(57)【要約】【課題】圧力検知部を用いず、弁の故障を迅速に検知することのできる新規な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１の制御部２０は、燃料ガスが燃料電池２に供給されている状態で酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７に開放の信号を送ったときに、選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガス供給量が増加した場合に、弁が閉故障していると検知することで、発電工程を開始する前の早期である起動工程に弁の閉故障を検知でき、燃焼電池システムの信頼性を向上させることができる。【選択図】図１
2014116069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記酸化剤ガス供給部から前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路から分岐する酸化剤ガス分岐流路と、
前記酸化剤ガス供給流路のうちの前記酸化剤ガス分岐流路との分岐部から前記燃料電池までの間の流路部分、及び、前記酸化剤ガス排出流路、のうちの少なくとも一方に設けられた１個以上の弁と、
前記酸化剤ガス分岐流路に設けられ、前記酸化剤ガス分岐流路に供給される前記酸化剤ガスの分岐供給量を測定する酸化剤ガス供給量測定部と、
少なくとも前記酸化剤ガス供給部及び前記１個以上の弁を制御する制御部であって、前記燃料電池システムの運転を起動してから前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始するまでの間に、前記酸化剤ガス供給部に起動の信号を送り、前記１個以上の弁全てに開放の信号を送ったときに、前記酸化剤ガス供給量測定部によって測定される前記酸化剤ガスの分岐供給量が所定の範囲内である場合に、前記燃料電池システムの運転を継続するように制御する制御部と、
を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記酸化剤ガス供給量測定部によって測定される前記酸化剤ガスの分岐供給量が第１の規定値より増加した場合に、前記燃料電池システムの運転を停止するように制御する、
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤ガス供給部の供給能力を、前記酸化剤ガス供給量測定部で測定される前記酸化剤ガスの分岐供給量に基づいて変化させる供給能力調整手段を更に有し、
前記制御部は、前記酸化剤ガス供給部の供給能力が第２の規定値より減少した場合に、前記燃料電池システムの運転を停止するように制御する、
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス中の一酸化炭素を除去する選択酸化器を有し、
前記酸化剤ガス分岐流路の下流端が前記選択酸化器に連通している構成を有する、
請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記酸化剤ガス供給部から前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路又は前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記酸化剤ガスの供給量を測定する酸化剤ガス供給量測定部と、
前記酸化剤ガス供給流路及び前記酸化剤ガス排出流路のうちの少なくとも一方に設けられている１個以上の弁と、
少なくとも前記酸化剤ガス供給部及び前記１個以上の弁を制御する制御部であって、前
記燃料電池システムの運転を起動してから前記燃料電池に前記燃料ガスの供給を開始するまでの間に、前記酸化剤ガス供給部に起動の信号を送り、前記１個以上の弁全てに開放の信号を送ったときに、前記酸化剤ガス供給量測定部によって測定される前記酸化剤ガスの供給量が所定の範囲内である場合に、前記燃料電池システムの運転を継続するように制御する制御部と、
を有する燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記酸化剤ガス供給量測定部によって測定される前記酸化剤ガスの供給量が第３の規定値より減少した場合に、前記燃料電池システムの運転を停止するように制御する、
請求項５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、燃料電池に酸化剤ガスを供給する流路及び／又は燃料電池から酸化剤ガスを排出する流路に弁を設けた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電して電力と熱を発生する装置であり、このような燃料電池を含む燃料電池システムにおいては、燃料電池に酸化剤ガスを供給する流路及び燃料電池から酸化剤ガスを排出する流路に、それぞれの流路を開閉するための弁が設けられている。
【０００３】
そして、このような燃料電池システムにおいては、これらの弁の故障を検知することが重要である。例えば、酸化剤ガスを供給する流路に設けられた弁が、開放指令の信号が送られたにもかかわらず閉止しており、閉止状態のまま放置されると、燃料電池の発電を開始するまで異常が分からない。この閉止状態でも水素を含む燃料ガスは供給されるため、燃料電池が発電を開始するまでに弁の故障を検知する必要がある。
【０００４】
