JP2018078009A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの低コスト化を図ること。【解決手段】燃料電池システム１は、改質水を蒸発部３２に供給する改質水供給管１１ｂに配置された一対の電極４３間の静電容量に応じた信号であって、一対の電極４３間の改質水の有無および一対の電極４３間の改質水の導電率に応じた信号を出力する改質水センサ４０を備えている。改質水センサ４０は、一対の電極４３間に改質水が有り、かつ、改質水の導電率が所定導電率以下の状態である第一状態の場合に、第一信号を出力し、一対の電極４３間に改質水が有りかつ改質水の導電率が所定導電率より高い状態、および、一対の電極４３間に改質水が無い状態の何れか一方の状態である第二状態の場合に、第一信号と異なる第二信号を出力する所定の出力特性を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１および特許文献２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（燃料電池装置）は、燃料電池セル、燃料電池セルに燃料ガスを供給する改質器４、燃料電池セルから排出される排ガスと水とを熱交換する熱交換器６、熱交換器６にて生じる凝縮水を改質器４に供給する凝縮水供給管１４、凝縮水供給管１４に配置され凝縮水の導電率を測定する導電率センサ１６を備えている。燃料電池システムの制御装置９は、導電率センサ１６によって測定された導電率が所定の値より高い場合、凝縮水を排出する。

例えば埃や、熱交換器６の故障によって排ガスなどが凝縮水に混入した場合、凝縮水の導電率が比較的高くなる。このような凝縮水を改質器４に供給した場合、改質触媒が劣化して改質器４の故障を招く。これに対して、特許文献１の燃料電池システムは、凝縮水の導電率が所定の値より高い場合、凝縮水の異常が有ると判定して、凝縮水を排出している。

また、特許文献２の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４、改質水から水蒸気を生成する蒸発部３２、蒸発部３２からの水蒸気と改質用原料とを用いて燃料を生成する改質部３３、改質水を貯留する水タンク１４、改質水を水タンク１４から改質水供給管１１ｂを通じて蒸発部３２に供給する改質水ポンプ１１ｂ１および改質水供給管１１ｂに配置された温度センサ２７を備えている。

燃料電池システムの制御装置１５は、温度センサ２７によって検出された温度に基づいて、温度センサ２７が配置された改質水供給管１１ｂの所定位置に、改質水が供給されたか否かを判定する。制御装置１５は、改質水が所定位置に供給されていないと判定した場合、改質水ポンプ１１ｂ１等に異常があると判定する。

特開２０１１−２９１１６号公報 特開２０１６−６６５３４号公報

燃料電池システムには、改質水（凝縮水）の異常、または、改質水ポンプの故障等によって改質水が供給されない異常である改質水供給異常を判定するために、改質水の導電率を検出するセンサおよび改質水供給管内の改質水の有無を検出するセンサの両方を備える場合がある。一方、燃料電池システムの低コスト化の要請がある。

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、燃料電池システムの低コスト化を図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に係る燃料電池システムは、改質ガス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、改質用原料と水蒸気とから改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池に供給する改質部と、改質水を蒸発部に供給する改質水供給管と、改質水供給管に配置された一対の電極間の静電容量に応じた信号であって、一対の電極間の改質水の有無および一対の電極間の改質水の導電率に応じた信号を出力する改質水センサと、燃料電池を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、改質水センサは、一対の電極間に改質水が有り、かつ、改質水の導電率が所定導電率以下の状態である第一状態の場合に第一信号を出力し、一対の電極間に改質水が有りかつ改質水の導電率が所定導電率より高い状態、および、一対の電極間に改質水が無い状態の何れか一方の状態である第二状態の場合に、第一信号と異なる第二信号を出力する所定の出力特性を有する。

