JP6452741B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、改質水ポンプの異常が発覚した場合に、酸素含有ガスを供給することにより、部分酸化反応を起こすことで炭素の析出を防止する制御方式が開示されている。

特許文献１では、改質水を監視する手段として、水供給手段検知装置で監視しており、具体的には、水量、ポンプの回転数、ポンプショット数、ポンプ消費電力等を検知することができる装置が適用可能であるとしている。

特許文献２には、改質水を監視する手段として流量計（改質水流量センサ）にて改質水ポンプの異常を感知した後、改質水ポンプのモータを逆回転させることで、ゴミ等の除去を行うことが開示されている。

上記引用文献１及び引用文献２では、改質水を監視する手段（水供給検知装置、改質水流量センサ）が故障した場合に改質水の実流量を把握することができない。また、長時間運転に関して、言及されていない。

特許文献３には、流量計を用いずに、改質器内の温度センサで直接的に監視することで改質水量の増減を把握し、流量制御を行う制御方式が開示されている。なお、改質器の温度を燃焼室に設けた温度センサで間接的に監視することも記載されている。

特許文献３では、高温の改質器又は燃焼室の温度を用いて、改質水流量を把握するため、吸熱反応である改質反応等の影響も受け、改質水流量の把握が難しい。

特許文献４には、蒸発部とポンプとの間に温度センサを設置し、起動時に改質水が蒸発部直前まで届いているかを判定することが開示されている。

特許文献４では、そもそも、改質水が来ているかどうかの確認をするものであり、改質水流量を把握することは難しい。

特許文献５には、気化器内に温度検出手段を設け、その温度をもって改質水流量低下を判断し、制御することが記載されている。さらに、特許文献３は、気化後の水蒸気と燃料ガスとが混ざった水蒸気が流れる配管に圧力計（圧力検出手段）を設置し、その圧力低下をもって改質水量の低下を判定することが記載されている。

特許文献５は、改質水のみが通ずる気化器内に温度検出手段を設けている。この場合、蒸気温度か液水温度かを判断することが難しい。蒸気温度の場合は常に１００℃以上、改質水温度の場合は１００℃未満であり、温度検出手段を設置する場所や改質水流量によって蒸気と液水とが相変化することがある。

また、燃料ガスと気化後の水蒸気が通ずる配管に圧力検出手段を設けており、この場合、蒸気が凝縮する場合がある。また、常温で圧力を測定するために余計な配管を伸ばす必要や、高温対応の圧力検出手段を設置する必要がある。

特開２００８−１３５２７０号公報 特開２０１５−２２０１４０号公報 特開２０１１−８１９７２号公報 特開２０１６−６６５３４号公報 特開２０１１−２１６２０８号公報

燃料電池システム（例えば、固体酸化物形燃料電池「SOFC：Solid Oxide Fuel Cell」)において、エネルギー利用効率を向上させるための構成として、単一の燃料電池スタックを用い、当該燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガス中の未反応の燃料ガスを循環させて再利用する循環式や、燃料電池スタックを複数設け、前段の燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガス中の未反応の燃料ガスを後段の燃料電池スタックで再利用する多段式が知られている。何れの構成においても、使用済みの燃料ガスに含まれる水蒸気や二酸化炭素(ＣＯ₂)を除去できれば、反応に寄与する水素及び一酸化炭素の濃度が増加することで、再利用する燃料ガスが供給される燃料電池スタックの性能向上が見込める。

ＳＯＦＣの高温部（ホットボックスという）は、吸熱の炭化水素系燃料の水蒸気改質反応が行われる燃料改質部や、発熱反応の燃料電池スタック部と、燃焼部、熱交換器、気化部等が収容されている。このホットボックス内で熱を効率よく融通させることで、外部への熱逃げを抑制できれば、高温に保つための余分な燃料を投入することなく、ＳＯＦＣシステムの発電効率を高く保つことができる。

炭化水素系燃料を利用するＳＯＦＣシステムにおいて、改質反応に用いる改質水は、非常に重要な役割を果たすものであり、燃料に対する改質水導入量（Ｓ／Ｃという場合がある）が低下すると、燃料電池スタックや改質部等の高温領域において、炭素が析出することがある。

このため、改質水の流量制御を行う改質水ポンプや、改質水の流量を検知する流量計等の精度維持は、重要な要件となる。

しかし、改質水等の液体の流量系は、気体と比べてキャビテーション等に起因して気泡が生じたり、不純物の影響で、長時間運転中に常に正確な流量が制御できない、或いは流量計測ができない可能性がある。

上記引用文献１〜引用文献５を含む従来技術における改質水の流量監視技術は、一長一短があり、運転時の改質水ポンプの故障、及び流量制御のずれ等の不具合をもたらす改質水の流量が低下したのか増加したのかを判断を、長期的、かつ精度を維持しつつ監視することが難しい。

本発明は上記事実を考慮し、改質水の流量を、長期的かつ精度を維持しつつ監視することができる燃料電池システムを得ることが目的である。

本発明に係る燃料電池システムは、改質水を気化する気化器、及び、原料ガスと酸化ガスとの化学反応によって発電する燃料電池スタックを備えた発電処理部と、前記気化器、前記燃料電池スタック、発電処理補助機器、及びこれらを連結する配管又は配線の少なくとも２箇所以上に分散して、前記改質水の流量に依存して変化する物理量を検出する複数の検出手段を備え、前記複数の検出手段による検出結果に関連して変化する前記改質水の流量を監視する監視手段とを有し、前記監視手段は、前記改質水に気泡が発生し当該改質水の流量を直接的に検出する監視精度が低下する長時間運転の場合に、前記複数の検出手段で検出したそれぞれの結果に基づいて、前記改質水の量の適否を判定し、予め定めた信頼性の優劣を示す順位に基づいて、前記改質水の量の適否を総合判定することを特徴としている。

