JP5487703B2

JP5487703B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5487703B2
Application number: JP2009106346A
Authority: JP
Inventors: 泰明安藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: JP2010257743A

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、燃料電池システムにおいては、燃料電池１８と、
燃料電池１８に投入された燃料ガスのオフガスを燃焼用空気（酸化剤ガス）で燃焼する燃
焼部１２（バーナ）と、制御部２６と、原燃料流量の増減を行う原燃料供給手段１４と、
原燃料流量の検知を行う原燃料流量検知手段３２と、燃焼空気流量の増減を行う燃焼空気
供給手段２２とを備えている。

このような燃料電池システムにおいては、一般的に、制御部２６は、燃料電池の発電量
が所望の発電量となるように原燃料流量を設定し、原燃料流量検知手段３２で検知される
原燃料流量がその設定された原燃料流量となるように原燃料供給手段１４を調整している
。

特開２００６−７３２１５号公報

上述した特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、原燃料流量検知手段３２に
比較的大きい誤差などの異常が生じるおそれがある。検知値した値が実際の流量より少な
い場合には、所望の発電量に対して投入された原燃料が増加するため発電効率が低下する
。一方、検知した値が実際の流量より多い場合には、所望の発電量に対して投入された原
燃料が減少するため燃料電池の水素利用率が上昇し安定した発電状態を維持できなくなる
。

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、燃料電池システムにおいて
、燃料電池に投入される燃料ガスの流量を導出する流量導出手段の異常を的確に検知し、
燃料電池の適正な発電効率を維持するとともに安定した発電を維持す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、燃料電池と、燃料電池に投入された燃料ガスのオフガスを酸化剤ガスで燃焼するバーナと、酸化剤ガスをバーナに送出する酸化剤ガス送出手段と、燃料ガスの流量を導出する燃料ガス流量導出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転を制御する制御装置をさらに備え、制御装置は、バーナの燃焼温度と燃焼温度の目標温度との偏差から酸化剤ガス送出手段の制御量であるフィードバック量を導出するフィードバック量導出手段と、燃料電池の発電量に対する酸化剤ガス流量の基準値からの、バーナに供給される酸化剤ガスの流量の変動値であるフィードバック量が所定値より大きい場合には、燃料ガス流量導出手段が異常であると検知する異常検知手段と、を有することである。

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、バーナの燃焼温度の目標温度は、燃料電池の発電量に相当する、燃料電池に投入された燃料ガス流量の目標値に応じて設定されていることである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、異常検知手段は、酸化剤ガス流量のフィードバック量が所定値より大きい状態が所定時間継続した場合に、流量導出手段が異常であると検知することである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、制御装置は、異常検知手段が流量導出手段が異常であると検知した場合には、その旨を警告する警告手段をさらに有することである。
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、燃料電池の発電量に対する酸化剤ガス流量の基準値を導出する酸化剤ガス流量基準値導出手段と、酸化剤ガス流量基準値導出手段によって導出された酸化剤ガス流量の基準値とフィードバック量導出手段によって導出された酸化剤ガス送出手段のフィードバック量とを加算して酸化剤ガス流量の目標値を導出する酸化剤ガス流量目標値導出手段と、酸化剤ガス送出手段の駆動量が酸化剤ガス流量目標値導出手段によって導出された酸化剤ガス流量の目標値となるように制御する酸化剤ガス送出手段制御手段と、をさらに有することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、異常検知手段が、燃料電池の発電量に対する酸化剤ガス流量の基準値からの、バーナに供給される酸化剤ガスの流量の変動値であるフィードバック量が所定値より大きい場合には、燃料ガス流量導出手段が異常であると検知する。これによれば、酸化剤ガスの流量値を利用することで、すなわち、バーナ燃焼温度をバーナ燃焼温度の目標温度となるように酸化剤ガス流量がフィードバック制御されている場合、酸化剤ガス流量のフィードバック量に基づいて、燃料ガス流量導出手段の異常を容易かつ的確に検知することができ、ひいては燃料電池の適正な発電効率を維持するとともに安定した発電を維持することができる。

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において、バーナの燃焼温度の目標温度は、燃料電池の発電量に相当する、燃料電池に投入された燃料ガス流量の目標値に応じて設定されている。これにより、燃料電池の発電量に相当する、燃料電池に投入されるべき燃料ガス流量に応じて流量導出手段の異常検知を的確に行うことができる。

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１または請求項２において、異常検知手段は、酸化剤ガス流量のフィードバック量が所定値より大きい状態が所定時間継続した場合に、流量導出手段が異常であると検知する。これにより、流量導出手段の異常を精度よく検知することができる。

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１乃至請求項３の何れか一項において、制御装置は、異常検知手段が流量導出手段が異常であると検知した場合には、その旨を警告する警告手段をさらに有する。これにより、使用者に流量導出手段の異常を確実に警告することができる。
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、燃料電池の発電量に対する酸化剤ガス流量の基準値を導出する酸化剤ガス流量基準値導出手段と、酸化剤ガス流量基準値導出手段によって導出された酸化剤ガス流量の基準値とフィードバック量導出手段によって導出された酸化剤ガス送出手段のフィードバック量とを加算して酸化剤ガス流量の目標値を導出する酸化剤ガス流量目標値導出手段と、酸化剤ガス送出手段の駆動量が酸化剤ガス流量目標値導出手段によって導出された酸化剤ガス流量の目標値となるように制御する酸化剤ガス送出手段制御手段と、をさらに有することである。

本発明による燃料電池システムの第１の実施形態の概要を示す概要図である。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２に示す制御装置で実行される制御プログラムの概要を示すフローチャートである。図２に示す制御装置で実行される燃焼制御システムのブロック線図である。燃焼制御において、燃料ガス流量変化に対する燃焼用空気流量の特性を示す図である。図２に示す制御装置で実行される制御プログラム（燃料ガスの流量計の誤差検知、その旨の警告を行うためのプログラム）の概要を示すフローチャートである。本発明による燃料電池システムの第２の実施形態の概要を示す概要図である。図７に示す燃料電池（セルおよびセル接続体）の部分断面図である。

１）第１の実施形態
以下、本発明による燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。図１は高分
子電解質型燃料電池を備えた燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池
システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス
）を生成する改質装置２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在さ
れた電解質１３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。電解質１３
は高分子電解質であり、燃料電池１０は高分子電解質型燃料電池である。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。

改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池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および一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という）２４、燃焼部２
７、および蒸発部２８から構成されている。改質用燃料（燃料ガス）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供給管５１から導
入された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。

