(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料及び水蒸気を改質することにより水素を含有する改質ガスを生成する改質部、及び前記改質部を加熱するバーナを備える水素製造装置と、
前記水素製造装置によって生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池システム内の機器の運転を制御する運転制御手段と、
前記燃料電池システム内におけるエラーを検出するエラー検出手段と、
前記改質ガスの供給先を前記バーナ、あるいは前記燃料電池スタックに設定する改質ガス供給先設定手段と、
前記改質部へ供給される前記原燃料の供給量を制御する原燃料供給量制御手段と、
前記改質部へ供給される前記原燃料のカーボンの量に対する前記改質部へ供給される前記水蒸気の量のモル比率によって定められるＳ／Ｃを制御するＳ／Ｃ制御手段と、を備え、
前記エラー検出手段によって、前記燃料電池システム内におけるエラーのうち、前記水素製造装置に関するエラー以外のエラーが検出された場合、
前記改質ガス供給先設定手段は、前記改質ガスの供給先を前記バーナのみに設定し、
前記運転制御手段は、少なくとも前記水素製造装置の運転を続行し、
前記改質ガス供給先設定手段によって、前記改質ガスの供給先が前記バーナのみに設定されている場合、
前記原燃料供給量制御手段は、前記原燃料の供給量が水素製造効率を最大とする供給量に対して１／４以下となるように制御し、
前記Ｓ／Ｃ制御手段は、前記Ｓ／Ｃが６．０以上となるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質ガス供給先設定手段は、少なくとも前記エラー検出手段によって検出されていた前記エラーが解消した後、前記改質ガスの供給先を前記燃料電池スタックに設定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記エラー検出手段は、前記改質ガス供給先設定手段によって前記改質ガスの供給先が前記バーナのみに設定された後、前記水素製造装置に関するエラー以外のエラーを繰り返し検出し、
前記運転制御手段は、前記エラー検出手段によるエラー検出の回数が閾値以上となった場合、前記水素製造装置の運転を停止することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
原燃料及び水蒸気を改質することにより水素を含有する改質ガスを生成する改質部、及び前記改質部を加熱するバーナを備える水素製造装置と、
前記水素製造装置によって生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システム内におけるエラーを検出するエラー検出ステップと、
前記エラー検出ステップによって、前記燃料電池システム内におけるエラーのうち、前記水素製造装置に関するエラー以外のエラーが検出された場合、前記改質ガスの供給先を前記バーナと前記燃料電池スタックのうち、前記バーナのみに設定する改質ガス供給先設定ステップと、
少なくとも前記水素製造装置の運転を続行する運転制御ステップと、
前記改質部へ供給される前記原燃料の供給量が、水素製造効率を最大とする供給量に対して１／４以下となるように制御する原燃料供給量制御ステップと、
前記改質部へ供給される前記原燃料のカーボンの量に対する前記改質部へ供給される前記水蒸気の量のモル比率によって定められるＳ／Ｃが６．０以上となるように制御するＳ／Ｃ制御ステップと、を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、原燃料と水蒸気を改質することによって改質ガスを生成することのできる改質部及び当該改質部を加熱するバーナを有する水素発生装置と、改質ガスを用いて発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムにおいて、電池電圧を監視し、電圧が所定値以下になったときや、瞬間的な圧力上昇や、センサ異常の際にはシステムエラーと判定し、燃料電池システム全体を停止する工程を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１２０４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、従来の燃料電池システムでは、システム内にエラーが発生した場合に、エラーの発生場所に関わらず水素製造装置を含むシステム全体の機器の運転を停止していた。エラーが解消した後、システムを再起動するときは、再び水素製造装置（水素製造装置に関わるエラーがなかったとしても）を起動する必要があった。このような場合、水素製造装置の再起動に要するエネルギーが必要となり、ＣＯ２の排出量が増加すると共にエネルギー効率が低下してしまうという問題がある。更に、エラー解消後に再起動する際、再び発電を行うまでに時間を要してしまうという問題がある。しかしながら、上述の燃料電池システムでは、空気極の触媒活性の復元では解消できないようなエラーが発生した場合に対応することができず、そのような場合はシステム全体の機器の運転を停止する必要がある。
【０００５】
そこで、本発明は、システム内にエラーが発生した場合であっても、早期に発電を再開することを可能とすると共に、ＣＯ２排出量の増加及びエネルギー効率の低下を抑制することのできる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料及び水蒸気を改質することにより水素を含有する改質ガスを生成する改質部を備える水素製造装置と、水素製造装置によって生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備える燃料電池システムであって、燃料電池システム内の機器の運転を制御する運転制御手段と、燃料電池システム内におけるエラーを検出するエラー検出手段と、改質ガスの供給先をバーナ、あるいは燃料電池スタックに設定する改質ガス供給先設定手段と、を備え、エラー検出手段によって水素製造装置に関するエラー以外のエラーが検出された場合、改質ガス供給先設定手段は改質ガスの供給先をバーナのみに設定し、運転制御手段は少なくとも水素製造装置の運転を続行することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、改質ガスの供給先をバーナ、あるいは燃料電池スタックに設定することのできる改質ガス供給先設定手段を備えているため、水素製造装置で発生した改質ガスの全てをバーナへ戻す（いわゆるバイパスライン）ことによって、水素製造装置の自立運転を行うことが可能である。ここで、エラー検出手段によって水素製造装置に関するエラー以外のエラーが検出された場合とは、システム内における水素製造装置以外の部分でエラーが起こっている状態なので、水素製造装置自体は自立運転を続行してもエラー解消のための処理に影響を及ぼすことはない。そこで、本発明においては、エラー検出手段によって水素製造装置に関するエラー以外のエラーが検出された場合、改質ガス供給先設定手段が改質ガスの供給先をバーナのみに設定すると共に、運転制御手段が少なくとも水素製造装置の運転を続行することによって、水素製造装置を自立運転状態とすることができる。これによって、システム内においてエラーが起こっている部分に対しては当該エラーを解消するための処理を行いつつも、当該エラーに関与しない水素製造装置については運転を停止することなく自立運転状態として待機させ、システム再起動の際に起動のためのエネルギーや時間を要することなく速やかに燃料電池スタックへ改質ガスを供給することが可能となる。以上によって、システム内にエラーが発生した場合であっても、早期に発電を再開することを可能とすると共に、ＣＯ２排出量の増加及びエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【０００８】
