検出信号から停電であることを検出する。停電の場合は、電圧センサ３４ｂによって検出された系統電源３３からの電圧が所定電圧以下（例えば、定格の１／１０以下）であることによって検出する。停電の種類は、例えば停電継続時間の長短によって区別される。

さらに、インバータ制御装置３１ｄは、電流センサ３４ａ、電圧センサ３４ｂからの検出信号のうち系統電源３３の電力に関するものに基づいて、停電、停電の種類を判断するだけでなく、系統電源３３の異常を検出することができる。電圧異常の場合、定格電圧によって決まっている規格範囲外（規格によって決められている）であることによって検出する。周波数異常の場合、電圧または電流の周波数が決められている規格範囲外（規格によって決められている）であることによって検出する。これにより、系統電源３３の停電以外に、電圧や周波数が所定の規格範囲外になったときも検出することができる。つまり、系統電源３３の品質が悪くなったときも検出することができる。系統電源３３の異常としては、停電、電圧異常、周波数異常などがある。

本実施の形態のように補機（３７，３９）がインバータシステム３０で変換された電力を使用している場合、インバータシステム３０は系統電源３３の周波数や電圧が所定の規格範囲外になると問題が生ずるので、それを避けるためにも本発明は有効である。なお、補機（３７，３９）が系統電源３３で直接動かされているシステムの場合、補機（３７，３９）は系統電源３３の周波数や電圧が所定の規格範囲外になると問題が生ずるので、それを避けるためにも本発明は有効である。

さらに、インバータ制御装置３１ｄは、燃料電池１０が発電可能な状態において、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂにより検知されるインバータ装置３１からの出力電力、および電流センサ３４ａおよび電圧センサ３４ｂにより検知される系統電源３３に入出する電力に基づいて外部電力負荷３５で消費される消費電力を算出する。例えば、インバータ装置３１からの出力電力と系統電源３３に入出する電力との和が消費電力として算出される。インバータ制御装置３１ｄは、その消費電力および燃料電池１０の発電電力をシステム制御装置４０に送信するようになっている。システム制御装置４０は、燃料電池１０の発電電力が、入力した消費電力となるように、改質器２０に供給する原料、水などの供給量を制御する。なお、消費電力が燃料電池１０の最大発電電力を超える場合には、燃料電池１０は最大発電電力で運転される。インバータ制御装置３１ｄは、燃料電池１０の運転時において、系統電源３３の停電、復電を検出すると、その旨をシステム制御装置４０に送信する。

システム制御装置４０は、燃料電池システムの全体的な制御を、インバータ制御装置３１ｄと協調して行うものである。システム制御装置４０は、上述した各ポンプやバルブ（第１および第２補機３７，３９）の駆動を制御することにより燃料電池１０や改質器２０を制御したり、インバータ装置３１の駆動を制御したり、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御したりする。システム制御装置４０には、待機時でも運転時でも常に電圧が供給されている。

このように構成されたインバータシステムの作動について説明する。燃料電池システムの待機時には、システム制御装置４０からの指令によってインバータ制御装置３１ｄがＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂおよびＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａの駆動を停止する。すなわち、電源ライン３４（系統電源３３）からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８に出力するインバータ装置３１の機能が停止される。また、待機時には開閉器３０ａ，３０ｂは開状態とされている。

一方、整流回路３２は電源ライン３４からの交流電圧を整流して直流電圧に変換してインバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｃ、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８に供給する。システム制御装置４０からの指令によって待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８の駆動が停止される。これにより、電源ライン３４（系統電源３３）からの電力が、インバータ装置３１を介さないで、整流回路３２を経て待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８までは供給されるが、第２補機３９には供給されない。

また、系統電源３３から正常に電力が供給されている場合には、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は常に駆動しているので、電源ライン３４（系統電源３３）からの電力が、インバータ装置３１を介さないで、整流回路３２を経て待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を経て、システム制御装置４０および第１補機３７に供給される。

燃料電池システムの発電準備時（起動運転時）には、システム制御装置４０からの指令によってインバータ制御装置３１ｄがＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂを駆動するとともにＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａの駆動を停止するとともに、開閉器３０ａ，３０ｂをそれぞれ閉、開状態とする。これにより、電源ライン３４（系統電源３３）からの電力が、開閉器３０ｂを通ってＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂに供給され直流電力に変換されて、インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｃ、待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６および待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８に供給され、ひいてはシステム制御装置４０、第１および第２補機３７，３９に供給される。

このとき、整流回路３２で整流された電圧は約ＤＣ２８０Ｖである。ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂで整流された電圧は約ＤＣ３５０Ｖで、ＤＣ２８０Ｖより高い電圧となるため、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂの力率改善した整流機能が動作し、整流回路３２は停止した状態となり電力は消費しない。インバータ装置３１に異常があった場合は、整流回路３２が動作し電力を供給する。

さらに、燃料電池システムの発電運転時には、システム制御装置４０からの指令によってインバータ制御装置３１ｄがＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂを駆動するとともに、開閉器３０ａ，３０ｂをそれぞれ閉状態とする。これにより、燃料電池１０からの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａおよび待機時稼動用ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を経てシステム制御装置４０および第１補機３７に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａおよび待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を経て第２補機３９に供給される。また、燃料電池１０からの電力が、ＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂを経て外部電力負荷３５に供給される。なおこのときも、起動運転時と同様に、整流回路３２は停止状態である。

さらに、燃料電池システムの停止運転（停止処理）時には、燃料電池１０の残燃料により発電電力が、停止処理に使用する補機消費電力（システム制御装置４０や第１および第２補機３７，３９などの消費電力）より多い場合には、システム制御装置４０からの指令によってインバータ制御装置３１ｄがＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂを駆動するとともに、開閉器３０ａ，３０ｂをそれぞれ閉状態とする。これにより、燃料電池１０からの電力が、補機消費電力に使用されるとともに、残電力がＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂを経て外部電力負荷３５に供給される。

燃料電池１０の残燃料により発電電力が、停止処理に使用する補機消費電力より少ない場合には、システム制御装置４０からの指令によってインバータ制御装置３１ｄがＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂを駆動するとともに、開閉器３０ａ，３０ｂをそれぞれ閉状態とする。これにより、燃料電池１０からの電力が、補機消費電力に使用され、さらに不足電力がＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂを経て系統電源３３から供給される。

燃料電池１０の出力電力が所定電力より小さくなった時には、システム制御装置４０からの指令によってインバータ制御装置３１ｄがＤＣ／ＤＣコンバータ３１ａの駆動を停止しＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂを駆動するとともに、開閉器３０ａ，３０ｂをそれぞれ開、閉状態とする。これにより、補機消費電力はＤＣ／ＡＣインバータ３１ｂを経て系統電源３３から供給される。

なお、待機時は、燃料電池システムの発電停止状態（すなわち、起動運転、発電運転、停止運転のいずれの運転中でない状態である。）のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。

