燃料電池システム
【課題】水蒸気改質反応への移行段階において少量の水が供給されたことを確実に把握することができ、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応へと円滑に移行することが可能な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、少なくとも起動時において、ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始した後に、圧力検出手段の検出結果（ステップＳ０４）に基づいて改質器への水供給の有無を判定する水供給判定処理（ステップＳ０８）を実行することを特徴とする。
【解決手段】この燃料電池システムＦＣＳは、少なくとも起動時において、ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始した後に、圧力検出手段の検出結果（ステップＳ０４）に基づいて改質器への水供給の有無を判定する水供給判定処理（ステップＳ０８）を実行することを特徴とする。
【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が行われている。改質器において水蒸気改質を行う燃料電池システムは、例えば下記特許文献１にその一例が開示されている。
【０００３】
下記特許文献１には、改質器の上流にポンプを設けて改質器に水（水蒸気）を供給し、改質器においてはその水（水蒸気）と被改質ガス（都市ガス、プロパンガス等）とを用いて水蒸気改質反応（以下、ＳＲともいう）を起こさせて、改質ガスを得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】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。
【０００８】
少ない水を正確に供給するためには、そのような微量の水を検知するためのセンサが必要になってくるけれども、微量の水を検知するために高感度のセンサを用いれば、水が流れる前の空気の流動をも検知してしまい正確な水量の検知ができなくなってしまう。また、コスト等の面でも採用することは非常に難しい。一方で、一般的で実用的な低感度のセンサを用いれば、そのような空気の流動を検知することはないものの、反面、例えば測定限界下限近傍の微量な水が流れこんだとしてもやはりそれを確実に検知することは極めて困難であった。なぜならば、水流が全くなかったり、全く水が無い状態では、センサの検知機構（例えば、歯車や羽根車）は静止しており、検知機構内においては静摩擦係数が大きく効いているため、あまりにも微量な水が流れても冷間停止状態からの駆動の初期は特に摩擦などのフリクションに勝てず検知機構が作動しない可能性が高いためである。このような検討の結果、定常的に所定量の水が流れていることを検知することができるセンサであっても、初動状態においてその所定量の水の流れを確実には検知することが難しいことを本発明者らは発見したものである。このように改質器へ供給する水量を確実に検知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。
【０００９】
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、水蒸気改質反応への移行段階において少量の水が供給されたことを確実に把握することができ、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応へと円滑に移行することが可能な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】
【００１０】
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を貯水する貯水タンクと、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、前記ポンプによる前記改質器への水の供給量を検出する流量検出手段と、前記改質器内の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、を有し、前記制御手段は、少なくとも起動時において、前記ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始した後に、前記圧力検出手段の検出結果に基づいて前記改質器への水供給の有無を判定する水供給判定処理を実行することを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明者らは流量検出手段の検出値によらずに改質器への水供給の有無を検出できないか検討を行った。それは、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムは極めて効率が高いことから改質器に供給すべき水量が少なく、その水量を流量検出手段によって検出することに工夫を重ねても、改質器へ水供給がなされているのか否かを知ることが重要であるからである。本発明者らは、改質器における種々の状態量に着目し、改質器内に水を供給すると燃料ガス圧に変化が生じることを発見し、この知見に基づいて本発明を成しえたものである。その知見に基づく本発明では、貯水タンクから改質器へと水を圧送するポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて圧送を開始した後に、圧力検出手段の検出結果に基づいて改質器への水供給の有無を判定する水供給判定処理を行っている。この水供給判定処理により、流量検出手段の検出値に関係なく圧力検出手段の検出値によって改質器への水供給の有無を判定できるので、供給される水量の多少に拘らず改質器への水供給の有無を判断することができる。
【００１２】
本願請求項２に係る燃料電池システムは、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、オートサーマル改質反応から水蒸気改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記オートサーマル改質反応においては前記ポンプを間欠的に駆動すると共に、前記オートサーマル改質反応の開始時に前記水供給判定処理を実行することを特徴とする。
【００１３】
本発明者らは、改質器における種々の状態量の変化について更に詳細に検討を行った。その結果、部分酸化改質反応からオートサーマル改質反応へと移行する際に改質器内の圧力状態が安定状態から周期的に変化する状態を積極的に作り出したものである。このように改質器内に水が実質的に無い状態（部分酸化改質反応）から少量の水を供給すると改質器内の圧力が水の蒸発に伴って上昇するという知見に基づいて、本請求項に係る発明を成しえたものである。具体的には、部分酸化改質反応からスタートして、オートサーマル改質反応を経由して水蒸気改質反応へと遷移する場合、部分酸化改質反応で必要となる水量は０であり、水蒸気改質反応で必要となる水量は毎分約１０ｍｌ程度であるため、その間のオートサーマル改質反応では、水量を毎分０ｍｌから１０ｍｌの間で供給することが必要となる。このような極少量の水を供給するために本発明のこの態様では、非常に微量な水で運転されるオートサーマル改質反応においてはその少ない水を更に微量な状態で連続的に改質器に供給するのではなく、ある一定の量を間欠的に供給するようにポンプを間欠的に駆動して水の供給が断続的になるように構成したものである。これによって供給される1回の水量を多くできるため改質器内への水の供給を確実なものとできる。更に、微量な水の中にあって一度の供給が多くなるように配慮したことで改質器内の圧力が水の供給時にはその蒸発に伴って一定量確実に上昇するようにし、一方で間欠のタイミングを長くとるようにすることで、水の供給が絶たれた状態では反対に圧力が確実に低下するように動作させたものである。このように工夫したことによって改質器内の圧力が顕著に周期的に変動するようにさせたものである。このようにポンプの間欠的な駆動を利用しながら、オートサーマル改質反応の開始時に水供給判定処理を実行させるようにしたので、圧力の状態によって極少量の水が改質器内に確実に供給されたタイミングを的確に判定できるようにしたものである。これによって改質器やセルの不具合発生が確実に防止できるようになったものである。
【００１４】
本願請求項３に係る燃料電池システムは、前記ポンプがパルスポンプであることを特徴とする。
【００１５】
この態様によれば、改質器に水を供給するポンプがパルスポンプであるので、極少量の水を改質器に供給する場合に必然的に間欠的な供給となるため、改質器内の圧力変動がより顕著なものとなる。従って、より正確に改質器への水供給の有無を判定することができる。
【００１６】
本願請求項４に係る燃料電池システムは、前記制御手段は、前記ポンプを圧送状態に切り替えた後、前記圧力検出手段の検出結果を監視し、前記改質器内の燃料ガスの圧力の変動量が所定量を超えた場合に、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定し、前記改質器において水蒸気を用いた前記オートサーマル改質反応又は前記水蒸気改質反応へと移行することを特徴とする。
