(57)【要約】【課題】異常が生じた場合には迅速に停止する一方でメンテナンスの省力化を図ることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１０は、水素を含有する改質ガスｇを生成する改質器２０と、改質ガスｇを導入して発電する燃料電池３０とを有し、燃料電池システム１０の異常を検出する異常検出手段と、異常が検出されたときに燃料電池システム１０を停止すると共に、検出された異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に燃料電池システム１０を再起動する制御装置３６をさらに備える。再起動によって異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができる。【選択図】図１
2010086917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスを導入して発電する燃料電池とを有する燃料電池システムであって；
前記燃料電池システムの異常を検出する異常検出手段と；
前記異常が検出されたときに前記燃料電池システムを停止すると共に、検出された前記異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に、前記燃料電池システムを再起動する制御装置とを備える；
燃料電池システム。
【請求項２】
前記軽故障に関する異常が、前記改質器内の所定の範囲内の温度分布に関する異常、前記燃料電池を冷却する冷却水に関する異常、前記燃料電池で発電された電力の値に関する異常のうちの少なくとも１つを含むように定められた；
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池で発電された直流電力を交流電力に変換して電力負荷に送電するパワーコンディショナであって、商用電源と連系するパワーコンディショナを備え；
前記異常検出手段が、前記軽故障に関する異常を検出する、前記改質器におけるバーナーの失火を検出する失火検出手段と、前記パワーコンディショナに通電する電流の過電流を検出する過電流検出器とを有する；
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置が、前記異常検出手段が同一内容の前記軽故障に関する異常を第１の所定の期間に第１の所定の回数検出したときに、前記燃料電池システムの再起動を行わないように構成された；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置が、前記異常検出手段が同一内容の前記軽故障に関する異常を所定の回数連続して検出したときに、前記燃料電池システムの再起動を行わないように構成された；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置が、前記異常検出手段が前記軽故障に関する異常を第２の所定の期間に第２の所定の回数検出したときに、前記燃料電池システムの再起動を行わないように構成された；
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に異常が生じた場合には迅速に停止する一方で、メンテナンスの省力化を図ることができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を燃料電池に併設した燃料電池システムを構築することが多い。燃料電池システムの運転中に燃料電池システムで異常が発生した場合は、一般に燃料電池システムの運転を停止して異常の原因を究明すべく点検が行われる。このような事情の下、メンテナンス作業を最小限に抑えることを意図したものとして、燃料ガス製造システム（改質器に相当）で異常が発生した際に、燃料ガス製造システムの各種異常状態を検出し、検出された異常状態が予め設定されている複数の停止処理パターンの中のいずれの停止処理パターンに属するかの判断をし、判断された停止処理パターンに従った適切な停止処理を施すことで、次回の立ち上げが可能な適切な停止処理を行った際にはメンテナンス作業を削減することができる燃料ガス製造装置の異常停止方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−２５１６０３号公報（段落００３９−００６５等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の異常停止方法は、検出された異常状態がいずれの停止処理パターンに属するかを複数の停止処理パターンの中から判断するため、判断に時間がかかることとなっていた。異常を検出する対象が上述の異常停止方法のように燃料ガス製造装置（改質器）のみである場合は複数の停止処理パターンも多くならずに判断に要する時間の短縮化を図ることができたとしても、異常を検出する対象を改質器と燃料電池とを備える燃料電池システムにまで拡張した場合は検出される異常の内容が多岐にわたるため判断に相当の時間を要することとなって迅速な処理が難しかった。
【０００４】
本発明は上述の課題に鑑み、異常が生じた場合には迅速に停止する一方で、メンテナンスの省力化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素を含有する改質ガスｇを生成する改質器２０と、改質ガスｇを導入して発電する燃料電池３０とを有する燃料電池システム１０であって；燃料電池システム１０の異常を検出する異常検出手段と；前記異常が検出されたときに燃料電池システム１０を停止する（例えば図４におけるＳ３）と共に、検出された前記異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に燃料電池システム１０を再起動する（例えば図４におけるＳ８）制御装置３６とを備える。
【０００６】
このように構成すると、異常が検出されたときにその異常が軽故障に関する異常であるか否かにかかわらず燃料電池システムを停止するので安全性が向上する。また、検出された異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に燃料電池システムを再起動するので、再起動によって異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができ、異常が解消されない場合には再び停止することとなって安全性が向上する。
【０００７】
また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システム１０において、軽故障に関する異常が、改質器２０内の所定の範囲内の温度分布に関する異常、燃料電池３０を冷却する冷却水ｃに関する異常、燃料電池３０で発電された電力の値に関する異常のうちの少なくとも１つを含むように定められている。
【０００８】
このように構成すると、燃料電池システムの広範囲にわたって異常を検出しつつ再起動によって異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができる。
【０００９】
また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１及び図２に示すように、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る燃料電池システム１０において、燃料電池３０で発電された直流電力を交流電力に変換して電力負荷に送電するパワーコンディショナ３４であって、商用電源９９と連系するパワーコンディショナ３４を備え；異常検出手段が、軽故障に関する異常を検出する、改質器２０におけるバーナー２５ｂ（図２参照）の失火を検出する失火検出手段１２５（図２参照）と、パワーコンディショナ３４に通電する電流の過電流を検出する過電流検出器３０Ｅとを有する。
【００１０】
このように構成すると、燃料電池システムの広範囲にわたって異常を検出しつつ再起動によって異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができる。
【００１１】
また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１０において、制御装置３６が、異常検出手段が同一内容の軽故障に関する異常を第１の所定の期間に第１の所定の回数検出したときに、燃料電池システム１０の再起動を行わないように構成されている。
【００１２】
このように構成すると、再起動によっても解消し得ない同一内容の異常が生じたと推定して、異常の内容を確実に把握することができる。
【００１３】
また、本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１０において、制御装置３６が、異常検出手段が同一内容の軽故障に関する異常を所定の回数連続して検出したときに、燃料電池システム１０の再起動を行わないように構成されている。
【００１４】
このように構成すると、再起動によっても解消し得ない同一内容の異常が生じたと推定して、異常の内容を確実に把握することができる。
