JP2016066534A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサを用いることで、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水供給の有無を安価でかつ高精度に判定できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、改質水供給管（１１ｂ）の改質水ポンプ（１１ｂ１）と蒸発部（３２）との間に配置された温度センサ（２７）と、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水ポンプ（１１ｂ１）の駆動によって改質水供給管（１１ｂ）に供給される改質水による温度センサ（２７）の検出温度の変化に基づいて、温度センサ（２７）が配置された改質水供給管（１１ｂ）の所定水位まで改質水が供給されたと判定する制御装置（１５）とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

この種の燃料電池システムにおいては、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて、水蒸気を的確に生成することが必要である。
このために、特許文献１には、改質水を気化して水蒸気を生成する気化器の温度を検出する温度検出手段を設け、温度検出手段の検知温度が所定温度以上になると、改質水の供給量を増加させるとともに、温度検出手段の検知温度の上昇が継続した場合には、水供給異常と判定する燃料電池システムが記載されている。

また、特許文献２には、例えば、燃料電池の発電運転開始前に、静電容量の変化等を検知する水センサを用いて、蒸発部への給水が正常であるか異常であるかを判定する給水異常判定処理を実行する燃料電池システムが記載されている。

特開２０１１−２１６２０８号公報 特開２０１３−１９１３１９号公報

特許文献１に記載のものによれば、燃料電池システムの運転中に、改質水の供給不足が起こった場合に、気化器温度に基づいて改質水供給異常を検出することが可能となる。しかしながら、特許文献１に記載のものでは、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水ポンプが故障している場合や、改質水を気化器に供給する供給流路等に異常があったとしても、それに気づかずに起動してしまい、改質水が目標通りに蒸発部に供給されないことで不具合が発生するおそれがある。

一方、特許文献２に記載のものによれば、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水の供給異常を判定することが可能となる。しかしながら、特許文献２に記載のものでは、給水通路上に、静電容量の変化等を検知する水センサを設け、改質水ポンプを正回転させることにより水タンクの改質水を給水通路に供給し、水センサが水を検知するまでに必要とされる改質水ポンプの出力に関する物理量を求め、この物理量が規定範囲であれば、蒸発部への給水が正常であると判定するものである。このため、静電容量式等の水センサを用いた改質水供給異常判定処理部により、燃料電池システムのコストが上昇するおそれがある。

本発明は、上記した水センサに代えて、温度センサを用いることで、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水供給の有無を安価でかつ高精度に判定できる燃料電池システムを提供することを目的とするものである。

本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、改質用原料と前記水蒸気とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、前記改質水を貯水する水タンクと、前記水タンクに貯水された前記改質水を改質水供給管を通じて前記蒸発部に供給する改質水ポンプとを備えた燃料電池システムであって、前記改質水供給管の前記改質水ポンプと前記蒸発部との間に配置された温度センサと、前記燃料電池システムの起動運転開始前に、前記改質水ポンプの駆動によって前記改質水供給管に供給される前記改質水による前記温度センサの検出温度の変化に基づいて、前記温度センサが配置された前記改質水供給管の所定水位まで前記改質水が供給されたと判定する制御装置とを有する。

本発明の燃料電池システムによれば、安価な温度センサを用いて、改質水が改質水供給管の所定の水位まで供給されたことを判定することができる。これにより、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水を蒸発部の入口近くまで供給されたことを的確に検出することが可能となる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 燃料電池システムの制御装置で実行される燃料電池システム起動運転開始前の制御プログラムの一例を示すフローチャートである。 図２のフローチャートに対応したタイムチャートである。 燃料電池システムの制御装置で実行される燃料電池システム起動運転開始前の制御プログラムの変形例を示すフローチャートである。 図４のフローチャートに対応したタイムチャートである。 燃料電池システムの制御装置で実行される燃料電池システム起動運転後の制御プログラムを示すフローチャートである。

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１に示すように、燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａと、筐体１０ａ内に収容された燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。

