JP2015162442A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御装置並びに燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの運転を停止した場合に、改質水が燃料電池セル内に浸入して燃料電池セルが破損することを防止できる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御装置並びに燃料電池システムの制御方法を提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１では、改質水の供給経路（主流路）３に沿って、上流側より、改質水タンク５、改質水ポンプ７、フィルタ９、供給弁１１、流量センサ１３、発電モジュール１５が配置されている。発電モジュール１５は、気化器１９、改質器２１、燃料電池スタック２３、温度センサ２５を備えている。フィルタ９と供給弁１１との間の主流路３からは、改質水タンク５に到る分岐流路２７が設けられており、この分岐流路２７には、排出弁２９が設けられている。更に、燃料電池システム１は、燃料電池システム１の動作を制御するコントローラ３１を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば固体酸化物形燃料電池などの燃料電池を備えた燃料電池システム及び燃料電池システムの制御装置並びに燃料電池システムの制御方法に関するものである。

従来より、酸化剤ガス（例えば空気中の酸素）と燃料ガス（例えば水素）とを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムとして、例えば固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。

前記燃料電池としては、例えば固体電解質層の両側に燃料極と空気極とを設けた板状の単セルを有する燃料電池セルを、複数個積層した燃料電池スタックなどが使用されている。

また、上述した燃料電池システムとしては、燃料電池に燃料ガスを供給する流路の上流側に、都市ガス等の原燃料ガスの脱流を行う脱硫器、水を気化して水蒸気を生成する水蒸気生成器、原燃料ガスと水蒸気とを反応させて水素リッチの燃料ガスに改質する改質器、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変性する変成器、一酸化炭素を更に低減するための一酸化炭素選択酸化器等からなる水素含有ガス生成装置を備えたものが開示されている（特許文献１参照）。

また、この種の燃料電池システムにおいては、図６（ａ）に示すように、改質水の流路の上流側より、改質水を溜める改質水タンクＰ１、改質水を下流側（フィルタＰ３側）に供給する改質水ポンプＰ２、改質水を浄化する（圧損体である）フィルタＰ３、改質水の流量を計測する流量センサＰ４、発電モジュールＰ５を備えたシステムが知られている。なお、発電モジュールＰ５は、気化器Ｐ６、改質器Ｐ７、燃料電池スタックＰ８等から構成されている。

特開２００９−７８９６９号公報

しかしながら、前記図６（ａ）に示すような燃料電池システムでは、フィルタＰ３は常時改質水に浸かった状態の水フィルタであるので、燃料電池システムの運転を停止した際には、図６（ｂ）に示すように、フィルタＰ３の下流側の残圧によって、フィルタＰ３の下流に残留している改質水が燃料電池スタックＰ８内（詳しくは燃料電池セル内）に流入する恐れがある。

特に、燃料電池が発電時に高温となる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の場合には、このフィルタＰ３の下流に残留した改質水（残留水）が、水蒸気となって燃料電池セルに到ると、燃料電池セルの燃料極を酸化させてしまい、最悪の場合は燃料電池セルのセル割れ等の破損が発生する恐れがある。

なお、燃料電池システムの運転の停止としては、ガス漏れ等の発生の際の緊急停止や、停止ボタンの操作による通常の運転停止があり、緊急停止時において上述した問題が発生する可能性が高いものの、いずれの場合も、同様な問題が発生する恐れがある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池システムの運転を停止した場合に、改質水が燃料電池セル内に浸入して燃料電池セルが破損することを防止できる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御装置並びに燃料電池システムの制御方法を提供することにある。

（１）本発明は、第１態様（燃料電池システム）として、原燃料を燃料ガスに改質するために用いる改質水を気化する気化器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池セルを積層した燃料電池スタックと、を有する発電モジュールを備えた燃料電池システムにおいて、前記改質水を前記気化器に供給する流路には、上流側より、前記改質水を溜めるタンクと、前記タンクから前記改質水を汲み上げて下流側となる前記気化器側に前記改質水を供給するポンプと、前記改質水に浸された状態で保持されるとともに、前記改質水を浄化するフィルタと、前記フィルタと前記気化器との間に配置され前記流路を開閉する供給弁と、を備えるとともに、前記フィルタと前記供給弁との間の前記流路から分岐して前記タンクに接続された分岐流路と、前記分岐流路に配置されて、該分岐流路を開閉する排出弁と、を備えたことを特徴とする。