ここで、本発明者らは、水素製造装置からの改質ガスの全量（すなわち発生水素の全て）をバーナへ戻す自立運転を長時間行った場合、通常の運転時よりも過剰の加熱熱量となっており、水素製造装置が必要以上に加熱される状態となる可能性があり、このような場合、バーナの故障や、容器の変形などの問題が生じると共に、燃焼空気量を過剰に増加させなくてはならないという問題が生じる可能性を見出した。そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、改質部へ供給される原燃料の供給量を最適範囲に制御し、改質部へ供給される原燃料のカーボンの量に対する水蒸気の量のモル比率によって定められるＳ／Ｃが最適な値になるように制御することによって、水素製造装置からの改質ガスの全量をバーナへ戻す状態を長時間維持したとしても上述のような問題を生じさせることなく、水素製造装置を熱的に自立させること（すなわち水素製造装置で生成された改質ガスを全て自身のバーナへ戻しても、熱的なバランスを維持できること）が可能となることを見出した。本発明者らは、更に研究を重ね、具体的には、改質部へ供給される原燃料の供給量が、水素製造効率を最大とする供給量に対して１／４以下となるように制御し、Ｓ／Ｃが６．０以上となるように制御することによって、水素製造装置を確実に熱的に自立させることができることを見出した。
【０００９】
そこで、本発明に係る燃料電池システムにおいて、改質部へ供給される原燃料の供給量を制御する原燃料供給量制御手段と、改質部へ供給される原燃料のカーボンの量に対する改質部へ供給される水蒸気の量のモル比率によって定められるＳ／Ｃを制御するＳ／Ｃ制御手段と、を更に備え、改質ガス供給先設定手段によって、改質ガスの供給先がバーナのみに設定されている場合、原燃料供給量制御手段は、原燃料の供給量が水素製造効率を最大とする供給量に対して１／４以下となるように制御し、Ｓ／Ｃ制御手段は、Ｓ／Ｃが６．０以上となるように制御することが好ましい。これによって、改質ガス供給先設定手段が改質ガスの供給先をバーナのみに設定することで水素製造装置を自立運転状態とする一方で、原燃料供給量制御手段は、原燃料の供給量が水素製造効率を最大とする供給量に対して１／４以下となるように制御することで、原燃料の供給量を自立運転に最適な量とすることができる。更に、Ｓ／Ｃ制御手段は、Ｓ／Ｃが６．０以上となるように制御することで、Ｓ／Ｃを自立運転に最適な値とすることができる。このように、原燃料の供給量及びＳ／Ｃを最適化することによって水素製造装置を熱的に自立させることが可能となる。これによって、水素製造装置の自立運転に伴う問題（例えばバーナの故障や、容器の変形など）を起こすことなく、改質ガスの全量をバーナに供給する状態を長時間維持することが可能となる。このように、水素製造装置を長時間自立運転状態とすることができるため、エラーの解消に時間を要する場合であっても、水素製造装置の運転を停止させることなく自立運転状態としながら待機させることができる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、改質ガス供給先設定手段は、少なくともエラー検出手段によって検出されていたエラーが解消した後、改質ガスの供給先を燃料電池スタックに設定することが好ましい。このように、検出されていたエラーが解消した後で燃料電池スタックに改質ガスを供給することで、エラー解消後に速やかに発電を行うことができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、エラー検出手段は、改質ガス供給先設定手段によって改質ガスの供給先がバーナのみに設定された後、水素製造装置に関するエラー以外のエラーを繰り返し検出し、運転制御手段は、エラー検出手段によるエラー検出の回数が閾値以上となった場合、水素製造装置の運転を停止することが好ましい。すなわち、システム内のエラーの解消に所定以上の時間を要する場合は、自立運転状態にある水素製造装置の運転を停止することができる。これによって、例えば、自立運転を続けるよりも水素製造装置を停止しておいた方がエネルギーのロスが少なくなるような状況においては、水素製造装置を停止しておくことができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、原燃料及び水蒸気を改質することにより水素を含有する改質ガスを生成する改質部、及び改質部を加熱するバーナを備える水素製造装置と、水素製造装置によって生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池システム内におけるエラーを検出するエラー検出ステップと、エラー検出ステップによって水素製造装置に関するエラー以外のエラーが検出された場合、改質ガスの供給先をバーナと燃料電池スタックのうち、バーナのみに設定する改質ガス供給先設定ステップと、少なくとも水素製造装置の運転を続行する運転制御ステップと、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、改質ガスの供給先をバーナと燃料電池スタックのうち、バーナのみに設定することのできる改質ガス供給先設定ステップを有しているため、水素製造装置で発生した改質ガスの全てをバーナへ戻す（いわゆるバイパスライン）ことによって、水素製造装置の自立運転を行うことが可能である。ここで、エラー検出ステップにおいて水素製造装置に関するエラー以外のエラーが検出される場合とは、システム内における水素製造装置以外の部分でエラーが起こっている状態なので、水素製造装置自体は自立運転を続行してもエラー解消のための処理に影響を及ぼすことはない。そこで、本発明においては、エラー検出ステップにおいて水素製造装置に関するエラー以外のエラーが検出された場合、改質ガス供給先設定ステップにおいて改質ガスの供給先がバーナのみに設定されると共に、運転制御ステップにおいて少なくとも水素製造装置の運転が続行されることによって、水素製造装置を自立運転状態とすることができる。これによって、システム内においてエラーが起こっている部分に対しては当該エラーを解消するための処理を行いつつも、当該エラーに関与しない水素製造装置については運転を停止することなく自立運転状態として待機させ、システム再起動の際に起動のためのエネルギーや時間を要することなく速やかに燃料電池スタックへ改質ガスを供給することが可能となる。以上によって、システム内にエラーが発生した場合であっても、早期に発電を再開することを可能とすると共に、ＣＯ２排出量の増加及びエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、システム内にエラーが発生した場合であっても、早期に発電を再開することを可能とすると共に、ＣＯ２排出量の増加及びエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムの水素製造装置を示す概略正面端面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムによる制御処理の内容を示すフローチャートである。