【００１７】
この態様では更に、ポンプを圧送状態に切り替えた後に改質器内の圧力変動量が水供給の間欠に対応するような所定量を超えた変動を生じている場合に、改質器に水供給がなされたと判定しているので、改質器への水供給の有無をより確実に判定することができる。
【００１８】
本願請求項５に係る燃料電池システムは、前記オートサーマル改質反応は、前記改質器に供給する水量が第１量である第１オートサーマル改質反応と、前記改質器の温度が所定温度以上となった場合に前記第１オートサーマル改質反応に続いて行われる反応であって前記改質器に供給する水量が前記第１量よりも多い第２量である第２オートサーマル改質反応とを含み、前記制御手段は、前記第１オートサーマル改質反応の開始時に前記水供給判定処理を実行することを特徴とする。
【００１９】
この態様では、オートサーマル改質反応を、第１オートサーマル改質反応と第２オートサーマル改質反応とに分けて、第１オートサーマル改質反応における改質器の温度は第２オートサーマル改質反応における改質器の温度よりも低くなるようにしているため、第１オートサーマル改質反応では触媒活性の低い状態となっている。このように触媒活性の低い低温領域で第１オートサーマル改質反応を実行する場合には、第２オートサーマル改質反応において改質器に供給する第２量の水よりも少ない第１量の水が必要となる。特に第１オートサーマル改質反応の開始時においては、例えば毎分１ｍｌといった極めて少量の水を改質器に供給することが好ましいことから、上述した本発明における水供給判定処理を利用して極めて少量である毎分１ｍｌ程度の水が改質器に供給されているか否かを確実に判定している。このように部分酸化改質反応に続く第１オートサーマル改質反応において極少量の水が改質器に供給されたことを確実に把握することで、改質器やセルの不具合発生を防止して円滑な改質反応の移行を実現することができる。反対に言えば、部分酸化改質反応からオートサーマル改質反応に移行する際はそのつながりをなめらかにして改質器の温度降下をなるべく抑制するためにも毎分１ｍｌ程度の水の供給から行うことが望ましいと言えるが、そのような極少量の水の供給判定が極めて難しいものであったため、そのような理想的なオートサーマル改質反応への移行は実現が困難であったが、本発明によってそれが確実に可能となったものであり、極めて良好に改質器の温度昇温が図れる多段のオートサーマル改質反応を持つことが実現されたものである。
【００２０】
本願請求項６に係る燃料電池システムは、前記制御手段が、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定した場合に、前記改質器へ供給する空気量を低下させて前記オートサーマル改質反応へと移行することを特徴とする。
【００２１】
この態様では、水供給判定処理によって確実に改質器に水供給があったものと判定した後に、改質器へ供給する空気量を低下させてオートサーマル改質反応へと移行するので、水蒸気の発生が現実となった状態で部分酸化改質反応時の空気量では過剰となる空気を最適なタイミングで低下させることを可能としたものであり、極めて良好なオートサーマル改質反応への移行を実現できるようになったものである。
【００２２】
本願請求項７に係る燃料電池システムは、前記制御手段が、前記オートサーマル改質反応の開始時に前記ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始する際に、前記ポンプの水供給能力を通常制御時よりも所定時間高くする開始運転制御を行うものであって、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定した後に、前記改質器へ供給する空気量を低下させて前記オートサーマル改質反応へと移行することを特徴とする。
【００２３】
この態様では、ポンプの水供給能力を通常制御時よりも所定時間高くする開始運転制御を行っている。この開始運転制御により、流量検出手段が静止状態となっていたとしても、ポンプの水供給能力を高めることで流量検出手段を確実に動かして静止状態を確実に解除し、流量検出手段によるセンシングを可能なものとしている。また、貯水タンクから改質器に至る間の管路の水が蒸発し、その管路に水が無い状態であったとしても、ポンプから流量検出手段に確実に水が到達するように所定時間を定めることで、流量検出手段を確実に動かすことができる。また、貯水タンクから改質器に至る間の管路の水が無い状態である場合には、その無水状態の管路部分が緩衝ゾーンとなるので、所定時間ポンプの水供給能力を高めたとしても、改質器に過剰な水が供給されることがない。従ってこの態様では、ポンプから改質器に至る管路の水が蒸発している場合であっても、その管路の無水状態を利用してポンプの水供給能力を一時的に高めつつ、改質器への過剰な水の供給や水の供給不足を防止し、少ない水量の水を正確かつ確実に改質器へと供給することができる。結果、流量検出手段がポンプから改質器への水の供給を検出できないような事態を回避し、水蒸気改質反応やオートサーマル改質反応のような水蒸気を用いた改質反応に必要な水を正確かつ確実に供給して、改質器やセルの不具合発生を防止することができる。更にこの態様では、水供給判定処理によって確実に改質器に水供給があったものと判定した後に、改質器へ供給する空気量を低下させてオートサーマル改質反応へと移行するので、水供給があったことを正確に把握しつつ、その後の水供給を正確な水量で行うことができるので、水蒸気を用いたオートサーマル改質反応の開始タイミングを正確に把握することが可能となると共に供給する水量も正確に制御することができ、改質器やセルの不具合発生を防止して円滑な改質反応の移行を実現することができる。
【００２４】
本願請求項８に係る燃料電池システムは、前記制御手段が、前記改質器への水供給を開始する際には前記水供給判定処理を実行することで前記改質器への水供給状態を判定し、前記改質器において水蒸気を用いた前記オートサーマル改質反応又は前記水蒸気改質反応の実行中においては前記流量検出手段の検出値に基づいて前記改質器への水供給状態を判定することを特徴とする。
【００２５】
本発明において改質器に供給する水量は少量なものであるので、本発明に利用される流量検出手段は検出範囲がその少量に対応するものとなって、水が流れていないような場合であっても空気の流れ等を検出してしまうことも想定され、少量の水が改質器に確実に到達したか否かを判定することが難しい。一方、水供給判定処理では、改質器に水供給がなされたことを確実に把握することはできるものの、その水量がどれくらいであるかを把握することは難しい。そこで、改質器へ水供給を開始する際には水供給判定処理によって水供給の有無を確実に判定し、その判定後に水蒸気を用いた改質反応を行う際には、流量検出手段の検出値に基づいて改質器に水供給を行うことで過不足無く少量の水を安定的に供給することができる。従って、圧力検出手段を利用した水供給判定処理の長所と流量検出手段による流量測定ができるという長所とを組み合わせることで、水蒸気を利用した改質運転を最適化することができる。
【００２６】
本願請求項９に係る燃料電池システムは、前記制御手段が、前記水供給判定処理によっては前記改質器へ水供給があると判定した状態で、前記流量検出手段の検出値が前記改質器への水供給がないことを示している場合には、異常処理を実行することを特徴とする。
【００２７】
水供給判定処理によっては改質器へ水供給があると判定した状態で、流量検出手段の検出値が改質器への水供給がないことを示している場合には、ポンプによる改質器への水供給は行われているものの、流量検出手段に一時的若しくは恒常的な不具合が発生しているものと判断することができる。従って、この態様では新たなセンサ等を設けることなく、流量検出手段の不具合発生を確実に把握することができる。
【００２８】
本願請求項１０に係る燃料電池システムは、前記異常処理は、前記制御手段の制御を縮退させるか、若しくは、前記流量検出手段に異常が発生しているか否かを再判定するものであることを特徴とする。
【００２９】
この態様では、異常処理として制御手段の制御を縮退させることで、オートサーマル改質反応への移行を制限したり、流量検出手段に異常が発生しているか否かを再判定するための暫定運転を継続したりすることで、的確に流量検出手段における異常発生に対応することができる。
【００３０】
本願請求項１１に係る燃料電池システムは、前記部分酸化改質反応から前記第１オートサーマル改質反応への移行時において、前記改質器へ供給する被改質ガスの流量を変動させずに、前記改質器へ供給する水量を変動させることを特徴とする。
【００３１】