本発明によれば、発電処理部では、改質水を気化させた水蒸気と原料ガスとを改質反応させて燃料ガスを生成し、酸化ガスとの化学反応によって発電する。

改質水の量の変動（特に流量低下）は、改質器、燃料電池スタックで炭素析出を発生させる要因となる。

そこで、監視手段では、気化器、燃料電池スタック、発電処理補助機器、及びこれらを連結する配管又は配線の少なくとも１箇所において、改質水の流量に依存して変化する物理量を検出する検出手段によって改質水の流量を監視する。なお、本発明において、発電処理補助機器とは、少なくともブロア及びポンプを含む。

検出手段による流量の間接的な検出は、改質水の流量を直接的に検出した場合に発生する、キャビテーション等による気泡発生を要因とする精度低下がなく、長期間運転中の監視精度を維持することができる。なお、ここでの間接的な検出とは、改質水の流量を測定するのではなく、改質水の流量以外の物理量を検出することを意味する。

本発明において、前記発電処理部が、前段の燃料電池スタックと、当該前段の燃料電池スタックにおける化学反応後の未反応の燃料ガスを受ける後段の燃料電池スタックと、を有することを特徴とする。

改質水の量の監視により、多段式の燃料電池システムにおいても、各段の燃料電池スタック及び改質器での炭素析出を抑制することができる。

本発明において、前記気化器で気化した水蒸気と原料ガスとを改質反応させ燃料ガスを生成する改質器をさらに有することを特徴とする。

本発明において、前記発電処理部が、前記燃料電池スタックでの発電に伴って発熱した熱を前記改質反応に利用する熱交換部をさらに有し、前記検出手段が、前記熱交換部及び前記熱交換部に通じる配管に設置される場合があることを特徴とする。

なお、発電に伴い発熱した熱源媒体を熱交換部で熱交換処理して、改質反応の熱源媒体に利用する場合がある。検出手段は、熱交換部に設置してもよい。

本発明において、前記検出手段で検出する物理量が、温度、圧力、燃料電池の電圧の少なくとも１つを含むことを特徴とする。

改質水の流量が変動すると、例えば、改質水自体の温度又は排ガスの温度が変動する。また、改質水の流量が変動すると、改質水と混合される原料ガスの圧力が変動する。さらに、改質水の流量が変動すると、燃料電池スタックにおける発電電圧（燃料電池の電圧）が変動する。

これらは、それぞれ改質水の流量と関数的に相関するため、例えば、通常時の値との差分や変化量（変化率）が所定以上の場合に異常と判定することができる。また、予め記憶している値と比較してもよい。

本発明において、前記気化器へ投入される改質水の流量を検出する流量センサをさらに有し、前記検出手段と併用することを特徴とする。

本発明は、改質水の流量を直接的に検出する流量センサを設置することを否定するものではなく、例えば、初期運転時等、キャビテーション等による気泡発生がないときは、流量センサを用いることも可能である。すなわち、流量センサと検出手段とを併用することで、両者を適材適所に有効利用することができる。

本発明において、前記検出手段を複数設け、複数の前記検出手段で検出したそれぞれの結果に基づいて、前記改質水の量の適否を判定し、予め定めた信頼性の優劣を示す順位に基づいて、前記改質水の量の適否を総合判定することを特徴とする。

例えば、複数の検出手段で改質水の流量の監視を行った場合、一方が正常と判定され、他方が異常と判定される可能性がある。

そこで、検出手段に、予め設定した信頼性の優劣の関係を示す順位（以下、優先順位という）を設定しておき、上記のように正常判定と異常判定とが混在した場合に、優先順位に基づき、総合判定すればよい。

優先順位は、単純に上位及び下位の関係でもよいし、それぞれに重要度（重み点数）を決めておき、各検出手段の判定に重みを付けてもよい。

以上説明した如く本発明では、改質水の流量を、長期的かつ精度を維持しつつ監視することができるという優れた効果を有する。

本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本実施の形態に適用されるセンサ名、検出対象、検出タイプ及び設置場所の一覧を示す図表である。 本実施の形態に係る制御部において実行される、改質水の監視制御の一例を示す機能ブロック図である。 本実施の形態に係る改質水監視制御ルーチンを示すフローチャートである。 改質水流量変更時に実行される割込ルーチンである。

図１に従い、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の構成を、各部の機能と共に説明する。なお、本実施の形態の燃料電池システム１０は一例であり、各部において構造が適宜改造（増設、撤去を含む）される場合もあるが、発電する基本概念は変わることはない。

燃料電池システム１０は、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池スタック１６、第２燃料電池スタック１８、空気供給部４６、分離部２０、第１熱交換部３０、第２熱交換部３２、第３熱交換部３４、第４熱交換部３６、燃焼器４０、タンク４２、及び制御部４４を備えている。改質器１４では、気化器１２で気化した水蒸気と原料ガスとを改質反応させ燃料ガスを生成する。

第１燃料電池スタック１６は、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池スタック１６は、燃料ガス及び空気を同等の条件で受ける複数のスタックモジュールで構成してもよい。

第２燃料電池スタック１８は、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第２燃料電池スタック１８は、燃料ガス及び空気を同等の条件で受ける複数のスタックモジュールで構成してもよい。

