JP2010238597A

JP2010238597A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2010238597A
Application number: JP2009086625A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Shigesumi; 司重住; Toshiharu Oe; 俊春大江; Katsuhisa Tsuchiya; 勝久土屋; Kiyotaka Nakano; 清隆中野; Masayuki Kawamura; 昌之川村
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】運転状況を示す状態量が変動した場合に、運転停止すべきか運転継続すべきかを的確に判断することが可能な燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】この燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池セルの温度Ｔ及び改質器の圧力Ｐの変化率又は変化量が第１許容範囲Ｔｒａ，Ｐｒａを逸脱するか否かを判定する第１異常判定（ステップＳ０７，Ｓ１０）を実行し、当該第１異常判定の実行の結果、温度Ｔ又は圧力Ｐの変化率又は変化量が第１許容範囲Ｔｒａ，Ｐｒａを逸脱した場合には、電力取出手段における電力の取出を停止し、温度Ｔ及び圧力Ｐの監視は継続して第２異常判定を実行する（ステップＳ１２〜Ｓ１７）。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）セルを含む燃料電池システムに関する。

従来、このような燃料電池システムとしては、固体電解質形燃料電池（以下、ＳＯＦＣともいう）セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、そのセルの内側又は外側に水素を含む燃料ガスを通すと共に、反対側には酸化剤ガス（空気）を通すことで発電反応を行わせるものが知られている。燃料ガスは、都市ガスといった被改質ガスを改質して得られるものであって、その改質を行う改質器においてはいわゆる水蒸気改質が行われている。被改質ガスを改質して得られた燃料ガスと空気とが上述したようにセルに供給され、発電反応が行われて電力を得ることができる。この発電反応に寄与しなかった燃料ガスと空気はセル上方の燃焼部において混合燃焼されて、その燃焼における排気ガスが外部へ放出される。この外部に放出される排気ガスが人や動物に対して放出されることを防止するため、排気ガスの排気口にセンサを設けるものが提案されている（例えば下記特許文献１参照）。

下記特許文献１では、排気口のセンサによって人や動物が近づいたことを検出した場合には、燃料電池システムの運転を停止して対応することが記載されている。また、下記特許文献２には、改質器に水蒸気を供給するための蒸発部の出口温度が閾値を超えると燃料電池システムの運転を停止するものが記載されている。

特開２００８−１７１７１６号公報特開２００３−２２１２０６号公報

上述したように従来は、何らかの異常が発生した場合には燃料電池システムの運転を停止する技術が知られている。ところで、固体電解質形燃料電池セルを含む燃料電池システムにおいては、改質器に空気、水（水蒸気）、及び被改質ガスを適切な分量且つ適切なタイミングで供給する必要がある。特に、燃料電池システムから取り出す電力を求められる電力に応じて変動させるいわゆる負荷追従運転を行うと、改質器において必要とされる空気、水（水蒸気）、及び被改質ガスの分量や供給すべきタイミングが変動するので、より精度良くそれらの供給量や供給タイミングを制御する必要がある。一方で、固体電解質形燃料電池セルを含む燃料電池システムは、その効率を上げるために固体電解質形燃料電池セルの数を増やす等することがあり、固体電解質形燃料電池セルの数が増えれば燃料ガスや空気が行き渡るのに時間がかかる場合がある。また、燃料電池システムの効率を上げると、改質器に供給すべき空気、水（水蒸気）、及び被改質ガスは少量なものとなり、精度良くそれらの供給量や供給タイミングを制御するのは困難である。

上述したように、固体電解質形燃料電池セルの数が増えることで、それぞれのセルに燃料ガスや空気が行き渡るのに時間がかかるということは、その供給量を変更しようとしても安定化するまでにある程度の時間がかかってしまうことに繋がっている。また、改質器において必要となる空気、水（水蒸気）、及び被改質ガスの量は少量であり、それらの変動と固体電解質形燃料電池セル周辺の状態量の変動とが狙い通りに同期せずに、瞬間的に許容範囲を超える異常値を示す場合があり、多くの場合その異常値の出力が頻発する。このような異常値を示すことは、上述したようなＳＯＦＣ特有の状況に起因する一時的なものなのか、それとも真に異常状態に陥ってしまい何らかの対処が必要なのかが判断できないものである。