部分酸化改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応への移行時において、被改質ガスの流量を変動させていないので、改質器に供給される水量のみが変動することになり、改質器内の圧力変動要因が水だけによるものとなる。よって、極少量の水供給に伴う圧力変動がわずかであってもその要因は水供給によるものとできるため、言い換えると圧力変動を生じさせる要因を水以外絶つことで誤判定を確実に防止して、圧力検出手段による水が供給されたという検出結果の信頼性を確実なものとしたものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、水を用いた改質反応への移行段階において少量の水が供給されたことを確実に把握することができ、部分酸化改質反応から水を用いた改質反応への移行を円滑で安全なものとすることが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】
【００３３】
【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に示す燃料電池システムにおいて、オートサーマル改質反応への移行制御を説明するためのフローチャートである。
【図６】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際のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００４６】
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によって流量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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。なお、ここでは改質器ＲＦ内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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発生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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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１ｍｌ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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
パルスポンプ１３１は、毎分１ｍｌ〜１０ｍｌの水を送り出すことが可能なように構成されたパルスポンプである。水流量センサＤＳ６は、毎分１ｍｌ〜１０ｍｌの水の流れを検知できるセンサである。図３を参照しながら説明したように、本実施形態では改質器ＲＦへの水の供給を微細に制御している。特に第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行時には毎分１ｍｌという極少量の水を送り出しているので、この第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行時の制御について図５を参照しながら説明する。図５は、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行時の制御方法を示すフローチャートである。図５の説明においてフラグＦは、「０」の場合は第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１における通常制御を行うことを示し、「１」の場合は第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１における開始運転制御を行うことを示し、「２」の場合は水供給系統に異常が発生していることを示し、「３」の場合は水流量センサＤＳ６に異常が発生していることを示している。
【００７３】
ステップＳ０１では、フラグＦが「１」であるか判断する。フラグＦが「１」であればステップＳ０６の処理に進み、フラグＦが「１」でなければステップＳ０２の処理に進む。ステップＳ０２では、改質器ＲＦの温度及び燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度を測定する。ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、改質器ＲＦの温度及びセルスタックの温度が、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行温度となっているか判定し、その判定の結果第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行タイミングであるか判断する。具体的には、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℃を超えることが判断基準となる。第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行タイミングとなっていなければリターンし、移行タイミングとなっていればステップＳ０４の処理に進む。
【００７４】
ステップＳ０４では、改質器内圧力センサＤＳ４によって改質器ＲＦ内の圧力Ｐの監視を開始する。ステップＳ０４に続くステップＳ０５では、水流量センサＤＳ６によって管路１３ｃの水流の監視を開始する。ステップＳ０５に続くステップＳ０６では、パルスポンプ１３１の送出流量が最大（毎分１０ｍｌ）となるように予め決定された所定時間だけ制御する。パルスポンプ１３１の送出流量が最大となるように制御することで、通常は改質器ＲＦ内に水が供給される。ステップＳ０６に続くステップＳ０７では、所定時間経過後にパルスポンプ１３１の送出流量が第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１における通常の流量となるように供給能力を制御する。なお、ここではパルスポンプ１３１の送出流量を最大にしているがこれに限られるものではなく、最大に近いような高い値であれば良く毎分８ｍｌ程度でも支障が無い。
【００７５】
ここで、改質器ＲＦ内に水が供給され始めた際の改質器ＲＦ内の圧力変動について図６を参照しながら説明する。図６は、部分酸化改質反応ＰＯＸから水蒸気改質反応ＳＲに至るまでの、燃料ポンプ制御電圧、改質空気ブロワ制御電圧、発電空気ブロワ制御電圧、パルスポンプ１３１の制御電圧、改質器ＲＦ内の圧力をそれぞれ示す図である。図６において、燃料ポンプ制御電圧、改質空気ブロワ制御電圧、及び発電空気ブロワ制御電圧は、図３に示したのと同様である。パルスポンプ１３１の制御電圧は、部分改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行時において、最大値となるように制御される（上述したステップＳ０６）。この最大値となる制御（開始運転制御）は所定時間内の極めて短い瞬間的なものであって（上述したステップＳ０７、図６中の破線領域Ａ）、すぐに通常の水量（毎分１ｍｌ）を供給する制御（通常制御）へと移行し、改質器ＲＦ内へは水が毎分１ｍｌの水量で間欠的に送り込まれる。なお、ここで言う瞬間的な時間は、先にも述べた通りパルスポンプ１３１から燃料電池モジュールＦＣＭまでの配管１３、特に配管１３ｃの長さに依存する、言い換えれば配管１３内の水がどれだけ蒸発する構成になっているかに依存するものであって、更にパルスポンプ１３１の空気を排出できる圧送能力にも左右されるため数秒のこともあれば、数十秒のものもあることは言うまでもなく、出願人の検証では長い場合で８０秒程度開始運転制御を行うことが望ましいものもあった。
【００７６】
図４に示すように、パルスポンプ１３１から燃料電池モジュールＦＣＭまでは、少なくとも管路１３ｂ及び管路１３ｃが介在する。従って、パルスポンプ１３１の供給水量を瞬間的に最大水量としても、毎分１０ｍｌ相当の水量が燃料電池モジュールＦＣＭに到達するわけではなく、管路１３ｃ内の水が蒸発によって消失しているため多くは空気が供給されるだけであり、パルスポンプ１３１の最大供給時間を調整することで、毎分１ｍｌより若干量多い程度の水量が燃料電池モジュールＦＣＭに実際には到達するように制御することを狙っているものである。これによって過剰な水の供給による改質器ＲＦの温度降下を防止してＡＴＲへの移行を妨げないようにしているものである。また、水流量センサＤＳ６から燃料電池モジュールＦＣＭまでも管路１３ｃを介在させているので、水流量センサＤＳ６には、単位時間当たりの供給パルス数が多くなるので、多くの空気や多くの水流が作用し、また、空気や水の勢いも高まることから水流量センサＤＳ６の前記した固着が解かれ動作状態にすることができる。一方で管路１３ｃの存在によってその勢いのある水は改質器ＲＦまでは到達することがないように工夫されているものである。
【００７７】
このように本実施形態では、パルスポンプ１３１から燃料電池モジュールＦＣＭに至る管路１３ｂ，１３ｃ及び水流量センサＤＳ６から燃料電池モジュールＲＣＭに至る管路１３ｃが所定の長さを有していることを利用し、パルスポンプ１３１の供給水量を瞬間的に最大水量となるように制御して、水流量センサＤＳ６の固着等を解除して水流量センサＤＳ６が勢いのある水流によって確実な作動状態に移行するようにすると共に、改質器ＲＦへ過剰な水が供給されてしまうことを同時に防止しているものである。
