燃料電池システム
【課題】改質器へ供給するための水を貯めるタンクに設けられた水位検出手段に不具合が発生しても、可能な限り運転継続できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】この燃料電池システムＦＣＳは、運転開始期間のイニシャルチェックとは別に、熱交換器ＨＷ１への排出ガスの供給に合わせて、貯水タンクＷＰ２ａ，ＷＰ２ｂの水位を検出する複数の水位センサＤＳ５ａ，Ｄｓ５ｂ，ＤＳ５ｃ，ＤＳ５ｄの異常有無を判断する異常判定処理を実行する。
【解決手段】この燃料電池システムＦＣＳは、運転開始期間のイニシャルチェックとは別に、熱交換器ＨＷ１への排出ガスの供給に合わせて、貯水タンクＷＰ２ａ，ＷＰ２ｂの水位を検出する複数の水位センサＤＳ５ａ，Ｄｓ５ｂ，ＤＳ５ｃ，ＤＳ５ｄの異常有無を判断する異常判定処理を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）セルを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような燃料電池システムとしては、固体電解質形燃料電池（以下、ＳＯＦＣともいう）セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、そのセルの内側又は外側に水素を含む燃料ガスを通すと共に、反対側には酸化剤ガス（空気）を通すことで発電反応を行わせるものが知られている。燃料ガスは、都市ガスといった被改質ガスを改質して得られるものであって、その改質を行う改質器においてはいわゆる水蒸気改質反応（以下、ＳＲともいう）が行われている。その改質器に純水を供給する技術が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。
【０００３】
下記特許文献１では、純水を改質器に迅速に供給することが記載されている。また、断水時にあっても燃料電池システムの運転継続が可能なように、タンクに水を供給する技術が下記特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３５２７１号公報
【特許文献２】特開２００８−５３２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＳＯＦＣは発電効率が高く、使用する燃料ガスが少なくて済むため、非改質ガスも水蒸気も非常に少なくて済むという利点がある。例えば、上述した水蒸気改質反応ＳＲでは、必要とされる水の量が毎分約８ｍｌ前後である。
【０００６】
一方、ＳＯＦＣを含む燃料電池システム特有の起動方法に着目すると、上述した水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるから、起動当初において即座に水蒸気改質反応ＳＲを行わせてしまうとＳＯＦＣモジュールの温度が上がらず、安定した運転温度まで上昇しないものである。そこで、起動当初は改質器に空気と被改質ガスのみを送り込み、発熱反応としての部分酸化改質反応（以下、ＰＯＸともいう）を行わせている。部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとを比較すると、水素の発生効率は水蒸気改質反応ＳＲの方が高いため、ＳＯＦＣモジュールの温度上昇に合わせて水蒸気改質反応ＳＲへと徐々に移行することが求められている。従って、改質器に供給する水量に着目すれば、全く水を用いない状態から毎分約８ｍｌの給水へと円滑に移行させる必要がある。このような移行途中においては、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲを進行させる場合もある。
【０００７】
上述した事情を鑑みれば、改質器に供給する水量を可能な限り少ない量から徐々に増やしていくことが好ましいはずであるが、実際にそのような給水を行うことは極めて困難である。ＳＯＦＣを含む燃料電池システムは上述したように効率の高いものであると同時に、非常に高温（約７００℃）になるものでもある。例えば、一度起動し停止した後に再起動する場合には、改質器へ水を供給する給水管の温度が高くなり、その給水管内の水は蒸発してしまっている可能性が高い。そのように水の全く無い状態の給水管に、少ない水を正確に供給することは極めて難しいものであるが、改質器へ水を正確に供給できないことを放置すれば、水が足りない場合には改質器において炭素析出が発生してセルや触媒が破損する場合があり、水が多い場合には燃料電池の温度が上がらずに安定した運転が行えない場合がある。少ない水を正確に供給することは重要であり、少ない水を正確に供給するためには流量測定方法やその測定結果を利用した制御について工夫することも必要であり、各種センサに不具合が発生した場合にいかにして制御するかも重要である。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＳＯＦＣを含む燃料電池システムであって、改質器へ供給するための水を貯めるタンクにおける貯水状況に不具合が発生したり、そのタンクに設けられた水位検出手段に不具合が発生したりといったような事態が発生しても、可能な限り運転継続できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの水蒸気改質を行う改質器と、前記燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼して排出される排出ガスと熱交換を行う熱交換器と、前記改質器に水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段を制御する制御手段とを備え、前記水供給手段は、前記改質器に供給する水として前記熱交換器における結露水を貯水する貯水タンクと、前記貯水タンクの水位を検出する水位検出手段と、前記貯水タンクに貯水された水を前記改質器に圧送するポンプと、を有し、前記制御手段は、運転開始期間のイニシャルチェックとは別に、前記熱交換器への排出ガスの供給に合わせて、前記水位検出手段の異常有無を判断する異常判定処理を実行することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から排出される排出ガスと熱交換を行う熱交換器と、改質器に供給する水として熱交換器における結露水を貯水する貯水タンクとを備えている。貯水タンクに溜められた水はポンプによって改質器に圧送される。改質器に供給される水は安定的に供給される必要があるため、貯水タンクの水位を検出する水位検出手段を設けている。本発明では、運転開始期間のイニシャルチェックとは別に、熱交換器への排出ガスの供給に合わせて、水位検出手段の異常有無を判断する異常判定処理を実行するので、熱交換器への排出ガスの供給開始から所定の時間をおいた任意のタイミングで異常判定処理を実行することができる。このように異常判定処理を実行するタイミングを制御することで、熱交換器における結露が始まって貯水タンクに結露水が溜まるであろうタイミングに合わせて異常判定処理を実行することが可能となり、例えば貯水タンクに上水を供給せずに結露水のみを溜める場合であっても水位検出手段の異常有無を正確且つ早期に判断することができる。
【００１１】
本願請求項２に係る燃料電池システムでは、起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行することを特徴とする。
【００１２】
起動時において改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、オートサーマル改質反応又は水蒸気改質反応といった水を用いた改質反応へと遷移させる本発明では、部分酸化改質反応は改質器に水を必要としない反応である。そこで、改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で異常判定処理を実行することで、結露水を貯水できる状態であって改質器においてはまだ水が必要とされない段階で水位検出手段の異常有無を判断することができ、確実な異常判定を最適なタイミングで実行することができる。更に、部分酸化改質反応を継続することで、加熱された燃料ガスを燃料電池に供給することができ、改質器と共に燃料電池セルも加温することができる。
【００１３】
本願請求項３に係る燃料電池システムでは、起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行し、前記改質器温度が所定温度を上回っても前記水位検出手段が水位を検出しない場合には、前記水を用いた改質反応を前記改質器において起こさせないように制御することを特徴とする。
【００１４】
上述したように、起動時において改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、オートサーマル改質反応又は水蒸気改質反応といった水を用いた改質反応へと遷移させる本発明では、部分酸化改質反応は改質器に水を必要としない反応である。そこで、改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で異常判定処理を実行することで、結露水を貯水できる状態であって改質器においてはまだ水が必要とされない段階で水位検出手段の異常有無を判断することができ、確実な異常判定を最適なタイミングで実行することができる。更に、改質器の温度が所定温度を上回ってもなお水位検出手段が水位を検出しない場合には、水位検出手段そのものに異常が発生しているのか、結露水を貯水することができないのかが不明であるため、水を用いた改質反応への移行を制限し、水不足による改質器内での炭素析出を防止している。
【００１５】
本願請求項４に係る燃料電池システムでは、起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、
前記水供給手段は、前記改質器に供給する水を純水とするための逆浸透膜を有し、前記貯水タンクは、前記逆浸透膜よりも上流側に配置されている第１タンクと、前記逆浸透膜よりも下流側である前記改質器側に配置されている第２タンクとによって構成され、前記第１タンクに溜められた水を前記逆浸透膜を通して前記第２タンクに圧送する第１ポンプと、前記第２タンクに溜められた水を前記改質器に圧送する第２ポンプとが設けられており、前記第１タンク及び前記第２タンクにはそれぞれ前記水位検出手段が設けられており、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行し、前記改質器温度が所定温度を上回っても前記第２タンクに設けられている前記水位検出手段が水位を検出しない場合には、前記第１ポンプを駆動して前記第２タンクへと水を強制的に供給することを特徴とする。
【００１６】
この態様では、逆浸透膜を挟んで配置されている第１タンク及び第２タンクの内、改質器側の第２タンクに設けられている水位検出手段が水位を検出しない場合には、第１ポンプを駆動して第１タンクから逆浸透膜を介して第２タンクへと水を強制的に供給するので、第２タンクに設けられている水位検出手段に異常がなければ水位を検出することができ、水を用いた改質反応への移行を保留することなく起動運転を継続することができる。
【００１７】
本願請求項５に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記水を用いた改質反応を前記改質器において起こさせないように制御するにあたって、前記改質器において前記部分酸化改質反応の温度が所定温度以上に上昇しないように温度抑制制御を実行することを特徴とする。
【００１８】
この態様によれば、部分酸化改質反応から水を用いた改質反応への移行を保留している状態において、改質器における温度が所定温度以上に上昇しないように温度抑制制御を実行するので、過度の温度上昇による燃料電池セルへの悪影響を防止することができる。
【００１９】
本願請求項６に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記温度抑制制御を、前記改質器に供給する被改質ガスの供給量を抑制することで実行することを特徴とする。
【００２０】
この態様によれば、温度抑制制御を改質器に供給する被改質ガスの供給量を抑制することで実行するので、より確実に改質器の温度が所定温度以上に上昇しないように抑制することができ、過度の温度上昇による燃料電池セルへの悪影響を確実に防止することができる。また、改質器を冷却するための冷却装置を別途設ける必要がないので、燃料電池システム全体を小型化することができる。
【００２１】
本願請求項７に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記水位検出手段が水位を検出しない状態が所定時間以上継続した場合には、前記水位検出手段に異常が発生しているものとして異常処理制御を実行することを特徴とする。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいては、熱交換器への排出ガスの供給を所定時間続ければ結露水が生じて貯水タンクに溜まる可能性が高いものと考えられる。従ってこの態様では、水位検出手段が水位を検出しない状態が所定時間以上継続した場合には、水位検出手段に異常が発生していると判断するものとしている。このように判断することで、水位検出手段に異常が発生していることを前提として異常処理制御に移行することができ、的確な対応をとることができる。
【００２３】
本願請求項８に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記水位検出手段が水位を検出しない場合に前記燃料電池を構成する燃料電池セルの酸化を抑制する温度になるように制御すると共に、前記異常処理制御においては前記改質器への被改質ガスの供給量を低下させて冷却停止処理を実行することを特徴とする。
【００２４】
上述のように水位検出手段に異常が発生していることが判明したので、この態様では、燃料電池を構成する燃料電池セルの酸化を抑制する温度になるように制御すると共に、異常処理制御においては改質器への被改質ガスの供給を低下させて冷却停止処理を実行することで、燃料電池の各部が破損せずに安全に運転を停止させている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、改質器へ供給するための水を貯めるタンクにおける貯水状況に不具合が発生したり、そのタンクに設けられた水位検出手段に不具合が発生したりといったような事態が発生しても、可能な限り運転継続できる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本願発明の実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【図４】図１に示す燃料電池システムにおいて、燃料電池モジュールへ水を供給する部分の構成を示す概略構成図である。
【図５】図１及び図４に示す改質器へ水を供給するための基本フローを示したフローチャートである。
【図６】図２及び図４に示す水位センサの異常を判断するためのフローを示したフローチャートである。
【図７】図６に示すフローチャートに基づいて判断した場合に、図５に示すフローチャートにおいて用いるフラグを設定するフローを示したフローチャートである。
【図８】部分酸化改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を保留するフローを示したフローチャートである。
【図９】第２イニシャルチェックを行うフローを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２８】
図１を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態としての燃料電池システムＦＣＳの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００２９】
まず、燃料電池モジュールＦＣＭについて説明する。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であって、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極と空気極とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。本実施形態の燃料電池ＦＣは固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートといった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００３０】
燃料極を構成する材料としては、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体といった材料が用いられる。空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００３１】
発電室ＦＣ１において発電された電気は電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００３２】
改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ；Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ；Ａｕｔｏ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ；Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される（詳細は後述する）。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。
【００３３】
蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００３４】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００３５】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、本来排気ガス通路等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵを覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵに取り付けられている。