温度センサ２１ｃは改質部２１内の壁面付近（燃焼ガス流路２６に接する壁の面付近）
に設けられており、改質部２１の壁面温度を検出している。温度センサ２１ｃは改質部２
１の温度を検出するものであるが、バーナ２５からの燃焼ガスがあたる場所に設置されて
いるので、温度センサ２１ｃが検出する温度は燃焼ガス（燃焼部）の温度をよく反映して
いる。なお、温度センサ２１ｃの検出結果は、制御装置３０に送信されるようになってい
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、上流から順番に燃
料ポンプ４２、流量計４１ａ、脱硫器４６および改質用燃料バルブ４３が設けられている
。流量計４１ａは、改質用燃料供給管４１を流通する改質用燃料（燃料ガス）の単位時間
当りの体積または質量を測定するためのものであり、その検出結果は制御装置３０に送出
されるようになっている。流量計４１ａは、燃料ガスの流量を測定（導出）する流量導出
手段である。

燃料ポンプ４２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４６は燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を低減するものである。改質用燃
料バルブ４３は改質用燃料供給管４１を開閉するものである。燃料供給源から供給される
燃料ガスのうち改質部２１に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、バーナ２５
に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。

また、改質用燃料供給管４１の脱硫器４６と改質用燃料バルブ４３との間にはバーナ２
５に接続された燃焼用空気供給管６４に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されてい
る。燃焼用燃料供給管４４には燃焼用燃料バルブ４５が設けられている。燃焼用燃料バル
ブ４５は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。燃料ポンプ４２が駆動され改質用
燃料バルブ４３が閉じられ燃焼用燃料バルブ４５が開かれている場合、バーナ２５に燃焼
用燃料が供給され、また、燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が開かれ燃焼
用燃料バルブ４５が閉じられている場合、改質部２１に改質用燃料が供給される。

さらに、改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部２２との間には蒸発部
２８に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２８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。

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内の温度を測定する温度センサ２３
ｃが設けられている。温度センサ２３ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。

ＣＯ浄化部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浄化
部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２８の外周壁を覆って当接して設けられている。
ＣＯ浄化部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浄化部２４内には、ＣＯ浄化部２４内の温度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の検出結果は制御装置３０に送信されている。

このＣＯ浄化部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８９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７１がそれぞ
れ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これによ
り、ＣＯ浄化部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６１には、上流から順番に酸化用空
気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２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６３は酸化用空気
供給管６１を開閉するものである。

したがって、ＣＯ浄化部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。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ浄化部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７２を介してバーナ２５が
接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およ
びオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３と
の分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供
給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設
けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。

起動運転中には、改質装置２０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、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２
改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）中には、改質装置２０からの改質ガス
を燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開
き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。

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６７が接続され
るとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２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６７
には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられ
ている。カソード用空気ポンプ６８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６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。

燃焼部２７は、改質ガスが少なくとも供給されその改質ガスを酸化剤ガスで燃焼するバ
ーナ２５と、バーナ２５で発生した燃焼ガスが改質部２１および蒸発部２８を加熱しなが
ら流通する燃焼ガス流路２６とを備えている。

バーナ２５は、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。バーナ２５は、第１および第２噴出器２５ａ，２５ｂを備えている。第１噴出器２５
ａは、予混合燃焼方式に適した噴出器であり、熱量の大きい可燃ガス（本実施形態では、
燃焼用燃料（天然ガス））の燃焼に適合したものである。第２噴出器２５ｂは、拡散燃焼
方式に適した噴出器であり、予混合燃焼より熱量の小さい可燃ガス（本実施形態では、改
質ガス、アノードオフガス）の燃焼に適したものである。

第１噴出器２５ａには、燃焼用空気供給管６４が接続されている。燃焼用空気供給管６
４には、燃焼用空気ポンプ（酸化剤ガス送出手段）６５、流量計６４ａおよび燃焼用空気
バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は大気から酸化剤ガスである燃焼用
空気を吸い込みバーナ２５に吐出（送出）するものであり、制御装置３０の指令に応じて
バーナ２５に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。流量計６４ａは、燃焼用
空気供給管６４を流通する燃焼用空気の単位時間当りの体積または質量を測定するための
ものであり、その検出結果は制御装置３０に送出されるようになっている。流量計６４ａ
は、燃焼用空気ポンプ６５の吐出側に設けられているので、燃焼用空気ポンプ６５から送
出された燃焼用空気の送出量を検出する送出量検出手段である。燃焼用空気バルブ６６は
、制御装置３０の指令に応じて燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。

第１噴出器２５ａで燃焼用燃料が燃焼される場合には、その燃焼用燃料に予め燃焼用空
気が混合されるようになっている。なお、燃焼用空気は大気から供給されるようになって
いる。

第２噴出器２５ｂ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７
２の他端が接続されている。第２噴出器２５ｂには、燃料電池１０からのアノードオフガ
ス、または燃料電池１０を通らないで供給されるＣＯ浄化部２４からの改質ガスが供給さ
れるようになっている。第２噴出器２５ｂで改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼され
る場合には、第１噴出器２５ａから供給された燃焼用空気で燃焼されるようになっている
。

燃料電池システム（改質装置２０）の起動運転開始から改質開始条件が成立するまでの
間であって、バーナ２５で燃焼が行われる場合には、予混合燃焼が行われる。具体的には
、改質用燃料バルブ４３が閉じられ燃焼用燃料バルブ４５が開かれ燃料ポンプ４２が駆動
されて、燃焼用燃料がバーナ２５の第１噴出器２５ａに供給され燃焼される。改質開始条
件は、水蒸気がＣＯシフト部２３まで到達し、かつ、改質部２１の温度が所定温度（本実
施形態では３００℃）以上であることである。

改質開始条件が成立した以降で起動運転が終了するまでは、拡散燃焼が行われる。具体
的には、改質用燃料バルブ４３が開かれ燃焼用燃料バルブ４５が閉じられ燃料ポンプ４２
が駆動されるとともに、第２改質ガスバルブ７６が開かれ第１改質ガスバルブ７４および
オフガスバルブ７５が閉じられて、ＣＯ浄化部２４からの改質ガスがバーナ２５の第２噴
出器２５ｂに供給され燃焼される。

燃料電池１０の定常運転時には、拡散燃焼が行われる。具体的には、改質用燃料バルブ
４３が開かれ燃焼用燃料バルブ４５が閉じられ燃料ポンプ４２が駆動されるとともに、第
２改質ガスバルブ７６が閉じられ第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開
かれて、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を
含んだ改質ガス）がバーナ２５の第２噴出器２５ｂに供給されて燃焼される。

このように構成された燃焼部２７は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガ
スまたはアノードオフガスが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を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するとともに蒸
発部２８を加熱して水蒸気を発生させるためのものである。燃焼ガスは、燃焼ガス流路２
６を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは
改質部２１および蒸発部２８をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路２６は、改質部２１の
内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部２１の外周壁と断熱部２９との間
に当接して配設され、折り返されて断熱部２９と蒸発部２８の間に当接して配設された流
路である。