【図４】原燃料供給量と水素製造効率との関係を示すグラフである。
【図５】水供給量及び原燃料供給量の変化を示すタイムチャートの一例である。
【図６】水供給量及び原燃料供給量の変化を示すタイムチャートの他の例である。
【図７】本発明の実施形態に係るＳ／Ｃ及び原燃料供給量の最適条件を満たす場合と、満たさない場合の水素製造装置の状態を比較するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、図面の上下方向に対応するものであり便宜的なものである。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。図１に示すように、水素製造装置（ＦＰＳ：Fuel Processing System）１は、例えば家庭用の燃料電池システム１００において水素供給源として利用されるものである。ここでの水素製造装置１は、原燃料として石油系炭化水素が用いられ、水素を含有する改質ガスをセルスタック（燃料電池スタック）２０に供給する。
【００１８】
なお、原燃料としては、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料、天然ガス、都市
ガスを用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスのほか、ナフサ、軽油などを原燃料として使用することができる。また、セルスタック２０としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いてもよい。
【００１９】
図２は、図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。ただし、当該水素製造装置１は一例であり、異なる構成のものを採用してもよい。図１，２に示すように、水素製造装置１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形の脱硫部２と、中心軸を軸Ｇとする円柱状外形の本体部３と、を備え、これらが筐体４に収容されている。また、筐体４内において脱硫部２及び本体部３の周囲には、粉状の断熱材（不図示）が充填されて断熱されている。脱硫部２は筐体４の外に設置されてもよく、設けられていなくてもよい。
【００２０】
脱硫部２は、外部から導入された原燃料を脱硫触媒によって脱硫して硫黄分を除去し、この原燃料を後述のフィード部５へ供給する。脱硫部２は、筐体４の側板４ｘにパイプで固定され、本体部３の上部を所定の隙間を有して囲繞するよう保持されている。本体部３は、フィード部５、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８及び蒸発部９を備え、これらが一体で構成されている。この本体部３は、筐体４の床板４ｙに筒状のステーにより固定され保持されている。
【００２１】
フィード部５は、脱硫部２で脱硫した原燃料及び水蒸気（スチーム）を混合し、これらを改質部６に供給する。具体的には、フィード部５は、原燃料及び水蒸気を合流・混合させて混合ガス（混合流体）を生成する混合部５ｘと、混合ガスを改質部６へ流通させる混合ガス流路５ｙと、を含んでいる。
【００２２】
改質部（ＳＲ：Steam Reforming）６は、フィード部５により供給された混合ガスを改質触媒６ｘによって水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをシフト反応部７へ供給する。改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、脱硫部２の筒内に位置するよう本体部３の上端側に設けられている。この改質部６にあっては、水蒸気改質反応が高温を必要としかつ吸熱反応であるため、改質部６の改質触媒６ｘを加熱するための熱源としてバーナ１０を利用している。
【００２３】
バーナ１０では、起動時は外部から原燃料がバーナ燃料として供給されて燃焼される。このバーナ１０は、本体部３の上端部に設けられ軸Ｇを中心軸とする燃焼筒１１に、バーナ１０による火炎が取り囲まれるよう取り付けられている。なお、バーナ１０においては、脱硫部２で脱硫した原燃料の一部が、バーナ燃料として供給されて燃焼される場合もある。
【００２４】
シフト反応部７は、改質部６から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるためのものであり、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。ここでのシフト反応部７は、シフト反応を２段階に分けて行うことも可能であり、高温（例えば４００°Ｃ〜６００°Ｃ）でのシフト反応である高温シフト反応を行う高温シフト反応部（ＨＴＳ：High Temperature Shift）１２と、高温シフト反応の温度よりも低温（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部（ＬＴＳ：LowTemperature Shift）１３と、を有している。ただし、高温シフト反応部１２は、必ずしも設けなくともよい。
【００２５】
高温シフト反応部１２は、改質部６から供給された改質ガス中の一酸化炭素を高温シフト触媒１２ｘによって高温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。高温シフト反応部１２は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、高温シフト触媒１２ｘが改質触媒６ｘの下端部を囲繞するよう改質部６の径方向外側に隣接配置されている。この高温シフト反応部１２は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを低温シフト反応部１３へ供給する。
【００２６】
低温シフト反応部１３は、高温シフト反応部１２で高温シフト反応させた改質ガス中の一酸化炭素を低温シフト触媒１３ｘによって低温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端側に配設されている。この低温シフト反応部１３は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを改質ガス配管１４ｘを介して選択酸化反応部８へ供給する。
【００２７】
選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential Oxidation）８は、低温シフト反応部１３で低温シフト反応させた改質ガス中のＣＯ濃度をさらに低下させる。これは、セルスタック２０に高濃度の一酸化炭素を供給すると、セルスタック２０の触媒が被毒して大きく性能低下するためである。この選択酸化反応部８は、具体的には、改質ガス中の一酸化炭素と空気配管１５を介して導入される空気とを選択酸化触媒８ｘで反応させて、改質ガス中の水素を酸化させることなく、一酸化炭素を選択的に酸化し、二酸化炭素に転換する。選択酸化反応部８は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端から所定長上端側に該本体部３の最外周側を構成するよう配設されている。
