(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
原燃料を改質して水素を生成してその水素を前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、
前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料処理装置および前記空気供給装置の複数の制御量を通常運転範囲内に制御して前記燃料電池本体に発電させる通常運転と、前記制御量の少なくとも１つを前記通常運転範囲外であって発電可能範囲内となるように制御して前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とを運転させる試験運転とを行い、運転点がずれて発電不可となった場合に異常と判定する制御装置と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃料処理装置は原燃料から水蒸気改質反応によって水素を生成する改質器と前記改質器から排出されるガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素に変成させる一酸化炭素変成器と空気を導入されて前記一酸化炭素変成器から排出されるガス中の一酸化炭素を酸化させる一酸化炭素除去器とを備え、
前記制御量は前記一酸化炭素除去器に供給される空気流量と前記改質器に導入される改質水導入量と前記一酸化炭素変成器の温度と前記改質器の温度と前記改質器に導入される原燃料流量と前記燃料電池本体に供給されるカソード空気流量と前記燃料電池本体の出力上昇速度とを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記試験運転は前記空気流量を前記通常運転範囲の最大値より所定の量多くする試験および前記空気流量を前記通常運転範囲の最小値より所定の量少なくする試験を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記試験運転は前記改質水導入量を前記通常運転範囲の最大値より所定の量多くする試験および前記空気流量を前記通常運転範囲の最小値より所定の量少なくする試験を含むことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記試験運転は前記一酸化炭素変成器の温度を前記通常運転範囲の最小値より所定の値低くする試験を含むことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記試験運転は前記改質器の温度を前記通常運転範囲の最小値より所定の値低くする試験を含むことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記試験運転は前記原燃料流量を前記通常運転範囲の最小値より所定の量少なくする試験を含むことを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記試験運転は前記カソード空気流量を前記通常運転範囲の最小値より所定の量少なくする試験を含むことを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記試験運転は前記出力上昇速度を前記通常運転範囲の最大値の所定の係数倍とする試験を含むことを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記改質器はバーナを備え、前記バーナに空気を供給する空気供給手段と前記バーナに燃料を供給する燃料供給手段とをさらに有し、前記制御量はバーナ空気流量およびバーナ燃料流量を含み、前記試験運転は前記バーナ空気流量および前記バーナ燃料流量の少なくとも一方を前記通常運転範囲外であって前記発電可能範囲内となるように制御する試験を含むことを特徴とする請求項２ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記制御装置は前記試験運転時に前記燃料電池本体、前記燃料処理装置および前記空気供給装置のいずれかに異常が発生したか否かを判定する機能をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記制御装置は前記燃料電池本体の発電電圧の異常および前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とのいずれかの部分の温度の異常のいずれかに基づいて前記燃料電池本体、前記燃料処理装置および前記空気供給装置のいずれかに異常が発生したか否かを判定することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記制御装置は前記一酸化炭素変成器および一酸化炭素除去器のいずれかの出口での一酸化炭素濃度の異常に基づいて前記燃料電池本体、前記燃料処理装置および前記空気供給装置のいずれかに異常が発生したか否かを判定することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記制御装置は前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とのプロセス量を伝達されて前記試験運転の際の異常・正常の判定を行う機能をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