４）排熱回収システム
次に、排熱回収システム６０について説明する。排熱回収システム６０は、図１に示すように、貯湯水を貯湯する貯湯槽６１と、凝縮冷媒循環回路６５とは独立して設けられ貯湯水が循環する貯湯水循環回路６２と、燃料電池１０と熱交換する燃料電池熱媒体であるＦＣ冷却水が循環する燃料電池熱媒体循環回路であるＦＣ冷却水循環回路６３と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器６４と、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である凝縮冷媒が循環する凝縮冷媒循環回路６５と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器６６と、凝縮器６７と、が備えられている。

これにより、燃料電池１０の発電にて発生した排熱（熱エネルギー）は、ＦＣ冷却水に回収され、第１熱交換器６４を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。また、燃料電池１０から排出されるオフガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）の排熱（熱エネルギー）および改質器２０にて発生した排熱（熱エネルギー）は、凝縮器６７を介して凝縮冷媒に回収され、第２熱交換器６６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。改質器２０にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、燃焼部２５からの燃焼排ガスの排熱、および改質器２０と熱交換する排熱（改質器自身の排熱）が含まれている。なお、本明細書中および添付の図面中の「ＦＣ」は「燃料電池」の省略形として記載している。

貯湯槽６１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽６１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽６１に貯留された高温の温水が貯湯槽６１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。また、貯湯槽６１は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路６２にかかる形式のものである。

貯湯水循環回路６２の一端および他端は貯湯槽６１の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路６２上には、一端から他端に順番に、貯湯水循環装置である貯湯水循環ポンプ６２ａ、温度センサ６２ｂ、第２熱交換器６６および第１熱交換器６４が配設されている。

貯湯水循環ポンプ６２ａは、貯湯槽６１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路６２を通水させて貯湯槽６１の上部に吐出するものであり、システム制御装置４０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。これにより、貯湯槽６１からの貯湯水は、第２熱交換器６６、第１熱交換器６４をその順番に流通し、第２熱交換器６６にて凝縮冷媒と熱交換し第１熱交換器６４にてＦＣ冷却水と熱交換する。温度センサ６２ｂは、貯湯水循環回路６２で最も低温となる部分の下流部に設けられそこを流れる貯湯水貯湯槽出口温度Ｔ６を検出するものである。なお、下流部は最も低温となる部分から第２熱交換器６６の入口との間である。温度センサ６２ｂで測定された貯湯水の温度はシステム制御装置４０に送信されるようになっている。

ＦＣ冷却水循環回路６３上には、燃料電池１０を基点にＦＣ冷却水の流れ（図１の矢印で方向を示す）に沿って順番に、温度センサ６３ｃ、第１熱交換器６４、ＦＣ冷却水循環装置であるＦＣ冷却水循環ポンプ６３ａ、および温度センサ６３ｂが配設されている。ＦＣ冷却水循環ポンプ６３ａは、図１の矢印で示す方向にＦＣ冷却水を循環させるものであり、システム制御装置４０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。これにより、ＦＣ冷却水は、燃料電池１０に流通され、燃料電池１０で発生する熱を回収し昇温し、その熱が第１熱交換器６４にて貯湯水に回収され降温して再び燃料電池１０を流通する。また、起動時においてＦＣ冷却水が低温である場合には、その逆に貯湯水の熱でＦＣ冷却水ひいては燃料電池１０を昇温させることも可能である。

温度センサ６３ｂ，６３ｃは、それぞれＦＣ冷却水の燃料電池１０の入口温度Ｔ７および出口温度Ｔ８を検出し、それら検出結果をシステム制御装置４０に出力するものである。

排熱回収熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路６５上には、排熱回収熱媒体循環装置である凝縮冷媒循環ポンプ６５ａが配設されている。この凝縮冷媒循環ポンプ６５ａは、矢印方向へ排熱回収熱媒体である凝縮冷媒を流すようになっており、システム制御装置４０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路６５上には、第２熱交換器６６が配設されている。さらに、凝縮冷媒循環回路６５上には、第２熱交換器６６から下流に順番に凝縮冷媒循環ポンプ６５ａ、アノードオフガス用凝縮器６７ａ、燃焼ガス用凝縮器６７ｂ、カソードオフガス用凝縮器６７ｃ、改質ガス用凝縮器６７ｄ、および温度センサ６５ｂが配設されている。温度センサ６５ｂは、凝縮冷媒の熱交換器入口温度Ｔ９を検出し、検出結果をシステム制御装置４０に出力するものである。

アノードオフガス用凝縮器６７ａ、燃焼ガス用凝縮器６７ｂ、カソードオフガス用凝縮器６７ｃおよび改質ガス用凝縮器６７ｄは、オフガス供給管４７、燃焼ガス排気管５５、カソードオフガス排気管５１および改質ガス供給管４５の途中にそれぞれ設けられている。これら各凝縮器６７ａ〜６７ｄは、図面上は分離しているが、一体的に接続された一体構造体である凝縮器６７を構成している。なお、凝縮器６７は、一体構造体に限らず、２以上の構造体で構成するようにしてもよい。

改質ガス用凝縮器６７ｄは改質ガス供給管４５中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器６７ａは、燃料電池１０の燃料極１１と改質器２０の燃焼部２５とを連通するオフガス供給管４７中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器６７ｃは、カソードオフガス排気管５１中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。燃焼ガス用凝縮器６７ｂは燃焼ガス排気管５５中を流れる改質器２０から排出される燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する。これら凝縮器６７ａ〜６７ｄにおいては、凝縮冷媒が各凝縮器６７ａ〜６７ｄを流通する各ガスと熱交換して各ガスの顕熱・潜熱を回収し昇温する。

なお、これら凝縮器６７ａ〜６７ｄは配管５６を介して改質水タンク４３ａに連通している。改質水タンク４３ａは回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。

さらに、燃料電池システムは、筐体１を備えている。筐体１内には、上述した燃料電池１０、改質器２０、インバータシステム３０、システム制御装置４０、および第１および第２補機３７，３９、ならびに排熱回収システム６０（貯湯槽６１および貯湯水循環回路６１の一部を除く。）が収納されている。この筐体１内の上部には該上部の温度Ｔ１０を検出する温度センサ７１が設けられており、温度センサ７１はその検出結果をシステム制御装置４０に出力するようになっている。

筐体１の上部には筐体１内の気体を排気するための排気口１ａが設けられている。この排気口１ａの内側には、２つのガスセンサ７２，７３が設けられている。ガスセンサ７２，７３は、それぞれ水素濃度、メタン濃度（改質用燃料濃度）を検出するものであり、その検出結果をシステム制御装置４０に出力するようになっている。

筐体１には換気用ファン１ｂが設けられている。換気用ファン１ｂは筐体１内に外気を流入するように送風して筐体１内を冷却するものであり、システム制御装置４０の指示に従って駆動される。なお、換気用ファン１ｂは筐体１内の空気を外部に流出するように送風して筐体１内を冷却するようにしてもよい。