これに対し、例えば特許文献１には、従来の一般的な燃料電池システムとして、図５に示されるような構成の燃料電池システムが提案されている。図５は、従来の燃料電池システムの構成を示す模式図である。図５に示される燃料電池システム２０１は、燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池２０２と、燃料電池２０２に酸化剤ガスを供給する空気ブロワ２１３と、空気ブロワ２１２と燃料電池２０２とを繋ぐ酸化剤ガス供給流路２１３と、燃料電池２０２から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出流路２１４と、酸化剤ガス供給流路２１３を開閉する酸化剤供給弁２１６と、酸化剤ガス排出流路を開閉する酸化剤排出弁２１７と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−９４０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システム２０１は、酸化剤供給弁２１６と酸化剤排出弁２１７との間の流路の圧力を検知する圧力検知部２２２とを有し、圧力検知部２２２の検知する圧力の時間変化の傾きに基づいて、酸化剤供給弁２１６と酸化剤排出弁２１７の動作不良を判定するものであり、弁の故障を検知するのに時間がかかるという問題があり、その観点から、未だ改善の余地があった。
【０００７】
即ち、本発明の目的は、上記のような圧力検知部の検知する圧力の時間変化の傾きに基づいて弁の動作不良を判定する従来の燃料電池システムの問題点に鑑み、弁の故障を迅速に検知することのできる新規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】
【０００８】
本発明者らは、上記のような従来の問題点に鑑みて鋭意検討した結果、弁の故障を迅速に検知することのできる新規な燃料電池システムを提供するためには、酸化剤ガス供給流路のうちの酸化剤ガス分岐流路との分岐部から燃料電池までの間の流路部分、及び、酸化剤ガス排出流路、のうちの少なくとも一方に１個以上の弁を設け、燃料電池システムの運転を起動してから燃料電池に燃料ガスの供給を開始するまでの間に、酸化剤ガス供給部に
起動の信号を送り、前記１個以上の弁全てに開放の信号を送ったときに、酸化剤ガス供給量測定部によって測定される酸化剤ガスの分岐供給量が所定の範囲内である場合に、燃料電池システムの運転を継続するように制御することが、有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を含む燃料電池システムであって、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
酸化剤ガス供給部から酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、
燃料電池から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路と、
酸化剤ガス供給流路から分岐する酸化剤ガス分岐流路と、
酸化剤ガス供給流路のうちの酸化剤ガス分岐流路との分岐部から燃料電池までの間の流路部分、及び、酸化剤ガス排出流路、のうちの少なくとも一方に設けられた１個以上の弁と、
酸化剤ガス分岐流路に設けられ、酸化剤ガス分岐流路に供給される酸化剤ガスの分岐供給量を測定する酸化剤ガス供給量測定部と、
少なくとも酸化剤ガス供給部及び１個以上の弁を制御する制御部であって、燃料電池システムの運転を起動してから燃料電池に燃料ガスの供給を開始するまでの間に、酸化剤ガス供給部に起動の信号を送り、１個以上の弁全てに開放の信号を送ったときに、酸化剤ガス供給量測定部によって測定される酸化剤ガスの分岐供給量が所定の範囲内である場合に、燃料電池システムの運転を継続するように制御する制御部と、
を有する燃料電池システムを提供する。
【００１０】
ここで、上記「所定の範囲」は、上記１個以上の弁全てが開放しているときに正常に流れる酸化剤ガスの流量に基づいて、当業者であれば予め決定しておくことが可能なものである（以下、同様。）。
【００１１】
このような構成を有することにより、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転を起動してから燃料電池に燃料ガスの供給を開始するまでの間に、燃料電池の運転で通常使用している酸化剤ガス供給部によって、酸化剤ガス供給流路のうちの酸化剤ガス分岐流路との分岐部から燃料電池までの間の流路部分、及び、酸化剤ガス排出流路、のうちの少なくとも一方に設けられた１個以上の弁の閉故障を迅速に判定（検知）することができ、そのため、従来に比して燃料電池システムの起動エネルギーを低減させることができる。
【００１２】
また、上記特許文献１に記載の従来の燃料電池システムの構成では、閉止指令の信号が送られたにもかかわらず弁が開放している故障（即ち開故障）の検知のみが行われているところ、上記のような構成を有する本発明の燃料電池システムにおいては、開放指令の信号が送られたにもかかわらず弁が閉止している故障（即ち閉故障）の検知も行うことができるという利点がある。
【００１３】
また、上記従来の燃料電池システムにおいては、例えばソレノイド式のゴム製弁が固着して閉止してしまう異常状態（閉固着）が生じた場合、燃料電池の発電工程中におけるセル電圧の低下によってその異常状態を検知できるが、発電工程を開始するまではその異常状態を検知できず燃料電池システムの起動エネルギーが増大してしまうという問題があったが、上記本発明の燃料電池システムによれば、発電工程を開始するまではその異常状態を検知することができ、かかる問題を解消することができる。
【００１４】
上記本発明の燃料電池システムにおいては、
制御部は、酸化剤ガス供給量測定部によって測定される酸化剤ガスの分岐供給量が第１の規定値より増加した場合に、燃料電池システムの運転を停止するように制御する、