このような状況に対して、燃料電池システムの運転状況を示す状態量（セルの温度や、セルに供給される燃料ガスの温度、改質器の圧力や、改質器に供給される空気、水（水蒸気）、及び被改質ガスの温度等）が許容範囲を超えた場合に燃料電池システムを停止していたのでは、その停止頻度が高くなり実用上の問題が出てくる。一方、許容範囲を広くして対応した場合には、燃料電池システムが真に異常状態に陥っている場合に、燃料電池システムに深刻なダメージを与えることが想定される。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＳＯＦＣを含む燃料電池システムであって、運転状況を示す状態量が変動した場合に、運転停止すべきか運転継続すべきかを的確に判断することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、被改質ガスを水蒸気改質して複数の前記燃料電池セルに供給する燃料ガスと成す改質器と、前記改質器に水を供給する水供給手段と、前記改質器に被改質ガスを供給するガス供給手段と、前記複数の燃料電池セルから電力を取り出す電力取出手段と、前記水供給手段、前記ガス供給手段、及び前記電力取出手段を制御する制御手段と、を備え、前記複数の燃料電池セルの上方には、前記複数の燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかったオフガスを燃焼させる燃焼部が形成され、前記改質器が前記燃焼部から燃焼熱を受け取るように配置されており、前記制御手段は、少なくとも前記複数の燃料電池セル又は前記改質器における状態量測定値の変化率又は変化量が第１許容範囲を逸脱するか否かを判定する第１異常判定を実行し、当該第１異常判定の実行の結果、前記状態量測定値の変化率又は変化量が前記第１許容範囲を逸脱した場合には、前記電力取出手段における電力の取出を停止し、前記状態量測定値の監視は継続して第２異常判定を実行することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムのように、複数の燃料電池セルの上方に複数の燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかったオフガスを燃焼させる燃焼部が形成され、改質器が燃焼部から燃焼熱を受け取るように配置されている場合、燃料電池システムから取り出す電力に対して負荷追従運転を行うと各部の運転状況を示す値が変動しやすくなる。例えば、電力の取出量を変えるとそれに追従して供給する燃料ガスの量を変化させるが、改質器の吸熱が先行してしまって燃焼部における燃焼による熱供給が追いつかずに改質器の温度が急激に低下する場合もある。これは一例であるけれども、燃料電池システムにおいて電力を取り出すことは、それが負荷追従であるか否かを問わず大きな変動要因である。また、燃料電池システムにおいて真に不具合が発生した場合においても電力の取出をそのまま継続すると、過重な負荷がかかってしまい燃料電池セルの破損等に繋がる恐れがある。そこで本発明では、第１異常判定の実行の結果、状態量測定値の変化率又は変化量が第１許容範囲を逸脱した場合には、電力取出手段における電力の取出を停止し、変動要因を取り除くと共に運転を継続した場合にも燃料電池システムの破損には直接的に繋がらないようにしている。このように、変動要因を取り除くと共に運転を継続した場合にも燃料電池システムの破損には直接的に繋がらないようにした状態を維持し、その状態のもとで第２異常判定を実行することで燃料電池システムの破損は回避しつつ、第２異常判定を実行することが可能となる。従って、状態量測定値の変化率又は変化量がその許容範囲を逸脱する事態が頻発したとしても、燃料電池システムをその都度運転停止させる必要がなく、燃料電池システムの破損も回避して適切な対応をとることできる。