また、システム制御装置４０には、上述した温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２５ａ，２６ａ，６２ｂ，６３ｂ，６３ｃ，６５ｂ，７１、各圧力センサ４５ｂ，４５ｃ、各ガスセンサ７２，７３、各ポンプ４１ｂ，４３ｂ，４６ａ，４９ａ，５２ａ，５３ａ，６２ａ，６３ａ，６５ａ、各バルブ４１ａ，４１ｄ，５４ａ，４３ｃ，４６ｂ，５２ｂ，４９ｂ，５１ａ，４５ａ，４８ａ，４７ａ、燃焼部２５（点火用電極）、換気用ファン１ｂおよびインバータ制御装置３１ｄが接続されている（図４参照）。システム制御装置４０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２５ａ，２６ａ，６２ｂ，６３ｂ，６３ｃ，６５ｂ，７１からの温度、各圧力センサ４５ｂ，４５ｃからの圧力、各ガスセンサ７２，７３からのガス濃度、およびインバータ制御装置３１ｄからの入力情報に基づいて、各ポンプ４１ｂ，４３ｂ，４６ａ，４９ａ，５２ａ，５３ａ，６２ａ，６３ａ，６５ａの駆動、各バルブ４１ａ，４１ｄ，５４ａ，４３ｃ，４６ｂ，５２ｂ，４９ｂ，５１ａ，４５ａ，４８ａ，４７ａの開閉、燃焼部２５の制御、換気用ファン１ｂの駆動、およびインバータシステム３０の制御を行うことにより、燃料電池システムの運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

５）燃料電池システムの基本的動作の一例
次に、上述した燃料電池システムの基本的動作の一例について説明する。システム制御装置４０は、図示しないスタートスイッチが押されて運転が開始される場合、運転計画にしたがって運転が開始される場合には、起動運転を開始する。起動運転開始とともにインバータ制御装置３１ｄからの指示によって開閉器３０ｂは閉状態とされて、系統電源３３の電力はインバータシステム３０に供給される。系統電源３３からの電力供給によりインバータ制御装置３１ｄ、システム制御装置４０、第１および第２補機３７，３９は駆動される。

システム制御装置４０は、上述したように、燃焼用空気を燃焼部２５に供給し、燃焼部２５の点火用電極に通電する。さらに、システム制御装置４０は、上述したように、燃焼用燃料を燃焼部２５に供給する。これにより、燃焼用燃料が燃焼部２５で予混合燃焼され、その燃焼ガスにより改質部２１および蒸発部２６が加熱される。なお、このとき、改質用燃料バルブ４１ｄ、改質水バルブ４３ｃ、酸化用空気バルブ４６ｂ、第１改質ガスバルブ４５ａ、第２改質ガスバルブ４８ａ、オフガスバルブ４７ａおよび燃料バルブ５４ａは閉じられている。

そして、システム制御装置４０は、改質水バルブ４３ｃと改質水ポンプ４３ｂを制御して蒸発部２６に所定量の水を供給し、一旦、水の供給を停止する。その後、システム制御装置４０は、温度センサ２６ａが所定値（例えば、１００℃）以上になったら水蒸気が発生したと判断する。そして、システム制御装置４０は、水蒸気の発生を確認してから、改質水バルブ４３ｃを開いて改質水ポンプ４３ｂを駆動して蒸発部２６に所定流量の水を供給開始する。

その後、システム制御装置４０は、改質用燃料バルブ４１ｄを開いて改質用燃料ポンプ４１ｂを駆動して、改質用燃料を改質部２１に供給する。また、システム制御装置４０は酸化用空気バルブ４６ｂを開いて酸化用空気ポンプ４６ａを駆動させ酸化用空気を所定流量（所定供給量）だけＣＯ選択酸化部２４に供給する。これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された改質ガスはＣＯシフト部２３（およびＣＯ選択酸化部２４）を暖機してＣＯ選択酸化部２４から導出され、燃料電池１０を通らないで、バイパス管４８を通って直接燃焼部２５に供給され燃焼される。

このような改質ガスの生成中において、ＣＯシフト部２３には、改質部２１から高温の改質ガスが供給される。供給された改質ガスの温度によりＣＯシフト部２３の上流側から順に昇温する。昇温された上流部分がＣＯシフト部２３の活性温度になると触媒反応の発熱による昇温も加わる、この結果、ＣＯシフト部２３は、起動時に上流から順に昇温し、所定温度以上の領域が上流から下流に広がっていく。なお、ＣＯシフト部２３入口側に改質ガスを暖機するヒータを設け暖機を加速するようにしてもよく、同様な制御が可能である。

また、このような改質ガスの生成中において、システム制御装置４０は、ＣＯシフト部２３の温度（Ｔ３）および／またはＣＯ選択酸化部２４の温度（Ｔ４）が所定温度となれば、すなわちＣＯ選択酸化部２４から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度以下となったとして、第１改質ガスバルブ４５ａおよびオフガスバルブ４７ａを開き第２改質ガスバルブ４８ａを閉じてＣＯ選択酸化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口を燃焼部２５に接続する。これにより、燃料電池１０は発電運転を開始する。発電開始とともにインバータ制御装置３１ｄからの指示によって開閉器３０ａは閉状態とされて、燃料電池１０の出力電力はインバータシステム３０に供給される。

発電運転中では、システム制御装置４０は、インバータ制御装置３１ｄから受けた外部電力負荷３５の消費電力となるように、上述した各ポンプ４１ｂ，５２ａ，４６ａ，４９ａ，４３ｂを制御して改質用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソードエアおよび改質水を供給する。改質用燃料の供給量は、所望の出力電流に応じた供給量に設定されている。燃焼用空気の供給量および改質水の供給量は、改質用燃料の供給量に応じて決定されている。

このような発電運転中に、図示しないストップスイッチが押されて運転が停止される場合、運転計画にしたがって運転が停止される場合には、システム制御装置４０は、燃料電池システムの停止運転（停止処理）を実施する。

システム制御装置４０は、改質用燃料ポンプ４１ｂの駆動を停止し改質用燃料の供給を停止し、燃料バルブ４１ａおよび改質用燃料バルブ４１ｄを閉じる。システム制御装置４０は、改質水ポンプ４３ｂの駆動を停止し改質水の供給を停止し、改質水バルブ４３ｃを閉じる。システム制御装置４０は、酸化用空気ポンプ４６ａの駆動を停止し酸化用空気の供給を停止し、酸化用空気バルブ４６ｂを閉じる。システム制御装置４０は、燃焼用空気ポンプ５２ａの駆動を停止し燃焼用空気の供給を停止し、燃焼用空気バルブ５２ｂを閉じる。そして、システム制御装置４０は、第１改質ガスバルブ４５ａ、オフガスバルブ４７ａ、第２改質ガスバルブ４８ａを閉じる。さらに、システム制御装置４０は、燃料バルブ５４ａを閉じ、カソード用空気バルブ４９ｂおよびカソードオフガスバルブ５１ａを閉じる。これにより、改質器２０および燃料電池１０は封止される。