ことが好ましい。
【００１５】
ここで、「第１の規定値」とは、上記「所定の範囲」の上限値に相当し、この上限値は、例えば、１個以上の弁全てが開放している場合の酸化剤ガスの分岐供給量より大きく、この分岐供給量の３００％以下の値である。この上限値は、例えば、この分岐供給量の１８０％〜２２０％の値であることが好ましい。
【００１６】
このような構成によれば、開放の信号が送られた１個以上の弁のうちのいずれかが閉止していれば、燃料電池に酸化剤ガスが供給されず、酸化剤ガス分岐流路により多くの酸化剤ガスが供給され、燃料電池システムの運転に通常使用されている酸化剤ガス供給量測定部を用いて確実に弁の閉故障を検知することができる。即ち、開放の信号が送られた１個以上の弁のうちのいずれかが閉止していれば、燃料電池に酸化剤ガスが供給されず、酸化剤ガス分岐流路を流れる酸化剤ガスの分岐供給量は増加するため、酸化剤ガス分岐流路を流れる酸化剤ガスの分岐供給量の増加を検知することにより弁の閉故障をより確実に検知することができ、燃料電池システムの信頼性を向上することができる。
【００１７】
また、上記本発明の燃料電池システムは、
酸化剤ガス供給部の供給能力を、酸化剤ガス供給量測定部で測定される酸化剤ガスの分岐供給量に基づいて変化させる供給能力調整手段を更に有し、
制御部は、酸化剤ガス供給部の供給能力が第２の規定値より減少した場合に、燃料電池システムの運転を停止するように制御する、
ことが好ましい。
【００１８】
ここで、上記供給能力調整手段は、制御部に含まれていても制御部とは別途も受けられていてもよいが、制御部によって制御されるものである。また、「第２の規定値」とは、１個以上の弁全てが開放しているときの酸化剤ガス供給部の供給能力を基準にして、当業者であれば予め決定しておくことが可能なものである。この第２の規定値は、例えば、１個以上の弁全てが開放している場合の酸化剤ガス供給部の供給能力より小さく、この供給能力の１０％以上の値である。この第２の規定値は、例えば、この供給能力の３０％〜７０％の値であることが好ましい。
【００１９】
このような構成によれば、開放の信号が送られた１個以上の弁のうちのいずれかが閉止していれば、燃料電池に酸化剤ガスが供給されず、酸化剤ガス供給量測定部で測定される酸化剤ガスの分岐供給量が増加することから、制御部は酸化剤ガスの分岐供給量に基づいて変化させる供給能力調整手段により、酸化剤ガス供給部の供給能力を減少させることができる。したがって、このようなフィードバック制御を行う場合に、酸化剤ガス供給部の供給能力の減少を検知することによって弁の閉故障をより確実に検知でき、燃料電池システムの信頼性をより向上することができる。
【００２０】
また、上記本発明の燃料電池システムは、
燃料ガス中の一酸化炭素を除去する選択酸化器を有し、
酸化剤ガス分岐流路の下流端が選択酸化器に連通している構成を有する、
ことが好ましい。
【００２１】
このような構成によれば、酸化剤ガス分岐流路が選択酸化器に連通していても、水素濃度（純度）の高い燃料ガスを燃料電池に供給することができ、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明は、
燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を含む燃料電池システムであって、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
酸化剤ガス供給部から酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、
燃料電池から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路と、
酸化剤ガス供給流路又は酸化剤ガス排出流路に設けられ、酸化剤ガスの供給量を測定する酸化剤ガス供給量測定部と、
酸化剤ガス供給流路及び酸化剤ガス排出流路のうちの少なくとも一方に設けられている１個以上の弁と、
少なくとも酸化剤ガス供給部及び１個以上の弁を制御する制御部であって、燃料電池システムの運転を起動してから燃料電池に燃料ガスの供給を開始するまでの間に、酸化剤ガス供給部に起動の信号を送り、１個以上の弁全てに開放の信号を送ったときに、酸化剤ガス供給量測定部によって測定される酸化剤ガスの供給量が所定の範囲内である場合に、燃料電池システムの運転を継続するように制御する制御部と、
を有する燃料電池システムをも提供する。
【００２３】
ここで、上記「所定の範囲」は、上記１個以上の弁全てが開放しているときに正常に流れる酸化剤ガスの流量に基づいて、当業者であれば予め決定しておくことが可能なものである（以下、同様。）。
【００２４】
このような構成を有することにより、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転を起動してから燃料電池に燃料ガスの供給を開始するまでの間に、燃料電池の運転で通常使用している酸化剤ガス供給部によって、酸化剤ガス供給流路及び酸化剤ガス排出流路のうちの少なくとも一方に設けられている１個以上の弁の閉故障を迅速に判定（検知）することができ、そのため、従来に比して燃料電池システムの起動エネルギーを低減させることができる。
【００２５】
また、上記特許文献１に記載の従来の燃料電池システムの構成では、開放指令の信号が送られたにもかかわらず弁が閉止している故障（即ち開故障）の検知のみが行われているところ、上記のような構成を有する本発明の燃料電池システムにおいては、閉止指令の信号が送られたにもかかわらず弁が開放している故障（即ち閉故障）の検知も行うことができるという利点がある。
【００２６】