すなわち、本実施の形態の燃料電池システム１０は、複数段（ここでは、第１燃料電池スタック１６及び第２燃料電池スタック１８の２段であり、燃料電池スタック１６のオフガスを燃料電池スタック１８へ導入する。）とされた、多段式の燃料電池システム１０を構成している。なお、段数は、２段に限定されず、３段以上であってもよい。空気は、各段共に、同等の条件で受けるようにしてもよい。

気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢによりガス（一例として、メタン）が気化器１２へ送出される。原料ガス管Ｐ１の中間部には、水を貯留するタンク４２からの水供給管Ｐ２が接続されている。タンク４２からは、ポンプＰにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。

気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０の熱が用いられる。なお、本実施の形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガス、及びバイオガスなどが例示される。

気化器１２では、供給されたメタン及び水が混合されると共に、燃焼排ガス管Ｐ１０を流通する燃焼排ガスＧ６から熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。

メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、水蒸気改質反応により、水素を含む６００℃程度の燃料ガスＧ１が生成される。燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。

第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、分離部２０の透過部２６から排出された透過部排出ガス（空気Ａと二酸化炭素及び水蒸気の混合気体）が、酸化ガスＧ５として酸化ガス管Ｐ５を経て供給される。これにより、第１燃料電池スタック１６では、化学反応により発電が行われる。ここで、酸化ガスＧ５は、分離部２０を必ずしも経なくてもよい。

上記化学反応により第１燃料電池スタック１６は発熱し、６５０℃程度の温度で発電が行われる。この発電に伴い燃料電池スタック１６のアノード１６Ａからは、アノードオフガスＧ３が排出される。また、カソード１６Ｂからは、カソードオフガスＧ２が排出され、カソードオフガスＧ２は、カソードオフガス管Ｐ６を通って第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ供給される。

アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７に導かれ、第２熱交換部３２、第１熱交換部３０を経て、分離部２０の流入部２４へ流入される。アノードオフガスＧ３の温度は、第２熱交換部３２により、約６５０℃からある程度温度が低下し、第１熱交換部３０では、アノードオフガスＧ３の温度は、分離部２０の部材によって適した温度Ｔ０に近い温度まで下げられる。

一方、空気供給部４６からは、制御部４４による分離部２０の温度Ｔのフィードバック制御により流量が制御された空気Ａが、空気供給管Ｐ８により、第１熱交換部３０を介して分離部２０の透過部２６へ送出される。第１熱交換部３０では、空気Ａの温度は、分離部２０の部材によって適した温度Ｔ０に近い温度、すなわち、第１熱交換部３０で熱交換が行われた後のアノードオフガスＧ３と略同じ温度となる。

アノードオフガスＧ３は、第２熱交換部３２、第１熱交換部３０での熱交換を経て分離部２０の流入部２４へ流入され、少なくとも水蒸気（二酸化炭素が含まれる場合もある）が、分離膜２８を透過して透過部２６側へ移動することにより分離される。

流入部２４からは再生燃料ガスＧ４が送出され、第４熱交換部３６、第２熱交換部３２を経て、６００℃程度に昇温され、再生燃料ガス管Ｐ９により第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａへ供給される。第２燃料電池スタック１８では、化学反応により発電が行われる。

上記化学反応により第２燃料電池スタック１８は発熱し、６５０℃程度の温度で発電が行われる。アノード１８Ａ、カソード１８Ｂでの使用済ガスは、配管Ｐ１１、カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２により各々燃焼器４０へ送出され、燃焼器４０で焼却に供される。

燃焼器４０からの燃焼排ガスＧ６は、第３熱交換部３４、第４熱交換部３６、及び気化器１２を経て、燃焼排ガス管Ｐ１０によりタンク４２へ送出される。燃焼排ガスＧ６に含まれる水蒸気は、気化器１２からタンク４２までの経路やタンク４２内で冷却され、凝縮されてタンク４２に貯留される。その他の燃焼排ガスは、タンク４２から装置外に放出される。

一方、透過部２６へ流入したスイープガスとしての空気Ａは、分離膜２８を透過して流入した二酸化炭素、水蒸気と共に、透過部２６から送出される。

送出された透過部排出ガスＧ７は、第３熱交換部３４を経て、酸化ガスＧ５として酸化ガス管Ｐ５によりカソード１６Ｂへ供給される。

本実施の形態の燃料電池システム１０のほとんどの構造体（少なくともタンク４２は除く）は、図示しないホットボックスに収容されている。

ホットボックスは、主として断熱材によって筐体が形成されており、当該筐体に収容された燃料電池システム１０は、外気とは分離された雰囲気の環境下で、所定の温度（予め定めた許容範囲を含む）で維持される。

ここで、前述した改質器１４での改質反応に用いる水（改質水）が、変動（特に導入量が低下）すると、改質器１４、改質器１４後の配管、第１燃料電池スタック１６、第１燃料電池スタック１６後の配管や熱交換器、及び第２燃料電池スタック１８で炭素析出を発生させる要因となる。

この場合、水供給管Ｐ２を流れる水の流量を流量センサ６０で積極的に計測し、監視したとしても、当該流量センサ６０が、キャビテーション等により気泡が発生したり、不純物の影響で、長時間運転に際し、精度を維持できない。

そこで、本実施の形態では、流量センサ６０の設置の有無を問わず、流量センサ６０以外のセンサを燃料電池システム１０の各所に設置して、流量センサ６０による流量計測という直接的手段とは異なり、間接的手段によって、長時間運転を踏まえた改質水の流量監視を実行するようにした。