燃料電池本体と、原燃料を改質して水素を生成してその水素を前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置とを備えた燃料電池発電システムの運転方法において、
前記燃料処理装置および前記空気供給装置の複数の制御量を通常運転範囲内に制御して前記燃料電池本体に発電させる通常運転工程と、
前記制御量の少なくとも１つを前記通常運転範囲外であって発電可能範囲内となるように制御して前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とを運転させる試験工程と、を有し、
前記試験工程は、運転点がずれて発電不可となった場合に異常と判定する工程を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている（たとえば特許文献１参照）。この燃料電池は、燃料である水素と、酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものである。燃料電池は、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができるとともに、静かで、有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有する。近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形）が主に開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（個体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。
【０００３】
燃料電池発電システムは、複数のプロセス量を持つ。燃料電池発電システムの発電可能な領域は、これらのプロセス量を変数とする空間に存在する。何らかの異常により、運転条件が変化し、発電不可の領域に入ると、燃料電池発電システムは発電を維持できなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９３９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池発電システムの通常運転点は、複数のプロセス量を変数とする空間の発電可能な領域内のたとえば中央付近に設定される。何らかの異常により、運転条件が通常運転点から大きくずれて、発電可能な領域の外になると、発電継続が不可能となる。そこで、温度変動・経時変動で、この運転点が変動することを想定し、通常運転点を含むロバスト確保エリアが運転可能な領域内に確保される。これにより、燃料電池発電システムでは、運転条件が多少変動しても、発電が継続できるようになっている。このように製品の燃料電池発電システムは、環境や経時変化に対してロバストな特性を持つため、出荷試験などにおいて小さい異常が発生していても、通常の性能計測では検出できない場合がある。
【０００６】
出荷検査などで発電する場合、一般的に、通常運転点であると想定される運転条件で発電を行う。この場合、軽微な異常が発生し運転条件が通常運転点とは異なる条件となっても、発電可能範囲内でれば運転が可能である。したがって、この状態でも試験では合格となる。しかし、その後に、設置場所での環境変化などにより、たとえば運転点が発電可能な領域の中央付近から発電可能な領域の境界付近へ移行する環境変化が発生すると、軽微な異常が発生した場合に発電可能な領域外に運転点がずれて発電不可となり、故障となる。
【０００７】
都市ガスまたはＬＰガスを改質して発電する改質型燃料電池発電システムでは、水素製造用の触媒温度を高い温度に昇温する必要がある。また、特性を安定させるためには時間をかけて整定させる必要があることから、出荷試験などにおいて性能計測するには、一般的に、数時間レベルの長い時間を要する。
【０００８】
このような出荷試験では、長時間を要し、また、異常の検出精度が低く、軽微な異常を見逃す可能性がある。
【０００９】
そこで、本発明は、出荷試験に要する時間を短くするとともに、精度よく健全性を確認できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体と、原燃料を改質して水素を生成してその水素を前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料処理装置および前記空気供給装置の複数の制御量を通常運転範囲内に制御して前記燃料電池本体に発電させる通常運転と、前記制御量の少なくとも１つを前記通常運転範囲外であって発電可能範囲内となるように制御して前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とを運転させる試験運転とを行い、運転点がずれて発電不可となった場合に異常と判定する制御装置と、を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の実施形態は、燃料電池本体と、原燃料を改質して水素を生成してその水素を前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置とを備えた燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料処理装置および前記空気供給装置の複数の制御量を通常運転範囲内に制御して前記燃料電池本体に発電させる通常運転工程と、前記制御量の少なくとも１つを前記通常運転範囲外であって発電可能範囲内となるように制御して前記燃料電池本体と前記燃料処理装置と前記空気供給装置とを運転させる試験工程と、を有し、前記試験工程は、運転点がずれて発電不可となった場合に異常と判定する工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、出荷試験に要する時間を短くするとともに、精度よく健全性を確認できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態におけるブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態における通常運転および試験運転の運転条件を示す模式図である。