また、上記従来の燃料電池システムにおいては、例えばソレノイド式のゴム製弁が固着して閉止してしまう異常状態（閉固着）が生じた場合、燃料電池の発電工程中におけるセル電圧の低下によってその異常状態を検知できるが、発電工程を開始するまではその異常状態を検知できず燃料電池システムの起動エネルギーが増大してしまうという問題があったが、上記本発明の燃料電池システムによれば、発電工程を開始するまではその異常状態を検知することができ、かかる問題を解消することができる。
【００２７】
上記本発明の燃料電池システムにおいては、
制御部は、酸化剤ガス供給量測定部によって測定される酸化剤ガスの供給量が第３の規定値より減少した場合に、燃料電池システムの運転を停止するように制御する、
ことが好ましい。
【００２８】
ここで、「第３の規定値」とは、上記「所定の範囲」の例えば下限値に相当し、この下限値は、１個以上の弁全てが開放している場合の酸化剤ガスの供給量である。
【００２９】
このような構成によれば、開放の信号が送られた１個以上の弁のうちのいずれかが閉止していれば、燃料電池に酸化剤ガスが供給されないことから、燃料電池システムの運転に通常使用されている酸化剤ガス供給量測定部を用いて確実に弁の閉故障を検知することができ、燃料電池システムの信頼性を向上することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の燃料電池システムでは、従来の燃料電池システムのような圧力検知部を使用せずに、燃料電池システムの運転を起動してから燃料電池に燃料ガスの供給を開始するまでの間に弁の故障を迅速に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの酸化剤供給弁の開故障確認の一連の動作フロー図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの酸化剤供給弁の開故障確認の一連の動作フロー図
【図５】従来の燃料電池システムの構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら本発明の燃料電池システムの好適な実施の形態について説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下においては互いに同一又は相当する部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略することもあり、各図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、理解容易のために、必要に応じて寸法、比又は数を誇張又は簡略化して表している場合もある。
【００３３】
（実施の形態１）
［構成］
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システム１の構成を示す概略図である。
【００３４】
本実施の形態における燃料電池システム１は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部の一例である水素生成器４と、水素生成器４に原料ガスを供給する原料ガス供給部である原料ブロワ５と、を有している。
【００３５】
水素生成器４は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料である原料ガスが供給されて、原料ガスと水蒸気とを用いて改質を行い、水素濃度が高い燃料ガスを生成するものであり、改質部で改質した改質ガスを選択酸化反応させ、一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスを生成する選択酸化器３を有している。
【００３６】
また、燃料電池システム１は、燃料電池２から排出された未反応の燃料ガスを燃焼して再利用する水素生成器４の燃焼器４ａと、原料ガスユーティリティ（図示せず）と、を有しており、原料ブロワ５と水素生成器４とを連通する原料ガス供給流路６と、水素生成器４と燃料電池２とを連通して、水素生成器４で生成された燃料ガスを燃料電池２に導入する燃料ガス流路７と、を有している。
【００３７】
また、燃料電池２と燃焼器４ａとを連通して燃料電池２から燃料ガスを燃焼器４ａに導く排出ガス流路８と、燃料電池２を介さずに燃料ガス流路７と排出ガス流路８とを接続す
るバイパス流路９と、が設けられている。バイパス流路９上には、バイパス流路９を連通／遮断する、つまり開閉するバイパス弁１０が配され、燃料ガス流路７上のバイパス流路９との分岐点から燃料電池２の間には、燃料ガス流路を開閉するアノード入口弁１１が配されている。
【００３８】
更に、燃料電池システム１は、燃料電池２及び選択酸化器３に各々発電用及び一酸化炭素除去用に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部の一例である空気ブロワ１２と、空気ブロワ１２と燃料電池２とを連通する酸化剤ガス供給流路１３と、燃料電池２から酸化剤ガスを大気に排出するための酸化剤ガス排出流路１４と、を有している。
【００３９】
また、燃料電池システム１は、酸化剤ガス供給流路１３から分岐して空気ブロワ１２から空気を選択酸化器３に供給する酸化剤ガス分岐流路である選択酸化空気流路１５と、酸化剤ガス供給流路１３に設けられ酸化剤ガスの通流／遮断、つまり酸化剤ガス供給流路１３を開閉する酸化剤供給弁１６と、酸化剤ガス排出流路１４に設けられ酸化剤ガスの通流／遮断を行う酸化剤排出弁１７と、選択酸化空気流路１５に設けられ酸化剤ガスの通流／遮断を行うための選択酸化空気弁１８と、選択酸化空気流路１５に設けられた酸化剤ガス供給量測定部である選択酸化流量計１９が設けられている。