燃料電池モジュール１１は、後述する燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１には、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されるようになっている。具体的には、燃料電池モジュール１１には、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａ（燃料供給管）の他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａには、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。

また、燃料電池モジュール１１には、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される改質水供給管１１ｂの他端が接続されている。改質水供給管１１ｂには、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１には、一端が酸化剤ガス供給装置としてのカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

燃料電池モジュール１１は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で形成されている。蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガス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。

蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された改質水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。

改質部３３は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。

セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。

燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され、上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され、上端から導出されるようになっている。

燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて改質部３３を加熱する。

燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火装置３６ａ１，３６ａ２が設けられている。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図１の矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。水タンク１４には、水タンク１４内に貯留された改質水の温度を検出する改質水温度検出センサ２９が設けられている。改質水温度検出センサ２９の検出温度（検出出力）は、制御装置１５に送信される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。

改質水供給管１１ｂには、改質水ポンプ１１ｂ１と蒸発部３２との間に、改質水供給管１１ｂの温度を検出する温度センサ２７が配置されている。温度センサ２７は、例えば、改質水供給管１１ｂの外表面の温度を検出するように設けられている。温度センサ２７の検出温度（検出出力）は、制御装置１５に送信される。温度センサ２７は、燃料電池モジュール１１の熱の影響を受けないように、燃料電池モジュール１１のケーシング３１の外側であって、かつ蒸発部３２にできるだけ接近した蒸発部３２の入口３２ａ付近に配置するのがよい。

温度センサ２７が配置された部位の改質水供給管１１ｂには、改質水供給管１１ｂを加熱するヒータ２８が設けられている。ヒータ２８は、例えば、電熱線を改質水供給管１１ｂの周囲に螺旋状に巻き付けたもので構成できる。しかしながら、ヒータ２８は、電熱ヒータに限らず、セラミックヒータ等、改質水供給管１１ｂを加熱できるものであればどのような種類のヒータであってもよい。

ヒータ２８は、低温環境時において、改質水供給管１１ｂが凍結することを防止する凍結防止ヒータを兼ねてもよい。凍結防止ヒータとするためには、改質水供給管１１ｂを加熱する部分の長さを長くする（分割型でもよい）ことが有効である。なお、ヒータ２８を設けた場合には、改質水供給管１１ｂの温度を検出する温度センサ２７は、ヒータ２８の過加熱や、短絡等による異常昇温を検知し、燃料電池システムを停止させる機能を兼ねてもよい。

本実施の形態においては、改質水ポンプ１１ｂ１は、モータ２５によって正回転および逆回転可能である。すなわち、モータ２５は、制御装置１５により、正方向に回転して水タンク１４内の水を改質水ポンプ１１ｂ１の吐出ポートから蒸発部３２の入口３２ａに向かって供給する正回転モードと、逆方向に回転して改質水供給管１１ｂ内の水を水タンク１４内に戻す逆回転モードとに切り替え可能となっている。

次に、燃料電池システムの動作について簡単に説明する。燃料電池システムが、停止／待機モードである場合には、原料ポンプ１１ａ１およびカソードエアブロワ１１ｃ１は、それぞれ停止されている。

燃料電池システムの図略の起動スイッチがオンされると、燃料電池システムの起動運転が開始され、暖機モード（燃料電池システムが発電しないものの改質部３３および燃料電池３４を発電に必要な温度まで昇温させる）による運転を開始する。

暖機モードによる運転が開始されると、制御装置１５は、補機を作動させる。具体的には、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ１，改質水ポンプ１１ｂ１を作動させ、蒸発部３２に改質用原料および凝縮水（改質水）の供給を開始する。また、カソードエアブロワ１１ｃ１を作動させ、燃料電池３４にカソードエアの供給を開始する。そして、燃焼部３６において、燃料電池３４から導出されたアノードオフガスが着火装置３６ａ１，３６ａ２によって着火される。改質部３３や燃料電池３４などの温度が所定温度以上となれば、暖気モードによる運転が終了し、発電モード運転を開始する。発電モード運転では、制御装置１５は、燃料電池３４の発電する電力が、外部電力負荷１６ｃの消費電力となるように補機を制御して、改質ガスおよびカソードエアを燃料電池３４に供給する。