このとき、燃料電池１０が残燃料によって発電しているときには、その出力電力は第１および第２補機３７，３９などへ供給され、残燃料による発電が終了すると、インバータ制御装置３１ｄは開閉器３０ａを開状態とし、開閉器３０ｂを閉状態に維持し、系統電源３３からの電力を第１および第２補機３７，３９などへ供給するようにする。さらに、停止運転が終了すると、インバータ制御装置３１ｄは開閉器３０ｂを開状態とする。

このような停止運転が終了すると、燃料電池システムは待機状態（待機時）となる。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態（すなわち、起動運転、発電運転、停止運転のいずれの運転中でない状態である。）のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。すなわち、停止運転終了時点の状態が維持されている。なお、待機時でも、上述したようにインバータ制御装置３１ｄ、システム制御装置４０、第１補機３７には電源電圧が供給されている。

６）系統電源が停電した場合の燃料電池システムの動作の一例
次に、上述した燃料電池システムにおいて系統電源が停電した場合の作動について図５から図８に示すフローチャートに沿って説明する。

６−１）停電発生から復電するまで
インバータ制御装置３１ｄは、電流センサ３４ａおよび電圧センサ３４ｂの検知信号に基づいて系統電源３３に停電が発生したか否かを常時監視する（ステップ１０２）。インバータ制御装置３１ｄは、系統電源３３の停電が発生したことを検知すると、ステップ１０２で「ＹＥＳ」と判定し、システム制御装置４０から停電発生時のシステム運転状態が起動運転、発電運転、停止運転、待機状態のいずれであるかの情報を受けて記憶する（ステップ１０４）。

停電発生時に発電運転であり、かつ燃料電池１０の発電を継続可能な状態であれば、インバータ制御装置３１は、ステップ１０６，１０８でそれぞれ「ＹＥＳ」と判定し、開閉器３０ｂを開状態として系統電源３３とインバータシステム３０とを遮断するとともに、開閉器３０ａを閉状態として燃料電池１０と連通する（ステップ１１０）。これと併せて、システム制御装置４０は、インバータ制御装置３１ｄから停電が発生した旨の情報を受けて、燃料電池１０の発電を停電発生時から可能な限りだけ継続する。ここでいう可能な限りとは、燃料電池１０が発電の適正温度である限りという意味である。このときの発電電力は、燃料電池システム内で消費される自立運転を行う。なお、停電発生時からの発電継続を可能な限りの時間ではなく所定時間としてもよい。

発電可能限界となった（所定時間経過した）場合、および停電発生時に起動運転または停止運転であった場合には、インバータ制御装置３１は、ステップ１０６または１０８で「ＮＯ」と判定し、システム遮断が行われる（ステップ１１２）。システム遮断は、システム制御装置４０が上述した改質器２０および燃料電池１０に供給する流体（改質用燃料、改質水、カソード用空気など）を制御するための各ポンプの駆動を停止し、各バルブを閉状態に制御し、インバータ制御装置３１ｄが開閉器３０ａを開状態とすることである。このシステム遮断によって改質器２０や燃料電池１０内の温度、圧力は急激に上昇する。この状態は後述する復旧動作によって解除は可能である。

その後、系統電源３３が停電から復電すると、インバータ制御装置３１ｄは電流センサ３４ａおよび電圧センサ３４ｂの検知信号に基づいて系統電源３３の復電を検出する（ステップ１１４で「ＹＥＳ」と判定する）。復電するまでは、インバータ制御装置３１ｄはステップ１１４で「ＮＯ」の判定を繰り返す。系統電源３３の復電を検出すると、インバータ制御装置３１ｄ（またはシステム制御装置４０）は、停電が発生した旨のエラーの報知を行って、燃料電池システムを停電後待機状態とする。この停電後待機状態は、システム遮断されたときの状態と同じ状態である。

６−２）復旧動作のうち状態確認動作
システム制御装置４０は、燃料電池システムが停電後待機状態になると、燃料電池システムの状態を確認する。具体的には、システム制御装置４０は、図６に示すフローチャートに沿って状態確認動作を実行する。

復電すると、インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｄ、インバータ制御装置３１ｄ、システム制御装置４０、第１補機３７には、整流回路３２経由で駆動電力が供給される。この電力供給により、インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ３１ｄ、インバータ制御装置３１ｄ、システム制御装置４０、第１補機３７の駆動が駆動される。

ガスセンサ７２，７３は第１補機３７であり、復電後の駆動電力投入により駆動開始されると、システム制御装置４０は、その動作が安定するまで待つ（ステップ２０４）。ガスセンサ７２，７３は、動作温度が高いタイプと常温動作タイプがある。動作温度が高いタイプのセンサでは、その動作温度に保つためにヒータが設けられている。このタイプのセンサでは、適正な温度になったことを確認するか、センサ出力が安定したことを確認する。常温動作タイプのセンサでは、センサ出力が安定したことを確認する。

各温度センサ２１ｃ，２６ａ，２３ｃ，２４ｂ，２５ａ，６２ｂ，６３ｂ，６３ｃ，６５ｂ，７１も第１補機３７であり、復電後の駆動電力投入により駆動開始されると、システム制御装置４０は、その動作が安定するまで待つ（ステップ２０４）。これら各温度センサはセンサ出力が安定したことを確認する。ガスセンサ、温度センサに係わらず、センサ異常を検知する仕組みが設けられている場合には、その仕組みを利用して確認する。

システム制御装置４０は、ガスセンサ７２，７３および各温度センサ（２１ｃなど）からの信号検知、異常検知を開始する（ステップ２０６）。そして、システム制御装置４０は、検知した信号により部品故障や火災、ガス漏れなどの異常の有無を判定（確認）する。例えば、部品故障としては、ガスセンサ７２，７３、各温度センサ（２１ｃなど）の断線、短絡がある。また、筐体１内で発生した火災は、筐体１内温度（Ｔ１０）を検知する温度センサ７１や燃焼部２５の外壁面温度（Ｔ５）を検知する温度センサ２５ａにより検知できる。筐体１内で発生したガス漏れは、改質ガス（水素）漏れはガスセンサ７２により検知でき、天然ガス漏れはガスセンサ７３により検知できる。ここでいう異常検知の異常は、燃料電池システムの運転を再起動した場合、燃料電池システムに損害が発生するおそれがある状態のことである。

システム制御装置４０は、部品故障、異常を検知したときには、ステップ２０８で「ＹＥＳ」と判定し、燃料電池システムを異常待機として再起動を禁止する（ステップ２１０）。再起動が禁止されると、その旨をユーザに告知するとともに、適切に処理（修理）された後に再起動禁止が解除される。ステップ２０８では、部品故障、異常の検知の有無を判定するのであり、部品故障、異常を別々に検知して動作禁止エラーとして設定するようにしてもよく、この場合には動作禁止エラーの有無を判定すればよい。