【００４０】
ここで、本実施の形態の燃料電池システム１には制御部２０が設けられており、制御部２０は、少なくとも、原料ブロワ５、バイパス弁１０、アノード入口弁１１、空気ブロワ１２、酸化剤供給弁１６、酸化剤排出弁１７及び選択酸化空気弁１８を制御する。より具体的には、制御部２０は、酸化剤ガス供給量測定部である選択酸化流量計１９が検知する酸化剤ガスの供給量が発電電力に応じた酸化剤ガス供給量になるように、空気ブロワ１２の供給能力を変化させることで酸化剤ガスの供給量を制御する。
【００４１】
本実施の形態における原料ブロワ５は、燃料電池２に燃料ガスを供給する原料ガス供給部、空気ブロワ１２は燃料電池２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部、選択酸化空気流路１５は酸化剤ガス分岐流路、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７は酸化剤ガス供給流路のうち酸化剤ガス分岐流路との分岐部より燃料電池側の部分、及び、酸化剤ガス排出流路のうち少なくとも一方に設けられた１以上の弁、選択酸化流量計１９は酸化剤ガス供給量測定部の具体的一例である。
【００４２】
天然ガス、ＬＰＧ等の原料ガスが原料ブロワ５により水素生成器４に供給される。水素生成器４では、供給された原料が水蒸気により改質され、水素を主成分とする改質ガスが生成される。生成された改質ガスは選択酸化器３に供給され、選択酸化器３では、空気ブロワ１２から選択酸化空気流路１５を通じて空気が供給され、触媒を用いて改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化して二酸化炭素にすることにより、一酸化炭素濃度を極めて低くした燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは、燃料電池２の燃料極側に供給される。
【００４３】
一方、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７を開放し、空気ブロワ１２によって、酸化剤ガス供給流路１３を通じて、空気が酸化剤ガスとして燃料電池２のカソード側に供給される。反応に利用されずに燃料電池２から排出された未反応の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路１４を通じて外部に放出される。燃料電池２では、このようにして、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電気化学的に反応が行われ、それにより発電が行われるとともに熱が発生する。
【００４４】
ここで、制御部２０が酸化剤供給弁１６又は酸化剤排出弁１７に開放の信号を送っているにもかかわらず閉止した状態（以下、「閉故障」という。）が放置されると、発電工程を開始するまで、酸化剤供給弁１６又は酸化剤排出弁１７の閉故障異常が分からないため
、起動エネルギー削減のため、早期に酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の閉故障を検知する必要がある。
［動作］
以下に、本実施の形態における燃料電池システム１の酸化剤供給弁１６又は酸化剤排出弁１７の弁の閉故障検知に関する一連の具体的な動作を説明する。
【００４５】
制御部２０は、起動工程と、起動工程後の発電工程と、発電工程後の停止処理工程と、停止処理工程後の停止工程とを行うように、燃料電池システム１全体を制御している。
【００４６】
起動工程は、燃料電池２に供給する燃料ガスを供給するために、原料ガスから水素生成器４にて燃料ガスの生成を行うための工程であり、起動工程が開始して水素生成器４が燃料ガスを生成できる温度に加熱された後に行われ燃料電池２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、燃料ガス供給工程開始後に燃料電池２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給工程と、を有している。
【００４７】
発電工程は、酸化剤ガス供給工程開始後に行われ、燃料電池２の発電を行う工程である。また、停止処理工程は、発電工程終了後に行われ、燃料電池２の停止処理を行うための工程であり、停止工程は、停止処理工程後の状態であり、待機している状態である。
【００４８】
本実施の形態における燃料電池システム１の制御部２０は、起動工程を開始したときから、燃料ガス供給工程を開始するまでの間に弁故障検知を行う。より具体的には、制御部２０は、酸化剤ガスが選択酸化器３に供給されている状態で弁に閉止の信号を送ったときに、酸化剤ガス分岐流路である選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量が第１の規定値である規定値Ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）より増加した場合に、弁が閉故障していると検知して、燃料電池システム１の運転を停止する機能を持つ。
【００４９】
規定値Ｘは、例えば、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７が開放した状態で、酸化剤ガス分岐流路である選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量Ｙ（Ｌ／ｍｉｎ）の２００％以上の値に設定することが好ましい。
【００５０】