本第１態様では、フィルタと気化器との間に供給弁を備えているので、燃料電池システムの運転を停止するために、前記改質水を供給するポンプの供給動作を停止した場合は、供給弁によって改質水の流路を閉鎖することによって、フィルタと気化器との間に残留した改質水が気化器内に入って水蒸気化することを防止でき、最終的には、その水蒸気が燃料電池スタック（詳しくは燃料電池セル）内に流入することを防止できる。

また、本第１態様では、燃料電池システムの運転を停止した場合には、分岐流路の排出弁を開くことによって、フィルタと気化器との間に残留した改質水の圧力（残圧）を抜くことができるので、再起動時（発電のための動作を再開した場合）には残圧が低下した状態で供給弁を開くことができる。これによって、再起動時に過剰な残圧によって改質水が気化器に流入し、不用に発生した水蒸気が燃料電池セル内に流入することを防止できる。

このように、本第１態様では、ポンプが停止した場合に、（水蒸気化した）改質水が燃料電池セル内に流入することを防止できるので、詳しくは、改質水が燃料極に達して燃料極が酸化することを防止できるとともに、燃料電池セルのセル割れ等の破損を防止できる。

特に燃料電池がＳＯＦＣの場合には、燃料電池は高温で運転されるので、燃料極が酸化するとともに、燃料電池セルの破損が生じ易いが、本第１態様では、その酸化や破損を効果的に防止できる。

また、本第１態様では、分岐流路によって、フィルタと供給弁との間の流路からタンクに改質水を戻すことができるので、改質水量の減少を抑制することができる。
更に、本第１態様では、フィルタの下流側にて改質水を排出する構成であるので、再起動時には、フィルタを通過した浄化後の改質水を気化器側（従って改質器側）に供給することができる。

（２）本発明は、第２態様として、前記フィルタは、イオン交換樹脂フィルタであることを特徴とする。
本第２態様は、フィルタの種類を例示したものである。このイオン交換樹脂フィルタは、イオン交換樹脂が常時改質水に浸されているフィルタであるので、燃料電池システムの運転が停止した場合には、前記第１態様の構成によって、フィルタと供給弁との間に残留した改質水が、フィルタに逆流し、フィルタ性能を低下させることを防止できる。

（３）本発明は、第３態様として、前記供給弁と排出弁とは、前記改質水の流路を、前記フィルタと前記供給弁との間の前記流路と前記分岐流路とに切り替え可能な三方向弁として一体に構成されていることを特徴とする。

本第３態様は、供給弁と排出弁とが三方向弁として構成されていることを例示している。従って、三方向弁の動作によって、例えば運転時には、フィルタと気化器との間の流路（主流路）を開くとともに主流路とタンクとの間の流路（分岐流路）を閉じ、運転の停止時には、主流路を閉じるともに分岐流路を開くことができる。

これによって、弁の開閉動作の制御が容易になるという利点がある。
（４）本発明は、第４態様として、前記燃料電池スタックの温度を測定する温度センサを備えたことを特徴とする。

例えば燃料電池システムの運転の停止を指示する停止ボタンの操作によって、運転の停止が指示された場合に、燃料電池スタックが高温の状態でそのまま燃料電池システムの停止動作に移行すると、不具合が生じることがある。 例えば燃料電池スタックが高温（例えば７００℃）で運転されていた場合に、例えば燃料ガスの供給を即座に停止すると燃料極が酸化し易くなる。

そこで、温度センサによって燃料電池スタックの温度を測定し、燃料極が酸化し難い十分に温度が低下した場合（例えば４００℃）に、燃料ガスの供給停止等の燃料電池システムの運転停止を行うことにより、燃料極の酸化や燃料電池セルの破損を抑制することができる。