システム制御装置４０は、部品故障、異常を検知しないときには、ステップ２０８で「ＮＯ」と判定し、燃料電池１０、改質器２０、排熱回収システム６０の温度異常（異常高温）の有無を判定（確認）する。システム制御装置４０は、各温度センサ２１ｃ，２６ａ，２３ｃ，２４ｂ，２５ａ，６２ｂ，６３ｂ，６３ｃ，６５ｂ，７１によって検知される各温度が所定の正常範囲より高い温度範囲内に継続して所定時間以上であれば異常高温であると判定し、ステップ２１２，２１４でそれぞれ「ＹＥＳ」と判定し、燃料電池システムを異常待機として再起動を禁止する（ステップ２１０）。所定時間は、一時的な高温であるとの誤判定を招かない程度に最小時間が設定され、システム遮断まもない停電後待機状態では温度が上昇し、その温度上昇による誤判定を招かない程度に最大時間が設定される。

そして、システム制御装置４０は、部品故障、異常を検知しないで、かつ、各温度センサ（２１ｃなど）によって検知された温度のいずれもが所定時間継続する異常高温でなければ、ステップ２０８，２１２でそれぞれ「ＮＯ」と判定し、燃料電池システムの状態が確認されたと設定する（ステップ２１６）。

６−３）復旧動作のうち燃焼部の冷却処理
システム制御装置４０は、燃料電池システムの状態が確認されると、燃料電池システムの実質的な復旧動作を開始する。復旧動作は、系統電源３３の停電の発生にて燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、燃料電池システムが再起動可能状態となるように自動的に行われるものである。復旧動作は、燃焼部２５を冷却する冷却処理と燃料電池１０と改質器２０の各内部の圧力を調整する圧力調整処理を含んでいる。復旧動作は、状態確認動作と燃焼部の冷却処理を含むものである。冷却処理が先に実行され、その完了後に圧力調整処理が行われるようになっている。

システム制御装置４０は、燃料電池システムの状態が確認されると（ステップ３０２で「ＹＥＳ」と判定し）、待機時停止補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を駆動させ、第２補機３９に駆動電力の供給を開始する（ステップ３０４）。これにより、第２補機３９に駆動電力が供給される。

第２補機３９としては、圧力センサ４５ｂ、４５ｃ、図示しない流量計、各バルブ（４１ａなど）、各ポンプ（４１ｂなど）がある。システム制御装置４０は、圧力センサ４５ｂ、４５ｃ、図示しない流量計からの信号検知、圧力センサ４５ｂ、４５ｃ、図示しない流量計、各バルブ（４１ａなど）、各ポンプ（４１ｂなど）の異常検知を開始する（ステップ３０６）。そして、システム制御装置４０は、検知した信号により部品故障や異常高温の有無を判定（確認）する（ステップ３０６）。例えば、部品故障としては、圧力センサ４５ｂ、４５ｃ、図示しない流量計、各バルブ（４１ａなど）、各ポンプ（４１ｂなど）の断線、短絡がある。なお、システム制御装置４０は、部品故障、異常を検知したときには、ステップ３０７で「ＹＥＳ」と判定し、燃料電池システムを異常待機として再起動を禁止する（ステップ３１４）。ステップ３０７では、上記ステップ２０８と同様に部品故障、異常の検知の有無を判定する。

部品故障、異常を検知しないとき、システム制御装置４０は、ステップ３０７で「ＮＯ」と判定し、燃焼部２５の冷却処理を行う。具体的には、システム制御装置４０は、改質器２０内の燃焼部２５の温度が正常着火可能な温度（２００℃以下）であるかの判定を行う（ステップ３０８）。ここで、燃焼部２５の温度は温度センサ２１ｃにより検知される温度（Ｔ１）である。温度センサ２１ｃは改質部２１内に設けられているが、この場合には燃焼室（燃焼部２５）内の温度を検出する目的である。燃焼室内に温度センサを設けると、センサ自身の耐久性などの問題があるため改質部２１の燃焼室近くの壁付近に設けている。燃焼室内に温度センサを設けても良い。

燃焼部温度（Ｔ１）が２００℃より大きい場合には、燃焼部２５だけでなく燃料電池システム内も温度が高いと判断して（ステップ３０８で「ＮＯ」と判定し）、冷却処理を行う。この冷却処理は、燃焼部２５の冷却だけでなく、燃料電池システム全体の冷却を含むものである。

冷却処理は、図８に示すフローチャートに沿った冷却処理を少なくとも行う。システム制御装置４０は、ステップ４０２において、換気用ファン１ｂの駆動を開始して筐体１内部の温度を低減する。そして、システム制御装置４０は、ステップ４０４において、貯湯水循環ポンプ６２ａ、ＦＣ冷却水循環ポンプ６３ａおよび凝縮冷媒循環ポンプ６５ａの駆動を開始する。このとき、少なくとも凝縮冷媒循環ポンプ６５ａの駆動を開始するようにしてもよい。また、先に凝縮冷媒循環ポンプ６５ａを駆動させ、その後貯湯水循環ポンプ６２ａおよびＦＣ冷却水循環ポンプ６３ａを駆動させるようにしてもよい。

システム制御装置４０は、所定時間（例えば２分）の経過を待って（ステップ４０６）、燃焼用空気ポンプ５２ａの駆動を開始する（ステップ４０８）。このとき、燃焼部２５には燃料電池システムの外気から得ている燃焼用空気のみが供給されているので、比較的温度の低い（例えば２０℃）燃焼用空気によって温度の高い燃焼部２５が冷却される。一方、燃焼部２５の熱を回収して高温となった燃焼用空気は、燃焼ガス排気管５５を通って外部に排出される。燃焼ガス排気管５５に設けられた燃焼ガス用凝縮器６７ｂでは、高温となった燃焼用空気と凝縮冷媒循環回路６５内の凝縮冷媒が熱交換する。しかし、その凝縮冷媒が循環（流通）しないで静止しているときには、燃焼ガス用凝縮器６７ｂの凝縮冷媒が加熱され、燃焼ガス用凝縮器６７ｂに損傷を及ぼすおそれがある。そこで、これを回避するために、燃焼用空気を流通する前に、凝縮冷媒を流通させるようにしている。また、燃焼部２５（改質器２０）の排熱は燃焼用空気を介して凝縮冷媒ひいては貯湯水に回収することができるので、熱回収効率を高く維持することができる。

なお、凝縮冷媒が改質器２０の排熱を回収する第１熱媒体であり、凝縮冷媒循環回路６５が第１熱媒体循環回路であり、凝縮冷媒循環ポンプ６５ａが第１熱媒体を循環させる第１熱媒体循環手段である。また、換気用ファン１ｂによる冷却は燃焼用空気による燃焼部２５の冷却の後から開始するようにしてもよい。