【００１５】
また、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１０において、制御装置３６が、異常検出手段が軽故障に関する異常を第２の所定の期間に第２の所定の回数検出したときに、燃料電池システム１０の再起動を行わないように構成されている。
【００１６】
このように構成すると、再起動によっても解消し得ない異常が燃料電池システム内に生じたと推定して、異常の内容を点検することができる。
【００１７】
また、本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１及び図４を参照して示すと、上記本発明の第４の態様乃至第６の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１０において、制御装置３６が、異常検出手段が軽故障に関する異常以外の異常を検出したとき（図４におけるＳ４でＮｏ）又は燃料電池システム１０の再起動を行わない制御をしたときに警報に関する信号を出力する（図４におけるＳ９）ように構成されている。
【００１８】
このように構成すると、再起動によっても解消し得ない異常が生じたことを迅速にユーザーに知らせることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、異常が検出されたときにその異常が軽故障に関する異常であるか否かにかかわらず燃料電池システムを停止するので安全性が向上する。また、検出された異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に燃料電池システムを再起動するので、再起動によって異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができ、異常が解消されない場合には再び停止することとなって安全性が向上することとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２１】
まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。図１は、燃料電池システム１０の模式的系統図である。燃料電池システム１０は、水素に富む改質ガスｇを生成する改質器２０と、燃焼用空気供給手段としての空気ブロワ２９と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と、発電電力調節手段としてのパワーコンディショナ３４と、燃料電池システム１０を制御する制御装置３６とを備えている。また、燃料電池システム１０は、燃料電池３０で発電した電力が余るときに余剰電力を消費する電力消費負荷としての電気ヒータ１３と、燃料電池３０で発生した熱及び電気ヒータ１３で発生した熱を蓄える蓄熱槽としての貯湯槽８０とを備えている。
【００２２】
改質器２０は、原料ｍ１と改質用水ｓとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する機器である。原料ｍ１は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等を気化させた炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質用水ｓは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。
【００２３】
ここで図２を参照して、改質器２０の構成をより詳細に説明する。図２は、改質器２０の模式的縦断面図である。改質器２０は、改質部２１と、変成部２２と、選択酸化部２３と、改質用水導入管２４と、燃焼部２５とを有している。改質部２１と、変成部２２と、選択酸化部２３と、改質用水導入管２４とは連通しており、相互に内部の圧力変動の影響を受けるが、これらと燃焼部２５とは連通を遮断することができるように構成されている。
【００２４】
改質部２１は、原料ｍ１と水蒸気となった改質用水ｓｖとを導入し、水蒸気改質反応により、原料ｍ１を準改質ガスｒ１に改質する。準改質ガスｒ１には、典型的には、水素が７０体積％程度含まれており、一酸化炭素が１０体積％程度含まれている。改質部２１には改質触媒２１ｃが充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒２１ｃは、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。また、改質部２１には、内部の温度を検出する改質部温度センサ１２１が配設されている。改質部温度センサ１２１は、典型的には改質触媒２１ｃの下流側に配設されている。また、改質部２１で生成された準改質ガスｒ１が変成部２２に送られるように、改質部２１は、改質触媒２１ｃより下流側で変成部２２と接続されている。以下の説明において「接続され」とは、流路等を介して接続される場合も含む。
【００２５】
変成部２２は、改質部２１から準改質ガスｒ１を導入し、準改質ガスｒ１に含まれる一酸化炭素を、同じく準改質ガスｒ１に含まれる水分と変成反応させて、二酸化炭素と水素とを生成することにより準改質ガスｒ１から一酸化炭素濃度が低減した変成ガスｒ２を生成する。変成反応は発熱反応である。変成部２２には、変成触媒２２ｃが充填されており、変成反応を促進させるように構成されている。変成触媒２２ｃは、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。変成部２２で生成される変成ガスｒ２は、一酸化炭素濃度が５０００〜１００００ｐｐｍ程度に低減されている。また、変成部２２には、内部の温度を検出する変成部温度センサ１２２が配設されている。変成部温度センサ１２２は、典型的には変成触媒２２ｃの下流側に配設されている。変成部２２は、変成部２２で生成された変成ガスｒ２が選択酸化部２３に送られるように、変成触媒２２ｃより下流側で選択酸化部２３と接続されている。
【００２６】
選択酸化部２３は、変成部２２から変成ガスｒ２を導入し、系外から空気ａ１（以下「選択酸化空気ａ１」という。）を導入することにより酸素を導入して、変成ガスｒ２中に残存した一酸化炭素と導入した酸素との選択酸化反応により、変成ガスｒ２からさらに一酸化炭素濃度が低減した改質ガスｇを生成する。選択酸化反応は発熱反応である。選択酸化部２３には、選択酸化触媒２３ｃが充填されている。選択酸化触媒２３ｃは、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。選択酸化触媒２３ｃより上流側の選択酸化部２３には、選択酸化空気ａ１を導入するための選択酸化空気管６９（図１では省略している）が接続されている。選択酸化空気管６９には選択酸化部２３への選択酸化空気ａ１の導入を遮断する選択酸化空気電磁弁２７と、管内を流れる選択酸化空気ａ１の流量を検出する流量計１６９とが配設されている。また、選択酸化部２３には、内部の温度を検出する選択酸化部温度センサ１２３が配設されている。選択酸化部温度センサ１２３は、典型的には選択酸化触媒２３ｃの下流側に配設されている。選択酸化部２３で生成される改質ガスｇは、前述のように、水素を４０％以上、典型的には７５％程度含むガスである。改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度は、およそ１０ｐｐｍ以下程度である。選択酸化触媒２３ｃより下流側の選択酸化部２３には、改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。
【００２７】
改質用水管２４は、変成部２２及び選択酸化部２３に隣接すると共に、改質部２１にも隣接して配設されている。変成部２２及び選択酸化部２３に隣接するとは、変成部２２及び選択酸化部２３における反応で発生した熱を、改質用水管２４内を流れる改質用水ｓが受熱する程度に近いことである。このときの受熱量は、液体の改質用水ｓが改質部２１に流入する前に気体の改質用水（水蒸気ｓｖ）になる程度であることが好ましい。また、改質用水管２４は、改質部２１からも受熱できるように配設されている。改質用水管２４を流れる改質用水ｓが改質部２１に流入する前に気化するのに十分な熱を受けられない場合は燃焼部２５から受熱できるように燃焼部２５内あるいは燃焼部２５近傍にも改質用水管２４が配設されるようにするとよい。
【００２８】
燃焼部２５は、典型的には、バーナー２５ｂを有しており、燃焼に用いられる燃料と、燃焼用空気ａ２とを導入し、燃焼に用いられる燃料を燃焼させて改質熱を発生する。燃焼に用いられる燃料は、例えば、燃焼用燃料ｍ２（典型的には改質部２１に供給される原料ｍ１と同じもので用途に応じて呼称を変えている）、アノードオフガスライン５２を介して導入されるアノードオフガスｐ、及び改質ガスｇのうちの１種類あるいは２種類以上が用いられる。アノードオフガスｐとは、燃料電池３０（図１参照）から排出されるガスであって燃料電池３０（図１参照）における電気化学反応に使われなかった水素を含んでいるガスである。燃焼部２５は、改質に利用する熱を改質部２１に与えることができる程度に改質部２１の近くに配設されており、好ましくは改質部２１をその中央に空間が形成されるように竹輪状に形成した上で中央の空間内に配設されるようにすると、効果的に改質部２１に改質熱を伝えることができる。燃焼部２５には、バーナー２５ｂが点火しない「不着火」や、燃焼中の炎が意図せずに消える「失火」を検出することができる火炎検出器１２５が設けられている。火炎検出器１２５は、典型的にはフレームロッドや失火検出手段としての温度センサから構成されている。