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態の燃料電池発電システムの動作のフローチャートである。
【図４】燃料電池発電システムの試験運転時のタイミングチャートであって、（ａ）は本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態の場合、（ｂ）は比較例を示す。
【図５】一酸化炭素除去空気流量と一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度の関係を示したグラフの例である。
【図６】改質水流量と一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度の関係を示したグラフの例である。
【図７】改質水流量とプロセス不安定度の関係を示したグラフの例である。
【図８】一酸化炭素変成器温度と一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度の関係を示したグラフの例である。
【図９】改質器温度と水素利用率の関係を示したグラフの例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。
【００１５】
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施の形態におけるブロック図である。
【００１６】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、燃料処理装置と燃料電池本体５と補機と制御装置９とを有している。燃料処理装置は、改質器２、一酸化炭素変成器３、一酸化炭素除去器４を備えている。改質器２は、原燃料から水蒸気改質反応によって水素を生成する。一酸化炭素変成器３は、改質器２から排出される水素リッチなガス中に含まれる一酸化炭素を水蒸気とシフト反応を生じさせて二酸化炭素に変成させる。一酸化炭素除去器４は、微量の空気を導入されて、一酸化炭素変成器３から排出されるガス中に残存する一酸化炭素を酸化させる。燃料電池本体５は、燃料処理装置で生成された水素を消費して発電する。
【００１７】
補機としては、燃料ブロア１、改質水ポンプ７、一酸化炭素除去空気ブロア６、カソードブロア８などがある。燃料ブロア１は、燃料処理装置に燃料を供給する。改質水ポンプ７は、改質器２に改質蒸気用の水を供給する。一酸化炭素除去空気ブロア６は、一酸化炭素除去器４に一酸化炭素除去空気を供給する。カソードブロア８は、燃料電池５のカソードに空気を供給する空気供給器として機能している。制御装置９は、燃料処理装置、補機などの機器を制御して、通常運転および試験運転を行う。また、制御装置９は、燃料電池本体５、燃料処理装置、補機などの機器からプロセス量を伝達されて、通常運転時および試験運転時の燃料電池システムの異常・正常を判定する機能をさらに有している。
【００１８】
図２は、本実施の形態における通常運転および試験運転の運転条件を示す模式図である。図２において横軸および縦軸はそれぞれ燃料電池発電システムのプロセス量Ｘ１，Ｘ２を示している。実際の燃料電池発電システムではプロセス量は２よりも多いが、図２においては２つのプロセス量だけについて模式的に示している。
【００１９】
燃料電池発電システムは複数の機器で構成されており、運転中には各機器の温度や流れる流体の流量などのプロセス量が変化する。これらのプロセス量は、直接にあるいは間接的に制御可能な量があり、制御可能なプロセス量の全部または一部を制御量として制御装置９により制御して適切な運転が行われる。制御量には、一酸化炭素除去器４に供給される空気流量、改質器２に導入される改質水導入量、一酸化炭素変成器３の温度、改質器２の温度、改質器２に導入される原燃料流量、燃料電池本体５に供給されるカソード空気流量、燃料電池本体５の出力上昇速度が含まれる。
【００２０】
燃料電池発電システムで発電を行うためには、制御量は所定の発電可能範囲２４内に収まっている必要がある。また、ロバスト性確保のために、発電可能範囲２４よりも狭い運転可能範囲２１内で運転する必要がある。しかし、単に運転可能範囲２１内で運転するよう運転条件を定めたとしても、環境の温度変化や、燃料電池発電システムの構成機器の経時変化などにより実際の運転点が変動することが想定される。
【００２１】
そこで、通常運転点は、運転可能範囲２１よりもさらに狭い通常運転範囲２２内に設定する。つまり、制御装置９は、通常運転時には燃料処理装置や補機などの機器の制御量を通常運転範囲２２内に制御して燃料電池本体５に発電させる。
【００２２】