【００７８】
更に、図６に示すように改質器ＲＦ内の圧力に着目すると、部分酸化改質反応ＰＯＸ時には、水が入っておらず部分酸化改質反応が行われているため、ある程度圧力の高い状態となっている。第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始に伴って、パルスポンプ１３１によって水が改質器ＲＦ内に間欠的に送り込まれると、図６の例えば破線領域Ｂに示すように、水が供給されたタイミングで蒸発が生じるため改質器ＲＦ内の圧力は上昇し、その後間欠タイミングが大きく、また一度に供給される水の供給量も少ないオートサーマル改質反応ではすぐに蒸発が終了して圧力がもとの状態まで低下する。このように水の間欠供給に対応するような形で圧力が確実に周期的に変動するように配慮したものである。換言すれば、パルスポンプ１３１によって水を間欠的に改質器ＲＦ内に送り込み、改質器ＲＦ内に水が供給されていないタイミングでは圧力Ｐが低下し、改質器ＲＦ内に水が供給されるタイミングでは圧力Ｐが上昇するという変動を持たせることを持って、改質器内に本当に水が送られたのかを判定することは今まで非常に難しかったがこれを現実的に可能にしたものである。これによって改質空気の減量と水の供給の開始とのマッチングを、無駄に多くの水を送ることなく最適に行えるようになったものである。
【００７９】
そこで、図５に戻り、ステップＳ０８では、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの所定時間内での変動量が水の間欠供給に見合った所定量Ｐ０を超えているか判断する。改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変動量が所定量Ｐ０を超えていればステップＳ０９の処理に進み、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変動量が所定量Ｐ０を超えていなければステップＳ１２の処理に進む。
【００８０】
ステップＳ０９では、水流量センサＤＳ６の測定流量Ｑが所定量Ｑ０を超えているか判断する。水流量センサＤＳ６の測定流量Ｑが所定量Ｑ０を超えていれば勢いのある水供給の作動を受けて水流量センサＤＳ６が正確に作動したと判断してステップＳ１０の処理に進み、水流量センサＤＳ６の測定流量Ｑが所定量Ｑ０を超えていなければステップＳ１１の処理に進む。
【００８１】
ステップＳ１１では、勢いのある水供給を行うので確実に水流量センサＤＳ６を作動状態にできるにも関わらず反応しないということであるため異常であるものとして水供給系異常処理を実行する。これは、ステップＳ０７において改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変動量が所定量Ｐ０を超えていることから、改質器ＲＦ内に水が供給されていると判断されるものの、ステップＳ０８において、水流量センサＤＳ６の測定流量Ｑが所定量Ｑ０を超えていないと判断しているため、水流量センサＤＳ６に何らかの異常が発生しているものと推認されるからである。従って、フラグＦを「３」として処理を終了する。尚、フラグＦを「３」とした後に、すぐ異常停止するのではなく、何ならかの暫定的に運転を継続し、水流量センサＤＳ６の固着からの復旧を待つようにすることも一つの形態としては考えられるものである。
【００８２】
ステップＳ１０では、改質器ＲＦへ送り込まれる空気量が第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１に対応するものとなるように制御する。具体的には、部分酸化改質反応ＰＯＸ時に必要であった改質空気ブロワの流量が第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１では過剰なものとなるため送り込まれる空気量を毎分１０Ｌから８Ｌとなるように減量制御して第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１に移行する。
【００８３】
ステップＳ１２では、所定時間が経過したか判断する。ステップＳ１２は、ステップＳ０７において改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変動量が所定量Ｐ０以下であると判断されているため、この状態が所定時間経過しているとすれば、パルスポンプ１３１によって必要となる水量が供給されていないと考えられる。そこで、ステップＳ１２において所定時間が経過していればステップＳ１３の処理に進み、所定時間が経過するまではフラグＦを「１」としてリターンする。ステップＳ１２において所定時間が経過していればパルスポンプ１３１によって必要となる水量が供給されていないと判断されるので、ステップＳ１３では、パルスポンプ１３１を含む水供給経路に何らからの異常が発生しているものとして、フラグＦを「２」として処理を終了する。
【符号の説明】
【００８４】
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が行われている。改質器において水蒸気改質を行う燃料電池システムは、例えば下記特許文献１にその一例が開示されている。
【０００３】
下記特許文献１には、改質器の上流にポンプを設けて改質器に水（水蒸気）を供給し、改質器においてはその水（水蒸気）と被改質ガス（都市ガス、プロパンガス等）とを用いて水蒸気改質反応（以下、ＳＲともいう）を起こさせて、改質ガスを得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】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。
【０００８】
少ない水を正確に供給するためには、そのような微量の水を検知するためのセンサが必要になってくるけれども、微量の水を検知するために高感度のセンサを用いれば、水が流れる前の空気の流動をも検知してしまい正確な水量の検知ができなくなってしまう。また、コスト等の面でも採用することは非常に難しい。一方で、一般的で実用的な低感度のセンサを用いれば、そのような空気の流動を検知することはないものの、反面、例えば測定限界下限近傍の微量な水が流れこんだとしてもやはりそれを確実に検知することは極めて困難であった。なぜならば、水流が全くなかったり、全く水が無い状態では、センサの検知機構（例えば、歯車や羽根車）は静止しており、検知機構内においては静摩擦係数が大きく効いているため、あまりにも微量な水が流れても冷間停止状態からの駆動の初期は特に摩擦などのフリクションに勝てず検知機構が作動しない可能性が高いためである。このような検討の結果、定常的に所定量の水が流れていることを検知することができるセンサであっても、初動状態においてその所定量の水の流れを確実には検知することが難しいことを本発明者らは発見したものである。このように改質器へ供給する水量を確実に検知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。
【０００９】
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、水蒸気改質反応への移行段階において少量の水が供給されたことを確実に把握することができ、部分酸化改質反応から水蒸気改質反応へと円滑に移行することが可能な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】
【００１０】
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を貯水する貯水タンクと、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、前記ポンプによる前記改質器への水の供給量を検出する流量検出手段と、前記改質器内の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、を有し、前記制御手段は、少なくとも起動時において、前記ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始した後に、前記圧力検出手段の検出結果に基づいて前記改質器への水供給の有無を判定する水供給判定処理を実行することを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明者らは流量検出手段の検出値によらずに改質器への水供給の有無を検出できないか検討を行った。それは、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムは極めて効率が高いことから改質器に供給すべき水量が少なく、その水量を流量検出手段によって検出することに工夫を重ねても、改質器へ水供給がなされているのか否かを知ることが重要であるからである。本発明者らは、改質器における種々の状態量に着目し、改質器内に水を供給すると燃料ガス圧に変化が生じることを発見し、この知見に基づいて本発明を成しえたものである。その知見に基づく本発明では、貯水タンクから改質器へと水を圧送するポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて圧送を開始した後に、圧力検出手段の検出結果に基づいて改質器への水供給の有無を判定する水供給判定処理を行っている。この水供給判定処理により、流量検出手段の検出値に関係なく圧力検出手段の検出値によって改質器への水供給の有無を判定できるので、供給される水量の多少に拘らず改質器への水供給の有無を判断することができる。