（５）本発明は、第５態様として、前記気化器の下流側に、前記原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器を備えたことを特徴とする。
本第５態様では、上述したように、燃料電池システムの運転を停止するために改質水を供給するポンプの供給動作を停止した場合は、供給弁によって改質水の流路を閉鎖することによって、フィルタと気化器との間に残留した改質水が気化器内に入って水蒸気化することを防止でき、それによって、その水蒸気が改質器内および燃料電池スタックに流入することを防止できる。つまり、改質器に充填される触媒（例えばニッケル触媒等）や燃料電池スタックの燃料極が、上述した状況での水蒸気の流入によって破壊されることがあるが、本第５態様では、そのような破損を防止できる。

（６）本発明は、第６態様（燃料電池システムの制御装置）として、前記第１〜５態様のいずれかに記載の燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置において、前記燃料電池システムの運転を停止する条件が満たされた場合に、前記供給弁の開閉を制御する供給弁制御手段と、前記排出弁の開閉を制御する排出弁制御手段と、前記ポンプの動作を制御するポンプ制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本第６態様では、燃料電池システムの運転を停止する条件が満たされた場合には、供給弁制御手段によって、供給弁を閉鎖することにより、改質水が気化器内に流入して気化した水蒸気が、燃料電池スタック内に流入して燃料極が酸化することや燃料電池セルが破損することを防止できる。また、排出弁制御手段によって、排出弁を開くことによって、フィルタと気化器との間に残留した改質水の残圧を抜くことができるとともに、その改質水をタンクに戻すことができる。更に、ポンプ制御手段によって、ポンプの動作を停止することによって、改質水の供給を停止することができる。

ここで、燃料電池システムの運転の停止としては、燃料電池システムによって発電を行う動作を実際に停止することだけでなく、発電以外の運転状態（例えば起動運転状態、待機状態）の停止を指示する動作も挙げられる。なお、燃料電池システムの運転の停止の動作としては、例えば燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する動作の停止等のように、発電を停止する動作が挙げられる。

（７）本発明は、第７態様（燃料電池システムの制御方法）として、前記第１〜５態様のいずれかに記載の燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムの運転を停止する条件が満たされた場合には、前記供給弁によって前記フィルタと前記供給弁との間の前記流路を閉じる制御と、前記排出弁によって前記分岐流路を開く制御と、前記ポンプを停止する制御とを行うことを特徴とする。

本第７態様では、燃料電池システムの運転を停止する条件が満たされた場合には、供給弁によってフィルタと供給弁との間の流路（主流路）を閉じる制御を行うことによって、改質水が気化器に流入して気化した水蒸気が、燃料電池スタック内に流入して燃料極が酸化することや燃料電池セルが破損することを防止できる。また、排出弁によって分岐流路を開く制御を行うことによって、フィルタと気化器との間に残留した改質水の残圧を抜くことができるとともに、その改質水をタンクに戻すことができる。更に、ポンプを停止する制御を行うことによって、更なる改質水の供給を停止することができる。

（８）本発明は、第８態様として、前記燃料電池システムの運転を停止する条件として、前記燃料電池スタックの温度が、所定の温度以下になった条件を含むことを特徴とする。

本第８態様は、燃料電池システムの運転を停止する条件を例示したものである。
燃料電池スタックの温度が、所定の温度以下になった場合には、燃料極が酸化しにくく燃料電池セルの破損が生じにくい状態となっているので、燃料電池システムの運転を停止（例えば燃料ガスの供給を停止）しても、燃料極の酸化や燃料電池セルの破損は生じにくい。

つまり、燃料電池スタックの温度が、所定の温度以下になった場合に、運転を停止することによって、燃料極の酸化や燃料電池セルの破損を抑制しつつ、好適に運転を停止することができる。

なお、前記燃料電池スタックの温度は、燃料電池システムの運転を停止しても、燃料極が酸化しにくく燃料電池セルの破損が生じにくい温度（例えば４００℃の停止温度）であり、実験等によって求めることができる。