なお、燃焼部２７には、燃焼部２７の温度Ｔ１を検出する温度センサ２５ｃが設けられ
ている。温度センサ２５ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。具体的には、温
度センサ２５ｃは、バーナ２５または燃焼ガス流路２６に設けられている。バーナ２５に
設ける場合、火炎が直接当らない部位に設けるのが好ましい。燃焼ガス流路２６に設ける
場合、バーナにできる限り近い部位が好ましい。さらに、バーナ２５は、点火用電極（イ
グナイタ）２５ｄを備えている。点火用電極２５ｄは制御装置３０の指令によって火花が
飛ぶように制御されている。バーナ２５は、制御装置３０の指令に応じて点火用電極２５
ｄにより着火されるものである。

蒸発部２８は、供給された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２８は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２６（
最外側の燃焼ガス流路）の外周壁を覆って当接して設けられている。

この蒸発部２８の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク（図示省略）に接
続された給水管５２が接続されている。蒸発部２８の上部（例えば側壁面上部）には水蒸
気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２８内を
流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ浄化部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５１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５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バル
ブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２８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５４は給水管５２を開閉するもの
である。

また、蒸発部２８には、蒸発部２８内の温度を検出する温度センサ２８ａが設けられて
いる。温度センサ２８ａは蒸発部２８内の下流部（出口側）に設けることが望ましい。温
度センサ２８ａは蒸発部２８の液体の水が存在する部分よりも出口側に設ける必要がある
。具体的には、温度センサ２８ａは蒸発部２８内の水面より上部の部分に設けられている
。温度センサ２８ａは、蒸発部２８内の水面より上部に設けられた蒸発部出口や蒸発部出
口に近い水蒸気供給管５１に設けるようにしてもよい。温度センサ２８ａの検出結果は制
御装置３０に送信されている。

また、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述し
た温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２５ｃ，２８ａ、流量計４１ａ，６４ａ、各ポン
プ４２，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４５，５４，６３，６６，６９，７４
，７５，７６、および点火用電極２５ｄが接続されている（図２参照）。制御装置３０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，２５ｃ，２８
ａからの温度、流量計４１ａ，６４ａからの流量などに基づいて、各ポンプ４２，５３，
６２，６５，６８、各バルブ４３，４５，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、
および点火用電極２５ｄを制御することにより、燃料電池システムの運転を制御している
。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。

次に、上述した燃料電池システムの作動の概要について一例を挙げて図３にて説明する
。制御装置３０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ１００にてプログラムを
起動しプログラムをステップ１０２に進める。制御装置３０は、ステップ１０２において
、システムの運転を開始するか否かを判定する。制御装置３０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や、運転計画にしたがって運転が開始される場合
には、システムの起動指示があったとして、ステップ１０２で「ＹＥＳ」と判定し、改質
装置２０の暖機（起動シーケンス）を開始する（ステップ１０４）。そうでなければ、ス
テップ１０２で「ＮＯ」の判定を繰り返し実行する。

起動シーケンスは、燃料電池システム、改質装置２０の運転を開始させて起動運転（暖
機運転）を行う起動制御である。起動運転（暖機運転）は、改質装置２０を暖機する運転
、すなわち改質部２１、ＣＯシフト部２３およびＣＯ浄化部２４の各触媒２１ｂ，２３ｂ
，２４ａを活性温度域まで暖機する運転であり、改質装置２０から導出される改質ガス中
の一酸化炭素濃度を所定濃度以下まで低減してその改質ガスを燃料電池１０に供給可能（
発電運転）になるまで行う運転である。

起動シーケンスは、バーナ２５の着火から改質装置２０の暖機完了までの処理が行われ
るようになっている。この起動シーケンスは、i）燃焼用燃料によってバーナ２５を着火
・燃焼し、ii）燃焼部２７が所定温度（３００℃）に達したら改質水を投入し、iii）蒸
発部２８で水蒸気が生成開始したら改質用燃料を投入して燃焼用燃料によるバーナ２５の
燃焼を改質ガスによる燃焼に切り替え、iv）ＣＯシフト部２３以降を暖機する。

制御装置３０は、起動指示があると、ステップ１０４において、起動シーケンスを開始
する。すなわち、制御装置３０は、燃焼用空気バルブ６６を開いて燃焼用空気ポンプ６５
を駆動して、燃焼用空気をバーナ２５に供給する。そして、制御装置３０は、バーナ２５
の点火用電極２５ｄに通電する。さらに、制御装置３０は、燃焼用燃料バルブ４５を開い
て（改質用燃料バルブ４３を閉じ）燃料ポンプ４２を駆動して、燃焼用燃料をバーナ２５
に供給する。これにより、バーナ２５が着火する。その後、制御装置３０は、上述した起
動シーケンスのii）以降の処理を実行する。

制御装置３０は、バーナ２５が着火すると、ステップ１０６において、蒸発部２８で水
蒸気の発生の有無を検知（判定）する。制御装置３０は、蒸発部２８の温度を検出しその
温度（蒸発部温度Ｔ２）が所定温度Ｔ２−ａ（例えば１００℃）より大きければ水蒸気が
発生したことを検知し、そうでなければ検知しない。水蒸気が生成前は、蒸発部温度Ｔ２
は所定温度Ｔ２−ａ以下であるため、水蒸気は発生していないので、制御装置３０は、ス
テップ１０６で「ＹＥＳ」と判定し、起動シーケンスを継続する（ステップ１０８）。

制御装置３０は、ステップ１０８において、燃焼部２７の温度Ｔ３が所定温度（例えば
３００℃）に達したら改質水の投入を開始する。このとき、制御装置３０は、改質水バル
ブ５４を開いて改質水ポンプ５３を駆動させる。さらに制御装置３０は、第２改質ガスバ
ルブ７６も開いて改質装置２０（ＣＯ浄化部２４）をバーナ２５と連通させひいては大気
に連通させる。これにより、蒸発部２８から改質部２１に水蒸気が供給され始めると、そ
の水蒸気は、冷却部２２、ＣＯシフト部２３、ＣＯ浄化部２４を通って、バイパス管７３
を経由してバーナ２５に供給され、燃焼ガス流路２６および排気管８１を通って外部に排
出される。

制御装置３０は、改質水の投入開始後、蒸発部２８での水蒸気発生を検知するまで（ス
テップ１０６で「ＹＥＳ」の判定を繰り返し）、燃焼用燃料によるバーナ２５の燃焼を継
続し（断続的に継続する場合もある。）、改質水の投入を継続して、起動シーケンスを継
続する（ステップ１０８）。なお、改質水の投入開始はステップ１０８でなくステップ１
０４で行うようにしてもよい。ステップ１０８においては、燃焼用燃料によるバーナ２５
の燃焼、および改質水の投入を継続する。