【００２８】
この選択酸化反応部８は、ＣＯ濃度をさらに低下させた改質ガスを、熱交換部１６が設けられた改質ガス配管１４ｙを介して外部へ導出する。熱交換部１６は、改質ガス配管１４ｙ内を流通する改質ガスと、外部から水配管１７ｘを介して導入された水との間で熱交換を行うと共に、この水を蒸発部９に水配管１７ｙを介して供給する。
【００２９】
蒸発部９は、熱交換部１６から供給された水を内部に貯留させると共に、この水をバーナ１０からの排ガスによる熱、低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８から移動させた（低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８を冷却して得た）熱で気化させて水蒸気を生成する。蒸発部９は、ジャケット型のものであり、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈している。この蒸発部９は、高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３の径方向外側で且つ選択酸化反応部８の径方向内側（つまり、シフト反応部７と選択酸化反応部８との間）に位置するよう配設されている。この蒸発部９は、生成した水蒸気をフィード部５の混合部５ｘに水蒸気配管１７ｚを介して供給する。
【００３０】
このような水素製造装置１では、まず、バーナ燃料及びセルスタック２０からのオフガス(セルスタック２０で反応に使用されない残ガス)の少なくとも一方と空気とがバーナ１０に供給されて燃焼され、かかる燃焼によって改質触媒６ｘが加熱される。そして、バーナ１０の排ガスが排ガス流路及びガス配管１８を流通して外部へ排気される。
【００３１】
これと共に、脱硫部２で脱硫された原燃料と蒸発部９からの水蒸気とが混合部５ｘで混合され、混合ガスが生成される。この混合ガスは、混合ガス流路５ｙを介して改質部６に供給されて改質触媒６ｘで水蒸気改質され、これにより、改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスは、シフト反応部７によってその一酸化炭素濃度が例えば数千ｐｐｍ程度まで低下され、選択酸化反応部８によってその一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ程度以下まで低下された後、熱交換部１６で冷却され、後段のセルスタック２０へ導出される。
【００３２】
なお、本実施形態においては、例えば各触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘにて触媒反応を好適に行うため、次のように各部位の温度が設定されている。すなわち、改質部６に流入する混合ガスの温度が約３００〜５５０℃とされ、改質部６から流出する改質ガスの温度が５５０℃〜８００℃とされ、高温シフト反応部１２に流入する改質ガスの温度が４００℃〜６００℃とされ、高温シフト反応部１２から流出する改質ガスの温度が３００℃〜５００℃とされている。また、低温シフト反応部１３に流入する改質ガスの温度が１５０℃〜３５０℃とされ、低温シフト反応部１３から流出する改質ガスの温度が１５０℃〜２５０℃とされ、選択酸化反応部８に流入する改質ガスの温度が９０℃〜２１０℃（１２０℃〜１９０℃）とされている。
【００３３】
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、水素製造装置１で発生した改質ガスをバーナ１０へ戻すバイパスラインＬ１と、バイパスラインＬ１に取り付けられた凝縮水回収装置４０と、改質ガスをセルスタック２０へ供給するスタックラインＬ２とを有している。燃料電池システム１００は、通常運転時においては改質ガスをスタックラインＬ２へ供給することでセルスタック２０へ供給し、水素製造装置１に関するエラー以外のエラーが発生したときは改質ガスをバイパスラインＬ１のみに供給することで改質ガスの全量をバーナ１０へ供給し、更に、当該エラーが解消したら改質ガスを再びスタックラインＬ２へ供給することでセルスタック２０へ供給する。バイパスラインＬ１のみに改質ガスを供給しているとき、水素製造装置１で発生した改質ガスの全てが水素製造装置１に戻されるため、水素製造装置１は自立した状態となる（以下の説明においては、このような状態を自立運転状態と称して説明する）。また、バイパスラインＬ１に流通している改質ガス中の水分が凝縮した際は、凝縮水回収装置４０によりシステム内の水タンクなどへ排出され、再度原料水として利用される。本実施形態に係る燃料電池システム１００は、システム内に水素製造装置１に関するエラー以外のエラーが生じたときに自立運転状態にて水素製造装置１の運転を続行するように制御すると共に、このような水素製造装置１の自立運転状態を長時間維持できるように制御する機能を有している。このような機能を実現するため、燃料電池システム１００は、原燃料供給ポンプ１１０、水供給ポンプ１２０、バーナ燃料供給ポンプ１３０、バーナ空気供給ポンプ１４０、選択酸化用空気供給ポンプ１５０、火炎状態検出センサ１６０、バイパスバルブ１７０、スタック側バルブ１８０、エラー検出センサＣＥ、及び制御部２００を備えている。なお、図においては、電気的な接続関係を省略している。なお、火炎状態検出センサ１６０は必須の要素ではなく、設けられていなくともよい。
【００３４】
原燃料供給ポンプ（原燃料供給量制御手段、Ｓ／Ｃ制御手段）１１０は、改質部６へ原燃料を供給するポンプである。水供給ポンプ（Ｓ／Ｃ制御手段）１２０は、水配管１７ｘや蒸発部９を介して改質部６へ水を供給するポンプである。バーナ燃料供給ポンプ１３０は、バーナ１０にバーナ燃料を供給するポンプである。バーナ空気供給ポンプ１４０は、バーナ１０に空気を供給するポンプである。選択酸化用空気供給ポンプ１５０は、選択酸化反応部８へ選択酸化用空気を供給するポンプである。各ポンプは、制御部２００と電気的に接続されており、制御部２００から入力された制御信号に基づいて駆動する。なお、各ポンプの配置は、図１及び図２に示す位置に限定されない。
【００３５】
バイパスバルブ（改質ガス供給先設定手段）１７０は、バイパスラインＬ１の流路を開閉する機能を有している。また、スタック側バルブ（改質ガス供給先設定手段）１８０は、スタックラインＬ２の流路を開閉する機能を有している。バイパスバルブ１７０及びスタック側バルブ１８０は制御部２００と電気的に接続されており、制御部２００から入力された制御信号に基づいて開閉を行う。バイパスバルブ１７０が閉となり、スタック側バルブ１８０が開となっているときは、水素製造装置１からの改質ガスは、スタックラインＬ２のみを流通し、セルスタック２０のみへ供給される。一方、バイパスバルブ１７０が開となり、スタック側バルブ１８０が閉となっているときは、水素製造装置１からの改質ガスは、バイパスラインＬ１のみを流通し、バーナ１０のみへ供給される。ただし、各バルブの開閉度を調節することでバーナ１０とセルスタック２０の両方に改質ガスを供給することも可能である。