本願請求項２に係る燃料電池システムは、前記第２異常判定の実行は、前記電力取出手段における電力取出の停止の後、所定時間後に行われることを特徴とする。

上述したように本発明では、状態量測定値の変化率又は変化量が第１許容範囲を逸脱した場合に、燃料電池システムの破損を回避しつつ第２異常判定を実行して、固体電解質形燃料電池セルを含む燃料電池システム特有の状況に対応している。この態様では、電力取出を停止した後、所定時間後に第２異常判定を実行するので、電力取出に起因する状態量測定値の揺らぎへの影響を確実に排除して第２異常判定を実行することができる。

本願請求項３に係る燃料電池システムは、前記第２異常判定の実行中において、前記状態量測定値の変化率又は変化量が前記第１許容範囲を逸脱することが所定回数以上発生するか、前記状態量測定値の変化率又は変化量が第２許容範囲を逸脱した場合には前記燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする。

第２異常判定の実行中において、状態量測定値の変化率又は変化量が第１許容範囲を逸脱することが所定回数以上発生するか、状態量測定値の変化率又は変化量が第２許容範囲を逸脱した場合には、燃料電池システムに本質的な異常が発生している蓋然性が高いものと推定される。そこでこの態様では、このような状況となった場合には燃料電池システムの運転を停止し、燃料電池システムの破損を防止している。

本発明によれば、運転状況を示す状態量が変動した場合に、運転停止すべきか運転継続すべきかを的確に判断することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

本願発明の実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。図１に示す燃料電池システムの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。図１に示す燃料電池システムにおいて、異常判定制御を説明するためのフローチャートである。図４の説明において用いるグラフであって、燃料電池システムの取出電力量と燃料供給量との関係を示すグラフである。図４の説明において用いるグラフであって、燃料電池システムの状態量測定値の変動例を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態としての燃料電池システムＦＣＳの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。

まず、燃料電池モジュールＦＣＭについて説明する。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ；ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）であって、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極と空気極とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。本実施形態の燃料電池ＦＣは固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートといった酸素イオン導電性酸化物を用いている。

燃料極を構成する材料としては、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体といった材料が用いられる。空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。

発電室ＦＣ１において発電された電気は電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。

改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ；ＰａｒｔｉａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎＲｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ；ＡｕｔｏＴｈｅｒｍａｌＲｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ；ＳｔｅａｍＲｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される（詳細は後述する）。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。

蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。

制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。

一酸化炭素検知器ＣＯＤは、本来排気ガス通路等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵを覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵに取り付けられている。

続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。

外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される。

外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。

外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。

可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。

続いて、図２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。

燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＳＣは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＳＣには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳは制御ボックスＣＢに収められている。また操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。

燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。

改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。

水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。

電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。

一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１，ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。

続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動時（起動モード）における各種改質反応の切り替えについて図３を参照しながら説明する。図３は、燃料電池システムＦＣＳの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。

本実施形態における燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応ＰＯＸと、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１と、第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２と、水蒸気改質反応ＳＲとを順次切り替えながら改質反応を進行している。図３を説明するのに先立って、各改質反応について説明する。

部分酸化改質反応ＰＯＸは、改質器ＳＲに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）
部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。ただし、部分酸化改質反応ＰＯＸは、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。尚、部分酸化改質反応ＰＯＸのみに着目すれば、空間速度を高く設定するので、例えば改質器ＲＦを分割形成して部分酸化改質反応ＰＯＸ専用の改質器を設ける場合には、その専用の改質器を小型化することができる。

水蒸気改質反応ＳＲは、改質器ＳＲに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （２）
水蒸気改質反応ＳＲは、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。尚、水蒸気改質反応ＳＲのみに着目すれば、空間速度を低く設定するので、改質器ＲＦが大型化する傾向にある。

第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１及び第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２からなるオートサーマル改質反応ＡＴＲは、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間的な改質反応であって、改質器ＲＦに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行う改質反応であり、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂＋ｙＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （３）
オートサーマル改質反応ＡＴＲは、水素収率が部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施形態の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応ＰＯＸにより近い第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応ＳＲにより近い第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２を後に行っている。