【００２９】
再び図１を参照して説明を続ける。改質器２０内の改質部２１（図２参照）には、原料ｍ１を導入するための原料管５５が接続されている。原料管５５には、原料弁６５が設けられている。原料弁６５よりも下流側の原料管５５には、管内圧力を検出する圧力計１５５Ｐと、管内流量を検出する流量計１５５Ｆとが配設されている。改質器２０内の改質用水管２４（図２参照）には、改質用水ｓを導入するための改質用水管９６Ｓが接続されている。改質用水管９６Ｓには、改質用水ｓの流れを遮断する改質用水弁６７と、改質用水ｓを圧送する改質用水ポンプ２６とが配設されている。改質用水ポンプ２６よりも下流側の改質用水管９６Ｓには、管内圧力を検出する圧力計１９６が配設されている。改質器２０内の選択酸化部２３（図２参照）には、上述のように改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。改質器２０内の燃焼部２５には、アノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能なアノードオフガス管５２と、燃焼用燃料ｍ２を導入する燃焼燃料管５６と、燃焼用空気ａ２を導入する燃焼空気管５８とが接続されている。燃焼燃料管５６には、燃焼燃料弁６６が設けられている。燃焼燃料弁６６よりも下流側の燃焼燃料管５６には、管内流量を検出する流量計１５６が配設されている。燃焼空気管５８には、管内流量を検出する流量計１５８が配設されている。また、燃焼部２５には、バーナー２５ｂ（図２参照）で燃焼した後の排ガスｅを排出する排ガス管５９が接続されている。
【００３０】
原料管５５と燃焼燃料管５６とは、原料ｍ１と燃焼用燃料ｍ２とに分流する前の燃料ｍを流す１本の燃料管５７が分岐したものである。燃料管５７には、気体の燃料ｍを送る燃料ブロワ２８が配設されている。燃料ブロワ２８は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃料ｍの流量を増減することができるように構成されている。なお、燃料ｍが液体の場合は燃料ブロワ２８に代えて燃料ポンプが配設されるが、本実施の形態では燃料ブロワ２８として説明する。また、燃料管５７には、改質器２０に導入される燃料ｍの流量の変動を検出することができるメータ１５と、燃料管５７内を流れる燃料ｍの圧力を検出する圧力計１５７とが配設されている。
【００３１】
燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。カソード３２に導入される酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池３０は、複数のセルが筐体（不図示）に収容されている。筐体（不図示）の内部には、可燃性ガス（改質ガスｇ、アノードオフガスｐ）の漏洩を検出するガス検出器１３８と、筐体内の温度を検出する温度計１３９とが設けられている。また、燃料電池３０は、出力ケーブル４１を介してパワーコンディショナ３４と電気的に接続されている。燃料電池３０には、電気化学的反応によって発電された電力の出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する出力計３０Ｅが接続されている。出力計３０Ｅは、過電流を検出する過電流検出器としても機能する。
【００３２】
燃料電池３０は、出力ケーブル４１及び商用電源ケーブル４９を介して商用電源９９に接続されている。出力ケーブル４１と商用電源ケーブル４９との接続部には、電力負荷９８につながる電力負荷ケーブル４８が接続されている。すなわち、燃料電池３０と、商用電源９９と、電力負荷９８とは電気的に接続されている。電力負荷９８は、典型的には、家電や生産機械等の電気機器である。出力ケーブル４１にはパワーコンディショナ３４が配設されている。パワーコンディショナ３４よりも商用電源ケーブル４９側の出力ケーブル４１には、電気ヒータ１３につながるヒータ用ケーブル４２が接続されている。ヒータ用ケーブル４２には開閉器４３が配設されている。開閉器４３は、典型的には、ソリッドステートリレーである。また、商用電源ケーブル４９には、商用電源９９から供給を受ける電力を計測する電力計４５が配設されている。
【００３３】
パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。また、パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０における発電電流の大きさを、燃料電池３０の出力が最低発電量（例えば定格出力の３０％等）と定格出力とになる幅の間で任意に決定することができるように構成されている。つまり、パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０の発電電力を調節することができるものである。燃料電池３０では、パワーコンディショナ３４で設定された電流を発電するだけの水素と酸素とが反応することとなる。パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０と連系した商用電源９９の異常を検出する商用電源異常検出手段を備えていてもよい。
【００３４】
アノード３１と改質部２１（図２参照）とは、改質ガス管５１を介して接続されている。改質ガス管５１には改質ガス弁６１が設けられている。また、アノード３１と燃焼部２５とは、アノードオフガス管５２を介して接続され、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼部２５に導入することができるようになっている。アノードオフガス管５２には、アノードオフガス弁６２が配設されている。また、改質ガス弁６１の上流側の改質ガス管５１と、アノードオフガス弁６２よりも下流のアノードオフガス管５２とが、バイパス管５３で接続されている。バイパス管５３にはバイパス弁６３が設けられている。カソード３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガス管５４と、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガス管５４Ｑとが接続されている。酸化剤ガス管５４は、空気管５４Ａから分岐した管の１つであり、空気管５４Ａから分岐した他の１つは燃焼空気管５８である。空気管５４Ａには、カソード３２に酸化剤ガスｔを送ると共に燃焼部２５に燃焼用空気ａ２を送る空気ブロワ２９が配設されている。空気ブロワ２９は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃焼用空気ａ２や酸化剤ガスｔの流量を増減することができるように構成されている。酸化剤ガス管５４には、酸化剤ガスｔの流れを遮断可能な酸化剤ガス遮断弁６４と、管内流量を検出する流量計１５４とが設けられている。また、酸化剤ガス管５４には、典型的には、酸化剤ガスｔを加湿する加湿器（不図示）が配設される。
【００３５】
改質ガス弁６１の下流側の改質ガス管５１には、改質ガスｇから余剰の水分を分離する改質ガス気液分離器９１が配設されている。アノードオフガス弁６２の上流側のアノードオフガス管５２には、アノードオフガスｐ中の水分を分離するアノードオフガス気液分離器９２が配設されている。カソードオフガス管５４Ｑには、カソードオフガスｑ中の水分を分離するカソードオフガス気液分離器９４が配設されている。改質器２０の燃焼部２５に接続された排ガス管５９には、排ガスｅ中の水分を分離する排ガス気液分離器９３が配設されている。各気液分離器９１、９２、９３、９４で分離された回収水は、回収水タンク９６に収集される。改質ガス気液分離器９１で分離された回収水は、回収水管９１Ａにより回収水タンク９６に導かれる。同様に、アノードオフガス気液分離器９２で分離された回収水は回収水管９２Ａにより、排ガス気液分離器９３で分離された回収水は回収水管９３Ａにより、カソードオフガス気液分離器９４で分離された回収水は回収水管９４Ａにより、それぞれ回収水タンク９６に導かれる。回収水タンク９６には、回収水タンク９６内の水位を検出する回収水水位計９７が設けられている。また、回収水タンク９６には改質用水管９６Ｓが接続されており、回収水タンク９６に収集された回収水を改質用水ｓとして改質器２０に供給することができるように構成されている。なお、排ガス気液分離器９３及びカソードオフガス気液分離器９４の２つを設ける代わりに、カソードオフガス管５４Ｑと排ガス管５９とを接続して１本の配管とした部分に１つの気液分離器を設け、排ガスｅとカソードオフガスｑとが混合した混合排ガス中の水分を分離するようにしてもよい。