【００３６】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３７】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される。
【００３８】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００３９】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流用が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。
【００４０】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００４１】
続いて、図２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００４２】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＳＣは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＳＣには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳは制御ボックスＣＢに収められている。また操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。
【００４３】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００４４】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。
【００４５】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４６】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４７】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１，ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４８】
続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動時（起動モード）における各種改質反応の切り替えについて図３を参照しながら説明する。図３は、燃料電池システムＦＣＳの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【００４９】
本実施形態における燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応ＰＯＸと、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１と、第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２と、水蒸気改質反応ＳＲとを順次切り替えながら改質反応を進行している。図３を説明するのに先立って、各改質反応について説明する。
【００５０】
部分酸化改質反応ＰＯＸは、改質器ＳＲに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。ただし、部分酸化改質反応ＰＯＸは、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。尚、部分酸化改質反応ＰＯＸのみに着目すれば、空間速度を高く設定するので、例えば改質器ＲＦを分割形成して部分酸化改質反応ＰＯＸ専用の改質器を設ける場合には、その専用の改質器を小型化することができる。
【００５１】
水蒸気改質反応ＳＲは、改質器ＳＲに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
水蒸気改質反応ＳＲは、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。尚、水蒸気改質反応ＳＲのみに着目すれば、空間速度を低く設定するので、改質器ＲＦが大型化する傾向にある。
【００５２】
第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１及び第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２からなるオートサーマル改質反応ＡＴＲは、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間的な改質反応であって、改質器ＲＦに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行う改質反応であり、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
オートサーマル改質反応ＡＴＲは、水素収率が部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施形態の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応ＰＯＸにより近い第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応ＳＲにより近い第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２を後に行っている。
【００５３】
図３に戻って、燃料電池システムＦＣＳの起動モードについて説明する。図３は、横軸に起動開始後の経過時間を取り、左縦軸には各部の温度を取っている。制御電圧であるため特段の目盛りは付していないが、改質用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、発電用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、被改質ガスを供給するための流量調整ユニットＦＰ１に含まれる燃料ポンプの制御電圧、及び純水を供給するための流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧は、図中上方に行くほど電圧が高くなる（供給量が増える）ように示している。図３には、改質器ＲＦの温度、燃料電池セルＣＥのスタック温度、燃焼室ＦＣ２の温度（改質器ＲＦの温度等から推定している）、流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＦＰ２に含まれる燃料ポンプの制御電圧、流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧を示している。
【００５４】
まず、改質用空気を増やすように流量調整ユニットＡＰ１ａ、電磁弁ＡＰ２、ヒータＡＨ１、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに空気を供給する。また、被改質ガスの供給を増やすように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに被改質ガスを供給する。このように、空気と被改質ガスを供給し、イグナイタによって着火して燃焼運転を実行する（尚、条件によっては自然着火によって着火して燃焼運転を実行する）。この場合の、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分１０．０Ｌ（リットル）、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分６．０Ｌである。また、起動モード全体を通して、発電室ＦＣ１に供給する発電用空気の流量は毎分１００．０Ｌとなるように流量調整ユニットＡＰ１ｂが制御される。発電室ＦＣ１上方の燃焼室ＦＣ２においては、改質器ＲＦを通過した燃料ガスと発電用空気とが混合して燃焼しており、燃焼室ＦＣ２の温度が徐々に上昇する。
【００５５】
続いて、改質器ＲＦの温度が約３００℃程度になった際に改質器がＰＯＸ運転可能な状態になることから３００℃前後になった時に成行きで部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。部分酸化改質反応ＰＯＸは発熱反応なので、各部の温度が上昇する。部分酸化改質反応ＰＯＸを開始してから所定時間が経過した後、改質用空気の供給量を更に増やして部分酸化改質反応ＰＯＸをより進行させる。具体的には、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分１８．０Ｌ、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分５．０Ｌである。
【００５６】
続いて、改質器ＲＦの温度が約６００℃以上になり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約２５０℃を超えたことを条件として、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１へと移行させる。第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分８．０Ｌに減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分５．０Ｌを維持する。更に、毎分１．０ｍｌの極微量な純水を改質器ＲＦに供給する。オートサーマル改質反応ＡＴＲは、部分酸化改質反応ＡＴＲと水蒸気改質反応ＳＲとを混合した反応であって、熱的に内部バランスが取れるので改質器ＲＦ内では熱自立しながら反応が進行する。また、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１は，空気が比較的多く部分酸化改質反応ＰＯＸに近い反応であり、発熱が支配的な反応となっている。尚、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１中において、燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度は約２５０℃から約４００℃である。
【００５７】
続いて、改質器ＲＦの温度が６００℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約４００℃を超えたことを条件として、第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２へと移行させる。第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分４．０Ｌに減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量も毎分４．０Ｌに減らす。更に、毎分３．０ｍｌの微量な純水を改質器ＲＦに供給する。第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２は，空気が比較的少なく水が多いため水蒸気改質反応ＳＲに近い反応であり、吸熱が支配的な反応となっている。しかしながら、発電室ＦＣ１内の温度を示すセルスタック温度が約４００℃を超えているため、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。尚、第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２中において、蒸発部ＲＦ２の温度は約１００℃以上である。
【００５８】
続いて、改質器ＲＦの温度が６５０℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約６００℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応ＳＲへと移行させる。水蒸気改質反応ＳＲでは、改質器ＲＦに供給する改質用空気は遮断し、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分３．０Ｌに減らす。更に、毎分８．０ｍｌの純水を改質器ＲＦに供給する。この水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるので、燃焼室ＦＣ２からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室ＦＣ１内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応ＳＲが進行しても燃焼室ＦＣ２では継続して燃焼反応が持続する。
【００５９】
上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室ＦＣ１内の温度が徐々に上昇する。発電室ＦＣ１の温度（セルスタックの温度）が、燃料電池モジュールＦＣＭを安定的に作動させる定格温度（約７００℃）よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールＦＣＭを含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣＭは発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。燃料電池セルＣＥの発電により、燃料電池セルＣＥ自体も発熱し、更に、燃料電池セルＣＥの温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣＭを作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。
【００６０】
その後、定格温度を維持するために、燃料電池セルＣＥで消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室ＦＣ２での燃焼を継続させる。尚、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。水蒸気改質反応ＳＲ自体は厳密には４００℃〜８００℃程度で行われるが、燃料電池セルＣＥとの組み合わせにおいては５００℃〜７００℃程度で反応が進行するように設定している。
【００６１】
本実施形態では、図３に示す第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始時に、毎分１ｃｃという極めて微量な水を改質器ＳＲに供給している。このように微量な水を正確に供給するための一実施形態について、図４を参照しながら説明する。図４は、図１に示す貯水タンクＷＰ２から流量調整ユニットＷＰ１を経由して燃料電池モジュールＦＣＭに至る配管経路を模式的に示した図である。
【００６２】
図４に示すように、貯水タンクＷＰ２は、第１貯水タンクＷＰ２ａと第２貯水タンクＷＰ２ｂとを備えている。第１貯水タンクＷＰ２ａには、上水が供給される給水管１０が繋がれている。給水管１０には電磁弁１０１が設けられており、電磁弁１０１を開閉することで第１貯水タンクＷＰ２ａに上水を供給したり停止したりすることができる。第１貯水タンクＷＰ２ａは、温水製造装置ＨＷの熱交換器ＨＷ１において結露した水を受け入れることが可能なように配置されている。従って、第１貯水タンクＷＰ２ａには、温水製造装置ＨＷの熱交換器ＨＷ１において結露した水を貯めつつ、水量が不足した場合には給水管１０から水を補給することが可能である。第１貯水タンクＷＰ２ａにはヒータＨ１が設けられていて、第１貯水タンクＷＰ２ａ内の水が凍結しないように構成されている。
【００６３】
第１貯水タンクＷＰ２ａと第２貯水タンクＷＰ２ｂとを繋ぐ管路１１には、ポンプ１１１と逆浸透膜２０とが設けられている。ポンプ１１１は、毎分１Ｌの水を第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂへと送り込むことができる。ポンプ１１１にて、逆浸透膜２０を通して水を第２貯水タンクＷＰ２ｂ側へと押し込むので、逆浸透膜２０を通過した水は純水となって第２貯水ダンクＷＰ２ｂへ貯水される。第２貯水タンクＷＰ２ｂにはヒータＨ２が設けられていて、第２貯水タンクＷＰ２ｂ内の水が凍結しないように構成されている。
【００６４】
第２貯水タンクＷＰ２ｂと燃料電池モジュールＦＣＭとを繋ぐ管路１３には、パルスポンプ１３１と水流量センサＤＳ６とが設けられている。従って、管路１３は、第２貯水タンクＷＰ２ｂからパルスポンプ１３１までの管路１３ａと、パルスポンプ１３１から水流量センサＤＳ６までの管路１３ｂと、水流量センサＤＳ６から燃料電池モジュールＦＣＭまでの管路１３ｃとによって構成されている。管路１３ａの第２貯水タンクＷＰ２ｂ近傍にはヒータＨ３が設けられていて、管路１３ａ内の水、特に燃料電池モジュールＦＣＭから離れた位置の水が凍結しないように構成されている。
【００６５】
第１貯水タンクＷＰ２ａには、上述した水位センサＤＳ５に相当する高水位センサＤＳ５ａ及び低水位センサＤＳ５ｂが設けられている。高水位センサＤＳ５ａ（高水位検出手段）は、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位まで水が供給されたことを検知するためのフロートセンサであって、取り付けられた位置まで水面が上昇するとＨｉ信号を出力するものである。低水位センサＤＳ５ｂ（低水位検出手段）は、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位まで水が供給されたことを検知するためのフロートセンサであって、取り付けられた位置まで水面が上昇するとＨｉ信号を出力するものである。尚、高水位センサＤＳ５ａ及び低水位センサＤＳ５ｂは、その取り付けられている位置まで水面が到達していない場合にはＬｏ信号を出力するものである。
【００６６】