【００３６】
エラー検出センサ（エラー検出手段）ＣＥは、燃料電池システム１００内のエラーを検出することができ、燃料電池システム１００内の任意の場所に設置された種々のセンサによって構成されている。エラー検出センサは、制御部２００と電気的に接続されており、検出結果を制御部２００へ出力する機能を有している。燃料電池システム１００内のエラーとしては、例えば、燃料電池スタック２０での発電状態が不安定となること、燃料電池スタック２０での電圧が下がりすぎること、瞬間的な制御センサの異常値を検出すること、瞬間的な通信異常を検出することなどが挙げられる。エラー検出センサＣＥは、水素製造装置１に関するエラーも検出することができる。水素製造装置１に関するエラーとは、例えば、触媒温度が適正範囲外になることや、圧力が適正範囲外になるなどが挙げられる。
【００３７】
凝縮水回収装置４０は、バイパスラインＬ１を流通する改質ガスに含まれる水分を回収して系外に排出する機能を有している。この凝縮水回収装置４０で水分を回収することによって、プロセス水が改質部６へ供給された後に、バーナ１０に水分が入ってしまうことを防止できる。具体的には、凝縮水回収装置４０は、熱交換器４０Ａと、ドレイン回収器４０Ｂを備えている。熱交換器４０Ａは、改質ガスと所定の流体とを熱交換することによって当該改質ガスを冷却して水蒸気を水（液体）とする。なお、熱交換用の所定の流体は、例えば温水回収用の水である。ドレイン回収器４０Ｂは、凝縮した水を回収すると共に、システム内の水タンクなどへ排出され、再度原料水として利用される。なお、改質ガスが冷却されて、水分をドレイン回収器４０Ｂで除去できればよく、熱交換器４０Ａが設けられていなくともよい。
【００３８】
制御部（運転制御手段、エラー検出手段、改質ガス供給先設定手段、原燃料供給量制御手段、Ｓ／Ｃ制御手段）２００は、燃料電池システム１００及び水素製造装置１全体の制御を行う機能を有しており、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、および入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）によって構成されている。制御部２００は、燃料電池システム１００内のすべての機器の運転を制御することができ、水素製造装置１における各機器、セルスタック２０、あるいは図示されない機器に電気的に接続され、運転及び停止の制御を行うことができる。制御部２００は、原燃料供給ポンプ１１０、水供給ポンプ１２０、バーナ燃料供給ポンプ１３０、バーナ空気供給ポンプ１４０、及び選択酸化用空気供給ポンプ１５０の各ポンプにおける供給量を設定すると共に当該供給量が得られるように各ポンプに制御信号を出力する機能を有している。また、制御部２００は、バイパスバルブ１７０及びスタック側バルブ１８０へ制御信号を出力することによって、改質ガスの供給先をバーナ１０、あるいはセルスタック２０に設定することができる。制御部２００は、水素製造装置１に関するエラー以外のエラーが発生したときにおいては改質ガスの供給先をバーナ１０のみに設定することができ、エラーが発生していない通常運転時においては改質ガスの供給先をセルスタック２０に設定することができる。また、制御部２００は、エラー検出センサＣＥからの検出結果に基づいてシステム内のエラーの発生を検出することができる。更に、制御部２００は、検出したエラーの内容を特定すると共に、当該エラーが水素製造装置１に関するエラーであるか否かの判定を行うことができる。また、制御部２００は、エラー検出手段からの信号を繰り返し取得することによって、一度エラーを検出した後も繰り返し検出を行い続けることによって、エラーの解消を監視することができる。制御部２００は、特定のエラーを検出した後に、当該エラーの検出回数をカウントすることができる。
【００３９】
また、制御部２００は、改質部６へ供給される原燃料の供給量を、水素製造装置１が自立運転を長時間行えるようにするために適切な供給量に制御することができる。また、制御部２００は、水素製造装置１が自立運転を長時間行えるようにするために適切なＳ／Ｃに制御することができると共に、自立運転状態からセルスタック２０での発電を行うために適切な値にＳ／Ｃを変更することもできる。ここで、Ｓ／Ｃとは、改質部６に供給される原燃料中のカーボンに対する、改質部６に供給される水蒸気のモル比率である。また、制御部２００は、バーナ１０に対するバーナ空気比を適切な値に制御することができる。バーナ空気比は、バーナ１０に供給される燃料を全て完全に燃焼できる空気量（理論空気量）に対するバーナ１０に供給される空気量の比率である。水素製造装置１の自立運転状態においては、バーナ１０には燃料として改質ガスが供給されるため、バーナ空気比は、水素製造装置１による改質ガス中の可燃性ガスを完全に燃焼できる空気量に対するバーナ空気供給ポンプ１４０による空気量の比率で定義される。一方、バーナ１０がバーナ燃料によって運転されているときは、バーナ空気比は、バーナ燃料供給ポンプ１３０により供給されるバーナ燃料を全て完全燃焼できる空気量に対するバーナ空気供給ポンプ１４０による空気量の比率で定義される。
【００４０】
次に、図３、図４、図５及び図６を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１００による制御処理について説明する。図３は、燃料電池システム１００による水素製造装置１の起動時における制御処理の内容を示すフローチャートである。図４は、原燃料供給量と水素製造効率との関係を示すグラフである。図５は、水供給量及び原燃料供給量の変化を示すタイムチャートの一例である。図６は、水供給量及び原燃料供給量の変化を示すタイムチャートの他の例である。図３に示す制御処理は、制御部２００内において所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００４１】
図３に示す制御処理は、燃料電池システム１００の運転中にシステム内の所定のエラーを検出した場合における制御である。この制御処理では、検出されたエラーが水素製造装置１に関するエラー以外のものであった場合に、水素製造装置１を自立運転状態とすることによって、再度システムの運転を開始するときに、早期に発電を行うことを可能とすると共に、エネルギー効率の低下を抑制することができる。この処理は、エラー検出センサＣＥが何らかのエラーを検出したタイミングで実行される。図３に示すように、制御部２００は、エラー検出センサＣＥの検出結果に基づいて燃料電池システム１００内で発生したエラーの検出を行う（ステップＳ１０：エラー検出ステップ）。次に、制御部２００は、Ｓ１０で検出されたエラーが、水素製造装置１に関するエラーではないか否かの判定を行う（ステップＳ２０）。Ｓ２０において、エラーが水素製造装置１に関するエラーであると判定された場合は、制御部２００は水素製造装置１及びその他のシステム内の機器の運転を停止し（ステップＳ１６０）、エラー解消のための制御処理を実行する。Ｓ１６０が実行されると図３に示す制御処理は終了し、次にエラーが検出された場合に再びＳ１０から処理が開始される。
【００４２】