【００３６】
燃料電池３０の冷却部３３の冷却水導入口には冷却水管７５が、冷却水導出口には冷却水管７４が、それぞれ接続されている。冷却水管７４、７５により、燃料電池３０から導出された冷却水ｃが熱交換器７０を通過し、熱交換器７０を通過して温度が下がった冷却水ｃが燃料電池３０に導入されるように循環流路が形成されている。冷却水管７５には内部を流れる冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ７３が配置されている。冷却水ポンプ７３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、燃料電池３０の発熱量に応じて冷却水ｃの流量を調整することができるように構成されている。冷却水ポンプ７３のインバータと制御装置３６とは信号ケーブルで接続されている。冷却水ポンプ７３の吐出側には圧力計１７３Ｄが配設され、吸込側には圧力計１７３Ｓが配設されており、両圧力計１７３Ｄ、１７３Ｓで検出された圧力の差により冷却水ｃの流量を検出することができるように構成されている。冷却水管７５には、冷却部３３に導入される冷却水ｃの温度を検出する温度計１７５が設けられている。他方、冷却水管７４には、冷却部３３から導出された冷却水ｃの温度を検出する温度計１７４が設けられている。
【００３７】
冷却水管７４には電気ヒータ１３が配置されている。電気ヒータ１３は、燃料電池３０で発電された電力のうち電灯や電気機器等の電力負荷９８で消費されない余剰電力を熱に変換し、変換した熱を冷却水管７４を流れる冷却水ｃに伝達するように構成されている。電気ヒータ１３は、典型的には、発熱部を絶縁材料で被覆したケーブル型の電気ヒータであり、冷却水管７４の外周に巻きつけられテープで固定される。また、電気ヒータ１３は発熱部を収容したケーシングに冷却水ｃを導入し、発熱部と冷却水ｃとが接触して冷却水ｃの温度を上昇させるように構成されていてもよい。電気ヒータ１３で発熱がある場合、冷却部３３で温度が上昇した冷却水ｃは、電気ヒータ１３でさらに温度が上昇して熱交換器７０に流入することになる。電気ヒータ１３には、電気ヒータ１３の温度を検出する温度計１１３が設けられている。
【００３８】
熱交換器７０は、冷却水ｃと蓄熱水ｈとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器７０は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと冷却水ｃよりも温度が低い蓄熱水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池３０の排熱を冷却水ｃから蓄熱水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器７０は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃを導入する冷却水導入口と蓄熱水ｈとの熱交換により温度が下がった冷却水ｃを導出する冷却水導出口と、温度が低い蓄熱水ｈを導入する蓄熱水導入口と冷却水ｃとの熱交換により温度が上昇した蓄熱水ｈを導出する蓄熱水導出口とを有している。熱交換器３０の冷却水導入口には冷却水管７４が、冷却水導出口には冷却水管７５が、それぞれ接続されている。
【００３９】
熱交換器７０の蓄熱水導出口には蓄熱水管８４が、蓄熱水導入口には蓄熱水管８５が、それぞれ接続されている。蓄熱水管８４は、熱交換器７０から導出された蓄熱水ｈが貯湯槽８０の上部に流入するように貯湯槽８０の上部に接続されており、好適には頂部に接続される。蓄熱水管８５は、熱交換器７０に導入される蓄熱水ｈが貯湯槽８０の下部から採水されるように貯湯槽８０の下部に接続されており、好適には底部に接続される。蓄熱水管８４、８５は熱交換器７０及び貯湯槽８０と接続されて循環流路を形成している。蓄熱水管８５には内部を流れる蓄熱水ｈを循環する蓄熱水ポンプ８３が配置されている。蓄熱水ポンプ８３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、熱交換器７０での交換熱量に応じて蓄熱水ｈの流量を調整することができるように構成されている。蓄熱水ポンプ８３のインバータと制御装置３６とは信号ケーブルで接続されている。蓄熱水管８５には、内部を流れる蓄熱水ｈの流量を検出する流量計１８３が設けられている。
【００４０】
貯湯槽８０は、頂部に温度が高い蓄熱水ｈを導入する蓄熱水導入口が、底部に温度が低い蓄熱水ｈを導出する蓄熱水導出口が形成されている。上述のように、貯湯槽８０の蓄熱水導入口には蓄熱水管８４が、蓄熱水導出口には蓄熱水管８５が接続されている。熱交換器７０で燃料電池３０の排熱を受熱した蓄熱水ｈは蓄熱水管８４を通って貯湯槽８０に流入し、貯湯槽８０に燃料電池３０の排熱が蓄熱されるように構成されている。流入して貯湯槽８０に貯留された蓄熱水ｈは、上部の温度が高く下部の温度が低い温度成層が形成されている。さらに貯湯槽８０の上部には、温水ｗ１を導出する熱負荷温水導出口が設けられており、この熱負荷温水導出口から給湯や暖房等の熱需要で利用されるために温水ｗ１が導出される。また、貯湯槽８０の下部には熱需要で利用されて減少した水量を補う補給水導入口が設けられている。補給水導入口からは補給水ｗ２が導入される。
【００４１】
蓄熱水管８４にはバイパス管８６が接続されており、バイパス管８６の他端は蓄熱水ポンプ８３よりも上流側で蓄熱水管８５に接続されている。バイパス管８６は、蓄熱水管８４を流れる蓄熱水ｈを貯湯槽８０に流入させずに蓄熱水管８５に導く管である。バイパス管８６には蓄熱水ｈの温度を下げることができる冷却装置としてのラジエータ８１が配設されている。ラジエータ８１は、燃料電池３０を冷却するのに必要な冷却水ｃの温度となるまでに冷却水ｃから熱を奪うことができないほど貯湯槽８０から導出される蓄熱水ｈの温度が高いときに、熱交換器７０に導入される蓄熱水ｈの温度を冷却水ｃから熱を奪うことができる温度になるまで冷却できるように構成されている。ラジエータ８１は冷却板としてのフィンを備えており、フィンに蓄熱水ｈを導入して空気と熱交換することにより蓄熱水ｈの温度を低下させることができるように構成されている。さらに、ラジエータ８１はより多くの空気をフィンに供給して交換熱量を増加するために、強制的にフィンに空気を送る送気ファン（不図示）を備えている。
【００４２】
蓄熱水管８４とバイパス管８６との分岐部には、蓄熱水ｈの流れ方向を切り替える三方弁８２が配設されている。また、三方弁８２の設置位置は、貯湯槽８０及びラジエータ８１の上流側に限られず、貯湯槽８０及びラジエータ８１の下流側であってもよい。また、三方弁８２に代えて二方弁を２個用いることにより、蓄熱水ｈの流れ方向を切り替え、あるいは貯湯槽８０に流入する蓄熱水ｈの流量とラジエータ８１に流入する蓄熱水ｈの流量との配分を調整することができるように構成してもよい。
【００４３】
制御装置３６は、燃料電池システム１０の運転を制御する。制御装置３６は、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９に信号を送信して発停を制御すると共に、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９から吐出される流体の流量を制御する。また、制御装置３６は、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３に信号を送信して発停を制御すると共に、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３から吐出される流体の流量を制御する。なお、各ブロワ２８、２９及び各ポンプ７３、８３に信号を送信することには、これらに送電する動力盤（不図示）に信号を送信することも含む。また、制御装置３６は、パワーコンディショナ３４に信号を送信して燃料電池３０における発電電流を設定する。また、制御装置３６は、各弁６１〜６７とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置３６は、三方弁８２と信号ケーブルで接続されており、信号を送信して蓄熱水ｈの流路を切り替えることができるように構成されている。また、制御装置３６は、開閉器４３に信号を送信して電気ヒータ１３への通電の有無を制御する。また、制御装置３６は、メータ１５と信号ケーブルで接続されており、信号を受信して燃料ｍの流量を検出することができるように構成されている。
【００４４】