燃料電池システムの図略の起動スイッチがオフされると、燃料電池システムは、発電モード運転から停止／待機モードに移行される。燃料電池システムが、停止／待機モードに移行されると、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ１およびカソードエアブロワ１１ｃ１を停止させ、改質用原料およびカソードエアの供給を停止させる。

燃料電池システムの起動運転開始前に、制御装置１５は、図２のフローチャートに示す水張り制御プログラムを実行する。以下、水張り制御プログラムの一例を、図２のフローチャートおよび図３のタイムチャートに基づいて説明する。

制御装置１５は、ステップＳ１０２において、温度センサ２７によって検出された改質水供給管１１ｂの温度Ｔ１、すなわち、改質水供給管１１ｂの所定の部位に配置された温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１の読み込みを開始する。次いで、制御装置１５は、ステップＳ１０４において、モータ２５を逆回転制御し、改質水ポンプ１１ｂ１を逆回転駆動する。これにより、改質水供給管１１ｂ内に充満された改質水が水タンク１４に回収される。このステップＳ１０４は、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水供給管１１ｂに改質水が充満されている場合を想定して、改質水供給管１１ｂ内に充満された改質水を一旦水タンク１４に戻すためのものである。

次いで、ステップＳ１０６において、ヒータ２８に通電（ヒータＯＮ）し、改質水供給管１１ｂの温度センサ２７が配置された部位を加熱する（図３のｔｍ１参照）。これにより、図３のタイムチャートに示すように、温度センサ２７によって検出される改質水供給管１１ｂの温度Ｔ１が上昇する。

続いて、制御装置１５は、ステップＳ１０８において、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１が、予め定められた所定温度（Ｔ１−ｂ）より高いか否かを判断する。温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１が、所定温度（Ｔ１−ｂ）より低いと判断された場合、すなわち、ステップＳ１０８の判断結果がＮ（ＮＯ）の場合には、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１１０に移行する。そして、制御装置１５は、ステップＳ１１０において、ヒータ２８への通電を開始してから所定時間（ｔｍ−ｂ）経過したか否かを判断し、所定時間（ｔｍ−ｂ）経過していない場合（ステップＳ１１０の判断結果がＮの場合）には、ステップＳ１０６に戻り、ヒータ２８への通電を継続する。

しかしながら、所定時間（ｔｍ−ｂ）経過しても、改質水供給管１１ｂの温度が所定温度（Ｔ１−ｂ、例えば５０℃）以上に変化しない場合には、制御装置１５は、ヒータ２８の故障等によって改質水供給管１１ｂが加熱されていないと判断し、プログラムをステップＳ１１２に移行して、燃料電池システムが異常であると判定し、燃料電池システムを異常停止する。

上記ステップＳ１０８において、温度センサ２７にて検出された検出温度Ｔ１が所定温度（Ｔ１−ｂ）以上に上昇したと判断されると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１１４に移行する。制御装置１５は、ステップＳ１１４において、モータ２５を正回転制御し、改質水ポンプ１１ｂ１を正回転駆動する（図３のｔｍ２参照）。これにより、水タンク１４に貯留された改質水が、改質水ポンプ１１ｂ１の吐出ポートより蒸発部３２の入口３２ａに向かって所定の流量（Ｌｃｍ^３／ｍ）で改質水供給管１１ｂに供給され、図３のタイムチャートに示すように、改質水供給管１１ｂ内の水位（Ｈ）が上昇する。例えば、モータ２５の回転数は、改質水ポンプ１１ｂ１より、毎分数十ｃｍ^３吐出する程度に設定され、改質水供給管１１ｂの径や管長さにもよるが、改質水が温度センサ２７が配置された部位の水位Ｈ１まで到着するのに数分程度要する。