たとえば、通常運転時には、制御量が通常運転範囲２２内の正常運転点Ａとなるように設定して運転を行う。環境の温度変化や、機器の経時変化によってたとえばプロセス量の測定系に不具合が生じ、制御量の実際の運転点が通常運転範囲２２外のＣとなる場合がある。このような場合であっても、通常運転範囲２２を運転可能範囲２１に対して余裕を持って設定していれば、実際の運転点Ｃを運転可能範囲２１内に収めることができる。
【００２３】
一方、この燃料電池発電システムの出荷前検査などの検査において制御量を正常運転点Ａに設定して試験を行うと、そのとき既にたとえばプロセス量の測定系に不具合が生じていて、実際の試験点が運転可能範囲２１内の点Ｃであったとしても、正常に運転が可能である。このため、この場合には、燃料電池発電システムの不具合を検出できない可能性が高い。
【００２４】
そこで、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、制御量の目標値を通常運転範囲２１外であって発電可能範囲２４内の厳しい試験条件に設定して試験運転を行う。試験運転において運転条件を発電可能範囲２４の境界に近い試験運転範囲２９内の運転点Ｂに設定して行うことにより、実際の試験点が運転可能範囲２１外の点Ｄであった場合には発電をできない。その結果、燃料電池発電システムの不具合を容易に検出することができる。試験運転において厳しい試験条件に設定する制御量は、たとえば一酸化炭素濃度上昇に関連するＳ／Ｃ（スチーム・カーボン比）、一酸化炭素除去器空気流量、各触媒温度およびカソード空気流量などである。
【００２５】
図３は、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作のフローチャートである。図４は、燃料電池発電システムの試験運転時のタイミングチャートであって、（ａ）は本実施の形態の場合、（ｂ）は比較例を示す。
【００２６】
燃料電池発電システムに起動指令が与えられると、制御装置９は、まず試験モードで起動されたか否かを判定する（Ｓ１）。試験モードか否かは、たとえば燃料電池発電システムに設けられたスイッチ（図示せず）によって指定する。
【００２７】
試験モードでない場合には、制御装置９は、燃料処理装置などの機器に通常起動のシーケンスを行わせる（Ｓ１１）。通常起動のシーケンスが終了すると、燃料電池本体５は通常の発電を開始する（Ｓ１２）。
【００２８】
試験モードである場合には、まず、燃料処理装置などの機器が起動される（Ｓ２１）。その後、異常発生の有無が確認される（Ｓ２２）。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、起動中に継続的に行ってもよい。
【００２９】
起動時に異常発生が確認されなかった場合、一酸化炭素変成器３の温度を正常運転状態よりも低くしたＣＯ変成器低温度試験を開始する（Ｓ２３）。ＣＯ変成器低温度試験の開始の時点が、図４における横軸の０に対応する。ＣＯ変成器低温度試験では、一酸化炭素変成器３の温度が正常運転条件での温度からたとえば２０℃低い温度になるように、制御装置９が一酸化炭素変成器３、補機などを制御する。一酸化炭素変成器３の温度がその温度まで上昇したら、異常発生の有無が確認される（Ｓ２４）。異常発生の有無の確認は、一酸化炭素変成器３の温度上昇中および温度上昇後に継続的に行ってもよい。
【００３０】
ＣＯ変成器低温度試験を開始（Ｓ２３）して、一酸化炭素変成器３が所定の温度に達し、異常が発生していなかったら、次に、高速出力上昇試験を行う（Ｓ２５）。高速出力上昇試験において、制御装置９は、燃料ブロア１が改質器２に供給する燃料の流量を増加させることにより、燃料電池５の発電出力の上昇速度を通常運転時のたとえば１．５倍に上昇させる。
【００３１】
その後、異常発生の有無が確認される（Ｓ２６）。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、燃料電池５の発電出力の上昇中に継続的に行ってもよい。
【００３２】
高速出力上昇試験（Ｓ２５）で異常が発生しなかったら、次に、ＣＯ除去器空気増減試験を行う（Ｓ２７）。ＣＯ除去器空気増減試験（Ｓ２７）では、制御装置９が一酸化炭素除去空気ブロア６を制御して、一酸化炭素除去器４に供給される空気の流量を通所運転時よりもたとえば１０％増減させた流量とする。一酸化炭素除去器４に供給される空気の量を通常運転時よりも１０％増加させた状態は、たとえば５分間継続させる。また、ＣＯ除去器４に供給される空気の量を通常運転時よりも１０％減少させた状態は、１０％増加させた状態の終了後に、たとえば５分間継続させる。
【００３３】
その後、異常発生の有無が確認される（Ｓ２８）。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、ＣＯ除去器空気増減試験中に継続的に行ってもよい。
【００３４】
図５は、一酸化炭素除去空気流量と一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度の関係を示したグラフの例である。図５において、実線は、設計において想定した燃料電池発電システムの正常特性１１を示している。また、図５において、破線は、試験時の実際の燃料電池発電システムの異常特性３１を示している。
【００３５】
通常運転時には、一酸化炭素除去器４の空気流量は、標準点を目標として制御される。つまり、通常運転時において、一酸化炭素除去器４の空気流量は、標準点を中心とて所定の範囲内となるように制御される。その結果、燃料電池発電システムの実際の特性が設計において想定した正常特性１２であれば、一酸化炭素除去器４の出口におけるＣＯ濃度は、正常範囲の上限値９１を上回ることはない。