また、制御装置３６は、改質器２０内の改質部温度センサ１２１（図２参照）、変成部温度センサ１２２（図２参照）、選択酸化部温度センサ１２３（図２参照）とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、燃焼部２５の火炎検出器１２５（図２参照）と信号ケーブルで接続されており、火炎検出器１２５（図２参照）が検出したバーナー２５ｂの状態を温度信号あるいはフレームロッドの電流信号として受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、電力計４５と信号ケーブルで接続されており、電力値の信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、温度計１１３、１３９、１７４、１７５とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、圧力計１５５Ｐ、１５７、１７３Ｄ、１７３Ｓ、１９６とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、圧力信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、流量計１５４、１５５Ｆ、１５６、１５８、１６９（図２参照）、１８３と信号ケーブルで接続されており、流量信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置３６は、ガス検出器１３８と信号ケーブルで接続されており、ガス検出器１３８が検出した可燃性ガスの存在を信号として受信することができるように構成されている。
【００４５】
さらに制御装置３６は、受信した各種信号から異常の有無を判断し、異常があると判断した場合はその異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常に該当するか否かを判断する判断部３６ｊを有している。判断部３６ｊには、あらかじめ定められた軽故障に関する異常の内容が記憶されている。あらかじめ定められた軽故障に関する異常については後述する。
【００４６】
引き続き図１及び図２を参照して、燃料電池システム１０の作用を説明する。停止している燃料電池システム１０の運転を開始するには、燃料ブロワ２８を起動して燃焼部２５に燃焼用燃料ｍ２を供給すると共に空気ブロワ２９を起動して燃焼部２５に燃焼用空気ａ２を供給する。このとき、燃焼燃料弁６６は開、その他の弁６１〜６５、６７は閉となっている。燃焼部２５で燃焼用燃料ｍ２が燃焼して改質熱が発生し、改質部２１が昇温したら、原料弁６５を開にして原料ｍ１を改質部２１に導入する。改質部２１の温度は改質部温度センサ１２１で検出する。この際、改質用水弁６７を開にすると共に改質用水ポンプ２６を起動して、改質部２１には改質用水ｓも導入され、燃焼部２５から改質熱を得て原料ｍ１が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスｇが生成される。改質器２０では、上述のように改質ガスｇが生成されるが、運転開始当初は改質ガスｇの組成が安定していないため、改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を閉にし、バイパス弁６３を開にして、組成が安定していない改質ガスｇを燃料電池３０に供給せずに燃焼部２５に導いて燃焼させる。このとき、燃焼部２５に導入した組成が安定していない改質ガスｇを主として燃焼させ、不足分の燃焼用燃料ｍ２を燃焼燃料弁６６の開度を調節して燃焼部２５に導入する。組成が安定していない改質ガスｇで足りる場合は燃焼燃料弁６６を閉とする。
【００４７】
改質器２０で生成される改質ガスｇの組成が安定し、改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が所定の値まで低減するようになると、制御装置３６が改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を開に、バイパス弁６３を閉にして、改質ガスｇが燃料電池３０に導入されるようにする。これにより、燃料電池３０のアノード３１に改質ガスｇが導入される。このとき、改質ガスｇがアノード３１に導入される前に改質ガス気液分離器９１を通過することにより、改質ガスｇ内の余剰の水分が分離され、回収水として回収水タンク９６に収集される。回収水タンク９６に収集された回収水は、改質用水ｓとして利用されるべく改質用水ポンプ２６により改質器２０に供給される。回収水タンク９６内の回収水が所定の低水位まで低下した場合は、補給水管（不図示）を介して補給水（例えば市水等）が供給される。他方、制御装置３６は、酸化剤ガス遮断弁６４を開にし、これによって燃料電池３０のカソード３２に酸化剤ガスｔが導入される。典型的には、アノード３１に供給される改質ガスｇの量が、水素の利用率が７０〜８０％程度、好ましくは７５％程度となるように、改質器２０で改質ガスｇが生成される（これに合わせて原料ｍ１が改質部２１に導入される）。また、酸素の利用率が４５〜６０％程度、好ましくは５０％程度となる量の酸化剤ガスｔがカソード３２に供給されるように空気ブロワ２９の回転数や流量調整弁（不図示）が調節される。
【００４８】
燃料電池３０ではアノード３１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード３２に導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード３１側では以下の（１）式に示す反応が行われ、カソード３２側では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ２  →  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  ・・・（１）
Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード３１側の電子が外部電気回路を通ってカソード３２側に移動する際に電力を得ることができる。アノード３１側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード３２側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。
【００４９】
燃料電池３０によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ３４で交流電力に変換されて電力負荷９８に、及び各ブロワ２８、２９、各ポンプ７３、８３に送電される。燃料電池３０で発電される電力は、電力負荷９８及び各ブロワ２８、２９、各ポンプ７３、８３の消費電力の合計に対して所定の値（例えば合計消費電力の９０％）となるように、パワーコンディショナ３４で設定される。この設定値に対して適切な供給量となるように、制御装置３６により燃料電池３０に供給される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの量が調節される。不足分の電力は、商用電源９９から交流電力の供給を受ける。
【００５０】
燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管５２を介して改質器２０の燃焼部２５に導かれて燃焼される。アノードオフガスｐは、燃焼部２５に導かれる途中のアノードオフガス気液分離器９２で水分が分離される。アノードオフガス気液分離器９２で分離された水分は、回収水として回収水タンク９６に収集される。燃焼部２５に導かれたアノードオフガスｐは、燃焼することにより、改質部２１における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部２５へ導入されるアノードオフガスｐの燃焼だけでは発生する改質熱が不足する場合は、燃焼燃料弁６６の開度を調節して燃焼用燃料ｍ２を燃焼部２５に導入する。燃焼部２５における燃焼によって生じた排ガスｅは、排ガス管５９を介して系外に排出される。排ガスｅは、系外に排出される前に排ガス気液分離器９３で水分が分離され、分離された水分は回収水として回収水タンク９６に収集される。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガス管５４Ｑを介して系外に排出される。カソードオフガスｑは、系外に排出される前にカソードオフガス気液分離器９４で水分が分離され、分離された水分は回収水として回収水タンク９６に収集される。
【００５１】
上述のように、燃料電池３０における電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池３０の運転を継続するために発生した熱を冷却水ｃで除去する。燃料電池３０に改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが導入されて発電が行われるようになると、制御装置３６は、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３を起動して冷却水ｃ及び蓄熱水ｈを循環させる。冷却部３３に導入された冷却水ｃは、燃料電池３０における電気化学的反応で発生した熱によって温度が上昇する。燃料電池３０は冷却水ｃによって発熱が除去されて、運転に適した温度（約６０℃〜８０℃程度）に維持される。冷却部３３から導出された冷却水ｃは熱交換器７０に向かって流れ、熱交換器７０に導入される。なお、電気ヒータ１３が作動しているときは、冷却部３３から導出されたときの温度からさらに温度が上昇して熱交換器７０に導入される。熱交換器７０に導入された冷却水ｃは、蓄熱水ｈと熱交換して温度が低下し、再び冷却部３３に導入され、以降は上述のサイクルを続ける。