なお、ここで、燃料電池スタックの温度としては、燃料電池スタックの側面（積層される方向（端部方向）に対して垂直の方向における側面）の温度が挙げられる。この側面の温度を測定する理由は、積層方向端部の温度に比べて燃料電池スタックの内部の温度をより精度良く示すと考えられるからである。

また、燃料電池スタックの側面の温度と他の箇所の温度（例えば端部の温度）とには、所定の関係があるので、燃料電池スタックの温度として、側面以外の他の箇所の温度を採用することもできる。

以下、本発明の各構成について説明する。
前記燃料電池スタックとしては、例えば、ＺｒＯ₂系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの燃料電池スタックが挙げられる。

なお、燃料電池スタックの稼動温度（即ち、イオンが電解質中を移動可能となる温度）は、燃料電池スタックの種類ごとに異なっている。具体的に言うと、ＳＯＦＣの稼動温度は７００℃〜１０００℃程度、ＰＥＦＣの稼動温度は常温〜９０℃程度、ＭＣＦＣの稼動温度は６５０℃〜７００℃程度、ＰＡＦＣの稼動温度は１５０℃〜２００℃程度である。

前記燃料電池セルとしては、例えば燃料極層と固体電解質層と空気極層とを一体に積層した単セルを備えた構成を採用できる。
前記原燃料としては、改質によって水素を生成できる各種の原料ガス、例えば天然ガス（例えばＬＮＧ）、都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール、バイオメタノールなどを採用できる。

なお、ここで、燃料ガスとは、燃料となる還元剤（例えば水素）を含むガスを示し、酸化剤ガスとは、酸化剤（例えば酸素）を含むガス（例えば空気）を示している。
また、改質器とは、燃料電池に燃料ガスを供給する場合に、原燃料ガスを、より発電に好適な組成に改質（例えば都市ガス等をより水素成分の多い組成のガスに改質）する装置のことである。

実施例の燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 実施例の燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 実施例の燃料電池システムのコントローラによる運転の停止時における処理を示すフローチャートである。 実施例の燃料電池システムのコントローラによる運転の起動時における処理を示すフローチャートである。 実施例の燃料電池システムの運転の停止及び再起動における動作を示すタイミングチャートである。 従来技術を示し、（ａ）は燃料電池システムの構成を示す説明図、（ｂ）はその動作を示すタイミングチャートである。

次に、本発明の燃料電池システム、燃料電池システムの制御装置、燃料電池システムの制御方法を実施するために形態として、固体酸化物形燃料電池システムを例にあげて説明する。

ａ）まず、固体酸化物形燃料電池システムの全体の構成について説明する。尚、以下では、「固体酸化物形」を省略する
図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、燃料ガス（例えば原燃料ガスの都市ガスが改質された改質ガス）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて、詳しくは水素と酸素との供給を受けて発電を行う発電ユニットである。

この燃料電池システム１では、改質水の供給経路（主流路）３に沿って、上流側より、改質水タンク５、改質水ポンプ７、フィルタ９、供給弁１１、流量センサ１３、発電モジュール１５が配置されている。なお、改質水の供給経路３において、改質水タンク５側を上流側とし、燃料電池スタック２３側を下流側とする。

この発電モジュール１５は、断熱容器１７内に配置されており、断熱容器１７内には、気化器１９、改質器２１、燃料電池スタック（発電スタック）２３、温度センサ（スタック温度センサ）２５が配置されている。

また、フィルタ９と供給弁１１との間の主流路３からは、改質水タンク５に到る分岐流路２７が設けられており、この分岐流路２７には、排出弁２９が設けられている。
更に、燃料電池システム１は、燃料電池システム１の動作を制御するコントローラ３１を備えており、コントローラ３１には、停止ボタン３３、起動ボタン３５が接続されている。