次いで、制御装置１５は、ステップＳ１１６において、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１の変化量（低下量）ΔＴ１が、予め定められた所定変化量（ΔＴ１−ａ）より大きいか否かが判断される。温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１の変化量ΔＴ１が、所定変化量（ΔＴ１−ａ）より小さいと判断された場合、すなわち、ステップＳ１１６の判断結果がＮ（ＮＯ）の場合には、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１１８に移行する。

ステップＳ１１８において、制御装置１５により、改質水ポンプ１１ｂ１が改質水の供給を開始（ステップＳ１１４）してから、所定時間（ｔｍ−ａ）経過していないと判断された場合（ステップＳ１１８の判断結果がＮの場合）には、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１１４に戻し、改質水ポンプ１１ｂ１の正回転を継続する。

改質水ポンプ１１ｂ１の改質水の供給作用により、図３のタイムチャートに示すように、改質水が改質水供給管１１ｂの温度センサ２７が配置された水位Ｈ１まで供給されると、ヒータ２８によって加熱された改質水供給管１１ｂが、供給された改質水によって冷却されるため、温度センサ２７によって検出される温度Ｔ１が低下し始める（図３のｔｍ３参照）。これによって、温度Ｔ１の変化量ΔＴ１が、予め定められた所定変化量（ΔＴ１−ａ）より大きくなるため、ステップＳ１１６の判断結果がＹ（ＹＥＳ）となり、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１２０に移行する。

そして、制御装置１５は、ステップＳ１２０において、改質水が所定の水位（Ｈ１）まで供給されたと判断する。すなわち、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水が蒸発部３２の入口３２ａ付近まで供給されたと判断する。その結果、その後の燃料電池システムの起動運転の開始によって改質水ポンプ１１ｂ１が駆動された場合に、改質水が蒸発部３２に遅滞なく供給されるようになる。

上記したステップＳ１２０において、改質水が所定水位（Ｈ１）まで供給されたと判断されると、次いで、制御装置１５は、ステップＳ１２２において、ヒータ２８への通電を停止（ヒータＯＦＦ）する（図３のｔｍ４参照）。次いで、制御装置１５は、ステップＳ１２４において、モータ２５の回転を停止し、改質水ポンプ１１ｂ１からの改質水の供給を停止する。その後、制御装置１５は、ステップＳ１２６において、燃料電池システムを起動運転へ移行する。

ところで、改質水ポンプ１１ｂ１等の故障等により、改質水が改質水供給管１１ｂに供給されない場合には、改質水ポンプ１１ｂ１を正回転駆動してから、所定時間（ｔｍ−ａ）経過しても、改質水が改質水供給管１１ｂの温度センサ２７が配置された水位（Ｈ１）まで供給されることがないので、温度Ｔ１の変化量ΔＴ１が、予め定められた所定変化量（ΔＴ１−ａ）より大きくなることはない。従って、このような場合には、ステップＳ１１８の判断結果がＹとなり、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１３０に移行して、異常と判定され、燃料電池システムが異常停止される。

なお、改質水温度検出センサ２９で検出された水タンク１４内の改質水の温度を制御装置１５に取り込んで、改質水供給管１１ｂの温度を検出する温度センサ２７の検出温度と比較することにより、筐体１０ａ内温度が高い等の影響によって、温度センサ２７の検出温度が、改質水温度検出センサ２９の検出温度よりも十分に高い場合には、改質水供給管１１ｂの加熱作用を不要と判断し、ヒータ２８への通電を停止することができる。

上記した実施の形態においては、ヒータ２８によって、改質水供給管１１ｂを加熱することにより、水タンク１４より供給される改質水の温度と、温度センサ２７が配置された改質水供給管１１ｂの所定部位の温度との間に温度差を持たせる例について述べた。しかしながら、改質水供給管１１ｂに供給される改質水の温度と、改質水供給管１１ｂの温度とが元々温度差を有している場合には、ヒータ２８を省略することができる。