ここで、図２は、起動工程における酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の弁故障検知の一連の動作フローを示すフロー図である。燃料電池システム１の起動が開始されると、まず、原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する初期工程（ステップＳ１０１・Ｓ１０２）が開始される。
【００５１】
制御部２０は、バイパス弁１０に開放の信号を送り、アノード入口弁１１、酸化剤供給弁１６、酸化剤排出弁１７、選択酸化空気弁１８に閉止の信号を送る。また、原料ブロワ５に起動信号を送り、空気ブロワ１２に停止信号を送る（ステップＳ１０１）。これにより、原料ガスユーティリティから原料ガスが原料ブロワ５によって所定の圧力に昇圧した状態で、原料ガス供給流路６、水素生成器４、バイパス流路９を経由して、燃焼器４ａに供給され、燃焼器４ａは燃焼を開始するとともに、水素生成器４は、原料ガスを利用して、燃料ガスを生成し始める。
【００５２】
起動工程の初期工程では、水素生成器４が充分に加熱されていないため、水素生成器４で生成される燃料ガスには多くの一酸化炭素が含まれている。一酸化炭素濃度が比較的高い燃料ガスを燃料電池２に供給した場合、燃料電池２のアノードが有する触媒が被毒する。そこで、起動工程中は、水素生成器４にて生成された燃料ガスは、バイパス流路９を介して燃焼器４ａにて燃焼を行う。
【００５３】
選択酸化器３の選択酸化触媒が反応可能な温度になると、選択酸化器３に酸化剤ガスを
供給するために、制御部２０は、空気ブロワ１２に起動信号を送り、選択酸化空気弁１８に開放の信号を送る（ステップＳ１０２）。
【００５４】
ここで、選択酸化器３に供給される酸化剤ガスの分岐供給量は、選択酸化器３で燃料ガス中の一酸化炭素が低減できる所定量Ｙ（Ｌ／ｍｉｎ）とし、制御部２０は選択酸化空気流路１５に配された選択酸化流量計１９の値がＹ（Ｌ／ｍｉｎ）となるように空気ブロワ１２の供給能力を調整する。
【００５５】
これにより、酸化剤ガスが選択酸化器３に供給され、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の弁故障検知（ステップＳ１０３〜Ｓ１０６）に移行する。
【００５６】
酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の弁故障検知として、ステップＳ１０３では、制御部２０は、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７に開放の信号を送り、選択酸化流量計１９により、選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量を確認する。
【００５７】
このとき、制御部２０は酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７に開放信号を送っているため、燃料電池２に酸化剤ガスが供給され、選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量は減少する。制御部２０は、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７が開放した状態で、選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量Ｙ（Ｌ／ｍｉｎ）の５０％の値である規定値Ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）以上であれば（ステップＳ１０４でＹｅｓ）、酸化剤供給弁１６又は酸化剤排出弁１７が閉故障していることを検知し、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７を閉止し（ステップＳ１０５）、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の閉故障確認を終了し、燃料電池システム１の運転を停止する。
【００５８】
選択酸化流量計１９により計測される、選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量が規定値Ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）未満であれば（ステップＳ１０４でＮｏ）、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７が閉故障していないことを判定し、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７を閉止し（ステップＳ１０６）、これらの弁の閉故障検知を終了し、水素生成器４の加熱に必要な時間が経つか若しくは水素生成器４が所定の温度になり、水素生成器が燃料ガスの一酸化炭素が低下すれば、次の燃料ガス供給工程（ステップＳ１０７）を開始する。
【００５９】
以上のように、本実施の形態においては、制御部２０は、選択酸化流量計１９が検知する選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量が規定値Ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）以上に増加したことを検知して、開放の信号を送った弁が閉故障していることを判定して、燃料電池システム１の運転を停止することができ、発電工程を開始するまでの早期に開放の信号を送った弁の閉故障により燃料電池２の運転を停止できる。また、選択酸化流量計１９を使用することで、選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量により弁の閉故障不良をより確実に検知できるため、燃料電池システムの信頼性を向上することができる。