以下、各構成について詳細に説明する。
改質水タンク５は、原燃料ガスを改質する際に用いられる改質水を貯溜する水タンクであり、改質水ポンプ７は、改質水タンク５から汲み上げた改質水を下流側のフィルタ９に供給するポンプである。なお、改質水ポンプ７の動作は、コントローラ３１によって制御される。

フィルタ９は、改質水を浄化するイオン交換樹脂フィルタ（水フィルタ）であり、常時は、イオン交換樹脂が改質水に浸されるように改質水で満たされている。言い換えれば、イオン交換樹脂が改質水に浸かった状態に保持されている。

供給弁１１は、主流路３を開閉する電磁弁（給水弁）であり、コントローラ３１によってその開閉が制御されている。
排出弁２９は、分岐流路２７を開閉する電磁弁（排水弁）であり、コントローラ３１によってその開閉が制御されている。

流量センサ１３は、主流路３を流れる改質水の流量を測定する流量計であり、その測定結果は、コントローラ３１に出力される。
気化器１９は、改質水を加熱して気化させて水蒸気とする装置であり、その水蒸気が改質器２１に供給される。

改質器２１は、内部に改質用の触媒（例えばルテニウム又はニッケル）を備えた装置であり、この改質器２１内に導入された原燃料ガスが、気化器１９から供給された水蒸気によって水蒸気改質されることにより、原燃料ガスより水素の割合が多い、いわゆる水素リッチの燃料ガスが生成される。

燃料電池スタック２３は、図示しないが、発電単位である板状の燃料電池セルが複数個積層された略直方体形状を有している。この燃料電池セルは、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり、周知の（燃料流路に接する様に配置された）燃料極と、（例えばジルコニアからなる）固体電解質体と、（空気流路に接する様に配置された）空気極とが一体となった単セルを備えている。

温度センサ２５は、燃料電池スタック２３の側面（例えば中央部）に配置され、その側面の温度を検出する。
なお、図示しないが、上述した構成以外に、発電モジュール１５には、燃料電池スタック２３から排出された（未反応成分を含む）排ガスを、ほぼ完全に燃焼させる排ガス燃焼器や、燃料電池スタック２３の下方に配置されて、起動時に、燃料電池スタック２３を加熱する起動バーナー等が配置されている。

また、図２に示すように、前記コントローラ３１は、周知のマイクロコンピュータ３１ａを備えた電子制御装置である。
このコントローラ３１には、燃料電池システム１の運転の停止を指示する停止ボタン３３と、燃料電池システム１の運転の開始を指示する起動ボタン３５とが接続されている。

また、上述したように、コントローラ３１には、流量センサ１３から改質水の流量を示す信号が入力され、温度センサ２５から燃料電池スタック２３の側面の温度を示す信号が入力される。

一方、コントローラ３１からは、改質水ポンプ７、供給弁１１、排出弁２９の動作を制御する制御信号が出力される。
更に、コントローラ３１には、燃料電池スタック２３に燃料ガスを供給する燃料ポンプ３７、空気を供給する空気ポンプ３９、起動バーナーに燃料混合気を供給する混合気ポンプ４１が接続されており、コントローラ３１からの制御信号によって、それらの動作が制御されるように構成されている。

なお、このコントローラ３１が、本発明の燃料電池システムの制御装置であり、本発明の供給弁制御手段、排出弁制御手段、ポンプ制御手段として機能する。
ｂ）次に、コントローラ３１によって制御される燃料電池システム１の動作について説明する。

［運転の停止時の処理］
まず、燃料電池システム１の運転中（発電中）に、燃料電池システム１を停止させる際の処理（発電を停止する際の処理）について説明する。

図３に示すように、ステップ（Ｓ）１００では、燃料電池スタック２３にて、通常のように発電を行う。
具体的には、改質水ポンプ７を作動させて、（開弁された）供給弁１１を介して改質水を気化器１９に供給して水蒸気を生成し、生成した水蒸気によって、改質器２１、燃料電池スタック２３内部をパージする。改質水ポンプ７の作動を継続した状態で、空気ポンプ３９を作動させて、空気を燃料電池スタック２３に供給して、その後、燃料ポンプ３７を作動させて、原燃料ガスを改質器２１に供給する。改質器２１にて、水蒸気を用いて原燃料ガスの改質を行い、生成した燃料ガスを燃料電池スタック２３に供給する。これらの起動運転により、燃料電池スタック２３の温度を上昇させる。