これによれば、改質水センサは、一対の電極間に改質水が有り、かつ、改質水の導電率が所定導電率以下の第一状態の場合に、第一信号を出力する。また、改質水センサは、一対の電極間に改質水が有りかつ改質水の導電率が所定導電率より高い状態、および、一対の電極間に改質水が無い状態の何れか一方の第二状態の場合に、第二信号を出力する。よって、一つの改質水センサの出力結果から、改質水供給管内の改質水が第一状態であるか第二状態であるかを判定することができる。このため、燃料電池システムは、改質水の導電率を検出するセンサおよび改質水の有無を検出するセンサを別々に備えることによって、改質水供給管内の改質水が第一状態であるか第二状態であるかを判定する場合に比べて、部品点数を低減することができる。よって、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す概要図である。 図１に示す改質水センサの軸方向断面図である。 図２に示す基板に設けられたセンサ回路のブロック図である。 図３に示す整流回路部の出力特性を示す図である。 図３に示す駆動回路部の出力特性を示す図である。 図１に示す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。

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説明する。図１に示すように、燃料電池システム１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、燃料電池モジュール１１（３０）、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、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は、筐体１０ａに収容されている。

燃料電池モジュール３０は、燃料電池ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。燃料電池ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４は、燃料電池ケーシング３１に収容されている。

燃料電池モジュール３０は、蒸発部３２に、第一端が供給源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の第二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。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。原料ポンプ１１ａ１は、改質用原料を送るポンプである。

また、蒸発部３２には、第一端（下端）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の第二端が接続されている。改質水供給管１１ｂは、改質水を蒸発部３２に供給するものである。改質水供給管１１ｂは、水タンク１４から蒸発部３２に向けて順に、改質水ポンプ１７および改質水センサ１８（４０）が配置されている。改質水ポンプ１７は、改質水供給管１１ｂに配置され、改質水を送るものである。改質水センサ１８の詳細は後述する。

また、改質水供給管１１ｂは、三つの部位に分割されて設けられている。第一部位１１ｂ１は、水タンク１４と改質水ポンプ１７とを接続する部位である。第一部位１１ｂ１は、熱可塑性樹脂（例えばポリ塩化ビニル）を用いて管状に形成されている。第二部位１１ｂ２は、改質水ポンプ１７と改質水センサ１８とを接続する部位である。第三部位１１ｂ３は、改質水センサ１８と蒸発部３２とを接続する部位である。改質水供給管１１ｂの第二部位１１ｂ２および第三部位１１ｂ３は、後述する導電部材１９ａ，１９ｂを用いて設けられている。

また、燃料電池モジュール３０は、第一端（下端）がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されて燃料電池ケーシング３１内に酸化剤ガスであるカソードエア（空気）が供給されるカソードエア供給管１１ｃの第二端が接続されている。カソードエアブロワ１１ｃ１は、カソードエアを送るポンプである。

蒸発部３２は、改質水から水蒸気を生成するものである。蒸発部３２は、具体的には、後述する燃焼ガスにより加熱されて、水タンク１４から供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。また、蒸発部３２は、供給源Ｇｓから供給された改質用原料を予熱する。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とを混合して改質部３３に供給する。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。

改質部３３は、改質用原料と水蒸気とから改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池３４に供給するものである。改質部３３は、具体的には、後述する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する。

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改質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。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

燃料電池３４は、改質ガスと酸化剤ガスにより発電するものである。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３４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、燃料として改質ガス（水素、一酸化炭素、メタンガスなど）が供給される。セル３４ａの燃料極側には、燃料（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、その下端がマニホールド３５の燃料導出口（図示なし）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。

また、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間には、燃焼部３６が設けられている。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）とが燃焼されて燃焼ガス（火炎３７）が発生している。その燃焼ガスが蒸発部３２および改質部３３を加熱する。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ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。

また、燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて、比較的高温の燃焼排ガスが発生している。燃焼排ガスは、熱交換器１２に導出される。燃焼部３６は、燃料電池モジュール３０内の温度を燃料電池３４の動作温度にする。