バーナ２５が着火されると、その燃焼ガスは燃焼ガス流路２６を通過中に改質部２１、
蒸発部２８およびＣＯ浄化部２４を加熱している。したがって、蒸発部温度Ｔ２も上昇す
る。起動シーケンス継続中において、蒸発部温度Ｔ２が所定温度Ｔ２−ａより大きくなれ
ば、制御装置３０は、水蒸気が発生したことを検知し、プログラムをステップ１１０に進
める。すなわち制御装置３０は、改質水の投入開始後、蒸発部２８での水蒸気発生を検知
すると（ステップ１０６で「ＮＯ」と判定し）、プログラムをステップ１１０に進める。

制御装置３０は、ステップ１１０において、バーナ２５での燃焼を停止するとともに燃
焼部２７を燃焼用空気でパージする（燃焼用空気パージモード）。具体的には、制御装置
３０は、燃料ポンプ４２の駆動を停止し燃焼用燃料バルブ４５を閉じてバーナ２５への燃
焼用燃料の供給を停止するとともに、燃焼用空気バルブ６６を開いたままに維持し燃焼用
空気ポンプ６５の駆動を継続してバーナ２５への燃焼用空気の供給を継続する。本実施形
態の場合、燃焼用空気の供給量はそれまでの供給量（供給量Ａ−０）より多い値（供給量
はＡ−１である）に設定してある。供給量を多くすることで、燃焼部２７を効率的にパー
ジするとともに改質部２１の熱を蒸発部２８に効率よく移動させることができる。なお、
このときの改質水の供給量は供給量Ｗ−１に維持されている。また、改質部２１はバーナ
２５を通って大気に連通している（開放されている）。

制御装置３０は、水蒸気発生を検知した時点から所定時間ΔＴＭ−ａが経過するまで前
述した燃焼用空気パージモードを継続する（ステップ１１２で「ＮＯ」の判定を繰り返す
。）。所定時間ΔＴＭ−ａは、蒸発部２８で生成された水蒸気の最初（先端）の部分が、
少なくともバーナ２５を通過するまでの時間に相当する値に設定されている。これによれ
ば、水蒸気の発生検知時点から所定時間ΔＴＭ−ａだけ経過すれば、生成された水蒸気が
、燃料電池システムの運転停止中に改質装置２０内に存在する気体（本実施形態において
は、停止運転で封入されもしくはパージに使用された改質用燃料を主成分とする気体）、
すなわち蒸発部２８内からバイパス管７３の第２改質ガスバルブ７６までに残存（残留）
する改質用燃料を主成分とする気体を、バーナ２５から燃焼ガス流路２６に排出しひいて
は外部に排出する。

なお、制御装置３０は、ステップ１１２において、燃焼用空気パージモードが開始され
た時点すなわち蒸発部２８での水蒸気発生を検知した時点からの経過時間ΔＴＭが所定時
間ΔＴＭ−ａ以上であるか否かを判定する。

制御装置３０は、水蒸気発生を検知した時点から所定時間ΔＴＭ−ａが経過すると（ス
テップ１１２で「ＹＥＳ」と判定する。）、燃焼用空気パージモードを終了し起動シーケ
ンスを再開しバーナ２５の再着火を開始する（ステップ１１４）。具体的には、制御装置
３０は、改質水の供給（供給量Ｗ−１）を継続し燃焼用空気の供給量をＡ−１からＡ−０
に減少させ、所定時間ΔＴＭ−ａが経過した時点から改質用燃料の投入を開始するととも
に点火用電極２５ｄへの通電を開始する。

改質用燃料の改質部２１への投入が開始されると、改質部２１では上述した改質反応に
より改質ガスの生成が開始され、生成された改質ガスはバイパス管７６経由でバーナ２５
に供給される。なお、改質用燃料の投入開始から改質ガスが燃焼空間２５ｄに流入するま
でには、改質用燃料が改質部２１に流入するのに必要な時間と、改質部２１で生成された
改質ガスがバーナ２５の燃焼空間２５ｄに流入するのに必要な時間との合計時間が少なく
ともかかる。したがって、バーナ２５で再着火するのは、改質用燃料の投入開始時点から
前述した合計時間だけ少なくとも経過した時点である。

このように、改質用燃料の投入によって改質ガスの生成と、その改質ガスによるバーナ
２５の再着火による燃焼とによって改質装置２０、すなわち改質部２１、ＣＯシフト部２
３、ＣＯ浄化部２４の暖機が行われる。

制御装置３０は、起動シーケンスの完了（暖機運転の完了）を、ＣＯシフト部２３、Ｃ
Ｏ浄化部２４の各温度（いずれかの温度でもよい。）に基づいて判断する。制御装置３０
は、ＣＯシフト部２３、ＣＯ浄化部２４の各温度（いずれかの温度でもよい。）が所定温
度以上となれば、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、起動シ
ーケンスが完了したと判定する。

制御装置３０は、起動シーケンスが完了したと判定すると（ステップ１１６で「ＹＥＳ
」と判定する）、発電運転を開始する（ステップ１１８）。具体的には、制御装置３０は
、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉
じてＣＯ浄化部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
の導出口をバーナ２５に接続する。発電運転中には、制御装置３０は、最大出力以下の範
囲でユーザー負荷に追従するように発電を行うようになっている。発電量はユーザー負荷
の電力と同じ電力である。

発電運転中の燃料電池システムにおいて、図示しないストップスイッチが押されて運転
が停止される場合や、運転計画にしたがって運転が停止される場合には、システムの停止
指示があったとして、制御装置３０は、ステップ１２０で「ＹＥＳ」と判定し、停止運転
を行う（ステップ１２２）。制御装置３０は、燃料ポンプ４２の駆動を停止し改質用燃料
の供給を停止し、改質用燃料バルブ４３を閉じる。制御装置３０は、改質水ポンプ５３の
駆動を停止し改質水の供給を停止し、改質水バルブ５４を閉じる。制御装置３０は、酸化
用空気ポンプ６２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６３を閉
じる。制御装置３０は、燃焼用空気パージにて改質部２１等の温度を所定温度に冷却後に
燃焼用空気ポンプ６５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６６
を閉じる。そして、制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４、オフガスバルブ７５、第
２改質ガスバルブ７６を閉じる。これにより、燃料電池１０の発電が停止される。

その後、改質装置２０が降温して内部が負圧になったところで、改質用燃料バルブ４３
を開いて燃料ポンプ４２を駆動して、改質用燃料を改質装置２０に供給する。これにより
、改質装置２０内は改質用燃料で封入される。また、この封入の代わりに改質装置２０を
改質用燃料でパージするようにしてもよい。何れの場合も燃料電池システムの停止中にお
いて改質装置２０内は改質用燃料で満たされるので触媒などを酸化雰囲気状態から保護す
ることができる。

さらに、発電中におけるバーナ２５における燃焼制御について図４を参照して説明する
。図４は、その燃焼制御システムを示すブロック線図である。バーナ２５における燃焼制
御は、制御装置３０が実行する制御である。制御装置３０は、燃料ガス流量目標値演算部
３１、燃焼エア流量基準値演算部３２、燃焼空間温度目標値演算部３３、フィードバック
制御部３４を備えている。

