JP6424492B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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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、このような燃料電池システムは、改質水及び改質用原料から水素を含む改質ガスを生成する改質部（改質触媒３）と、改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池（燃料電池スタック１）と、燃料電池から排出されるアノードオフガスとカソードオフガスを触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒（９）と、を備えている。
特許文献１に示された燃料電池システムでは、燃焼触媒に流入するアノードオフガスの流量とアノードオフガスの成分濃度を検出し、この検出結果に基づき、燃焼触媒の温度が許容温度となるように燃焼触媒に供給される空気量が制御されている。
特開２００２−３１６８０１号公報
燃焼触媒に表面に異物が付着する等によって、燃焼触媒における触媒反応が低下してしまうと、燃焼触媒に導入された可燃成分が燃焼触媒で完全燃焼されること無く、この可燃成分の一部又は全部がそのまま燃料電池システムの外部に排出されてしまう。特許文献１に示される燃料電池システムでは、燃焼触媒の触媒反応の低下を検出する技術について何ら開示されていない。
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、燃焼触媒を備えた燃料電池システムにおいて、燃焼触媒の触媒反応の低下を検知することを目的とする。
上記の課題を解決するためになされた、請求項１に係る燃料電池システムの発明は、改質水と改質用原料とから燃料を生成する改質部と、前記改質部に前記改質用原料を供給する燃料供給部と、前記燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、前記燃料電池から排気される可燃成分を含むアノードオフガスを、酸化剤ガスで燃焼する燃焼部と、前記燃焼部から排気される未燃焼の前記可燃成分を含む燃焼ガスが導入されて、前記燃焼ガス中に含まれる前記可燃成分を触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒と、前記燃焼触媒に関する温度を検出する温度検出部と、前記燃焼部に導入された酸素流量を、前記燃焼部に導入された前記可燃成分を完全燃焼させるために必要な理想的な酸素流量で除した酸素比を変更させて、前記酸素比が変更される前と比べて、前記燃焼部から前記燃焼触媒に導入される未燃焼の前記可燃成分の流量を増大させる酸素比変更部と、前記酸素比変更部によって前記酸素比が変更された場合に、前記温度検出部によって検出された前記燃焼触媒に関する温度に基づいて、前記燃焼触媒の触媒反応が低下しているか否かを判定する判定部と、前記燃料電池から掃引される電流である掃引電流を変更する掃引電流変更部と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、を有し、前記酸素比変更部は、前記酸素比を、前記燃焼部において前記可燃成分の不完全燃焼が発生する不完全燃焼開始酸素比よりも低い判定定酸素比に低下させる前と比べて、前記掃引電流が減少するように掃引電流変更部を制御するとともに、前記掃引電流の減少に応じた前記酸化剤ガスの流量分だけ前記酸化剤ガスの流量が減少するように前記酸化剤ガス供給部を制御して、前記酸素比を前記判定定酸素比に低下させる。
燃焼触媒に導入される未燃焼の可燃成分の流量が増大されると、燃焼触媒の触媒反応が低下していない場合には、可燃成分が燃焼触媒で完全燃焼されて、可燃成分の流量が増大される前と比べて、燃焼触媒の温度が上昇する。一方で、燃焼触媒に導入される未燃焼の可燃成分の流量が増大されたにも関わらず、可燃成分の流量が増大される前と比べて、燃焼触媒の温度が上昇しない場合、又は燃焼触媒の温度が殆ど上昇しない場合には、燃焼触媒の触媒反応が低下していることに起因して、可燃成分が燃焼触媒で燃焼されず、又は可燃成分が燃焼触媒で不完全燃焼されている状態である。このような原理を用いて、判定部は、酸素比変更部によって燃焼部から燃焼触媒に導入される未燃焼の可燃成分の流量が増大された場合に、温度検出部によって検出された燃焼触媒に関する温度に基づいて、燃焼触媒の触媒反応が低下しているか否かを判定することができる。よって、燃焼触媒を備えた燃料電池システムにおいて、燃焼触媒の触媒反応の低下を検知することができる。
又、燃焼部で不完全燃焼が発生し、燃焼部で燃焼されなかった可燃成分が確実に燃焼触媒に導入される。このため、燃焼触媒の触媒反応の低下を確実に判定することができる。又、掃引電流が減少することによって、燃料電池で消費される水素の流量が減少して、燃焼部に導入される水素の流量が増大する。また、掃引電流が減少することによって、燃料電池で消費される酸素の流量も減少するが、掃引電流の減少に応じた酸化剤ガスの流量分だけ酸化剤ガスの流量が減少することによって、燃焼部に供給される酸素の流量は増大しない。これにより、燃焼部に供給される酸素の流量が増大されずに、燃焼部に供給される可燃成分の流量を確実に増大させることができ、燃焼部に導入されるガスの酸素比を判定酸素比に低下させることができる。このため、燃焼部において不完全燃焼を確実に発生させることができ、燃焼部で燃焼されなかった可燃成分を確実に燃焼触媒に導入させることができる。よって、燃焼触媒の触媒反応の低下を確実に判定することができる。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記酸素比変更部は、前記酸素比を前記判定定酸素比に低下させる前と比べて、前記燃料供給部が供給する前記燃料の流量を増大させて、前記酸素比を前記判定定酸素比に低下させる。これにより、燃焼部に供給される可燃成分の流量を確実に増大させることができ、燃焼部に導入されるガスの酸素比を判定定酸素比に低下させることができる。このため、燃焼部において不完全燃焼を確実に発生させることができ、燃焼部で燃焼されなかった可燃成分を確実に燃焼触媒に導入させることができる。よって、燃焼触媒の触媒反応の低下を確実に判定することができる。また、酸素比を低下させるに際し、酸化剤ガスの供給を減少させるのでなく、燃料の供給量を増加させているので、燃料電池での酸素不足等により燃料電池システムが停止してしまうことを防止することができ、燃料電池システムの運転を継続しながら燃焼触媒の触媒反応の低下を判定することができる。
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記燃料電池から掃引される電流である前記掃引電流と、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量に基づいて、前記酸素比が前記判定定酸素比に低下する前記燃料の流量である指示燃料流量を演算する指示燃料流量演算部を有し、前記酸素比変更部は、前記燃料供給部が供給する前記燃料の流量が前記指示燃料流量となるように前記燃料供給部を制御する。このように、酸素比が判定酸素比に低下する指示燃料流量が演算され、燃料供給部が供給する燃料の流量が指示燃料流量となるように燃料供給部が制御される。これにより、燃焼部に供給されるガスの酸素比を精度高くより確実に判定酸素比にすることができる。このため、燃焼部で確実に不完全燃焼を発生させることができ、燃焼部で燃焼されなかった可燃成分をより確実に燃焼触媒に導入させることができる。よって、燃焼触媒の触媒反応の低下をより確実に判定することができる。
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の発明において前記燃料供給部が供給する前記燃料の流量に基づいて、前記酸素比が前記判定定酸素比に低下する前記燃料電池から掃引される電流である指示電流を演算する指示電流演算部と、前記燃料供給部が供給する前記燃料の流量及び前記指示電流演算部によって演算された前記指示電流に基づいて、前記酸素比が前記判定定酸素比に低下する前記酸化剤ガスの流量である指示酸化剤ガス流量を演算する指示酸化剤ガス流量演算部と、を有し、前記酸素比変更部は、前記燃料電池から掃引される前記掃引電流が前記指示電流となるように前記掃引電流変更部を制御するとともに、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量が前記指示酸化剤ガス流量となるように前記酸化剤ガス供給部を制御する。このように、酸素比が判定酸素比となる指示電流が演算されて、燃料電池から掃引される掃引電流が指示電流に変更され、酸素比が判定酸素比となる指示酸化剤ガス流量が演算されて、酸化剤ガス供給部が供給する酸化剤ガスの流量が指示酸化剤ガス流量に変更される。これにより、燃焼部に供給されるガスの酸素比を精度高くより確実に判定酸素比にすることができる。このため、燃焼部で確実に不完全燃焼を発生させることができ、燃焼部で燃焼されなかった可燃成分をより確実に燃焼触媒に導入させることができる。よって、燃焼触媒の触媒反応の低下をより確実に判定することができる。