一方、Ｓ２０において、検出されたエラーが水素製造装置に関するエラーではないと判定された場合、制御部２００は、バイパスバルブ１７０を開とすると共にスタック側バルブ１８０を閉とすることによって、改質ガスの供給先をバーナ１０のみに設定する（ステップＳ３０：改質ガス供給先設定ステップ）。これによって、水素製造装置１で生成された改質ガスは、全量がバイパスラインＬ１を流通し、バーナ１０へ供給される。すなわち、水素製造装置１は自立運転状態に移行する。次に、制御部２００は、少なくとも水素製造装置１の運転は続行すると共に、エラーに関わる機器の運転は停止する（ステップＳ４０：運転制御ステップ）。次に、制御部２００は、バーナ空気供給ポンプ１４０を制御し、バーナ１０に対するバーナ空気の供給量を変更する（ステップＳ５０）。このとき、制御部２００は、バーナ空気比を自立運転を行うのに最適な値となるように制御を行なう。具体的には、制御部２００は、バーナ空気比が１．１以上、２．５以下となるように制御を行う。
【００４３】
次に、制御部２００は、水供給ポンプ１２０を制御することで改質部６に対する水供給量を変更する。（ステップＳ６０：Ｓ／Ｃ制御ステップ）。更に、制御部２００は、原燃料供給ポンプ１１０を制御することで改質部６に対する原燃料供給量を変更する（ステップＳ７０：原燃料供給量制御ステップ、Ｓ／Ｃ制御ステップ）。このとき、制御部２００は、自立運転状態を維持するために適切な供給量となるように、最適な原燃料の供給量を設定すると共に最適なＳ／Ｃを設定し、当該設定値となるように原燃料供給ポンプ１１０及び水供給ポンプ１２０を制御する。ここで、制御部２００は、自立運転状態を維持するために最適な原燃料供給量として、水素製造効率が最大となる供給量に対して１／４以下となる原燃料供給量を設定することができる。図４に示すように、水素製造装置１の水素製造効率（改質プロセス効率）は、原燃料供給量を増加させると共に上昇し、原燃料供給量が所定の量となった時点で最大値となり、それ以上原燃料供給量を増加させると下がってゆく。水素製造効率が最大となる原燃料供給量は、図４においてＰ１で示されており、以下の説明ではこのときの原燃料供給量を最大効率供給量Ｐ１と称する。Ｓ７０において、制御部２００は、原燃料供給量として、最大効率供給量Ｐ１に対して１／４以下となるような値を設定する（図４においてＦＶで示す範囲内の原燃料供給量）。なお、原燃料供給量が少なすぎると熱量不足により改質触媒温度が所定温度よりも低くなりすぎるため、原燃料の供給量の下限として最大効率供給量Ｐ１に対して１／２０以上とすることが好ましい。また、制御部２００は、Ｓ／Ｃとして６．０以上の値を設定するともに、当該値が得られるように原燃料供給ポンプ１１０を制御する。なお、設定したＳ／Ｃとなるように必要に応じて水供給ポンプ１２０も制御してもよい。なお、なお、水供給量が多すぎると水素製造装置１内の蒸発部９で水の完全蒸発ができなくなるために、Ｓ／Ｃの上限として２０以下とすることが好ましい。これによって、水素製造装置１は熱的に自立することが可能となり、エラーが解消するまで自立運転状態を長時間維持することができる。このとき改質触媒温度があらかじめ決められた温度になるように原燃料供給量を調整する制御方法をとることもできる。また、自立運転状態において選択酸化用空気の供給量を変更してもよい。
【００４４】
水素製造装置１が自立運転状態となった後、制御部２００は、エラー検出センサＣＥからの検出結果に基づいて、Ｓ１０で検出されたものと同じ内容についてのエラーの検出を再び行う（ステップＳ８０）次に、制御部２００は、Ｓ８０による検出結果に基づいて、所定条件を満たしているか否かを判定し（ステップＳ９０）、これによって、エラーが解消して燃料電池システム１００を再び起動できる状態になっているかどうかの判断を行う。ここで、所定条件として、燃料電池システム１００での現状におけるすべてのエラーが発生していないこととや、エラー発生後の時間が所定時間以上となっていることや、エラーが発生していない継続時間が所定時間以上となっていることなどを判定することができる。
【００４５】
Ｓ９０において条件を満たしていないと判定された場合、燃料電池システム１００の再起動ができない状態であるため、引き続き水素製造装置１の自立運転状態を続行する。このとき、制御部２００は、エラー検出の回数のカウンタを一つ増加させると共に、当該エラー検出のカウント数が所定の閾値以上となっているか否かの判定を行う（ステップＳ１５０）。Ｓ１５０においてエラー検出のカウント数が閾値以上となっていると判定された場合、制御部２００は水素製造装置１及びその他のシステム内の機器の運転を停止する（ステップＳ１６０）。水素製造装置１は、エラーが解消されるまで運転を中止して待機する状態となる。Ｓ１６０が実行されると図３に示す制御処理は終了し、次にエラーが検出された場合に再びＳ１０から処理が開始される。一方、Ｓ１５０においてエラー検出のカウント数が閾値より小さいと判定されると、再びＳ８０へ移行し繰り返しエラー検出を行う。
【００４６】
Ｓ９０において条件を満たしていると判定された場合、制御部２００は、自立運転状態から発電準備状態へ移行する。発電準備状態とは、セルスタック２０へ改質ガスを供給することで発電を行うことが可能な状態である発電開始状態へ移行するための準備段階である。なお、発電準備状態でも改質ガスの全量はバーナ１０へ供給されているため、実質的には自立運転状態が継続されている状態である。具体的に、制御部２００は、発電を効率よく行うために最適な原燃料供給量及び最適なＳ／Ｃとなるように、水供給ポンプ１２０による水供給量を変更する（ステップＳ１００）と共に、原燃料供給ポンプ１１０による原燃料供給量を変更する（ステップＳ１１０）。なお、このタイミングでバーナ空気比を通常運転時の値に変更してもよい。また、選択酸化用空気の供給量を変更してもよい。このとき、制御部２００は、水供給量と原燃料供給量を増加させるが、水供給量に比して原燃料供給量を大きく増加させることでＳ／Ｃを低くする。また、制御部２００は、原燃料供給量を増加させるとき、図５に示すようにスロープ状に増加させてもよく、図６に示すようにステップ状に段階的に増加させてもよい。制御部２００は、最終的な原燃料供給量及びＳ／Ｃの目標値を設定する前段階において、複数段階の目標値を設定しておき、徐々に原燃料供給量を増加させると共に徐々にＳ／Ｃを低下させている。最終的なＳ／Ｃ、すなわちセルスタック２０で発電を開始することができる発電開始状態におけるＳ／Ｃは、４．５以下に設定することが好ましい。これによって、セルスタック２０で発電を行う際の確実性が向上する。また、最終的な原燃料供給量は、特に限定されないが、例えばセルスタック２０の最小発電量相当の水素発生量を確保できる程度の原燃料供給量とすることができる。
【００４７】
Ｓ１００、Ｓ１１０において、原燃料供給量及びＳ／Ｃが目標値となると、原燃料供給ポンプ１１０による原燃料供給量と、水供給ポンプ１２０による水供給量とを一定とすることによって、セルスタック２０で発電を行うための発電開始状態へ移行する。発電開始状態へ移行すると、制御部２００は、停止中の機器の運転を再開する（ステップＳ１２０）。また、制御部２００は、スタック側バルブ１８０を開とする（ステップＳ１３０）と共に、バイパスバルブ１７０を閉とすることによって（ステップＳ１４０）、改質ガスの供給先をセルスタック２０に設定する。これによって、燃料電池システム１００全体の運転が再開され、セルスタック２０にて発電が行われる。なお、Ｓ１４０の処理が終了すると、図３に示す処理が終了し、次にエラーが検出された場合に再びＳ１０から処理が開始される。