これにより、燃料電池スタック２３（詳しくは燃料電池セル）では、発電可能な温度（例えば７００℃）に到達する。燃料電池スタック２３が発電可能な温度に達したら、供給された燃料ガス及び空気を用いて発電を行う。

なお、この発電の際には、排出弁２９は閉鎖されている。また、原燃料ガスの供給経路には、通常、開閉弁（図示せず）があるが、発電時には、当然ながらこの開閉弁は開かれている。

続くステップ１１０では、燃料電池システム１に重大な異常である重異常が発生したか否かを判定する。ここで、重異常ありと判断されるとステップ１３０に進み、一方、重異常なしと判断されるとステップ１２０に進む。

なお、例えば燃料ガスのリークが検出された場合（ガス警報器による異常の検出）や、改質水の水量が一定時間供給されない場合には、重異常と判定する。
ステップ１３０では、燃料電池システム１と外部負荷及び系統とを解列（電気的な接続を遮断）し、ステップ１６０に進む。

一方、ステップ１２０では、通常の停止要求があるか否かを判定する。ここで、通常の停止要求があると判断されるとステップ１４０に進み、一方、通常の停止要求がないと判断されるとステップ１００に戻る。

なお、例えば停止ボタン３３が操作（オン）された場合には、停止要求ありと判定する。
ステップ１４０では、燃料電池システム１と外部負荷及び系統とを解列する。

続くステップ１５０では、燃料電池スタック２３の側面の温度が、所定の停止温度（通常の停止を行う場合の温度：例えば４００℃）以下に到達したか否かを判定する。ここで、到達したと判断されると（運転の停止が可能な温度に低下したので）ステップ１６０に進む。一方、未到達と判断されると（まだ運転の停止には温度が高いので）温度が低下するまで待機する。

ステップ１６０では、燃料電池システム１の運転の停止のための所定の処理を行って、一旦本処理を終了する。
具体的には、供給弁１１を閉じて、フィルタ９と供給弁１１との間の改質水（残留水）が発電モジュール１５側に供給されないようにして、その残留水の残圧を抑制する。また、排出弁２９を開いて、フィルタ９と供給弁１１との間の改質水（残留水）を改質水タンク５側に戻し、その残留水がフィルタ９へ逆流してフィルタ９の機能が損失することを防止する。更に、改質水ポンプ７のポンプ指示値を０［ｃｃ／ｍｉｎ］にして、改質水ポンプ７を停止させる。

なお、これとともに、燃料電池システム１の運転を停止する際には、「燃料ポンプ３７の停止による原燃料ガス（従って燃料ガス）の供給停止」、「空気ポンプ３９の停止による空気の供給停止」等の発電停止に伴う処理を、改質水ポンプ７の停止と同様に、燃料電池スタック２３の側面の温度が十分に下がった温度（例えば４００℃）に到達してから行う。

［運転の起動時の処理］
次に、燃料電池システム１の運転の停止中に、燃料電池システム１を起動させる際の処理について説明する。

図４に示すように、ステップ２００では、燃料電池システム１の起動要求があるか否かを判定する。ここで、起動要求ありと判断されるとステップ２１０に進み、一方、起動要求なしと判断されると停止状態を維持する。

なお、例えば起動ボタン３５が操作（オン）された場合には、起動要求ありと判定する。
ステップ２１０では、燃料電池スタック２３の側面の温度を以って気化器１９に投入する改質水が確実に気化する所定の温度（気化可能温度：例えば１４０℃）以上か否かを判定する。ここで、気化可能温度以上と判断されると（改質水の供給開始に十分な温度に達したので）ステップ２２０に進み、一方、気化可能温度未満と判断されると（改質水の供給開始には温度が低いので）温度が上昇するまで待機する。