【００１２】
本願請求項２に係る燃料電池システムは、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、オートサーマル改質反応から水蒸気改質反応へと遷移させるものであって、前記制御手段は、前記オートサーマル改質反応においては前記ポンプを間欠的に駆動すると共に、前記オートサーマル改質反応の開始時に前記水供給判定処理を実行することを特徴とする。
【００１３】
本発明者らは、改質器における種々の状態量の変化について更に詳細に検討を行った。その結果、部分酸化改質反応からオートサーマル改質反応へと移行する際に改質器内の圧力状態が安定状態から周期的に変化する状態を積極的に作り出したものである。このように改質器内に水が実質的に無い状態（部分酸化改質反応）から少量の水を供給すると改質器内の圧力が水の蒸発に伴って上昇するという知見に基づいて、本請求項に係る発明を成しえたものである。具体的には、部分酸化改質反応からスタートして、オートサーマル改質反応を経由して水蒸気改質反応へと遷移する場合、部分酸化改質反応で必要となる水量は０であり、水蒸気改質反応で必要となる水量は毎分約１０ｍｌ程度であるため、その間のオートサーマル改質反応では、水量を毎分０ｍｌから１０ｍｌの間で供給することが必要となる。このような極少量の水を供給するために本発明のこの態様では、非常に微量な水で運転されるオートサーマル改質反応においてはその少ない水を更に微量な状態で連続的に改質器に供給するのではなく、ある一定の量を間欠的に供給するようにポンプを間欠的に駆動して水の供給が断続的になるように構成したものである。これによって供給される1回の水量を多くできるため改質器内への水の供給を確実なものとできる。更に、微量な水の中にあって一度の供給が多くなるように配慮したことで改質器内の圧力が水の供給時にはその蒸発に伴って一定量確実に上昇するようにし、一方で間欠のタイミングを長くとるようにすることで、水の供給が絶たれた状態では反対に圧力が確実に低下するように動作させたものである。このように工夫したことによって改質器内の圧力が顕著に周期的に変動するようにさせたものである。このようにポンプの間欠的な駆動を利用しながら、オートサーマル改質反応の開始時に水供給判定処理を実行させるようにしたので、圧力の状態によって極少量の水が改質器内に確実に供給されたタイミングを的確に判定できるようにしたものである。これによって改質器やセルの不具合発生が確実に防止できるようになったものである。
【００１４】
本願請求項３に係る燃料電池システムは、前記ポンプがパルスポンプであることを特徴とする。
【００１５】
この態様によれば、改質器に水を供給するポンプがパルスポンプであるので、極少量の水を改質器に供給する場合に必然的に間欠的な供給となるため、改質器内の圧力変動がより顕著なものとなる。従って、より正確に改質器への水供給の有無を判定することができる。
【００１６】
本願請求項４に係る燃料電池システムは、前記制御手段は、前記ポンプを圧送状態に切り替えた後、前記圧力検出手段の検出結果を監視し、前記改質器内の燃料ガスの圧力の変動量が所定量を超えた場合に、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定し、前記改質器において水蒸気を用いた前記オートサーマル改質反応又は前記水蒸気改質反応へと移行することを特徴とする。
【００１７】
この態様では更に、ポンプを圧送状態に切り替えた後に改質器内の圧力変動量が水供給の間欠に対応するような所定量を超えた変動を生じている場合に、改質器に水供給がなされたと判定しているので、改質器への水供給の有無をより確実に判定することができる。
【００１８】
本願請求項５に係る燃料電池システムは、前記オートサーマル改質反応は、前記改質器に供給する水量が第１量である第１オートサーマル改質反応と、前記改質器の温度が所定温度以上となった場合に前記第１オートサーマル改質反応に続いて行われる反応であって前記改質器に供給する水量が前記第１量よりも多い第２量である第２オートサーマル改質反応とを含み、前記制御手段は、前記第１オートサーマル改質反応の開始時に前記水供給判定処理を実行することを特徴とする。
【００１９】
この態様では、オートサーマル改質反応を、第１オートサーマル改質反応と第２オートサーマル改質反応とに分けて、第１オートサーマル改質反応における改質器の温度は第２オートサーマル改質反応における改質器の温度よりも低くなるようにしているため、第１オートサーマル改質反応では触媒活性の低い状態となっている。このように触媒活性の低い低温領域で第１オートサーマル改質反応を実行する場合には、第２オートサーマル改質反応において改質器に供給する第２量の水よりも少ない第１量の水が必要となる。特に第１オートサーマル改質反応の開始時においては、例えば毎分１ｍｌといった極めて少量の水を改質器に供給することが好ましいことから、上述した本発明における水供給判定処理を利用して極めて少量である毎分１ｍｌ程度の水が改質器に供給されているか否かを確実に判定している。このように部分酸化改質反応に続く第１オートサーマル改質反応において極少量の水が改質器に供給されたことを確実に把握することで、改質器やセルの不具合発生を防止して円滑な改質反応の移行を実現することができる。反対に言えば、部分酸化改質反応からオートサーマル改質反応に移行する際はそのつながりをなめらかにして改質器の温度降下をなるべく抑制するためにも毎分１ｍｌ程度の水の供給から行うことが望ましいと言えるが、そのような極少量の水の供給判定が極めて難しいものであったため、そのような理想的なオートサーマル改質反応への移行は実現が困難であったが、本発明によってそれが確実に可能となったものであり、極めて良好に改質器の温度昇温が図れる多段のオートサーマル改質反応を持つことが実現されたものである。
【００２０】
本願請求項６に係る燃料電池システムは、前記制御手段が、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定した場合に、前記改質器へ供給する空気量を低下させて前記オートサーマル改質反応へと移行することを特徴とする。
【００２１】
この態様では、水供給判定処理によって確実に改質器に水供給があったものと判定した後に、改質器へ供給する空気量を低下させてオートサーマル改質反応へと移行するので、水蒸気の発生が現実となった状態で部分酸化改質反応時の空気量では過剰となる空気を最適なタイミングで低下させることを可能としたものであり、極めて良好なオートサーマル改質反応への移行を実現できるようになったものである。
【００２２】
本願請求項７に係る燃料電池システムは、前記制御手段が、前記オートサーマル改質反応の開始時に前記ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始する際に、前記ポンプの水供給能力を通常制御時よりも所定時間高くする開始運転制御を行うものであって、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定した後に、前記改質器へ供給する空気量を低下させて前記オートサーマル改質反応へと移行することを特徴とする。
【００２３】
この態様では、ポンプの水供給能力を通常制御時よりも所定時間高くする開始運転制御を行っている。この開始運転制御により、流量検出手段が静止状態となっていたとしても、ポンプの水供給能力を高めることで流量検出手段を確実に動かして静止状態を確実に解除し、流量検出手段によるセンシングを可能なものとしている。また、貯水タンクから改質器に至る間の管路の水が蒸発し、その管路に水が無い状態であったとしても、ポンプから流量検出手段に確実に水が到達するように所定時間を定めることで、流量検出手段を確実に動かすことができる。また、貯水タンクから改質器に至る間の管路の水が無い状態である場合には、その無水状態の管路部分が緩衝ゾーンとなるので、所定時間ポンプの水供給能力を高めたとしても、改質器に過剰な水が供給されることがない。従ってこの態様では、ポンプから改質器に至る管路の水が蒸発している場合であっても、その管路の無水状態を利用してポンプの水供給能力を一時的に高めつつ、改質器への過剰な水の供給や水の供給不足を防止し、少ない水量の水を正確かつ確実に改質器へと供給することができる。結果、流量検出手段がポンプから改質器への水の供給を検出できないような事態を回避し、水蒸気改質反応やオートサーマル改質反応のような水蒸気を用いた改質反応に必要な水を正確かつ確実に供給して、改質器やセルの不具合発生を防止することができる。更にこの態様では、水供給判定処理によって確実に改質器に水供給があったものと判定した後に、改質器へ供給する空気量を低下させてオートサーマル改質反応へと移行するので、水供給があったことを正確に把握しつつ、その後の水供給を正確な水量で行うことができるので、水蒸気を用いたオートサーマル改質反応の開始タイミングを正確に把握することが可能となると共に供給する水量も正確に制御することができ、改質器やセルの不具合発生を防止して円滑な改質反応の移行を実現することができる。