【００５２】
他方、熱交換器７０に導入された蓄熱水ｈは、冷却水ｃと熱交換して温度が上昇する。温度が上昇した蓄熱水ｈは熱交換器７０から導出されて貯湯槽８０に向かって流れ、典型的には上部から貯湯槽８０に流入する。貯湯槽８０に流入した蓄熱水ｈは、給湯や暖房等の熱需要（不図示）で使用することができる程度の温度になっている。貯湯槽８０内は、蓄熱水ｈの密度差により、上部に温度が高い水が、下部に温度が低い水が貯留されて温度成層が形成される。このため、形成された温度成層を極力崩さないという観点から、貯湯槽８０に流入する蓄熱水ｈの動圧が低い（流速が小さい）方が好ましい。ただし動圧が低すぎると蓄熱水管８４の径が太くなり設置スペース及び設置コストが大になるので、許容範囲内で動圧を低くする。
【００５３】
貯湯槽８０内に貯留された蓄熱水ｈは、上部の温度の高い水が温水ｗ１として熱需要（不図示）に供給され、温水ｗ１の熱が消費される。このように燃料電池３０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１０の効率が向上することとなる。熱需要（不図示）に供給された温水ｗ１は、熱が利用されて温度が低下した後に貯湯槽８０の下部に戻される。あるいは、温水ｗ１の熱だけでなく温水ｗ１自体が消費される場合は、減少した分の水を補給水ｗ２として外部（例えば市水等）から貯湯槽８０の下部に導入する。これにより、貯湯槽８０の下部に温度が低い水が貯留される。貯湯槽８０下部の温度が低い蓄熱水ｈは、蓄熱水管８５を流れて熱交換器７０に導入される。熱交換器７０に導入された蓄熱水ｈは、冷却水ｃと熱交換して温度が上昇し、熱交換器７０から導出される。
【００５４】
熱需要（不図示）における熱の消費がなく、貯湯槽８０の下部に貯留された水（熱交換器７０に向けて導出される水）の温度が、燃料電池３０を冷却するために求められる温度（燃料電池３０の運転を継続できる温度）にまで冷却水ｃを冷却できない温度となった場合（いわゆる満蓄となった場合）、そのまま貯湯槽８０内の蓄熱水ｈを熱交換器７０に導入すると燃料電池３０の運転を継続することができなくなる。このような場合、制御装置３６は三方弁８２を切り替えて、熱交換器７０から導出された蓄熱水ｈを貯湯槽８０ではなくラジエータ８１に導く。蓄熱水管８４からラジエータ８１に導入された蓄熱水ｈは大気に放熱し、温度が低下して蓄熱水管８５に流入し、熱交換器７０に導入される。消費できない熱をラジエータ８１で放熱することで、燃料電池３０の運転を継続することができる。
【００５５】
電力負荷９８における電力需要が少なくなる等により燃料電池３０における発電を停止する際は、燃料電池３０への改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの供給を停止する。燃料電池３０への改質ガスｇの供給を停止するのに伴い、改質ガスｇの生成を停止するべく、改質器２０への原料ｍ１及び改質用水ｓの供給を停止して改質器２０の運転を停止する。改質器２０の停止中は、空気が混入すると改質触媒２１ｃ、変成触媒２２ｃ、選択酸化触媒２３ｃが酸化により劣化するため、これを防ぐために改質ガスｇあるいは原料ｍ１のガスを改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３に封入する。改質ガスｇあるいは原料ｍ１のガスを封入している間は、少なくとも改質ガス弁６１、バイパス開閉弁６３、及び原料弁６５は閉止されている。
【００５６】
これまで説明したように、燃料電池システム１０は多数の部材から構成されており、異常が発生した際には迅速に異常を検出できるようにさまざまな異常検出手段が設けられている。異常検出手段は、制御装置３６の判断部３６ｊと、以下に述べる各部材とが協働して作動することにより機能する。
【００５７】
図３は、異常の内容と、判断部３６ｊと協働して当該異常を検出する異常検出手段を構成する部材との関係を説明する図である。図３を参照して把握されるように、火炎検出器１２５は、改質器２０のバーナー２５ｂの不着火や失火の検出に用いられる（番号１、２１）。改質部温度センサ１２１は、改質部２１の温度に関する異常の検出に用いられる（番号２、２２）。変成部温度センサ１２２は、変成部２２の温度に関する異常の検出に用いられる（番号３）。選択酸化部温度センサ１２３は、選択酸化部２３の温度に関する異常の検出に用いられる（番号４）。流量計１５５Ｆは、原料ｍ１の導入量に関する異常の検出に用いられる（番号５）。圧力計１９６は、改質用水ｓの導入量に関する異常の検出に用いられる（番号６）。温度計１１３は、電気ヒータ１３の温度に関する異常の検出に用いられる（番号７）。回収水水位計９７は、回収水タンク９６内の回収水の水位に関する異常の検出に用いられる（番号８、２４）。流量計１８３は、蓄熱水ｈの流量に関する異常の検出に用いられる（番号９）。流量計１６９は、選択酸化空気ａ１の流量に関する異常の検出に用いられる（番号１０）。温度計１７４、１７５は、冷却水ｃの温度に関する異常の検出に用いられる（番号１１、１２）。圧力計１７３Ｄ、１７３Ｓは、冷却水ｃの流量に関する異常の検出に用いられる（番号１３）。
【００５８】
圧力計１５５Ｐは、改質ガスｇの供給圧力に関する異常、及び改質器２０への原料ｍ１又は改質ガスｇの封入圧力に関する異常の検出に用いられる（番号１４、２３）。出力計３０Ｅは、燃料電池３０の出力電圧及び出力電流に関する異常の検出に用いられる（番号１５、１６）。パワーコンディショナ３４は、制御装置３６の電源及び商用電源９９に関する異常の検出に用いられる（番号１７、１８）。流量計１５６は、燃焼用燃料ｍ２の導入量に関する異常の検出に用いられる（番号２５）。流量計１５８は、燃焼用空気ａ２の導入量に関する異常の検出に用いられる（番号２６）。制御装置３６は、空気ブロワ２９の出力に関する異常、及び制御装置３６自身に関する異常の検出に用いられる（番号２７、３２）。流量計１５４は、酸化剤ガスｔの導入量に関する異常の検出に用いられる（番号２８）。圧力計１５７は、燃料ｍの元圧に関する異常の検出に用いられる（番号２９）。ガス検出器１３８は、燃料電池３０の筐体内における可燃性ガスの存在の検出に用いられる（番号３０）。温度計１３９は、燃料電池３０の筐体内の温度に関する異常の検出に用いられる（番号３１）。以下、異常が検出された場合の燃料電池システム１０の動作を説明する。
【００５９】
図４は、異常が検出された場合の燃料電池システム１０の動作を説明するフローチャートである。燃料電池システム１０は、起動している際は（Ｓ１）、制御装置３６が上述の異常検出手段により異常が発生したか否かを検出している（Ｓ２）。ここでいう「起動している」は、燃料電池システム１０に起動の指令が与えられていることをいい、例えば改質器２０が改質ガスｇを生成しているか否かや燃料電池３０が発電をしているか否かは問わない。異常が発生していない場合は再び異常が発生したか否かを検出する工程（Ｓ２）に戻る。異常の発生を検出した場合は、燃料電池システム１０の運転を直ちに停止する（Ｓ３）。燃料電池システム１０を停止する際は、上述のように、空気の混入を防ぐために改質ガスｇあるいは原料ｍ１のガスを改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３に封入する。次に制御装置３６は、発生した異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常であるか否かを判断する（Ｓ４）。
【００６０】
ここで、あらかじめ定められた軽故障に関する異常は、典型的には、一過性の異常であり、人為的なメンテナンスを行わなくても解消する可能性があると思われる異常である。本実施の形態では、軽故障に関する異常として、定常運転時における物理量に対して、改質器２０（改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３）内の温度が許容される温度の範囲から所定の範囲内で高すぎ又は低すぎる異常（図３における番号２、３、４に相当）、燃料電池３０の冷却部３３に対して導出入される冷却水ｃの温度が高すぎる又は流量が少なすぎる異常（図３における番号１１、１２、１３に相当）、燃料電池３０で発電された電力の電圧が低すぎる又は電流が許容される範囲から逸脱している異常（図３における番号１５、１６に相当）、バーナー２５ｂの火炎が失火した異常（図３における番号１に相当）をあらかじめ定めている。
【００６１】