【００３６】
ＣＯ除去器空気増減試験では、検査モードとして、一酸化炭素除去空気量を１０％減、１０％増の試験運転を行っている。燃料電池発電システムの特性が正常特性１１であれば、一酸化炭素除去空気量の１０％増減に対して、一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度は正常範囲に保たれ、発電は継続される。その結果、ＣＯ除去器空気増減試験（Ｓ２７）は、合格となる。
【００３７】
一方、何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が異常特性３１に変化していた場合、一酸化炭素除去器空気流量が標準点にあれば、運転点は点４１となる。その結果、一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度は上限値９１を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
【００３８】
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性３１に変化していた場合、一酸化炭素除去器空気流量の１０％減制御では、運転点は点５１になる。その結果、一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度が上限値９１を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。
【００３９】
燃料電池発電システムの特性が異常特性３１に変化するケースとして、たとえば改質水に微小リークがあって改質蒸気が不足するケースが挙げられる。また、一酸化炭素変成器の温度が異常となっている場合にも異常特性となると考えられる。
【００４０】
ＣＯ除去器空気増減試験（Ｓ２７）で異常が発生しなかったら、次に、カソード空気減試験を行う（Ｓ２９）。カソード空気減試験（Ｓ２９）では、制御装置９が、カソードブロア８を制御して、燃料電池本体５のカソードに供給される空気の流量を通常運転時よりもたとえば１０％下げた流量とする。通常運転時よりも低いカソード空気流量の状態は、たとえば１分間継続させる。
【００４１】
その後、異常発生の有無が確認される（Ｓ３０）。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、カソード空気減試験中に継続的に行ってもよい。
【００４２】
カソード空気減試験（Ｓ２９）で異常が発生しなかったら、次に、改質水流量減試験を行う（Ｓ３１）。改質水流量減試験（Ｓ３１）では、制御装置９が、改質水ポンプ７を制御して、改質器２に供給される改質水の流量を通常運転時よりもたとえば５％減少させた流量とする。改質器２に供給される改質水の量を通常運転時よりも５％減少させた状態は、たとえば１０分間継続させる。
【００４３】
その後、異常発生の有無が確認される（Ｓ３２）。異常が発生したと判定された場合には、燃料電池発電システムの動作が停止される。異常発生の有無の確認は、改質水流量減試験中に継続的に行ってもよい。
【００４４】
また、改質水流量減試験（Ｓ３１）の前または後に、改質水流量増試験を行ってもよい。改質水流量増試験では、改質水ポンプ７を制御して、改質器２に供給される改質水の流量を通常運転時よりもたとえば１０％増加させた流量とする。改質器２に供給される改質水の量を通常運転時よりも１０％増加させた状態は、たとえば１０分間継続させる。
【００４５】
図６は、改質水流量と一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度の関係を示したグラフの例である。図７は、改質水流量とプロセス不安定度の関係を示したグラフの例である。図６および図７において、実線は、設計において想定した燃料電池発電システムの正常特性１２，１３を示している。また、図６および図７において、破線は、試験時の実際の燃料電池発電システムの異常特性３２，３３を示している。
【００４６】
通常運転時には、改質蒸気ポンプ７によって改質器２に供給される改質水流量は、標準点を目標として制御される。つまり、通常運転時において、改質器２の改質水流量は、標準点を中心として所定の範囲内となるように制御される。その結果、燃料電池発電システムの特性が設計において想定した正常特性１２であれば、一酸化炭素変成器３の出口におけるＣＯ濃度は、上限値９２を上回ることはない。また、燃料電池発電システムの実際の特性が設計において想定した正常特性１３であれば、プロセス不安定度は、上限値９３を上回ることはない。
【００４７】
改質水流量減試験および改質水流量増試験では、検査モードとして、改質水流量を５％減および１０％増とした試験運転を行っている。たとえば燃料電池発電システムの実際の特性が正常特性１２であれば、改質水流量の５％減の時の運転点は点４２，４３となる。つまり、燃料電池発電システムの実際の特性が正常特性１２であれば、改質水流量の５％減および１０％増に対して、一酸化炭素変成器出口ＣＯ濃度は正常範囲に保たれ、発電は継続される。また、燃料電池発電システムの実際の特性が正常特性１３であれば、プロセス不安定度は正常範囲に保たれ、発電は継続される。その結果、改質水流量減試験（Ｓ３１）は、合格となる。
【００４８】