第２貯水タンクＷＰ２ｂには、上述した水位センサＤＳ５に相当する高水位センサＤＳ５ｃ（高水位検出手段）及び低水位センサＤＳ５ｄ（低水位検出手段）が設けられている。高水位センサＤＳ５ｃは、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位まで水が供給されたことを検知するためのフロートセンサであって、取り付けられた位置まで水面が上昇するとＨｉ信号を出力するものである。低水位センサＤＳ５ｃは、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位まで水が供給されたことを検知するためのフロートセンサであって、取り付けられた位置まで水面が上昇するとＨｉ信号を出力するものである。尚、高水位センサＤＳ５ｃ及び低水位センサＤＳ５ｄは、その取り付けられている位置まで水面が到達していない場合にはＬｏ信号を出力するものである。
【００６７】
続いて、本実施形態の燃料電池システムＦＣＳにおいて、運転の開始から燃焼運転を行い、改質器ＲＦにおいて部分酸化改質反応ＰＯＸを行ってから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１に移行するまでの改質器ＲＦへの水供給制御について説明する。図５は、この場合に改質器ＲＦへ水を供給するための基本フローを示したフローチャートである。図５の説明において、フラグＦが「０」であれば、第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに正常に水が溜められていて通常の制御が可能であることを示している。フラグＦが「５」であれば、水供給系に異常が発生しているものの第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水があることを判定可能であって、推定供給制御による運転継続が可能であることを示している。フラグＦが「６」であれば、水供給系に異常が発生し第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水があることを判定することが不可能であって、燃料電池システムＦＣＳの運転を停止することを示している。フラグＦが「７」であれば、水供給系に異常が発生し第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水を供給することが不可能であって、燃料電池システムＦＣＳの運転を停止することを示している。
【００６８】
ステップＳ０１では、燃料電池システムＦＣＳが運転を開始し、燃焼運転を行ってから改質器ＲＦにおいて部分酸化改質反応ＰＯＸを行い、所定の条件を満たして水蒸気を用いた改質反応（本実施形態の場合は、上述したように第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１）を実行する時期となったか判断する。ステップＳ０１の判断で、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１に移行する条件が整っていなければリターンし、整っていればステップＳ０２の処理に進む。
【００６９】
ステップＳ０２では、フラグＦが「０」であるか判断する。フラグＦが「０」であればステップＳ０３の処理に進み、フラグＦが「０」でなければステップＳ０６の処理に進む。フラグＦが「０」であれば、通常の制御が可能であるので、ステップＳ０３では、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始タイミングであるか判断する。ステップＳ０３において、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始タイミングでなければ既に第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１が行われていると判断して、ステップＳ０４の処理に進み、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始タイミングであれば、ステップＳ０９の処理に進む。
【００７０】
ステップＳ０４では、水流量センサＤＳ６が検知する流量が、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１において必要とされる流量Ｑとなるようにパルスポンプ１３１を制御する。ステップＳ０４に続くステップＳ０５では、改質器ＲＦに設けられた改質器内圧センサＤＳ４の検出圧力が小さく変動しているか判断する。改質器ＲＦに設けられた改質器内圧力センサＤＳ４の検出圧力が小さく変動していれば、水の少ない改質器ＲＦに少量の水がパルスポンプ１３１によって脈動的に供給されているものと判断してリターンする。改質器ＲＦに設けられた改質器内圧センサＤＳ４の検出圧力が小さく変動していなければ、改質器ＲＦ内に少量の水が供給されていないものと判断してステップＳ０８の処理に進む。ステップＳ０８では、フラグＦを「７」として燃料電池システムＦＣＳの運転を緊急停止するための処理を実行する。
【００７１】
ステップＳ０３において、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始タイミングであると判断されると、ステップＳ０９では、パルスポンプ１３１の供給量を最大値として改質器ＲＦに向けて水を送り出す。ステップＳ０９に続くステップＳ１０では、改質器ＲＦ内の圧力が大きく変動するか判断する。改質器ＲＦ内の圧力が大きく変動していれば、パルスポンプ１３１によって水が圧送され始めたと判断してステップＳ１１の処理に進み、改質器ＲＦ内の圧力が大きく変動していなければ、ステップＳ１３の処理に進む。
【００７２】
ステップＳ１１では、水流量センサＤＳ６の検出する水量が変化したか判断する。水流量センサＤＳ６の検出する水量が変化すれば、パルスポンプ１３１から送り出される水が水流センサＤＳ６に到達したものと判断してステップＳ１２の処理に進み、水流量センサＤＳ６の検出する水量が変化しなければステップＳ１３の処理に進む。
【００７３】
ステップＳ１２では、水流量センサＤＳ６の流量が第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１において必要とされる流量Ｑとなるようにパルスポンプ１３１を制御し、リターンする。
【００７４】
ステップＳ１３では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ１４の処理に進む。ステップＳ１４では、フラグＦを「７」として燃料電池システムＦＣＳの運転を緊急停止するための処理を実行する。
【００７５】
続いて、高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄのいずれかに異常が発生しているか否かを判断するフローについて、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。図６の説明において、フラグＦが「０」であれば、どの水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）にも異常が発生していないことを示している。フラグＦが「２」であれば、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａが異常であることを示している。フラグＦが「１」であれば、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂが異常であることを示している。フラグＦが「４」であれば、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃが異常であることを示している。フラグＦが「３」であれば、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄが異常であることを示している。尚、図６〜図９の図中において、「ＳＷ１」は高水位センサＤＳ５ａを示し、「ＳＷ２」は低水位センサＤＳ５ｂを示し、「ＳＷ３」は高水位センサＤＳ５ｃを示し、「ＳＷ４」は低水位センサＤＳ５ｄを示している。また、「ポンプ１」はポンプ１１１を示し、「タンク１」は第１貯水タンクＷＰ２ａを示し、「タンク２」は第２貯水タンクＷＰ２ｂを示している。
【００７６】
ステップＳ２１では、高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄの全てからＨｉ信号が出力されているか判断する。全てのセンサからＨｉ信号が出力されていれば、全てのセンサが水位を検出しているので、ステップＳ３２の処理に進む。全てのセンサからＨｉ信号が出力されていなければ、ステップＳ２２の処理に進む。
【００７７】
ステップＳ２２では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＬｏ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＬｏ信号が出力されていれば、ステップＳ２３の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＬｏ信号が出力されていなければ、ステップＳ３４の処理に進む。
【００７８】
ステップＳ２３では、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されていれば、Ｊ１へジャンプしてステップＳ４３の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されていなければ、ステップＳ２４の処理に進む。
【００７９】
ステップＳ２４では、第１貯水タンクＷＰ２ａに給水し、ステップＳ２５の処理に進む。
【００８０】
ステップＳ３４では、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＬｏ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＬｏ信号が出力されていれば上述したステップＳ２４の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＬｏ信号が出力されていなければステップＳ３５の処理に進む。
【００８１】
ステップＳ３５では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＬｏ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＬｏ信号が出力されていれば、ステップＳ３６の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＬｏ信号が出力されていなければ、ステップＳ３７の処理に進む。
【００８２】
ステップＳ３６では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されていれば、Ｊ２へジャンプしてステップＳ４１の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されていなければ、Ｊ３へジャンプしてステップＳ２９の処理に進む。
【００８３】
ステップＳ３７では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＬｏ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＬｏ信号が出力されていれば、Ｊ３へジャンプしてステップＳ２９の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＬｏ信号が出力されていなければ、満水であるものとしてリターンする。
【００８４】
ステップＳ２５では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されていれば、ステップＳ２６の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されていなければ、ステップＳ４２の処理に進む。
【００８５】
ステップＳ４２では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ４３の処理に進む。
【００８６】
ステップＳ４３では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂが異常であるものと判断してフラグＦを「１」に設定してリターンする。これは、ステップＳ２４において第１貯水タンクＷＰ２ａに給水を行ったものの、所定時間が経過しても低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されないか、ステップＳ２２において低水位センサＤＳ５ｂからＬｏ信号が出力されたたもののステップＳ２３において高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されたためである。尚、ステップＳ４３の処理の際には、低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されたものと擬似的に設定してリターンする。
【００８７】
ステップＳ２６では、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されていれば、ステップＳ２７の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されていなければ、ステップＳ３８の処理に進む。
【００８８】
ステップＳ３８では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ３９の処理に進む。
【００８９】
ステップＳ３９では、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａが異常であるものと判断してフラグＦを「２」に設定してリターンする。これは、ステップＳ２４において第１貯水タンクＷＰ２ａに給水を行って、低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されているものの、所定時間が経過しても高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されないためである。尚、ステップＳ３９の処理の際には、高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されたものと擬似的に設定してリターンする。
【００９０】
ステップＳ２７では、第１貯水タンクＷＰ２ａへの給水を停止する。ステップＳ２７に続くステップＳ２８では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されていればリターンし、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されていなければステップＳ２９の処理に進む。
【００９１】
ステップＳ２９では、純水ポンプ１１１を駆動して、第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂへと水を供給する。ステップＳ２９に続くステップＳ３０では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されていればステップＳ３１の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されていなければステップＳ４４の処理に進む。
【００９２】
ステップＳ４４では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ４５の処理に進む。
【００９３】
ステップＳ４５では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄが異常であるものと判断してフラグＦを「３」に設定してリターンする。これは、ステップＳ２９において第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂに給水を行っているものの、所定時間が経過しても低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されないためである。尚、ステップＳ４５の処理の際には、低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されたものと擬似的に設定してリターンする。
【００９４】
ステップＳ３１では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されていれば、ステップＳ３２の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されていなければステップＳ４０の処理に進む。
【００９５】
ステップＳ４０では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ４１の処理に進む。
【００９６】
ステップＳ４１では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃが異常であるものと判断してフラグＦを「４」に設定してリターンする。これは、ステップＳ２９において第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂに給水を行っており、低水位センサＤＳ５ｄからはＨｉ信号が出力されているものの、所定時間が経過しても高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されないためである。尚、ステップＳ４１の処理の際には、高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されたものと擬似的に設定してリターンする。
【００９７】
ステップＳ３２では、擬似的に設定されたＨｉ信号が含まれているか判断する。擬似的に設定されたＨｉ信号が含まれていればステップＳ４６の処理に進み、擬似的に設定されたＨｉ信号が含まれていなければステップＳ４８の処理に進む。
【００９８】