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。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（図にて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には、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には、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を通り外部に排出される。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は、凝縮水を改質水として貯水する。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂（図示なし）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、かつ、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、燃料電池３４を少なくとも制御するものである。制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１の運転を制御する。制御装置１５は、演算処理を実行するＣＰＵ部（図示なし）、および、プログラムなどを保存するＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部（図示なし）を備えている。

次に、改質水センサ４０の詳細について説明する。改質水センサ４０は、図２に示すように、センサケーシング４１、通路部材４２、一対の電極４３および基板４４を備えている。センサケーシング４１は、熱可塑性樹脂（例えばポリプロピレン樹脂）を用いて、中空の箱状に形成されている。

通路部材４２は、筒状に設けられ、内側に改質水を流通させる流通路４２ａを有するものである。通路部材４２は、熱可塑性樹脂を用いて設けられている。この熱可塑性樹脂は、例えば、比較的高い撥水性を有するフッ素樹脂である。

通路部材４２は、センサケーシング４１を貫通して、両端部がセンサケーシング４１の外側に位置するように配置されている。通路部材４２の両端部には、第一取付部４２ｂおよび第二取付部４２ｃがそれぞれ設けられている。第一取付部４２ｂには、改質水供給管１１ｂの第二部位１１ｂ２が取り付けられる。第二取付部４２ｃには、改質水供給管１１ｂの第三部位１１ｂ３が取り付けられる。

改質水供給管１１ｂの第二部位１１ｂ２を通って第一取付部４２ｂから導入された改質水は、流通路４２ａを通って第二取付部４２ｃから導出される。第二取付部４２ｃから導出された改質水は、改質水供給管１１ｂの第三部位１１ｂ３を通って蒸発部３２に導出される。このように、通路部材４２は、改質水供給管１１ｂの一部を構成する。

一対の電極４３は、改質水供給管１１ｂに配置されている。一対の電極４３は、具体的には、センサケーシング４１の内側にて通路部材４２に配置されている。一対の電極４３は、それぞれコイル状に形成され、通路部材４２の外周面に密着して巻き付けられるように配置されている。

基板４４は、センサケーシング４１の内側に配置されている。基板４４は、セラミック等の絶縁材料にて板状に形成され、一方面に改質水センサ４０の回路であるセンサ回路４５が設けられている。センサ回路４５は、図３に示すように、発振回路部４５ａ、整流回路部４５ｂおよび駆動回路部４５ｃを備えている。

発振回路部４５ａは、一対の電極４３を含んで構成された発振回路である。発振回路部４５ａは、一対の電極４３を、発振回路におけるコンデンサとして用いている。発振回路部４５ａは、例えば、直列共振回路である。

発振回路部４５ａは、一対の電極４３間の静電容量の変化によって発振する。一対の電極４３間の静電容量は、一対の電極４３間の改質水の有無および改質水の導電率に応じて変化する。発振回路部４５ａは、具体的には、一対の電極４３間に改質水が無い場合、発振をしない。発振回路部４５ａは、一対の電極４３間に改質水がある場合、発振状態となる。

また、この場合、改質水の導電率の変化に応じて一対の電極４３間の静電容量が変化することにより、共振周波数が変化するため、発振回路部４５ａの発振状態が変化する。発振回路部４５ａは、発振回路を構成する所定の素子（例えば抵抗器）の両端の電圧（交流電圧）を整流回路部４５ｂに出力する。

整流回路部４５ｂは、発振回路部４５ａから出力された交流電圧を直流電圧に整流する整流回路である。整流回路部４５ｂは、整流した直流電圧を整流電圧として駆動回路部４５ｃに出力する。ここで、整流回路部４５ｂから出力される整流電圧について、図４を用いて説明する。一対の電極４３間に改質水が無い場合、発振回路部４５ａが発振しないため、整流電圧は、図４に太破線にて示すように、比較的低い電圧値一定にて推移する。