燃料ガス流量目標値演算部３１は、燃料電池１０の発電量に対する燃料ガス流量目標値
（天然ガス流量目標値）を演算するものである。燃料ガス流量目標値演算部３１は、発電
量と燃料ガス流量との関係を示すマップを記憶している。このマップは、発電量が大きく
なるにしたがって燃料ガス流量（目標値）が大きくなるようになっている。燃料ガス流量
目標値演算部３１は、発電量を入力し、その発電量とマップとからその発電量に対する燃
料ガス流量目標値を演算する。

燃焼エア流量基準値演算部３２は、燃料ガス流量目標値に対する燃焼エア流量基準値を
演算するものである。燃焼エアは燃焼用空気のことである。燃焼エア流量基準値演算部３
２は、燃料ガス流量と燃焼エアとの関係を示すマップを記憶している。このマップは、燃
料ガス流量が大きくなるにしたがって燃焼エア（基準値）が大きくなるようになっている
。燃焼エア流量基準値演算部３２は、燃料ガス流量目標値演算部３１から燃料ガス流量目
標値を入力し、その燃料ガス流量目標値とマップとからその燃料ガス流量目標値に対する
燃焼エア流量基準値を演算する。

燃焼空間温度目標値演算部３３は、燃料ガス流量目標値に対する燃焼空間温度目標値を
演算するものである。燃焼空間温度はバーナ２５の燃焼温度Ｔ１のことである。燃焼空間
温度目標値演算部３３は、燃料ガス流量と燃焼空間温度との関係を示すマップを記憶して
いる。このマップは、本実施形態では、燃料ガス流量が大きくなるにしたがって燃焼空間
温度が小さくなるようになっている。なお、このマップは、バーナ２５の形式（形状）、
温度センサ２５ｃの位置に応じて決定されるものである。燃焼空間温度目標値演算部３３
は、燃料ガス流量目標値演算部３１から燃料ガス流量目標値を入力し、その燃料ガス流量
目標値とマップとからその燃料ガス流量目標値に対する燃焼空間温度目標値（Ｔ１目標値
）を演算する。

フィードバック制御部３４は、燃料電池システムのバーナ２５の燃焼温度Ｔ１の計測値
と燃焼温度Ｔ１の目標値とに基づいて燃焼用空気ポンプ６５のフィードバック制御を行う
ものである。フィードバック制御部３４は、減算器３４ａ、ＰＩ演算器３４ｂ、加算器３
４ｃを備えている。

減算器３４ａは、燃焼温度Ｔ１の目標値を燃焼空間温度目標値演算部３３から入力する
とともに、燃焼温度Ｔ１の計測値を温度センサ２５ｃから入力し、燃焼温度Ｔ１の目標値
から測定値を減算してそれら入力した両温度の偏差ｅ（＝Ｔ１目標値−Ｔ１測定値）を算
出する。

ＰＩ演算器３４ｂは、フィードバック制御を行う制御器である。ＰＩ演算器３４ｂは、
減算器３４ａで算出した偏差ｅを入力し、その偏差ｅに基づいて燃焼用空気ポンプ６５の
回転数（ポンプの吐出量（流量））すなわちフィードバック量（操作量）を算出する。こ
の場合、燃焼用空気ポンプ６５がＰＷＭ制御されていれば、操作量はＰＷＭ制御のデュー
ティ比（Ｄｕｔｙ）で算出される。

本実施の形態では、ＰＩ演算器３４ｂは、偏差ｅに基づいて比例および積分演算を行う
ＰＩ演算器である。ＰＩ演算器３４ｂは、出力値を燃焼用空気ポンプ６５のフィードバッ
ク操作量Ｄｕｔｙ＿Ａとして算出する。

なお、ＰＩ演算器３４ｂでは、ＰI制御（比例動作器および積分動作器の機能のみ作用
する。）を行うようにしたが、ＰＩＤ制御（比例動作器、積分動作器、微分動作器の機能
が作用する。）を行うような演算器に代えてもよく、またＰ制御（比例動作器の機能のみ
作用する。）を行うような演算器に代えてもよい。いずれもフィードバック操作量を算出
するものである。

加算器３４ｃは、ＰＩ演算器３４ｂから入力したフィードバック操作量Ｄｕｔｙ＿Ａと
、燃焼エア流量基準値演算部３２から入力した燃焼エア流量基準値Ｄｕｔｙ＿Ｂとを加算
するものである。この加算値（＝Ｄｕｔｙ＿Ａ＋Ｄｕｔｙ＿Ｂ）が燃焼用空気ポンプ６５
の操作量（総操作量）Ｄｕｔｙである。この総操作量Ｄｕｔｙが燃焼エア流量の目標値で
ある。

この燃焼エア流量目標値が、加算器３４ｃから燃焼用空気ポンプ６５のドライバ（図示
省略）に送信されて、燃焼用空気ポンプ６５の流量（吐出量）が燃焼エア流量目標値とな
るように制御される。また、燃料ガス流量目標値が、燃料ガス流量目標値演算部３１から
燃料ポンプ４２のドライバ（図示省略）に送信されて、燃料ポンプ４２の流量（吐出量）
が燃料ガス流量目標値となるように制御される。なお、燃料電池システムは、いわゆるプ
ラントであり、アクチュエータ（燃焼用空気ポンプ６５、燃料ポンプ４２）と制御対象（
バーナ）とを含んでなる。

この燃焼制御によれば、燃焼エア流量目標値は、燃焼エア流量基準値と燃焼エアフィー
ドバック量の和で決定される。燃焼温度Ｔ１が燃焼温度目標値となるように制御される。
したがって、外乱（例えば、燃焼ガスの流量計４１ａの誤差、環境温度変化、改質水蒸発
量の変化など）によって燃焼温度Ｔ１が上昇した場合、燃焼用空気を増大させ燃焼温度Ｔ
１を低下させ、燃焼温度Ｔ１が低下した場合は燃焼用空気を減少させ燃焼温度Ｔ１を上昇
させる。

前述した燃焼制御において、燃料ガス流量変化に対する燃焼用空気流量の特性を図５参
照して説明する。すなわち、上述の燃焼制御（フィードバック制御）を行っている場合、
燃焼ガス流量（天然ガス流量：ＮＬ／ｍｉｎ（ノーマルリットル／分））の変動に対して
燃焼エア流量が変化する。ＮＬ／ｍｉｎは標準状態での流量（リットル／分）を示す。

例えば、図５に示したとおり燃焼ガス流量が、ＡＮＬ／ｍｉｎから０．１ＮＬ／ｍｉｎ
増加した場合、投入熱量増加による燃焼温度Ｔ１の上昇を抑制するため、燃焼エアのフィ
ードバック制御により燃焼エア流量がＢＮＬ／ｍｉｎから４ＮＬ／ｍｉｎ増加する。同様
に燃焼ガス流量がＡＮＬ／ｍｉｎから０．１ＮＬ／ｍｉｎ減少した場合は、燃焼エア流量
がＢＮＬ／ｍｉｎから４ＮＬ／ｍｉｎ減少する。燃焼ガス流量ＡＮＬ／ｍｉｎに対して設
定される燃焼エア流量はＢＮＬ／ｍｉｎである。