ステップＳ４６では、異常対応運転を行うか推定供給運転を行うか設定する。ステップＳ４７では、異常が発生している水位センサに対応するフラグＦを立てて、リターンする。フラグＦは、「１」「２」「３」「４」のいずれか一つ以上設定される。ステップＳ４８では、正常運転制御を行うものと設定する。ステップＳ４９では、フラグＦを「０」に設定してリターンする。
【００９９】
続いて、図６に示すフローに基づいて水位センサの異常に関するフラグを設定した場合に、図５に示すフローにおいて用いるフラグを設定するフローについて、図７に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【０１００】
ステップＳ５１では、フラグＦが「０」であるか判断する。フラグＦが「０」であればステップＳ５７の処理に進み、フラグＦが「０」でなければステップＳ５２の処理に進む。ステップＳ５７では、正常運転を許可し、フラグＦを「０」としてリターンする。
【０１０１】
ステップＳ５２では、フラグＦが「１」「２」「３」「４」の全ておいて設定されているか判断する。フラグＦが「１」「２」「３」「４」の全ておいて設定されていればステップＳ５８の処理に進み、フラグＦが「１」「２」「３」「４」の全ておいて設定されていなければステップＳ５３の処理に進む。
【０１０２】
ステップＳ５８では、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）が全て同時に故障しているか、そもそも水が全く供給されていないかの状態であるので、水供給系異常としてフラグＦを「６」としてリターンする。
【０１０３】
ステップＳ５３では、フラグＦが「１」「２」「３」「４」のいずれか一つ設定されているか判断する。フラグＦが「１」「２」「３」「４」のいずれか一つではなく二つから三つ設定されていればステップＳ５９の処理に進み、フラグＦが「１」「２」「３」「４」のいずれか一つ設定されていればステップＳ５４の処理に進む。
【０１０４】
ステップＳ５９では、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）のいずれか二つから三つが同時に故障している状態であるので、水供給系異常としてフラグＦを「６」としてリターンする。尚、本実施形態では、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）のいずれか二つから三つが同時に故障している場合に水供給系異常であるとしてフラグＦを「６」としているが、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）のいずれか一つが異常でなければ、実際には水を供給する系から水の供給が途絶えているわけではないので、水が供給されているものと判断する態様も採用することが可能である。
【０１０５】
ステップＳ５４では、推定供給運転を許可するものとしてフラグＦを「５」に設定する。尚、本実施形態の場合、第１貯水タンクＷＰ２ａも第２貯水タンクＷＰ２ｂも、最大満水量３００ｍｌのタンクであって、オーバーフロー可能なものを使用している。これは、断水時であっても、水蒸気改質での停止運転が可能なように、毎分１ｍｌの水を４時間以上供給し続けることが可能な水量として設定されている。
【０１０６】
ステップＳ５４に続くステップＳ５５では、低水位センサＤＳ５ｂ又は低水位センサＤＳ５ｄが異常である場合は、高水位センサＤＳ５ａ又は高水位センサＤＳ５ｃによって水位を推定する低水位推定供給制御による推定供給運転に変更する。推定供給運転を継続する場合、最大使用水量は毎分８ｍｌである。従って、３００ｍｌの水を３５分前後で使い切ってしまう可能性があるので、高水位センサＤＳ５ａ又は高水位センサＤＳ５ｃのＨｉ信号出力から２５分後に給水を行って、満水状態を維持している。この動作によって、第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水が必ず入っている状態を確保することができ、安全性を維持できる。
【０１０７】
ステップＳ５５に続くステップＳ５６では、高水位センサＤＳ５ａ又は高水位センサＤＳ５ｃが異常である場合は、低水位センサＤＳ５ｂ又は低水位センサＤＳ５ｄによって水位を推定する高水位推定供給制御による推定供給運転に変更する。本実施形態の場合、第１貯水タンクＷＰ２ａも第２貯水タンクＷＰ２ｂも、最大満水量３００ｍｌのタンクを使用しているので、低水位センサＤＳ５ｂ又は低水位センサＤＳ５ｄのＨｉ信号出力から通常３０秒程度でタンクを満水にすることができる。そこで、低水位センサＤＳ５ｂ又は低水位センサＤＳ５ｄのＨｉ信号出力から４０秒程度給水を行って、タンクをオーバーフロー気味に満水状態にする。この動作によって、第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水が必ず入っている状態を確保することができ、安全性を維持できる。
【０１０８】
図７を参照しながら説明したフラグＦ「０」「５」「６」は、図５参照しながら説明したフローにおいて用いられる。また、推定供給運転の実行が、所定回数実行され、又は所定時間実行された場合には、水位センサに異常が発生しているものとしてフラグＦを６に移行させて異常対応制御を実行することも好ましい。
【０１０９】
上述した実施形態では、上水から給水が可能である場合について説明したが、上水からの給水を受けずに結露水のみで改質器ＲＦに水を供給する場合について説明する。この場合には、結露水が想定どおりに溜まらない場合も想定されるので、その場合は部分酸化改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を保留することが好ましい。図８に示すフローチャートを参照しながら、部分酸化改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を保留するフローについて説明する。
【０１１０】
ステップＳ６１では、運転開始タイミングとなったか判断する。運転開始タイミングとなっていなければリターンし、運転開始タイミングとなっていればステップＳ６２の処理に進む。ステップＳ６２では、第１イニシャルチェックを実行し、燃料電池システムＦＣＳ各部のチェックを行う。
【０１１１】
ステップＳ６２に続くステップＳ６３では、空気及び被改質ガス（燃料ガス）の供給系が問題ないか判断する。空気及び被改質ガス（燃料ガス）の供給系に問題があればステップＳ６９の処理に進み、空気及び被改質ガス（燃料ガス）の供給系に問題がなければステップＳ６４の処理に進む。ステップＳ６９では、異常停止処理を実行し、フラグＦを「Ｎ」に設定して処理を終了する。
【０１１２】
ステップＳ６４では、イグナイタによって燃料ガスに着火し燃焼運転を開始する。ステップＳ６４に続くステップＳ６５では、燃料電池システムＦＣＳの運転を開始してから所定時間が経過したか判断し、所定時間経過した場合にはステップＳ６６の処理に進む。このように所定時間が経過しているか判断するのは、部分酸化改質反応ＰＯＸでの運転がある程度継続し、結露水が溜まっていると推認される時間を確保するためである。また、ステップＳ６５の判断は、改質器ＲＦの温度が所定温度を上回ったことを基準としたり、改質器ＲＦの温度が所定温度を上回って所定時間が経過したことを基準としたりすることも好ましい。
【０１１３】
ステップＳ６６では、第２イニシャルチェックを実行する。第２イニシャルチェックについては図９を参照しながら説明する。図９は、第２イニシャルチェックのフローを示したフローチャートである。
【０１１４】
ステップＳ８１では、第２イニシャルチェックの時期になったか判断する。第２イニシャルチェックの時期になっていればステップＳ８２の処理に進み、第２イニシャルチェックの時期になっていなければリターンする。
【０１１５】
ステップＳ８２では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されていればステップＳ８３の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されていなければステップＳ９０の処理に進む。ステップＳ９０では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂが異常であるものとして、フラグＦを「１」とする。これは、上述したように部分酸化改質反応ＰＯＸでの運転がある程度継続しており、通常であれば結露水が溜まっていると思われるほど時間が経過しているのにも拘らず、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されないためである。
【０１１６】
ステップＳ８３では、フラグＦをリセット（フラグＦが「１」になっている場合は「０」へ）する。ステップＳ８３に続くステップＳ８４では、第２イニシャルチェック開始後所定時間が経過したか判断する。第２イニシャルチェック開始後所定時間が経過していなければリターンし、第２イニシャルチェック開始後所定時間が経過していればステップＳ８５の処理に進む。
【０１１７】
ステップＳ８５では、純水ポンプ１１１を駆動し、第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂへと水を供給する。第１貯水タンクＷＰ２ａが満水になる前に第２貯水タンクＷＰ２ｂに給水することで、早い段階で第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１へと移行することができる。尚、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂに異常がある場合は、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨＩ信号が出力されるのを待って第２貯水タンクＷＰ２ｂへと給水することもできる。ただし、第１貯水タンクＷＰ２ａに貯水されるのは結露水であるので、非常に時間がかかる。
【０１１８】
ステップＳ８５に続くステップＳ８６では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されるか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されればステップＳ８７の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されなければステップＳ９１の処理に進む。ステップＳ９１では、所定時間が経過したか判断し、所定時間経過していればステップＳ９２の処理に進み、所定時間経過していなければステップＳ８５の処理に進む。
【０１１９】
ステップＳ８７では、第２貯水タンクＷＰ２ｂへの給水が完了したか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂへの給水が完了していなければステップＳ８５の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂへの給水が完了していればステップＳ８８の処理に進む。
【０１２０】
ステップＳ８８では、推定供給運転を許可し、フラグＦを「ＯＫ」に設定する。第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃに異常があるか否かは未確認であるものの、第２貯水タンクＷＰ２ｂに水があることは確実だからである。
【０１２１】
ステップ９２では、フラグＦが「１」であるか判断する。フラグＦが「１」あればステップＳ９４の処理に進み、フラグＦが「１」でなければステップＳ８８の処理に進む。
【０１２２】
ステップＳ９４では、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）の２個から３個が同時に故障しているものと判断し、水供給系に異常があるものとしてフラグＦを「Ｎ」に設定する。
【０１２３】
ステップＳ８８及びステップＳ９４に続くステップＳ８９では、純水ポンプ１１１を停止し、処理を終了する。
【０１２４】
図８に戻って説明を続ける。ステップＳ６６における第２イニシャルチェックを上述のように終了すると、ステップＳ６７において、水供給系に問題が無いか、フラグＦが「０」又は「ＯＫ」であるか判断する。水供給系に問題がなければステップＳ６８の処理に進み、水供給系に問題があればステップＳ７０の処理に進む。ステップＳ６８では、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を許可して通常制御を実行する。
【０１２５】
ステップＳ７０では、異常判定中であるか判断する。異常判定中であればステップＳ７１の処理に進み、異常判定中でなければステップＳ７３の処理に進む。ステップＳ７１では、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を保留する。ステップＳ７１に続くステップＳ７２では、燃料ガス及び発電用空気の供給量を低下させて処理を終了する。ステップＳ７３では、異常停止処理を実行し、フラグＦを「Ｎ」に設定して処理を終了する。
尚、貯水タンクＷＰ２から改質器ＲＦに水を供給する運転継続期間において継続チェックである第２イニシャルチェックとして水位センサに異常が発生していないか確認し、異常が発生している場合には推定供給制御を実行したが、運転開始期間においてイニシャルチェックとして水位センサに異常が発生していないか確認し、異常が発生している場合には推定供給制御を実行することも好ましい。
【符号の説明】
【０１２６】
ＡＤＵ：補器ユニット
ＡＨ１：ヒータ
ＡＨ２：ヒータ
ＡＰ：空気供給部
ＡＰ１：流量調整ユニット
ＡＰ２：電磁弁
ＡＴＲ：オートサーマル改質反応
ＡＴＲ１：オートサーマル改質反応
ＡＴＲ２：オートサーマル改質反応
ＣＢ：制御ボックス
ＣＥ：燃料電池セル
ＣＯＤ：一酸化炭素検知器
ＣＳ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１：操作装置
ＣＳ２：表示装置
ＣＳ３：報知装置
ＤＳ１：改質器温度センサ
ＤＳ２：スタック温度センサ
ＤＳ３：排気温度センサ
ＤＳ４：改質器内圧力センサ
ＤＳ５：水位センサ
ＤＳ６：水流量センサ
ＤＳ７：燃料流量センサ
ＤＳ８：改質空気流量センサ
ＤＳ９：発電空気流量センサ
ＤＳ１０：電力状態検出部
ＤＳ１１：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３：可燃ガス検出センサ
ＥＰ：電力取出部
ＥＰ１：電力取出ライン
ＦＣ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＰ：燃料供給部
ＦＰ１：流量調整ユニット
ＦＰ２：脱硫器
ＦＰ４，ＦＰ５：ガス遮断弁
ＧＤ１，ＧＤ２：可燃ガス検知器
ＨＷ：温水製造装置
ＭＶ：混合部
ＰＯＸ：部分酸化改質反応
ＲＦ：改質器
ＲＦ１：改質部
ＲＦ２：蒸発部
ＳＣ：燃料電池システム制御部
ＳＲ：水蒸気改質反応
ＷＰ：水供給部
ＷＰ１：流量調整ユニット
ＷＰ２：貯水タンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）セルを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような燃料電池システムとしては、固体電解質形燃料電池（以下、ＳＯＦＣともいう）セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、そのセルの内側又は外側に水素を含む燃料ガスを通すと共に、反対側には酸化剤ガス（空気）を通すことで発電反応を行わせるものが知られている。燃料ガスは、都市ガスといった被改質ガスを改質して得られるものであって、その改質を行う改質器においてはいわゆる水蒸気改質反応（以下、ＳＲともいう）が行われている。その改質器に純水を供給する技術が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。
【０００３】
下記特許文献１では、純水を改質器に迅速に供給することが記載されている。また、断水時にあっても燃料電池システムの運転継続が可能なように、タンクに水を供給する技術が下記特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３５２７１号公報
【特許文献２】特開２００８−５３２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＳＯＦＣは発電効率が高く、使用する燃料ガスが少なくて済むため、非改質ガスも水蒸気も非常に少なくて済むという利点がある。例えば、上述した水蒸気改質反応ＳＲでは、必要とされる水の量が毎分約８ｍｌ前後である。
【０００６】
一方、ＳＯＦＣを含む燃料電池システム特有の起動方法に着目すると、上述した水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるから、起動当初において即座に水蒸気改質反応ＳＲを行わせてしまうとＳＯＦＣモジュールの温度が上がらず、安定した運転温度まで上昇しないものである。そこで、起動当初は改質器に空気と被改質ガスのみを送り込み、発熱反応としての部分酸化改質反応（以下、ＰＯＸともいう）を行わせている。部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとを比較すると、水素の発生効率は水蒸気改質反応ＳＲの方が高いため、ＳＯＦＣモジュールの温度上昇に合わせて水蒸気改質反応ＳＲへと徐々に移行することが求められている。従って、改質器に供給する水量に着目すれば、全く水を用いない状態から毎分約８ｍｌの給水へと円滑に移行させる必要がある。このような移行途中においては、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲを進行させる場合もある。
【０００７】