一対の電極４３間に改質水が有る場合、発振回路部４５ａが発振するため、一対の電極４３間に改質水が無い場合に比べて発振回路部４５ａから出力される交流電圧が大きくなる。このため、一対の電極４３間に改質水が有る場合、一対の電極４３間に改質水が無い場合に比べて、整流電圧が大きくなる。

また、一対の電極４３間に改質水が有る場合、改質水の導電率に応じて一対の電極４３間の静電容量が変化することにより発振状態が変化するため、発振回路部４５ａから出力される交流電圧が変化する。これらにより、一対の電極４３間に改質水が有る場合、整流電圧は、図４に実線にて示すように、上方を凸とする曲線となる特性を有する。

また、一対の電極４３間に改質水がある場合であって、改質水の導電率が所定導電率以下である場合、整流電圧の値が所定電圧値以上となるように、発振回路部４５ａ、整流回路部４５ｂおよび後述する導電部材１９ａ，１９ｂが設けられている。所定電圧値は、改質水の導電率が所定導電率である場合における整流電圧の値である。なお、所定電圧値は、改質水が無い場合における整流電圧の値より大きい。

所定導電率は、改質水の異常の有無を判定するための、改質水の導電率のしきい値である。改質水の異常がある場合、改質水によって改質触媒が劣化して改質部３３の故障を招く。改質水の異常は、改質水への埃、水道水および燃焼排ガスの混入や、イオン交換樹脂の寿命によって発生する。改質水への水道水の混入は、例えば、水タンク１４へ水道水を供給するバルブ（図示なし）の故障によって発生する。改質水への燃焼排ガスの混入は、例えば熱交換器１２の故障によって発生する。

改質水の異常が発生した場合、改質水の異常が無い場合に比べて、改質水の導電率が高くなる。改質水の導電率が所定導電率以上である場合に改質水の異常となるように所定導電率が設定されている。すなわち、改質水の導電率が所定導電率より大きい場合、改質水の異常が有ると判定される。改質水の導電率が所定導電率以下である場合、改質水の異常が無いと判定される。所定導電率は、実験等により実測されて導出されている。

図３に戻ってセンサ回路４５の説明を続ける。
駆動回路部４５ｃは、整流回路部４５ｂから出力された整流電圧に基づいて、第一信号および第二信号の一方を出力するものである。駆動回路部４５ｃは、例えばリレー（継電器）を用いて構成された駆動回路である。

駆動回路部４５ｃは、図５に示すように、整流回路部４５ｂから出力された整流電圧の値が所定電圧値以上である場合、第一信号を出力する。第一信号は、第一電圧値（例えば５Ｖ）に設定された直流電圧である。また、駆動回路部４５ｃは、整流回路部４５ｂから出力された整流電圧の値が所定電圧値より小さい場合、第一信号と異なる第二信号を出力する。第二信号は、第二電圧値（例えば０Ｖ）に設定された直流電圧である。

駆動回路部４５ｃから第一信号が出力された場合、整流電圧が所定電圧値以上である。この場合、改質水供給管１１ｂ内の改質水の状態は、図４に示すように、一対の電極４３間に改質水が有り、かつ、改質水の導電率が所定導電率以下の状態である第一状態となっている。

一方、駆動回路部４５ｃから第二信号が出力された場合、整流電圧が所定電圧値より小さい。この場合、改質水供給管１１ｂ内の改質水の状態は、一対の電極４３間に改質水が有りかつ改質水の導電率が所定導電率より高い状態、または、一対の電極４３間に改質水が無い状態の何れか一方の状態である第二状態となっている。

すなわち、駆動回路部４５ｃから第二信号が出力された場合、改質水センサ４０が配置された位置まで改質水が供給されていない異常である改質水供給異常が発生しているか、改質水の異常である改質水異常が発生していると推定される。改質水供給異常は、例えば、改質水ポンプ１７の異常によって発生する。改質水供給異常が発生した場合、改質部３３に水蒸気が供給されないため、改質ガスが生成されない。よって、この場合、燃料電池３４にて発電を行うことができない。駆動回路部４５ｃは、第一信号および第二信号を、センサ出力信号として制御装置１５に出力する。