元々温度差を有している場合とは、例えば、改質水の温度に対して、燃料電池モジュール１１の影響を受けて改質水供給管１１ｂの温度が高くなっている場合がある。このような場合には、温度センサ２７が配置された改質水供給管１１ｂの所定の部位まで改質水が供給されると、改質水によって改質水供給管１１ｂの温度が変化（低下）することになるので、この温度変化を温度センサ２７によって検出することにより、ヒータ２８を設けなくても改質水供給の有無を判定することが可能となる。以下、ヒータを用いない水張り制御プログラムの一例について、図４のフローチャートおよび図５のタイムチャートに基づいて説明する。

制御装置１５は、図２のフローチャートで述べたと同様に、ステップＳ２０２において、温度センサ２７によって検出された温度（改質水供給管１１ｂの温度）Ｔ１の読み込みを開始する。次いで、制御装置１５は、ステップＳ２０４において、モータ２５を逆回転制御し、改質水ポンプ１１ｂ１を逆回転駆動する。これにより、改質水供給管１１ｂ内に充満された改質水が一旦水タンク１４に戻される。

次いで、制御装置１５は、ステップＳ２０６において、モータ２５を逆回転してから所定時間経過したか否かが判断され、所定時間経過していない場合には、ステップＳ２０４に戻って、改質水ポンプ１１ｂ１の逆回転を継続し、所定時間経過した場合には、ステップＳ２０８に移行する。

ステップＳ２０８において、制御装置１５は、モータ２５を正回転制御し、改質水ポンプ１１ｂ１を正回転駆動する（図５のｔｍｍ参照）。これにより、水タンク１４に貯留された改質水が、改質水ポンプ１１ｂ１の吐出ポートより蒸発部３２の入口３２ａに向かって改質水供給管１１ｂに供給される。

次いで、制御装置１５は、ステップＳ２１０において、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１の変化量（低下量）ΔＴ１が、予め定められた所定変化量（ΔＴ１−ａ）より大きいか否かが判断される。温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１の変化量ΔＴ１が、予め定められた所定変化量（ΔＴ１−ａ）より小さいと判断された場合には、ステップＳ２１２に移行する。

ステップＳ２１２においては、制御装置１５は、改質水ポンプ１１ｂ１が改質水の供給を開始（ステップＳ２０８）してから、所定時間（ｔｍ−ａ）経過したか否かを判断し、所定時間（ｔｍ−ａ）経過していない場合には、ステップＳ２０８に戻り、改質水ポンプ１１ｂ１の正回転を継続する。改質水ポンプ１１ｂ１の改質水の供給作用により、改質水が改質水供給管１１ｂの温度センサ２７が配置された水位（Ｈ１）まで供給されると、供給された改質水によって改質水供給管１１ｂが冷却されるため、温度センサ２７によって検出される温度Ｔ１が低下される。これによって、温度Ｔ１の変化量ΔＴ１が、予め定められた所定変化量（ΔＴ１−ａ）より大きくなると、ステップＳ２１０の判断結果がＹとなり、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２１４に移行する。

なお、所定時間（ｔｍ−ａ）経過しても、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１の変化量ΔＴ１が、所定変化量（ΔＴ１−ａ）より大きくならない場合には、何らかの異常があったものとして、ステップＳ２２０に移行し、燃料電池システムを異常停止する。ここで、何らかの異常とは、例えば、改質水ポンプ１１ｂ１を含む改質水供給系の異常等が想定される。

ステップＳ２１４において、制御装置１５は、改質水が所定の水位（Ｈ１）まで供給されたと判断する。すなわち、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水が蒸発部３２の入口３２ａ付近まで供給されたと判断する。次いで、ステップＳ２１６において、制御装置１５は、モータ２５の正回転を停止し、改質水ポンプ１１ｂ１からの改質水の供給を停止する。その後、ステップＳ２１８において、制御装置１５は、燃料電池システムを起動運転へ移行する。