請求項５に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記改質部の温度を検出する改質部温度検出部を有し、前記指示燃料流量演算部は、前記改質部温度検出部によって検出された前記改質部の温度に基づいて、前記指示燃料流量を演算する。これにより、指示燃料流量演算部は、改質部の温度に基づいて、改質部によって生成された燃料の組成を演算することができる。そして、指示燃料流量演算部は、演算された燃料の組成に基づいて、指示燃料流量を演算する。これにより、燃料の組成に基づかない場合と比較して、より精度高く、燃焼部に供給されるガスの酸素比が判定酸素比となる指示燃料流量が演算される。このため、燃焼部に供給されるガスの酸素比をより確実に判定酸素比にすることができ、燃焼部でより確実に不完全燃焼を発生させることができ、燃焼部で燃焼されなかった可燃成分をより確実に燃焼触媒に導入させることができる。よって、燃焼触媒の触媒反応の低下をより確実に判定することができる。
請求項６に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記改質部の温度を検出する改質部温度検出部を有し、前記指示電流演算部は、前記改質部温度検出部によって検出された前記改質部の温度に基づいて、前記指示電流を演算する。これにより、改質部の温度に基づいて、改質部によって生成された燃料の組成を演算することができる。そして、指示電流演算部は、演算された燃料の組成に基づいて、指示電流演算する。これにより、燃料の組成に基づかない場合と比較して、より精度高く、燃焼部に供給されるガスの酸素比が判定酸素比となる指示燃料流量が演算される。このため、燃焼部に供給されるガスの酸素比をより確実に判定酸素比にすることができ、燃焼部でより確実に不完全燃焼を発生させることができ、燃焼部で燃焼されなかった可燃成分をより確実に燃焼触媒に導入させることができる。よって、燃焼触媒の触媒反応の低下をより確実に判定することができる。
請求項７に係る発明は、請求項１〜請求項６に記載の発明において、前記温度検出部は、前記燃焼触媒から排気される排気ガスの温度又は前記燃焼触媒の温度を検出し、前記判定部は、前記酸素比変更部によって前記酸素比が変更された場合に、前記温度検出部によって検出された温度が判定温度未満の場合に、前記燃焼触媒の触媒反応が低下していると判定する。これにより、酸素比の変更に伴い、燃焼触媒に導入される未燃焼の可燃成分の流量が増大され、温度検出部によって検出された排気ガスの温度又は前燃焼触媒の温度が判定温度に達しない場合に、触媒反応が低下していると判定される。このように、温度検出部を複数設けなくても、燃焼触媒の触媒反応の低下を判定することができる。このため、燃料電池システムの製造コストの増大を抑制することができる。
請求項８に係る発明は、請求項１〜請求項６に記載の発明において、前記温度検出部は、前記燃焼触媒から排気される排気ガスの温度又は前記燃焼触媒の温度を検出する第一温度検出部と、前記燃焼触媒に導入される前記燃焼ガスの温度を検出する第二温度検出部と、から構成され、前記判定部は、前記酸素比変更部によって前記酸素比が変更された場合に、前記第一温度検出部によって検出された温度から、前記第二温度検出部によって検出された温度を減算した温度差が、規定温度差未満である場合に、前記燃焼触媒の触媒反応が低下していると判定する。このように、燃焼触媒から排気される排気ガスの温度又は燃焼触媒の温度から燃焼触媒に導入される燃焼ガスの温度を減算した温度差によって、燃焼触媒の触媒反応が低下しているか否かが判定される。これにより、燃焼ガスの温度の高低に関わらす、燃焼触媒に導入される可燃成分の流量の増大に伴う燃焼触媒の温度の上昇を確実に検出することができる。このため、燃焼触媒の触媒反応が低下しているか否かをより、精度高く判定することができる。
本発明による燃料電池システムの一実施形態（第一実施形態）の概要を示す概要図である。 燃焼部に導入される混合ガスの酸素比λと燃焼触媒から排気される排気ガスの温度Ｔ２の関係を表したグラフである。 燃焼部に導入される混合ガスの酸素比λを演算する方法の概要を示した説明図である。 改質部の温度と改質ガス組成との関係を示したマッピングデータである。 図１に示す制御装置で実行される「第一触媒反応低下判定処理」のフローチャートである。 図１に示す制御装置で実行される「第二触媒反応低下判定処理」のフローチャートである。 第二実施形態の燃料電池システムの概要を示す概要図である。
以下、本発明による燃料電池システム１００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１００は、発電ユニット１０及び貯湯槽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、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５、及び報知部１７を備えている。
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、及び燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部３２は、後述する燃焼部３６によって燃焼された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。
蒸発部３２には、改質用原料供給管１１ａの一端が接続されている。改質用原料供給管１１ａの他端には、供給源Ｇｓが接続されている。供給源Ｇｓは、改質用原料を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る。改質用原料として天然ガスを用いた実施形態について、本実施形態の燃料電池システム１００を説明する。
改質用原料供給管１１ａには、上流から順番に遮断弁１１ａ１、脱硫器１１ａ２、改質用原料流量センサ１１ａ３、バッファタンク１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５、及び逆止弁１１ａ６が設けられている。遮断弁１１ａ１は改質用原料供給管１１ａを制御装置１５の指令によって開閉自在に遮断する弁（２連弁）である。脱硫器１１ａ２は改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。改質用原料流量センサ１１ａ３は、蒸発部３２に供給されている改質用原料の流量、すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。バッファタンク１１ａ４は、原料ポンプ１１ａ５の脈動により改質用原料流量センサ１１ａ３の精度低下や真値からの逸脱を抑制するものである。
原料ポンプ１１ａ５は、改質用原料を蒸発部３２に供給することにより、燃料電池３４に改質ガス（燃料）を供給する供給装置であり、制御装置１５からの制御指令値によって供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。逆止弁１１ａ６は、原料ポンプ１１ａ５と燃料電池モジュール１１（蒸発部３２）との間に配設されており、原料ポンプ１１ａ５から燃料電池モジュール１１への流れを許容するがその反対方向の流れを禁止するものである。
蒸発部３２には、水供給管１１ｂの一端が接続されている。水供給管１１ｂの他端には、水タンク１４に接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。このような構成によって、水タンク１４から改質水が蒸発部３２に供給される。
燃料電池３４には、カソードエア供給管１１ｃの一端が接続されている。カソードエア供給管１１ｃの他端には、カソードエアブロワ１１ｃ１が接続されている。このような構成によって、カソードエアが燃料電池３４に供給される。カソードエア供給管１１ｃのカソードエアブロワ１１ｃ１の下流側には、燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量を検出するカソードエア流量センサ１１ｃ２が設けられている。
改質部３３は、後述する燃焼部３６によって燃焼され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から供給された原料ガス（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、原料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）。すなわち、改質部３３では、下記化１及び化２に示す反応が生じている。
（化１）ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