さらに、システム制御装置４０は、前述した冷却処理を行うと同時に、ステップ３１２にて、異常高温の有無の判定を行う。すなわち、冷却処理中にかかわらず、各温度センサ２１ｃ，２６ａ，２３ｃ，２４ｂ，２５ａ，６２ｂ，６３ｂ，６３ｃ，６５ｂ，７１によって検知される各温度が所定の正常範囲より高い温度範囲内に達した場合には異常高温であると判定し、ステップ３１２で「ＹＥＳ」と判定し、燃料電池システムを異常待機として再起動を禁止する（ステップ３１４）。

システム制御装置４０は、異常高温であると判定しなければ、冷却処理を続行し（ステップ３１０）、燃焼部温度（Ｔ１）が２００℃以下となれば、ステップ３０８で「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ３１６以降に進めて圧力調整処理を行う。

さらに、図９から図１２に示すタイムチャートを参照して冷却処理の効果を説明する。図９および図１１は、改質部２１の壁付近温度（Ｔ１）ならびに凝縮冷媒の熱交換器入口温度（Ｔ９）および燃焼部２５の外壁面温度（Ｔ５）の推移を示している。図１０および図１２は、停電が発生し正常な停止処理が行われないで冷却処理が行われなかった場合の改質部２１の壁付近温度（Ｔ１）ならびに凝縮冷媒の熱交換器入口温度（Ｔ９）および燃焼部２５の外壁面温度（Ｔ５）の推移を示している。

図９に示すように、燃焼用空気ポンプ５２ｂの駆動による燃焼部２５の冷却によって、壁付近温度（Ｔ１）の正常着火可能な温度（２００℃以下）への到達は、復電から４０分程度であることがわかる。これに対して、冷却処理が行われない場合には、図１０に示すように、壁付近温度（Ｔ１）の正常着火可能な温度（２００℃以下）への到達は、システム遮断（復電）から２時間以上要していた。これらのことからも明らかなように、冷却処理により復電から正常着火可能な温度に達するのに要する時間が短縮されることがわかる。

さらに、図１１に示すように、貯湯水循環ポンプ６２ａ、ＦＣ冷却水循環ポンプ６３ａおよび凝縮冷媒循環ポンプ６５ａの駆動による貯湯水系の冷却によって、凝縮冷媒の熱交換器入口温度（Ｔ９）が昇温途中で温度が低下している。これに対して、冷却処理が行われない場合には、図１２に示すように、凝縮冷媒の熱交換器入口温度（Ｔ９）はシステム遮断から上昇し１５分程度でピーク（１００℃）に達し１５分程度で約６０℃に低下する。これらのことからも明らかなように、貯湯水系の冷却によりシステム遮断に伴う凝縮冷媒の昇温が回避されることがわかる。

また、図１１に示すように、燃焼用空気ポンプ５２ｂの駆動による燃焼部２５の冷却によって、燃焼部２５の外壁面温度（Ｔ５）が昇温途中で温度が低下している。これに対して、冷却処理が行われない場合には、図１２に示すように、燃焼部２５の外壁面温度（Ｔ５）はシステム遮断から上昇し１時間程度でピーク（９０℃）に達しなりゆきで低下する。これらのことからも明らかなように、冷却処理によりシステム遮断に伴う燃焼部の昇温が回避されることがわかる。

６−４）復旧動作のうち改質器および燃料電池の圧力調整処理
冷却処理によって燃焼部温度Ｔ５が正常着火可能な温度となった場合、システム制御装置４０は、圧力調整処理を行う。システム制御装置４０は、圧力センサ４５ｂ、４５ｃによって検知される改質ガスの改質器出口の圧力（Ｐ１）および改質ガスの燃料電池入口の圧力（Ｐ２）の圧力が適正範囲（−２０ｋＰａから８ｋＰａまでの範囲）内にある場合には、ステップ３１６，３１８でそれぞれ「ＹＥＳ」と判定し、圧力調整は不要であるため行わないで、復帰動作を停止するとともに停電が発生した旨のエラーを解除し（ステップ３２０）、燃料電池システムは待機状態（停電後待機状態でなく、通常の待機状態）となり、再起動可能な状態となる（ステップ３２２）。この状態となれば、ユーザによる起動指示により再起動が可能となる。なお、自動運転により再起動してもよい。

このとき、停止される復帰動作は、冷却処理に係る動作のことであり、貯湯水循環ポンプ６２ａ、ＦＣ冷却水循環ポンプ６３ａ、凝縮冷媒循環ポンプ６５ａ、燃焼用空気ポンプ５２ａおよび換気用ファン１ｂの駆動である。

改質ガスの改質器出口の圧力（Ｐ１）および改質ガスの燃料電池入口の圧力（Ｐ２）の圧力の少なくともいずれか一方が適正範囲より高い場合には、ステップ３１６で「ＮＯ」と判定し、減圧処理を行う（ステップ３２４）。

改質ガスの改質器出口の圧力（Ｐ１）が高い場合には、すなわち、改質用燃料バルブ４１ｄ、改質水バルブ４３ｃ、酸化用空気バルブ４６ｂ、第１改質ガスバルブ４５ａ、第２改質ガスバルブ４８ａが閉状態とされて封止されている改質器２０の内部圧力（Ｐ１）が高い場合には、第２改質ガスバルブ４８ａを開状態とする。これにより、改質器２０内の高い圧力は第２改質ガスバルブ４８ａを通り燃焼部２５を通って外部に導出されて低減される（ステップ３２４）。このとき、第２改質ガスバルブ４８ａはＰＷＭ制御されることが好ましく、圧力（Ｐ１）を監視しながら適正範囲内に調整するのが好ましい。また、開度を制御するようにしてもよい。

また、改質ガスの燃料電池入口の圧力（Ｐ２）が高い場合には、すなわち、燃料バルブ５４ａ、第１改質ガスバルブ４５ａ、オフガスバルブ４７ａが閉状態とされて封止されている燃料電池１０（燃料極１１）の内部圧力（Ｐ２）が高い場合には、オフガスバルブ４７ａを開状態とする。これにより、燃料電池１０（燃料極１１）内の高い圧力はオフガスバルブ４７ａを通り燃焼部２５を通って外部に導出されて低減される（ステップ３２４）。このとき、オフガスバルブ４７ａはＰＷＭ制御されることが好ましく、圧力（Ｐ２）を監視しながら適正範囲内に調整するのが好ましい。また、開度を制御するようにしてもよい。

改質ガスの改質器出口の圧力（Ｐ１）および改質ガスの燃料電池入口の圧力（Ｐ２）の圧力の少なくともいずれか一方が適正範囲より低い場合には、ステップ３１８で「ＮＯ」と判定し、増圧処理を行う（ステップ３２６）。