なお、ヒータ２８を省略できる別のケースとして、燃料電池システムが、例えば寒冷地の屋外に設置される場合、水タンク１４内の改質水の温度に対して、改質水供給管１１ｂの温度が低くなっている場合がある。このような場合には、改質水が温度センサ２７が配置された改質水供給管１１ｂの所定部位まで供給されると、改質水供給管１１ｂによって改質水の温度が変化（低下）するため、この改質水の温度変化を温度センサ２７によって検出することにより、ヒータ２８を設けなくても改質水供給の有無を判定することが可能となる。

図６は、燃料電池システムの起動運転時の改質水供給異常の制御例を示すフローチャートである。同図のステップＳ３０２において、制御装置１５は、温度センサ２７によって検出された温度（改質水供給管１１ｂの温度）Ｔ１の読み込みを開始する。次いで、制御装置１５は、ステップＳ３０４において、ヒータ２８に通電し、改質水供給管１１ｂの温度センサ２７が配置された部位を加熱する。次いで、制御装置１５は、ステップＳ３０６において、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１が、予め定められた所定温度（Ｔ１−ｃ）より低いか否かを判断する。

ここで、燃料電池システムの起動運転時に、改質水ポンプ１１ｂ１によって改質水が改質水供給管１１ｂに正常に供給されている場合には、ヒータ２８で加熱された改質水供給管１１ｂが、温度センサ２７が配置された部位まで供給された改質水によって冷却され、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１は、所定温度（Ｔ１−ｃ）以上には上昇しない。

従って、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１が、所定温度（Ｔ１−ｃ）より低いと判断された場合（ステップＳ３０６の判断結果がＹの場合）には、制御装置１５は、プログラムをステップＳ３０８に移行して、改質水が正常に供給されていると判定するとともに、続くステップＳ３１０において、ヒータ２８への通電を停止する。

これに対し、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１が、所定温度（Ｔ１−ｃ）より高いと判断された場合には、制御装置１５は、プログラムをステップＳ３１２に移行して、ヒータ２８が通電されてから所定時間経過したか否かが判断される。そして、所定時間が経過していない間は、ヒータ２８の通電が継続されるが、所定時間が経過しても、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１が、所定温度（Ｔ１−ｃ）より低くならない場合には、制御装置１５は、プログラムをステップＳ３１２に移行して、異常と判定され、故障部品の交換等を促す。

すなわち、改質水ポンプ１１ｂ１等の故障によって、温度センサ２７が配置された部位に改質水が正常に供給されていないために、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１が、所定温度（Ｔ１−ｃ）より低くならないと判断し、ステップＳ３１２で異常と判定する。

なお、上記ステップＳ３０６においては、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１が、所定温度（Ｔ１−ｃ）より低いか否かを絶対値で判定するようにしたが、温度センサ２７によって検出された温度Ｔ１の変化量（上昇量）ΔＴ１によって判断するようにしてもよい。

上記した実施の形態によれば、燃料電池システムは、水素を含む燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部３２と、改質用原料と水蒸気とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、改質水を貯水する水タンク１４と、水タンク１４に貯水された改質水を改質水供給管１１ｂを通じて蒸発部３２に供給する改質水ポンプ１１ｂ１とを備えるとともに、改質水供給管１１ｂの改質水ポンプ１１ｂ１と蒸発部３２との間に配置された温度センサ２７と、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水ポンプ１１ｂ１の駆動によって改質水供給管１１ｂに供給される改質水による温度センサ２７の検出温度の変化に基づいて、温度センサ２７が配置された改質水供給管の所定水位まで改質水が供給されたと判定する制御装置１５とを有する。

これにより、安価な温度センサ２７を用いて、改質水が改質水供給管１１ｂの所定の水位まで供給されたことを判定することができ、燃料電池システムの起動運転開始前に、改質水を蒸発部３２の入口３２ａ近くまで供給されたことを的確に検出することが可能となる。

上記した実施の形態によれば、改質水供給管１１ｂの温度センサ２７を配置した部位に、改質水供給管１１ｂを加熱するヒータ２８を設けたので、ヒータ２８によって、予め改質水供給管１１ｂを加熱させることにより、水タンク１４より供給される改質水の温度と、蒸発部３２に近い位置の改質水供給管１１ｂの温度との間に温度差を確実に持たせることができる。