図３に戻って、燃料電池システムＦＣＳの起動モードについて説明する。図３は、横軸に起動開始後の経過時間を取り、左縦軸には各部の温度を取っている。制御電圧であるため特段の目盛りは付していないが、改質用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、発電用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、被改質ガスを供給するための流量調整ユニットＦＰ１に含まれる燃料ポンプの制御電圧、及び純水を供給するための流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧は、図中上方に行くほど電圧が高くなる（供給量が増える）ように示している。図３には、改質器ＲＦの温度、燃料電池セルＣＥのスタック温度、燃焼室ＦＣ２の温度（改質器ＲＦの温度等から推定している）、流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＦＰ２に含まれる燃料ポンプの制御電圧、流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧を示している。

まず、改質用空気を増やすように流量調整ユニットＡＰ１ａ、電磁弁ＡＰ２、ヒータＡＨ１、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに空気を供給する。また、被改質ガスの供給を増やすように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに被改質ガスを供給する。このように、空気と被改質ガスを供給し、イグナイタによって着火して燃焼運転を実行する（尚、条件によっては自然着火によって着火して燃焼運転を実行する）。この場合の、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分１０．０Ｌ（リットル）、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分６．０Ｌである。また、起動モード全体を通して、発電室ＦＣ１に供給する発電用空気の流量は毎分１００．０Ｌとなるように流量調整ユニットＡＰ１ｂが制御される。発電室ＦＣ１上方の燃焼室ＦＣ２においては、改質器ＲＦを通過した燃料ガスと発電用空気とが混合して燃焼しており、燃焼室ＦＣ２の温度が徐々に上昇する。

続いて、改質器ＲＦの温度が約３００℃程度になった際に改質器がＰＯＸ運転可能な状態になることから３００℃前後になった時に成行きで部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。部分酸化改質反応ＰＯＸは発熱反応なので、各部の温度が上昇する。部分酸化改質反応ＰＯＸを開始してから所定時間が経過した後、改質用空気の供給量を更に増やして部分酸化改質反応ＰＯＸをより進行させる。具体的には、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分１８．０Ｌ、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分５．０Ｌである。

続いて、改質器ＲＦの温度が約６００℃以上になり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約２５０℃を超えたことを条件として、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１へと移行させる。第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分８．０Ｌに減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分５．０Ｌを維持する。更に、毎分１．０ｍｌの極微量な純水を改質器ＲＦに供給する。オートサーマル改質反応ＡＴＲは、部分酸化改質反応ＡＴＲと水蒸気改質反応ＳＲとを混合した反応であって、熱的に内部バランスが取れるので改質器ＲＦ内では熱自立しながら反応が進行する。また、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１は，空気が比較的多く部分酸化改質反応ＰＯＸに近い反応であり、発熱が支配的な反応となっている。尚、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１中において、燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度は約２５０℃から約４００℃である。

続いて、改質器ＲＦの温度が６００℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約４００℃を超えたことを条件として、第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２へと移行させる。第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分４．０Ｌに減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量も毎分４．０Ｌに減らす。更に、毎分３．０ｍｌの微量な純水を改質器ＲＦに供給する。第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２は，空気が比較的少なく水が多いため水蒸気改質反応ＳＲに近い反応であり、吸熱が支配的な反応となっている。しかしながら、発電室ＦＣ１内の温度を示すセルスタック温度が約４００℃を超えているため、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。尚、第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２中において、蒸発部ＲＦ２の温度は約１００℃以上である。

続いて、改質器ＲＦの温度が６５０℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約６００℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応ＳＲへと移行させる。水蒸気改質反応ＳＲでは、改質器ＲＦに供給する改質用空気は遮断し、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分３．０Ｌに減らす。更に、毎分８．０ｍｌの純水を改質器ＲＦに供給する。この水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるので、燃焼室ＦＣ２からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室ＦＣ１内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応ＳＲが進行しても燃焼室ＦＣ２では継続して燃焼反応が持続する。