上述した事情を鑑みれば、改質器に供給する水量を可能な限り少ない量から徐々に増やしていくことが好ましいはずであるが、実際にそのような給水を行うことは極めて困難である。ＳＯＦＣを含む燃料電池システムは上述したように効率の高いものであると同時に、非常に高温（約７００℃）になるものでもある。例えば、一度起動し停止した後に再起動する場合には、改質器へ水を供給する給水管の温度が高くなり、その給水管内の水は蒸発してしまっている可能性が高い。そのように水の全く無い状態の給水管に、少ない水を正確に供給することは極めて難しいものであるが、改質器へ水を正確に供給できないことを放置すれば、水が足りない場合には改質器において炭素析出が発生してセルや触媒が破損する場合があり、水が多い場合には燃料電池の温度が上がらずに安定した運転が行えない場合がある。少ない水を正確に供給することは重要であり、少ない水を正確に供給するためには流量測定方法やその測定結果を利用した制御について工夫することも必要であり、各種センサに不具合が発生した場合にいかにして制御するかも重要である。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＳＯＦＣを含む燃料電池システムであって、改質器へ供給するための水を貯めるタンクにおける貯水状況に不具合が発生したり、そのタンクに設けられた水位検出手段に不具合が発生したりといったような事態が発生しても、可能な限り運転継続できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの水蒸気改質を行う改質器と、前記燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼して排出される排出ガスと熱交換を行う熱交換器と、前記改質器に水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段を制御する制御手段とを備え、前記水供給手段は、前記改質器に供給する水として前記熱交換器における結露水を貯水する貯水タンクと、前記貯水タンクの水位を検出する水位検出手段と、前記貯水タンクに貯水された水を前記改質器に圧送するポンプと、を有し、前記制御手段は、運転開始期間のイニシャルチェックとは別に、前記熱交換器への排出ガスの供給に合わせて、前記水位検出手段の異常有無を判断する異常判定処理を実行することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から排出される排出ガスと熱交換を行う熱交換器と、改質器に供給する水として熱交換器における結露水を貯水する貯水タンクとを備えている。貯水タンクに溜められた水はポンプによって改質器に圧送される。改質器に供給される水は安定的に供給される必要があるため、貯水タンクの水位を検出する水位検出手段を設けている。本発明では、運転開始期間のイニシャルチェックとは別に、熱交換器への排出ガスの供給に合わせて、水位検出手段の異常有無を判断する異常判定処理を実行するので、熱交換器への排出ガスの供給開始から所定の時間をおいた任意のタイミングで異常判定処理を実行することができる。このように異常判定処理を実行するタイミングを制御することで、熱交換器における結露が始まって貯水タンクに結露水が溜まるであろうタイミングに合わせて異常判定処理を実行することが可能となり、例えば貯水タンクに上水を供給せずに結露水のみを溜める場合であっても水位検出手段の異常有無を正確且つ早期に判断することができる。
【００１１】
本願請求項２に係る燃料電池システムでは、起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行することを特徴とする。
【００１２】
起動時において改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、オートサーマル改質反応又は水蒸気改質反応といった水を用いた改質反応へと遷移させる本発明では、部分酸化改質反応は改質器に水を必要としない反応である。そこで、改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で異常判定処理を実行することで、結露水を貯水できる状態であって改質器においてはまだ水が必要とされない段階で水位検出手段の異常有無を判断することができ、確実な異常判定を最適なタイミングで実行することができる。更に、部分酸化改質反応を継続することで、加熱された燃料ガスを燃料電池に供給することができ、改質器と共に燃料電池セルも加温することができる。
【００１３】
本願請求項３に係る燃料電池システムでは、起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行し、前記改質器温度が所定温度を上回っても前記水位検出手段が水位を検出しない場合には、前記水を用いた改質反応を前記改質器において起こさせないように制御することを特徴とする。
【００１４】
上述したように、起動時において改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、オートサーマル改質反応又は水蒸気改質反応といった水を用いた改質反応へと遷移させる本発明では、部分酸化改質反応は改質器に水を必要としない反応である。そこで、改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で異常判定処理を実行することで、結露水を貯水できる状態であって改質器においてはまだ水が必要とされない段階で水位検出手段の異常有無を判断することができ、確実な異常判定を最適なタイミングで実行することができる。更に、改質器の温度が所定温度を上回ってもなお水位検出手段が水位を検出しない場合には、水位検出手段そのものに異常が発生しているのか、結露水を貯水することができないのかが不明であるため、水を用いた改質反応への移行を制限し、水不足による改質器内での炭素析出を防止している。
【００１５】
本願請求項４に係る燃料電池システムでは、起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、
前記水供給手段は、前記改質器に供給する水を純水とするための逆浸透膜を有し、前記貯水タンクは、前記逆浸透膜よりも上流側に配置されている第１タンクと、前記逆浸透膜よりも下流側である前記改質器側に配置されている第２タンクとによって構成され、前記第１タンクに溜められた水を前記逆浸透膜を通して前記第２タンクに圧送する第１ポンプと、前記第２タンクに溜められた水を前記改質器に圧送する第２ポンプとが設けられており、前記第１タンク及び前記第２タンクにはそれぞれ前記水位検出手段が設けられており、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行し、前記改質器温度が所定温度を上回っても前記第２タンクに設けられている前記水位検出手段が水位を検出しない場合には、前記第１ポンプを駆動して前記第２タンクへと水を強制的に供給することを特徴とする。
【００１６】
この態様では、逆浸透膜を挟んで配置されている第１タンク及び第２タンクの内、改質器側の第２タンクに設けられている水位検出手段が水位を検出しない場合には、第１ポンプを駆動して第１タンクから逆浸透膜を介して第２タンクへと水を強制的に供給するので、第２タンクに設けられている水位検出手段に異常がなければ水位を検出することができ、水を用いた改質反応への移行を保留することなく起動運転を継続することができる。
【００１７】
本願請求項５に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記水を用いた改質反応を前記改質器において起こさせないように制御するにあたって、前記改質器において前記部分酸化改質反応の温度が所定温度以上に上昇しないように温度抑制制御を実行することを特徴とする。
【００１８】
この態様によれば、部分酸化改質反応から水を用いた改質反応への移行を保留している状態において、改質器における温度が所定温度以上に上昇しないように温度抑制制御を実行するので、過度の温度上昇による燃料電池セルへの悪影響を防止することができる。
【００１９】
本願請求項６に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記温度抑制制御を、前記改質器に供給する被改質ガスの供給量を抑制することで実行することを特徴とする。
【００２０】
この態様によれば、温度抑制制御を改質器に供給する被改質ガスの供給量を抑制することで実行するので、より確実に改質器の温度が所定温度以上に上昇しないように抑制することができ、過度の温度上昇による燃料電池セルへの悪影響を確実に防止することができる。また、改質器を冷却するための冷却装置を別途設ける必要がないので、燃料電池システム全体を小型化することができる。
【００２１】
本願請求項７に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記水位検出手段が水位を検出しない状態が所定時間以上継続した場合には、前記水位検出手段に異常が発生しているものとして異常処理制御を実行することを特徴とする。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいては、熱交換器への排出ガスの供給を所定時間続ければ結露水が生じて貯水タンクに溜まる可能性が高いものと考えられる。従ってこの態様では、水位検出手段が水位を検出しない状態が所定時間以上継続した場合には、水位検出手段に異常が発生していると判断するものとしている。このように判断することで、水位検出手段に異常が発生していることを前提として異常処理制御に移行することができ、的確な対応をとることができる。
【００２３】
本願請求項８に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記水位検出手段が水位を検出しない場合に前記燃料電池を構成する燃料電池セルの酸化を抑制する温度になるように制御すると共に、前記異常処理制御においては前記改質器への被改質ガスの供給量を低下させて冷却停止処理を実行することを特徴とする。
【００２４】
上述のように水位検出手段に異常が発生していることが判明したので、この態様では、燃料電池を構成する燃料電池セルの酸化を抑制する温度になるように制御すると共に、異常処理制御においては改質器への被改質ガスの供給を低下させて冷却停止処理を実行することで、燃料電池の各部が破損せずに安全に運転を停止させている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、改質器へ供給するための水を貯めるタンクにおける貯水状況に不具合が発生したり、そのタンクに設けられた水位検出手段に不具合が発生したりといったような事態が発生しても、可能な限り運転継続できる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本願発明の実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【図４】図１に示す燃料電池システムにおいて、燃料電池モジュールへ水を供給する部分の構成を示す概略構成図である。
【図５】図１及び図４に示す改質器へ水を供給するための基本フローを示したフローチャートである。
【図６】図２及び図４に示す水位センサの異常を判断するためのフローを示したフローチャートである。
【図７】図６に示すフローチャートに基づいて判断した場合に、図５に示すフローチャートにおいて用いるフラグを設定するフローを示したフローチャートである。
【図８】部分酸化改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を保留するフローを示したフローチャートである。
【図９】第２イニシャルチェックを行うフローを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２８】
図１を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態としての燃料電池システムＦＣＳの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００２９】
まず、燃料電池モジュールＦＣＭについて説明する。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であって、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極と空気極とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。本実施形態の燃料電池ＦＣは固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートといった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００３０】
燃料極を構成する材料としては、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体といった材料が用いられる。空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００３１】
発電室ＦＣ１において発電された電気は電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００３２】
改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ；Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ；Ａｕｔｏ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ；Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される（詳細は後述する）。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。
【００３３】
蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００３４】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００３５】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、本来排気ガス通路等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵを覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵに取り付けられている。
【００３６】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３７】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される。
【００３８】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００３９】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流用が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。
【００４０】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００４１】
続いて、図２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００４２】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＳＣは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＳＣには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳは制御ボックスＣＢに収められている。また操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。
【００４３】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００４４】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。
【００４５】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４６】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４７】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１，ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４８】
続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動時（起動モード）における各種改質反応の切り替えについて図３を参照しながら説明する。図３は、燃料電池システムＦＣＳの起動時における各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【００４９】
本実施形態における燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応ＰＯＸと、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１と、第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２と、水蒸気改質反応ＳＲとを順次切り替えながら改質反応を進行している。図３を説明するのに先立って、各改質反応について説明する。
【００５０】
部分酸化改質反応ＰＯＸは、改質器ＳＲに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。ただし、部分酸化改質反応ＰＯＸは、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。尚、部分酸化改質反応ＰＯＸのみに着目すれば、空間速度を高く設定するので、例えば改質器ＲＦを分割形成して部分酸化改質反応ＰＯＸ専用の改質器を設ける場合には、その専用の改質器を小型化することができる。
【００５１】
水蒸気改質反応ＳＲは、改質器ＳＲに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