一方、何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が、図６に破線で示す異常特性３２に変化していた場合、改質水流量が標準点にあれば、運転点は点４２となる。その結果、一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度は上限値９２を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
【００４９】
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性３２に変化していた場合、改質水流量の５％減制御では、運転点は点５２になる。その結果、改質水流量の５％減制御では一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度が上限値９２を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。
【００５０】
燃料電池発電システムの特性が異常特性３２に変化するケースとして、たとえば改質水に微小リークがあって改質蒸気が不足するケースが挙げられる。また、一酸化炭素変成器３の温度が異常となっている場合にも異常特性となると考えられる。
【００５１】
何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が、図７に破線で示す異常特性３３に変化していた場合、改質水流量が標準点にあれば、運転点は点４３となる。その結果、プロセス不安定度は上限値９３を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
【００５２】
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性３３に変化していた場合、改質水流量の１０％増制御では、運転点は点５３になる。その結果、プロセス不安定度が上限値９３を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。燃料電池発電システムの特性が異常特性３３に変化するケースとして、たとえば改質器２のバーナ空気量が不足しているケースが挙げられる。
【００５３】
これらの試験が終了したら、ＣＯ変成器低温度試験を終了する（Ｓ３３）。ＣＯ変成器低温度試験の終了まで、燃料電池発電システムに異常が発生しなければ、正常判定となる。燃料電池発電システムに、ＣＯ変成器低温度試験の終了までに異常が発生すれば、異常判定となり、異常発生の時点で試験を終了する。
【００５４】
図８は、一酸化炭素変成器温度と一酸化炭素除去器出口ＣＯ濃度の関係を示したグラフの例である。図８において、実線は、設計において想定した燃料電池発電システムの正常特性１４を示している。また、図８において、破線は、試験時の実際の燃料電池発電システムの異常特性３４を示している。
【００５５】
通常運転時には、一酸化炭素変成器３の温度は、標準点を目標として制御される。つまり、通常運転時において、一酸化炭素変成器３の温度は、標準点を中心とて所定の範囲内となるように制御される。その結果、燃料電池発電システムの実際の特性が設計において想定した正常特性１４であれば、一酸化炭素変成器３の出口におけるＣＯ濃度は、正常範囲の上限値９４を上回ることはない。
【００５６】
ＣＯ変成器低温度試験では、検査モードとして、一酸化炭素変成器３の設定温度を２０℃低下させた試験運転を行っている。たとえば燃料電池発電システムの特性が正常特性１４であれば、一酸化炭素変成器設定温度の２０℃低下に対して、一酸化炭素変成器出口ＣＯ濃度は正常範囲に保たれ、発電は継続される。その結果、ＣＯ変成器低温度試験は、合格となる。
【００５７】
一方、何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が、異常特性３４に変化していた場合、一酸化炭素変成器設定温度が標準点にあれば、運転点は点４４となる。その結果、一酸化炭素変成器出口ＣＯ濃度は上限値９４を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
【００５８】
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性３４に変化していた場合、一酸化炭素変成器設定温度を２０℃低下させた制御では、運転点は点５４になる。その結果、一酸化炭素変成器出口ＣＯ濃度が上限値９４を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。燃料電池発電システムの特性が異常特性３４に変化するケースとして、たとえば改質水に微小リークがあって改質蒸気が不足するケースが挙げられる。
【００５９】
また、ＣＯ変成器低温度試験を行っている間に、さらに、改質器温度１０℃低試験を行ってもよい。改質器温度１０℃低試験では、検査モードとして、改質器２の設定温度を１０℃低下させた試験運転を行う。
【００６０】
図９は、改質器温度と水素利用率の関係を示したグラフの例である。図９において、実線は、設計において想定した燃料電池発電システムの正常特性１５を示している。また、図９において、破線は、試験時の実際の燃料電池発電システムの異常特性３５を示している。
【００６１】
通常運転時には、改質器２の温度は、標準点を目標として制御される。つまり、通常運転時において、改質器２の温度は、標準点を中心とて所定の範囲内となるように制御される。その結果、燃料電池発電システムの実際の特性が設計において想定した正常特性１５であれば、水素利用率は、正常範囲の上限値９５を上回ることはない。