間接的手段で改質水の流量を監視するためのセンサの種類としては、温度センサ、圧力センサ、及び電圧センサが挙げられる。

以下に、本実施の形態における、改質水の流量を、間接的手段によって監視することができるセンサ（図２参照）についての詳細を説明する。

各部に設置されるセンサは、少なくとも１個あればよく、また、流量センサ６０の有無を問わない。言い換えれば、本実施の形態の燃料電池システム１０において、改質水の流量を監視するセンサは、流量センサ６０以外に、少なくとも１個の間接的手段による流量監視を行うセンサ（センサＳａ〜センサＳｊ）が設置されることなる。なお、以下において、センサＳａ〜Ｓｊを総称する場合は、「センサＳ」という。

（センサＳａ）

センサＳａは、物理量として温度を検出する温度センサであり、設置場所は、図１に示される如く、水供給管Ｐ２のポンプＰの下流側である。

気化器１２への投入前の配管であり、センサＳａにより、水の温度を測定する。気化器１２が高温のホットボックス内に設置されており、水供給管Ｐ２内の水は、外部から熱をもらうため、気化器１２に入る前に温度がわずかに上昇する。この温度（又は温度上昇率）が通常の温度（又は温度上昇率）よりも増加した場合は、水供給管Ｐ２内の水の量が少ないと判断することができる。なお、外部から熱をもらい、タンク４２内の水よりも温度が高くなるシステムであれば、センサＳａはホットボックス内に設置しなくてもよい。

（センサＳｂ）

センサＳｂは、物理量として温度を検出する温度センサであり、設置場所は、図１に示される如く、気化器１２の内部である。

所定の流量で気化器１２に水が流入し、かつ、燃焼排ガス管Ｐ１０内を、所定の温度の燃焼排ガスＧ６が流通すると、気化器１２内の移動（図１では、左から右への移動）中の何れかの位置（所定の流量時に液体と気体の境界付近で、液が１００℃程度で気体が過熱となる位置）で水が気化する。すなわち、水蒸気から過熱蒸気に遷移する位置（潜熱と顕熱との切り替わりの位置）を特定でき、この特定された位置に、改質水の温度を検出する位置にセンサＳｂを配置する。なお、所定の流量とは、負荷変動により発電量を調整することで変化する流量であり、負荷変動に対応した流量をいう（以下、同様）。

気化器１２に流入する水の流量が少ない場合、前記特定位置の手前（上流側）で蒸気温度になって温度が急上昇し、この温度（又は温度上昇率）で水が少ないと判断することができる。

（センサＳｃ）

センサＳｃは、物理量として温度を検出する温度センサであり、設置場所は、図１に示される如く、気化器１２の出口側の配管Ｐ３である。

このセンサＳｃにより、配管Ｐ３を流れる過熱蒸気の温度を測定する。通常の温度（温度上昇率）よりも温度（温度上昇率）が増加した場合は、水量（加熱蒸気量）が少ないと判断することができる。また、この配管Ｐ３は、改質水量が異常に増加し、気化器１２で十分に気化出来ていないときに、１００℃以下まで温度が下がるため、改質水の流量の増減を精度よく監視することができる。

（センサＳｄ）

センサＳｄは、物理量として温度を検出する温度センサであり、設置場所は、図１に示される如く、分離部２０の流入部２４の出口側に接続された再生燃料ガス管Ｐ４における第４熱交換器３４の上流側である。

このセンサＳｄにより、酸化ガス管Ｐ５を流れる透過部排出ガスに含まれる水蒸気の温度を測定する。通常の温度（温度上昇率）よりも温度（温度上昇率）が増加した場合は、水量（加熱蒸気量）が少ないと判断することができる。

（センサＳｅ）

センサＳｅは、物理量として温度を検出する温度センサであり、設置場所は、図１に示される如く、気化器１２の内部である。

燃焼排ガス管Ｐ１０において、改質水が液体から加熱蒸気に相変化する位置にセンサＳｅを設置することで、改質水量が少ない場合には、燃焼排ガスＧ６の温度から奪われる熱量が少なくなり、燃焼排ガスＧ６の温度（温度上昇率）が増加し、改質水が少ないと判断することができる。

（センサＳｆ）

センサＳｆは、物理量として温度を検出する温度センサであり、設置場所は、図１に示される如く、燃焼排ガス管Ｐ１０における、気化器１２の下流側、かつタンク４２の上流側である。

改質水の量が少ない場合、燃焼排ガスＧ６が冷却されずに気化器１２から排出されるため、通常の温度（又は温度上昇率）よりも増加した場合は、改質水の少ないと判断することができる。

（センサＳｇ）

センサＳｇは、物理量として圧力を検出する圧力センサであり、設置場所は、図１に示される如く、原料ガス管Ｐ１におけるブロアＢの下流側である。

改質水の量が少ない場合、原料ガス管Ｐ１の圧力（圧力変化率）が低下するため、この圧力（圧力変化率）の低下により、改質水の少ないと判断することができる。

（センサＳｇ、センサＳｈ）

センサＳｇ及びセンサＳｈは、物理量として圧力を検出する圧力センサであり、図１に示される如く、設置場所は、センサＳｇが原料ガス管Ｐ１におけるブロアＢの下流側であり、センサＳｈが空気供給部４６の出口側に接続された空気供給管Ｐ８における、第１熱交換部３０の上流側である。

ブロアＢの下流側の圧力ＰｇをセンサＳｇで検出し、空気供給部４６の下流側の圧力ＰｈをセンサＳｈで検出し、その差圧ΔＰ（＝Ｐｇ−Ｐｈ）を演算する。

改質水の量が少ない場合は、差圧ΔＰ（差圧ΔＰの変化量）が低下するため、通常の差圧ΔＰ（差圧ΔＰの変化量）よりも低下した場合は、改質水の量が少ないと判断することができる。