これらの軽故障に関する異常は、本発明の発明者が以下の点を見出したことによりあらかじめ定めることとしたものである。改質部２１内の温度に関する異常は、原料ｍ１又は改質用水ｓの供給系統の一時的な不具合（例えば、改質用水ポンプ２６や燃料ブロワ２８の一時的な不調、原料ｍ１、準改質ガスｒ１、変成ガスｒ２、改質用水ｓの流路の一時的な閉塞等）により一時的に制御が逸脱したことにより生じたことが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。また、改質部２１に一過性の原因により異常が生じた場合、改質部２１に連通している変成部２２及び／又は選択酸化部２３にも影響が及ぶことが考えられ、改質部２１における異常が次回起動時までに解消されれば、変成部２２及び／又は選択酸化部２３における異常も解消される可能性が大きい。ただし、改質部２１の温度が所定の範囲を超えて上昇した場合（図３における番号２２に相当）は、燃料電池システム１０の起動から発電に至るまでに改質器２０の運転が安定しきれていない場合が多く重大な故障につながる可能性があるため、軽故障に関する異常としてあらかじめ定めないこととする。
【００６２】
冷却水ｃに関する異常は、冷却水ポンプ７３の一時的な不調あるいは冷却水管７４、７５の一時的な閉塞又は冷却水管７４、７５内への空気混入に起因していることが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。燃料電池３０における発電電圧が低すぎる異常は、改質用水ｓの一時的な供給不良により又は改質器２０の選択酸化部２３の選択酸化触媒２３ｃの活性低下により改質ガスｇ中のＣＯ濃度が上昇してセルがＣＯ被毒する、改質ガス管５１が瞬間的に閉塞してアノード３１に供給される水素が不足する、酸化剤ガス管５４中で発生した凝縮水がカソード３２に持ち込まれて流路断面積が減少することによりカソード３２に供給される酸素が不足すること等が原因となることが考えられ、このような異常は次回起動時は生じない可能性がある。なお、選択酸化触媒２３ｃの活性低下が原因と考えられる場合は、改質部２１の温度を改質に適した温度まで上昇させたところで選択酸化空気ａ１を選択酸化部２３に供給して一旦選択酸化部２３を活性域まで昇温し、その後選択酸化空気ａ１の供給を停止して選択酸化部２３を還元雰囲気（主に水素）とする還元処理が次回起動時までに施されることにより解消する可能性がある。また、燃料電池３０における発電電圧が低すぎる異常は、他の原因による燃料電池３０を構成するセルの一時的な不調が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。バーナー２５ｂの火炎が失火した異常は、アノードオフガスｐの燃焼中に、燃焼部２５に瞬間的な圧力変動が生じた場合やアノードオフガス管５２で結露した水がバーナー２５ｂに一時的に持ち込まれた場合、あるいはバーナー２５ｂで燃焼させる燃料を燃焼用燃料ｍ２から改質ガスｇ又はアノードオフガスｐに変更しようとした場合に生じることがあり、このような異常は次回起動時は生じない可能性がある。
【００６３】
以上で示したような軽故障に関する異常は、人為的なメンテナンスを行わなくても次回起動時までに解消する可能性があり、解消した場合は人為的なメンテナンスを行うことなく燃料電池システム１０の運転を継続することができることから、制御装置３６は発生した異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常であるか否かを判断することとしている（Ｓ４）。発生した異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常であるか否かを判断する工程（Ｓ４）において、あらかじめ定められた軽故障に関する異常でない場合は、制御装置３６は人為的なメンテナンスが行われることにより異常がリセットさるまで燃料電池システム１０の再起動を行わない制御をし、ユーザーに認識できるような表示装置（不図示）に向けて警報信号を送信して警報を発報させ、リセットされるまで再起動が行われないことをユーザーに知らせる（Ｓ９）。
【００６４】
他方、あらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合は、同一内容の異常が第１の所定の期間に第１の所定の回数発生したか否かを判断する（Ｓ５）。ここで、第１の所定の期間は、典型的には、発生した異常が一過性の異常であればその異常が遅くとも解消されていると考えられる期間である。また、第１の所定の回数は、典型的には、発生した異常が一過性の異常であればその異常が燃料電池システム１０の再起動を行うことで解消すると考えられる回数である。第１の所定の期間及び第１の所定の回数は、それぞれ各軽故障の項目ごとに異なる値を設定してもよい。同一内容の異常が第１の所定の期間に第１の所定の回数発生した場合は、制御装置３６は人為的なメンテナンスが行われることにより異常がリセットさるまで燃料電池システム１０の再起動を行わない制御をし、ユーザーに認識できるような表示装置（不図示）に向けて警報信号を送信して警報を発報させ、リセットされるまで再起動が行われないことをユーザーに知らせる（Ｓ９）。
【００６５】
他方、同一内容の異常が第１の所定の期間に第１の所定の回数発生していない場合は、あらかじめ定められた軽故障に関する異常のいずれかが第２の所定の期間に第２の所定の回数発生したか否かを判断する（Ｓ６）。ここで、第２の所定の期間は、典型的には、発生した異常が一過性の異常であれば他の部分に波及した異常も含めて遅くとも解消されていると考えられる期間である。また、第２の所定の回数は、典型的には、発生した異常が一過性の異常であれば他の部分に波及した異常も含めて燃料電池システム１０の再起動を行うことで解消すると考えられる回数である。なお、第１の所定の期間及び第２の所定の期間は任意に設定してもよく、第１の所定の期間と第２の所定の期間とが同じ期間となってもよい。同様に、第１の所定の回数及び第２の所定の回数は任意に設定してもよく、第１の所定の回数と第２の所定の回数とが同じ回数となってもよい。典型的には、第２の所定の回数は第１の所定の回数よりも多い。
【００６６】
あらかじめ定められた軽故障に関する異常のいずれかが第２の所定の期間に第２の所定の回数発生したか否かを判断する工程（Ｓ６）において、第２の所定の期間に第２の所定の回数発生した場合は、制御装置３６は人為的なメンテナンスが行われることにより異常がリセットさるまで燃料電池システム１０の再起動を行わない制御をし、ユーザーに認識できるような表示装置（不図示）に向けて警報信号を送信して警報を発報させ、リセットされるまで再起動が行われないことをユーザーに知らせる（Ｓ９）。他方、第２の所定の期間に第２の所定の回数発生していない場合は、制御装置３６は燃料電池システム１０を停止（Ｓ３）してから所定の時間が経過したか否かを判断する（Ｓ７）。ここで、所定の時間は、典型的には、燃料電池システム１０を一旦停止した後に再起動が可能となる温度まで改質部２１の温度が低下するのに要する時間である。なお、所定の時間が経過したか否かを判断することに代えて、改質部２１の温度が所定の温度まで低下したか否かを判断するように構成してもよい。所定の温度は、典型的には、燃料電池システム１０を一旦停止した後再起動が可能となる改質部２１の温度である。
【００６７】
なお、燃料電池システム１０を停止してから所定の時間が経過するまで（あるいは改質部２１の温度が所定の温度に低下するまで）再起動を行わないのは、燃料電池システム１０が、運転状態から一旦停止して次に起動するまでの時間が短いと、改質部２１の温度が低下する前に改質部２１等に封入されていた改質ガスｇあるいは原料ｍ１のガスがバーナー２５ｂに導かれて燃焼処理されることにより改質部２１の温度が定常運転時の温度を超えた高温になる場合があり、改質部２１の温度が改質触媒２１ｃの許容温度（例えば約８００℃）を超えると改質触媒２１ｃが劣化するため、このような不都合を回避するためである。
【００６８】
燃料電池システム１０を停止してから所定の時間が経過したか否か（又は改質部２１の温度が所定の温度まで低下したか否か）を判断する工程（Ｓ７）において、所定の時間が経過していない場合（改質部２１の温度が所定の温度まで低下していない場合）は、再びこの判断をする工程（Ｓ７）に戻る。他方、所定の時間が経過した場合（改質部２１の温度が所定の温度まで低下した場合）は、燃料電池システム１０の再起動を行う（Ｓ８）。再起動を行うと再び燃料電池システム１０の起動状態（Ｓ１）となり、以後は上述したフローを繰り返す。なお、上述のフローにおいて、工程Ｓ５及び／又は工程Ｓ６を省略してもよい。また、上述のフローの工程Ｓ５の内容を、「同一内容の異常が第１の所定の期間に第１の所定の回数発生したか否かを判断する」ことに代えて、「同一内容の異常が第１の所定の回数連続して発生したか否かを判断する」こととしてもよい。あるいは両者を同時に判断しつつ、早く条件を満たした判断に従うこととしてもよい。ここで「所定の回数は」、第１の所定の回数と同様、典型的には、発生した異常が一過性の異常であればその異常が燃料電池システム１０の再起動を行うことで解消すると考えられる回数であり、各軽故障の項目ごとに異なる回数を設定してもよい。このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０は、異常が検出されたときにその異常が軽故障に関する異常であるか否かにかかわらず燃料電池システム１０を停止するので安全性が向上する。また、検出された異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に燃料電池システム１０を再起動するので、再起動によって検出された異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができ、異常が解消されない場合には再び停止することとなって安全性が向上することとなる。