上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室ＦＣ１内の温度が徐々に上昇する。発電室ＦＣ１の温度（セルスタックの温度）が、燃料電池モジュールＦＣＭを安定的に作動させる定格温度（約７００℃）よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールＦＣＭを含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣＭは発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。燃料電池セルＣＥの発電により、燃料電池セルＣＥ自体も発熱し、更に、燃料電池セルＣＥの温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣＭを作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。

その後、定格温度を維持するために、燃料電池セルＣＥで消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室ＦＣ２での燃焼を継続させる。尚、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。水蒸気改質反応ＳＲ自体は厳密には４００℃〜８００℃程度で行われるが、燃料電池セルＣＥとの組み合わせにおいては５００℃〜７００℃程度で反応が進行するように設定している。

本実施形態では、燃料電池システムＦＣＳの異常判定を実行し、燃料電池システムＦＣＳが過度に運転停止をしたり、燃料電池システムＦＣＳが壊れたりしてしまうようなことがないような制御を行っている。その制御実行フローについて、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。図４において、フラグＦは、「０」が通常制御状態であることを示す、「１」が異常判定制御状態であることを示している。「Ｐ」は改質器ＲＦ内の圧力を示し、「Ｐｒａ」は異常判定制御を行う際に第１許容範囲を特定するための境界値の圧力変化率を示す値であり、「Ｐｒｂ」は異常判定制御を行う際に第２許容範囲を特定するための境界値の圧力変化率を示す値であり、「Ｐｖｂ」は異常判定制御を行う際に第２許容範囲を特定するための境界値の圧力変化量を示す値であり、「Ｐｒｓ」は緊急停止をする際の境界値となる圧力変化率を示す値であり、「Ｐｖｓ」は緊急停止をする際の境界値となる圧力変化量を示す値である。本実施形態の場合、Ｐｒｓ＞Ｐｒａ＞Ｐｒｂであり、Ｐｖｓ＞Ｐｖｂである。

「Ｔ」は燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度を示し、「Ｔｒａ」は異常判定制御を行う際に第１許容範囲を特定するための境界値の温度変化率を示す値であり、「Ｔｒｂ」は異常判定制御を行う際に第２許容範囲を特定するための境界値の温度変化率を示す値であり、「Ｔｖｂ」は異常判定制御を行う際に第２許容範囲を特定するための境界値の温度変化量を示す値であり、「Ｔｒｓ」は緊急停止をする際の境界値となる温度変化率を示す値であり、「Ｔｖｓ」は緊急停止をする際の境界値となる温度変化量を示す値である。本実施形態の場合、Ｔｒｓ＞Ｔｒａ＞Ｔｒｂであり、Ｔｖｓ＞Ｔｖｂである。

ステップＳ０１では、改質器ＲＦ内の圧力Ｐと、燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔとを取得する。ステップＳ０１に続くステップＳ０２では、フラグＦが「１」であるか判断する。フラグＦが「１」すなわち異常判定制御状態であればステップＳ１２の処理に進み、フラグＦが「１」でないすなわち「０」であって通常制御状態であればステップＳ０３の処理に進む。

ステップＳ０３では、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変化率の絶対値がＰｒｓを超えたか判断する。圧力Ｐの変化率の絶対値がＰｒｓを超えていればステップＳ１１の処理に進み、圧力Ｐの変化率の絶対値がＰｒｓ以下であれば、ステップＳ０４の処理に進む。Ｐｒｓは緊急停止をする際の境界値となる圧力変化率を示す値であるので、圧力Ｐの変化率の絶対値がＰｒｓを超えている場合に実行するステップＳ１１では、燃料電池システムＦＣＳの緊急停止処理を実行する。緊急停止処理は、燃料電池システムＦＣＳからの電力取出を停止し、燃料ガスとなる被改質ガスの供給を停止し、水の供給も停止する。

ステップＳ０４では、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変化量の絶対値がＰｖｓを超えたか判断する。圧力Ｐの変化量の絶対値がＰｖｓを超えていれば、上述したステップＳ１１の処理に進み、圧力Ｐの変化量の絶対値がＰｖｓを超えていなければ、ステップＳ０５の処理に進む。