（化２）Ｈ２Ｏ＋ＣＯ⇔Ｈ２＋ＣＯ２
このように生成された改質ガスは、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。
改質部３３には、改質部３３の温度Ｔ１（触媒の温度）を検出する、改質部温度センサ３３ａが設けられている。改質部温度センサ３３ａの検出結果（出力信号）は制御装置１５に送信される。
燃料電池３４は、改質部３３によって生成された改質ガス（燃料）とカソードエアブロワ１１ｃ１によって供給されたカソードエア（酸化剤ガス）によって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）、及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、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。
燃料極では、下記化３及び化４に示す反応が生じている。
（化３）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（化４）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
空気極では、下記化５に示す反応が生じている。
（化５）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２ −
すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が電界質を透過し、燃料極で水素と反応することによって電気エネルギーを発生させている。
なお、燃料電池３４の動作温度は４００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。
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及び改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４から排気される可燃成分を含むアノードオフガス（燃料オフガス）を、燃料電池３４から排気されるカソードオフガス（酸化剤オフガス）で燃焼させて、燃焼後に発生する燃焼ガスによって蒸発部３２及び改質部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。
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される排気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、排気ガスと貯湯水とを熱交換させる装置である。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１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循環ポンプ２２ａ及び熱交換器１２が配設されている。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からの排気ガスは、排気ガス導入部１２ｂ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て冷却され、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮され凝縮水が生成される。熱交換後の排気ガスは排気管１２ｃを通り、筐体１０ａに設けられた第一排気口１０ｂを通って、筐体１０ａの外部に排出される。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。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及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。
熱交換器１２の排気ガス導入部１２ｂの入口がケーシング３１に接続されている部分、すなわちケーシング３１の導出口３１ａには、燃焼触媒２８が設けられている。燃焼触媒２８には、燃焼部３６から排気される燃焼ガスが導入される。燃焼触媒２８は、燃焼ガスに含まれる燃焼部３６において未燃焼の可燃成分（例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など）を触媒反応によって燃焼させる。燃焼触媒２８には、プラチナやパラジウムなどの貴金属をセラミックの単体などに担持させたものが含まれる。なお、燃焼触媒２８は、水素、メタンガス、一酸化炭素などの可燃成分を火炎燃焼でなく触媒反応によって燃焼させる、燃焼速度が大きく、燃焼効率も高いため未燃焼ガスの排出を抑制することができる。
燃焼触媒２８には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃成分を燃焼させるための燃焼触媒ヒータ２８ａが設けられている。燃焼触媒ヒータ２８ａは制御装置１５の指示によって加熱され、システム起動前に燃焼触媒２８を活性温度まで上昇させるために使用されるものである。また、燃焼触媒２８の直下流位置には、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２を検出するための温度センサ２８ｂ（温度検出部）が設けられている。温度センサ２８ｂの検出結果（出力信号）は制御装置１５に送信される。
インバータ装置１３は、燃料電池３４によって発電された電流を掃引する。この電流を以下に、掃引電流と呼ぶ。そして、インバータ装置１３は、掃引した直流電流である掃引電流を交流電流に変換し、当該交流電を交流の系統電源１６ａ及び外部電力負荷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。インバータ装置１３は、掃引電流の電流値を検出することができ、掃引電流量を増減させることができる。インバータ装置１３には、系統電源１６ａからの交流電流が電源ライン１６ｂを介して入力される。そして、インバータ装置１３は、入力された交流電流を所定の直流電流に変換して補機（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、燃料電池システム１００を統括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１００の運転を制御する。制御装置１５は、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の蒸発部３２への流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５が蒸発部３２に供給する改質用原料の流量をフィードバック制御する。また、制御装置１５は、カソードエア流量センサ１１ｃ２によって検出されたカソードエアの燃料電池３４への流量に基づいて、カソードエアブロワ１１ｃ１が燃料電池３４に供給するカソードエアの流量をフィードバック制御する。なお、制御装置１５は、リニア電流制御によって、原料ポンプ１１ａ５を駆動するモータ（不図示）や、カソードエアブロワ１１ｃ１を駆動するモータ（不図示）に供給する電流量を調整する。ここでいうリニア電流制御とは、原料ポンプ１１ａ５を駆動する電圧デューティー比を変更し、実効電流を除変させるＰＷＭ制御が含まれる。
制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ５によって蒸発部３２に供給される改質用原料の流量を調整するとともに、改質水ポンプ１１ｂ１によって蒸発部３２に供給される改質水の流量を調整し、更に、カソードエアブロワ１１ｃ１によって燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量を調整することによって、燃料電池３４で発電される発電電力を調整するとともに、燃焼部３６で発生した熱量を調整して、蒸発部３２及び改質部に供給される熱量を調整する。
（触媒反応低下判定方法の説明）
以下に、図２に示すグラフを用いて、燃焼触媒２８の触媒反応が低下したか否かを判定する方法について説明する。図２は、燃焼部３６に導入されるアノードオフガスとカソードオフガスの混合物である混合ガスの酸素比λと燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２との関係を表したグラフである。
図２において、酸素比λとは、下式（１）に示す値である。
λ＝Ａ／Ｂ…（１）
λ＝酸素比
Ａ＝燃焼部３６に実際に導入された酸素流量
Ｂ＝アノードオフガスに含まれる可燃成分を完全燃焼させるために必要な理想的な酸素流量
燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが、燃焼部３６で混合ガスの不完全燃焼が開始される不完全燃焼開始酸素比λ０（例えば１．２）よりも低くなると、燃焼部３６においてアノードオフガスが不完全燃焼する。すると、燃焼部３６から排気されて燃焼触媒２８に導入される燃焼ガスに含まれる可燃成分の流量が増大する。そして、燃焼触媒２８に導入された燃焼ガスに含まれる可燃成分が、燃焼触媒２８において燃焼するので、図２の１に示すように、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが不完全燃焼開始酸素比λ０よりも高い場合と比べて、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２が上昇する。
一方で、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが不完全燃焼開始酸素比λ０よりも高い場合には、燃焼部３６においてアノードオフガスが殆ど燃焼する。すると、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが不完全燃焼開始酸素比λ０より低い場合と比べて、燃焼触媒２８に導入される可燃成分の流量は少なくなり、燃焼触媒２８において可燃成分が燃焼することに起因する発熱量が小さくなり、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２も低下する。
このような図２に示す特性を用いて、本発明では、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを不完全燃焼開始酸素比λ０より低い判定酸素比λａに低下させて、燃焼触媒２８に導入される燃焼ガスに含まれる可燃成分の流量を増大させる。そして、燃焼触媒２８の温度が判定温度Ｔ２ａ以上に上昇するか否かによって、燃焼触媒２８の燃焼反応が低下しているか否かを判定する。つまり、燃焼触媒２８のおける触媒反応が低下している場合には、燃焼触媒２８に導入される燃焼ガスに含まれる可燃成分の流量が増大しても、当該可燃成分が燃焼触媒２８における触媒反応によって完全に燃焼されないので、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２が燃焼触媒２８の触媒反応が低下していない場合と比較して上昇しない。この原理を用いて、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが不完全燃焼開始酸素比λ０より低い判定酸素比λａに低下されても、燃焼触媒２８の温度が判定温度Ｔ２ａ以上に上昇しなかった場合には、燃焼触媒２８の触媒反応が低下していると判定する。
（酸素比λの演算方法）
次に、図３及び図４を用いて、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを演算する方法について以下に順次説明する。
（１） 改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の流量に基づいて、改質部３３から流出する改質ガスの流量が演算される。
（２） 改質部温度センサ３３ａによって検出された改質部３３の温度に基づいて、図４に示すマッピングデータを参照して、改質ガスの組成を演算する。なお、図４に示すように、改質部３３の温度が高くなるに従って、改質ガス中に含まれるメタン（ＣＨ４）の割合は少なくなる。また、改質部３３の温度が高くなるに従って、改質ガス中に含まれる水素（Ｈ２）の割合は多くなる。また、改質部３３の温度が高くなるに従って、改質ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）の割合は多くなるが、水素の割合よりもより多くならない。
（３） （１）で演算された改質ガスの流量と、（２）で演算された改質ガスの組成に基づいて、改質部３３から燃料電池３４に供給される改質ガスの各可燃成分の流量が演算される。
（４） 燃料電池３４から掃引される掃引電流に基づいて、燃料電池３４で消費される水素の流量が演算される。
（５） （３）で演算された燃料電池３４に供給される改質ガスの各可燃成分の流量と、（４）で演算された燃料電池３４で消費される水素の流量に基づいて、燃料電池３４から燃焼部３６に供給されるアノードオフガスの各可燃成分の流量が演算される。つまり、改質ガスに含まれる水素の流量から燃料電池３４で消費される水素の流量が減算されて、アノードオフガスに含まれる水素の流量が演算される。そして、改質ガスの可燃成分のうち水素を除いた各可燃成分の流量が、アノードオフガスの可燃成分のうち水素を除いた各可燃成分の流量として演算される。
（６） （５）で演算されたアノードオフガスの各可燃成分の流量に基づいて、燃焼部３６に供給されるアノードオフガスを完全燃焼させるのに必要な理想的な酸素量が演算される。
（７） 燃料電池３４から掃引される掃引電流に基づいて、燃料電池３４で消費される酸素の流量が演算される。
（８） カソードエア流量センサ１１ｃ２によって検出されたカソードエアの流量と、（７）で演算された燃料電池３４で消費される酸素の流量に基づいて、燃料電池３４から燃焼部３６に供給されるカソードオフガスに含まれる酸素流量が演算される。つまり、カソードエアに含まれる酸素の流量から、燃料電池３４で消費される酸素の流量が減算されて、カソードオフガスに含まれる酸素流量が演算される。
（９） （８）で演算されたカソードオフガスに含まれる酸素流量を、（６）で演算されたアノードオフガスを完全燃焼させるのに必要な理想的な酸素量で除算することによって、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが演算される。
以下に、燃焼触媒２８に触媒反応の低下を判定する具体的な方法について説明する。
（第一触媒反応低下判定処理）
以下に図５に示すフローチャートを用いて、「第一触媒反応低下判定処理」について説明する。「第一触媒反応低下判定処理」は、燃料電池３４から掃引される掃引電流、及び燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量を保ったまま、蒸発部３２に供給される改質用原料の流量を増大させて、つまり、燃料電池３４に供給される改質ガスの流量を増大させることにより燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λを判定酸素比λａとして、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かを判定する方法である。燃料電池システムが起動すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１１に進める。
ステップＳ１１において、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ５、カソードエアブロワ１１ｃ１、及び改質水ポンプ１１ｂ１を制御することにより、燃料電池３４において発電を開始させる。ステップＳ１１が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１２に進める。
ステップＳ１２において、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、改質部温度センサ３３ａによって検出された改質部３３の温度に基づいて、図４に示すマッピングデータを参照することにより、改質部３３から燃料電池３４に供給される改質ガスの組成の演算を開始する（図３の２）。ステップＳ１２が終了すると、制御装置１５は、プログラムをＳ１３に進める。
ステップＳ１３において、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、インバータ装置１３によって燃料電池３４から掃引されている掃引電流に基づいて、燃料電池３４において消費される水素の流量の演算を開始する（図３の４）。ステップＳ１３が終了すると、制御装置１５は、プログラムをＳ１４に進める。
ステップＳ１４において、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、インバータ装置１３によって燃料電池３４から掃引されている掃引電流に基づいて、燃料電池３４において消費される酸素の流量の演算を開始する（図３の７）。次に、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、カソードエア流量センサ１１ｃ２によって検出されたカソードエアの流量、燃料電池３４において消費される酸素の流量に基づいて、燃料電池３４から燃焼部３６に供給されるカソードオフガスに含まれる酸素の流量の演算を開始する（図３の８）。ステップＳ１４が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２１に進める。
ステップＳ２１において、制御装置１５は、タイマーＴＭのカウントを開始させる。ステップＳ２１が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２２に進める。