【００２４】
本願請求項８に係る燃料電池システムは、前記制御手段が、前記改質器への水供給を開始する際には前記水供給判定処理を実行することで前記改質器への水供給状態を判定し、前記改質器において水蒸気を用いた前記オートサーマル改質反応又は前記水蒸気改質反応の実行中においては前記流量検出手段の検出値に基づいて前記改質器への水供給状態を判定することを特徴とする。
【００２５】
本発明において改質器に供給する水量は少量なものであるので、本発明に利用される流量検出手段は検出範囲がその少量に対応するものとなって、水が流れていないような場合であっても空気の流れ等を検出してしまうことも想定され、少量の水が改質器に確実に到達したか否かを判定することが難しい。一方、水供給判定処理では、改質器に水供給がなされたことを確実に把握することはできるものの、その水量がどれくらいであるかを把握することは難しい。そこで、改質器へ水供給を開始する際には水供給判定処理によって水供給の有無を確実に判定し、その判定後に水蒸気を用いた改質反応を行う際には、流量検出手段の検出値に基づいて改質器に水供給を行うことで過不足無く少量の水を安定的に供給することができる。従って、圧力検出手段を利用した水供給判定処理の長所と流量検出手段による流量測定ができるという長所とを組み合わせることで、水蒸気を利用した改質運転を最適化することができる。
【００２６】
本願請求項９に係る燃料電池システムは、前記制御手段が、前記水供給判定処理によっては前記改質器へ水供給があると判定した状態で、前記流量検出手段の検出値が前記改質器への水供給がないことを示している場合には、異常処理を実行することを特徴とする。
【００２７】
水供給判定処理によっては改質器へ水供給があると判定した状態で、流量検出手段の検出値が改質器への水供給がないことを示している場合には、ポンプによる改質器への水供給は行われているものの、流量検出手段に一時的若しくは恒常的な不具合が発生しているものと判断することができる。従って、この態様では新たなセンサ等を設けることなく、流量検出手段の不具合発生を確実に把握することができる。
【００２８】
本願請求項１０に係る燃料電池システムは、前記異常処理は、前記制御手段の制御を縮退させるか、若しくは、前記流量検出手段に異常が発生しているか否かを再判定するものであることを特徴とする。
【００２９】
この態様では、異常処理として制御手段の制御を縮退させることで、オートサーマル改質反応への移行を制限したり、流量検出手段に異常が発生しているか否かを再判定するための暫定運転を継続したりすることで、的確に流量検出手段における異常発生に対応することができる。
【００３０】
本願請求項１１に係る燃料電池システムは、前記部分酸化改質反応から前記第１オートサーマル改質反応への移行時において、前記改質器へ供給する被改質ガスの流量を変動させずに、前記改質器へ供給する水量を変動させることを特徴とする。
【００３１】
部分酸化改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応への移行時において、被改質ガスの流量を変動させていないので、改質器に供給される水量のみが変動することになり、改質器内の圧力変動要因が水だけによるものとなる。よって、極少量の水供給に伴う圧力変動がわずかであってもその要因は水供給によるものとできるため、言い換えると圧力変動を生じさせる要因を水以外絶つことで誤判定を確実に防止して、圧力検出手段による水が供給されたという検出結果の信頼性を確実なものとしたものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、水を用いた改質反応への移行段階において少量の水が供給されたことを確実に把握することができ、部分酸化改質反応から水を用いた改質反応への移行を円滑で安全なものとすることが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】
【００３３】
【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に示す燃料電池システムにおいて、オートサーマル改質反応への移行制御を説明するためのフローチャートである。
【図６】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際のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００４６】
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によって流量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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。なお、ここでは改質器ＲＦ内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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発生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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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１ｍｌ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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
パルスポンプ１３１は、毎分１ｍｌ〜１０ｍｌの水を送り出すことが可能なように構成されたパルスポンプである。水流量センサＤＳ６は、毎分１ｍｌ〜１０ｍｌの水の流れを検知できるセンサである。図３を参照しながら説明したように、本実施形態では改質器ＲＦへの水の供給を微細に制御している。特に第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行時には毎分１ｍｌという極少量の水を送り出しているので、この第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行時の制御について図５を参照しながら説明する。図５は、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行時の制御方法を示すフローチャートである。図５の説明においてフラグＦは、「０」の場合は第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１における通常制御を行うことを示し、「１」の場合は第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１における開始運転制御を行うことを示し、「２」の場合は水供給系統に異常が発生していることを示し、「３」の場合は水流量センサＤＳ６に異常が発生していることを示している。
【００７３】
ステップＳ０１では、フラグＦが「１」であるか判断する。フラグＦが「１」であればステップＳ０６の処理に進み、フラグＦが「１」でなければステップＳ０２の処理に進む。ステップＳ０２では、改質器ＲＦの温度及び燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度を測定する。ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、改質器ＲＦの温度及びセルスタックの温度が、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行温度となっているか判定し、その判定の結果第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行タイミングであるか判断する。具体的には、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℃を超えることが判断基準となる。第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行タイミングとなっていなければリターンし、移行タイミングとなっていればステップＳ０４の処理に進む。
【００７４】