上記した実施の形態によれば、温度センサ２７を、燃料電池モジュール１１の外部で、かつ蒸発部３２の入口３２ａに近い位置に配置したので、燃料電池モジュール１１の熱の影響を受けにくくすることができるとともに、燃料電池システムの起動運転による改質水ポンプ１１ｂ１の駆動によって、改質水を蒸発部３２に遅滞なく供給することができる。

上記した実施の形態によれば、制御装置１５は、改質水ポンプ１１ｂ１によって改質水供給管１１ｂへの改質水の供給が開始されてから所定時間経過しても、改質水が所定水位まで供給されたと判定されない場合に、改質水供給異常と判定するので、改質水の供給系の異常を的確に検出することができる。

上記した実施の形態によれば、ヒータ２８は、改質水供給管１１ｂの凍結防止機能を兼ねるので、燃料電池システムを寒冷地に設置する場合であっても、改質水供給管１１ｂの凍結防止用のヒータ２８を別個に設ける必要がない。

上記した実施の形態によれば、水タンク１４に貯留された改質水の温度を検出する改質水温度検出センサ２９をさらに設けたので、改質水供給管１１ｂに配置された温度センサ２７の検出温度と、改質水温度検出センサ２９の検出温度との比較によって、改質水供給管１１ｂの加熱が不要時には、ヒータ２８への通電を停止することができる。

上記した実施の形態においては、水張り制御プログラムを実行するに当たり、改質水供給管１１ｂに改質水が充満している場合を想定して、ステップＳ１０４、Ｓ２０４にて、改質水ポンプ１１ｂ１を逆回転させ、改質水供給管１１ｂ内の改質水を、一旦水タンク１４に戻す水抜き動作を実施する例について述べた。しかしながら、水抜き動作は、燃料電池システムの停止後に実施し、水張り制御プログラムの実行時には、水抜き動作を省略することもできる。また、燃料電池システムの停止後に、改質水供給管１１ｂ内の改質水が水タンク１４内に自然落下するものにおいては、水抜き動作自体を省略することができる。

斯様に、上記した実施の形態で述べた具体的構成は、本発明の一例を示したものにすぎず、本発明はそのような具体的構成に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の態様を採り得るものである。

１１…燃料電池モジュール、１１ａ…改質用原料供給管、１１ｂ…改質水供給管、１１ｂ１…改質水ポンプ、１１ｃ…カソードエア供給管、１４…水タンク、１５…制御装置、２７…温度センサ、２８…ヒータ、２９…改質水温度検出センサ、３２…蒸発部、３２ａ…入口、３３…改質部、３４…燃料電池。

Claims (6)

1. 水素を含む燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、
   改質用原料と前記水蒸気とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
   前記改質水を貯水する水タンクと、
   前記水タンクに貯水された前記改質水を改質水供給管を通じて前記蒸発部に供給する改質水ポンプと、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記改質水供給管の前記改質水ポンプと前記蒸発部との間に配置された温度センサと、
   前記燃料電池システムの起動運転開始前に、前記改質水ポンプの駆動によって前記改質水供給管に供給される前記改質水による前記温度センサの検出温度の変化に基づいて、前記温度センサが配置された前記改質水供給管の所定水位まで前記改質水が供給されたと判定する制御装置と、
   を有する燃料電池システム。
2. 前記改質水供給管の前記温度センサを配置した部位に、前記改質水供給管を加熱するヒータを設けた請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記温度センサを、燃料電池モジュールの外部で、かつ前記蒸発部の入口に近い位置に配置した請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記改質水ポンプによって前記改質水供給管への前記改質水の供給が開始されてから所定時間経過しても、前記改質水が前記所定水位まで供給されたと判定されない場合に、改質水供給異常と判定する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記ヒータは、改質水供給管の凍結防止機能を兼ねる請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記水タンクに貯留された前記改質水の温度を検出する改質水温度検出センサをさらに設けた請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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