ステップＳ２２において、制御装置１５は、タイマーＴＭが規定時間ＴＭａ（例えば１日）を経過したと判断した場合には（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、プログラムをＳ２３に進める。一方で、制御装置１５は、タイマーＴＭが規定時間ＴＭａを経過していないと判断した場合には（ステップＳ２２：ＮＯ）、ステップＳ２２の処理を繰り返す。
ステップＳ２３において、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、図３を用いて説明した上述の方法によって、ステップＳ１２で演算を開始した改質ガスの組成、ステップＳ１３で演算を開始した燃料電池３４での消費水素流量、及びステップＳ１４で演算したカソードオフガスに含まれる酸素の流量に基づいて、判定酸素比λａとなる指示原料流量Ｆａを演算する。なお、判定酸素比λａは、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かを判定する際における、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比である。また、判定酸素比λａは、燃焼触媒２８の触媒反応が低下していない場合に、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａにされると、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２が判定温度Ｔ２ａとなるような値である。なお、判定酸素比λａは、１以上であることが好ましい。燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが、１未満の判定酸素比λａにされると、燃焼部３６において可燃成分が不完全燃焼することに起因する煤が発生し、当該煤によって、燃焼部３６よりも下流側の流通路が閉塞されてしまうおそれがあるからである。また、指示原料流量Ｆａは、燃料電池３４から掃引される掃引電流、及び燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量が保たれたまま、判定酸素比λａとなるような原料ポンプ１１ａ５が供給する改質用原料の流量である。ステップＳ２３が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２４に進める。
ステップＳ２４において、制御装置１５（酸素比変更部）は、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出される改質用原料の流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５が供給する改質用原料の流量がステップＳ２３で演算された指示原料流量Ｆａとなるように、原料ポンプ１１ａ５をフィードバック制御する。この制御によって、ステップＳ２４が実行される前と比較して、原料ポンプ１１ａ５が供給する改質用原料の流量が増大する。なお、制御装置１５（酸素比変更部）は、原料ポンプ１１ａ５が供給している改質用原料の流量が、所定時間（例えば数十秒）後に指示原料流量Ｆａに徐々に増加されるように、原料ポンプ１１ａ５を制御する。これにより、改質用原料の流量の急激な増加によって、燃焼部３６において、火炎の一部が消える部分吹き消えの発生や、火炎の全部が消える完全吹き消えの発生が防止される。このステップＳ２４の処理によって、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが徐々に判定酸素比λａとなる。また、制御装置１５は、改質水ポンプ１１ｂ１によって蒸発部３２に供給されている改質水の流量を、ステップＳ２４の処理が開始される前と比べて所定流量増大させる。これにより、蒸発部３２に供給される改質用原料の流量の増大に伴う、改質部３３内でのコーキングの発生が防止される。ステップＳ２４が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２５に進める。
ステップＳ２５において、制御装置１５（判定部）は、温度センサ２８ｂによって検出された燃焼触媒２８から排気された排気ガスの温度Ｔ２が、判定温度Ｔ２ａ未満であると判断した場合には（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ４１に進める。一方で、制御装置１５（判定部）は、温度センサ２８ｂによって検出された燃焼触媒２８から排気された排気ガスの温度Ｔ２が、判定温度Ｔ２ａ以上であると判断した場合には（ステップＳ２５：ＮＯ）、プログラムをステップＳ３１に進める。なお、燃焼触媒２８の触媒反応が低下していない場合には、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａにされると、図２の実線に示すように、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２が、判定温度Ｔ２ａ以上となり、ステップＳ２５においてＮＯと判断される。一方で、燃焼触媒２８の触媒反応が低下している場合には、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａにされても、図２の破線に示すように、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２が、判定温度Ｔ２ａ未満となり、ステップＳ２５においてＹＥＳと判断される。
ステップＳ３１において，制御装置１５は、タイマーＴＭをリセットして、プログラムをステップＳ２１に進める。
ステップＳ４１において、制御装置１５（判定部）は、ステップＳ２５において最初にＹＥＳと判断されてから、第二規定時間ＴＭｂ（例えば数秒〜数十秒）が経過したと判断した場合には（ステップＳ４１：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ４２に進める。一方で、制御装置１５（判定部）は、ステップＳ２５において最初にＹＥＳと判断されてから、第二規定時間ＴＭｂが経過していないと判断した場合には（ステップＳ４１：ＮＯ）、プログラムをステップＳ２５に戻す。
ステップＳ４２において、制御装置１５（判定部）は、燃焼触媒２８において、触媒反応が低下していると判定し、プログラムをステップＳ４３に進める。
ステップＳ４３において、制御装置１５は、報知部１７において、燃焼触媒２８において触媒反応が低下している旨の異常を報知させる。ステップＳ４３が終了すると、「第一触媒反応低下判定処理」が終了する。
（本実施形態の効果）
以上の説明から明らかなように、燃焼触媒２８に導入される未燃焼の可燃成分の流量が増大されると、燃焼触媒２８の触媒反応が低下していない場合には、可燃成分が燃焼触媒２８で完全燃焼されて、可燃成分の流量が増大される前と比べて、燃焼触媒２８の温度が上昇する。一方で、燃焼触媒２８に導入される未燃焼の可燃成分の流量が増大されたにも関わらず、可燃成分の流量が増大される前と比べて、燃焼触媒２８の温度が上昇しない場合、又は燃焼触媒２８の温度が殆ど上昇しない場合には、燃焼触媒２８の触媒反応が低下していることに起因して、可燃成分が燃焼触媒２８で燃焼されず、又は可燃成分が燃焼触媒２８で不完全燃焼されている状態である。このような原理を用いて、制御装置１５（判定部）は、燃焼部３６から燃焼触媒２８に導入される未燃焼の可燃成分の流量が増大された場合に（図５のステップＳ２４）、温度センサ２８ｂによって検出された燃焼触媒２８から排気された排気ガスの温度Ｔ２に基づいて、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かを判定することができる（ステップＳ２５、ステップＳ４１、ステップＳ４２）。よって、燃焼触媒２８を備えた燃料電池システム１００において、燃焼触媒２８の触媒反応の低下を検知することができる。
このように、温度センサ２８ｂによって検出された燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２に基づいて、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かが判定される。これにより、燃料電池システム１００に、燃焼触媒２８から排気される排気ガスに含まれる水素や一酸化炭素を検出するセンサを設けなくても、温度センサ２８ｂを設けるだけで、燃焼触媒２８の触媒反応の低下を検知することができる。このため、燃料電池システムの製造コストの増大を抑制することができる。
また、燃料電池システム１００の運転中において、燃焼部３６から燃焼触媒２８に導入される未燃焼の可燃成分の流量を増大させて、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度に基づいて、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かが判定される。このため、燃料電池システム１００を停止させなくても、燃料電池システム１００で発電及び貯湯水の生成を継続させながら、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かを判定することができる。