ステップＳ０５では、燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔの変化率の絶対値がＴｒｓを超えたか判断する。温度Ｔの変化率の絶対値がＴｒｓを超えていれば、上述したステップＳ１１の処理に進み、温度Ｔの変化率の絶対値がＴｒｓを超えていなければ、ステップＳ０６の処理に進む。

ステップＳ０６では、燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔの変化量の絶対値がＴｖｓを超えたか判断する。温度Ｔの変化量の絶対値がＴｖｓを超えていれば、上述したステップＳ１１の処理に進み、温度Ｔの変化量の絶対値がＴｖｓを超えていなければ、ステップＳ０７の処理に進む。

ステップＳ０７では、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変化率の絶対値がＰｒａを超えたか判断する。圧力Ｐの変化率の絶対値がＰｒａを超えていればステップＳ０８の処理に進み、圧力Ｐの変化率の絶対値がＰｒａ以下であれば、ステップＳ１０の処理に進む。Ｐｒａは異常判定処理制御に移行する際の境界値となる圧力変化率を示す値であるので、圧力Ｐの変化率の絶対値がＰｒａを超えている場合に実行するステップＳ０８では、燃料電池システムＦＣＳからの電力取出を停止し、熱自立運転に必要な最小限の燃料ガスが供給されるように被改質ガスの供給を制限する。図５に、燃料電池システムＦＣＳから取り出す電力（要求電力）と燃料電池セルに供給する燃料ガスの供給量との関係を示す。図５に示すように、要求電力が多くなると燃料電池セルに供給する燃料ガスも多くなるが、要求電力が０の場合は熱自立運転が可能な最低燃料量であるＱ０で安定状態となるようにしている。

図４に戻り、ステップＳ０８に続くステップＳ０９では、フラグＦを「１」としてリターンする。ステップＳ１０では、燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔの変化率の絶対値がＴｒａを超えたか判断する。温度Ｔの変化率の絶対値がＴｒａを超えていればステップＳ０８の処理に進み、温度Ｔの変化率の絶対値がＴｒａ以下であればリターンする。

ステップＳ１２では、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変化量の絶対値がＰｖｂを超えたか判断すると共に、燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔの変化量の絶対値がＴｖｂを超えたか判断する。いずれかが超えていれば、ステップＳ１１の処理に進み、いずれも越えていなければステップＳ１３の処理に進む。

ステップＳ１３では、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変化率又は燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔの変化率が低下しているか判断する。この判断は、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変化率の絶対値がＰｒｂを超えているか又は燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔの変化率の絶対値がＴｒｂを超えているかで判断する。改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変化率又は燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔの変化率が低下していればステップＳ１４の処理に進み、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変化率又は燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔの変化率が低下していなければステップＳ１７の処理に進む。

ステップＳ１４では、所定時間継続して改質器ＲＦ内の圧力Ｐ又は燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔが安定しているか判断する。所定時間継続して改質器ＲＦ内の圧力Ｐ又は燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔが安定していればステップＳ１５の処理に進み、所定時間継続して改質器ＲＦ内の圧力Ｐ又は燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔが安定していなければリターンする。

ステップＳ１５では、燃料電池システムＦＣＳに本質的な異常がないと判断し、通常制御状態への復帰処理を行う。具体的には、燃料ガスの供給を回復し、電力の取出を回復する。ステップＳ１５に続くステップＳ１６では、フラグＦを「０」に戻してリターンする。

ステップＳ１７では、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変化率又は燃料電池セルＣＥによって構成される燃料電池セルスタックの温度Ｔの変化率が低下していない状態が所定時間続いているか判断する。低下していない状態が所定時間続いていれば、停止すべきであると判断してステップＳ１１の処理に進み、低下していない状態が所定時間続いていなければリターンする。