（センサＳｉ１、Ｓｉ２）

センサＳｉ１、Ｓｉ２は、物理量として燃料電池の電圧を検出する電圧センサであり、センサＳｉ１の設置場所は、図１に示される如く、第１燃料電池スタック１６であり、第１燃料電池スタック１６の全電圧（起電力）を検出する。また、センサＳｉ２の設置場所は、図１に示される如く、第２燃料電池スタック１８であり、第２燃料電池スタック１８の全電圧（起電力）を検出する。なお、以下において、センサＳｉ１、Ｓｉ２を総称する場合は、センサＳｉという。

改質水が少なくなった場合は、燃料ガスの濃度が上がることにより燃料電池の電圧（電圧変化率）が増加するため、通常の燃料電池の電圧（電圧変化率）よりも増加した場合は、改質水の量が少ないと判断することができる。

なお、電圧の変化は、ガス組成の変化に由来するため、ガス組成を分析してもよい。

（センサＳｊ１、Ｓｊ２）

センサＳｊ１、Ｓｊ２は、物理量として燃料電池の電圧を検出する電圧センサであり、センサＳｊ１の設置場所は、図１に示される如く、第１燃料電池スタック１６であり、セルが積層された第１燃料電池スタック１６の中の１つのセル（単セル）の電圧（起電力）を検出する。また、センサＳＪ２の設置場所は、図１に示される如く、２段目の第２燃料電池スタック１８であり、セルが積層された第２燃料電池スタック１８の中の１つのセル（単セル）の電圧（起電力）を検出する。なお、以下において、センサＳｊ１、Ｓｊ２を総称する場合は、センサＳｊという。

改質水が少なくなった場合は、燃料ガスの濃度が上がることにより電圧（電圧変化率）が増加するため、通常の電圧（電圧変化率）よりも増加した場合は、改質水の量が少ないと判断することができる。

なお、改質水の流量異常により改質水の流量が少なくても、第１燃料電池スタック１６で発電時に水が生成されるため、第２燃料電池スタック１８の電圧は改質水の流量に影響され難いこともある。そのため、センサＳｉ１、Ｓｉ２と、センサＳｊ１、Ｓｊ２とを連携することで、例えば、第２燃料電池スタック１８の電圧が正常で、第１燃料電池スタック１６の電圧が異常の場合、改質水の流量が少ないと判断することもできる。

なお、電圧の変化は、ガス組成の変化に由来するため、ガス組成を分析してもよい。

図３は、本実施の形態に係る制御部４４において実行される、改質水の監視制御の一例を示す機能ブロック図である。なお、この図３の各ブロックは、制御部４４のハード構成を限定するものではない。例えば、制御部４４がハード構成として、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）、及びこれらを接続するデータバスやコントロールバス等のバスを備えたマイクロコンピュータを有し、以下に説明する一部又は全部の機能ブロックの動作をＣＰＵで実行される改質水監視制御プログラムの処理としてもよい。

また、図３では、上記で説明したセンサＳａ〜センサＳｉを全て設置しているように図示したが、設置するセンサＳは適宜決めればよく、さらに、設置したセンサ種（センサ数）から改質水の流量を判定するセンサＳを選択して適用すればよい。

なお、図３では、直接的に改質水の流量を検出する流量センサ６０を設置しているが、必須ではないため、点線で示している。

改質水監視指示部６２には、自動又は手動により監視指示が入力される。例えば、運転中は常に監視を指示してもよいし、一定期間毎に監視を指示してもよい。また、メンテナンスのために、手動で不定期に監視を指示してもよい。

改質水監視指示部６２は、取込データ選択部６４に接続されている。取込データ選択部６４では、燃料電池システム１０に設置されたセンサＳ（センサＳａ〜センサＳｊ）の中から、適用するセンサＳを選択する。取込データ選択部６４は、取込順序決定部６６及び個別判定結果一時格納部６８に接続されている。

取込順序決定部６６は、取込データ選択部６４から選択結果情報を受け、取り込んだデータの判定順序を決定し、データ取込部７０へデータ取込を指示する。

一方、個別判定結果一時格納部６８は、取込データ選択部６４からセンサ数情報を受け、格納する個別判定結果の数と照合する（詳細後述）。

データ取込部７０は、流量取込部７２、温度取込部７４、圧力取込部７６、及び電圧取込部７８を備えている。

流量センサ６０は、流量取込部７２に接続され、取込順序決定部６６で決定された順序に基づいて、流量センサ６０から流量データを取り込む。

センサＳａ〜センサＳｆは、温度取込部７４に接続され、取込順序決定部６６で決定された順序に基づいて、センサＳａ〜センサＳｆから温度データを取り込む。

センサＳｇ〜センサＳｈは、圧力取込部７６に接続され、取込順序決定部６６で決定された順序に基づいて、センサＳｇ〜センサＳｈから圧力データを取り込む。

センサＳｉ〜センサＳｊは、電圧取込部７８に接続され、取込順序決定部６６で決定された順序に基づいて、センサＳｉ〜センサＳｊから電圧データを取り込む。

取り込まれた検出データ（流量データ、温度データ、圧力データ、及び電圧データ）は、検出データ受付部８０へ送出される。検出データ受付部８０では、受け付けた検出データを比較部８２へ送出すると共に、受け付けた検出データのセンサ種をセンサ種−通常値テーブルメモリ８４へ送出する。