また、制御装置１５（酸素比変更部）は、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、燃焼部３６において可燃成分の不完全燃焼が発生する不完全燃焼開始酸素比λ０より低い判定酸素比λａに低下させる（図５のステップＳ２４）。これにより、燃焼部３６において不完全燃焼が発生し、燃焼部３６で燃焼されなかった可燃成分を確実に燃焼触媒２８に導入させることができる。このため、燃焼触媒２８の触媒反応の低下を確実に判定することができる。
また、制御装置１５（酸素比変更部）は、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを判定酸素比λａにする前と比べて、原料ポンプ１１ａ５（燃料供給部）が供給する改質用原料（燃料）の流量を増大させて、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを判定酸素比λａにする（図５のステップＳ２４）。これにより、燃焼部３６に供給される可燃成分の流量を確実に増大させることができ、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを判定酸素比λａにすることができる。このため、燃焼部３６において不完全燃焼を発生させることができ、燃焼部３６で燃焼されなかった可燃成分を確実に燃焼触媒２８に導入させることができる。よって、燃焼触媒２８の触媒反応の低下を確実に判定することができる。また、酸素比λを低下させるに際し、酸化剤ガスの供給量を減少させるのでなく改質用原料の供給量を増加させているので、燃料電池３４での酸素不足等により燃料電池システム１００が停止してしまうことを防止することができ、燃料電池システム１００の運転を継続しながら燃焼触媒２８の触媒反応の低下を判定することができる。
また、制御装置１５（酸素比変更部）は、燃料電池３４から掃引される掃引電流を一定に保った状態で、原料ポンプ１１ａ５（燃料供給部）が供給する改質用原料（燃料）の流量を増大させて、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを判定酸素比λａにして（図５のステップＳ２４）、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かを判定している。これにより、燃料電池３４から掃引される掃引電流が減少しないので、外部電力負荷１６ｃに供給される電流が不足しない。
また、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、燃料電池３４から掃引される電流である掃引電流と、燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量に基づいて、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａとなる改質用原料の流量である指示原料流量Ｆａ（指示燃料流量）を演算する（図５のステップＳ２３）。そして、制御装置１５（酸素比変更部）は、原料ポンプ１１ａ５が供給する改質用原料の流量が指示原料流量Ｆａとなるように原料ポンプ１１ａ５を制御する（図５のステップＳ２４）。これにより、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λを精度高く確実に判定酸素比λａにすることができる。このため、燃焼部３６で確実に不完全燃焼を発生させることができ、燃焼部３６で燃焼されなかった可燃成分をより確実に燃焼触媒２８に導入させることができる。よって、燃焼触媒２８の触媒反応の低下をより確実に判定することができる。
制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、改質部温度センサ３３ａ（改質部温度検出部）によって検出された改質部３３の温度Ｔ１に基づいて、指示原料流量Ｆａを演算する（図５のステップＳ２３）。つまり、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、改質部３３の温度Ｔ１に基づいて、改質部３３によって生成された改質ガスの組成を演算する（図２の２、図５のステップＳ１２）。そして、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、演算された改質ガスの組成に基づいて、指示原料流量Ｆａを演算する。これにより、改質ガスの組成に基づかない場合と比較して、より精度高く、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａとなる指示原料流量Ｆａが演算される。このため、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λをより判定酸素比λａにすることができる。
このように、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λが精度高く確実に判定酸素比λａにされる。これにより、酸素比λが過剰に低下される（例えば１未満）ことに起因する燃焼部３６での煤の発生が防止される。
本実施形態では、制御装置１５（判定部）は、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａに変更された場合に、単一の温度センサ２８ｂ（温度検出部）によって検出された排気ガスの温度Ｔ２が判定温度Ｔ２ａに達しない時間が第二規定時間ＴＭｂを経過した場合に（図５のステップＳ２６でＹＥＳと判断）、燃焼触媒２８の触媒反応が低下していると判定する（ステップＳ４２）。このように、温度センサ２８ｂを複数設けなくても、燃焼触媒２８の触媒反応の低下を判定することができる。このため、燃料電池システムの製造コストの増大を抑制することができる。
（第二触媒反応低下判定処理）
以下に、図６に示すフローチャートを用いて、「第一触媒反応低下判定処理」と異なる点について、「第二触媒反応低下判定処理」について説明する。なお、「第二触媒反応低下判定処理」各処理について、「第一触媒反応低下判定処理」と同一の処理については、「第一触媒反応低下判定処理」と同一のステップ番号を付して、その説明を省略する。「第二触媒反応低下判定処理」は、蒸発部３２に供給される改質用原料の流量を保ったまま、つまり、燃料電池３４に供給される改質ガスの流量を保ったまま、燃料電池３４から掃引される掃引電流、及び燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量を減少させることにより、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λを判定酸素比λａにして、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かを判定する方法である。
ステップＳ１２に変えて、ステップＳ２１２が実行される。ステップＳ２１２において、制御装置１５（指示電流演算部、指示酸化剤ガス流量演算部）は、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された蒸発部３２に供給されている改質用原料の流量に基づいて、改質部３３から燃料電池３４に供給される改質ガスの流量の演算を開始する（図３の１）。また、制御装置１５（指示電流演算部、指示酸化剤ガス流量演算部）は、ステップＳ１２と同様の方法によって、改質部３３から燃料電池３４に供給される改質ガスの組成の演算を開始する（図３の２）。次に、制御装置１５（指示電流演算部、指示酸化剤ガス流量演算部）は、図３を用いて説明した上述の方法によって、燃料電池３４に供給される改質ガスの流量及び当該改質ガスの組成に基づいて、燃料電池３４に供給される改質ガスの各可燃成分の流量の演算を開始する（図３の３）。ステップＳ２１２が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２１に進める。
ステップＳ２３に変えて、ステップＳ２２３が実行される。ステップＳ２２３において、制御装置１５は（指示電流演算部、指示酸化剤ガス流量演算部）は、図３を用いて説明し上述の方法によって、ステップＳ２１２で演算された改質ガスの各可燃成分の流量に基づいて、判定酸素比λａとなる、燃料電池３４から掃引される掃引電流である指示電流Ｉａ及び指示カソードエア流量Ｆｂを演算する。掃引電流が現在の掃引電流値よりも低い指示電流Ｉａにされれば、燃料電池３４で消費される水素の流量及び酸素の流量が減少する。そして、燃料電池３４に供給される改質ガスの流量が保たれた状態で、燃料電池３４で消費される酸素の流量の減少分に相当するカソードエアの流量が減少されれば、燃料電池３４で消費される水素の流量だけが減少して、燃焼部３６の供給される混合ガスに含まれる水素の流量が増加して、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λが低下する。このような手法を用いて、制御装置１５は、指示電流Ｉａ及び指示カソードエア流量Ｆｂを演算する。ステップＳ２２３が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２２４に進める。