燃焼ガス流量が増加した場合、すなわち図５にて燃料ガス流量がＡ＋０．１ＮＬ／ｍｉ
ｎ以上となった場合、発電出力が同じで投入燃料のみが増加するため発電効率が低下する
。燃焼ガス流量が減少した場合、すなわち図５にて燃料ガス流量がＡ−０．１ＮＬ／ｍｉ
ｎ以下となった場合、発電出力が同じで投入燃料のみが減少するため発電効率が上昇する
が、水素を生成するための燃料が減少するため燃料電池１０の水素利用率が上昇し、最悪
燃料電池１０が発電継続できなくなる。また、水素利用率が上昇するためオフガスの熱量
が低下し燃焼温度Ｔ１を目標値に保持できなくなるため、燃焼エア流量を大きく減少させ
空燃比が低下し理論空燃比１に近づき排ガスエミッションが悪化する。なお、燃料ガス流
量がＡ−０．１ＮＬ／ｍｉｎからＡ＋０．１ＮＬ／ｍｉｎまでの範囲である場合には、発
電効率は良好であり、排ガスエミッションも良好である。

次に、前述した燃料ガス流量変化に対する燃焼用空気流量の特性を利用する流量計４１
ａの誤差検知について説明する。この特性によれば、発電量が一定である場合において、
燃料ガスの実際の流量が増大すると、燃焼用空気流量が増大し、燃料ガスの実際の流量が
減少すると、燃焼用空気流量が減少する。この特性はリニアな関係にある。すなわち、流
量計４１ａに誤差が発生した場合であって、実流量より指示値（測定値）が低い（小さい
）場合には、燃焼用空気流量が増大し、逆に、実流量より指示値（測定値）が高い（大き
い）場合には、燃焼用空気流量が減少する。

発電量がわかれば、その発電量に相当する燃料ガス流量目標値が決まり、その燃料ガス
流量目標値に相当する燃焼用空気流量基準値が決まるので、発電量に対する燃焼用空気流
量基準値は一義的に決定される。したがって、燃焼用空気流量の測定値（流量計６４ａの
測定値）が所定範囲内であれば、燃料ガスの流量計４１ａは正常であり、所定範囲外であ
れば、流量計４１ａは異常である。本実施の形態では、燃焼用空気流量の測定値（流量計
６４ａの測定値）がＢ−４からＢ＋４までの範囲内であれば、燃料ガスの流量計４１ａは
正常であり、Ｂ−４からＢ＋４までの範囲外であれば、流量計４１ａは異常である。
なお、所定範囲の上限は、燃料電池１０の発電効率に基づいて設定され、所定範囲の下
限は、排ガスエミッションに基づいて設定されている。

具体的には、制御装置３０は、図６に示すフローチャートに沿ってプログラムを実行す
ることで燃料ガスの流量計４１ａの異常（誤差）を検知する。制御装置３０は、図示しな
い主電源が投入されると、図６に示すステップ２００にてプログラムを起動し、ステップ
２０２の処理を実行する。制御装置３０は、ステップ２０２において、燃料電池１０が発
電を開始したか否かを判定する。なお、燃料電池１０が発電中であるか否かを判定するよ
うにしてもよい。

制御装置３０は、発電中において、燃焼エア流量の偏差を判定する。すなわち、燃焼エ
アフィードバック量が所定値（閾値）γを超えたか否かを判定する（ステップ２０４）。
制御装置３０は、燃焼エアフィードバック量が所定値（閾値）γ以下であれば、ステップ
２０４の判定処理を繰り返し実行する。制御装置３０は、燃焼エアフィードバック量が所
定値（閾値）γを越えると、ステップ２０４で「ＹＥＳ」と判定し、燃料ガスの流量計４
１ａに誤差（異常）が発生したと検知する（異常検知手段）。なお、所定値γは、燃焼エ
ア流量基準値に対する偏差であるので、本実施形態では図５に示すように、４ＮＬ／ｍｉ
ｎである。

本実施の形態では、燃焼エアフィードバック量が所定値（閾値）γを越えるとすぐに誤
差が発生したと検知するのではなく、その越えた状態が所定時間（タイマＴＭ１のアップ
時間に相当する）継続した時に限り、誤差が発生したと検知するようにしている。チャタ
リングなどによる誤検知を抑制するためである。タイマＴＭ１は、例えば３０分に設定さ
れている。

具体的には、制御装置３０は、ステップ２０６でタイマＴＭ１のカウントアップをスタ
ートさせる。制御装置３０は、タイマＴＭ１のカウントアップ中に燃焼エアフィードバッ
ク量が閾値γ以下になった場合は、ステップ２０８で「ＹＥＳ」と判定し、タイマＴＭ１
をキャンセルし（ステップ２１０）、プログラムをステップ２０４に戻す。

制御装置３０は、タイマＴＭ１がアップした場合は、ステップ２１２で「ＹＥＳ」と判
定し、流量計４１ａに誤差が発生していると判断し、その旨を警告する（ステップ２１４
）。これにより、流量計４１ａの交換、校正を使用者に促すことができる。警告は、音声
メッセージ、画面メッセージ、ランプの点滅、点灯で行えばよい。ステップ２１４の警告
とともに、または代えて、流量計４１ａを自動的に校正するようにしてもよい。

なお、ステップ２０４，２０８の判定処理においては、燃焼エアフィードバック量の絶
対値と所定値（閾値）γを比較するようにしてもよい。また、ステップ２０４の所定値（
閾値）γとステップ２０８の所定値（閾値）γを異なる値にしてもよい。

上述した実施形態から明らかなように、異常検知手段（３０、ステップ２０４）が、燃
料電池１０に投入された燃料ガス（改質用燃料）のオフガス（アノードオフガス）を酸化
剤ガス（燃焼用空気）で燃焼するバーナ２５に供給される酸化剤ガスの流量の変動値に基
づいて燃料ガスの流量を導出する流量導出手段（流量計４１ａ）が異常であると検知する
。これによれば、酸化剤ガスの流量値を利用することで、流量導出手段の異常を的確に検
知することができ、ひいては燃料電池の適正な発電効率を維持するとともに安定した発電
を維持することができる。

また、異常検知手段（３０、ステップ２０４）は、バーナ２５に供給される酸化剤ガス
流量（燃焼用空気流量）のフィードバック量が所定値γより大きい場合には、流量導出手
段（流量計４１ａ）が異常であると検知する。これにより、酸化剤ガス流量がフィードバ
ック制御されている場合、酸化剤ガス流量のフィードバック量に基づいて流量導出手段の
異常検知を容易かつ的確に行うことができる。