このように、改質水センサ４０は、改質水供給管１１ｂに配置された一対の電極４３間の静電容量に応じた信号（センサ出力信号）であって、一対の電極４３間の改質水の有無および一対の電極４３間の改質水の導電率に応じた信号を出力する。また、改質水センサ４０は、一対の電極４３間に改質水が有り、かつ、改質水の導電率が所定導電率以下の状態である第一状態の場合に第一信号を出力し、一対の電極４３間に改質水が有りかつ改質水の導電率が所定導電率より高い状態、および、一対の電極４３間に改質水が無い状態の何れか一方の状態である第二状態の場合に、第一信号と異なる第二信号を出力する所定の出力特性を有する。

また、燃料電池システム１は、図１に示すように、複数（本実施形態においては二つ）の導電部材１９ａ，１９ｂをさらに備えている。各導電部材１９ａ，１９ｂは、所定の大きさに設けられるとともに、改質水センサ４０の一対の電極４３から所定距離Ｄ離れて配置され、導電性を有するものである。各導電部材１９ａ，１９ｂは、接地されている。

各導電部材１９ａ，１９ｂは、本実施形態において、改質水供給管１１ｂの第二部位１１ｂ２および第三部位１１ｂ３をそれぞれ構成するように、改質水を内側に流通させる管状に設けられている。各導電部材１９ａ，１９ｂは、例えばステンレス鋼材によって設けられている。

所定の大きさおよび所定距離Ｄは、改質水センサ４０から出力される信号（センサ出力信号）の出力特性を、上述した所定の出力特性とするように設定されている。所定距離Ｄは、具体的には、一対の電極４３と改質水供給管１１ｂの第二部位１１ｂ２との距離、および、一対の電極４３と改質水供給管１１ｂの第三部位１１ｂ３との距離である（図２参照）。所定の大きさおよび所定距離Ｄは、実験等により実測されて導出されている。

なお、燃料電池システム１が各導電部材１９ａ，１９ｂを有さない場合において、一対の電極４３間に改質水があるときの整流電圧は、図４に一点鎖線にて示すように変化する。この場合、改質水供給管１１ｂの第二部位１１ｂ２および第三部位１１ｂ３は、熱可塑性樹脂（例えばポリ塩化ビニル）を用いて形成される。これに対して、改質水供給管１１ｂの第二部位１１ｂ２および第三部位１１ｂ３が各導電部材１９ａ，１９ｂを用いて設けられた場合、一対の電極４３間の静電容量が各導電部材１９ａ，１９ｂの影響を受けて変化するため、整流電圧は、上述したように、図４に実線にて示すように変化する。

次に、制御装置１５によって実行される異常有無判定制御について、図６に示すフローチャートに沿って説明する。異常有無判定制御は、上述した改質水供給異常または改質水異常が発生したか否かを判定する制御である。異常有無判定制御は、燃料電池システム１の起動運転中、発電運転中および停止運転中において、改質水が水タンク１４から蒸発部３２に供給される場合に実行される。

制御装置１５は、ステップＳ１０２において、センサ出力信号を取得する。続けて、制御装置１５は、ステップＳ１０４にてセンサ出力信号が第一信号か否かを判定する。燃料電池システム１が運転している場合において、一対の電極４３間に改質水が有り、かつ、改質水の導電率が所定導電率以下であるとき、改質水供給管１１ｂ内の改質水の状態が第一状態である。このとき、改質水センサ４０から第一信号が出力される。

この場合、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０２に戻す。すなわち、改質水供給管１１ｂ内の改質水の状態が第一状態である場合、制御装置１５は、ステップＳ１０２，Ｓ１０４を繰り返し実行する。