【００４８】
図５及び図６を参照して、図３のＳ６０及びＳ７０の処理が終了した後からＳ１３０及びＳ１４０の処理によって発電が再開されるまでの間における水供給量及び原燃料供給量の変化の様子を説明する。まず、自立運転状態においては、Ｓ６０及びＳ７０において水供給量及び原燃料供給量の変更が完了した後、水供給量が一定に維持され、原燃料供給量が最大効率供給量に対する１／４以下の供給量とされた状態で一定に維持される。これによって、Ｓ／Ｃも６．０以上に維持されており、安定して自立運転状態を維持することができる。この状態でＳ８０、Ｓ９０、Ｓ１５０の処理が繰り返される。次に、時間ｔ１のタイミングでＳ１００、Ｓ１１０の水供給量及び原燃料供給量の変更処理が行われる。すなわち、時間ｔ１のタイミングで自立運転状態から発電準備状態へ移行する。時間ｔ１以降の発電準備状態では、水供給量及び原燃料供給量は、図５に示すように複数段階の傾斜をなすようにスロープ状に増加する。これによって、原燃料供給量を急激に増加させることなくスロープ状に徐々に増加させることができるため、水素製造装置１での改質を安定して行えると共に、水素発生が安定した状態の改質ガスをセルスタック２０へ供給することができる。原燃料供給量の増加率は水供給量に比して大きい。あるいは、図６に示すように水供給量は時間ｔ１のタイミングで目標供給量まで一度に増加し、原燃料供給量は複数段の階段状をなすようにステップ状に増加する。これによって、原燃料供給量を急激に増加させることなくステップ状に段階的に増加させることができるため、水素製造装置１での改質を安定して行えると共に、水素発生が安定した状態の改質ガスをセルスタック２０へ供給することができる。時間ｔ２において、原燃料供給量が目標供給量となると共に、Ｓ／Ｃが目標とする値になり、それ以降は水供給量及び原燃料供給量は一定に維持される。時間ｔ２のタイミングで発電準備状態から発電開始状態へ移行する。なお発電開始状態へ移行した後、速やかにＳ１３０、Ｓ１４０の改質ガス供給先をセルスタックへ変更する処理を行ってもよく、発電開始状態となって一定時間経過後にＳ１３０、Ｓ１４０を実行してもよい。なお、図５のスロープ状の増加が何段階で行われるかや図６のステップ状の増加が何段階で行われるかは特に限定されない。
【００４９】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１００の作用・効果について説明する。
【００５０】
本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、制御部２００が、改質ガスの供給先をバーナ１０、あるいはセルスタック２０に設定することができるため、水素製造装置１で発生した改質ガスの全てをバイパスラインＬ１を用いてバーナ１０へ戻すことによって、水素製造装置１の自立運転を行うことが可能である。ここで、水素製造装置１に関するエラー以外のエラーが検出された場合とは、システム内における水素製造装置１以外の部分でエラーが起こっている状態なので、水素製造装置１自体は自立運転を続行してもエラー解消のための処理に影響を及ぼすことはない。そこで、本実施形態においては、水素製造装置１に関するエラー以外のエラーが検出された場合、制御部２００が、改質ガスの供給先をバーナ１０のみに設定すると共に、少なくとも水素製造装置１の運転を続行することによって、水素製造装置１を自立運転状態とすることができる。これによって、システム内においてエラーが起こっている部分に対しては当該エラーを解消するための処理を行いつつも、当該エラーに関与しない水素製造装置１については運転を停止することなく自立運転状態として待機させ、システム再起動の際に起動のためのエネルギーや時間を要することなく速やかにセルスタック２０へ改質ガスを供給することが可能となる。以上によって、システム内にエラーが発生した場合であっても、早期に発電を再開することを可能とすると共に、ＣＯ２排出量の増加及びエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【００５１】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１００において、制御部２００は、改質ガスの供給先がバーナ１０のみに設定されている場合、原燃料供給量が最大効率供給量Ｐ１に対して１／４以下となるように制御し、Ｓ／Ｃが６．０以上となるように制御することができる。これによって、改質ガスの供給先をバーナ１０のみに設定することで水素製造装置１を自立運転状態とする一方で、制御部２００は、原燃料供給量が最大効率供給量Ｐ１に対して１／４以下となるように制御することで、原燃料の供給量を自立運転に最適な量とすることができる。更に、制御部２００は、Ｓ／Ｃが６．０以上となるように制御することで、Ｓ／Ｃを自立運転に最適な値とすることができる。このように、原燃料供給量及びＳ／Ｃを最適化することによって水素製造装置１を熱的に自立させることが可能となる。これによって、水素製造装置１の自立運転に伴う問題（例えばバーナの故障や、容器の変形など）を起こすことなく、改質ガスの全量をバーナ１０に供給する状態を長時間維持することが可能となる。このように、水素製造装置１を長時間自立運転状態とすることができるため、エラーの解消に時間を要する場合であっても、水素製造装置１の運転を停止させることなく自立運転状態としながら待機させることができる。
【００５２】
ここで、図７を用いて、原燃料供給量及びＳ／Ｃが自立運転を行うための最適条件を満たす場合と、満たさない場合の比較を行う。ただし、本発明では最適条件を満たさない条件で制御を行うことも可能であり、ここで説明する最適条件を行うことで、自立運転状態を一層長時間の間維持できることを説明するものである。図７の下段には、改質部６へ供給される原燃料供給量及び水供給量の変化を示すタイムチャートが示されている。なお、グラフ中のＳＬ１は、最大効率供給量Ｐ１に対する１／４の供給量を示す基準線である。図７の上段には、水素製造装置１の各部位における温度の変化を示すタイムチャートが示されている。具体的には、バーナ１０の火炎温度、改質部６の出口温度、低温シフト反応部１３の触媒温度、選択酸化反応部８の触媒温度が示されている。グラフ中のＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５は、改質部６の出口温度、低温シフト反応部１３の触媒温度、選択酸化反応部８の触媒温度のそれぞれの基準温度を示している。基準温度より低い温度を継続的に維持することができれば、水素製造装置１の安定した自立運転が可能となる。図７に示すように、時間ｔ１０〜ｔ１１の間では、原燃料供給量は最大効率供給量Ｐ１の１／４以下の供給量となっており、水供給量もＳ／Ｃ＞６．０を満たす供給量で維持されている。このように本実施形態に係る条件を満たしている状態では、バーナ１０の火炎温度、改質部６の出口温度、低温シフト反応部１３の触媒温度、選択酸化反応部８の触媒温度は、何れも基準温度ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５よりも低い状態が維持されている。従って、原燃料供給量を最大効率供給量Ｐ１の１／４以下とすると共に、Ｓ／Ｃを６．０以上とすることによって、水素製造装置１の各部分の温度が適切な温度にバランスよく保たれ、安定した自立運転が可能となることが理解される。