ステップＳ２２４において、制御装置１５（酸素比変更部）は、燃料電池３４からの掃引電流が、所定時間（例えば数秒〜数十秒）をかけて、ステップＳ２２３において演算された指示電流Ｉａに徐変されるように、インバータ装置１３を制御する。これと同時に、制御装置１５（酸素比変更部）は、カソードエア流量センサ１１ｃ２によって検出されたカソードエアの流量に基づいて、燃料電池３４に供給されているカソードエアの流量が、所定時間（例えば数秒〜数十秒）をかけて、ステップＳ２２３において演算された指示カソードエア流量Ｆｂに徐変されるように、カソードエアブロワ１１ｃ１をフィードバック制御する。このように、掃引電流及びカソードエアの流量が徐変されることによって、燃焼部３６に供給される混合ガスの流量及び可燃成分の急激な変更に起因する燃焼部３６における部分吹き消えの発生や完全吹き消えの発生が防止される。このステップＳ２２４の処理によって、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが徐々に判定酸素比λａとなる。ステップＳ２２４が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２５に進める。
このように、制御装置１５（酸素比変更部）は、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λを判定酸素比λａにする前と比べて、掃引電流が減少するようにインバータ装置１３（掃引電流変更部）を制御するとともに、掃引電流の減少に応じたカソードエア（酸化剤ガス）の流量分だけカソードエアの流量が減少するようにカソードエアブロワ１１ｃ１（酸化剤ガス供給部）を制御して、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λを判定酸素比λａにする（図６のステップＳ２２４）。
これにより、掃引電流が減少することによって、燃料電池３４で消費される水素の流量が減少し、これに伴い、燃焼部３６に導入される水素の流量が増大する。また、掃引電流が減少することによって、燃料電池３４で消費される酸素の流量も減少するが、掃引電流の減少に応じたカソードエアの流量分だけカソードエアの流量が減少することによって、燃焼部３６に供給される酸素の流量は増加しない。これにより、燃焼部３６に供給される酸素の流量が増加されず、燃焼部３６に供給される可燃成分の流量を確実に増大させることができ、燃焼部３６に導入されるガスの酸素比を判定酸素比λａにすることができる。このため、燃焼部３６で不完全燃焼を発生させることができ、燃焼部３６で燃焼されなかった可燃成分を確実に燃焼触媒２８に導入させることができる。よって、燃焼触媒２８の触媒反応の低下を確実に判定することができる。
このように、改質用原料の流量を増大させずに、燃焼部３６に導入されるガスの酸素比が判定酸素比λａにされ、燃焼触媒２８の触媒反応の低下が低下しているか否かが判定される。これにより、改質用原料の流量の増大に起因する燃料電池モジュール１１の過熱が防止される。
制御装置１５（指示電流演算部）は、原料ポンプ１１ａ５が供給する改質用原料の流量に基づいて、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａとなる燃料電池３４から掃引される電流である指示電流Ｉａを演算する（図６のステップＳ２２３）。そして、制御装置１５（指示酸化剤ガス流量演算部）は、原料ポンプ１１ａ５が供給するカソードエアの流量及び演算された指示電流Ｉａに基づいて、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａとなるカソードエアの流量である指示カソードエア流量Ｆｂ（指示酸化剤ガス流量）を演算する（図６のステップＳ２２３）。そして、制御装置１５（酸素比変更部）は、燃料電池３４から掃引される掃引電流が指示電流Ｉａとなるようにインバータ装置１３を制御するとともに、燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量が指示カソードエア流量Ｆｂとなるように原料ポンプ１１ａ５を制御する（図６のステップＳ２２４）。
このように、混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａとなる指示電流Ｉａが演算されて、燃料電池３４から掃引される掃引電流が指示電流Ｉａに変更され、混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａなる指示カソードエア流量Ｆｂが演算されて原料ポンプ１１ａ５が供給するカソードエアの流量が指示カソードエア流量Ｆｂに変更される。これにより、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λを精度高く確実に判定酸素比λａにすることができる。このため、燃焼部３６で確実に不完全燃焼を発生させることができ、燃焼部３６で燃焼されなかった可燃成分をより確実に燃焼触媒２８に導入させることができる。よって、燃焼触媒２８の触媒反応の低下をより確実に判定することができる。
また、制御装置１５（指示電流演算部）は、改質部温度センサ３３ａ（改質部温度検出部）によって検出された改質部３３の温度Ｔ１に基づいて、指示電流Ｉａを演算する。つまり、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、改質部３３の温度Ｔ１に基づいて、改質部３３によって生成された改質ガスの組成を演算する（図２の２、図６のステップＳ２１２）。そして、制御装置１５（指示燃料流量演算部）は、演算された改質ガスの組成に基づいて、指示電流Ｉａを演算する。これにより、改質ガスの組成に基づかない場合と比較して、より精度高く、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが判定酸素比λａとなる指示原料流量Ｆａが演算される。このため、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λをより確実に判定酸素比λａにすることができる。
（別の実施形態）
以上説明した実施形態では、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを不完全燃焼開始酸素比λ０よりも低い判定酸素比λａにして、燃焼部３６においてアノードオフガスを不完全燃焼させて、燃焼部３６から燃焼触媒２８に導入される燃焼ガスに含まれる可燃成分の流量を増大させて、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かを判定している。しかし、図２に示すように、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、通常運転時の酸素比λ（例えば１．６）よりも高い第二判定酸素比λａ２以上にして、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かを判定してする実施形態であっても差し支え無い。
燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが、第二判定酸素比λａ２以上にされると、酸素の流量に対してアノードオフガスに含まれる可燃成分の流量が少なすぎて過ぎて（燃料リーン状態）、燃焼部３６での燃焼が一部又は全部停止する。すると、燃焼触媒２８に導入される燃焼ガスに含まれる可燃成分の割合が飛躍的に増大する。もし、燃焼触媒２８の触媒反応が低下していない場合には、可燃成分が燃焼触媒２８で燃焼される。すると、図２の実線に示すように、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２が第二判定温度Ｔ２ｂに上昇し（図２の２示）、燃焼触媒２８の触媒反応が低下していないと判定される。一方で、燃焼触媒２８の触媒反応が低下している場合には、可燃成分が燃焼触媒２８で完全に燃焼されない。このため、図２の破線に示すように、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２が、殆ど上昇することなく、第二判定温度Ｔ２ｂ未満となり、燃焼触媒２８の触媒反応が低下していると判定される。