ここで、燃料電池スタック２３の側面の温度と気化器１９に投入した改質水が気化する温度との関係は、予め実験やシミュレーションにて求められたものによって決まっているので、燃料電池スタック２３の側面の温度から気化可能温度を判定できる。

なお、燃料電池スタック２３の温度が低い場合には、例えば起動バーナーによって加熱する。
ステップ２２０では、燃料電池システム１の運転の開始のための所定の処理を行って、起動動作を継続して、ステップ２３０に進む。

具体的には、供給弁１１を開いて、改質水をフィルタ９側から発電モジュール１５側に供給できるようにする。また、排出弁２９を閉じて、フィルタ９と供給弁１１との間から改質水が排出されないようにする。更に、改質水ポンプ７のポンプ指示値を所定の起動時の流量に設定し、改質水ポンプ７を作動させる。

ステップ２３０では、燃料電池スタック２３の温度が発電可能な温度以上か否かを判定する。ここで、燃料電池スタック２３の温度が発電可能温度以上と判定された場合には、一旦起動動作の処理を終了する。一方、発電可能な温度未満と判定されると起動動作を継続する。

なお、これとともに、燃料電池システム１の運転を開始する際には、「燃料電池スタック２３から負荷に到る回路の接続」、「燃料ポンプ３７の作動」、「空気ポンプ３９の作動」等の発電開始に伴う処理を行う。

なお、燃料電池スタック２３の温度が低い場合には、起動要求に伴って、混合気ポンプ４１を作動させて燃料混合気を起動バーナーに供給して、起動バーナーによって燃料電池スタック２３を加熱する処理を行う。

［燃料電池システム１の全体の動作］
上述したように、本実施例１では、図５に示すように、時刻ｔ１にて、重異常が発生したと判断された場合、又は、通常の停止動作によって燃料電池スタック２３の温度が４００℃以下に低下した場合には、改質水ポンプ７の動作を停止させ（改質水の供給量が０になるように、改質水ポンプ７への指示値を０に向かって低下させ）、供給弁１１を開から閉に切り替え、排出弁２９を閉から開に切り替える。

これによって、流量センサ１３によって検出される改質水の流量が０になる。
その後、時刻ｔ２にて、再起動が指示された場合には、改質水ポンプ７の動作を再開し（指示値を０から速やかに上昇させる）、供給弁１１を閉から開に切り替え、排出弁２９を開から閉に切り替える。

これによって、流量センサ１３によって検出される改質水の流量が０から所定値に速やかに増加する。
ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。

本実施例では、フィルタ９と気化器１９（従って改質器２１）との間に供給弁１１を備えているので、燃料電池システム１における発電の動作を停止した場合は、供給弁１１によって改質水の主流路３を閉鎖することによって、フィルタ９と気化器１９との間に残留した改質水が、燃料電池スタック２３（詳しくは燃料電池セル）内に流入することを防止できる。

また、燃料電池システム１の停止動作の際に、分岐流路２７の排出弁２９を開くことによって、フィルタ９と気化器１９との間に残留した改質水の圧力（残圧）を抜くことができるので、再起動時（運転を再開した場合）には残圧が低下した状態で供給弁１１を開くことができる。これによって、再起動時に（過剰な残圧によって）改質水が燃料電池セル内に流入することを防止できる。

このように、本実施例では、改質水が燃料電池セル内に流入することを防止できるので、燃料極が酸化することや、燃料電池セルのセル割れ等の破損を防止できる。
特に燃料電池が固体酸化物形燃料電池のような高温で作動する場合には、燃料極が酸化し易く、燃料電池セルが破損し易いが、本実施例では、その酸化や破損を効果的に防止できる。

なお、上述したように、供給弁１１によって改質水の主流路３を閉鎖することによって、改質器２１に充填される触媒の破損も防止できる。
また、本実施例では、分岐流路２７によって、フィルタ９と供給弁１１との間の主流路３から改質水タンク５に改質水を戻すことができるので、改質水量の減少を抑制することができる。