センサ種−通常値テーブルメモリ８４には、所定の流量の運転時に各センサＳが出力する通常値（しきい値）がテーブル化されて記憶されている。

なお、センサ種−通常値テーブルは、初期設定として、起動時の改質水の流量に基づく通常値が設定され、運転中の改質水の流量変更に伴って通常値が更新されるようになっている。改質水の流量は、例えば、ポンプＰの駆動電圧から算出可能である。

比較部８２は、センサ種−通常値テーブルメモリ８４から、センサ種に応じた通常値、すなわち、所定の流量の運転時における各センサＳの出力を示す検出値であるしきい値をテーブルから読み出す。

このとき、予め、負荷変動に応じた様々な改質水の流量、原料ガスの流量、空気流量、運転電流における温度、圧力、燃料電池の電圧を把握しておくことで、しきい値を補正し、改質水の流量異常の判定の精度を向上することができる。

比較部８２では、検出データとしきい値とが比較される。なお、この比較は、検出データ自体であってもよいし、一定時間検出したときの変化率であってもよい。

比較部８２は、改質水量適否判定部８６に接続され、改質水量適否判定部８６には、比較結果が送出される。改質水量適否判定部８６による判定は、前述した各センサＳａ〜センサＳｊの機能説明に基づくものであり、ここでの説明は省略する。

改質水量適否判定部８６は、個別判定結果一時格納部６８に接続されており、各センサＳによる改質水量の適否判定結果が、順次送出されるようになっている。

個別判定結果一時格納部６８では、前記取込データ選択部６４から選択したセンサ数が認識されているため、一時格納した比較結果が、選択したセンサ数に到達した時点で、総合判定部８８へ送出される。

総合判定部８８では、全ての判定結果を総合的に判断し、改質水量の適否を判定する。例えば、１つのセンサＳで改質水量に異常があると判定されている場合に異常と判定してもよいし、予め定めた数のセンサＳで改質水量に異常があると判定されている場合に異常と判定してもよい。また、予め各センサＳに重要度（例えば、点数）を設定しておき、異常と判定された点数が所定値に達した時点で異常と判定してもよい。

総合判定部８８は異常判定時処理部９０に接続されている。総合判定部８８において、改質水の量が正常と判定された場合は、特に何もしない、或いは、正常であることを報知する。

一方、総合判定部８８において、改質水の量が異常と判定された場合は、異常であることを報知すると共に、異常判定時処理部９０へ異常情報を送出する。異常判定時処理部９０では、予め定められたトラブルシューティングを実行する。

トラブルシューティングは、例えば、運転停止、運転能力ダウン、改質水量調整等が考えられる。

以下に、本実施の形態の作用を説明する。

（多段式燃料電池スタックの発電動作）

本実施の形態の燃料電池システムでは、まず、第１燃料電池スタックを対象として、気化器１２には、ガス源からメタンが供給されると共に、水が供給される。供給されたメタンと水は、混合されると共に、燃焼排ガスから熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。

メタン及び水蒸気は、気化器１２から改質器１４へ送出される。改質器１４では、改質反応により、水素を含む６００℃程度の燃料ガスＧ１が生成される。燃料ガスＧ１は、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、酸化ガスＧ５が供給される。これにより、第１燃料電池スタック１６では、化学反応により発電が行われる。

この発電に伴い燃料電池スタック１６のアノード１６Ａからは、アノードオフガスＧ３が排出される。また、カソード１６Ｂからは、カソードオフガスＧ２が排出され、カソードオフガスＧ２は、第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ供給される。

アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスＧ３は、分離部２０の流入部２４へ流入され、少なくとも水蒸気（二酸化炭素を含む場合もある）が、分離膜２８を透過して透過部２６側へ移動することにより分離される。

流入部２４からは再生燃料ガスＧ４が送出され、第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａへ供給される。第２燃料電池スタック１８では、化学反応により発電が行われる。

第１燃料電池スタック１６及び第２燃料電池スタック１８は、ホットボックス（図示省略）に収容され、外気とは分離された雰囲気温度（予め定めた許容範囲を含む）の下で維持される。この温度維持により、発電効率を最適な状態で安定させることができる。

図４は、改質水監視制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップ１００では、改質水の監視時期か否かを判断し、否定判定された場合は、このルーチンは終了する。

また、ステップ１００で肯定判定されると、ステップ１０２へ移行して、初期設定として、センサＳの選択数を示す変数ｎを１にセットし、次いでステップ１０４へ移行して取込データを選択する。このステップ１０４では、例えば、燃料電池システム１０に設置されている各種センサＳの一部又は全部を選択することになる。例えば、図１では、センサＳａ〜センサＳｊが設置されており、この中から選択する。なお、流量センサ６０は、長時間運転には適さず信頼性が低いため、選択対象から除外するが、改質水の監視指示毎に流量センサで流量を検出してもよい。

次のステップ１０６では、選択したセンサＳの取込順序を決定し、ステップ１０８へ移行する。この取込順序は、予め設定した固定順序でもよいし、適宜取込順序を変更してもよい。

ステップ１０８では、選択された各センサＳ（センサＳａ〜センサＳｊ及び／又は流量センサ６０）によるデータ取込処理を実行し、全ての取込処理が終了すると、ステップ１１０へ移行する。

ステップ１１０では、図２のセンサ番号を特定する数値であるＮｏ．ｎ（ｎ番目）のセンサ種と取込データを読み出し、次いでステップ１１２へ移行して、センサ種−通常値テーブルメモリ８４から、図２のセンサ番号を特定する数値であるＮｏ．ｎ（ｎ番目）の通常値（すなわち、しきい値）を読み出し、ステップ１１４へ移行する。

ここで、センサ種−通常値テーブルメモリ８４に記憶されているセンサ種毎の通常値は、改質水の設定流量が変更される毎に、図５の改質水流量変更割込ルーチンの制御によって更新される。