【００６０】
なお、図２に基づいて説明した、弁の閉故障検知のステップＳ１０４で、選択酸化流量計１９により計測される選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量ではなく、空気ブロワ１２の供給能力が第２の規定値である規定値Ｚ（％）未満になった場合に、開放の信号を送った１以上の弁が閉故障していると検知する機能を持ってもよい。この規定値Ｚ（％）は、例えば、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７が開放しているときの空気ブロワ１２の供給能力Ｗ（％）の５０％以下の値にすることが好ましい。
【００６１】
ステップＳ１０４で、制御部２０が酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７に開放信号を送っているので、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７が開放していれば、選択酸化
空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量は所定量Ｙ（Ｌ／ｍｉｎ）から減少するため、制御部２０は空気ブロワ１２の供給能力をＷ（％）以上に増加させる。一方、酸化剤供給弁１６若しくは酸化剤排出弁１７が閉止していれば、燃料電池２に酸化剤ガスが供給されないため、選択酸化空気流路１５を流れる酸化剤ガスの分岐供給量はＹ（Ｌ／ｍｉｎ）から変化せず、また、空気ブロワ１２の供給能力はＷ（％）から増加しないことから、規定値であるＷ（％）未満となる。そのため、供給能力が規定値Ｚ（％）未満になった場合に、開放の信号を送った弁が開故障していると検知でき、確実に弁の閉故障不良を判定できる。
【００６２】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す概略図である。図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム３１は、図１に示す燃料電池システム１と比較して、酸化剤ガスの供給量を測定する酸化剤ガス供給量測定部が、選択酸化空気流路１５ではなく酸化剤ガス供給流路１３に配されているカソード流量計２１である点で異なっている。
【００６３】
本実施の形態における燃料電池システム３１の酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の故障検知に関する一連の具体的動作を説明する。
【００６４】
制御部２０が酸化剤供給弁１６又は酸化剤排出弁１７に開放の信号を送っているにもかかわらず閉止した状態（以下、「閉故障」という。）で放置されると、発電工程を開始するまで、酸化剤供給弁１６又は酸化剤排出弁１７の閉故障異常が分からないため、早期に酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の閉故障を検知する必要がある。
【００６５】
制御部２０は、起動工程と、起動工程後の発電工程と、発電工程後の停止処理工程と、停止処理工程後の停止工程とを行うように、燃料電池システム３１全体を制御している。
【００６６】
起動工程は、燃料電池２に供給する燃料ガスを供給するために、原料ガスから水素生成器４にて燃料ガスの生成を行うための工程であり、起動工程が開始して水素生成器４が燃料ガスを生成できる温度に加熱された後に行われ燃料電池２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、燃料ガス供給工程開始後に燃料電池２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給工程と、を有している。発電工程は、酸化剤ガス供給工程開始後に行われ、燃料電池２の発電を行う工程である。
【００６７】
本実施の形態における燃料電池システム３１の制御部２０には、起動工程を開始したときから、燃料ガス供給工程を開始するまでの間に弁故障検知を行うものであり、停止処理工程において燃料ガスが燃料電池２に供給されている状態で弁故障検知を行う。より具体的には、制御部２０は、酸化剤ガスが選択酸化器３に供給されている状態で酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７に開放の信号を送り、酸化剤ガス供給量が第３の規定値である規定値Ａ（Ｌ／ｍｉｎ）より小さい場合に、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７のいずれかが閉故障していると検知する。
【００６８】
規定値Ａは、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７が閉故障している場合は、酸化剤ガス供給流路１３には酸化剤ガスが流れないため、例えば、カソード流量計２１が計測できる最小値であるＡ（Ｌ／ｍｉｎ）であることが望ましい。
【００６９】
ここで、図４は、本実施の形態における酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の閉故障確認の一連の動作フローを示すフロー図である。燃料電池システム１の起動が開始されると、まず、原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する初期工程（ステップＳ２０１・Ｓ２０２）が開始される。
【００７０】