更に、本実施例では、フィルタ９の下流側にて改質水を排出する構成であるので、再起動時には、フィルタ９を通過した浄化後の改質水を気化器１９側（従って改質器２１側）に供給することができる。

しかも、本実施例では、フィルタ９として、イオン交換樹脂フィルタを使用しており、このイオン交換樹脂フィルタは常時改質水に浸けられているので、フィルタ９内は常時改質水で満たされているが、上述した制御によって、運転が停止した場合でもあっても、フィルタ９と供給弁１１との間に溜まった改質水が逆流してフィルタ９の性能が低下することを防止できる。

また、本実施例では、温度センサ２５によって、燃料電池スタック２３の側面の温度を測定できる。従って、燃料電池スタック２３の温度が、燃料極が酸化し難く燃料電池セルの破損が生じ難い十分に低い温度（例えば４００℃以下）に低下した場合に、燃料ガスの供給停止等の燃料電池システム１の運転を停止を行うことにより、燃料極の酸化や燃料電池セルの破損を抑制することができる。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に限らず、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの燃料電池に適用できる。

（２）また、前記実施例では、供給弁と排出弁とが別体であるが、供給弁と排出弁との機能を備えた三方向弁を使用してもよい。
具体的には、三方向弁は、フィルタと改質器との間の流路（主流路）と、主流路から改質水タンクに到る分岐流路とを切り替えるように、即ち、主流路を開く場合には分岐流路が閉じ、逆に、主流路を閉じる場合には分岐流路が開くように、流路の切り換えが可能なように構成されている。

従って、燃料電池システムの運転時には、主流路を開くとともに分岐流路を閉じ、運転の停止時には、主流路を閉じるともに分岐流路を開くことができる。これによって、弁の開閉動作の制御が容易になるという利点がある。

１…燃料電池システム
３…主流路
５…改質水タンク
７…改質水ポンプ
９…フィルタ
１１…供給弁
１３…流量センサ
１５…発電モジュール
１９…気化器
２１…改質器
２３…燃料電池スタック
２５…温度センサ
２７…分岐流路
２９…排出弁
３１…コントローラ
３３…停止ボタン
３５…起動ボタン

Claims (8)

1. 原燃料を燃料ガスに改質するために用いる改質水を気化する気化器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池セルを積層した燃料電池スタックと、を有する発電モジュールを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記改質水を前記気化器に供給する流路には、
   上流側より、
   前記改質水を溜めるタンクと、
   前記タンクから前記改質水を汲み上げて下流側となる前記気化器側に前記改質水を供給するポンプと、
   前記改質水に浸された状態で保持されるとともに、前記改質水を浄化するフィルタと、
   前記フィルタと前記気化器との間に配置され前記流路を開閉する供給弁と、
   を備えるとともに、
   前記フィルタと前記供給弁との間の前記流路から分岐して前記タンクに接続された分岐流路と、
   前記分岐流路に配置されて、該分岐流路を開閉する排出弁と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記フィルタは、イオン交換樹脂フィルタであ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。
3. 前記供給弁と排出弁とは、前記改質水の流路を、前記フィルタと前記供給弁との間の前記流路と前記分岐流路とに切り替え可能な三方向弁として一体に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックの温度を測定する温度センサを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記気化器の下流側に、前記原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置において、
   前記燃料電池システムの運転を停止する条件が満たされた場合に、
   前記供給弁の開閉を制御する供給弁制御手段と、
   前記排出弁の開閉を制御する排出弁制御手段と、
   前記ポンプの動作を制御するポンプ制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
7. 前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池システムの運転を停止する条件が満たされた場合には、前記供給弁によって前記フィルタと前記供給弁との間の前記流路を閉じる制御と、前記排出弁によって前記分岐流路を開く制御と、前記ポンプを停止する制御とを行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
8. 前記燃料電池システムの運転を停止する条件として、前記燃料電池スタックの温度が、所定の温度以下になった条件を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。

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