水蒸気改質反応ＳＲは、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。尚、水蒸気改質反応ＳＲのみに着目すれば、空間速度を低く設定するので、改質器ＲＦが大型化する傾向にある。
【００５２】
第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１及び第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２からなるオートサーマル改質反応ＡＴＲは、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間的な改質反応であって、改質器ＲＦに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行う改質反応であり、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
オートサーマル改質反応ＡＴＲは、水素収率が部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施形態の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応ＰＯＸにより近い第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応ＳＲにより近い第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２を後に行っている。
【００５３】
図３に戻って、燃料電池システムＦＣＳの起動モードについて説明する。図３は、横軸に起動開始後の経過時間を取り、左縦軸には各部の温度を取っている。制御電圧であるため特段の目盛りは付していないが、改質用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、発電用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、被改質ガスを供給するための流量調整ユニットＦＰ１に含まれる燃料ポンプの制御電圧、及び純水を供給するための流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧は、図中上方に行くほど電圧が高くなる（供給量が増える）ように示している。図３には、改質器ＲＦの温度、燃料電池セルＣＥのスタック温度、燃焼室ＦＣ２の温度（改質器ＲＦの温度等から推定している）、流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＦＰ２に含まれる燃料ポンプの制御電圧、流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧を示している。
【００５４】
まず、改質用空気を増やすように流量調整ユニットＡＰ１ａ、電磁弁ＡＰ２、ヒータＡＨ１、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに空気を供給する。また、被改質ガスの供給を増やすように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに被改質ガスを供給する。このように、空気と被改質ガスを供給し、イグナイタによって着火して燃焼運転を実行する（尚、条件によっては自然着火によって着火して燃焼運転を実行する）。この場合の、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分１０．０Ｌ（リットル）、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分６．０Ｌである。また、起動モード全体を通して、発電室ＦＣ１に供給する発電用空気の流量は毎分１００．０Ｌとなるように流量調整ユニットＡＰ１ｂが制御される。発電室ＦＣ１上方の燃焼室ＦＣ２においては、改質器ＲＦを通過した燃料ガスと発電用空気とが混合して燃焼しており、燃焼室ＦＣ２の温度が徐々に上昇する。
【００５５】
続いて、改質器ＲＦの温度が約３００℃程度になった際に改質器がＰＯＸ運転可能な状態になることから３００℃前後になった時に成行きで部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。部分酸化改質反応ＰＯＸは発熱反応なので、各部の温度が上昇する。部分酸化改質反応ＰＯＸを開始してから所定時間が経過した後、改質用空気の供給量を更に増やして部分酸化改質反応ＰＯＸをより進行させる。具体的には、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分１８．０Ｌ、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分５．０Ｌである。
【００５６】
続いて、改質器ＲＦの温度が約６００℃以上になり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約２５０℃を超えたことを条件として、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１へと移行させる。第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分８．０Ｌに減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分５．０Ｌを維持する。更に、毎分１．０ｍｌの極微量な純水を改質器ＲＦに供給する。オートサーマル改質反応ＡＴＲは、部分酸化改質反応ＡＴＲと水蒸気改質反応ＳＲとを混合した反応であって、熱的に内部バランスが取れるので改質器ＲＦ内では熱自立しながら反応が進行する。また、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１は，空気が比較的多く部分酸化改質反応ＰＯＸに近い反応であり、発熱が支配的な反応となっている。尚、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１中において、燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度は約２５０℃から約４００℃である。
【００５７】
続いて、改質器ＲＦの温度が６００℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約４００℃を超えたことを条件として、第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２へと移行させる。第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量は毎分４．０Ｌに減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量も毎分４．０Ｌに減らす。更に、毎分３．０ｍｌの微量な純水を改質器ＲＦに供給する。第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２は，空気が比較的少なく水が多いため水蒸気改質反応ＳＲに近い反応であり、吸熱が支配的な反応となっている。しかしながら、発電室ＦＣ１内の温度を示すセルスタック温度が約４００℃を超えているため、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。尚、第２オートサーマル改質反応ＡＴＲ２中において、蒸発部ＲＦ２の温度は約１００℃以上である。
【００５８】
続いて、改質器ＲＦの温度が６５０℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約６００℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応ＳＲへと移行させる。水蒸気改質反応ＳＲでは、改質器ＲＦに供給する改質用空気は遮断し、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量は毎分３．０Ｌに減らす。更に、毎分８．０ｍｌの純水を改質器ＲＦに供給する。この水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるので、燃焼室ＦＣ２からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室ＦＣ１内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応ＳＲが進行しても燃焼室ＦＣ２では継続して燃焼反応が持続する。
【００５９】
上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室ＦＣ１内の温度が徐々に上昇する。発電室ＦＣ１の温度（セルスタックの温度）が、燃料電池モジュールＦＣＭを安定的に作動させる定格温度（約７００℃）よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールＦＣＭを含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣＭは発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。燃料電池セルＣＥの発電により、燃料電池セルＣＥ自体も発熱し、更に、燃料電池セルＣＥの温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣＭを作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。
【００６０】
その後、定格温度を維持するために、燃料電池セルＣＥで消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室ＦＣ２での燃焼を継続させる。尚、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。水蒸気改質反応ＳＲ自体は厳密には４００℃〜８００℃程度で行われるが、燃料電池セルＣＥとの組み合わせにおいては５００℃〜７００℃程度で反応が進行するように設定している。
【００６１】
本実施形態では、図３に示す第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始時に、毎分１ｃｃという極めて微量な水を改質器ＳＲに供給している。このように微量な水を正確に供給するための一実施形態について、図４を参照しながら説明する。図４は、図１に示す貯水タンクＷＰ２から流量調整ユニットＷＰ１を経由して燃料電池モジュールＦＣＭに至る配管経路を模式的に示した図である。
【００６２】
図４に示すように、貯水タンクＷＰ２は、第１貯水タンクＷＰ２ａと第２貯水タンクＷＰ２ｂとを備えている。第１貯水タンクＷＰ２ａには、上水が供給される給水管１０が繋がれている。給水管１０には電磁弁１０１が設けられており、電磁弁１０１を開閉することで第１貯水タンクＷＰ２ａに上水を供給したり停止したりすることができる。第１貯水タンクＷＰ２ａは、温水製造装置ＨＷの熱交換器ＨＷ１において結露した水を受け入れることが可能なように配置されている。従って、第１貯水タンクＷＰ２ａには、温水製造装置ＨＷの熱交換器ＨＷ１において結露した水を貯めつつ、水量が不足した場合には給水管１０から水を補給することが可能である。第１貯水タンクＷＰ２ａにはヒータＨ１が設けられていて、第１貯水タンクＷＰ２ａ内の水が凍結しないように構成されている。
【００６３】
第１貯水タンクＷＰ２ａと第２貯水タンクＷＰ２ｂとを繋ぐ管路１１には、ポンプ１１１と逆浸透膜２０とが設けられている。ポンプ１１１は、毎分１Ｌの水を第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂへと送り込むことができる。ポンプ１１１にて、逆浸透膜２０を通して水を第２貯水タンクＷＰ２ｂ側へと押し込むので、逆浸透膜２０を通過した水は純水となって第２貯水ダンクＷＰ２ｂへ貯水される。第２貯水タンクＷＰ２ｂにはヒータＨ２が設けられていて、第２貯水タンクＷＰ２ｂ内の水が凍結しないように構成されている。
【００６４】
第２貯水タンクＷＰ２ｂと燃料電池モジュールＦＣＭとを繋ぐ管路１３には、パルスポンプ１３１と水流量センサＤＳ６とが設けられている。従って、管路１３は、第２貯水タンクＷＰ２ｂからパルスポンプ１３１までの管路１３ａと、パルスポンプ１３１から水流量センサＤＳ６までの管路１３ｂと、水流量センサＤＳ６から燃料電池モジュールＦＣＭまでの管路１３ｃとによって構成されている。管路１３ａの第２貯水タンクＷＰ２ｂ近傍にはヒータＨ３が設けられていて、管路１３ａ内の水、特に燃料電池モジュールＦＣＭから離れた位置の水が凍結しないように構成されている。
【００６５】
第１貯水タンクＷＰ２ａには、上述した水位センサＤＳ５に相当する高水位センサＤＳ５ａ及び低水位センサＤＳ５ｂが設けられている。高水位センサＤＳ５ａ（高水位検出手段）は、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位まで水が供給されたことを検知するためのフロートセンサであって、取り付けられた位置まで水面が上昇するとＨｉ信号を出力するものである。低水位センサＤＳ５ｂ（低水位検出手段）は、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位まで水が供給されたことを検知するためのフロートセンサであって、取り付けられた位置まで水面が上昇するとＨｉ信号を出力するものである。尚、高水位センサＤＳ５ａ及び低水位センサＤＳ５ｂは、その取り付けられている位置まで水面が到達していない場合にはＬｏ信号を出力するものである。
【００６６】
第２貯水タンクＷＰ２ｂには、上述した水位センサＤＳ５に相当する高水位センサＤＳ５ｃ（高水位検出手段）及び低水位センサＤＳ５ｄ（低水位検出手段）が設けられている。高水位センサＤＳ５ｃは、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位まで水が供給されたことを検知するためのフロートセンサであって、取り付けられた位置まで水面が上昇するとＨｉ信号を出力するものである。低水位センサＤＳ５ｃは、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位まで水が供給されたことを検知するためのフロートセンサであって、取り付けられた位置まで水面が上昇するとＨｉ信号を出力するものである。尚、高水位センサＤＳ５ｃ及び低水位センサＤＳ５ｄは、その取り付けられている位置まで水面が到達していない場合にはＬｏ信号を出力するものである。
【００６７】
続いて、本実施形態の燃料電池システムＦＣＳにおいて、運転の開始から燃焼運転を行い、改質器ＲＦにおいて部分酸化改質反応ＰＯＸを行ってから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１に移行するまでの改質器ＲＦへの水供給制御について説明する。図５は、この場合に改質器ＲＦへ水を供給するための基本フローを示したフローチャートである。図５の説明において、フラグＦが「０」であれば、第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに正常に水が溜められていて通常の制御が可能であることを示している。フラグＦが「５」であれば、水供給系に異常が発生しているものの第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水があることを判定可能であって、推定供給制御による運転継続が可能であることを示している。フラグＦが「６」であれば、水供給系に異常が発生し第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水があることを判定することが不可能であって、燃料電池システムＦＣＳの運転を停止することを示している。フラグＦが「７」であれば、水供給系に異常が発生し第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水を供給することが不可能であって、燃料電池システムＦＣＳの運転を停止することを示している。
【００６８】
ステップＳ０１では、燃料電池システムＦＣＳが運転を開始し、燃焼運転を行ってから改質器ＲＦにおいて部分酸化改質反応ＰＯＸを行い、所定の条件を満たして水蒸気を用いた改質反応（本実施形態の場合は、上述したように第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１）を実行する時期となったか判断する。ステップＳ０１の判断で、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１に移行する条件が整っていなければリターンし、整っていればステップＳ０２の処理に進む。
【００６９】
ステップＳ０２では、フラグＦが「０」であるか判断する。フラグＦが「０」であればステップＳ０３の処理に進み、フラグＦが「０」でなければステップＳ０６の処理に進む。フラグＦが「０」であれば、通常の制御が可能であるので、ステップＳ０３では、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始タイミングであるか判断する。ステップＳ０３において、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始タイミングでなければ既に第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１が行われていると判断して、ステップＳ０４の処理に進み、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始タイミングであれば、ステップＳ０９の処理に進む。
【００７０】