すなわち、図５に示される如く、ステップ１１２Ａでは、改質水供給用のポンプＰの駆動電圧を取り込み、次いでステップ１１２Ｂで駆動電圧値から改質水の流量を演算し、ステップ１１２Ｃへ移行して、演算された流量から各センサの通常値を設定し、ステップ１１２Ｄで更新する。

なお、センサ種−通常値テーブルの更新は、図５に示された改質水の流量演算方式でなくても、例えば燃料電池スタックの電流や燃料ガス流量などの値から、求められる改質水流量を算出し、その流量を基にセンサ種−通常値テーブルを更新するなど、他の方法を用いても良い。

ステップ１１４では、取込データと通常値（しきい値）とを比較し、ステップ１１６へ移行する。ステップ１１６では、ステップ１１４での比較結果に基づき、改質水量の適否を判定し、ステップ１１８へ移行して、改質水量の適否の判定結果を、個別判定結果一時格納部６８へ一時的に格納する。

次のステップ１２０では、選択したセンサ種に基づく適否判定が全て終了したか否かを判断し、否定判定された場合は、ステップ１２２へ移行して、図２のセンサ番号を特定する数値であるＮｏ．ｎをインクリメント（ｎ＝ｎ＋１）し、ステップ１１０へ戻り、次の番手のセンサＳを対象として、上記工程を繰り返す。

また、ステップ１２０で肯定判定されると、選択された全てのセンサＳの取込データによる改質水量の適否の判定が終了したと判断し、ステップ１２４へ移行する。

ステップ１２４では、個別判定結果一時格納部６８に一時的に格納した複数種類の判定結果を読み出し、ステップ１２６へ移行して総合的に改質水量の適否を判定する。

総合的に判定とは、例えば、１つのセンサＳで改質水量に異常があると判定されている場合に異常と判定してもよいし、予め定めた数のセンサＳで改質水量に異常があると判定されている場合に異常と判定してもよい。

また、予め設定した信頼性の優劣の関係を示す順位である優先順位を付け、２以上のセンサＳで異なる判定があった場合には、上位のセンサの判定結果を優先するようにしてもよい。

さらに、予め各センサＳに重要度（例えば、重み点数）を設定しておき、異常と判定された重み点数が所定値に達した時点で異常と判定してもよい。

次のステップ１２８では、総合判定の結果が正常か異常かを判定する。ステップ１２８で正常判定された場合は、ステップ１３０へ移行して正常であることを報知し、このルーチンは終了する。なお、正常の場合は、何も報知しなくてもよい。

一方、ステップ１２８で異常判定された場合は、ステップ１３２へ移行して異常であることを報知し、次いでステップ１３４へ移行してトラブルシューティングを実行する。トラブルシューティングは、例えば、即運転停止、運転能力をダウンして運転継続、改質水量調整（例えば、改質水が少ない場合は、所定の流量よりも増量調整）等が考えられる。

なお、異常報知は、現場での報知に限らず、ネットワークを通じて、管理会社等へ通報することも含む。

また、各センサＳによる判定は、単純に検出値としきい値とを比較するのではなく、単独のセンサＳの変化率で判定してもよいし、将来を予測して判定してもよい。また、複数のセンサＳで異なる判定があった場合に、流量異常の位置を特定するようにしてもよい。例えば、センサＳｉ１、Ｓｉ２と、センサＳｊ１、Ｓｊ２とを連携した場合、第１燃料電池スタック１６の電圧が正常で、第２燃料電池スタック１８の電圧が異常の場合、改質水の流量が少ないと判断することができる。

さらに、センサＳは、その種類及び取付位置により、一長一短がある。例えば、負荷変動がある場合は、温度等が安定するまでに時間がかかる。このため、燃料電池の電圧も若干変動する場合がある。そこで、精度を重視して監視するための準備期間（インタバル）を設けた後、監視を開始するようにしてもよい。但し、改質水の量が大幅に変動するような場合（配管詰まり、漏れ等）は、負荷変動による誤差とは比較にならない検出値が出力されるため、温度等が安定するまでの準備期間を、仮監視期間としてもよい。なお、仮監視期間中の異常を判定するしきい値は、本来の監視期間よりも緩和させる（鈍感化する）ことが好ましい。

一方、検出対象が圧力の場合は、取付位置に関わらず準備期間は不要であり、直ぐに精度のよい状態で監視が可能である。

このような点から、監視時期を分担する等、圧力検出と温度検出とを併用することは、有用な適用形態である。

以上説明したように本実施の形態では、流量センサ６０以外のセンサＳを、燃料電池システム１０の各所に適宜設置して、流量センサ６０による流量計測という直接的手段とは異なり、間接的手段によって、長時間運転を踏まえた改質水の流量監視を実行するようにした。間接的手段で改質水の流量を監視するためのセンサの種類としては、温度センサ、圧力センサ、及び電圧センサが挙げられる。例えば、センサＳａは、温度センサであり、設置場所は、水供給管Ｐ２のポンプＰの下流側である。水供給管Ｐ２内の水は、外部から熱をもらうため、気化器１２に入る前に温度がわずかに上昇する。この温度（又は温度上昇率）が通常に温度（又は温度上昇率）よりも増加した場合は、水供給管Ｐ２内の水の量が少ないと判断することができる。その他のセンサＳ（Ｓｂ〜Ｓｊ）においても、同様の効果を奏する。