上述したような制御を実行すると、図６に示すような制御が可能となる。図６は、改質器ＲＦ内の圧力Ｐと燃料ガスの供給及び電力の取出の一例を示すグラフである。図６のＡ領域では、圧力Ｐの変化率が境界値Ｐｒａを越えたものと判断し、異常判定制御に移行する（上述したステップＳ０７，Ｓ０８，Ｓ０９の処理に相当する）。異常判定制御（上述したステップＳ１２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１７）では、圧力Ｐの変化量がＰｖｂ以上とならなかったり、圧力Ｐの変化率がＰｒｂ以上とならなければ熱自立運転を継続し、燃料電池システムＦＣＳの状態を監視する。図６に示す例では、圧力Ｐの変化率が低下しているので、燃料電池システムＦＣＳの運転を通常制御に戻している。

ＡＤＵ：補器ユニット
ＡＨ１：ヒータ
ＡＨ２：ヒータ
ＡＰ：空気供給部
ＡＰ１：流量調整ユニット
ＡＰ２：電磁弁
ＡＴＲ：オートサーマル改質反応
ＡＴＲ１：オートサーマル改質反応
ＡＴＲ２：オートサーマル改質反応
ＣＢ：制御ボックス
ＣＥ：燃料電池セル
ＣＯＤ：一酸化炭素検知器
ＣＳ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１：操作装置
ＣＳ２：表示装置
ＣＳ３：報知装置
ＤＳ１：改質器温度センサ
ＤＳ２：スタック温度センサ
ＤＳ３：排気温度センサ
ＤＳ４：改質器内圧力センサ
ＤＳ５：水位センサ
ＤＳ６：水流量センサ
ＤＳ７：燃料流量センサ
ＤＳ８：改質空気流量センサ
ＤＳ９：発電空気流量センサ
ＤＳ１０：電力状態検出部
ＤＳ１１：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３：可燃ガス検出センサ
ＥＰ：電力取出部
ＥＰ１：電力取出ライン
ＦＣ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＰ：燃料供給部
ＦＰ１：流量調整ユニット
ＦＰ２：脱硫器
ＦＰ４，ＦＰ５：ガス遮断弁
ＧＤ１，ＧＤ２：可燃ガス検知器
ＨＷ：温水製造装置
ＭＶ：混合部
ＰＯＸ：部分酸化改質反応
ＲＦ：改質器
ＲＦ１：改質部
ＲＦ２：蒸発部
ＳＣ：燃料電池システム制御部
ＳＲ：水蒸気改質反応
ＷＰ：水供給部
ＷＰ１：流量調整ユニット
ＷＰ２：貯水タンク

Claims

固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、
被改質ガスを水蒸気改質して複数の前記燃料電池セルに供給する燃料ガスと成す改質器と、前記改質器に水を供給する水供給手段と、前記改質器に被改質ガスを供給するガス供給手段と、前記複数の燃料電池セルから電力を取り出す電力取出手段と、前記水供給手段、前記ガス供給手段、及び前記電力取出手段を制御する制御手段と、を備え、
前記複数の燃料電池セルの上方には、前記複数の燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかったオフガスを燃焼させる燃焼部が形成され、前記改質器が前記燃焼部から燃焼熱を受け取るように配置されており、
前記制御手段は、少なくとも前記複数の燃料電池セル又は前記改質器における状態量測定値の変化率又は変化量が第１許容範囲を逸脱するか否かを判定する第１異常判定を実行し、当該第１異常判定の実行の結果、前記状態量測定値の変化率又は変化量が前記第１許容範囲を逸脱した場合には、前記電力取出手段における電力の取出を停止し、前記状態量測定値の監視は継続して第２異常判定を実行することを特徴とする燃料電池システム。
前記第２異常判定の実行は、前記電力取出手段における電力取出の停止の後、所定時間後に行われることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記第２異常判定の実行中において、前記状態量測定値の変化率又は変化量が前記第１許容範囲を逸脱することが所定回数以上発生するか、前記状態量測定値の変化率又は変化量が第２許容範囲を逸脱した場合には前記燃料電池システムの運転を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。