制御部２０は、バイパス弁１０に開放の信号を送り、アノード入口弁１１、酸化剤供給弁１６、酸化剤排出弁１７、選択酸化空気弁１８に閉止の信号を送る。また、原料ブロワ５に起動信号を送り、空気ブロワ１２に停止信号を送る（ステップＳ２０１）。これにより、原料ガスユーティリティから原料ガスが原料ブロワ５によって所定の圧力に昇圧した状態で、原料ガス供給流路６、水素生成器４、バイパス流路９を経由して、燃焼器４ａに供給され、燃焼器４ａは燃焼を開始するとともに、水素生成器４は、原料ガスを利用して、燃料ガスを生成し始める。
【００７１】
起動工程の初期工程では水素生成器４が充分に加熱されていないため、水素生成器４で生成される燃料ガスには多くの一酸化炭素が含まれている。一酸化炭素濃度が比較的高い燃料ガスを燃料電池２に供給した場合、燃料電池２のアノードが有する触媒が被毒する。そこで、起動工程中は、水素生成器４にて生成された燃料ガスは、バイパス流路９を介して燃焼器４ａにて燃焼を行う。
【００７２】
選択酸化器３の選択酸化触媒が反応可能な温度になると、選択酸化器３に酸化剤ガスを供給するために、制御部２０は、空気ブロワ１２に起動信号を送り、選択酸化空気弁１８に開放の信号を送る（ステップＳ２０２）。
【００７３】
これにより、酸化剤ガスが選択酸化器３に供給され、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の弁故障検知（ステップＳ２０３〜Ｓ２０６）に移行する。
【００７４】
酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の弁故障検知として、ステップＳ２０３では、制御部２０は、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７に開放の信号を送り、カソード流量計２１により計測される酸化剤ガスの供給量を確認する。
【００７５】
このとき、制御部２０は酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７に開放信号を送っているので、燃料電池２に酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス供給流路１３を流れる酸化剤ガスの供給量は増加する。制御部２０は、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７が開放した状態で、Ａ（Ｌ／ｍｉｎ）以上であれば（ステップＳ２０４でＹｅｓ）、酸化剤供給弁１６又は酸化剤排出弁１７が閉故障していることを検知し、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７を閉止し（ステップＳ１０５）、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の閉故障確認を終了し、燃料電池システム１の運転を停止する。
【００７６】
カソード流量計２１により計測される、酸化剤ガス供給流路を流れる酸化剤ガスの供給量が規定値のＡ（Ｌ／ｍｉｎ）未満であれば（ステップＳ２０４でＮｏ）、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７が閉故障していないことを判定し、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７を閉止し（ステップＳ２０６）、これらの弁の閉故障検知を終了し、水素生成器４の加熱に必要な時間が経つか若しくは水素生成器４が所定の温度になり、水素生成器が燃料ガスの一酸化炭素が低下すれば、次の燃料ガス供給工程（ステップＳ２０７）を開始する。
【００７７】
なお、図４に基づいて説明した、酸化剤供給弁１６及び酸化剤排出弁１７の閉故障確認で、酸化剤供給弁１６又は酸化剤排出弁１７のいずれか一方が閉故障していることを検知したときには、複数回開故障を検知した場合に、燃料電池システム３１の次回起動を禁止するほうが好ましい。また、複数回開故障を判定して初めて異常を確定し、燃料電池システム３１の運転を停止するほうがより好ましい。
【００７８】
また、本発明は、上記実施の形態１及び２に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において種々の設計変更が可能であり、それらは全て本発明の技術的範囲に
含まれる。例えば、上記実施形態１及び２おける制御部２０は、単独の制御装置で構成される形態だけでなく、複数の制御部が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の燃料電池システムは、例えばコージェネレーション装置に利用される燃料電池システム等に有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１、３１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  選択酸化器
４  水素生成器（燃料ガス供給部）
４ａ  燃焼器
５  原料ブロワ
６  原料ガス供給流路
７  燃料ガス流路
８  排出ガス流路
９  バイパス流路
１０  バイパス弁
１１  アノード入口弁
１２  空気ブロワ（酸化剤ガス供給部）
１３  酸化剤ガス供給流路
１４  酸化剤ガス排出流路
１５  選択酸化空気流路
１６  酸化剤供給弁
１７  酸化剤排出弁
１８  選択酸化空気弁
１９  選択酸化流量計
２０  制御部
２１  カソード流量計
【図２】
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【図４】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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