ステップＳ０４では、改質器内圧力センサＤＳ４によって改質器ＲＦ内の圧力Ｐの監視を開始する。ステップＳ０４に続くステップＳ０５では、水流量センサＤＳ６によって管路１３ｃの水流の監視を開始する。ステップＳ０５に続くステップＳ０６では、パルスポンプ１３１の送出流量が最大（毎分１０ｍｌ）となるように予め決定された所定時間だけ制御する。パルスポンプ１３１の送出流量が最大となるように制御することで、通常は改質器ＲＦ内に水が供給される。ステップＳ０６に続くステップＳ０７では、所定時間経過後にパルスポンプ１３１の送出流量が第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１における通常の流量となるように供給能力を制御する。なお、ここではパルスポンプ１３１の送出流量を最大にしているがこれに限られるものではなく、最大に近いような高い値であれば良く毎分８ｍｌ程度でも支障が無い。
【００７５】
ここで、改質器ＲＦ内に水が供給され始めた際の改質器ＲＦ内の圧力変動について図６を参照しながら説明する。図６は、部分酸化改質反応ＰＯＸから水蒸気改質反応ＳＲに至るまでの、燃料ポンプ制御電圧、改質空気ブロワ制御電圧、発電空気ブロワ制御電圧、パルスポンプ１３１の制御電圧、改質器ＲＦ内の圧力をそれぞれ示す図である。図６において、燃料ポンプ制御電圧、改質空気ブロワ制御電圧、及び発電空気ブロワ制御電圧は、図３に示したのと同様である。パルスポンプ１３１の制御電圧は、部分改質反応ＰＯＸから第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１への移行時において、最大値となるように制御される（上述したステップＳ０６）。この最大値となる制御（開始運転制御）は所定時間内の極めて短い瞬間的なものであって（上述したステップＳ０７、図６中の破線領域Ａ）、すぐに通常の水量（毎分１ｍｌ）を供給する制御（通常制御）へと移行し、改質器ＲＦ内へは水が毎分１ｍｌの水量で間欠的に送り込まれる。なお、ここで言う瞬間的な時間は、先にも述べた通りパルスポンプ１３１から燃料電池モジュールＦＣＭまでの配管１３、特に配管１３ｃの長さに依存する、言い換えれば配管１３内の水がどれだけ蒸発する構成になっているかに依存するものであって、更にパルスポンプ１３１の空気を排出できる圧送能力にも左右されるため数秒のこともあれば、数十秒のものもあることは言うまでもなく、出願人の検証では長い場合で８０秒程度開始運転制御を行うことが望ましいものもあった。
【００７６】
図４に示すように、パルスポンプ１３１から燃料電池モジュールＦＣＭまでは、少なくとも管路１３ｂ及び管路１３ｃが介在する。従って、パルスポンプ１３１の供給水量を瞬間的に最大水量としても、毎分１０ｍｌ相当の水量が燃料電池モジュールＦＣＭに到達するわけではなく、管路１３ｃ内の水が蒸発によって消失しているため多くは空気が供給されるだけであり、パルスポンプ１３１の最大供給時間を調整することで、毎分１ｍｌより若干量多い程度の水量が燃料電池モジュールＦＣＭに実際には到達するように制御することを狙っているものである。これによって過剰な水の供給による改質器ＲＦの温度降下を防止してＡＴＲへの移行を妨げないようにしているものである。また、水流量センサＤＳ６から燃料電池モジュールＦＣＭまでも管路１３ｃを介在させているので、水流量センサＤＳ６には、単位時間当たりの供給パルス数が多くなるので、多くの空気や多くの水流が作用し、また、空気や水の勢いも高まることから水流量センサＤＳ６の前記した固着が解かれ動作状態にすることができる。一方で管路１３ｃの存在によってその勢いのある水は改質器ＲＦまでは到達することがないように工夫されているものである。
【００７７】
このように本実施形態では、パルスポンプ１３１から燃料電池モジュールＦＣＭに至る管路１３ｂ，１３ｃ及び水流量センサＤＳ６から燃料電池モジュールＲＣＭに至る管路１３ｃが所定の長さを有していることを利用し、パルスポンプ１３１の供給水量を瞬間的に最大水量となるように制御して、水流量センサＤＳ６の固着等を解除して水流量センサＤＳ６が勢いのある水流によって確実な作動状態に移行するようにすると共に、改質器ＲＦへ過剰な水が供給されてしまうことを同時に防止しているものである。
【００７８】
更に、図６に示すように改質器ＲＦ内の圧力に着目すると、部分酸化改質反応ＰＯＸ時には、水が入っておらず部分酸化改質反応が行われているため、ある程度圧力の高い状態となっている。第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１の開始に伴って、パルスポンプ１３１によって水が改質器ＲＦ内に間欠的に送り込まれると、図６の例えば破線領域Ｂに示すように、水が供給されたタイミングで蒸発が生じるため改質器ＲＦ内の圧力は上昇し、その後間欠タイミングが大きく、また一度に供給される水の供給量も少ないオートサーマル改質反応ではすぐに蒸発が終了して圧力がもとの状態まで低下する。このように水の間欠供給に対応するような形で圧力が確実に周期的に変動するように配慮したものである。換言すれば、パルスポンプ１３１によって水を間欠的に改質器ＲＦ内に送り込み、改質器ＲＦ内に水が供給されていないタイミングでは圧力Ｐが低下し、改質器ＲＦ内に水が供給されるタイミングでは圧力Ｐが上昇するという変動を持たせることを持って、改質器内に本当に水が送られたのかを判定することは今まで非常に難しかったがこれを現実的に可能にしたものである。これによって改質空気の減量と水の供給の開始とのマッチングを、無駄に多くの水を送ることなく最適に行えるようになったものである。
【００７９】
そこで、図５に戻り、ステップＳ０８では、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの所定時間内での変動量が水の間欠供給に見合った所定量Ｐ０を超えているか判断する。改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変動量が所定量Ｐ０を超えていればステップＳ０９の処理に進み、改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変動量が所定量Ｐ０を超えていなければステップＳ１２の処理に進む。
【００８０】
ステップＳ０９では、水流量センサＤＳ６の測定流量Ｑが所定量Ｑ０を超えているか判断する。水流量センサＤＳ６の測定流量Ｑが所定量Ｑ０を超えていれば勢いのある水供給の作動を受けて水流量センサＤＳ６が正確に作動したと判断してステップＳ１０の処理に進み、水流量センサＤＳ６の測定流量Ｑが所定量Ｑ０を超えていなければステップＳ１１の処理に進む。
【００８１】
ステップＳ１１では、勢いのある水供給を行うので確実に水流量センサＤＳ６を作動状態にできるにも関わらず反応しないということであるため異常であるものとして水供給系異常処理を実行する。これは、ステップＳ０７において改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変動量が所定量Ｐ０を超えていることから、改質器ＲＦ内に水が供給されていると判断されるものの、ステップＳ０８において、水流量センサＤＳ６の測定流量Ｑが所定量Ｑ０を超えていないと判断しているため、水流量センサＤＳ６に何らかの異常が発生しているものと推認されるからである。従って、フラグＦを「３」として処理を終了する。尚、フラグＦを「３」とした後に、すぐ異常停止するのではなく、何ならかの暫定的に運転を継続し、水流量センサＤＳ６の固着からの復旧を待つようにすることも一つの形態としては考えられるものである。
【００８２】
ステップＳ１０では、改質器ＲＦへ送り込まれる空気量が第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１に対応するものとなるように制御する。具体的には、部分酸化改質反応ＰＯＸ時に必要であった改質空気ブロワの流量が第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１では過剰なものとなるため送り込まれる空気量を毎分１０Ｌから８Ｌとなるように減量制御して第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１に移行する。
【００８３】
ステップＳ１２では、所定時間が経過したか判断する。ステップＳ１２は、ステップＳ０７において改質器ＲＦ内の圧力Ｐの変動量が所定量Ｐ０以下であると判断されているため、この状態が所定時間経過しているとすれば、パルスポンプ１３１によって必要となる水量が供給されていないと考えられる。そこで、ステップＳ１２において所定時間が経過していればステップＳ１３の処理に進み、所定時間が経過するまではフラグＦを「１」としてリターンする。ステップＳ１２において所定時間が経過していればパルスポンプ１３１によって必要となる水量が供給されていないと判断されるので、ステップＳ１３では、パルスポンプ１３１を含む水供給経路に何らからの異常が発生しているものとして、フラグＦを「２」として処理を終了する。
【符号の説明】
【００８４】
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を貯水する貯水タンクと、
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、
前記ポンプによる前記改質器への水の供給量を検出する流量検出手段と、
前記改質器内の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、を有し、