また、酸化剤ガス流量（燃焼用空気流量）のフィードバック量は、バーナ２５の燃焼温
度Ｔ１と燃焼温度Ｔ１の目標温度との温度偏差ｅに基づいて導出される。これにより、バ
ーナ燃焼温度Ｔ１を目標温度となるように酸化剤ガス流量がフィードバック制御されてい
る場合、酸化剤ガス流量のフィードバック量に基づいて流量導出手段（流量計４１ａ）の
異常検知を容易かつ的確に行うことができる。

また、燃焼温度Ｔ１の目標温度は、燃料電池１０に投入された燃料ガス流量の目標値に
応じて設定されている。これにより、燃料電池１０に投入されるべき燃料ガス流量（発電
量に相当する）に応じて流量導出手段（流量計４１ａ）の異常検知を的確に行うことがで
きる。

また、異常検知手段（３０、ステップ２０４）は、酸化剤ガス流量（燃焼用空気流量）
のフィードバック量が所定値（γ）より大きい状態が所定時間（タイマＴＭ１）継続した
場合に、流量導出手段（流量計４１ａ）が異常であると検知する。これにより、流量導出
手段の異常を精度よく検知することができる。

また、制御装置３０は、異常検知手段（３０、ステップ２０４）が流量導出手段（流量
計４１ａ）が異常であると検知した場合には、その旨を警告する警告手段（ステップ２１
４）をさらに有する。これにより、使用者に流量導出手段の異常を確実に警告することが
できる。

なお、上述した実施形態では、流量導出手段を流量計４１ａで構成するようにしたが、
流量導出手段を流量を推定する流量推定手段で構成するようにしてもよい。例えば、ポン
プの回転数と流体圧力から流量を推定する方法、流路にオリフィスを設置しオリフィス前
後の差圧から流量を推定する方法などがある。

２）第２の実施形態
次に、本発明による燃焼装置を適用した燃料電池システムの第２の実施形態について説
明する。図７は固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムの概要を示す概要図であ
る。なお、上述した第１の実施形態と同様な構成部材については同一符号を付してその説
明を省略する。

この燃料電池システムは、燃料電池モジュール１００を備えている。燃料電池モジュー
ル１００は、ケーシング１０１、蒸発部１２８、改質部１２１および燃料電池１１０を備
えている。

ケーシング１０１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング１０１内には、
蒸発部１２８、改質部１２１および燃料電池１１０が配設されている。このとき、蒸発部
１２８、改質部１２１が燃料電池１１０の上方に位置するように配設されている。

蒸発部１２８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、供給された改質用燃料を予熱するものである。蒸発部１２８
は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用燃料を混合して改質部１２１に供給
するものである。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。

この蒸発部１２８には、一端（下端）が水タンク（図示省略）に接続された給水管５２
の他端が接続されている。給水管５２には、改質水ポンプ５３が設けられている。改質水
ポンプ５３は、蒸発部１２８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。

また、蒸発部１２８には、燃料供給源（図示省略）からの改質用燃料（燃料ガス）が改
質用燃料供給管４１を介して供給されている。改質用燃料供給管４１には、上流から順番
に一対の原料バルブ（図示省略）、燃料ポンプ４２、流量計４１ａおよび脱硫器４６が設
けられている。原料バルブは改質用燃料供給管４１を開閉する電磁開閉弁である。燃料ポ
ンプ４２は、燃料供給源からの燃料供給量を調整するものである。流量計４１ａは、燃料
ガスの流量を検出するものである。脱硫器４６は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化
合物）を除去するものである。

改質部１２１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１２８から供給された混合ガス（改質用燃料、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１２１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
燃料電池１１０の燃料極１１１に導出されるようになっている。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）を含んでいる。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。

燃料電池１１０は、燃料極１１１、空気極１１２（酸化剤極）、および両極１１１，１
１２の間に介装された電解質１１３からなり断面楕円の柱状に形成された複数のセル１１
０ａが並設されて構成されている。

セル１１０ａは、図８に示すように、断面が扁平状で全体的に見て楕円柱状の導電性支
持基板１１４を備えている。導電性支持基板１１４の内部には、適当な間隔で複数の燃料
ガス通路１１４ａが軸長方向に貫通して形成されている。導電性支持基板１１４は、燃料
ガス通路１１４ａを流れる燃料ガスを燃料極１１１まで透過させるためにガス透過性であ
ること、及びインターコネクタ１１５を介しての集電を行うために導電性であることが要
求される。この要求を満たすために、導電性支持基板１１４は、金属（例えば鉄族金属成
分）と希土類酸化物とからなる複合体で形成されている。

導電性支持基板１１４は、互いに対向する２つの平坦部と、両平坦部の両端の弧状部と
からなっている。一方の平坦部と両側の弧状部を覆うように燃料極１１１が層状に形成さ
れている。さらに、この燃料極１１１を覆うように、電解質１１３が積層されており、こ
の電解質１１３の上には、燃料極１１１と対向するように、空気極１１２が積層されてい
る。また、燃料極１１１及び電解質１１３が積層されていない他方の平坦部には、インタ
ーコネクタ１１５が形成されている。燃料極１１１及び電解質１１３は、インターコネク
タ１１５の両サイドにまで延びており、導電性支持基板１１４の表面が外部に露出しない
ように構成されている。

燃料極１１１は、多孔質の導電性セラミックス（例えば、ニッケル含有安定化ジルコニ
ア）で形成されている。空気極１１２は、多孔質の導電性セラミックス（例えば、ＡＢＯ
₃型ペロブスカイト酸化物）で形成されている。電解質１１３は、ガス不透過性と絶縁性
を有するセラミックス（例えば、希土類元素を固溶したジルコニア）で形成されている。
インターコネクタ１１５は、ガス透過性と導電性を有するセラミックス（例えば、ペロブ
スカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ₃系酸化物））で形成されている。

隣り合う２つのセル１１０ａは、空間を隔てて設けられ、セル接続体１１０ｂにより電
気的に接続されている。この空間は上下に貫通しており、カソード用空気（酸化剤ガス）
流路１１０ｃとして使用されている。セル接続体１１０ｂは、金属材で形成されている。
セル接続体１１０ｂは、セル１１０ａの空気極１１２とセル１１０ａのインターコネクタ
１１５とを接続するものである。

燃料電池１１０は、アノードマニホールド１１７上に設けられている。アノードマニホ
ールド１１７には、改質部１２１からの改質ガスが改質ガス供給管７１を介して供給され
るようになっている。セル１１０ａの各燃料ガス通路１１４ａは、その下端（一端）がア
ノードマニホールド１１７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
た改質ガスが下端から導入され上端から導出（噴出）されるようになっている。