一方、例えば改質水ポンプ１７が故障したことにより、改質水供給管１１ｂに改質水が送られない場合、改質水供給管１１ｂ内の改質水の状態が、一対の電極４３間に改質水が無い第二状態となる。この場合、改質水センサ４０から第二信号が出力される。よって、この場合、制御装置１５は、ステップＳ１０４にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１０６に進める。

制御装置１５は、ステップＳ１０６にて駆動量増加制御を行う（駆動量増加制御部）。駆動量増加制御は、改質水センサ４０から第二信号が出力された場合、改質水ポンプ１７の駆動量を増加させる制御である。駆動量増加制御は、改質水ポンプ１７の駆動量を所定量増加させる。所定量は、その時点における改質水ポンプ１７の駆動量の例えば５０％である。制御装置１５は、駆動量増加制御を所定時間（例えば１０秒間）行う。

続けて、制御装置１５は、ステップＳ１０８にて、センサ出力信号を取得する。さらに、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて、センサ出力信号が第一信号であるか否かを判定する。例えば改質水ポンプ１７が故障したことにより、改質水供給管１１ｂに改質水が送られない場合、駆動量増加制御が行われても、改質水供給管１１ｂ内の改質水の状態が一対の電極４３間に改質水が無い第二状態のままである。

この場合、センサ出力信号が第二信号となるため、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて「ＮＯ」と判定し、ステップＳ１１２にて改質水供給異常または改質水異常が発生したと判定する。そして、制御装置１５は、ステップＳ１１４にて燃料電池システム１の運転を停止する。

一方、改質水供給異常および改質水異常が発生していない場合においても、例えば、一対の電極４３間に気泡が滞留したとき、一対の電極４３間の静電容量が低下する。これにより、上述したステップＳ１０２において、制御装置１５によって取得されたセンサ出力信号が第二信号である場合、制御装置１５は、上述したステップＳ１０４にて「ＮＯ」と判定する。

この場合、ステップＳ１０６の駆動量増加制御によって、一対の電極４３間に滞留していた気泡が蒸発部３２側に排出されたとき、一対の電極４３間に改質水が有る状態となる。このときにおいて、改質水の異常がない場合、改質水センサ４０から第一信号が出力されるため、改質水供給管１１ｂ内の改質水の状態が第一状態となる。よって、この場合、制御装置１５は、ステップＳ１１０にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０２に戻す。

なお、例えば熱交換器１２の故障によって改質水異常が発生したために、上述したステップＳ１０２において、制御装置１５によって取得されたセンサ出力信号が第二信号である場合、制御装置１５は、上述したステップＳ１０４にて「ＮＯ」と判定する。また、この場合、駆動量増加制御（ステップＳ１０６）を行った後においてもセンサ出力信号が第二信号のままであるため、制御装置１５は、ステップＳ１１０においても「ＮＯ」と判定する。

よって、制御装置１５は、ステップＳ１１２にて、改質水供給異常または改質水異常が発生したと判定し、ステップＳ１１４にて燃料電池システム１の運転を停止する。すなわち、制御装置１５は、駆動量増加制御が行われた後、センサ出力信号が第二信号である場合、燃料電池システム１の運転を停止する運転停止制御を行う。

本実施形態によれば、燃料電池システム１は、改質ガス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改質ガスを生成し、改質ガスを燃料電池３４に供給する改質部３３と、改質水を蒸発部３２に供給する改質水供給管１１ｂと、改質水供給管１１ｂに配置された一対の電極４３間の静電容量に応じた信号であって、一対の電極４３間の改質水の有無および一対の電極４３間の改質水の導電率に応じた信号を出力する改質水センサ４０と、燃料電池３４を少なくとも制御する制御装置１５と、を備えている。改質水センサ４０は、一対の電極４３間に改質水が有り、かつ、改質水の導電率が所定導電率以下の状態である第一状態の場合に第一信号を出力し、一対の電極４３間に改質水が有りかつ改質水の導電率が所定導電率より高い状態、および、一対の電極４３間に改質水が無い状態の何れか一方の状態である第二状態の場合に、第一信号と異なる第二信号を出力する所定の出力特性を有する。