【００６２】
改質器温度１０℃低試験では、検査モードとして、改質器２の設定温度を１０℃低下させた試験運転を行っている。燃料電池発電システムの特性が正常特性１５であれば、改質器設定温度の１０℃低下に対して、水素利用率は正常範囲に保たれ、発電は継続される。その結果、改質器温度１０℃低試験は、合格となる。
【００６３】
一方、何らかの原因により燃料電池発電システムの特性が、異常特性３５に変化していた場合、改質器設定温度が標準点にあれば、運転点は点４５となる。その結果、水素利用率は上限値９５を超えず、発電可能であり、異常を検知できない。
【００６４】
しかし、燃料電池発電システムの特性が異常特性３５に変化していた場合、改質器設定温度の１０℃低制御では、運転点は点５５になる。その結果、水素利用率が上限値９５を超えるため、発電不可となり、異常を検知できる。燃料電池発電システムの特性が異常特性３５に変化するケースとして、たとえば改質水に微小リークがあって改質蒸気が不足するケースが挙げられる。
【００６５】
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、通常運転時には、安全性の確保および環境変化などへの対応のために、発電可能な運転範囲よりも狭い通常運転範囲で運転を行う。一方、出荷試験では、この通常運転範囲を逸脱して、発電可能な運転範囲の境界に近いシビア条件での試験を行っている。このため、通常運転範囲での試験では検出できない不具合を検出できる可能性が高い。つまり、燃料電池発電システムの異常状態の検出可能性を高めることができる。
【００６６】
一方、燃料電池発電システムの特性を安定させて出荷試験を行う場合には、たとえば図４（ｂ）に示すように、本実施の形態に比べてより長い時間を要する。まず、一酸化炭素変成器３の温度を標準設定温度まで高めるためには、その標準設定温度よりもたとえば２０℃低い温度に高める場合に比べて、より長時間が必要である。このため、燃料電池発電システムでの発電の開始が、本実施の形態に比べて遅くなる。
【００６７】
また、本実施の形態では、高速で燃料電池本体５での発電出力を上昇させ、整定を待たずに各種試験を行う。しかし、燃料電池発電システムの特性を安定させて出荷試験を行う場合には、ゆっくりと発電出力を定格出力に上昇させるために長時間を要するとともに、整定させるためにより長い時間を要する。
【００６８】
このように本実施の形態では、シビア条件での試験を行っているため、燃料電池発電システムを整定させてから、静特性を計測し、その性能の僅かな変化により異常を検知する必要がない。よって、出荷試験に要する時間を短縮することができる。
【００６９】
さらに、このような各種試験運転を制御装置に自動で行わせるようにしておくことによって、出荷試験に要する時間を短縮するとともに、出荷試験を省力化することができる。また、出荷して設置された後も、たとえば修理完了時に機能確認を自動的に行うこともできる。
【００７０】
このように、本実施の形態によれば、出荷試験に要する時間を短くするとともに、精度のよい健全性確認が可能となる。その結果、低コストかつ信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することができる。
【００７１】
なお、一般的な燃料電池発電システムと同様に、本実施の形態の燃料電池発電システムは、万一、二重故障が発生しても不安全な状況とならないよう設計しておく。このように二重故障が発生しても安全性が損なわれないように設計しておくことにより、本実施の形態のように、シビアな試験運転を行っても不安全な状況となることはない。
【００７２】
また、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。たとえば上述の実施の形態では、発電試験中に故障停止が発生するか否かで健全性の確認をしているが、他の方法で健全性の確認をしてもよい。たとえば、一酸化炭素変成器出口のガスの成分を連続的に分析し、この出口での一酸化炭素濃度が０．６％を超えたら異常とすることができる。また、一酸化炭素除去器出口のガスの成分を分析し、この出口での一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍを超えたら異常判定とすることもできる。このように燃料電池発電システムの各種プロセス量を分析することにより、より精度良く異常を検出することもできる。また、改質器２のバーナの点火時に燃焼空気と燃焼燃料の量を変更し、点火の成功率を把握し、それぞれが適正に制御されているか否かを確認することもできる。
【符号の説明】
【００７３】
１…燃料ブロア、２…改質器、３…一酸化炭素変成器、４…一酸化炭素除去器、５…燃料電池本体、６…一酸化炭素除去空気ブロア、７…改質水ポンプ、８…カソードブロア、９…制御装置、２１…運転可能範囲、２２…通常運転範囲、２４…発電可能範囲、２９…試験運転範囲、１１〜１５…正常特性、３１〜３５…異常特性
【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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【図８】
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【図９】
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