以上説明した実施形態では、温度センサ２８ｂ（温度検出部）は、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２を検出している。しかし、温度センサ２８ｂ（温度検出部）が、燃焼触媒２８の温度を検出する実施形態であっても差し支え無い。この実施形態の場合には、制御装置１５（判定部）は、温度センサ２８ｂによって検出された燃焼触媒２８の温度に基づいて、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かを判定する。
以上説明した実施形態では、改質部温度センサ３３ａ（改質部温度検出部）によって検出された改質部３３の温度Ｔ１に基づいて、改質ガスの組成が演算される。しかし、改質部３３から流出する改質ガスの温度を検出する温度センサ（改質部温度検出部）が設けられ、この温度センサによって検出された改質ガスの温度に基づいて、改質ガスの組成が演算される実施形態であっても差し支え無い。
燃焼電池３４での発電量（掃引電流値）を低下させてから、燃焼触媒２８において触媒反応が低下しているか否かを判定する処理を開始させる実施形態であっても差し支え無い。この実施形態の場合には、仮に燃焼触媒２８が劣化していて、燃焼触媒２８で可燃成分が完全に燃焼されなかった場合であっても、燃焼触媒２８から外部に排出される可燃成分の量を低減させることができる。
（第二実施形態の燃料電池システム）
以下に、図７を用いて、以上説明した実施形態（第一実施形態）の燃料電池システム１００と異なる点について、第二実施形態の燃料電池システム２００について説明する。第二実施形態の燃料電池システム２００では、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２を検出する温度センサ２８ｂ（第一温度検出部）に加えて、燃焼部３６から燃焼触媒２８に導入される燃焼ガスの温度Ｔ３を検出する第二温度センサ２８ｃ（第二温度検出部）が設けられている。
図５や図６のステップＳ２５において、制御装置１５（判定部）は、温度センサ２８ｂによって検出された燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２から、第二温度センサ２８ｃによって検出された燃焼触媒２８に導入される燃焼触媒の温度Ｔ３を減算した温度差ΔＴを演算する。そして、制御装置１５（判定部）は、温度差ΔＴが、規定温度差ΔＴａ未満である判断した場合には（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、プログラムをＳ４１に進める。一方で、制御装置１５（判定部）は、温度差ΔＴが、規定温度差ΔＴａ未満であると判断した場合には（ステップＳ２５：ＮＯ）、プログラムをＳ３１に進める。
この第二の実施形態では、燃焼触媒に導入される燃焼ガスの温度の高低に関わらす、燃焼触媒２８に導入される可燃成分の流量の増大に伴う燃焼触媒２８の温度の上昇を確実に検出することができる。このため、燃焼触媒２８の触媒反応が低下しているか否かをより、精度高く判定することができる。
１１ａ５…原料ポンプ（燃料供給部）、１１ｃ１…カソードエアブロワ（酸化剤ガス供給部）、１３…インバータ装置（掃引電流変更部）、１５…制御装置（酸素比変更部、判定部、指示燃料流量演算部、指示電流演算部、指示酸化剤ガス流量演算部）、２８…燃焼触媒、２８ｂ…温度センサ（温度検出部、第一温度検出部）、２８ｃ…第二温度センサ（温度検出部、第二温度検出部）、３３…改質部、３３ａ…改質部温度センサ（改質部温度検出部）、３４…燃料電池、３６…燃焼部、１００…燃料電池システム（第一実施形態）、２００…燃料電池システム（第二実施形態）

Claims (8)

  1. 改質水と改質用原料とから燃料を生成する改質部と、
    前記改質部に前記改質用原料を供給する燃料供給部と、
    前記改質部によって生成された前記燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
    前記燃料電池から排気される可燃成分を含むアノードオフガスを、酸化剤ガスで燃焼する燃焼部と、
    前記燃焼部から排気される未燃焼の前記可燃成分を含む燃焼ガスが導入されて、前記燃焼ガス中に含まれる前記可燃成分を触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒と、
    前記燃焼触媒に関する温度を検出する温度検出部と、
    前記燃焼部に導入された酸素流量を、前記燃焼部に導入された前記可燃成分を完全燃焼させるために必要な理想的な酸素流量で除した酸素比を変更させて、前記酸素比が変更される前と比べて、前記燃焼部から前記燃焼触媒に導入される未燃焼の前記可燃成分の流量を増大させる酸素比変更部と、
    前記酸素比変更部によって前記酸素比が変更された場合に、前記温度検出部によって検出された前記燃焼触媒に関する温度に基づいて、前記燃焼触媒の触媒反応が低下しているか否かを判定する判定部と、
    前記燃料電池から掃引される電流である掃引電流を変更する掃引電流変更部と、
    前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、を有し、
    前記酸素比変更部は、前記酸素比を、前記燃焼部において前記可燃成分の不完全燃焼が発生する不完全燃焼開始酸素比よりも低い判定定酸素比に低下させる前と比べて、前記掃引電流が減少するように掃引電流変更部を制御するとともに、前記掃引電流の減少に応じた前記酸化剤ガスの流量分だけ前記酸化剤ガスの流量が減少するように前記酸化剤ガス供給部を制御して、前記酸素比を前記判定定酸素比に低下させる燃料電池システム。
  2. 前記酸素比変更部は、前記酸素比を前記判定定酸素比に低下させる前と比べて、前記燃料供給部が供給する前記燃料の流量を増大させて、前記酸素比を前記判定定酸素比に低下させる請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池から掃引される電流である前記掃引電流と、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量に基づいて、前記酸素比が前記判定定酸素比に低下する前記燃料の流量である指示燃料流量を演算する指示燃料流量演算部を有し、
    前記酸素比変更部は、前記燃料供給部が供給する前記燃料の流量が前記指示燃料流量となるように前記燃料供給部を制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料供給部が供給する前記燃料の流量に基づいて、前記酸素比が前記判定定酸素比に低下する前記燃料電池から掃引される電流である指示電流を演算する指示電流演算部と、
    前記燃料供給部が供給する前記燃料の流量及び前記指示電流演算部によって演算された前記指示電流に基づいて、前記酸素比が前記判定定酸素比に低下する前記酸化剤ガスの流量である指示酸化剤ガス流量を演算する指示酸化剤ガス流量演算部と、を有し、
    前記酸素比変更部は、前記燃料電池から掃引される前記掃引電流が前記指示電流となるように前記掃引電流変更部を制御するとともに、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量が前記指示酸化剤ガス流量となるように前記酸化剤ガス供給部を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記改質部の温度を検出する改質部温度検出部を有し、
    前記指示燃料流量演算部は、前記改質部温度検出部によって検出された前記改質部の温度に基づいて、前記指示燃料流量を演算する請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記改質部の温度を検出する改質部温度検出部を有し、
    前記指示電流演算部は、前記改質部温度検出部によって検出された前記改質部の温度に基づいて、前記指示電流を演算する請求項４に記載の燃料電池システム。
  7. 前記温度検出部は、前記燃焼触媒から排気される排気ガスの温度又は前記燃焼触媒の温度を検出し、
    前記判定部は、前記酸素比変更部によって前記酸素比が変更された場合に、前記温度検出部によって検出された温度が判定温度未満の場合に、前記燃焼触媒の触媒反応が低下していると判定する請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記温度検出部は、
    前記燃焼触媒から排気される排気ガスの温度又は前記燃焼触媒の温度を検出する第一温度検出部と、
    前記燃焼触媒に導入される前記燃焼ガスの温度を検出する第二温度検出部と、
    から構成され、
    前記判定部は、前記酸素比変更部によって前記酸素比が変更された場合に、前記第一温度検出部によって検出された温度から、前記第二温度検出部によって検出された温度を減算した温度差が、規定温度差未満である場合に、前記燃焼触媒の触媒反応が低下していると判定する請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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