また、例えば、流量センサ６０と本実施の形態のセンサＳとを併用した場合は、以下の効果がある。

改質水の流量が正常で、流量センサ６０の表示異常の場合は軽い故障に分類されるため、例えば発電を継続することも可能である。しかし、流量センサ６０のみで正常又は異常を判断した場合は、改質水を供給するポンプＰの異常なのか、流量センサ６０の異常なのかを判別することができず、前記軽い故障に比べて重い故障に分類して、発電自体を止めざるを得なくなる。

これに対して、流量センサ６０だけでなくセンサＳで流量を監視することで、改質水を供給するポンプＰの異常なのか、流量センサ６０の異常なのかを判別することができる。

（変形例）

なお、本実施の形態の燃料電池システム１０は、図１に示される如く、分離部２０を備えたシステムを例にとり説明した。このため、センサＳｄを分離部２０の透過部２６の出口側に接続された酸化ガス管Ｐ５に設置したが、分離部が存在しない多段式の燃料電池システムの場合は、アノードオフガスから水を除去する際、アノードオフガスの温度を下げる熱交換器内にて、アノードオフガスに含まれる水蒸気が液化する。この熱交換器の出口に、温度センサとしてのセンサｄの代わりのセンサを設置してもよい。

変形例このセンサにおいて、通常の温度（温度変化率）よりも温度（温度変化率）が増加した場合は、改質水の量が少ないと判断することができる。

なお、本実施の形態では、多段式燃料電池システムを例にとり説明したが、上流側の未反応の燃料ガスを利用しない燃料電池システムにも適用可能である。

また、本実施の形態では、燃料システム内で改質水を生成する系を示したが、改質水を外部から供給する系であってもよい。

さらに、本実施の形態では、複数のセンサＳを配置するようにしたが、センサＳは、何れかに少なくとも１個あればよいが、複数のセンサＳを配置することで、１個のセンサＳで監視するよりも信頼性が高くなる。

なお、本実施の形態では、改質器１４を用いて改質したが、燃料電池スタックで直接改質するようにしてもよい。

Ａ 空気
Ｐ ポンプ
Ｐ１ 原料ガス管
Ｐ２ 水供給管
Ｐ３ 配管
Ｐ４ 燃料ガス管
Ｐ５ 酸化ガス管
Ｐ６ カソードオフガス管
Ｐ７ アノードオフガス管
Ｐ８ 空気供給管
Ｐ９ 再生燃料ガス管
Ｐ１０ 燃焼排ガス管
Ｐ１１ 配管
Ｐ１２ カソードオフ燃焼導入管
Ｇ１ 燃料ガス
Ｇ２ カソードオフガス
Ｇ３ アノードオフガス
Ｇ４ 再生燃料ガス
Ｇ５ 酸化ガス
Ｇ６ 燃焼排ガス
Ｇ７ 透過部排出ガス
Ｓ（Ｓａ〜Ｓｊ） センサ
１０ 燃料電池システム
１２ 気化器（発電処理部）
１４ 改質器（発電処理部）
１６ 第１燃料電池スタック（発電処理部）
１６Ａ アノード
１６Ｂ カソード
１８ 第２燃料電池スタック（発電処理部）
１８Ａ アノード
１８Ｂ カソード
２０ 分離部
２４ 流入部
２６ 透過部
２８ 分離膜
３０ 第１熱交換部（発電処理部）
３２ 第２熱交換部（発電処理部）
３４ 第３熱交換部（発電処理部）
３６ 第４熱交換部（発電処理部）
４０ 燃焼器
４２ タンク
４４ 制御部（監視手段）
４６ 空気供給部
６０ 流量センサ
６２ 改質水監視指示部
６４ 取込データ選択部
６６ 取込順序決定部
６８ 個別判定結果一時格納部
７０ データ取込部
７２ 流量取込部
７４ 温度取込部
７６ 圧力取込部
７８ 電圧取込部
８０ 検出データ受付部
８２ 比較部
８４ センサ種−通常値テーブルメモリ
８６ 改質水量適否判定部
８８ 総合判定部
９０ 異常判定時処理部

Claims (6)

1. 改質水を気化する気化器、及び、原料ガスと酸化ガスとの化学反応によって発電する燃料電池スタックを備えた発電処理部と、
   前記気化器、前記燃料電池スタック、発電処理補助機器、及びこれらを連結する配管又は配線の少なくとも２箇所以上に分散して、前記改質水の流量に依存して変化する物理量を検出する複数の検出手段を備え、前記複数の検出手段による検出結果に関連して変化する前記改質水の流量を監視する監視手段とを有し、
   前記監視手段は、
   前記改質水に気泡が発生し当該改質水の流量を直接的に検出する監視精度が低下する長時間運転の場合に、前記複数の検出手段で検出したそれぞれの結果に基づいて、前記改質水の量の適否を判定し、予め定めた信頼性の優劣を示す順位に基づいて、前記改質水の量の適否を総合判定する燃料電池システム。
2. 前記発電処理部が、
   前段の燃料電池スタックと、当該前段の燃料電池スタックにおける化学反応後の未反応の燃料ガスを受ける後段の燃料電池スタックと、を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記気化器で気化した水蒸気と原料ガスとを改質反応させ燃料ガスを生成する改質器をさらに有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記発電処理部が、前記燃料電池スタックでの発電に伴って発熱した熱を前記改質反応に利用する熱交換部をさらに有し、
   前記検出手段が、前記熱交換部及び前記熱交換部に通じる配管に設置される場合があることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記検出手段で検出する物理量が、温度、圧力、燃料電池の電圧の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項記載の燃料電池システム。
6. 前記気化器へ投入される改質水の流量を検出する流量センサをさらに有し、前記検出手段と併用することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項記載の燃料電池システム。