前記制御手段は、
少なくとも起動時において、前記ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始した後に、前記圧力検出手段の検出結果に基づいて前記改質器への水供給の有無を判定する水供給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、オートサーマル改質反応から水蒸気改質反応へと遷移させるものであって、
前記制御手段は、前記オートサーマル改質反応においては前記ポンプを間欠的に駆動すると共に、前記オートサーマル改質反応の開始時に前記水供給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】
前記ポンプはパルスポンプであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ポンプを圧送状態に切り替えた後、前記圧力検出手段の検出結果を監視し、前記改質器内の燃料ガスの圧力の変動量が所定量を超えた場合に、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定し、前記改質器において水蒸気を用いた前記オートサーマル改質反応又は前記水蒸気改質反応へと移行することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記オートサーマル改質反応は、前記改質器に供給する水量が第１量である第１オートサーマル改質反応と、前記改質器の温度が所定温度以上となった場合に前記第１オートサーマル改質反応に続いて行われる反応であって前記改質器に供給する水量が前記第１量よりも多い第２量である第２オートサーマル改質反応とを含み、
前記制御手段は、前記第１オートサーマル改質反応の開始時に前記水供給判定処理を実行することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定した場合に、前記改質器へ供給する空気量を低下させて前記オートサーマル改質反応へと移行することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記オートサーマル改質反応の開始時に前記ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始する際に、前記ポンプの水供給能力を通常制御時よりも所定時間高くする開始運転制御を行うものであって、
前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定した後に、前記改質器へ供給する空気量を低下させて前記オートサーマル改質反応へと移行することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記改質器への水供給を開始する際には前記水供給判定処理を実行することで前記改質器への水供給状態を判定し、前記改質器において水蒸気を用いた前記オートサーマル改質反応又は前記水蒸気改質反応の実行中においては前記流量検出手段の検出値に基づいて前記改質器への水供給状態を判定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９】
前記制御手段は、前記水供給判定処理によっては前記改質器へ水供給があると判定した状態で、前記流量検出手段の検出値が前記改質器への水供給がないことを示している場合には、異常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１０】
前記異常処理は、前記制御手段の制御を縮退させるか、若しくは、前記流量検出手段に異常が発生しているか否かを再判定するものであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記部分酸化改質反応から前記第１オートサーマル改質反応への移行時において、前記改質器へ供給する被改質ガスの流量を変動させずに、前記改質器へ供給する水量を変動させ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を貯水する貯水タンクと、
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、
前記ポンプによる前記改質器への水の供給量を検出する流量検出手段と、
前記改質器内の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、を有し、
前記制御手段は、
少なくとも起動時において、前記ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始した後に、前記圧力検出手段の検出結果に基づいて前記改質器への水供給の有無を判定する水供給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、オートサーマル改質反応から水蒸気改質反応へと遷移させるものであって、
前記制御手段は、前記オートサーマル改質反応においては前記ポンプを間欠的に駆動すると共に、前記オートサーマル改質反応の開始時に前記水供給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】
前記ポンプはパルスポンプであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ポンプを圧送状態に切り替えた後、前記圧力検出手段の検出結果を監視し、前記改質器内の燃料ガスの圧力の変動量が所定量を超えた場合に、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定し、前記改質器において水蒸気を用いた前記オートサーマル改質反応又は前記水蒸気改質反応へと移行することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記オートサーマル改質反応は、前記改質器に供給する水量が第１量である第１オートサーマル改質反応と、前記改質器の温度が所定温度以上となった場合に前記第１オートサーマル改質反応に続いて行われる反応であって前記改質器に供給する水量が前記第１量よりも多い第２量である第２オートサーマル改質反応とを含み、
前記制御手段は、前記第１オートサーマル改質反応の開始時に前記水供給判定処理を実行することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定した場合に、前記改質器へ供給する空気量を低下させて前記オートサーマル改質反応へと移行することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記オートサーマル改質反応の開始時に前記ポンプを停止状態から圧送状態へと切り替えて水の圧送を開始する際に、前記ポンプの水供給能力を通常制御時よりも所定時間高くする開始運転制御を行うものであって、
前記水供給判定処理において前記改質器へ水供給があったものと判定した後に、前記改質器へ供給する空気量を低下させて前記オートサーマル改質反応へと移行することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記改質器への水供給を開始する際には前記水供給判定処理を実行することで前記改質器への水供給状態を判定し、前記改質器において水蒸気を用いた前記オートサーマル改質反応又は前記水蒸気改質反応の実行中においては前記流量検出手段の検出値に基づいて前記改質器への水供給状態を判定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９】
前記制御手段は、前記水供給判定処理によっては前記改質器へ水供給があると判定した状態で、前記流量検出手段の検出値が前記改質器への水供給がないことを示している場合には、異常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１０】
前記異常処理は、前記制御手段の制御を縮退させるか、若しくは、前記流量検出手段に異常が発生しているか否かを再判定するものであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記部分酸化改質反応から前記第１オートサーマル改質反応への移行時において、前記改質器へ供給する被改質ガスの流量を変動させずに、前記改質器へ供給する水量を変動させ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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２３８５９５（Ｐ２０１０−２３８５９５Ａ）
【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２００９−８６６１３（Ｐ２００９−８６６１３）
【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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