改質ガスの改質器出口の圧力（Ｐ１）が低い場合（負圧である場合）には（上記封止されている改質器２０の内部圧力（Ｐ１）が低い場合には）、燃料バルブ４１ａおよび改質用燃料バルブ４１ｄを開状態とする。これにより、負圧である改質器２０内には改質用燃料が流れ込み、圧力は増大される（ステップ３２６）。このとき、燃料バルブ４１ａは開状態とされ改質用燃料バルブ４１ｄはＰＷＭ制御されることが好ましく、圧力（Ｐ１）を監視しながら適正範囲内に調整するのが好ましい。また、開度を制御するようにしてもよい。なお、増圧処理では、ポンプ（４１ｂ）を作動させて増圧するようにしてもよい。

また、改質ガスの燃料電池入口の圧力（Ｐ２）が低い場合（負圧である場合）には（上記封止されている燃料電池１０の内部圧力（Ｐ２）が低い場合には）、燃料バルブ４１ａおよび燃料バルブ５４ａを開状態とする。これにより、負圧である燃料電池１０内には改質用燃料が流れ込み、圧力は増大される（ステップ３２６）。このとき、燃料バルブ４１ａは開状態とされ燃料バルブ５４ａはＰＷＭ制御されることが好ましく、圧力（Ｐ２）を監視しながら適正範囲内に調整するのが好ましい。また、開度を制御するようにしてもよい。
システム制御装置４０は、圧力が適正範囲内になれば、それまで開状態としておいたバルブを閉じる。

さらに、図１３および図１４に示すタイムチャートを参照して圧力調整処理の効果を説明する。図１３は、上記圧力調整処理による改質ガスの改質器出口の圧力（Ｐ１）および改質ガスの燃料電池入口の圧力（Ｐ２）の推移を示している。図１４は、停電が発生し正常な停止処理が行われないで圧力調整処理が行われなかった場合の改質ガスの改質器出口の圧力（Ｐ１）および改質ガスの燃料電池入口の圧力（Ｐ２）の推移を示している。

図１３に示すように、燃焼用空気ポンプ５２ｂの駆動による燃焼部２５の冷却によって、壁付近温度（Ｔ１）の正常着火可能な温度（２００℃以下）へ到達した時点には、改質器圧力Ｐ１が１６ｋＰａ（＞８ｋＰａ）、燃料電池圧力Ｐ２が−２７ｋＰａ（＜−２０ｋＰａ）である。図９と図１３（図１１も）は関連したデータであり（横軸が一致している）、図１３の圧力調整処理の矢印が示す縦線が図９のＴ１が降温したときの縦線と一致しており、Ｔ１が２００℃になっている。したがって、改質器圧力Ｐ１は圧抜きにより１６ｋＰａから約０ｋＰａ、燃料電池圧力Ｐ２は負圧解消より−２７ｋＰａから約０ｋＰａとなり、いずれも正常圧力範囲とすることができる。これに対して、圧力調整が行われない場合には、図１４に示すように、システム遮断より３０分程は、高圧状態となり、特に改質器圧力Ｐ１は、正常圧力範囲より高い圧力値を示す。以降、システム内の温度低下に伴い、両圧力共に圧力が低下し、正常圧力範囲外の強い負圧状態（Ｐ１の負圧：改質器内へ引込まれる圧力、Ｐ２の負圧：スタック内へ引込まれる圧力）となる。この強い負圧状態の継続はバルブ故障（閉状態の固着）等の異常原因となる。これらのことからわかるように、冷却処理によりシステム遮断後急激なシステム内温度の上昇を抑制するので、改質器圧力Ｐ１、燃料電池圧力Ｐ２の上昇を抑制し、かつ、冷却処理が終了するとその時点の圧力を適正範囲内（正常圧力範囲内）に収めることができる。

したがって、以上で構成される復帰動作により、停電にて正常な停止処理がなされない場合でも、復電後に正常着火可能性の確認を行いながら、システム内の冷却および圧力調整を行うことができるため、システムの劣化や故障を最小限で防ぐことができると同時に、人手によるメンテナンスが不要となる。また、使用者にとって、停電後も復電にて自動で復旧動作および再起動が可能となるため、実用性が向上する。さらに、復旧動作の完了後に燃料電池システムを待機状態へ移行させることができる。

なお、上述したシステム制御装置４０およびインバータ制御装置３１ｄの少なくともいずれか一方により特許請求の範囲に記載の制御装置が構成される。

上述した説明から明らかなように、本実施形態においては、制御装置は、系統電源３３の異常時（停電時）に燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、燃料電池システムが再起動可能状態となるように自動的に復旧動作を行い、該復旧動作の完了後に該燃料電池システムを待機状態へ移行させる（図５から図８のフローチャート）。これによれば、系統電源３３の異常時（停電時）に燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、燃料電池システム内の所定部位（本実施の形態では、各温度センサ２１ｃ，２６ａ，２３ｃ，２４ｂ，２５ａ，６２ｂ，６３ｂ，６３ｃ，６５ｂ，７１によって検知される各部位）に継続する異常高温が発生したり、適正外の圧力状態となる部位が発生したりしても、燃料電池システムは再起動可能状態となるように自動的に復旧され、復旧完了後に待機状態へ移行される（ステップ３２２）ので、その後の再起動の際には、人によるメンテナンスを行うこともなく、燃料電池システムを正常に再起動することができる。

ところで、上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、停電が発生した場合、該燃料電池システムの圧力や温度の変動を考慮しないで、停止工程に移行して所定の停止工程を経て燃料電池システムを停止しているため、燃料電池システム内の所定部位に継続する異常高温が発生したり、適正外の圧力状態となる部位が発生したりして、システム全体として性能・耐久性の劣化が発生する恐れがあり、信頼性が低下する。

これに対して、本実施の形態では、改質器２０は、改質用燃料を改質して生成した燃料ガスを生成する改質部２１と、可燃ガスおよび燃焼用酸化剤ガスが供給されて可燃ガスを燃焼用酸化剤ガスで燃焼してその燃焼ガスで改質部を加熱する燃焼部２５と、を備え、復旧動作は、燃焼部２５および熱媒体循環回路（貯湯水循環回路６２、ＦＣ冷却水循環回路６３および凝縮冷媒循環回路６５から構成される循環回路）の冷却処理（ステップ３１０）、および改質器２０および燃料電池１０の各内部の圧力調整処理（ステップ３２４，３２６）を含んでいる。これによれば、系統電源３３の停電の発生にて燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、燃料電池システム内の所定部位に継続する異常高温が発生したり、適正外の圧力状態となる部位が発生したりしても、冷却処理により高温を抑制し、圧力調整処理により不適当な圧力となるのを抑制することができるので、システム全体として性能・耐久性の劣化を抑制し、信頼性を高く維持することができる。