【００５３】
一方、時間ｔ１１〜ｔ１２において水供給量を減らすことによって、Ｓ／Ｃが６．０よりも低い値になるように水供給ポンプ１２０を制御した。このとき、バーナ１０の火炎温度、改質部６の出口温度、低温シフト反応部１３の触媒温度、選択酸化反応部８の触媒温度は、何れも温度が上昇してしまい基準温度ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５より高い温度となった。このような場合、水素製造装置１の各部分の温度が高くなりすぎてしまい、自立運転を維持することのできる時間が短くなる。従って、Ｓ／Ｃを６．０以上とすることで、一層自立運転状態を長時間行えることが理解される。更に、時間ｔ１３〜ｔ１４において原燃料供給量を増やすことによって、当該原燃料供給量が最大効率供給量Ｐ１の１／４より多くなるように原燃料供給ポンプ１１０を制御した。このとき、バーナ１０の火炎温度、改質部６の出口温度、低温シフト反応部１３の触媒温度、選択酸化反応部８の触媒温度は、何れも温度が上昇してしまい基準温度ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４，ＳＬ５より高い温度となった。このような場合、水素製造装置１の各部分の温度が高くなりすぎてしまい、自立運転を維持することのできる時間が短くなる。従って、原燃料供給量を最大効率供給量Ｐ１の１／４以下とすることで、一層自立運転状態を長時間行えることが理解される。
【００５４】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１００において、制御部２００は、少なくともＳ１０で検出されていたエラーが解消した後、改質ガスの供給先をセルスタック２０に設定することができる。このように、検出されていたエラーが解消した後でセルスタック２０に改質ガスを供給することで、エラー解消後に速やかに発電を行うことができる。
【００５５】
また、本発明に係る燃料電池システム１００において、制御部２００は、改質ガスの供給先がバーナ１０のみに設定された後、Ｓ１０で検出されたエラーを繰り返し検出し、当該エラー検出の回数が閾値以上となった場合、水素製造装置１の運転を停止することができる。すなわち、システム内のエラーの解消に所定以上の時間を要する場合は、自立運転状態にある水素製造装置１の運転を停止することができる。これによって、例えば、自立運転を続けるよりも水素製造装置１を停止しておいた方がエネルギーのロスが少なくなるような状況においては、水素製造装置１を停止しておくことができる。
【００５６】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１００の制御方法によれば、ステップＳ３０（改質ガス供給先設定ステップ）において、改質ガスの供給先をバーナ１０とセルスタック２０のうち、バーナ１０のみに設定することができるため、水素製造装置１で発生した改質ガスの全てをバイパスラインＬ１を用いてバーナ１０へ戻すことによって、水素製造装置１の自立運転を行うことが可能である。ここで、ステップＳ１０（エラー検出ステップ）において水素製造装置１に関するエラー以外のエラーが検出される場合とは、システム内における水素製造装置１以外の部分でエラーが起こっている状態なので、水素製造装置１自体は自立運転を続行してもエラー解消のための処理に影響を及ぼすことはない。そこで、本実施形態においては、Ｓ１０において水素製造装置１に関するエラー以外のエラーが検出された場合、ステップＳ３０において改質ガスの供給先がバーナ１０のみに設定されると共に、ステップＳ４０（運転制御ステップ）において少なくとも水素製造装置１の運転が続行されることによって、水素製造装置１を自立運転状態とすることができる。これによって、システム内においてエラーが起こっている部分に対しては当該エラーを解消するための処理を行いつつも、当該エラーに関与しない水素製造装置１については運転を停止することなく自立運転状態として待機させ、システム再起動の際に起動のためのエネルギーや時間を要することなく速やかにセルスタック２０へ改質ガスを供給することが可能となる。以上によって、システム内にエラーが発生した場合であっても、早期に発電を再開することを可能とすると共に、ＣＯ２排出量の増加及びエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る燃料電池システム及び制御方法は、各実施形態に係る上記燃料電池システム及び制御方法に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００５８】
例えば、上記実施形態で示された水素製造装置の構成は、一例であり、各構成要素の構成は特に限定されず、各流路や配管や構成要素の位置関係や構成を適宜変更してもよい。例えば、改質部６は、原燃料及び水蒸気を改質するものであればよく、構造が異なるものを採用してもよい。また、脱硫部２がなくともよい。更に、上記実施形態は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものとして高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３を備えているが、低温シフト反応部１３のみ備えていてもよい。
【００５９】
また、図３において例示した制御処理も一例であり、水素製造装置１に関するエラー以外のエラーが検出されたときに水素製造装置１を自立運転状態とする処理を行うことを除く部分は適宜変更することが可能である。例えば、本実施形態ではＳ６０やＳ７０の処理における最適条件を満たすことで水素製造装置１の自立運転状態を一層長時間行うことができるという点でより効果的であるが、当該最適条件を満たさない条件で制御を行うことも（例えば、Ｓ１５０での閾値を小さくして自立運転状態を短くすることで）可能である。最適条件を満たさない制御を行う場合、図３に示すＳ５０、Ｓ６０、Ｓ７０、Ｓ１００、Ｓ１１０の処理を省略してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１…水素製造装置、６…改質部、１０…バーナ、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、１００…燃料電池システム、１１０…原燃料供給ポンプ（原燃料供給量制御手段、Ｓ／Ｃ制御手段）、１２０…水供給ポンプ（Ｓ／Ｃ制御手段）、１７０…バイパスバルブ（改質ガス供給先設定手段）、１８０…スタック側バルブ（改質ガス供給先設定手段）、２００…制御部（エラー検出手段、運転制御手段、改質ガス供給先設定手段、原燃料供給量制御手段、Ｓ／Ｃ制御手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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