また、燃料電池１１０の側部には、カソード用空気導入部１１６が設けられている。カ
ソード用空気導入部１１６には、カソード用空気供給管６７が接続されており、カソード
用空気が供給されるようになっている。カソード用空気導入部１１６に供給されたカソー
ド用空気はカソード用空気流路１１０ｃの下端から導入され上端から導出（噴出）される
ようになっている。

なお、燃料電池１１０と蒸発部１２８（または改質部１２１）との間（燃焼空間）には
、セル１１０ａから噴出されるアノードオフガスをカソード用空気流路１１０ｃから噴出
されるカソードオフガスで着火させるための着火手段１２５ｄ（着火用ヒータ）が配設さ
れている。この着火手段１２５ｄは点火用電極２５ｄと同様に制御装置３０の指示によっ
てオン・オフされる。

これにより、セル１１０ａから噴出されるアノードオフガスをカソード用空気流路１１
０ｃから噴出されるカソードオフガスで燃焼させることができる。すなわち、燃料電池１
１０をバーナ１２５として機能させることができる。

また、燃焼空間には、その空間の燃焼温度を検出する温度センサ１２５ｃが設けられて
いる。温度センサ１２５ｃは、温度センサ２５ｅと同様に燃焼空間の温度を検出するもの
であり、検出結果は制御装置３０に送出されるようになっている。

また、カソード用空気供給管６７には、上述した流量計６４ａと同様な流量計６７ａが
設けられている。流量計６７ａは、カソード用空気供給管６７を流通する燃焼用空気の単
位時間当りの体積または質量を測定するためのものであり、その検出結果は制御装置３０
に送出されるようになっている。流量計６７ａは、カソード用空気ポンプ６８の吐出側に
設けられているので、カソード用空気ポンプ６８から送出されたカソード用空気の送出量
を検出する送出量検出手段である。なお、カソード用空気ポンプ６８から送出されたカソ
ード用空気の送出量は、発電量を考慮して決定される。バーナ１２５に供給される酸化剤
ガスがカソードオフガスであるからである。

燃料電池１１０においては、燃料極１１１に供給された燃料と空気極１１２に供給され
た酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極１１１では、下記化１および化
２に示す反応が生じ、空気極１１２では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、
空気極１１２で生成した酸化物イオン（Ｏ^2-）が電解質１１３を透過し、燃料極１１１で
水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料ガス通路
１１４ａおよびカソード用空気流路１１０ｂからは、発電に使用されなかった改質ガスお
よび酸化剤ガス（空気：カソードオフガス）が導出する。

（化１）
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-

（化２）
ＣＯ＋Ｏ^2-→ＣＯ₂＋２ｅ^-

（化３）
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2-

そして、燃料ガス通路１１４ａから導出した、発電に使用されなかった改質ガスは、カ
ソード用空気流路１１０ｂから導出した、発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気）で
、燃料電池１１０と蒸発部１２８（改質部１２１）の間の燃焼空間にて燃焼され、その燃
焼ガスによって蒸発部１２８および改質部１２１が加熱される。さらには、燃料電池モジ
ュール１００内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは、燃料電池１１０とケー
シング１０１の間の空間（この空間が燃焼ガス流路１２６である。）を通り、排気管８１
を通って燃料電池モジュール１００の外に排気される。

このように構成した固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムのバーナ１２５の
燃焼作動においても、上述した高分子電解質型燃料電池を備えた燃料電池システムのバー
ナ２５の燃焼と同様な制御が行われるので、同様な作用・効果を得ることができる。なお
、燃焼エアは、燃焼用空気に代えてカソード用空気になる。

また、バーナ１２５は、燃料電池１１０の燃料極１１１から直接導出されるアノードオ
フガスを、燃料電池１１１の酸化剤極１１２から直接導出されるカソードオフガス（燃焼
用酸化剤ガスとして利用する）で燃焼するように構成される。これにより、いわゆる固体
酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、そのシステムに適合し、流量計４
１ａの誤差（異常）を適切に検知することができる。

１０，１１０…燃料電池、１１，１１１…燃料極、１２，１１２…空気極、２０…改質
装置、２１，１２１…改質部、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応
部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）、２５，１２５…バーナ、
２５ａ…第１噴出器、２５ｂ…第２噴出器、２５ｃ，１２５ｃ…温度センサ、２５ｄ，１
２５ｄ…点火用電極、２６，１２６…燃焼ガス流路、２７…燃焼部、２８，１２８…蒸発
部、２９…断熱部、３０…制御装置、４１…燃料供給管、４１ａ…流量計（流量導出手段
）、４２…燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼
用燃料バルブ、４６…脱硫器、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ
、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化
用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６４ａ…流量計、６５…燃焼用空気ポンプ、６
６…燃焼用空気バルブ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６
９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイ
パス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ
、８１，８２…排気管、８９…接続管。１００…燃料電池モジュール、１０１…ケーシン
グ、１１０ａ…セル、１１０ｂ…セル接続体、１１０ｃ…カソード用空気流路、１１４…
導電性支持基板、１１４ａ…燃料ガス通路、１１５…インターコネクタ、１１６…カソー
ド用空気導入部、１１７…アノードマニホールド。

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池に投入された燃料ガスのオフガスを酸化剤ガスで燃焼するバーナと、
前記酸化剤ガスを前記バーナに送出する酸化剤ガス送出手段と、
前記燃料ガスの流量を導出する燃料ガス流量導出手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの運転を制御する制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、
前記バーナの燃焼温度と前記燃焼温度の目標温度との偏差から前記酸化剤ガス送出手段の制御量であるフィードバック量を導出するフィードバック量導出手段と、
前記燃料電池の発電量に対する前記酸化剤ガス流量の基準値からの、前記バーナに供給される前記酸化剤ガスの流量の変動値である前記フィードバック量が所定値より大きい場合には、前記燃料ガス流量導出手段が異常であると検知する異常検知手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１において、前記バーナの燃焼温度の目標温度は、前記燃料電池の発電量に相当する、前記燃料電池に投入された燃料ガス流量の目標値に応じて設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または請求項２において、前記異常検知手段は、前記酸化剤ガス流量のフィードバック量が前記所定値より大きい状態が所定時間継続した場合に、前記流量導出手段が異常であると検知することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記制御装置は、前記異常検知手段が前記流量導出手段が異常であると検知した場合には、その旨を警告する警告手段をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。
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、
前記燃料電池の発電量に対する前記酸化剤ガス流量の基準値を導出する酸化剤ガス流量基準値導出手段と、
前記酸化剤ガス流量基準値導出手段によって導出された前記酸化剤ガス流量の基準値と前記フィードバック量導出手段によって導出された前記酸化剤ガス送出手段のフィードバック量とを加算して前記酸化剤ガス流量の目標値を導出する酸化剤ガス流量目標値導出手段と、
前記酸化剤ガス送出手段の駆動量が前記酸化剤ガス流量目標値導出手段によって導出された前記酸化剤ガス流量の目標値となるように制御する前記酸化剤ガス送出手段制御手段と、
をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。