【００６９】
また、改質器２０と燃料電池３０とを備える燃料電池システム１０においては、上記図３に示したような異常のうち複数の異常が同時に発生する場合もあり、異常の原因を特定するのが困難な場合がある。例えば、燃料電池３０の発電電力（出力）が低下して一時的に改質器２０の温度が低下し、この異常が他の異常を誘発する場合、異常の原因を特定するのが難しい。また、外乱の影響等により一時的に異常の状態を示す場合がある。本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０は、異常が検出されたときにその異常の内容にかかわらず燃料電池システム１０を停止するので、発生した異常に応じた停止処理を行わなくてもよく、制御が簡素化される。また、複数の異常が検出された場合であっても検出された異常が軽故障に関する異常であれば再起動されることとなり、発生した異常が一過性のものであって再起動により解消している場合は運転を継続することが可能になりメンテナンスを省略することができる。
【００７０】
以上の説明では、あらかじめ定められた軽故障に関する異常が図３に示す番号１〜４、１１〜１３、１５、１６に相当する異常であるとしたが、図３に示す番号１〜１８に相当する異常を軽故障に関する異常としてあらかじめ定めてもよい。図３に示す番号１〜１８に相当する異常のうち既に燃料電池システム１０の作用の説明において説明した異常以外の異常を軽故障としてあらかじめ定めてもよいのは、本発明の発明者が見出した以下の知見によるものである。
【００７１】
原料ｍ１の導入量に関する異常（図３における番号５に相当）は、燃料ブロワ２８の一時的な制御不良、あるいは流量計１５５Ｆの一時的な不具合により一時的に生じたことが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。改質用水ｓの導入量に関する異常（図３における番号６に相当）は、改質用水ポンプ２６の一時的な制御不良（一過性のカジリなど）、あるいは圧力計１９６の一時的な不都合により一時的に生じたことが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。電気ヒータ１３の温度に関する異常（図３における番号７に相当）は、低い電力負荷が予想に反して長時間続いたことなどが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。回収水タンク９６内の回収水の水位が低下した異常（図３における番号８に相当）は、回収水管９１Ａ〜９４Ａの一時的な閉塞等が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。蓄熱水ｈの流量に関する異常（図３における番号９に相当）は、流量計１８３の一時的な不都合、あるいは蓄熱水ポンプ８３の一過性のトラブルあるいは蓄熱水管８４、８５の一時的な閉塞等が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。選択酸化空気ａ１の導入量に関する異常（図３における番号１０に相当）は、流量計１５４の一時的な不都合、あるいは空気ブロワの一過性のトラブルあるいは選択酸化空気管６９の一時的な閉塞等が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。
【００７２】
改質ガスｇの圧力に関する異常（図３における番号１４に相当）は、改質器２０の一時的な制御逸脱あるいはバランスの崩れ、あるいは改質ガスｇの流路の一時的な狭窄（例えば一過性の原因による燃料電池３０のセルの内圧の増加）等が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。制御装置３６の電源に関する異常（図３における番号１７に相当）は、燃料電池３０あるいは商用電源９９の系統の一時的な異常や、燃料電池３０の電圧の低下、又は燃料電池３０のセルの電圧が著しく低下したときに発生する場合があり、これらが原因の場合は再起動することができるという知見を経験上得ている。商用電源９９に関する異常（図３における番号１８に相当）は、商用電源９９の一時的な停電等で発生することが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。以上に示した軽故障に関する異常（図３に示す番号１〜１８に相当する異常）は、すべてを軽故障に関する異常としてあらかじめ判断部３６ｊに記憶させておいてもよく、いずれか１つ又は任意の２つ以上の異常を軽故障に関する異常としてあらかじめ判断部３６ｊに記憶させておいてもよい。
【００７３】
他方、図３に示す番号２１〜３２に相当する異常は、以下に示す理由により軽故障に関する異常としてあらかじめ定めることを回避する（再起動（図４における工程Ｓ８）を行わないようにする）ことが好ましい。バーナー２５ｂの火炎の不着火（図３における番号２１に相当）は、可燃性である燃焼用燃料ｍ２のガスが系外に排出されるおそれがあるため、再起動を行わないことが好ましい。改質部２１の温度が所定の範囲を超えて上昇した異常（図３における番号２２に相当）は、上述のように、燃料電池システム１０の起動から発電に至るまでに改質器２０の運転が安定しきれていない場合が多く重大な故障につながる可能性があるため、再起動を行わないことが好ましい。改質器２０への原料ｍ１又は改質ガスｇの封入圧力に関する異常（図３における番号２３に相当）は、配管系統あるいは関連機器におけるガス漏れが懸念されるため、再起動を行わないことが好ましい。回収水タンク９６内の回収水の水位が高すぎる異常（図３における番号２４に相当）は、市水補給用電磁弁（不図示）のシートリークが懸念されるため、再起動を行わないことが好ましい。
【００７４】
燃焼用燃料ｍ２の導入量に関する異常（図３における番号２５に相当）は、配管系統あるいは関連機器におけるガス漏れ、又はバーナー２５ｂにおける異常燃焼が懸念されるため、再起動を行わないことが好ましい。燃焼用空気ａ２の導入量に関する異常（図３における番号２６に相当）及び空気ブロワ２９の出力に関する異常（図３における番号２７に相当）は、配管系統あるいは関連機器における燃焼用空気ａ２の漏れ、又は空気ブロワ２９の故障が懸念され、異常燃焼などを引き起こすおそれがあるため、再起動を行わないことが好ましい。酸化剤ガスｔの導入量に関する異常（図３における番号２８に相当）は、配管系統あるいは関連機器における燃焼用空気ａ２の漏れ、又は空気ブロワ２９の故障が懸念され、異常燃焼を引き起こすおそれがあるため、再起動を行わないことが好ましい。燃料ｍの元圧に関する異常（図３における番号２９に相当）は、燃料ｍの供給ラインの不調と考えられ、別個に解決しないと燃料電池システム１０の運転を再開することが難しいと考えられるため、再起動を行わないことが好ましい。
【００７５】
燃料電池３０の筐体内における可燃性ガスの存在を検出したとき（図３における番号３０に相当）は、可燃性ガスが漏洩している可能性が高く、再起動を行わないことが好ましい。燃料電池３０の筐体内の温度に関する異常（図３における番号３１に相当）は、放置すれば発火を招く可能性があるため再起動を行わないことが好ましい。制御装置３６の異常（図３における番号３２に相当）は、燃料電池システム１０の適切な運転が継続できない可能性が高く、再起動を行わないことが好ましい。以上に示した、図３に示す番号２１〜３２に相当する異常を検出したときは、典型的には燃料電池システム１０の再起動をせずに、警報を発する（図４の工程Ｓ９）こととなる。
【００７６】
以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。
【図２】改質器の模式的縦断面図である。
【図３】異常の内容と、異常検出手段を構成する部材との関係を説明する図である。
【図４】異常検出時の燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００７８】
１０  燃料電池システム
２０  改質器
３０  燃料電池
３０Ｅ  出力計
３６  制御装置
３４  パワーコンディショナ
２５ｂ  バーナー
９９  商用電源
１２５  火炎検出器
ｇ  改質ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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