ステップＳ０４では、水流量センサＤＳ６が検知する流量が、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１において必要とされる流量Ｑとなるようにパルスポンプ１３１を制御する。ステップＳ０４に続くステップＳ０５では、改質器ＲＦに設けられた改質器内圧センサＤＳ４の検出圧力が小さく変動しているか判断する。改質器ＲＦに設けられた改質器内圧力センサＤＳ４の検出圧力が小さく変動していれば、水の少ない改質器ＲＦに少量の水がパルスポンプ１３１によって脈動的に供給されているものと判断してリターンする。改質器ＲＦに設けられた改質器内圧センサＤＳ４の検出圧力が小さく変動していなければ、改質器ＲＦ内に少量の水が供給されていないものと判断してステップＳ０８の処理に進む。ステップＳ０８では、フラグＦを「７」として燃料電池システムＦＣＳの運転を緊急停止するための処理を実行する。
【００７１】
ステップＳ０３において、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始タイミングであると判断されると、ステップＳ０９では、パルスポンプ１３１の供給量を最大値として改質器ＲＦに向けて水を送り出す。ステップＳ０９に続くステップＳ１０では、改質器ＲＦ内の圧力が大きく変動するか判断する。改質器ＲＦ内の圧力が大きく変動していれば、パルスポンプ１３１によって水が圧送され始めたと判断してステップＳ１１の処理に進み、改質器ＲＦ内の圧力が大きく変動していなければ、ステップＳ１３の処理に進む。
【００７２】
ステップＳ１１では、水流量センサＤＳ６の検出する水量が変化したか判断する。水流量センサＤＳ６の検出する水量が変化すれば、パルスポンプ１３１から送り出される水が水流センサＤＳ６に到達したものと判断してステップＳ１２の処理に進み、水流量センサＤＳ６の検出する水量が変化しなければステップＳ１３の処理に進む。
【００７３】
ステップＳ１２では、水流量センサＤＳ６の流量が第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１において必要とされる流量Ｑとなるようにパルスポンプ１３１を制御し、リターンする。
【００７４】
ステップＳ１３では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ１４の処理に進む。ステップＳ１４では、フラグＦを「７」として燃料電池システムＦＣＳの運転を緊急停止するための処理を実行する。
【００７５】
続いて、高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄのいずれかに異常が発生しているか否かを判断するフローについて、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。図６の説明において、フラグＦが「０」であれば、どの水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）にも異常が発生していないことを示している。フラグＦが「２」であれば、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａが異常であることを示している。フラグＦが「１」であれば、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂが異常であることを示している。フラグＦが「４」であれば、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃが異常であることを示している。フラグＦが「３」であれば、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄが異常であることを示している。尚、図６〜図９の図中において、「ＳＷ１」は高水位センサＤＳ５ａを示し、「ＳＷ２」は低水位センサＤＳ５ｂを示し、「ＳＷ３」は高水位センサＤＳ５ｃを示し、「ＳＷ４」は低水位センサＤＳ５ｄを示している。また、「ポンプ１」はポンプ１１１を示し、「タンク１」は第１貯水タンクＷＰ２ａを示し、「タンク２」は第２貯水タンクＷＰ２ｂを示している。
【００７６】
ステップＳ２１では、高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄの全てからＨｉ信号が出力されているか判断する。全てのセンサからＨｉ信号が出力されていれば、全てのセンサが水位を検出しているので、ステップＳ３２の処理に進む。全てのセンサからＨｉ信号が出力されていなければ、ステップＳ２２の処理に進む。
【００７７】
ステップＳ２２では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＬｏ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＬｏ信号が出力されていれば、ステップＳ２３の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＬｏ信号が出力されていなければ、ステップＳ３４の処理に進む。
【００７８】
ステップＳ２３では、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されていれば、Ｊ１へジャンプしてステップＳ４３の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されていなければ、ステップＳ２４の処理に進む。
【００７９】
ステップＳ２４では、第１貯水タンクＷＰ２ａに給水し、ステップＳ２５の処理に進む。
【００８０】
ステップＳ３４では、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＬｏ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＬｏ信号が出力されていれば上述したステップＳ２４の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＬｏ信号が出力されていなければステップＳ３５の処理に進む。
【００８１】
ステップＳ３５では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＬｏ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＬｏ信号が出力されていれば、ステップＳ３６の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＬｏ信号が出力されていなければ、ステップＳ３７の処理に進む。
【００８２】
ステップＳ３６では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されていれば、Ｊ２へジャンプしてステップＳ４１の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されていなければ、Ｊ３へジャンプしてステップＳ２９の処理に進む。
【００８３】
ステップＳ３７では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＬｏ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＬｏ信号が出力されていれば、Ｊ３へジャンプしてステップＳ２９の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＬｏ信号が出力されていなければ、満水であるものとしてリターンする。
【００８４】
ステップＳ２５では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されていれば、ステップＳ２６の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されていなければ、ステップＳ４２の処理に進む。
【００８５】
ステップＳ４２では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ４３の処理に進む。
【００８６】
ステップＳ４３では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂが異常であるものと判断してフラグＦを「１」に設定してリターンする。これは、ステップＳ２４において第１貯水タンクＷＰ２ａに給水を行ったものの、所定時間が経過しても低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されないか、ステップＳ２２において低水位センサＤＳ５ｂからＬｏ信号が出力されたたもののステップＳ２３において高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されたためである。尚、ステップＳ４３の処理の際には、低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されたものと擬似的に設定してリターンする。
【００８７】
ステップＳ２６では、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されていれば、ステップＳ２７の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されていなければ、ステップＳ３８の処理に進む。
【００８８】
ステップＳ３８では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ３９の処理に進む。
【００８９】
ステップＳ３９では、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａが異常であるものと判断してフラグＦを「２」に設定してリターンする。これは、ステップＳ２４において第１貯水タンクＷＰ２ａに給水を行って、低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されているものの、所定時間が経過しても高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されないためである。尚、ステップＳ３９の処理の際には、高水位センサＤＳ５ａからＨｉ信号が出力されたものと擬似的に設定してリターンする。
【００９０】
ステップＳ２７では、第１貯水タンクＷＰ２ａへの給水を停止する。ステップＳ２７に続くステップＳ２８では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されていればリターンし、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されていなければステップＳ２９の処理に進む。
【００９１】
ステップＳ２９では、純水ポンプ１１１を駆動して、第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂへと水を供給する。ステップＳ２９に続くステップＳ３０では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されていればステップＳ３１の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されていなければステップＳ４４の処理に進む。
【００９２】
ステップＳ４４では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ４５の処理に進む。
【００９３】
ステップＳ４５では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄが異常であるものと判断してフラグＦを「３」に設定してリターンする。これは、ステップＳ２９において第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂに給水を行っているものの、所定時間が経過しても低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されないためである。尚、ステップＳ４５の処理の際には、低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されたものと擬似的に設定してリターンする。
【００９４】
ステップＳ３１では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されているか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されていれば、ステップＳ３２の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されていなければステップＳ４０の処理に進む。
【００９５】
ステップＳ４０では、所定時間が経過してタイムアップとなったか判断する。所定時間が経過していなければリターンし、所定時間が経過していればステップＳ４１の処理に進む。
【００９６】
ステップＳ４１では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃが異常であるものと判断してフラグＦを「４」に設定してリターンする。これは、ステップＳ２９において第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂに給水を行っており、低水位センサＤＳ５ｄからはＨｉ信号が出力されているものの、所定時間が経過しても高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されないためである。尚、ステップＳ４１の処理の際には、高水位センサＤＳ５ｃからＨｉ信号が出力されたものと擬似的に設定してリターンする。
【００９７】
ステップＳ３２では、擬似的に設定されたＨｉ信号が含まれているか判断する。擬似的に設定されたＨｉ信号が含まれていればステップＳ４６の処理に進み、擬似的に設定されたＨｉ信号が含まれていなければステップＳ４８の処理に進む。
【００９８】
ステップＳ４６では、異常対応運転を行うか推定供給運転を行うか設定する。ステップＳ４７では、異常が発生している水位センサに対応するフラグＦを立てて、リターンする。フラグＦは、「１」「２」「３」「４」のいずれか一つ以上設定される。ステップＳ４８では、正常運転制御を行うものと設定する。ステップＳ４９では、フラグＦを「０」に設定してリターンする。
【００９９】
続いて、図６に示すフローに基づいて水位センサの異常に関するフラグを設定した場合に、図５に示すフローにおいて用いるフラグを設定するフローについて、図７に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【０１００】
ステップＳ５１では、フラグＦが「０」であるか判断する。フラグＦが「０」であればステップＳ５７の処理に進み、フラグＦが「０」でなければステップＳ５２の処理に進む。ステップＳ５７では、正常運転を許可し、フラグＦを「０」としてリターンする。
【０１０１】
ステップＳ５２では、フラグＦが「１」「２」「３」「４」の全ておいて設定されているか判断する。フラグＦが「１」「２」「３」「４」の全ておいて設定されていればステップＳ５８の処理に進み、フラグＦが「１」「２」「３」「４」の全ておいて設定されていなければステップＳ５３の処理に進む。
【０１０２】
ステップＳ５８では、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）が全て同時に故障しているか、そもそも水が全く供給されていないかの状態であるので、水供給系異常としてフラグＦを「６」としてリターンする。
【０１０３】
ステップＳ５３では、フラグＦが「１」「２」「３」「４」のいずれか一つ設定されているか判断する。フラグＦが「１」「２」「３」「４」のいずれか一つではなく二つから三つ設定されていればステップＳ５９の処理に進み、フラグＦが「１」「２」「３」「４」のいずれか一つ設定されていればステップＳ５４の処理に進む。
【０１０４】
ステップＳ５９では、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）のいずれか二つから三つが同時に故障している状態であるので、水供給系異常としてフラグＦを「６」としてリターンする。尚、本実施形態では、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）のいずれか二つから三つが同時に故障している場合に水供給系異常であるとしてフラグＦを「６」としているが、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）のいずれか一つが異常でなければ、実際には水を供給する系から水の供給が途絶えているわけではないので、水が供給されているものと判断する態様も採用することが可能である。
【０１０５】
ステップＳ５４では、推定供給運転を許可するものとしてフラグＦを「５」に設定する。尚、本実施形態の場合、第１貯水タンクＷＰ２ａも第２貯水タンクＷＰ２ｂも、最大満水量３００ｍｌのタンクであって、オーバーフロー可能なものを使用している。これは、断水時であっても、水蒸気改質での停止運転が可能なように、毎分１ｍｌの水を４時間以上供給し続けることが可能な水量として設定されている。
【０１０６】
ステップＳ５４に続くステップＳ５５では、低水位センサＤＳ５ｂ又は低水位センサＤＳ５ｄが異常である場合は、高水位センサＤＳ５ａ又は高水位センサＤＳ５ｃによって水位を推定する低水位推定供給制御による推定供給運転に変更する。推定供給運転を継続する場合、最大使用水量は毎分８ｍｌである。従って、３００ｍｌの水を３５分前後で使い切ってしまう可能性があるので、高水位センサＤＳ５ａ又は高水位センサＤＳ５ｃのＨｉ信号出力から２５分後に給水を行って、満水状態を維持している。この動作によって、第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水が必ず入っている状態を確保することができ、安全性を維持できる。
【０１０７】