また、冷却処理が完了した後、圧力調整処理が行われる。これによれば、改質器２０の燃焼部２５の温度を低下した後に改質器２０および燃料電池１０の内部の圧力調整を行うので、その内部の改質用燃料や燃料ガスなどの可燃ガスが圧力調整に伴って流れても不慮の発火を防ぐことができる。

また、燃料電池システムは、改質器２０の排熱を回収する第１熱媒体（凝縮冷媒）が循環する第１熱媒体循環回路（凝縮冷媒循環回路）６５と、第１熱媒体を循環させる第１熱媒体循環手段（凝縮冷媒循環ポンプ）６５ａとをさらに備え、改質器２０の排熱には燃焼部２５からの排ガスの排熱も含み、冷却処理は、第１熱媒体循環手段による第１熱媒体の循環動作を開始した後、燃焼部２５に燃焼用酸化剤ガスのみを流入させる処理である。これによれば、燃焼用酸化剤ガスの流通による燃焼部２５の冷却に伴った該燃焼部２５からの排ガスの排熱を第１熱媒体が回収する際に、既に循環している第１熱媒体によって排ガスの排熱を回収できるので、排ガスの排熱により第１熱媒体が沸騰することを回避でき正常に復旧動作を行うことができる。

また、制御装置は、復旧動作中に、燃料電池システムに備えられたセンサ（上記ガスセンサ、温度センサ、圧力センサ）の故障、改質用燃料、可燃ガスおよび燃料ガスの漏れ、燃料電池システム内での火災、燃料電池システム内の異常高温との少なくとも１つの燃料電池システム内異常の検知を行い、該異常を検知したときには燃料電池システムの再起動を禁止する。これによれば、復旧動作においてシステムを正常に復旧させることができる。

また、制御装置は、燃料電池システムの所定部位の温度が所定温度より高くなったとき、その高温状態が所定時間以上継続する場合に、異常高温であると判定する。これによれば、正常運転での異常高温との誤検出を抑制することができる。

さらに、システム制御装置４０は、図１５に示すフローチャートに沿って、系統電源３３の停電による停止回数および停電に対する復旧動作を行った回数を記憶し（ステップ５０２）、何れかの回数が所定回数に達したとき（ステップ５０４で「ＹＥＳ」と判定し）、停電に対する復旧動作を禁止する（ステップ５０６）ようにしてもよい。これによれば、無理・無駄な復旧動作・再起動の実行を抑制することができ、システムを正常に復旧させることができる。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示す改質器およびその周辺を示す構成図である。 図１に示すインバータシステムおよびその周辺を示すブロック図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図１に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 図１に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 図１に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 図１に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 本発明による冷却処理による改質部の壁付近温度（Ｔ１）の推移を示すタイムチャートである。 停電が発生し本発明による冷却処理が行われないで正常な停止処理が行われなかった場合の改質部２１の壁付近温度（Ｔ１）の推移を示すタイムチャートである。 本発明による冷却処理による凝縮冷媒の熱交換器入口温度（Ｔ９）および燃焼部２５の外壁面温度（Ｔ５）の推移を示すタイムチャートである。 停電が発生し本発明による冷却処理が行われないで正常な停止処理が行われなかった場合の凝縮冷媒の熱交換器入口温度（Ｔ９）および燃焼部２５の外壁面温度（Ｔ５）の推移を示すタイムチャートである。 本発明による圧力調整処理による改質ガスの改質器出口の圧力（Ｐ１）および改質ガスの燃料電池入口の圧力（Ｐ２）の推移を示すタイムチャートである。 停電が発生し本発明による圧力調整処理が行われないで正常な停止処理が行われなかった場合の改質ガスの改質器出口の圧力（Ｐ１）および改質ガスの燃料電池入口の圧力（Ｐ２）の推移を示すタイムチャートである。 図１に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、２０…改質器、２１…改質部、２２…冷却部、２３…ＣＯシフト部、２４…ＣＯ選択酸化部、２５…燃焼部、２６…蒸発部、３０…インバータシステム、３１…インバータ装置、３１ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３１ｂ…ＤＣ／ＡＣインバータ、３１ｃ…インバータ用電源ＤＣ／ＤＣコンバータ、３１ｄ…インバータ制御装置（制御装置）、３２…整流回路、３３…系統電源、３５…外部電力負荷、３７，３９…第１および第２補機、４０…システム制御装置（制御装置）、６０…排熱回収システム、６１…貯湯槽、６２…貯湯水循環回路、６３…ＦＣ冷却水循環回路、６４…第２熱交換器、６５…凝縮冷媒循環回路（第１熱媒体循環回路）、６５ａ…凝縮冷媒循環ポンプ（第１熱媒体循環手段）、６６…第１熱交換器。

Claims (7)

1. 発電した電力を、系統電源に接続された外部電力負荷に供給する燃料電池と、
   改質用燃料を改質して生成した燃料ガスを前記燃料電池に供給する改質器と、
   前記燃料電池および前記改質器の運転を制御するための制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記系統電源の異常時に前記燃料電池システムを正常に停止できなかったとき、前記燃料電池システムが再起動可能状態となるように自動的に復旧動作を行い、該復旧動作の完了後に該燃料電池システムを待機状態へ移行させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記改質器は、改質用燃料を改質して生成した燃料ガスを生成する改質部と、可燃ガスおよび燃焼用酸化剤ガスが供給されて前記可燃ガスを前記燃焼用酸化剤ガスで燃焼してその燃焼ガスで前記改質部を加熱する燃焼部と、を備え、
   前記復旧動作は、前記燃焼部の冷却処理、および前記改質器および前記燃料電池の各内部の圧力調整処理を含んでいることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、前記冷却処理が完了した後、前記圧力調整処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３において、前記燃料電池システムは、前記改質器の排熱を回収する第１熱媒体が循環する第１熱媒体循環回路と、前記第１熱媒体を循環させる第１熱媒体循環手段とをさらに備え、前記改質器の排熱には前記燃焼部からの排ガスの排熱も含み、
   前記冷却処理は、前記第１熱媒体循環手段による前記第１熱媒体の循環動作を開始した後、前記燃焼部に前記燃焼用酸化剤ガスのみを流入させる処理であることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、前記制御装置は、前記復旧動作中に、前記燃料電池システムに備えられたセンサの故障、前記改質用燃料、前記可燃ガスおよび前記燃料ガスの漏れ、前記燃料電池システム内での火災、前記燃料電池システム内の異常高温との少なくとも１つの燃料電池システム内異常の検知を行い、該異常を検知したときには前記燃料電池システムの再起動を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５において、前記制御装置は、前記燃料電池システムの所定部位の温度が所定温度より高くなったとき、その高温状態が所定時間以上継続する場合に、前記異常高温であると判定することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項において、前記制御装置は、前記系統電源の異常による停止回数および前記異常に対する復旧動作を行った回数を記憶し、何れかの回数が所定回数に達したとき、前記異常に対する前記復旧動作を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
   
   

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