これによれば、改質水センサ４０は、一対の電極４３間に改質水が有り、かつ、改質水の導電率が所定導電率以下の第一状態の場合に、第一信号を出力する。また、改質水センサ４０は、一対の電極４３間に改質水が有りかつ改質水の導電率が所定導電率より高い状態、および、一対の電極４３間に改質水が無い状態の何れか一方の第二状態の場合に、第二信号を出力する。よって、一つの改質水センサ４０の出力結果から、改質水供給管１１ｂ内の改質水が第一状態であるか第二状態であるかを判定することができる。このため、燃料電池システム１は、改質水の導電率を検出するセンサおよび改質水の有無を検出するセンサを別々に備えることによって、改質水供給管１１ｂ内の改質水が第一状態であるか第二状態であるかを判定する場合に比べて、部品点数を低減することができる。よって、燃料電池システム１の低コスト化を図ることができる。

さらに、改質水の導電率が所定導電率以上である場合に改質水の異常となるように、所定導電率を設定することにより、センサ出力信号によって、改質水の異常の有無を判定することができる。

また、燃料電池システム１は、所定の大きさに設けられるとともに、改質水供給管１１ｂに改質水センサ４０の一対の電極４３から所定距離Ｄ離れて配置され、導電性を有する導電部材１９ａ，１９ｂをさらに備えている。所定の大きさおよび所定距離Ｄは、改質水センサ４０から出力される信号（センサ出力信号）の出力特性を、所定の出力特性とするように設定されている。

一対の電極４３間の静電容量ひいては改質水センサ４０のセンサ出力信号の出力特性は、導電部材１９ａ，１９ｂの大きさ、および、一対の電極４３と導電部材１９ａ，１９ｂとの距離によって変化する。よって、導電部材１９ａ，１９ｂの大きさおよび一対の電極４３との距離を調整することにより、改質水センサ４０のセンサ出力信号の出力特性を、所定の出力特性にすることができる。このため、改質水供給管１１ｂに導電部材１９ａ，１９ｂを配置することにより、任意の出力特性を有する市販の静電容量式の水位センサを、本発明の改質水センサ４０として使用することができる。よって、本発明の改質水センサを新規に製作する場合に比べて、改質水センサ４０の低コスト化を図ることができる。

また、燃料電池システム１は、改質水供給管１１ｂに配置され、改質水を送る改質水ポンプ１７をさらに備えている。制御装置１５は、改質水センサ４０から第二信号が出力された場合、改質水ポンプ１７の駆動量を増加させる駆動量増加制御を行う駆動量増加制御部（ステップＳ１０６）を備えている。

また、改質水供給管１１ｂは、導電部材１９ａ，１９ｂを用いて設けられている。
これによれば、改質水供給管１１ｂと導電部材１９ａ，１９ｂとが別体に設けられている場合に比べて、燃料電池システム１の部品点数を低減することができる。よって、燃料電池システム１の低コスト化をさらに図ることができる。

システムが正常に運転している状態において、一対の電極４３間に有る改質水中に空気溜まりが発生した場合、一対の電極４３間に改質水が無い場合と同様に、一対の電極４３間の静電容量が低下することにより、改質水センサ４０によって第二信号が出力されるときがある。このとき、システムが正常に運転しているにも関わらず、改質水供給管１１ｂ内の改質水が第二状態であると誤判定される。

これに対して、制御装置１５は、改質水ポンプ１７の駆動量を増加させる駆動量増加制御を行う。駆動量を増加された改質水ポンプ１７によって送られた改質水によって空気溜まりが排出されたことにより、改質水センサ４０によって第一信号が出力された場合、改質水供給管１１ｂ内の改質水が第一状態であると判定される。よって、駆動量増加制御により、上述した誤判定を解消することができる。

なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、改質水供給管１１ｂの第二部位１１ｂ２および第三部位１１ｂ３の両方は、導電部材１９ａ，１９ｂを用いて設けられているが、これに代えて、第二部位１１ｂ２および第三部位１１ｂ３の一方を、導電部材１９ａ，１９ｂを用いて設けるようにしても良い。また、第二部位１１ｂ２および第三部位１１ｂ３の一部を、導電部材を用いて設けるようにしても良い。

また、上述した実施形態において、改質水供給管１１ｂは、導電部材１９ａ，１９ｂを用いて設けられているが、これに代えて、改質水供給管１１ｂと導電部材とを別体に設けるようにしても良い。この場合、導電部材と一対の電極４３との距離が所定距離Ｄとなるように、導電部材を改質水供給管１１ｂまたは改質水センサ４０と直接接触して配置するようにしても良いし、導電部材を改質水供給管１１ｂおよび改質水センサ４０から離れて配置するようにしても良い。さらにこの場合、導電部材の形状を、板状や球状等の所定の大きさを有する形状にしても良い。

また、上述した実施形態において、導電部材１９ａ，１９ｂを省略するようにしても良い。この場合、改質水センサ４０から出力されるセンサ出力信号の出力特性が、上述した所定の出力特性となるように、発振回路部４５ａおよび整流回路部４５ｂを構成する。

また、上述した実施形態において、一対の電極４３は、コイル状に形成されているが、これに代えて、一対の電極４３を板状に形成しても良い。また、この場合、一対の電極４３を、改質水供給管１１ｂの内側（通路部材４２の内側（流通路４２ａ））に配置するようにしも良い。

なお、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、一対の電極４３の形状および配置位置、導電部材１９ａ，１９ｂの形状、個数および配置位置、改質水供給異常および改質水異常を判定するタイミング、発振回路部４５ａの出力特性、整流電圧の出力特性、並びに、センサ出力信号の出力特性を変更するようにしても良い。

１…燃料電池システム、１１（３０）…燃料電池モジュール、１１ｂ…改質水供給管、１５…制御装置、１７…改質水ポンプ、１８（４０）…改質水センサ、１９ａ，１９ｂ…導電部材、３２…蒸発部、３３…改質部、３４…燃料電池、４３…一対の電極、Ｄ…所定距離、Ｓ１０６…駆動量増加制御部。

Claims (4)

1. 改質ガス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改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記燃料電池に供給する改質部と、
   前記改質水を前記蒸発部に供給する改質水供給管と、
   前記改質水供給管に配置された一対の電極間の静電容量に応じた信号であって、前記一対の電極間の前記改質水の有無および前記一対の電極間の前記改質水の導電率に応じた信号を出力する改質水センサと、
   前記燃料電池を少なくとも制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記改質水センサは、
   前記一対の電極間に前記改質水が有り、かつ、前記改質水の導電率が所定導電率以下の状態である第一状態の場合に第一信号を出力し、前記一対の電極間に前記改質水が有りかつ前記改質水の導電率が前記所定導電率より高い状態、および、前記一対の電極間に前記改質水が無い状態の何れか一方の状態である第二状態の場合に、前記第一信号と異なる第二信号を出力する所定の出力特性を有する燃料電池システム。
2. 所定の大きさに設けられるとともに、前記改質水センサの前記一対の電極から所定距離離れて配置され、導電性を有する導電部材をさらに備え、
   前記所定の大きさおよび前記所定距離は、前記改質水センサから出力される信号の出力特性を、前記所定の出力特性とするように設定されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記改質水供給管は、前記導電部材を用いて設けられている請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記改質水供給管に配置され、前記改質水を送る改質水ポンプをさらに備え、
   前記制御装置は、前記改質水センサから前記第二信号が出力された場合、前記改質水ポンプの駆動量を増加させる駆動量増加制御を行う駆動量増加制御部を備えている請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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