ステップＳ５５に続くステップＳ５６では、高水位センサＤＳ５ａ又は高水位センサＤＳ５ｃが異常である場合は、低水位センサＤＳ５ｂ又は低水位センサＤＳ５ｄによって水位を推定する高水位推定供給制御による推定供給運転に変更する。本実施形態の場合、第１貯水タンクＷＰ２ａも第２貯水タンクＷＰ２ｂも、最大満水量３００ｍｌのタンクを使用しているので、低水位センサＤＳ５ｂ又は低水位センサＤＳ５ｄのＨｉ信号出力から通常３０秒程度でタンクを満水にすることができる。そこで、低水位センサＤＳ５ｂ又は低水位センサＤＳ５ｄのＨｉ信号出力から４０秒程度給水を行って、タンクをオーバーフロー気味に満水状態にする。この動作によって、第１貯水タンクＷＰ２ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂに水が必ず入っている状態を確保することができ、安全性を維持できる。
【０１０８】
図７を参照しながら説明したフラグＦ「０」「５」「６」は、図５参照しながら説明したフローにおいて用いられる。また、推定供給運転の実行が、所定回数実行され、又は所定時間実行された場合には、水位センサに異常が発生しているものとしてフラグＦを６に移行させて異常対応制御を実行することも好ましい。
【０１０９】
上述した実施形態では、上水から給水が可能である場合について説明したが、上水からの給水を受けずに結露水のみで改質器ＲＦに水を供給する場合について説明する。この場合には、結露水が想定どおりに溜まらない場合も想定されるので、その場合は部分酸化改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を保留することが好ましい。図８に示すフローチャートを参照しながら、部分酸化改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を保留するフローについて説明する。
【０１１０】
ステップＳ６１では、運転開始タイミングとなったか判断する。運転開始タイミングとなっていなければリターンし、運転開始タイミングとなっていればステップＳ６２の処理に進む。ステップＳ６２では、第１イニシャルチェックを実行し、燃料電池システムＦＣＳ各部のチェックを行う。
【０１１１】
ステップＳ６２に続くステップＳ６３では、空気及び被改質ガス（燃料ガス）の供給系が問題ないか判断する。空気及び被改質ガス（燃料ガス）の供給系に問題があればステップＳ６９の処理に進み、空気及び被改質ガス（燃料ガス）の供給系に問題がなければステップＳ６４の処理に進む。ステップＳ６９では、異常停止処理を実行し、フラグＦを「Ｎ」に設定して処理を終了する。
【０１１２】
ステップＳ６４では、イグナイタによって燃料ガスに着火し燃焼運転を開始する。ステップＳ６４に続くステップＳ６５では、燃料電池システムＦＣＳの運転を開始してから所定時間が経過したか判断し、所定時間経過した場合にはステップＳ６６の処理に進む。このように所定時間が経過しているか判断するのは、部分酸化改質反応ＰＯＸでの運転がある程度継続し、結露水が溜まっていると推認される時間を確保するためである。また、ステップＳ６５の判断は、改質器ＲＦの温度が所定温度を上回ったことを基準としたり、改質器ＲＦの温度が所定温度を上回って所定時間が経過したことを基準としたりすることも好ましい。
【０１１３】
ステップＳ６６では、第２イニシャルチェックを実行する。第２イニシャルチェックについては図９を参照しながら説明する。図９は、第２イニシャルチェックのフローを示したフローチャートである。
【０１１４】
ステップＳ８１では、第２イニシャルチェックの時期になったか判断する。第２イニシャルチェックの時期になっていればステップＳ８２の処理に進み、第２イニシャルチェックの時期になっていなければリターンする。
【０１１５】
ステップＳ８２では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されているか判断する。第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されていればステップＳ８３の処理に進み、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されていなければステップＳ９０の処理に進む。ステップＳ９０では、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂが異常であるものとして、フラグＦを「１」とする。これは、上述したように部分酸化改質反応ＰＯＸでの運転がある程度継続しており、通常であれば結露水が溜まっていると思われるほど時間が経過しているのにも拘らず、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂからＨｉ信号が出力されないためである。
【０１１６】
ステップＳ８３では、フラグＦをリセット（フラグＦが「１」になっている場合は「０」へ）する。ステップＳ８３に続くステップＳ８４では、第２イニシャルチェック開始後所定時間が経過したか判断する。第２イニシャルチェック開始後所定時間が経過していなければリターンし、第２イニシャルチェック開始後所定時間が経過していればステップＳ８５の処理に進む。
【０１１７】
ステップＳ８５では、純水ポンプ１１１を駆動し、第１貯水タンクＷＰ２ａから第２貯水タンクＷＰ２ｂへと水を供給する。第１貯水タンクＷＰ２ａが満水になる前に第２貯水タンクＷＰ２ｂに給水することで、早い段階で第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１へと移行することができる。尚、第１貯水タンクＷＰ２ａの低水位センサＤＳ５ｂに異常がある場合は、第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａからＨＩ信号が出力されるのを待って第２貯水タンクＷＰ２ｂへと給水することもできる。ただし、第１貯水タンクＷＰ２ａに貯水されるのは結露水であるので、非常に時間がかかる。
【０１１８】
ステップＳ８５に続くステップＳ８６では、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されるか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されればステップＳ８７の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂの低水位センサＤＳ５ｄからＨｉ信号が出力されなければステップＳ９１の処理に進む。ステップＳ９１では、所定時間が経過したか判断し、所定時間経過していればステップＳ９２の処理に進み、所定時間経過していなければステップＳ８５の処理に進む。
【０１１９】
ステップＳ８７では、第２貯水タンクＷＰ２ｂへの給水が完了したか判断する。第２貯水タンクＷＰ２ｂへの給水が完了していなければステップＳ８５の処理に進み、第２貯水タンクＷＰ２ｂへの給水が完了していればステップＳ８８の処理に進む。
【０１２０】
ステップＳ８８では、推定供給運転を許可し、フラグＦを「ＯＫ」に設定する。第１貯水タンクＷＰ２ａの高水位センサＤＳ５ａ及び第２貯水タンクＷＰ２ｂの高水位センサＤＳ５ｃに異常があるか否かは未確認であるものの、第２貯水タンクＷＰ２ｂに水があることは確実だからである。
【０１２１】
ステップ９２では、フラグＦが「１」であるか判断する。フラグＦが「１」あればステップＳ９４の処理に進み、フラグＦが「１」でなければステップＳ８８の処理に進む。
【０１２２】
ステップＳ９４では、水位センサ（高水位センサＤＳ５ａ、低水位センサＤＳ５ｂ、高水位センサＤＳ５ｃ、低水位センサＤＳ５ｄ）の２個から３個が同時に故障しているものと判断し、水供給系に異常があるものとしてフラグＦを「Ｎ」に設定する。
【０１２３】
ステップＳ８８及びステップＳ９４に続くステップＳ８９では、純水ポンプ１１１を停止し、処理を終了する。
【０１２４】
図８に戻って説明を続ける。ステップＳ６６における第２イニシャルチェックを上述のように終了すると、ステップＳ６７において、水供給系に問題が無いか、フラグＦが「０」又は「ＯＫ」であるか判断する。水供給系に問題がなければステップＳ６８の処理に進み、水供給系に問題があればステップＳ７０の処理に進む。ステップＳ６８では、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を許可して通常制御を実行する。
【０１２５】
ステップＳ７０では、異常判定中であるか判断する。異常判定中であればステップＳ７１の処理に進み、異常判定中でなければステップＳ７３の処理に進む。ステップＳ７１では、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行を保留する。ステップＳ７１に続くステップＳ７２では、燃料ガス及び発電用空気の供給量を低下させて処理を終了する。ステップＳ７３では、異常停止処理を実行し、フラグＦを「Ｎ」に設定して処理を終了する。
尚、貯水タンクＷＰ２から改質器ＲＦに水を供給する運転継続期間において継続チェックである第２イニシャルチェックとして水位センサに異常が発生していないか確認し、異常が発生している場合には推定供給制御を実行したが、運転開始期間においてイニシャルチェックとして水位センサに異常が発生していないか確認し、異常が発生している場合には推定供給制御を実行することも好ましい。
【符号の説明】
【０１２６】
ＡＤＵ：補器ユニット
ＡＨ１：ヒータ
ＡＨ２：ヒータ
ＡＰ：空気供給部
ＡＰ１：流量調整ユニット
ＡＰ２：電磁弁
ＡＴＲ：オートサーマル改質反応
ＡＴＲ１：オートサーマル改質反応
ＡＴＲ２：オートサーマル改質反応
ＣＢ：制御ボックス
ＣＥ：燃料電池セル
ＣＯＤ：一酸化炭素検知器
ＣＳ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１：操作装置
ＣＳ２：表示装置
ＣＳ３：報知装置
ＤＳ１：改質器温度センサ
ＤＳ２：スタック温度センサ
ＤＳ３：排気温度センサ
ＤＳ４：改質器内圧力センサ
ＤＳ５：水位センサ
ＤＳ６：水流量センサ
ＤＳ７：燃料流量センサ
ＤＳ８：改質空気流量センサ
ＤＳ９：発電空気流量センサ
ＤＳ１０：電力状態検出部
ＤＳ１１：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３：可燃ガス検出センサ
ＥＰ：電力取出部
ＥＰ１：電力取出ライン
ＦＣ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＰ：燃料供給部
ＦＰ１：流量調整ユニット
ＦＰ２：脱硫器
ＦＰ４，ＦＰ５：ガス遮断弁
ＧＤ１，ＧＤ２：可燃ガス検知器
ＨＷ：温水製造装置
ＭＶ：混合部
ＰＯＸ：部分酸化改質反応
ＲＦ：改質器
ＲＦ１：改質部
ＲＦ２：蒸発部
ＳＣ：燃料電池システム制御部
ＳＲ：水蒸気改質反応
ＷＰ：水供給部
ＷＰ１：流量調整ユニット
ＷＰ２：貯水タンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの水蒸気改質を行う改質器と、前記燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼して排出される排出ガスと熱交換を行う熱交換器と、前記改質器に水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段を制御する制御手段とを備え、
前記水供給手段は、
前記改質器に供給する水として前記熱交換器における結露水を貯水する貯水タンクと、
前記貯水タンクの水位を検出する水位検出手段と、
前記貯水タンクに貯水された水を前記改質器に圧送するポンプと、を有し、
前記制御手段は、
運転開始期間のイニシャルチェックとは別に、前記熱交換器への排出ガスの供給に合わせて、前記水位検出手段の異常有無を判断する異常判定処理を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行し、前記改質器温度が所定温度を上回っても前記水位検出手段が水位を検出しない場合には、前記水を用いた改質反応を前記改質器において起こさせないように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、
前記水供給手段は、前記改質器に供給する水を純水とするための逆浸透膜を有し、
前記貯水タンクは、前記逆浸透膜よりも上流側に配置されている第１タンクと、前記逆浸透膜よりも下流側である前記改質器側に配置されている第２タンクとによって構成され、
前記第１タンクに溜められた水を前記逆浸透膜を通して前記第２タンクに圧送する第１ポンプと、前記第２タンクに溜められた水を前記改質器に圧送する第２ポンプとが設けられており、
前記第１タンク及び前記第２タンクにはそれぞれ前記水位検出手段が設けられており、
前記制御手段は、
前記改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行し、前記改質器温度が所定温度を上回っても前記第２タンクに設けられている前記水位検出手段が水位を検出しない場合には、前記第１ポンプを駆動して前記第２タンクへと水を強制的に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記水を用いた改質反応を前記改質器において起こさせないように制御するにあたって、前記改質器において前記部分酸化改質反応の温度が所定温度以上に上昇しないように温度抑制制御を実行することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記温度抑制制御を、前記改質器に供給する被改質ガスの供給量を抑制することで実行することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記水位検出手段が水位を検出しない状態が所定時間以上継続した場合には、前記水位検出手段に異常が発生しているものとして異常処理制御を実行することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記水位検出手段が水位を検出しない場合に前記燃料電池を構成する燃料電池セルの酸化を抑制する温度になるように制御すると共に、前記異常処理制御においては前記改質器への被改質ガスの供給量を低下させて冷却停止処理を実行することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルに供給する燃料ガスの水蒸気改質を行う改質器と、前記燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼して排出される排出ガスと熱交換を行う熱交換器と、前記改質器に水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段を制御する制御手段とを備え、
前記水供給手段は、
前記改質器に供給する水として前記熱交換器における結露水を貯水する貯水タンクと、
前記貯水タンクの水位を検出する水位検出手段と、
前記貯水タンクに貯水された水を前記改質器に圧送するポンプと、を有し、
前記制御手段は、
運転開始期間のイニシャルチェックとは別に、前記熱交換器への排出ガスの供給に合わせて、前記水位検出手段の異常有無を判断する異常判定処理を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記改質器において部分酸化反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行し、前記改質器温度が所定温度を上回っても前記水位検出手段が水位を検出しない場合には、前記水を用いた改質反応を前記改質器において起こさせないように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
起動時において、前記改質器における改質反応を部分酸化改質反応から開始して、水を用いた改質反応へと遷移させるものであって、
前記水供給手段は、前記改質器に供給する水を純水とするための逆浸透膜を有し、
前記貯水タンクは、前記逆浸透膜よりも上流側に配置されている第１タンクと、前記逆浸透膜よりも下流側である前記改質器側に配置されている第２タンクとによって構成され、
前記第１タンクに溜められた水を前記逆浸透膜を通して前記第２タンクに圧送する第１ポンプと、前記第２タンクに溜められた水を前記改質器に圧送する第２ポンプとが設けられており、
前記第１タンク及び前記第２タンクにはそれぞれ前記水位検出手段が設けられており、
前記制御手段は、
前記改質器において部分酸化改質反応を起こしている段階で前記異常判定処理を実行し、前記改質器温度が所定温度を上回っても前記第２タンクに設けられている前記水位検出手段が水位を検出しない場合には、前記第１ポンプを駆動して前記第２タンクへと水を強制的に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記水を用いた改質反応を前記改質器において起こさせないように制御するにあたって、前記改質器において前記部分酸化改質反応の温度が所定温度以上に上昇しないように温度抑制制御を実行することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記温度抑制制御を、前記改質器に供給する被改質ガスの供給量を抑制することで実行することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記水位検出手段が水位を検出しない状態が所定時間以上継続した場合には、前記水位検出手段に異常が発生しているものとして異常処理制御を実行することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記水位検出手段が水位を検出しない場合に前記燃料電池を構成する燃料電池セルの酸化を抑制する温度になるように制御すると共に、前記異常処理制御においては前記改質器への被改質ガスの供給量を低下させて冷却停止処理を実行することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２３８５９１（Ｐ２０１０−２３８５９１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８６５４３（Ｐ２００９−８６５４３）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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